Три цилиндра – шесть поршней

 
Алексей БАТЫРЬ
Какими резервами для повышения эффективности обладают двигатели внутреннего сгорания?
26.02.2016

Как известно, существуют два основных типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) – с принудительным (обычно электрической искрой) и компрессионным (за счёт нагрева от сильного сжатия) воспламенением горючей смеси. Хотя первый ДВС с компрессионным воспламенением, построенный Рудольфом Дизелем в 1894 г., работал на чистом арахисовом масле, современные модели используют дизельное топливо, обладающее уникальным сочетанием свойств: высокая плотность энергии и, следовательно, меньшие занимаемый объём и масса в автомобилях; экологичность, особенно у современного топлива со сверхмалым содержанием серы; широкое распространение в мире; максимальная в нынешних непростых условиях экономическая эффективность.

Приведём лишь несколько фактов: в США 25% топлива, используемого легковыми и грузовыми автомобилями и автобусами, – дизельное; в Китае и Индии две трети топлива, используемого для автомобильных перевозок, – тоже; каждый второй зарегистрированный в Европе легковой автомобиль имеет дизельный двигатель. Применение дизельного топлива ещё расширится с появлением новых, экологичных, его видов, например, биодизеля. Таким образом, повышение эффективности ДВС с компрессионным воспламенением – задача уже даже не будущего, а настоящего.

Изобрести иной велосипед

До недавнего времени речь шла о дизельных двигателях традиционной конструкции. Но американские инженеры и учёные, в 2004 г. основавшие компанию Achates Power (Сан-Диего), руководствовались амбициозной идеей: путём внедрения последних технологических достижений превратить малораспространённый двухтактный компрессионный двигатель с оппозитным расположением двух поршней в цилиндре в основу для экологически чистого и эффективного двигателя будущего.


В Аргоннской национальной лаборатории уже много лет
экспериментируют с компрессионным воспламенением
бензина

Благодаря наличию в каждом цилиндре двух поршней, совершающих противоположно направленные возвратно-поступательные движения, эти двигатели не нуждаются в головке блока цилиндров, через которую в основном теряется тепло в традиционных ДВС. Специальные окна в стенках цилиндров заменяют клапаны сложной конфигурации и газораспределительный механизм, создающий неизбежные потери на трение. Открывающиеся при движении поршней впускные окна с одной стороны цилиндра и выпускные с другой обеспечивают равномерный впрыск топливо-воздушной смеси и эффективное удаление продуктов сгорания. Механические нагрузки на блок цилиндров сбалансированы, что помогает снизить его массу.

Интересно, что подобные двигатели применялись на танках ещё в начале 1960-х годов. В 1961 г. «партия и правительство» приняли решение о создании на Харьковском заводе транспортного машиностроения им. Малышева (ХЗТМ, бывший Харьковский паровозный завод) нового танка Т-64. По некоторым данным, основой для него должна была послужить конструкторская документация на английский танк «Чифтен», добытая советской разведкой на разработавшей её фирме «Лейланд». Среди ряда нововведений англичан – применение именно двухтактного дизеля с оппозитным расположением поршней. После долгих раздумий и мучительных попыток преодолеть конструктивные недостатки, присущие английскому мотору, в Советском Союзе родился оппозитный турбодизель 5ТДФ.

Перечислим «технические требования», которым, по мнению военных, должна была удовлетворять силовая установка перспективного тогда танка Т-64: удельная мощность – порядка 50 л. с./л, сохранение работоспособности и мощности в экстремальных боевых условиях, при высокой запылённости, температурах от –40 до +50 °С, на высотах до 3000 м над уровнем моря, при непрерывно меняющихся нагрузках и оборотах. Одним из новых требований была многотопливность – способность работать не только на штатном для дизеля газойле, но и бензине, керосине, реактивном топливе и их смесях (заказчик даже высказывал пожелание, чтобы мотор мог питаться смазочным маслом и мазутом – всем, что может подвернуться в боевых условиях).

Бензина свежее дыхание

Но вернёмся в наш XXI век. Компания Achates Power при поддержке Аргоннской национальной лаборатории (США) и компании Delphi Automotive (Великобритания) получила трёхлетнее финансирование от Агентства перспективных исследований Министерства энергетики США (ARPA-E) на разработку нового бензинового оппозитного ДВС с компрессионным воспламенением. Предполагается, что он должен превзойти по эффективности обычный малоразмерный турбированный бензиновый двигатель более чем на 50% и при этом позволить снизить общую стоимость силовой установки. Дэвид Джонсон, президент Achates Power, говорит: «Argonne и Delphi уже показали на обычных четырёхтактных двигателях, что потенциал у бензинового компрессионного воспламенения (GCI) велик – оно дает бензиновому ДВС эффективность дизеля. Наши же оппозитные двигатели продемонстрировали высокую эффективность и экологичность при работе на дизельном топливе. Сочетание нашего оппозитного двигателя с технологиями GCI навсегда изменит рынок ДВС».


Несмотря на присутствие двух коленчатых валов,
новая силовая ДВС-система должна обходиться
дешевле классической

Цель трёхлетнего проекта ARPA-E – создание трёхцилиндрового трёхлитрового бензинового оппозитного ДВС с компрессионным воспламенением для больших пассажирских автомобилей, пикапов, внедорожников и минивэнов. Но технологию, если она действительно окажется удачной, должно быть несложно распространить на двух- и четырёхцилиндровые двигатели. Первые можно использовать в небольших кроссоверах и среднеразмерных автомобилях, вторые – в малотоннажных грузовиках.

«Наши опыты по компрессионному воспламенению в бензиновых ДВС с прямым впрыском показывают, что эта технология имеет большой потенциал, – говорит Джон Фюрст, вице-президент Delphi Automotive по силовым установкам. – Мы рады участвовать в исследованиях по бензиновому компрессионному воспламенению на двухтактной архитектуре Achates Power с оппозитным расположением поршней».

Ключ к стабильности

При бензиновом компрессионном воспламенении высокие температуры и давления в цилиндрах используются для спонтанного воспламенения бензинового топлива без помощи свечей зажигания. В оппозитном двигателе Achates Power двухтактная схема облегчает получение стабильных потоков воздуха и отработанных газов, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру для воспламенения даже при небольших рабочих нагрузках. Задача стабилизации потоков принципиально облегчается благодаря симметрии камеры сгорания. Кроме того, для точного контроля за впрыском топлива и стратификацией рабочей смеси в системе сгорания используются расположенные противоположно по диаметру цилиндра двойные инжекторы. Они помогают обеспечить надёжное воспламенение и контролируемое выделение тепла в цилиндре.


Специальное оборудование позволяет посмотреть, что
в действительности происходит в цилиндрах

Аргоннская национальная лаборатория ведёт исследования по компрессионному воспламенению на ряде экспериментальных ДВС около 10 лет. Авторы проекта надеются, что опыт учёных из Аргонна в компрессионном воспламенении бензина, вычислительной гидродинамике и моделировании двигателей станет ключом к успеху.

«Мы собрали динамичную исследовательскую команду, которая должна принести проекту успех, – убеждён Дон Хильдебранд, директор отделения энергетических систем Аргоннской лаборатории. – Сочетание инженерного и научного опыта Аргонна в бензиновом компрессионном воспламенении с успехами Achates Power в конструировании двигателя и опытом Delphi в разработке систем впрыска и воспламенения даст нам все возможности для создания ДВС, который, как мы полагаем, должен показать весьма высокий выигрыш в эффективности».

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» здесь



0

 

Три цилиндра – шесть поршней

Алексей БАТЫРЬ
Какими резервами для повышения эффективности обладают двигатели внутреннего сгорания?
26.02.2016

Как известно, существуют два основных типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) – с принудительным (обычно электрической искрой) и компрессионным (за счёт нагрева от сильного сжатия) воспламенением горючей смеси. Хотя первый ДВС с компрессионным воспламенением, построенный Рудольфом Дизелем в 1894 г., работал на чистом арахисовом масле, современные модели используют дизельное топливо, обладающее уникальным сочетанием свойств: высокая плотность энергии и, следовательно, меньшие занимаемый объём и масса в автомобилях; экологичность, особенно у современного топлива со сверхмалым содержанием серы; широкое распространение в мире; максимальная в нынешних непростых условиях экономическая эффективность.

Приведём лишь несколько фактов: в США 25% топлива, используемого легковыми и грузовыми автомобилями и автобусами, – дизельное; в Китае и Индии две трети топлива, используемого для автомобильных перевозок, – тоже; каждый второй зарегистрированный в Европе легковой автомобиль имеет дизельный двигатель. Применение дизельного топлива ещё расширится с появлением новых, экологичных, его видов, например, биодизеля. Таким образом, повышение эффективности ДВС с компрессионным воспламенением – задача уже даже не будущего, а настоящего.

Изобрести иной велосипед

До недавнего времени речь шла о дизельных двигателях традиционной конструкции. Но американские инженеры и учёные, в 2004 г. основавшие компанию Achates Power (Сан-Диего), руководствовались амбициозной идеей: путём внедрения последних технологических достижений превратить малораспространённый двухтактный компрессионный двигатель с оппозитным расположением двух поршней в цилиндре в основу для экологически чистого и эффективного двигателя будущего.


В Аргоннской национальной лаборатории уже много лет
экспериментируют с компрессионным воспламенением
бензина

Благодаря наличию в каждом цилиндре двух поршней, совершающих противоположно направленные возвратно-поступательные движения, эти двигатели не нуждаются в головке блока цилиндров, через которую в основном теряется тепло в традиционных ДВС. Специальные окна в стенках цилиндров заменяют клапаны сложной конфигурации и газораспределительный механизм, создающий неизбежные потери на трение. Открывающиеся при движении поршней впускные окна с одной стороны цилиндра и выпускные с другой обеспечивают равномерный впрыск топливо-воздушной смеси и эффективное удаление продуктов сгорания. Механические нагрузки на блок цилиндров сбалансированы, что помогает снизить его массу.

Интересно, что подобные двигатели применялись на танках ещё в начале 1960-х годов. В 1961 г. «партия и правительство» приняли решение о создании на Харьковском заводе транспортного машиностроения им. Малышева (ХЗТМ, бывший Харьковский паровозный завод) нового танка Т-64. По некоторым данным, основой для него должна была послужить конструкторская документация на английский танк «Чифтен», добытая советской разведкой на разработавшей её фирме «Лейланд». Среди ряда нововведений англичан – применение именно двухтактного дизеля с оппозитным расположением поршней. После долгих раздумий и мучительных попыток преодолеть конструктивные недостатки, присущие английскому мотору, в Советском Союзе родился оппозитный турбодизель 5ТДФ.

Перечислим «технические требования», которым, по мнению военных, должна была удовлетворять силовая установка перспективного тогда танка Т-64: удельная мощность – порядка 50 л. с./л, сохранение работоспособности и мощности в экстремальных боевых условиях, при высокой запылённости, температурах от –40 до +50 °С, на высотах до 3000 м над уровнем моря, при непрерывно меняющихся нагрузках и оборотах. Одним из новых требований была многотопливность – способность работать не только на штатном для дизеля газойле, но и бензине, керосине, реактивном топливе и их смесях (заказчик даже высказывал пожелание, чтобы мотор мог питаться смазочным маслом и мазутом – всем, что может подвернуться в боевых условиях).

Бензина свежее дыхание

Но вернёмся в наш XXI век. Компания Achates Power при поддержке Аргоннской национальной лаборатории (США) и компании Delphi Automotive (Великобритания) получила трёхлетнее финансирование от Агентства перспективных исследований Министерства энергетики США (ARPA-E) на разработку нового бензинового оппозитного ДВС с компрессионным воспламенением. Предполагается, что он должен превзойти по эффективности обычный малоразмерный турбированный бензиновый двигатель более чем на 50% и при этом позволить снизить общую стоимость силовой установки. Дэвид Джонсон, президент Achates Power, говорит: «Argonne и Delphi уже показали на обычных четырёхтактных двигателях, что потенциал у бензинового компрессионного воспламенения (GCI) велик – оно дает бензиновому ДВС эффективность дизеля. Наши же оппозитные двигатели продемонстрировали высокую эффективность и экологичность при работе на дизельном топливе. Сочетание нашего оппозитного двигателя с технологиями GCI навсегда изменит рынок ДВС».


Несмотря на присутствие двух коленчатых валов,
новая силовая ДВС-система должна обходиться
дешевле классической

Цель трёхлетнего проекта ARPA-E – создание трёхцилиндрового трёхлитрового бензинового оппозитного ДВС с компрессионным воспламенением для больших пассажирских автомобилей, пикапов, внедорожников и минивэнов. Но технологию, если она действительно окажется удачной, должно быть несложно распространить на двух- и четырёхцилиндровые двигатели. Первые можно использовать в небольших кроссоверах и среднеразмерных автомобилях, вторые – в малотоннажных грузовиках.

«Наши опыты по компрессионному воспламенению в бензиновых ДВС с прямым впрыском показывают, что эта технология имеет большой потенциал, – говорит Джон Фюрст, вице-президент Delphi Automotive по силовым установкам. – Мы рады участвовать в исследованиях по бензиновому компрессионному воспламенению на двухтактной архитектуре Achates Power с оппозитным расположением поршней».

Ключ к стабильности

При бензиновом компрессионном воспламенении высокие температуры и давления в цилиндрах используются для спонтанного воспламенения бензинового топлива без помощи свечей зажигания. В оппозитном двигателе Achates Power двухтактная схема облегчает получение стабильных потоков воздуха и отработанных газов, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру для воспламенения даже при небольших рабочих нагрузках. Задача стабилизации потоков принципиально облегчается благодаря симметрии камеры сгорания. Кроме того, для точного контроля за впрыском топлива и стратификацией рабочей смеси в системе сгорания используются расположенные противоположно по диаметру цилиндра двойные инжекторы. Они помогают обеспечить надёжное воспламенение и контролируемое выделение тепла в цилиндре.


Специальное оборудование позволяет посмотреть, что
в действительности происходит в цилиндрах

Аргоннская национальная лаборатория ведёт исследования по компрессионному воспламенению на ряде экспериментальных ДВС около 10 лет. Авторы проекта надеются, что опыт учёных из Аргонна в компрессионном воспламенении бензина, вычислительной гидродинамике и моделировании двигателей станет ключом к успеху.

«Мы собрали динамичную исследовательскую команду, которая должна принести проекту успех, – убеждён Дон Хильдебранд, директор отделения энергетических систем Аргоннской лаборатории. – Сочетание инженерного и научного опыта Аргонна в бензиновом компрессионном воспламенении с успехами Achates Power в конструировании двигателя и опытом Delphi в разработке систем впрыска и воспламенения даст нам все возможности для создания ДВС, который, как мы полагаем, должен показать весьма высокий выигрыш в эффективности».

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» здесь



© 1998 — 2022, «Нефтяное обозрение (oilru.com)».
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-6928
Зарегистрирован Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой коммуникаций 23 апреля 2003 г.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № ФС77-33815
Перерегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций 24 октября 2008 г.
При цитировании или ином использовании любых материалов ссылка на портал «Нефть России» (https://oilru.com/) обязательна.