Мне представляется, что рано или поздно, но этот двигатель получит повсеместное внедрение, так как его термодинамический цикл и принцип действия являются логическим развитием существующих ДВС, позволяют объединить положительные качества двигателей легкого топлива и дизелей, в значительной степени устраняют их недостатки и способствуют решению двух важнейших проблем — уменьшения расхода ценного углеводородного топлива и защиты окружающей среды.
Оптимальный ДВС — мечта и действительность
Если бы мы задали ученым вопрос о том, возможно ли в принципе, независимо от свойств топлива, создать рациональную конструкцию ДВС, который обладал бы наивысшими значениями КПД и удельной мощности, а также чистым, нетоксичным выхлопом, то получили бы утвердительный ответ. Однако оптимальный с этих позиций современный быстроходный двигатель, являющийся двигателем быстрого горения, должен иметь вполне конкретные характеристики и отвечать четко сформулированным требованиям.
Перечислим те основные черты, которые должен иметь идеальный двигатель:
- Во-первых, 11—12-кратную степень сжатия смеси. Еще на заре зарождения ДВС изобретатели обнаружили главный резерв повышения КПД — увеличение степени сжатия. Однако этот выигрыш по мере увеличения степени сжатия становится все менее заметным и после какого-то определенного ее значения уже не может покрыть все возрастающие механические потери. А еще раньше увеличению степени сжатия начинает препятствовать детонация. Обычный бензин уже при степени сжатия 7 сгорает взрывообразно — детонирует; только специальные — высокооктановые — сорта топлива дают возможность повысить эту величину до 9;
- Во-вторых, качественное регулирование заряда — смеси топлива с воздухом, с возможностью повышения коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках до 2,5—3;
- В-третьих, достаточное время на смесеобразование топлива с воздухом;
- В-четвертых, управляемое сгорание и своевременное его окончание.
К сожалению, если идти традиционным путем совершенствования существующих ДВС, создать двигатель, который удовлетворял бы перечисленным требованиям, практически невозможно. Выбрать такой путь — значит, погнаться за миражем.
Каковы же параметры реально существующих бензиновых двигателей с искровым зажиганием и дизелей?
Двигатель с искровым зажиганием имеет относительно невысокую степень сжатия (7—8), зависящую от октанового числа применяемого топлива, количественное регулирование заряда и достаточное время на смесеобразование топлива с воздухом.
Добавим, что при умеренной величине предварительного сжатия он может перерабатывать большое количество тепловой энергии и соответственно обеспечивает высокую мощность, оставаясь сравнительно легким и компактным. Именно эти качества обеспечили ему преимущества при установке на автомобилях и катерах. Габариты и вес здесь главное. Однако за это надо платить «прожорливостью» карбюраторных ДВС: чтобы получить мощность в одну лошадиную силу, надо сжечь от 250 до 450 г бензина в час.
Двигатели типа «дизель» имеют высокую степень сжатия (15—18), качественное регулирование заряда и почти вовсе не имеют времени на смесеобразование. Поясним, что топливо подается в рабочую камеру в тот момент, когда давление в ней достигло величины, при которой воздух разогрелся до значительно большей, чем необходимо для воспламенения топлива, температуры, а это — гарантия надежности работы. Высокая степень сжатия оборачивается его главным недостатком. Габариты, вес, шумность намного превосходят аналогичные показатели карбюраторных двигателей, а значит, сужают возможность применения дизелей на автомобилях и малых катерах. Даже несмотря на существенно меньший «аппетит»: чтобы произвести мощность в одну лошадиную силу, дизелю достаточно всего 170—200 г низкооктанового топлива в час.
Следовательно, принципы действия существующих двигателей легкого топлива и дизелей не позволяют создать рациональный двигатель « с оптимальным значением конструктивных параметров, наивысшими значениями КПД и удельной мощности.
Нельзя рассчитывать и на чистый, нетоксичный выхлоп. Почему?
В карбюраторных двигателях процесс сгорания наиболее эффективно протекает при значении коэффициента избытка воздуха, равном 0,85—0,9. Естественно, что при недостатке кислорода в продуктах сгорания неизбежно присутствуют продукты неполного окисления топлива, т. е. токсичные компоненты. Если же подавать воздух в избытке (коэффициент больше единицы), то скорость сгорания уменьшится, а это приведет к догоранию смеси на линии расширения, где уже нет столь высоких давлений и температуры горящего заряда, и, как следствие, опять сгорание будет неполным.
В дизелях процесс сгорания может осуществляться с высокими значениями коэффициента избытка воздуха. Но в этих двигателях не обводится времени на образование смеси топлива с воздухом. Процесс испарения топлива и образования топливовоздушной смеси должен происходить в тысячные доли секунды самого процесса сгорания; как результат, и здесь в выпускных газах присутствуют продукты неполного окисления топлива.
Таким образом, при работе по обычным традиционным схемам задача обеспечения чистого выхлопа тоже неразрешима.
А нельзя ли сделать двигатель, который, вобрав в себя достоинства карбюраторных двигателей и дизелей, в то же время был бы лишен их недостатков?
Как работает новый двигатель?
Информация об изображении
Рис. 1. Опытная конструкция шестицилиндрового двигателя для автомобиля «Волга М-21»
Если заглянуть внутрь такого двигателя (рис. 1, 2), сразу будет видно его главное отличие от традиционного ДВС: цилиндры, расположенные в два параллельных ряда, работают попарно, а поршни в каждой такой паре движутся согласованно, с относительным смещением одного против другого на 22—24° по углу поворота коленчатого вала (рис. 2). Приводимая принципиальная схема как раз и показывает работу одной из таких пар (рис. 3).
Рис. 1. Опытная конструкция шестицилиндрового двигателя для автомобиля «Волга М-21»
В новом двигателе на основе использования широких пределов воспламенения богатых смесей рабочий процесс происходит с раздельной подачей по разным впускным трактам и раздельным сжатием обогащенной рабочей смеси в цилиндре I и чистого воздуха в цилиндре II, который не имеет камеры сжатия. Поршень этого цилиндра в ВМТ подходит к крышке цилиндра с минимально возможным зазором, поэтому весь его воздушный заряд через короткий и широкий соединительный канал, расположенный по касательной (тангенциально) к поверхности цилиндра I, вытесняется в камеру сгорания этого цилиндра.
В цилиндр I, как и в обычном карбюраторном двигателе, подается горючая смесь: она сжимается до степени сжатия 6,5—7 и за 10—12° до прихода поршня в ВМТ воспламеняется электрической искрой.
После воспламенения и начала первой фазы сгорания заряда в цилиндре I, поршень цилиндра II еще продолжает движение к ВМТ. Угол отставания в движении поршня цилиндра II выбран таким, что за первую фазу процесса сгорания — до прихода поршня цилиндра I в ВМТ — повышение давления от сжатия во II цилиндре было бы равно увеличению давления от сгорания в цилиндре I или незначительно превосходило его.
Следовательно, на этой первой фазе, несмотря на то, что цилиндры сообщены между собой, в каждом из них будут независимо происходить различные процессы: в I — сгорание и во II — сжатие (с возможным незначительным перетеканием сжатого воздуха в цилиндр).
Во время этой фазы в цилиндре I образуются газы сгорания, а в цилиндре II высокосжатый воздух достигает 18—20-кратной степени сжатия. Когда же поршень цилиндра I проходит ВМТ и сгорание с участием собственного воздушного заряда в основном заканчивается, давление сжатия в цилиндре II начинает превышать давление сгорания и наступает вторая фаза сгорания с энергичным поступлением высокосжатого воздуха из цилиндра II в цилиндр I. Разделение процесса сгорания на две фазы и начало второй фазы сгорания достаточно четко фиксируются на индикаторной диаграмме в виде небольшой ступеньки (рис. 4).
Тангенциальное направление соединительного канала обеспечивает интенсивное завихрение газов потоком сжатого воздуха. Именно в этих газах из-за недостатка кислорода содержится значительная доля несгоревшего топлива. С его же появлением продукты неполного окисления топлива немедленно вступают в реакцию сгорания.
Процесс полного сгорания топлива подтверждается фотоснимком отпечатка вихря на поршне (рис. 5) и отсутствием нагарообразования в камере и на днищах поршня.
Таким образом, сначала (первая фаза) происходит воспламенение и сгорание рабочей смеси при невысокой степени сжатия, умеренных температуре и давлении газов и недостатке кислорода, а затем (вторая фаза) — сгорание продуктов газификации топлива с участием сильно сжатого воздушного заряда.
К моменту окончания перетекания сжатого воздуха, когда поршень цилиндра II приходит в ВМТ, процесс сгорания полностью заканчивается и начинается одновременное расширение газов в обоих цилиндрах.
Во время второй фазы поршни I и II цилиндров движутся в противоположных направлениях. Таким образом, имеется определенное время для сгорания топлива при неизменном суммарном объеме рабочего тела, т. е. сгорание происходит при постоянном объеме. Этим обеспечивается высокая степень расширения газов после сгорания, равная 11—11,5.
Оба цилиндра двигателя в одинаковой степени являются рабочими: каждый из них заполняется своим свежим зарядом, в каждом происходит сжатие и расширение рабочего тела. Соответственно и мощность двигателя будет пропорциональна суммарному объему обоих цилиндров. В конце процесса расширения в обоих цилиндрах одновременно открываются выпускные клапана.
Подобно тому, как мощность гидроэлектростанций зависит от гидравлического напора — перепада уровней воды, мощностные показатели ДВС зависят от температурного напора — используемого перепада температур в термодинамическом цикле.
Благодаря ступенчатому подводу тепла, малому изменению объема за вторую фазу сгорания и высокой степени последующего адиабатического расширения газа, температура и давление газа в начале процесса расширения будут значительно выше, чем в обычных двигателях, а в конце — значительно ниже. Такой температурный перепад и увеличивает КПД: он на 20—25% выше, чем у обычного карбюраторного двигателя.
Новый двигатель позволяет осуществить качественное регулирование — получить надежное и эффективное сгорание топлива при значениях коэффициента избытка воздуха в пределах от 1 до 2,44.
Важнейшее преимущество нового двигателя — это возможность снижения токсичности выхлопных газов.
Известно, что из всех способов нейтрализации токсичных компонентов в выхлопных газах наиболее эффективным является способ дожигания. В новом двигателе помимо рациональной схемы двухстадийного сгорания обеспечивается также эффективное дожигание продуктов неполного окисления непосредственно в камере сгорания при высоких значениях температуры и давления газов.
По сравнению с обычными карбюраторными ДВС, у нового двигателя более жесткая работа и поэтому несколько больший уровень шума. Ничто не дается даром. Получение более высокого КПД связано, прежде всего, с более высоким значением степени сжатия нового двигателя; естественно, что это приводит к повышению давления сгорания, а следовательно, и уровня шума.
Трудоемкость изготовления двигателя остается на том же уровне. По габаритным размерам он будет более компактным, чем классические ДВС.
История длиной в четверть века
Опытный образец двигателя был создан в Ленинградском институте авиационного приборостроения при содействии ленинградских моторостроительных заводов и в 1960—1961 гг. испытывался авторитетной межведомственной комиссией. Возглавляли комиссию лауреат Ленинской и Государственной премий к. т. н. В. М. Яковлев и Заслуженный деятель науки и техники проф. д. т. н. Н. X. Дьяченко, в ее состав входили Заслуженный деятель науки и техники проф. д. т. н. В. А. Ваншейдт, специалисты ЦНИДИ и ряда предприятий.
Комиссия пришла к следующему заключению:
«Предложенный принцип осуществления рабочего процесса двигателей является новым и оригинальным и удачно сочетает основные преимущества карбюраторного двигателя и дизеля.
Рабочий процесс в стендовых условиях в основном доведен и характеризуется высокой степенью сжатия (11,5), высоким давлением сгорания (70 атм.), относительно низким удельным расходом топлива (190 г/э. л. с. ч), возможностью работать на топливах с низким октановым числом без детонации и иметь более чистый выхлоп, что уменьшает загрязнение воздуха в условиях городской эксплуатации (величина коэффициента избытка воздуха от 1 до 2,4). В сравнении с двигателем «М-21» удельный расход топлива ниже на 20%. Комиссия считает, что опытный двигатель ЛИАП, работающий по новому циклу, имеет ценные достоинства перед дизелями и карбюраторными двигателями Последние заключаются в том, что двигатель ЛИАП не является компромиссным решением. Относительно высокая экономичность в широком диапазоне оборотов, компактность конструкции и возможность создания двигателя с небольшим удельным весом.
Двигатель в данный момент находится в такой стадии, когда по его конструктивной подготовке и доводке должен работать большой производственный коллектив специалистов».
Дальнейшая история вопроса такова. В 1965 г. по инициативе Комитета по изобретениям и открытиям в «Правде» от 28.X11 появилась большая статья о новом двигателе и актуальности проблемы его промышленного внедрения. После этой публикации Государственным Комитетом автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения и Министерством высшего и среднего специального образования СССР был принят план работ по новому двигателю, в котором указывалось: «Учитывая, что в ходе испытаний полноразмерного двигателя в ЛИАП был выявлен ряд конструктивных недостатков, снижающих его показатели, необходимо проектирование нового карбюраторного двигателя в размерности «ЗМЗ-21», изготовление трех опытных образцов, проведение стендовых и дорожных испытаний».
Однако отраслевой институт НАМИ, получив, как было предусмотрено планом, экспериментальный двигатель ЛИАП для ознакомления с рабочим процессом и основными характеристиками, в одностороннем порядке подменил создание и испытание промышленных образцов испытаниями все того же двигателя ЛИАП, уже дважды испытанного весьма авторитетной комиссией.
Двигатель ЛИАП к этому времени был изношен, поэтому НАМИ стал его ремонтировать, не выполнив при этом ряда важных требований, в частности требования, связанного с получением наибольшей удельной мощности за счет* более полного использования воздушного заряда 11 цилиндра (обеспечения минимального зазора над поршнем II цилиндра при крайнем верхнем его положении) и др. Несмотря на это стендовые испытания двигателя по данным регулировочных характеристик дали минимальный расход топлива, близкий к тому, который был получен ленинградской комиссией.
При этом, как справедливо указывал один из членов комиссии д. т. н. Д. А. Рубец: «Комиссия вправе пользоваться только данными регулировочных характеристик, так как для получения других характеристик (нагрузочных и скоростных) двигатель не был оборудован ни необходимым для него карбюратором с количественно-качественным регулированием заряда, ни автоматом опережения зажигания».
Но несмотря на это, специалисты НАМИ приняли решение провести сравнительные ходовые испытания трех автомашин «Волга». На одной из них был установлен двигатель «дизель», на второй форкамерно-факельный, а на третьей — двигатель ЛИАП. Но если первые два были полностью доведены и подготовлены к ходовым испытаниям, то двигатель ЛИАП вовсе не был к ним подготовлен. При этих условиях можно было получить сколь угодно большой расход топлива. О недопустимости проведения подобных испытаний ЛИАП писал во все инстанции, но протесты остались без внимания и комиссия НАМИ на основе таких тенденциозных «испытаний» приняла решение о неприемлемости двигателя для автомобиля.
Совершенно очевидно, что, если бы двигатель ЛИАП был оснащен необходимым оборудованием, результаты ходовых испытаний повторили бы результаты стендовых испытаний.
С тех пор прошло еще двадцать лет.
Как периодически сообщает наша печать (реферативный журнал «ДВС» и экспресс-информация), работы по новому двигателю и его рабочему процессу в настоящее время, после окончания срока патентного приоритета, широко проводятся за рубежом — во Франции, Англии и других странах. Французский журнал «Энтропия» печатает большие научные статьи по новому рабочему процессу и его исследованиям, проводимым в Парижском университете. В экспресс-информации «Поршневые и газотурбинные двигатели» № 40 за 1978 г. сообщается: «В Технологическом институте города Крэнфилд (Англия) построен прототип двигателя, в котором реализован рабочий процесс, предложенный инженером Кушулем. Двигатель выполнен на базе серийного двигателя — четырехцилиндрового «Бритиш Лейланд», имеющего степень сжатия 10. Получены следующие результаты. Эффективный удельный расход топлива экспериментального двигателя на 14% меньше удельного расхода обычного двигателя. При увеличении нагрузки эта разница уменьшается, при уменьшении — увеличивается. Существенным преимуществом двигателя Кушуля является его практическая нечувствительность к октановому числу бензина».
Таким образом, испытания двигателя в Англии полностью подтвердили испытания ленинградской комиссии. Даже по сравнению с исходным двигателем «Бритиш Лейланд», имеющим степень сжатия 10 и работающим на супербензине, двигатель с новым рабочим процессом позволил повысить КПД на 14 % и эта разница становится еще большей на частичных нагрузках; кроме того, при этом представляется возможность работать на более дешевых низкооктановых топливах.
Информация об изображении
Рис. 7. Вариант двухтактного карбюраторного двигателя, работающего по новому циклу
В 1982 г. отраслевой институт ВНИИмотопром совместно с ЛИАП разработали и создали вариант двухтактного карбюраторного двигателя по новому рабочему процессу, который может широко применяться на малых судах (рис. 7). Как указано в пристендовом листке ВДНХ, «в сравнении с традиционными двухтактными двигателями экономичность разработанного двигателя выше на 20—30 % на режиме половинных нагрузок и на 25—45% на режимах меньших нагрузок, а токсичность отработавшего газа ниже в 3—4 раза при сохранении простоты конструкции двигателя с кривошипно-камерной продувкой». Мощность двигателя при его прежней размерности (125 см3) возросла до 13 л. с. Он демонстрировался на ленинградской выставке «Интенсификация-90».
Рис. 7. Вариант двухтактного карбюраторного двигателя, работающего по новому циклу
Таким образом, совершенно бесспорны более высокая экономичность нового двигателя (примерно на 20 %), более чистый выхлоп, нетребовательность к октановому числу топлива при неизменных значениях остальных показателей (вес, габариты, трудоемкость изготовления). Это подтверждается теорией и данными многих испытаний двигателей, проведенных как в нашей стране, так и за рубежом.
О новом двигателе и его рабочем процессе имеются десятки положительных отзывов и заключений -крупнейших ученых и двигателе-строителей нашей страны, а также Комитета по изобретениям и открытиям СССР и Коллегии Министерства ВССО СССР; имеются заявки ряда стран на покупку лицензий на его производство и предложения на совместную разработку.
В связи с изложенным совершенно непонятным является отношение Министерства автомобильной промышленности, не приложившего до сегодняшнего дня никаких усилий к созданию и испытанию хотя бы единственного опытного образца двигателя и не желающего получать ничьей информации, кроме НАМИ, упорно продолжающего следовать один раз допущенной необъективности. Подобные искусственно создаваемые препятствия на пути внедрения нового двигателя в производство, безусловно, наносят экономический ущерб государству.
В. Кушуль, зав. кафедрой Ленинградского института авиационного приборостроения.
От редакции
В последнее время обычный двигатель внутреннего сгорания все чаще становится объектом всеобщей критики. Вполне справедливо его считают одним из главных источников загрязнений нашей атмосферы, особенно воздуха крупных городов, обвиняют в быстром уничтожении запасов жидкого топлива на Земле, называют «инерционным» парадоксом и главным источником шума.
Изобретатели предлагают принципиально новые двигатели, выдвигают массу вариантов коренного улучшения существующих двигателей. Однако на автомобилях и катерах продолжают по-прежнему устанавливать традиционные двигатели внутреннего сгорания со всеми их пороками и недостатками. Слишком сильно раскручен привычный маховик.
А можно ли традиционный ДВС избавить от большинства «застарелых» болезней? Ленинградский профессор В. М. Кушуль ответил на этот вопрос утвердительно. Он сумел на базе двигателя от «Волги М-21» создать принципиально новый двигатель, мощность которого на 25% больше, а токсичность выхлопных газов несравненно более низкая, чем у прототипа. Причем новый двигатель не привередлив к сортам топлива: ему подходит и низкооктановый бензин. Без значительных переделок этот двигатель можно превратить в дизель.
Информация об изображении
Рис. 6. Ходовая часть двигателя «Л-6», переделанного для работы по новому циклу
По принципу и подобию нового мотора могут быть переделаны и некоторые из существующих двухтактных двигателей, в том числе и применяемые на малых судах (например, хорошо известный «Л-6»).
Рис. 6. Ходовая часть двигателя «Л-6», переделанного для работы по новому циклу
К сожалению, для нашего читателя все сказанное не является откровением: с двигателем В. М. Кушуля он уже познакомился 13 лет назад (см. №41). Статья тогда заканчивалась вопросом: почему освоением нового двигателя не заинтересовалась промышленность? Тогда редакция не получила ответа ни от Минавтопрома СССР, ни от ЦНИДИ, ни от НАМИ.
Не получил вразумительного ответа и сам изобретатель нового двигателя. Хотя за прошедшие с момента первого пуска его двигателя 25 лет созывались авторитетнейшие комиссии, положительные отзывы давали крупнейшие ученые страны.
Тот подъем, который переживает сейчас вся страна, заставляет вновь вернуться к этой теме. «Советская наука призвана занимать ведущие позиции по основным направлениям научно-технического прогресса, находить эффективные и своевременные решения текущих и перспективных производственных и социально-экономических проблем... — говооится в новой редакции Программы КПСС, принятой XXVII съездом. — Должны постоянно совершенствоваться организационно-хозяйственные формы интеграции науки и производства, управления научно-техническим прогрессом, расширяться актуальные прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки, повышаться их результативность».
Мы снова — во второй раз — предоставляем слово изобретателю — ведь за прошедшие годы выросло новое поколение читателей! Вместе с автором мы вновь ставим вопрос о важности освоения нового двигателя и адресуем его Минавтопрому СССР.