НЕОБЫЧНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ С РАЗДЕЛЕННЫМ НА 2 ЦИЛИНДРА 4-ХТАКТНЫМ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ

Валерий Николаевич Варламов, специалист ОАО “НИИД”, к.т.н.

В Интернете появилась информация о том, что американская компания Scuderi Group разработала и успешно испытала ДВС с необычной организацией рабочего процесса, работающий на высоких степенях сжатия, что, по мнению фирмы, позволяет сократить уровень выбросов оксидов азота и повысить экономичность двигателя. Все ли так прекрасно, как о том заявляют конструкторы?

За основу взят бензиновый рабочий цикл в классической конфигурации. Двигатель имеет два слегка сдвинутые по циклу цилиндра. Особенностью этого двигателя является канал, соединяющий 2 цилиндра, в которых совместно совершается рабочий цикл. Один цилиндр занимается забором воздуха и его сжатием, в другом совершается рабочий ход и выпуск отработавших газов. Суть изобретения заключается в переходном патрубке между этими цилиндрами, на концах которого установлены перепускные клапаны. Таким образом, 4-тактный цикл разделен на два несовершенных 2-тактных цикла.
4-тактный цикл разделен в пространстве. Поршни в параллельных цилиндрах движутся с небольшим смещением по фазе (ориентировочно, около 30 градусов), обеспечивая последовательное, но почти одновременное протекание двух тактов сразу. Во время рабочего хода в первом (назовем его основным) цилиндре, второй поршень во втором цилиндре всасывает воздух. Основной цилиндр выталкивает отработавшие газы, а второй поршень осуществляет сжатие набранного воздуха. Вот тут и наступает главный момент изобретения.

Когда происходит окончание сжатия, в основном цилиндре завершается выхлоп от предыдущего цикла, и свежая смесь из второго цилиндра по переходному патрубку быстро перебрасывается из второго цилиндра в основной для последующего заполнения цилиндра и осуществления рабочего хода. Тут оба поршня находятся вблизи ВМТ, перепуск осуществляется при существенном перепаде давлений, для чего в перепускном канале установлены соответствующие клапаны.

Принципиальная схема и разрез нового двигателя (иллюстрации Scuderi Group) показаны на следующем рисунке.

Еще особенность. Воспламенение смеси происходит после ВМТ. По классической теории воспламенение после ВМТ приводит к неоправданным экономическим потерям. Поршни двигаются почти синхронно, около ВМТ и НМТ эта разница очень теряется и становится почти незаметной. Однако ход поршня в основном цилиндре чуть больше хода поршня во втором цилиндре, считается, что это предполагает более высокую степень реализации энергии расширяющихся отработавших газов. Зато диаметр второго поршня чуть больше основного, что полезно для увеличения количества всасываемого воздуха.

Еще особенность. Клапаны переходного патрубка открываются наружу и управляются особым кулачковым валом. Переходной патрубок, видимо, главная управляющая часть, т.к. при таких степенях сжатия избежать детонации невозможно, а хитрость заключается в том, что в момент возникновения возможных сильных детонаций (если бы это было в основном цилиндре) открывается клапан перепускного канала и часть давления стравливается в основной цилиндр. Таким образом, конфигурация патрубка имеет решающее значение для обеспечения работоспособности двигателя.

Для впрыска используется инжектор фирмы Бош, имеющий особую форму и время распыла. Во всасывающем цилиндре степень сжатия 75, в основном давление Pz достигает 50 бар (в наддувном варианте 130). Сильно сжатый воздух с большой скоростью вдувается в основной цилиндр и создает обширную турбулентность. Эта турбулентность в сочетании с мелкостью распыливания создают пламя с высокой скоростью и интенсивностью горения.

В результате все горение происходит между 11…15 град. и заканчивается на 23 град. поворота коленвала. Все эти необычности приводят к тому, что по оценкам фирмы к.п.д. возрастет с 33% до 40%. Предполагается, что при адаптировании системы к дизельным двигателям к.п.д. возрастет еще.

Проанализируем свойства конструкции. К положительным качествам можно отнести отсутствие отрицательной индикаторной работы при зажигании смеси до ВМТ. Это может сказаться на увеличении к.п.д. Появление второго цилиндра с увеличенным диаметром поршня послужит увеличению свежего заряда воздуха даже без применения турбонаддува.

На этом положительные свойства кончаются, зато существует много отрицательных качеств. Применение второго цилиндра увеличивает потери на трение, применение перепускного патрубка увеличивает аэродинамические потери, увеличение теплоотдающих поверхностей ведет к увеличению термодинамических потерь. Суммарно увеличение количества потерь вряд ли приведет к улучшению к.п.д. Применение степени сжатия до 75 потребует увеличения толщины стенок и применения дорогих материалов.

В обычных двигателях процесс сгорания продолжается на фазе расширения (рабочего хода) и продолжается в среднем около 100 град. поворота коленчатого вала. В двигателе Скудери процесс сгорания продолжается всего 8…12 град., что, безусловно, приводит к ударным нагрузкам на все детали цилиндропоршневой группы, а также к повышенной неравномерности вращения коленчатого вала. Здесь, видимо, надо принимать дополнительные меры для предотвращения крутильных колебаний.

Главные претензии могут возникнуть в отношении перепускного канала. Конструкция этого канала должна тщательно просчитываться и оптимально подбираться. Клапаны приводятся в движение кулачком, который управляется специальным патентованным механизмом. Клапаны настраиваются по зазорам и осуществляются синхронизация с зажиганием. Особенные сложности с настройкой и регулированием происходят при смене режима работы двигателя (изменяются числа оборотов и/или нагрузка). Заново надо проводить синхронизацию и настройку клапанов, т.к. закрытие клапанов пневматическое от перепада давлений в цилиндрах. При настройке и синхронизации также происходят насосные потери. Однако фирма рассчитывает получить экономию топлива в 5…10%.

Следует отметить, что механизм с перепускным каналом и настраиваемыми клапанами очень сложен и потому капризен. Да и конструкция самого двигателя представляется очень несовременной в том смысле, что на таком двигателе практически невозможно достижение основных требований, предъявляемых к современным транспортным двигателям, например, достижение удельной мощности хотя бы 100 л.с.\л. Эксплуатировать такой двигатель должны специально обученные операторы, ремонтировать - специальные мастерские, для чего надо создавать специальную инфраструктуру.

Можно себе представить эксплуатацию таких двигателей в каких-то очень специфических условиях, массового распространения такие двигатели не получат.