Есть ли будущее у двигателей со встречно движущимися поршнями

В последние годы двигатели со встречно движущимися оппозитными поршнями (OP) привлекли интерес автомобильной промышленности из-за их потенциала для значительного повышения экономии топлива. Исследователи утверждают, что двухтактный двигатель со встречно движущимися поршнями (OP2S) усиливает это преимущество в топливной эффективности и предлагает более низкие затраты и вес за счет меньшего количества деталей. Смогут ли умные доработки превратить старую конструкцию двигателя со встречно движущимися оппозитными поршнями в многообещающую новую?

Для оптимальной эффективности сгорания тепловые потери через стенки цилиндра должны быть минимальными. В идеале горение должно происходить в сферическом объеме с равномерно распределенным расширением по всей его поверхности, чего, очевидно, невозможно достичь на практике с помощью известных материалов и механизмов. Два поршня, движущихся навстречу друг другу в общем цилиндре несколько приближают конструкцию двигателей к этому идеалу. Они особенно хорошо подходят для двухтактного цикла, потому что один поршень может открывать выпускные отверстия, а другой — впускные («продувочные») отверстия на каждом конце длинного цилиндра.

«Выпускной поршень» может быть немного выдвинут относительно «впускного» или «продувочного» поршня, чтобы обеспечить благоприятную временную диаграмму, на которой выпускные отверстия открываются и закрываются немного раньше впускных; кроме того, большой промежуток между этими противоположными портами обеспечивает отличную продувку без напуска. Размер двигателя, его вес и стоимость снижаются из-за отсутствия громоздкой и дорогой головки блока цилиндров.

По сравнению с обычным двигателем с таким же ходом, работающим при одинаковых оборотах в минуту (таким образом, с одинаковой средней скоростью поршня и таким же ускорением поршня), двойной ход двигателя со встречно движущимися оппозитными поршнями дает более компактную камеру сгорания, которая обеспечивает лучший термодинамический КПД и высокую удельную мощность. Отвод тепла через охлаждающий контур уменьшается из-за отсутствия головки блока цилиндров и компактности камеры сгорания, что позволяет использовать радиаторы меньшего размера. Кроме того, достигается отличный баланс даже с одним цилиндром.

К этим преимуществам добавляются те, которые присущи двухтактному циклу, в том числе уменьшенное вдвое угловое расстояние между сгораниями, что позволяет использовать меньшее количество цилиндров, особенно с учетом того, что кубатура агрегата удваивается при идентичном диаметре и такте, а также что при эквивалентном среднем эффективном давлении 2-тактный двигатель вдвойне мощнее.

Сила на шатуне при движении поршней около верхней мертвой точки (ВМТ), возникающей из-за силы инерции, компенсируется на каждом такте давлением в камере сгорания, что дает лучшее сопротивление при повышении оборотов.

Стенки блока и цилиндра не подвергаются осевой нагрузке, и их деформация резко снижается за счет отказа от головки блока цилиндров и усилий, возникающих при ее затяжке. Кроме того, стоимость блока цилиндров и главных картеров снижается, поскольку их масса и размеры ниже, чем у обычного 4-тактного двигателя равной мощности.

У таких двигателей при низкой нагрузке высокая доля сгоревших газов может удерживаться за счет уменьшения работы нагнетателя, повышения эффективности и обеспечения внутренней рециркуляции выхлопных газов (EGR) для сгорания с низким уровнем NOx и высоких температур выхлопных газов для систем доочистки выхлопных газов.

Результаты моделирования перспективных моделей показали, что сочетание конструкции со встречно движущимися поршнями и двухтактным циклом увеличивает тепловую эффективность за счет комбинации трех эффектов, таких как снижение теплопередачи, поскольку конструкция с оппозитными поршнями создает более благоприятное соотношение площади камеры сгорания и объема, увеличенное соотношение удельных теплоемкостей из-за более обедненных рабочих условий, которые стали возможны благодаря двухтактному циклу, и уменьшенная продолжительность сгорания, достижимая при фиксированной максимальной скорости повышения давления из-за более низкой плотности выделяемой энергии двухтактного двигателя. При усреднении по типичному циклу двигателя двухтактный двигатель с оппозитными поршнями имеет на 10,4 % меньший удельный расход топлива, чем четырехтактный двигатель.

Продолжение статьи читайте в декабрьском номере журнала "Наука и техника" за 2021 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.