...даже если начинающего автолюбителе спросить о том, через какие элементы двигателя поступают и выходят газы в камеру сгорания, то большинство сразу же найдутся и обязательно скажут о клапанах. И это верно, сегодня это проверенная, довольно надежная и консервативная конструкция!
Однако были времена, когда движущаяся гильза была альтернативой клапанам. И даже пыталась сыскать себе место в применении различных конструкций моторов. Но как мы сегодня знаем, все же не прижилась. Однако историю не вырвешь как страницу из книги, и об этой вот странице истории я и расскажу...
Первая двойная возвратно-поступательная гильза была разработана компанией «Даймлер», а изобретена она была Чарльзом Найтом. За ней последовало множество других аналогичных конструкций. Из их довольно многочисленного семейства самой надежной оказалась конструкция, запатентованная Бертом и Мак-Колумом.
В двигателе Найта использовались две концентричные возвратно-поступательные движущиеся гильзы. Они приводились в действие от промежуточного вала, вращающегося со скоростью вдвое меньшей, чем коленчатый вал. Этот механизм очень хорошо работал в двигателях с относительно небольшой мощностью и широко использовался в дорогих комфортабельных автомобилях. Но при попытках получить высокую литровую мощность двигатели с двойной гильзой из‑за масляного голодания развитых поверхностей трения становились причиной выхода агрегата из строя, – поэтому от них довольно быстро отказались.
В конструкции Берт-Мак-Колум, использовавшейся на первых автомобилях фирмы «Агрилл», применялась одна гильза с комбинированным вращательным и возвратно-поступательным движением. Такое движение полностью решало проблему смазки, так как было невозможно найти более идеального движения для распространения и механического распределения смазки между двумя трущимися поверхностями. Автомобили с подобными двигателями имели значительный коммерческий успех.
В начале 1914 года фирма «Агрилл» представила на конкурс двигателей для военной авиации шестицилиндровый двигатель с гильзовым газораспределением. Двигатель показал хорошие результаты, но перед окончанием испытаний у него сломался коленвал, что было скорее просто невезением, но из‑за этого первые моторы с гильзовым газораспределением так и не были использованы.
Однако выдающийся исследователь Г. Р. Риккардо в течение тридцати последующих лет проводил исследовательские работы по гильзовому газораспределению. Результаты этих исследовательских работ трудно переоценить. В дизельной версии двигателя удавалось довести расход топлива до 154 г/л. с. в час – исключительные показатели даже в наше время.
Двигатель Рикардо (с гильзовым газораспределением)
Первоначально, для проведения испытаний в 1921‑22 г.г. в авиационном центре фирмы «Ройал» были спроектированы и построены для сравнительных испытаний два двигателя: четырехклапанный и одноцилиндровый одногильзовый четырехтактный диаметром 140 мм и ходом поршня 178 мм. При толщине гильзы 3,18 мм он развивал 1300 об/мин. Чугунная гильза приводилась в движение посредством консольного кривошипного пальца на валу, вращающегося в два раза медленнее коленчатого вала. Двигатель был снабжен тремя впускными и двумя выпускными окнами.
Полная проходная площадь как впускных, так и выпускных окон равнялась по площади четырехклапанной конструкции головки с тарельчатыми клапанами.
При проведении сравнительных испытаний бензиновых двигателей выяснилось, что:
1. При использовании одного моторного топлива двигатель с тарельчатыми клапанами на режиме максимальной мощности работал на границе детонации. В то время как двигатель с гильзовым газораспределением не имел следов детонации даже при опережении зажигания, увеличенном до значения, вызывающего падение крутящего момента.
2. В двигателе с тарельчатыми клапанами оптимальное опережение зажигания составляло 31°, а скорость нарастания давления – около 1,76 кг / см. На двигателе же с гильзовым газораспределением оптимальное опережение зажигания равно только 14°, а скорость нарастания давления 3,16 кг / см. Из чего следует, что у первого степень турбулизации была ниже, а у последнего – даже выше оптимальной.
3. Температура поршней при равновеликой мощности была значительно ниже у двигателя с гильзовым газораспределением.
4. Механический КПД двигателя с гильзовым газораспределением был заметно выше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами.
5. Двигатель с гильзовым газораспределением работал более устойчиво, чем двигатель с клапанами.
6. Механический шум при гильзовом распределении был заметно меньше, тогда как шум от сгорания был явно больше – что явилось следствием большой скорости нарастания давления.
7. Предусмотренная смазка гильзы оказалась ненужной, так как брызг от масляной системы кривошипных головок шатунов оказалось достаточно. При этом было установлено, что гильза равномерно смазана по всей площади окружности – как изнутри, так и снаружи гильзы, даже при резкой остановке двигателя на полной нагрузке.
Дополнительно выяснилось также, что в двигателе с гильзовым газораспределением можно поднять степень сжатия, используя то же топливо, что и для двигателя с тарельчатыми клапанами.
В момент наполнения воздухом цилиндра двигателя впускные окна открываются посредством углового движения гильзы, а закрываются – при ее движении вверх. В начальный период поток направляется кромкой окна цилиндра только с одной стороны, и поэтому воздух поступает наклонно, заставляя заряд вращаться в направлении, противоположном вращению гильзы.
Этот тангенциальный вход устанавливает интенсивный вращающийся вихрь. Когда открытие увеличивается, эффект уменьшается, пока в конце периода он вообще не исчезает, и направление входа тогда определяется контуром канала, ведущего к окну.
Было установлено, что путем установки очень маленьких направляющих во впускном трубопроводе можно обеспечить полное управление воздушным вихрем.
Для этого изготовили специальный анемометр, который устанавливался внутри камеры сгорания для записи средней скорости вращения воздуха при проворачивании вала. Отношение между скоростью анемометра и скоростью вращения коленчатого вала выражалось вихревым соотношением, т. е. если анемометр делает четыре оборота за один оборот коленвала, то вихревое соотношение равно 4. Было найдено, что оптимальное вихревое соотношение несколько отличается от первоначального и находится в пределах 1– 2. Одно это позволило:
1. Увеличить среднее эффективное давление с 9,55 до 10,3 кг/см2.
2. Уменьшить расход топлива с 209 до 206 г/л. с/час.
3. Увеличить угол опережения зажигания с 16° до 21°.
4. Уменьшить общий поток теплоты в охлаждающую жидкость с 70% до 64% от теплоты, эффективной эквивалентной мощности.
И бензиновая, и дизельные установки в дальнейшем показали очень высокие результаты. На бензиновой установке с октановым числом около 60 было достигнуто среднее эффективное давление 10,3 кг/см2 с минимальным расходом топлива 202 г/л. с/ч (274г/кВт-ч). А на двигателе с воспламенением от сжатия – давление 8,5 кг/см2 на границе дымления с минимальным расходом топлива 161 г/л. с/ч (219 г/кВт-ч). Позднее на таком же, только многоцилиндровом двигателе был достигнут минимальный расход топлива всего 154 г/л. с/ч (209 г/кВт-ч) – это очень хорошие показатели и для современных дизельных двигателей.
Двухтактные двигатели
В первую очередь гильзовое газораспределение предназначено для дизельных двигателей, в которых двухтактный цикл вполне оправдан экономически. Конечно, и бензиновые версии имеют право на существование, но только те из них, где топливо, так же как и в дизелях, подается прямо в цилиндр. Однако эти системы имеют массу ограничений. Их применение сравнимо, по затратам на горюче-смазочные материалы, к бензиновым четырехтактным моторам.
Во время работ по созданию двухтактных двигателей с гильзовым газораспределением было решено использовать весь накопленный материал, полученный при исследовании четырехтактных двигателей. В двухтактном варианте движение гильзы соответствует скорости вращения коленчатого вала, и гильза может, в результате этого, приводиться прямо от эксцентрика, расположенного на коленчатом валу. Кроме того, в двухтактном варианте для управления окнами требуется только возвратно-поступательное движение гильзы, хотя для осуществления лучшей смазки необходимо небольшое ее вращение. Это вращение обеспечивалось введением качающегося рычага с точкой опоры между эксцентриком и шаровым шарниром.
Воздух в двигатель впускался через круговой пояс окон, расположенных внизу гильзы, окна открывались поршнем. Выпуск производился через другой пояс окон около верхнего конца гильзы. В результате обеспечивалась прямоточная продувка, причем выпуск управлялся одной гильзой, а впуск – поршнем.
С первого, опытного, пуска установка показала хорошие показатели: был получен минимальный расход топлива 168 г/л. с. ч (229 г/кВт-ч). При этом на такой же четырехтактной установке, с равными условиями работы расход составлял 161 г/л. с/ч (219 кВт-ч).
Как и следовало ожидать, очень скоро появились и первые неисправности:
1. Очень быстро закоксовывались кольца головки цилиндра.
2. Температура поршня была очень высокой, что приводило к залеганию и потере упругости поршневых колец.
3. Масло по наружной поверхности гильзы не могло проходить через промежуток в стенке цилиндра, образованный впускным поясом.
4. Очень быстро изнашивались подшипники поршневого пальца – как в поршне, так и в шатуне.
Первая из неисправностей была устранена установкой шарового соединения со сферическим концом шатуна вместо обычного поршневого пальца и охлаждением поршня потоком масла, подаваемого вверх и вниз по шатуну и циркулирующего с высокой скоростью непосредственно под днищем поршня.
Неисправности со смазкой наружной поверхности гильзы были устранены установкой лубрикатора местной смазки, питающего маслом кольцевую канавку в корпусе цилиндра выше впускного пояса окон, с очень незначительным количеством подаваемого масла.
Главной проблемой, однако, была проблема с кольцами головки, так как они закоксовывались уже после нескольких часов работы на полной нагрузке. В двухтактном двигателе с гильзовым газораспределением кольца головки цилиндра находятся в таких же тяжелых условиях работы, как и поршневые кольца двухтактного двигателя – с регулированием открытия выпускных окон поршнем.
То есть они подвергаются сильному эрозийному воздействию горячих выпускных газов с высоким давлением через края поршня или на его днище, а также воздействию скопления частично закоксовавшегося масла, соскобленного с кромок выпускных окон.
Кольца головки находятся в худших условиях еще и потому, что они не имеют активного движения качения, как в поршне. Все манипуляции с улучшением теплоотвода этой части головки ничего не дали.
В итоге было решено перейти на вариант гильзы без верхнего ряда окон – как бы полагая, что уплотнение от прорыва газов будет обеспечено самой гильзой.
Конструкция оказалась на редкость удачной и позволила провести испытания на прочность при полной нагрузке.
Предано забвению
С 1935 по 1945 г. в Англии двигателей с гильзовым газораспределением только для нужд авиации было выпущено суммарной мощностью свыше 200 млн л. с.
Однако в скором времени об этих двигателях… забыли. Причина забвения комплексная и скрывается отнюдь не в конструкции агрегатов (их показатели превосходили существующие четырехклапанные двигатели, а у некоторых даже превосходят и до сих пор).
Рикардо не повезло так же, как не повезло в Германии Х. Юнкерсу с его двухтактными двигателями и В. Баландину с его бесшатунными двигателями в России.
Причина – отказ авиации от поршневых машин.
В книге «Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей», изданной под редакцией проф. А. Орлина в 1972 году, отмечено, что «… золотниковое одногильзовое газораспределение имеет следующие преимущества по сравнению с клапанным:
1. Возможность осуществления большего время/сечения при тех же факторах газораспределения.
2. Меньший нагрев заряда и минимальные гидравлические потери.
3. Принудительное движение золотников, не требующих регулировки, вследствие постоянной кинематической связи золотников с коленчатым валом, – при этом уменьшаются динамические нагрузки на звенья газораспределительного механизма, что обуславливает возможность повышения скорости вращения вала.
4. Бесшумность работы.
5. Возможность применения повышенной степени сжатия в карбюраторных двигателях без опасения появления детонации, так как нет раскаленных выпускных клапанов.
К основным недостаткам названного газораспределения относят сложность привода конструкции…»/ Однако «хоронить» гильзовое газораспределение пока рано. Есть и другие перспективные идеи...
Шторковое газораспределение
Шторковый механизм газораспределения – новшество, способное соединить воедино достоинства и гильзового, и клапанного механизмов.
Конструктивно это будет выглядеть следующим образом: стальная тонкостенная гильза по периметру в 360° набирается из отдельных секторов – шторок. При обычном газораспределении достаточно и двух секторов, по 180° каждый. Один управляет впуском, а второй – выпуском.
На внутренней поверхности цилиндра шторки в статическом состоянии удерживаются упором друг в друга (минимальный тепловой зазор остается). Разжимание шторок к стенкам цилиндра происходит с помощью поршневых колец и самого поршня. При работающем моторе сюда еще добавятся газовые силы.
Каждая шторка может управляться отдельно с помощью:
1. Принудительного десмодромного привода с остановкой шторки в крайних положениях.
2. Кулачкового привода с остановкой шторки в крайних положениях.
3. Принудительного привода с непрерывным возвратно-поступательным движением шторки. Первые два приводных механизма содержат кулачковые распредвалы, а последний – эксцентриковый вал.
Привод шторок может производиться с любой стороны основания цилиндра, в том числе – и со стороны головки.
Тепловой зазор шторкового механизма может находиться в пределах обычных допусков цилиндропоршневой группы.
Расчеты показывают, что при такой конструкции газораспределения площадь проходного сечения впускных каналов для четырехтактного двигателя может достигать 33‑38% (выпускных – 25‑27 %) от площади поршня. Такая величина проходного сечения недостижима ни в одном приводе газораспределения четырехтактных моторов, она снимает лимитирование по проходному сечению газов через органы газораспределения до средней скорости поршня 21‑24 м/сек вместо 10‑12 м/сек, и это при предельной скорости воздуха на впуске 64 м/сек (максимальная допустимая скорость находится в районе 120 м/сек).
Шторка, изготовленная из хромо-никелевой стали при толщине всего в 1,2 мм под диаметр поршня 92 мм будет весить 150‑170 граммов.
Какие преимущества дает использование новой конструкции?
1. Тонкостенная шторка независимо от износа всегда будет прижиматься к цилиндру – облегая его с внутренней стороны. Ей не грозит потеря устойчивости и развитие микротрещин на кромках – из‑за отсутствия напряжений формы и, соответственно, термических напряжений.
2. Шторковый привод можно разместить в основании цилиндров, при этом головка цилиндров приобретает форму «плоской крышки».
3. При отсутствии верхнего ряда окон впускная и выпускная кромки шторок становятся линейными. Это позволит снизить высоту любых существующих тронковых двигателей (с приводом, расположенным в основании цилиндров) на 25‑30%, что уменьшит высоту двигателя в значительно большей степени, чем может дать даже бесшатунный силовой механизм.
4. Поломка шторки или ее привода не выведет двигатель из работоспособного состояния. Максимум неприятностей – отключится один рабочий цилиндр.
Шторковое газораспределение не только устраняет присущие двигателям с гильзовым газораспределением недостатки, но и будет удовлетворять современным экологическим показателям по дымности и содержанию паров масла в двигателе.