Есть ли будущее у двигателей со встречно движущимися поршнями
В последние годы двигатели со встречно движущимися оппозитными поршнями (OP) привлекли интерес автомобильной промышленности из-за их потенциала для значительного повышения экономии топлива. Исследователи утверждают, что двухтактный двигатель с встречно движущимися поршнями (OP2S) усиливает это преимущество в топливной эффективности и предлагает более низкие затраты и вес за счет меньшего количества деталей. Смогут ли умные доработки превратить старую конструкцию двигателя с встречно движущимися оппозитными поршнями в многообещающую новую?
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.
«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.
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.