Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 2

Первые результаты испытаний этих двигателей были обнадеживающими. Весовые показатели и компактность роторно-поршневых двигателей оказались значительно более высокими, чем соответствующие показатели поршневых и газотурбинных двигателей.

Количество коллективов и лиц, работающих в области роторно-поршневых двигателей для автомобилей, резко возросло. Однако направленность этих разработок в ряде случаев представляется спорной или даже ошибочной. Не всегда учитывается опыт изобретателей, работавших ранее над этой проблемой (особенно в области уплотнения).

Ввиду безусловной перспективности направления поисковых работ по роторно-поршневым автомобильным двигателям и большого интереса, проявленного к данной проблеме, целесообразно рассмотреть сложившиеся направления разработок двигателей подобного вида и остановиться на основных задачах, которые нужно решить для того, чтобы ускорить внедрение этих двигателей в производство.

Работы по созданию таких двигателей целесообразны только в том случае, если при их реализации могут быть получены определенные технико-экономические преимущества по сравнению с тепловыми автомобильными двигателями других видов с учетом перспектив развития последних.

Поэтому изложению проблем развития роторно-поршневых двигателей должно быть предпослано краткое рассмотрение уровня и тенденций развития тепловых двигателей других видов для автомобилей и анализ их недостатков.

Как известно, автомобильные ПД прошли длительную эволюцию и в настоящее время достигли высокого совершенства. Они являются самыми распространенными видами первичных двигателей. Наименьший удельный вес серийных автомобильных ПД уже доведен до

0,95—1,09 кг/квт (0,7—0,8 кг/л. с.), и возможно дальнейшее снижение веса путем повышения числа оборотов коленчатого вала. Эффективный к. п. д. лучших автомобильных дизелей доведен до 0,39, а карбюраторных двигателей— до 0,31. Срок службы автомобильных двигателей до ремонта в ряде случаев превышает 10 тыс. ч.

Однако несмотря на относительно высокую компактность и небольшой удельный вес ПД современных моделей, возможности дальнейшего улучшения этих параметров уже невелики. Основной причиной этого является принципиальное несовершенство схемы ПД, что определяет небольшую долю полезного использования его габаритного объема, обычно не превышающую 0,015.

Повышению компактности ПД препятствует ограниченность наибольшего значения средней скорости поршня, которая за последние 25 лет не возросла. Увеличение средней скорости поршня и числа оборотов коленчатого вала затруднено из-за большой амплитуды знакопеременных сил инерции деталей кривошипно-шатунного

механизма, а также связанного с этим увеличения удельных нагрузок на подшипники коленчатого вала по мере повышения его числа оборотов. Эта амплитуда прямо пропорциональна средней скорости норш-ня, а также угловой скорости коленчатого вала. Наряду с этим увеличение скорости поршня приводит к росту механических потерь и снижению к. п. д. двигателя.

При ограниченном значении скорости поршня и определенном среднем эффективном давлении повысить мощность ПД с данным числом цилиндров можно лишь путем снижения числа оборотов коленчатого вала, что приводит к увеличению удельного веса двигателя при повышении мощности более 220—290 квт (300—400 л. с.).

Другим фактором, препятствующим повышению компактности и снижению удельного веса карбюраторных двигателей, являются недопустимое увеличение напряженности деталей клапанных газораспределительных механизмов и нарушение их нормальной работы при повышении числа оборотов коленчатого вала. Следует также отметить, что применение этих механизмов в случае верхнего расположения клапанов приводит к резкому усложнению конструкции ПД, что является их существенным недостатком по сравнению с ГТД.

Топливная экономичность автомобильных ПД сравнительно высока, но дальнейшее ее улучшение очень ограничено.

Степени сжатия у современных серийных автомобильных ПД относительно высоки. Поэтому дальнейшее увеличение степени сжатия уже не приводит к значительному повышению термического к.п. д. цикла, а следовательно, и индикаторного к. п. д. поршневых двигателей. В то же время по мере повышения степени сжатия увеличиваются абсолютные механические потери в двигателе и может снижаться механический к. п. д., который у современных автомобильных ПД на номинальном режиме относительно мал — не более 0,8. Большая относительная величина механических потерь является принципиальным недостатком ПД.

Таким образом, возможности повышения эффективного к. п. д. путем увеличения степени сжатия невелики.

Другие возможности повышения эффективного к. п. д. у ПД, определяемые увеличением относительного к. п. д..

весьма ограничены. Необходимо отметить и положительные качества ПД. Их топливная экономичность относительно высока, что объясняется сжиганием большей части топлива при постоянном или мало изменяющемся объеме. Поэтому в ПД очень высокие давления и температуры заряда достигаются без чрезмерной затраты энергии на сжатие и проталкивание воздуха или смеси и без чрезмерных температурных напряжений стенок камеры сгорания и органов газораспределения.

Элементы уплотнения цилиндров ПД в отношении герметичности доведены до высокой степени совершенства, однако, при их действии возникают большие механические потери, кроме того, сложен ремонт сопрягаемых поверхностей.

Детали ПД изготовляются из относительно дешевых материалов. Срок службы наиболее дорогих корпусных деталей ПД исчисляется несколькими десятками тысяч моточасов. Трудоемкость изготовления автомобильных ПД в зависимости от масштабов выпуска и их мощности составляет 6—60 станкочасов. Текущий и средний ремонт ПД и их обслуживание в случае необходимости могут быть произведены при минимальном комплекте оборудования.

К .положительным качествам ПД следует отнести также безопасность их работы и высокую надежность, что достигается без применения сложных систем регулирования и дорогих методов контроля. Случайные разрушения деталей ПД, а также нарушение действия органов управления не приводят к катастрофическим последствиям.

Основным видом тепловых двигателей, конкурирующим с ПД, являются ГТД, которые пока еще не выпускаются крупными сериями автомобильной промышленностью. Однако опубликованные данные по результатам испытаний опытных образцов автомобильных ГТД в совокупности с материалами теоретических исследований позволяют отметить следующее.

До последнего времени эффективный к. п. д. газотурбинных двигателей был ниже, чем поршневых, хотя разница в эффективных к. п. д. этих двигателей постепенно сокращается.

Теоретически в ГТД можно получить более высокий эффективный к. п. д., чем в поршневых двигателях.

Однако при использовании регенеративных циклов в ГТД сравнительно невысокой мощности (менее 150 квт) такие двигатели не будут иметь преимуществ в отношении веса и компактности по сравнению с карбюраторными двигателями. Удельный вес и компактность ГТД ухудшаются по мере снижения их мощности.

Бесспорные преимущества в отношении веса и компактности в сравнении с ПД могут иметь лишь ГТД, выполненные по сложным схемам при большой (более 400 кет) мощности, или же неэкономичные агрегаты малой мощности, в которых реализуются простейшие циклы.

К существенным недостаткам ГТД по сравнению с ПД следует отнести высокую стоимость и дефицитность материалов, применяемых для .изготовления деталей турбины, а также ограниченный срок службы наиболее тру-
доемких

и дорогих деталей, что объясняется ползучестью их материала при высоких температурах, а также износом деталей высокоскоростных редукторов и подшипников. Надежная работа ГТД может быть обеспечена только при безотказной работе систем автоматического регулирования. Выход из строя этих систем, а также несовершенство изготовления ГТД могут привести к аварии.

Таким образом, как ПД, так и ГТД имеют определенные характерные недостатки, а возможности улучшения их показателей ограничены. Для первых некоторые из недостатков усугубляются при больших мощностях, а для вторых — при малых.

Поэтому основной целью при разработке автомобильных двигателей новых видов, к которым относятся роторно-поршневые двигатели, должно быть устранение недостатков, характерных для ПД и ГТД, при одновременном повышении компактности и уменьшении удельного веса по сравнению с ГТД и ПД.

К основным задачам, которые обычно ставятся при создании роторно-поршневых двигателей, надо отнести следующие:

а) повышение компактности конструкции по сравнению с поршневыми двигателями; увеличение доли полезного использования габаритного объема для размещения рабочих отсеков;

б) повышение скоростного режима двигателя путем увеличения числа оборотов роторов и валов отбора мощности по сравнению с числом оборотов коленчатых валов ПД; для этого стремятся устранить клапанные газораспределительные механизмы и так модифицировать силовые механизмы, чтобы не возникало знакопеременных сил инерции;

в) упрощение конструкции по сравнению с ПД.

Решение этих задач должно достигаться без снижения надежности, срока службы и топливной экономичности роторно-поршневых двигателей по сравнению

ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ РОТОРНО-ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Одной из основных идей, осуществляемых в роторных двигателях, является замена поступательно-возвратного движения органов, формирующих рабочие полости на вращательное движение. В этом отношении роторнопоршневые двигатели напоминают ГТД. Однако в отличие от последних рабочие полости роторно-поршневых двигателей разделены на несколько отсеков, объем которых циклически изменяется. В течение цикла изменения состояния рабочего тела скорость его движения относительно мала (по сравнению со скоростями газовых потоков в ПД и ГТД).

В роторно-поршневых двигателях вследствие последовательного изменения объемов рабочих отсеков осуществляются те же такты рабочего процесса, которые характерны для обычных поршневых двигателей. Именно поэтому ряд авторов предложил название — роторно-поршневые двигатели или двигатели с вращающимися поршнями, что принято в отечественных и немецких патентных публикациях. Это дает основание для сокращенного наименования роторных двигателей — РПД.

У РПД обычный кривошипно-шатунный механизм заменен механизмами, позволяющими получать необходимый закон изменения объема рабочих отсеков при отсутствии поступательно-возвратного движения основных звеньев, формирующих эти отсеки. В РПД эти звенья совершают вращательное или вращательно-возвратное движение.

Закон изменения объемов рабочих отсеков и ряд требований, предъявляемых к сопряжению звеньев, формирующих рабочие отсеки РПД, аналогичны соответствующим законам и требованиям, характерным для объемных насосов или воздуходувок. Вследствие этого ряд схем РПД аналогичен однотипным схемам объемных насосов и, в свою очередь, ряд схем объемных воздуходувок представляет логическое развитие схем РПД. Это дало основание некоторым авторам распространять на РПД термин «коловратные двигатели» (по аналогии с коловратными насосами), применявшийся и в отечественной патентной литературе, выпущенной до второй половины XX в.

Показатели совершенства роторно-поршневых двигателей

Как отмечено выше, в ПД утечка заряда из рабочего пространства очень мала. Этим определяются как небольшая величина энергетических потерь вследствие утечек, так и высокий срок службы деталей двигателя и его

хорошие пусковые качества. Поэтому одной из главных задач при создании РПД является обеспечение эффективного уплотнения рабочих отсеков.

Как будет показано ниже, утечки через сопряжения элементов, формирующих рабочий объем, на ряде режимов РПД могут быть чрезмерно большими, если не применять систем уплотнений контактного типа (фиг. 3, а), в которых сила давления уплотняющего элемента ротора на корпус уравновешивается реакцией последнего, а ограничиваться сведением к минимуму рабочих зазоров в сопряжениях при бесконтактной системе уплотнений (фиг. 3, б). В последней нет силового взаимодействия ротора и корпуса.

Теория уплотнений рабочих отсеков объемных двигателей пока мало разработана. Тем не менее, исходя из накопленного опыта конструирования систем уплотнения ПД, можно выдвинуть ряд оценочных критериев схем уплотнений РПД. Очевидно, что доля рабочего тела, уносимая из рабочих отсеков через сопряжения системы уплотнения, пропорциональна отношению периметра Ln

Фиг. 3. Схемы двух основных видов уплотнений рабочих отсеков РПД:
а — контактное уплотнение; б — бесконтактное уплотнение;
1 — корпус; 2 —ротор; 3 г- уплотняющая пластина; 4 — пружина.

Существенное значение .имеют также форма уплотняемого контура и, в частности, непрерывность линии тура и непрерывность наклона касательной к нему

При нарушении непрерывности резко увеличиваются у

из одного отсека в другой, а конструктивное выполнение системы уплотнения значительно усложняется. Большую роль играет также рациональность устройства системы смазки элементов уплотнения или других сопряжений элементов, формирующих рабочие отсеки.

Возможности устройства системы уплотнений зависят от глубины зоны сопряжения. Достаточная длина этой зоны, как известно, определяет высокую эффективность уплотнений ПД.

Как и у тепловых двигателей других видов, эффективный к. п. д. РПД зависит от теплопередачи заряда в стенки рабочих отсеков. Как и у ПД, влияние теплопередачи на показатели РПД тем выше, чем ниже число оборотов вала отбора мощности.

При большой угловой скорости ротора отношение поверхности рабочего отсека к его объему не является решающим для оценки качества РПД. Тем не менее величина данного отношения, как и форма камеры сгорания, оказывает большое влияние на протекание процесса сгорания, как и во всяком двигателе внутреннего сгорания, что должно учитываться при оценке условий организации рабочего процесса РПД.

Совокупные результаты решения перечисленных основных задач дают основание для оценки целесообразности или совершенства РПД различных подклассов или разновидностей, предложенных или разрабатываемых разными авторами.

содержание .. 1 2 3 ..