Необычные двигатели

Раздел: Техника

Экскурс в историю мотора на этом можно было и закончить. Дальше идет развитие, В автомобилестроении с тех пор по сей день в основном используются двигатели с цилиндрами, расположенными в один или два рядз, в свою очередь, размещенных под углом (V-образная схема) или напротив друг друга (оппозитная схема). Двигатели, построенные по необычным схемам, чаще всего обязаны своим рождением авиации. -Начав с одноцилиндрового двигателя воздушного охлаждения на самолете братьев Райт, авиастроители быстро переключились на многоцилиндровые звездообразные и рядные.

Звездообразные были всем хороши, но при скорости первых самолетов в 40—60 км/ч нужного охлаждения цилиндров все же не обеспечивали. Изобретатели обошли это препятствие, выполнив блок цилиндров вращающимся вокруг неподвижного вала, заодно подарив миру термин «ротативный двигатель» ( 3).

Препятствием для широкого распространения двигателей этого типа было резкое увеличение нагрузок на основные двигатели, вызванное центробежными силами.

Наш соотечественник А. Г. Уфимцев попытался снизить влияние центробежных сил, построив биротатив- ный двигатель. Вал и блок цилиндров стали вращаться в разные стороны с вдвое меньшей скоростью. Но вскоре такое решение стало ненужным — скорость самолетов перевалила за цифру 100. Торчащие в стороны цилиндры прекрасно обдувались потоком воздуха от винта, но... (это «но» вечно кочует от одной конструкции к другой и вряд ли когда-либо успокоится) создавали значительное аэродинамическое сопротивление.

Прижать бы цилиндры к валу! Сделать бы их компактнее! Этому мешал в первую очередь шатун. Его длина связана с ходом и диаметром поршня жестким соотношением. Выход вскоре был найден. Цилиндры расположили параллельно валу, а их штоки (не шатуны!) связали с шайбой, косо посаженной на валу. Получился компактный блок, названный двигателем с косой шайбой ( 4). В России он использовался с 1916 г. (конструкция А. А. Микулина и Б. С. Стечкина) по 1924 г. (двигатель Старостина). Детальные испытания, проведенные в 1924 г., выявилй повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы, что обусловливает относительную ненадежность" и неэффективность двигателей с косой шайбой.

Внимательный читатель, верно, подметил, что в тексте было выделено слово шатун. Он не сразу стал непременной деталью поршневых двигателей.

В паровой машине Ньюкомена шатуна еще не было, Ивану Ползунову он уже служил верой и правдой, а Уатт даже запатентовал несколько механизмов того же назначения, так как просто шатун к тому времени уже был запатентован.

Явившись прогрессивнейшим решением своего времени, исправно прослужив людям два столетия, шатун уже в 20-е годы нашего века стал вызывать нарекания моторостроителей. Дескать, и название-то какое: «шатун». Шатается, раскачивается, разбивает все. И габарит не дает уменьшить. И поршни то к одной, то к другой стороне цилиндра прижимает, и инерционные нагрузки увеличивает. Словом, всем нехорош стал шатун. Да только сладить с ним оказалось непросто.

Авиамоторостроители неустанно доводили свои конструкции. К 1940 г. были учтены все мелочи, убран весь лишний вес, использованы тысячи ухищрений, применены самые экзотические материалы. И только основная схема — кривошипно-шатунный механизм не претерпела никаких изменений. В это время никто, пожалуй, не мог предсказать грядущего триумфа реактйвных двигателей. Поэтому во всех странах велись крупные работы по созданию мощных малогабаритных поршневых авиадвигателей. Но несмотря на интенсивную работу, поршневой авиадвигатель мощностью более 4000 л. с. ни в одной зарубежной стране создан не был.

В Англии фирма «Хипл» создала двигатель с противолежащими поршнями и расположенным над ними коленчатым валом. С боков располагались коромысла. То есть англичане возродили схему Костовича. А если перевернуть еще несколько страниц истории, то окажется, что это же и схема Ньюкомена. Только у него вообще не было коленчатого вала. Привязанная к коромыслу веревка таскала вверх-вниз поршень насоса. Недалеко ушла й швейцарская фирма «Зульцер». Ее двигатель отличался от «Хипл» лишь формой коромысла. Свою лепту внесли даже новозеландцы: в их двига-. теле коромысла размещены внутри поршней. Но с коромыслами связан все тот же шатун.

^Достойный преемник кривошипно-шатунного механизма был нужен всем, нужен он и по сей день. Поэтому его поиски не прекращались. Не в силах избавиться от шатуна совсем изобретатели-одиночки и целые коллективы принялись варьировать его расположением ( 5). Подобные двигатели выпускаются малыми сериями целым рядом фирм и величаются «двигателями со сложными кинематическими схемами». Существовали и более экзотические конструкции. Так, австрийцы расположили шесть поршней по сторонам треугольника, поместив коленчатый вал в центре. Их двигатель «Фиа- ла-Фернбраг» выделялся среди других лишь звучным именем. Его характеристики оставляли желать лучшего.

В похожей схеме, использованной американцами, в углах квадрата помещены сдвоенные цилиндры, а в центре — множество шатунов и два коленчатых вала. «Днна-Стар» нарекли конструкторы свое детище. Но и в нем совершенно оригинально только название.

Не обойдена вниманием и косая шайба. Сейчас она широко применяется в различных гидромоторах. А в конце 50-х годов английский изобретатель Хюгенс демонстрировал коллегии экспертов ведущих моторостроительных фирм «новейший» ротативный двигаГель с двенадцатью цилиндрами. Он был похож на бочонок. А внутри пряталась все та же косая шайба. И хотя Хюгенс утверждал, что «двигатель объединяет термодинамическую мощность ДВС с преимуществами турбины» и что «потери на трение, благодаря отсутствию шатунов, на 60% меньше», чем в ДВС, эксперты подивились, тщательно осмотрели двигатель, и... больше о н^м не слышно. Впрочем, и изобретатели-одиночки, и даже фирмы до сих пор пытаются создать работоспособный двигатель с косой шайбой. Есть сообщения о паровых машинах, «стирлингах» и обычных ДВС, использующих эту схему. Ведутся такие работы и в нашей стране, однако особых перспектив они, по-видимому, не имеют. Виной всему — потери на трение, с которыми так упорно боролся Хюгенс. В быстроходных шатунных ДВС и двигателях с косой шайбой на них тратится 15—25% полезной мощности. А у необычных «Хипла», «Фиалы», «Дины» и того больше.

Другой «враг» двигателей, коварно появляющийся при повышении оборотов, — инерционные силы. Они не только помогают силам трения, но и просто-напросто недопустимо перегружают многие детали.

Есть и третий — тепловая напряженность цилиндра. С ростом оборотов, а следовательно, и количества вспышек стенки цилиндра не успевают отводить тепло. А тут еще повышенное трение «подливает масла» и в без того накаленный цилиндр.

Вот этих-то «врагов», ближайших родственников шатуна, и не смогли по сей день одолеть изобретатели всего мира. Конечно, не следует думать, что разработка двигателей со сниженными потерями на трение и уменьшенным числом оборотов решит все проблемы, стоящие перед двигателестроением. Одна из главных задач — уменьшение токсичности выхлопных газов решается сейчас как в результате улучшения рабочего процесса и применения иных видов топлива, так и в результате дефорсировки двигателя.

Зарубежные конструкторы ввиду появления жестких требований по охране окружающей среды вынуждены были пойти в последние годы на снижение оборотов и степени сжатия карбюраторных двигателей. А это неизбежно сказалось на -их технико-экономических показателях. Так, средняя литровая мощность американских автодвигателей сейчас находится на уровне 30— 40 л. с./л. Возрос и удельный расход топлива. И стало быть, автомобили оснащаются более громоздкими и менее эффективными двигателями. Поэтому разработку конструкций, позволяющих сохранить эффективность и весовые показатели двигателей по крайней мере на существующем уровне, можно считать одной из главных задач. Как будет показано ниже, эта задача может быть успешно решена путем С9здания бесшатунных двигателей, в которых резко снижены потери на трение. Косвенно такое решение сказывается в лучшую сторону и на экономичности, надежности весовых показателях.

Другой путь — разработка двигателей принципиально иной конструкции — ротационных и двигателей, основанных на ином тепловом цикле. В двигателях этих типов могут быть эффективно использованы многие решения, касающиеся улучшения обычных ДВС.