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.

двигатели со встречно движущимися оппозитными поршнями
Два поршня имеют общий цилиндр, каждый со своим коленчатым валом и шатуном. Поршни движутся навстречу друг другу и почти встречаются в верхней мертвой точке. По мере приближения поршней дизеля друг к другу (или, может быть, непосредственно перед ним) в верхней части каждого хода, дизельное топливо впрыскивается в цилиндр и происходит сгорание. Затем происходит сгорание, которое раздвигает поршни. Два коленчатых вала, по одному на каждом конце двигателя, соединены набором шестерен, от которых мощность передается на колеса (или пропеллер, или что-то еще, что вы приводите в действие). Функцию клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндра вниз ближе к нижней части хода. Один набор отверстий позволяет выходить выхлопным газам, а другой на другом конце цилиндра впускает всасываемый воздух. Это цикл Аткинсона. Каждый поршень срабатывает при каждом такте, что делает его двухтактным.
 

«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 снижается 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 с 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.

двигатели со встречно движущимися оппозитными поршнями, дизель с турбонаддувом, Junkers Jumo
Junkers Jumo 207 B3: 1,6-литровый дизель с турбонаддувом и промежуточным охлаждением мощностью 1000 л.с. (предоставлено Aircraftengine.cz)

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 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 с встречно движущимися поршнями и двухтактным циклом увеличивает тепловую эффективность за счет комбинации трех эффектов: снижение теплопередачи, поскольку конструкция с оппозитными поршнями создает более благоприятное соотношение площади камеры сгорания к объему, увеличенное соотношение удельных теплоемкостей из-за более обедненных рабочих условий, которые стали возможны благодаря двухтактному циклу, и уменьшенной продолжительности сгорания, достижимой 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.

 

Почти все оппозитные поршневые двигатели были дизельными. Но существуют и бензиновые. Но у таких двигателей имеются и недостатки. Для двигателя требуется либо сложный коленчатый вал, либо несколько коленчатых валов, которые должны быть соединены вместе.

 

В течение последних десятилетий основным недостатком использования этого типа двигателя в дорожных транспортных средствах был относительно высокий расход масла, что приводило к чрезмерным выбросам сгоревших и несгоревших углеводородов. Эта проблема, присущая прохождению поршней перед впускным и выпускным отверстиями, сегодня считается решенной.

 

Новые разработки исследователей помогают соответствовать самым строгим текущим и будущим стандартам расхода топлива и выбросов без дополнительных затрат и значительного усложнения конструкции. За последние годы были созданы и протестированы ряд конструктивных особенностей, которые сочетают в себе достаточную смазку, высокую долговечность и низкий расход масла. Эти особенности включают сегментацию и конструкцию цилиндра, оригинальное охлаждение и запатентованный процесс хонингования.

 

При испытаниях с помощью системы измерения расхода масла в режиме реального времени установлено, что при типичном ездовом цикле расход находится в диапазоне современных 4-тактных двигателей. Кроме того, происходит малый выброс твердых частиц, а значит можно упростить и выполнить более дешевой системы последующей обработки отработавших газов при соответствии со стандартами выбросов США и Евро 6.

 

Но имеются и другие проблемы, которые пока не в полной мере решены конструкторами. Так прохождение впускного и выпускного каналов поршневыми кольцами вызывает повышенный износ цилиндров в этой точке, где их опорная поверхность уменьшается. Юбки поршней должны быть достаточно длинными, чтобы в них могло поместиться хотя бы одно маслосъемное кольцо, которое никогда не проходит через эти отверстия.

 

Поскольку тепловая нагрузка на поршнях со стороны выхлопных окон очень высока, то необходимо принять оригинальные конструктивные меры, в частности, применив стальные головки поршней или стальные поршни, а также их внутреннее охлаждение.

 

Как и у каждого двухтактного двигателя, сам двигатель не имеет такта всасывания, и подача воздуха должна обеспечиваться вентилятором или нагнетателем. Но турбонагнетатель может выполнять эту функцию, как только двигатель работает с достаточной нагрузкой, а при запуске потребуется дополнительный наддув (механический, электрический или другой).

 

Является ли двигатель с оппозитными поршнями следующим большим шагом? Или это просто еще один из миллиона двигателей, придуманных еще 100 лет назад и которые никуда не делись и могут возродиться вновь?

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!