Оппозитный двс: Плох или хорош оппозитный двигатель? Разбираемся на примере моторов Subaru

Содержание

Плох или хорош оппозитный двигатель? Разбираемся на примере моторов Subaru

Удивительно, но факт: дискуссии «плох или хорош горизонтально-оппозитный двигатель Subaru» продолжаются по сей день. Странно еще и то, что речь в диспутах не идет об оппозитниках вообще (моторы Porsche столь пристальное внимание обошло стороной), а на орехи достается лишь японской марке. Сторонники и противники в этом вопросе заняли непримиримые позиции. Впрочем, субаристы, для которых оппозитные моторы — «это наше все», на нападки злопыхателей просто не реагируют. Но есть еще и прослойка сомневающихся, считающих, что дыма без огня не бывает. В большей части именно для них мы решили вернуться к этой теме.

Станислав Шустицкий

Сначала о тех положительных моментах, которые свойственны горизонтально-оппозитным моторам. Конструкция двигателя представляет собой два полублока с двумя цилиндрами в каждом, где расположенные под углом 180° поршни перемещаются в горизонтальной плоскости. При этом два соседних поршня всегда находятся в одинаковом положении относительно головки блока. Такое решение позволяет минимизировать вибрации, а значит, отказаться от дополнительных балансиров.

Конструктивно горизонтально-оппозитный двигатель ничем не сложнее любого из их собратьев по цеху ДВС.

Наиболее массивная часть такого двигателя расположена максимально низко, чем и обусловлен оптимальный центр тяжести. А это и устойчивость автомобиля при движении, и хорошая управляемость. Отдельно стоит сказать о пассивной безопасности — конструкция подрамника способствует тому, что в случае лобового столкновения вектор смещения «плиты» двигателя направлен под автомобиль.

Этот двигатель Subaru обладает настоящим спортивным характером — им снаряжались и Subaru BRZ, и Toyota GT86.

Теперь выясним, из-за чего ломают копья. Оппозитные двигатели чрезвычайно сложны по конструкции и дороги как по себестоимости, так и в обслуживании. В чем-то здесь можно согласиться. Но сначала небольшая ремарка — в этом материале мы будем говорить о современных 4‑цилиндровых моторах Boxer третьего поколения. Нельзя забывать, что появившиеся еще в 1963 году оппозитные моторы Subaru прошли длинный путь эволюции, позволивший на каждом из этапов устранять негативные моменты. Да, конструктивно оппозитник сложнее, скажем, рядной «четверки». К примеру, здесь две головки блока и, соответственно, четыре распределительных вала. Что касается обслуживания, плановое ТО Subaru Forester не дороже, чем у «одноклассников», а сам процесс работы с оппозитным мотором практически ничем не отличается от работ с традиционными конфигурациями двигателей. Более того, современные моторы Subaru серий FB и FA в конструкции газораспределительного механизма используют не ремень, а цепной привод, компонент, который в обслуживании просто не нуждается.

Горизонтально-оппозитный двигатель. Практически золотое сечение…«Фишка» оппозитного мотора (в центре) — низкий центр тяжести. Слева — компоновка с рядным мотором, справа — с V-образным.

Обслуживание и ремонт моторов Subaru, вернее, сложность связанных с этим процессом операций, тоже плодит немало слухов. Некоторые утверждают, что за ремонт моторов Subaru берутся только единицы мастеров и их услуги крайне дороги. На самом деле, любой двигатель стоит доверять исключительно профессионалам. Что касается стоимости работ, определяемых сложностью манипуляций с моторами Subaru — это чистой воды миф. Так, весьма стойким стало убеждение, что замена свечей зажигания на двигателях Subaru невозможна без вывешивания мотора. На самом деле для этой операции достаточно иметь свечной ключ с карданным шарниром и удлинителем — такие есть в любом универсальном наборе инструментов. Единственная модель Subaru, замена свечей зажигания в которой требует вывешивания двигателя, — это BRZ. Связано это с тем, что лонжерон кузова очень близко расположен к «операционному полю», и такая архитектура не позволяет извлечь ни свечу, ни катушку зажигания.

В конце концов, даже с навесным оборудованием и в сборе с CVT этот двигатель просто красив. Моторы Subaru XV и Subaru Forester.

Если же говорить о более серьезных ремонтах, включая капитальные, то и в этой части современные моторы Subaru вполне дружелюбны к специалистам сервисов. Например, на моторах серии EJ, знаменитых субаровских «ежиках», которые и сегодня используются на модели STI, для того чтобы снять поршни и коленчатый вал, сначала нужно через технологические отверстия с помощью специального инструмента извлечь поршневые пальцы. На нынешних моторах серии FB конструкторы развернули разъем шатуна, сделав его асимметричным — это решение позволяет мастерам без труда демонтировать поршневую группу.

Моторы Subaru прожорливы в плане потребления масла? Мнение, основанное на «делах давно минувших дней», когда действительно были определенные претензии к расходу масла, связанные с неравномерностью износа гильз цилиндров и не имеющие никакого отношения к современным горизонтально-оппозитным двигателям «плеяд». Если сегодня подобные вопросы возникают, происходит это по вине самих пользователей и связано исключительно с нарушениями режимов обкатки. Кроме того, приветствуется постоянный предварительный прогрев двигателя до нужных минимальных температур. При дальнейшей эксплуатации автомобиля очень важно применение качественного топлива — в противном случае по истечении времени весьма вероятно залегание поршневых колец и, как следствие, повышенный расход масла.

Резюмируя все вышесказанное, можно с уверенностью утверждать, что сегодняшние горизонтально-оппозитные моторы Subaru ни одной из списка предписываемых им хронических болезней не страдают. Зато конструктивных обновлений за последнее время они получили немало. Это и новые технологии изготовления кривошипно-шатунного механизма, и внедрение системы изменения фаз газораспределения, и существенные доработки в системах смазки и охлаждения… Неизменным остался лишь сам принцип работы горизонтально-оппозитного двигателя. И звук. Тот самый звук, который наверняка оказывает свое влияние на постоянное пополнение рядов субаристов.

block

Хочу получать самые интересные статьи

принцип работы, достоинства и недостатки

Как в свое время V-образный мотор «эволюционировал» от рядного, так и оппозитная силовая установка стала своеобразным технологическим усовершенствованием V-образного двигателя внутреннего сгорания.

В середине 1930-х годов инженеры марки Volkswagen проводили собственные разработки силовых установок, модернизируя как рядные, так и V-образные моторы. В результате одной из таких операций инженеры «разложили» цилиндры V-образного двигателя под углом 180 градусов, получив первый в мире оппозитный двигатель. Особенность конструкции такого мотора заключается в том, что его цилиндры и поршни располагаются оппозитно (с английского «opposite» — противоположный), то есть друг напротив друга в горизонтальной плоскости.

Оппозитный двигатель

При этом, у такого двигателя в конструкции применены по два распределительных вала с каждой стороны. Еще одной особенностью конструкции такого мотора является вертикальное размещение газораспределительных механизмов.

Сконструировав подобный двигатель, инженерам Volkswagen удалось решить несколько проблем, присущих V-образным моторам, главная из которых – несбалансированность, порождающая вибрации, которые от силовой установки передаются на кузов и делают езду на автомобиле некомфортной. Эти моторы с 1938 года устанавливались на культовую модель городского хэтчбека Volkswagen Beetle. А с середины 1960-х годов ставку на оппозитные моторы сделала японская компания Subaru.

Volkswagen Beetle ’1968–72

Преимущества

Оппозитный двигатель ввиду горизонтального расположения цилиндров получил сбалансированную работу за счет того, что работающие друг от друга поршни являются своеобразным противовесом и создают такой необходимый для корректной работы мотора баланс. По оценкам специалистов, лучше оппозитного двигателя уравновешен только рядный шестицилиндровый мотор.

Еще одно преимущество, которое дает оппозитное расположение цилиндров – низкий центр тяжести, что особо ценится для спортивных машин, которым важна такая характеристика, как устойчивость при прохождении поворотов на скорости.

Из-за своего горизонтального расположения мотор как бы «распластан» в подкапотном пространстве, благодаря чему крены автомобиля существенно уменьшаются.

Несомненным плюсом оппозитного двигателя является его ресурс прочности: некоторые двигатели подобного типа эксплуатировались до нескольких сотен тысяч километров до капитального ремонта.

Недостатки

Наряду с указанными выше преимуществами, есть у оппозитных двигателей и свои недостатки. Связаны они с особенностью конструкции мотора и касаются дорогого обслуживания и ремонта «оппозитника». Если в том же рядном или V-образном двигателе автовладелец может поменять свечи зажигания самостоятельно, то проделать эту операцию на оппозитном моторе практически невозможно – для этого потребуется применить специальное оборудование, которым располагают только СТО. Да и стоимость его производства сравнительно высока, что в конечном итоге сказывается на ценнике автомобиля.

SUBARU BRZ оснащается оппозитным двухлитровым двигаталем мощностью 200 лошадиных сил.

Оппозитный двигатель: устройство, принцип действия, применение

Оппозитный двигатель – одна из разновидностей поршневого ДВС (двигателя внутреннего сгорания), поршни в котором располагаются под углом в 180˚, совершая поступательные движения в горизонтальном направлении, как на сближение, так и на отдаление.

Запчасти для двигателей Cummins 2.8 можно приобрести в сервисе АВТОИНДУСТРИЯ: https://avtoindustriya.com/dvigatel-cummins/zapchasti-cummins-28/ АВТОИНДУСТРИЯ — это высокий уровень обслуживания и гарантированно качественные запчасти по приемлемой цене.

Основное отличие оппозитного двигателя от традиционного V-образного заключается в оппозитном (противоположном) расположении поршней, за счет чего достигается не только плавная работа двигателя внутреннего сгорания, но и снижение общего уровня вибраций. В оппозитном двигателе поршень с шатуном расположен на отдельной шатунной шейке вала и оснащается четным количеством рабочих цилиндров (от 2 до 12).

Современный оппозитный двигатель устанавливается практически во всех автомобилях марок Subaru, в некоторых моделях автомобилей Volkswagen и Porsche, мотоциклов Урал, Днепр, BMW и Honda, а также в автобусах марки Икарус. Чаще всего применяются 4-х и 6-ти цилиндровые оппозитные двигатели.

Оригинальная и эффективная конструкция оппозитного двигателя позволяет улучшить динамические и эксплуатационные характеристики автомобиля.

Преимущества оппозитного двигателя

Как и любой другой тип ДВС, оппозитный двигатель имеет существенные преимущества.

Одно из самых главных его преимуществ – низкий центр тяжести, обеспечивающий более высокую устойчивость автомобилю при совершении скоростных поворотов. Благодаря горизонтальному размещению рабочих цилиндров, а также оппозитному движению поршней достигается максимальный баланс в работе двигателя.
Вторым важным преимуществом можно считать низкий уровень вибраций при работе двигателя. Это обеспечивается за счет встречного движения поршней, которые уравновешивают себя самостоятельно.
Следующее преимущество – это большой ресурс прочности и надежности. Такие двигатели могут эксплуатироваться при больших нагрузках и длительном пробеге автомобиля вплоть до проведения первого капитального ремонта.
Последнее неоспоримое преимущество – высокий уровень безопасности. При возможных столкновениях оппозитный двигатель смещается в нижнюю часть автомобиля, минимально деформируя кузов и салон, тем самым обеспечивая безопасность водителя и пассажиров на передних местах.

Недостатки оппозитного двигателя

Несмотря на явные преимущества, недостатки у такого типа двигателя также имеются.

Наиболее существенным недостатком является сложность и дороговизна ремонта оппозитного двигателя. Как уже было сказано ранее, ДВС такого типа имеет сложную и нестандартную конструкцию, которая отличается существенными габаритами и весом. Для проведения важных ремонтных и профилактических работ потребуется предварительное снятие двигателя. Это будет не только трудоемким, но и весьма затратным процессом для любого автовладельца.
Следующим недостатком является сложности процесса замены запчастей. Помимо того, что запчасти на такой двигатель являются достаточно дорогостоящими, да и их замена потребует не маленьких капиталовложений, сложность заключается в том, что в настоящее время оппозитными двигателями оснащаются не все марки автомобилей.

А это значит, что найти нужные запчасти будет весьма проблематично и затруднительно.

Современные оппозитные двигатели в большинстве своем являются бензиновыми, имеющие распределительную систему подачи топлива и систему ГЗР с 4-мя клапанами. Они могут быть оснащены 1 или 2 распределительными валами.

Для снижения мгновенного расхода топлива, улучшения крутящего момента, уменьшения уровня токсичности, оппозитные двигатели нового поколения были значительно усовершенствованы за счет:

снижения веса основных движущихся деталей – поршня, коленвала и шатуна;
увеличения коэффициента сжатия путем уменьшения общего объема камеры сгорания и увеличения поршневого хода;
применения масляного насоса, который способен увеличить ресурс работы оппозитного двигателя;
применения системы охлаждения с отдельными контурами, как для блока, так и для головки цилиндра.

В большинстве моделей автомобилей установлены двигатели с 4-мя и 6-ю цилиндрами, в некоторых моделях гоночных автомобилей – 8 и 12 цилиндровые оппозиционные двигатели.

Боксер на большой дороге: оппозитный двигатель внутреннего сгорания

Прошедшим летом бренд Subaru пригласил московских журналистов «выгулять» Forester образца 2011 года, причем не где-нибудь, а в Белоруссии. Там в нашем распоряжении был сказочно гладкий и на удивление пустой автобан Минск-Брест, деревенские грунтовки и лесные дебри Беловежской пущи. Там-то и удалось посмотреть в деле новейшие достижения в области конструирования автомобильных моторов по оппозитной схеме.

Чем ниже, тем надежнее

Внешне «Форестеры»-2011 мало чем отличаются от своих предшественников. Все радикальные новшества спрятаны внутри, и прежде всего это двигатели третьего поколения BoxerFB объемом 2,0 и 2,5 л. «Боксерское» название этим моторам дано не случайно: как известно, главное отличие оппозитного двигателя от рядного заключается в том, что поршни в таком силовом агрегате находятся под углом 180 градусов друг к другу и двигаются в противоположных направлениях — будто бы «боксируя». «Оппозитники» Subaru ставит на свои автомобили с 1963 года, а предыдущая версия Boxer EJ выпускалась с 1989 года, поэтому появление новой версии спустя 22 года нельзя не признать важной вехой. Чем же объясняется приверженность японского бренда оппозитным двигателям? В качестве аргументов «за» приводятся следующие соображения. Во-первых, плоская компоновка дает возможность сместить вниз центр тяжести. Применение «оппозитника» позволяет добиться хорошей развесовки, так как основная масса силового агрегата помещается в Forester над передней осью. Работающие в противоположных направлениях поршни взаимно гасят вибрации, что минимизирует вибрацию всего силового агрегата. При оппозитной схеме детали, приводимые в движение мотором, могут размещаться симметрично — вес равномерно распределяется между всеми четырьмя колесами, что дает большую стабильность управления. Наконец, при малой высоте двигателя и его низком расположении в случае столкновения двигатель «уходит» под пол, а не проникает в салон.

Оппозитный двигатель Субару. Техцентр Субару (Subaru)

Устройство оппозитно-горизонтального двигателя Subaru

Поршни находятся под углом 180° и движутся горизонтально друг к другу. При этом два соседних поршня всегда находятся в одинаковом положении, например в верхней мертвой точке.

Недавно двигатель Субару назвали «боксером». Движение поршней очень напоминает поединок боксеров на ринге. Особой конструкцией двигателя является то, что каждый поршень (вместе с шатуном) отдельно установлен на шатунный шейке коленчатого вала. Двигатель всегда имеет четное числом цилиндров. То есть два, четыре, шесть и так дальше. Самые популярные агрегаты это двигатели с четырьмя и шестью цилиндрами.

Многие думают, что это V-образный мотор с углом развала 180 градусов. Да, внешне есть сходство: на одной шатунной головке расположены соседние поршни с шатунами. И если один поршень — в верхней мертвой точке, то соответственно другой — в нижней.

Начало оппозитных двигателей

В прошлом веке (1938 год) разработали первые оппозитные двигатели. Вначале, они устанавливались только на авто Volkswagen Käfer или Фольксваген Жук. Именно эксперты Volkswagen изобрели горизонтальный мотор. Некоторые из машин Volkswagen Group и в наше время имеют такие моторы. В 1940 году механики SUBARU начали работать над новым двигателем. Даже теперь компания Субару устанавливает в свои машины оппозитные двигатели.

Плюсы двигателя Subaru

Вот некоторые особенности оппозитного двигателя:

Низкий центр тяжести. Особенность положительно влияет на ходовые характеристики.

Расположение цилиндров. Благодаря удачному размещению, двигатель работает гораздо тише. Цилиндры движутся друг к другу в горизонтальной плоскости, и вибрации почти нет. Она легко гасится.

Большой ресурс. Мотор может работать на протяжении езды в 1 миллион километров. Безусловно, это допустимо, если двигатель правильно используют и своевременно меняют расходники.

Минусы двигателя Subaru

Оппозитные моторы очень выносливые в использовании. Но все же, есть минусы. А именно:

— Ремонтировать такой мотор очень трудно.

— Цена мотора высокая. В большинстве цена зависит от сложного строения;

— Технически обслужить такой мотор нелегко.

Хотя мы обсудили плюсы и минусы оппозитного мотора, он является очень мощным. Динамические характеристики очень похожи на характеристики бензинового двигателя. Сходство заключается в прочности и расходе топлива.

Надежные двигатели Subaru

Есть 3 двигателя небольшого объема: EJ15, EJ16, EJ18.

Хотя они не «миллионщики», все же они долговечные. Подходят для машин С-класс. Мотор не большой, всего 1.5 литров. Нет никакой сложности в строении. Но владеет всеми необходимыми деталями. Есть 2 головки блока.

Одни из наилучших двигателей — двухлитровые SOHC: EJ20E, EJ20J, EJ201, EJ202.

Хотя такие моторы тяжело обслуживать, это компенсируется прочностью, которая есть в нормированном балансе моторесурса. Обладатели таких двигателей могут похвастаться их безопасностью. Она ничем не хуже рядных четырех цилиндровых моторов от Toyota с таким же объемом. Данный аппарат работает на 92-м бензине. Расход топлива небольшой. После пробега двести-двести пятьдесят тысяч километров, нужно заменить кольца.

К моторам среднего уровня относят атмосферники DOHC (двух литровые): EJ20D; EJ204. Эти агрегаты считаются надежными. Моторесурс у них довольно высокий.

Специфика технического обслуживания двигателя:

— Тяжело заменить свечи;

— Замена ремня газораспределительного механизма проходит без ошибок;

— Механические работы — после снятия мотора;

— Двигатель работает на 95-м бензином.

Оппозитные двигатели — устройство, плюсы и минусы

Оппозитными двигателями являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с горизонтальным расположением цилиндров. Такие моторы называют ещё «боксёрами», из-за движения поршней друг от друга или в обратном направлении (друг к другу), причём поршни в паре всегда имеют одинаковое расположение (например, находятся в нижней рабочей точке). Каждый поршень устанавливается на обособленной шатунной шейке коленвала.
Количество цилиндров всегда кратно двум и может быть от 2 до 12. Наибольшую популярность имеют «боксёры» с четырьмя и шестью цилиндрами. 8-ми и 12-и цилиндровые ДВС повышенной мощности были разработаны для спортивных автомобилей.

Оппозитный двигатель

Современные оппозитные двигатели

На данный момент, разработкой и установкой оппозитных двигателей занимаются Porsche и Subaru, а раньше такой мотор устанавливался на Volkswagen, Honda, Toyota, Ferrari и др. Похожие двигатели можно найти на пассажирских Икарусах, мотоциклах, в военной технике (например, танках).

Принцип работы «оппозитника» в общем схож с функционированием других типов ДВС, а двух- и четырёхцилиндровых «боксёров»,практически аналогичен. Главная отличительная особенность – это расположение цилиндров. Не следует путать оппозитный двигатель с V-образным и углом развала в 180 град, т.к. во втором из них, соседние поршни расположены на одной шатунной шейке и находятся в разных точках цилиндров в одно и то же время.

Преимущества и недостатки оппозитных ДВС

Плюсами в применении оппозитных двигателей можно считать следующее:

Следует отметить, что водитель самостоятельно может, разве что, масло заменить в двигателе, остальные процедуры далеко не всем придутся по силам. Для выполнения отдельных работ нужно снимать мотор с автомобиля.

Видео-обзор оппозитного двигателя

Подытожив, можно сказать, что при выборе транспортного средства с указанным типом двигателя, следует не упускать из вида стоимость обслуживания и ремонта, но и помнить о выше описанных достоинствах оппозитного мотора.

Разобраться в устройстве и характеристиках оппозитного двигателя вам поможет эта видео-лекция:

Оппозитный двигатель — минусы и плюсы, устройство, принцип работы

Существует множество типов двигателей, подразумевающих различное построение их внутренних компонентов. Так выделяют рядные моторы, V-образные, роторные, оппозитные и другие. Именно об оппозитном виде силовых агрегатов мы и поговорим в нашей сегодняшней статье, уделив особое внимание их принципам работы, а также преимуществам и недостаткам эксплуатации.

Что представляют собой оппозитные двигатели?

Оппозитные моторы являются разновидностью двигателей внутреннего сгорания топлива, у которых выстраивание рядов цилиндров происходит по оппозитной схеме, подразумевающей нахождение поршней зеркально друг напротив друга. Между ними встраивается коленчатый вал, приводимый поршнями во вращение. По сути, принцип работы оппозитных двигателей можно назвать аналогичным процессу функционирования V-образных агрегатов, с той лишь разницей, что угол развала их поршневой зоны составляет 180 градусов.

Наиболее характерным примером применения оппозитных двигателей являются модели японского концерна «Субару». Маркетологи знаменитой компании делают особый акцент на своих победах в различных гоночных соревнованиях, а знаменитое «рычащее» звучание субаровских движков стало настоящей визитной карточкой производителя. Другие компании применяют оппозитные силовые агрегаты заметно реже. Их наличие, например, имеется на некоторых моделях «Porsche». В советские времена оппозитные моторы встречались на тяжелых мотоциклах «Днепр» и «Урал», по мощности способных составить конкуренцию многим автомобилям.

Видео — Как работает оппозитный двигатель Subaru

Плюсы эксплуатации оппозитных двигателей

Несомненным достоинством применения оппозитных моторов является равномерность их работы. Возможные вибрационные явления, потенциально возникающие при эксплуатации, легко компенсируются силами, возникающими в цилиндрах противоположной стороны. За счет этого движок работает очень мягко, без проявления детонаций или вибрации.

Вторым преимуществом выступает сама конструкция агрегата, подразумевающая нахождение оппозитной плоскости двигателя в нижней части моторного отсека. Благодаря такому расположению, все авто, оснащенные «оппозитами» имеют заниженный центр тяжести, положительным образом сказывающийся на их дорожной устойчивости и управляемости.

Третьим «плюсом» назовем удобное расположение всего навесного оборудования, работающего во взаимной связи с оппозитными моторами. Оно находится вверху, что позволяет упростить к нему доступ во время технического обслуживания или ремонта.

Минусы оппозитных агрегатов

Увы, недостатков данного типа моторов ничуть не меньше чем достоинств, а их значимость возможно даже выше.

Основным негативным фактором эксплуатации оппозитных двигателей служит сложность проведения их ремонта. Большинство из них нереально отремонтировать без полного демонтажа из моторного отсека. К тому же ряд факторов способствует тому, что оппозитные агрегаты ломались значительно чаще, нежели классические ДВС. Примером этого может служить сложная схема газораспределительного механизма, имеющая увеличенное количество компонентов. Кроме того, горизонтальная плоскость движения поршней подвергается постоянному воздействию силы тяжести, из-за чего гильзы цилиндров эллипсоидно изнашиваются, что приводит к появлению повышенной масляной «прожорливости».

Вторым недостатком назовем продольную компоновку оппозитных двигателей. При изготовлении авто с передней или полной системой привода требуется, чтобы двигатель был дальше передней оси авто. Для достижения нужных пространственных интервалов оппозитные моторы приходится существенно сдвигать вперед, заметно удлиняя передний свес автомобиля. В ряде случаев увеличенный «нос» значительно усложняет процесс эксплуатации машины, причиняя её водителям значительные неудобства во время поездок.

Итоги

Подводя итоги статьи, зададим вопрос – а стоит ли «связываться» с оппозитными двигателями, приобретая транспортное средство для повседневной эксплуатации? Однозначного ответа на него у нас не будет. То, что моторы подобного типа имеют право на существование – однозначно и неоспоримо. Однако уместность их использования в общегражданских машинах мы бы подвергли большому сомнению. Да, они позволяют развивать автомобилям неплохую динамику, однако особенно экономичными их не назовешь, да и сложность возможных ремонтов, которые обязательно будут, не сомневайтесь, заставляет нас подходить к вопросу их внедрения скептически. Если же упомянутые в статье изъяны оппозитных движков вас не пугают, то можете смело его приобретать. Ходовые качества этих моторов вас не разочаруют.

Вот почему у нас нет двигателей с оппозитными поршнями — по крайней мере, пока

Двигатель с оппозитными поршнями используется уже более 100 лет, и более эффективен почти во всех отношениях.
В двигателе нет традиционных клапанов, кулачков или распредвалов, а также головки, поэтому его проще и дешевле производить, собирать и эксплуатировать.
Испытательный двигатель Achates Power будет работать этим летом на Peterbilt 579. Другая версия — двигатель мощностью 1000 л.с. для боевой машины — будет серийно производиться Cummins в 2024 году для U.С. Армия.

Почему почти каждый автомобиль в мире имеет четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с циклом Отто? Несомненно, после более чем 100 лет существования автомобилей кто-то должен был придумать что-то лучшее?

Ну так и сделали, причем почти с самого начала. Нет, я не говорю о Ванкеле, хотя вы должны отдать должное Mazda за то, что она придерживалась этого так долго. И нет, я не говорю о радиальных, газовых или паровых турбинах.Я говорю о двигателе с оппозитными поршнями.

Двигатели с оппозитными поршнями используются с конца 19 века, так что идея не нова. В то время их использовали в тяжелых транспортных средствах, таких как поезда, танки, корабли и подводные лодки. Их преимуществом на раннем этапе был диапазон. В 1930-х годах самолет пролетел 6000 миль с оппозитным поршневым двигателем без дозаправки. Подводные лодки тоже оценили дальность. Как и поезда. Вы можете пойти дальше с топливом, которое вы можете перевозить с помощью двигателя OP.

Этот контент импортирован с YouTube.Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Вот как работает двигатель с оппозитными поршнями: два поршня имеют общий цилиндр, каждый со своим коленчатым валом и шатуном. Поршни движутся навстречу друг другу и (почти) встречаются в верхней мертвой точке. По мере приближения поршней друг к другу (или, может быть, непосредственно перед ним) в верхней части каждого хода, дизельное топливо впрыскивается в цилиндр и происходит сгорание. Поскольку двигатель, о котором мы говорим, является дизельным, свеча зажигания не требуется.Затем происходит сгорание, которое раздвигает поршни. Потенциальная энергия была преобразована в работу.

Два коленчатых вала, по одному на каждом конце двигателя, соединены набором шестерен, от которых мощность передается на колеса (или гребной винт, или что-то еще, что вы приводите в действие).

Функцию клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндров вниз ближе к нижней части хода (или вверх, поскольку в каждом цилиндре есть два поршня). Один набор отверстий позволяет выходить выхлопным газам, а другой набор отверстий на другом конце цилиндра впускает всасываемый воздух.Выхлопные отверстия больше и дольше остаются открытыми для вывода сгоревшей воздушно-топливной смеси. Это цикл Аткинсона. Каждый поршень срабатывает при каждом такте, что делает его двухтактным.

В двигателе нет традиционных клапанов, кулачков или распредвалов, а также головки, поэтому его проще и дешевле производить, собирать и эксплуатировать. Теплота сгорания передается не в головку блока цилиндров, а в противоположный поршень, что, опять же, более эффективно.

Все это я узнал во время вебинара, проведенного Calstart, консорциумом из 280 компаний, стремящихся сделать воздух чище за счет более эффективной транспортировки.Веб-семинар был посвящен грузовикам средней и большой грузоподъемности, и Calstart призвал компании рассмотреть вопрос о двигателях с оппозитными поршнями для своих грузовиков.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Компания, разрабатывающая двигатель, называется Achates Power из Сан-Диего. Он был основан физиком-теоретиком доктором Джеймсом Лемке (1929-2019). За долгую и продуктивную карьеру Лемке разработал все, что угодно, в том числе магнитные записывающие головки для магнитофонов телевещания.Если вы когда-либо смотрели телевизор в период между живыми программами и эпохой цифровых технологий, вы можете поблагодарить Лемке. Он имеет более 114 патентов. Раньше он любил летать на своем двухмоторном Beech Baron в Баху на выходные. В один из таких выходных он принес книгу по теории двигателей внутреннего сгорания с оппозитными поршнями.

«Вы знаете, легкое чтение», — пошутил он на видео компании.

Он узнал, что, хотя такие двигатели использовались на протяжении многих лет, они так и не были доведены до современного потенциала.

«Когда я обнаружил этот двигатель, стало ясно, что с помощью современных методов, таких как вычислительная гидродинамика, можно будет улучшить характеристики двигателя намного больше, чем это было возможно, когда он был впервые разработан».

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Итак, он основал компанию для этого. Компания Achates Power была основана в 2004 году и приступила к разработке двигателя с оппозитными поршнями.Achates Power не является производственной компанией; это оставалось бы производителям двигателей, таким как Cummins, Caterpillar и Navistar.

«Achates Power работает с ведущими производителями двигателей, лицензирует конструкции, инструменты для разработки и тестирования, программное обеспечение и патенты, которые позволяют использовать двигатели для ряда приложений, которые сокращают выбросы CO2 и критические выбросы и обеспечивают надежное соответствие требованиям экономически эффективным способом», — говорит шаблон на сайте Achates.

Текущие проекты включают двигатели с оппозитными поршнями для легковых автомобилей, грузовиков средней и большой грузоподъемности, использования в военных целях, а также для бездорожья и производства электроэнергии.Двигатель с оппозитными поршнями Achates Power, который я видел на вебинаре Calstart, был сверхмощным дизельным двигателем для использования в 18-колесных автомобилях. 10,6-литровый трехцилиндровый двигатель (с шестью поршнями) развивает 400 л.с. при 1700 об / мин и 1674 фунт-фут крутящего момента при 950 об / мин. Он призван заменить 13-литровый четырехтактный рядный шестицилиндровый дизельный двигатель. Испытательный двигатель Achates Power работает с июля прошлого года на Peterbilt 579. Walmart будет использовать его этим летом. Силовая установка Peterbilt от Achates Power имеет нагнетатель и турбокомпрессор для еще большей эффективности.

Демонстрация двигателей для тяжелых грузовиков показывает, что с 1990 года по сегодняшний день выбросы NOx сократились на 98%, а твердых частиц — на 99%. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам готовится принять постановление, согласно которому к 2027 году выбросы NOx снизятся еще на 90%, а PM — еще на 50% (в общей сложности на 99,8% сокращение выбросов NOx в период с 1990 по 2027 год). Результаты, представленные на веб-семинаре на этой неделе, показывают, что Ахатес может снизить выбросы NOx на 96% по сравнению с сегодняшними стандартами (на 65% ниже стандарта CA 2027 года) и CO2 на 7% ниже сегодняшнего стандарта EPA.

«Важно отметить, что все это делается с помощью обычных систем дополнительной обработки пола и, вероятно, будет наиболее экономичным и надежным способом соответствовать новым стандартам», — сказал исполнительный вице-президент Achates Power по развитию бизнеса Ларри Фромм.

«С помощью вычислительной гидродинамики мы обнаружили, что когда два поршня сближаются, формируя контур каждого поршня так, чтобы он дополнял друг друга, мы могли создать псевдообъем сгорания, который был бы очень эффективным при смешивании воздуха и топлива, и это было частью решения по повышению топливной эффективности », — сказал Лемке.«У многих двигателей есть золотая середина, где они получают максимальную эффективность. Если вы этого не сделаете, эффективность очень быстро упадет. У нас очень ровный участок и везде примерно одинаковая эффективность. Любое применение дизельного топлива в настоящее время выиграет от этой конфигурации — двухтактной — за счет большей эффективности и более чистых характеристик ».

Лемке привел один пример.

«Нам известна одна торговая точка, в которой имеется 7 200 грузовиков. В прошлом году их счет на топливо только для этих грузовиков составил 350 миллионов долларов.Мы можем сэкономить им от 70 до 100 миллионов долларов в год, просто перейдя на этот двигатель ».

Сила Ахатеса

Так почему же не все переходят на этот двигатель?

«Это было похмелье двухтактных ужасов, которые предвосхитили коленные рефлексы многих людей», — сказал Лемке. «Двухтактный? Нет, вы не можете сделать его чистым, вы не можете сделать его эффективным.

Фромм добавляет больше перспективы.

«Вплоть до недавнего времени (благодаря нашей работе, подобной той, что вы видели вчера), почти все считали, что двухтактные двигатели не могут соответствовать современным стандартам выбросов на шоссе, — сказал Фромм. «Это связано с тем, что двухтактный цикл очень сложен — газообмен и сгорание происходят в одном непрерывном процессе. Вы должны оптимизировать систему в целом. До появления суперкомпьютеров и сложной химически реактивной вычислительной гидродинамики оптимизация осуществлялась интуитивно, методом проб и ошибок.В результате все двухтактные двигатели были сняты с регулируемых рынков ».

Так что, может быть, мир должен узнать о современных двухтактных двигателях с оппозитными поршнями. И именно здесь вступает в силу веб-семинар Calstart и его расширение Achates Power.

«Мы собираем группу организаций, чтобы продвинуть сверхмощный двигатель с оппозитными поршнями на пути к коммерциализации, с целью сделать двигатели доступными в 2027 », — сказал Фромм. «Замечу, что другая версия этого двигателя — двигатель мощностью 1000 л.с. для боевой машины — будет серийно производиться Cummins в 2024 году для U.С. Армия ».

Двигатель с оппозитными поршнями — следующая большая вещь? Или это просто еще один из миллиона двигателей, придуманных другими парнями 100 лет назад, которые никуда не делись? Взгляните на ссылку Дуглас-Селф здесь. На нем показаны 115 двигателей, от Bakewell Wingfoot до Jasper Explosive Motor, которые кто-то когда-то думал, что они станут Следующей Большой Вещью.

Я сам эгоистично посоветовал Porsche заменить нынешнюю плоскую шестерку двигателем с оппозитными поршнями на шестипоршневую плоско-трехместную конфигурацию.Или, может быть, Subaru следует использовать его для создания FrankenSoob. Я доступен для планирования продукта и инженерного консультирования в любое время.

Считаете ли вы, что двигатель с оппозитными поршнями получит более широкое распространение? А какие ваши любимые нестандартные конструкции двигателей? Дайте нам знать в комментариях ниже.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io

По крайней мере, один автопроизводитель планирует выпустить двигатель с оппозитными поршнями

Интересно изучать новые безумные конфигурации двигателей, и каждый год или около того какой-нибудь изобретатель появляется на ежегодной работе Общества автомобильных инженеров в Детройте с другой идеей для «лучшая мышеловка». Одна из этих идей, по-видимому, преодолела невероятные шансы, с которыми сталкиваются такие нетрадиционные концепции, и направляется к массовому производству с шестью противоположными поршнями, разделяющими три цилиндра и вращающимися двумя коленчатыми валами, которые связаны вместе.Настоящим мы дублируем эту конфигурацию OP-3.

Джеймс Аткинсон, имя которого украшает многие современные высокоэффективные двигатели, создал свой цикл на основе двигателя с оппозитными поршнями в 1882 году, но эта идея действительно получила распространение в 30-х и 40-х годах, когда Хьюго Юнкерс построил двигатели с оппозитными поршнями. для самолетов времен Второй мировой войны. С тех пор эта конфигурация использовалась в приложениях с большими двигателями, такими как подводные лодки, грузовые суда и поезда, но именно в 2004 году была запущена Achates Power с целью внедрения этой технологии в основные легковые автомобили, сконфигурированные для установки в основном в вертикальном положении. положение, которое соответствует тому же диапазону, что и обычные I-4 или V-6, с нижним коленчатым валом в том же положении, что и текущие кривошипы, для легкой интеграции в автомобиль.Первоначально основное внимание уделялось оснащению для легких грузовиков, поскольку они представляют собой более сложную задачу и больший потенциал для общей экономии топлива.

Motor Trend впервые обнаружил эту технологию на выставке SAE 2014, где мы отметили, что она направляется в производство для стационарного применения в производстве электроэнергии. Примерно через год наш августовский Technologue отметил, что тесты и моделирование предполагали, что 4,9-литровый двухтактный дизельный Achates OP-3 с турбонаддувом и турбонаддувом, настроенный на мощность 275 л.с. и 811 фунт-фут, обещал на 20 процентов лучшую эффективность, чем Ford 6.7-литровый турбодизель PowerStroke V-8. Темпы разработки ускорились в 2015 году благодаря гранту министерства энергетики ARPA-E в размере 9 миллионов долларов на разработку концепции легкого двигателя (еще 14,4 миллиона долларов были выделены на разработку военного применения двигателя для армии). С тех пор Achates использует свои двигатели OP на бензине и природном газе, а также на дизельном топливе и JP8, все с воспламенением от сжатия.

Во время отраслевых дней на Североамериканском международном автосалоне в 2017 году генеральный директор Дэвид Джонсон объявил, что к 2018 году Achates выпустит управляемый прототип грузовика с двигателем 2.7-литровый 270-сильный турбодизельный двигатель OP-3 с турбонаддувом мощностью 479 фунт-фут, отвечающий требованиям стандартов Tier 3, LEV III, Euro 6, при этом превышая стандарты CAFE 2025 года (его прогнозируемые значения на этикетке EPA будут составлять 25/32/28 миль на галлон. город / шоссе / комбинированный, что дает нескорректированную цифру CAFE 37 миль на галлон, когда 33 — требование для грузовиков с площадью основания 65-70 квадратных футов). Джонсон также заявил, что он будет на 30 процентов эффективнее лучших дизельных двигателей сопоставимой мощности и на 50 процентов экономичнее лучших аналогичных газовых двигателей.Но большей неожиданностью стало его заявление о том, что из девяти автопроизводителей, которые подписались в качестве партнеров по разработке, по крайней мере, один из них начал наращивать инструменты для создания массового двигателя с оппозитным поршнем.

Почему это эффективно:

Тепловой КПД: Низкое отношение площади поверхности камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и отсутствие головки блока цилиндров означает, что в систему охлаждения отводится гораздо меньше тепла, поэтому больше тепла сгорания переходит к движению автомобиля.
Пониженное трение: Без болтов головки блока цилиндров, искажающих канал цилиндра, снижается трение кольца, а более низкая пиковая рабочая скорость любого двигателя с воспламенением от сжатия снижает трение.
Нижняя насосная работа: Впуск и выхлоп входят и выходят через отверстия, расположенные вокруг цилиндра в верхней и нижней части хода поршней, поэтому поршни не выполняют перекачивающую работу. Поскольку некоторые из этих портов постоянно открыты на двигателе с тремя или более цилиндрами, нагнетатель и турбонагнетатель также работают более эффективно.
Более легкий вес: Более низкое давление в цилиндрах означает, что даже дизель не нуждается в такой же «закалке», как обычный четырехтактный дизель.

Почему сокращаются выбросы:

Работа охладителя: Более низкие пиковые значения давления и температуры в цилиндре снижают количество NOx и других загрязняющих веществ, образующихся в цилиндре.
Горизонтальный прямой впрыск: Две топливные форсунки распыляют поперек цилиндра, а не на горячие поршни, что может вызвать гашение, приводящее к образованию твердых частиц.Кроме того, ход достаточно длинный, чтобы полностью сжечь углеводороды.

Почему ниже затраты:

Более простая сборка: Удаление головки блока цилиндров, клапанного механизма и их механической обработки частично компенсируется добавлением второго коленчатого вала и шестерен, соединяющих кривошипы, но общая сборка должна проще. Также обратите внимание, что конструкция Ахатеса требует лишь минимального переоснащения существующих заводов по производству двигателей.
Пониженные потребности в охлаждении: Поскольку он выделяет меньше тепла, размеры системы охлаждения, вероятно, можно уменьшить.
Меньше выбросов, требующих контроля: Более чистые выбросы из двигателя позволяют уменьшить размеры всех катализаторов и / или снизить содержание в них драгоценных металлов.
Широкая кривая крутящего момента: Благодаря широкому диапазону крутящего момента и эффективности двигателя не так важно вкладывать средства в девяти- или 10-ступенчатую коробку передач.

Итог: Ахатес утверждает, что выполнение требований CAFE к 2025 году с этим двигателем будет стоить примерно на 1000 долларов меньше, чем при дальнейшей модификации и / или электрификации текущего поколения двигателей.Это должно позволить производителям соответствовать более строгим стандартам, не заставляя клиентов «платить за экономию топлива», которые им не важны, дешевым газом, и не заставляя их идти на компромисс в отношении размера или возможностей своего автомобиля. Соблюдение нормативных требований в будущем может быть достигнуто путем применения современных технологий, таких как электрификация 48 вольт для двигателя Achates. Мы с нетерпением ждем возможности приветствовать новую конфигурацию двигателя на проезжей части и в наши спецификации.

Парк Walmart тестирует «самый чистый двигатель внутреннего сгорания в мире»

В то время, когда сверхмощное внутреннее сгорание часто подвергается критике в тени полностью электрических силовых агрегатов и силовых агрегатов с нулевым уровнем выбросов, ведущая некоммерческая группа экологически чистых транспортных средств Щедрая похвала нефтяной горелке, которая показала способность соответствовать самым жестким национальным стандартам выбросов на шесть лет раньше запланированного срока.

CALSTART, ориентированная на выбросы, базирующаяся в Южной Калифорнии и расположенная в Колорадо, Флориде, Мичигане и Нью-Йорке, недавно объявила о впечатляющем увеличении выбросов 10,6-литрового двигателя с оппозитными поршнями от Achates Power, который вскоре появится в продаже. Грузовик автопарка Walmart.

Программа демонстрации тяжелых грузовиков со сверхнизкими выбросами NOx является частью California Climate Investments. CALSTART управляет проектом, который включает сбор и анализ данных о выбросах и характеристиках Peterbilt 579, оснащенного инновационным и экономичным двухтактным двигателем, предназначенным для замены 13- и 15-литровых четырехтактных дизелей, которые могут оказаться слишком полезными. дорогостоящая модернизация некоторых автопарков для соответствия стандартам выбросов 2027 года.

Результаты стендов в Сан-Диего и Детройте, а также испытательного мула 579 в Дентоне, штат Техас, позволили компании CALSTART приветствовать более чистое внутреннее сгорание, поскольку автопарки рассматривают более экологичные решения для силовых агрегатов.

Во время недавней онлайн-презентации, посвященной 10,6-литровому двигателю Achates и его предстоящей демонстрационной программе, которая должна состояться в Южной Калифорнии с июля по сентябрь, исполнительный вице-президент CALSTART Билл Ван Амбург назвал двигатель «самым чистым двигателем внутреннего сгорания с самым низким уровнем выбросов углерода. в мире.

Хотя высокий 10,6-литровый двигатель может достичь сверхнизкого стандарта NOx в 0,02 грамма на тормозную мощность в час, установленного California Air Resource’s Board, и соответствовать требованиям EPA к 2027 году по CO2, Амбург отметил, что он все еще рассматривается как мост к нулевым выбросам.

«В конце концов, наша цель — нулевые выбросы и нулевой выброс углерода, но это долгий путь, и нам нужны все инструменты в ящике для инструментов, чтобы достичь этого, и поэтому мы так взволнованы этим тяжелым — проект двигателя с оппозитным поршнем », — сказал он.«Это показывает потрясающие результаты. Лучше, чем мы думали вначале ».

И эти результаты могут быть еще лучше, по словам технического директора Achates Фабьена Редона. Признак обедненного горения, присущий конструкции двигателя, делает его идеальным для использования газообразного топлива, такого как возобновляемый природный газ и водород.

«Вы можете представить двигатель, сжигающий водород, практически без каких-либо требований к системе последующей обработки и без каких-либо фактических выбросов из выхлопной трубы», — пояснил Редон.«Еще один интересный аспект двигателя внутреннего сгорания, сжигающего водород, заключается в том, что он не требует очень высокой чистоты водорода, что открывает двери для недорогого водорода, а также для различных источников водорода».

Как и его меньший 2,7-литровый собрат, 10,6-литровый также подходит для воспламенения от сжатия бензина.

«Это не то, что мы еще тестировали [на 10.6], но мы знаем, как выполнить воспламенение от сжатия бензина, и это легко сделать», — пояснил исполнительный вице-президент по развитию бизнеса Achates Ларри Фромм, который также возглавляет коммерческий офис компании.

Повышение топливной эффективности транспортных средств по всему миру в сочетании с растущими усилиями по электрификации привело к прогнозам перенасыщения бензином, сказал Фромм, особенно для более низкого октанового числа газа, поскольку более высокая степень сжатия в более экономичных четырехтактных двигателях способствует более высокому октановому числу.

«Вы можете найти возможность купить бензин с низким октановым числом и получить огромную экономию средств», — сказал Фромм. «Идея использования бензина в двигателе большой мощности очень эффективно и очень чисто с высоким крутящим моментом идеально подходит для этого применения.Поэтому мы думаем, что это будет действительно хорошее применение воспламенения от сжатия бензина даже для коммерческого транспорта ».

Исполнительный директор Форума дизельных технологий Аллен Шеффер приветствовал Ахатеса за то, что он вдохнул новую жизнь в старые дизельные технологии.

«Будущее ограничено углеродом, и нам понадобится полный спектр топлива и технологий для решения проблемы изменения климата, в том числе дизельное топливо и продукты, подобные продуктам из Ахата, которые являются инновационными и обеспечивают более важные преимущества в меньшей упаковке, — сказал Шеффер.

«В наши дни многие, кажется, сомневаются в самом будущем двигателя внутреннего сгорания», — продолжил Шеффер. «Я думаю, что 10,6-литровый дизельный двигатель Achates еще раз докажет, что они ошибаются, что есть еще много инноваций и повышения эффективности, а в данном случае — даже более низкого уровня выбросов благодаря нетрадиционному дизайну».

Основываясь на впечатляющем прошлом
Двухтактные двигатели с оппозитными поршнями не являются чем-то новым — их просто отодвинули на задний план, поскольку с годами ужесточились правила выбросов, и двигатели казались недосягаемыми для любых экологически чистых технологий достижения.

Но не все пнули старую рабочую лошадку на обочину. Покойный Джеймс Лемке, физик и новатор в области внутреннего сгорания, подумал, что технология заслуживает еще одного взгляда, и начал исследования и разработки, которые были поддержаны покойным наследником Walmart Джоном Уолтоном. Двое энтузиастов двигателей пилотировали свои собственные самолеты и прекрасно знали, что один из самых продолжительных полетов с двигателем внутреннего сгорания выполняется двухтактным дизельным двигателем с оппозитными поршнями.

Лемке и Уолтон высоко оценили эффективность и мощность двигателя и сочли возможным снизить выбросы, поэтому в 2004 году они стали соучредителями Achates Power.

Не привыкать к возможностям, компания Achates Power в партнерстве с Aramco установила этот 2,7-литровый двухтактный двигатель с оппозитным поршнем на Ford F-150. Хотя двигатель может работать на дизельном топливе, Achates больше воодушевлен его способностями к воспламенению от сжатия бензина. Achates Power Семнадцать лет спустя их миссия продолжает стабильно расти, что в конечном итоге привлекло внимание дочерней компании Saudi Aramco в США, Aramco Services Company. В 2018 году они подписали партнерство по разработке серии двигателей с оппозитными поршнями.

Один 10,6-литровый двигатель Achates проходит испытания на стенде Aramco в Детройте, а другой — на стенде Achates в Сан-Диего. Peterbilt 579 в Дентоне, штат Техас, служил тестером для первой фазы 10,6-литрового двигателя. Выпуск 579 для Walmart в июле станет улучшенной второй фазой.

«Лучшие, более свежие результаты — снижение выбросов CO2 на 7% и сокращение NOx на 96% — это результат двигателя второй фазы, который имеет модернизированную воздушную систему», — пояснил Фромм.

Последняя версия также имеет усовершенствованную систему подачи воздуха за счет турбонагнетателя SuperTurbo и насоса Eaton EGR.Улучшения трения стали возможны благодаря компрессионным кольцам Tenneco DuroGlide, покрытию распылителем Oerlikon Metco и маслу с вязкостью 0W20.

Модель 10,6, предназначенная для использования в демонстрационном грузовике Walmart, рассчитана на 1674 фунта-фута. крутящий момент, но есть куда расти.

«Этот двигатель рассчитан на мощность около 400 лошадиных сил для этого проекта, но его возможности выше, — сказал Фабьен.

Хотя официальных показателей топливной эффективности еще нет, Фромм сказал, что количество миль на галлон «будет как минимум на 7% лучше, потому что именно такое снижение выбросов CO2 мы наблюдаем на динамометрическом стенде».»

10,6-литровый двигатель прикручен к обычной системе дополнительной обработки пола с SCR. Благодаря более экономичной конструкции с оппозитными поршнями, двигатель не требует клапанного механизма, что снижает сложность, а также снижает затраты на материалы и производство.

«Из анализа и исследований, которые мы провели на основе опубликованных данных, мы можем предположить, что базовая стоимость нового двигателя с оппозитными поршнями будет примерно на 10 000 долларов меньше при уровне выбросов 2027 года по сравнению с решениями, в которых используется четырехтактный двигатель. для достижения такой производительности потребуется развернуть », — сказал Фабьен.

Согласно веб-сайту Achates, обычные четырехтактные дизели должны будут полагаться на более дорогие и сложные технологии, чтобы обеспечить выбросы в 2027 году, такие как отключение цилиндров, двухзонный SCR и 48-вольтовые электрические нагреватели.

«Стоимость зависит от сложности», — сказал Фабьен.

Achates, которая объединилась с Cummins для производства и испытаний 14,3-литрового бензинового двигателя, в настоящее время ищет дополнительных партнеров для производства 10,6-литрового двигателя. Ожидается, что двигатель появится на рынке к 2027 году.

«Мы хотим сплотить консорциум компаний и некоторых производителей двигателей», — сказал Ван Амбург. «Но нам нужно перейти на стадию быстрого пилотирования — перейти от демонстрационной стадии к пилотной».

Оппозиционно-поршневой двигатель Ахатеса может вернуть больше мощности за счет меньшего количества топлива

Если вы откроете капот своего автомобиля и выдернете пластиковую крышку под ним, вы увидите красивую часть ошеломляющей инженерии: внутреннее сгорание двигатель. Сегодняшние двигатели используют около 100 взрывов топлива и кислорода каждую секунду, генерируя огромную мощность с минимальными выбросами.

Это здорово, но ужесточение стандартов загрязнения окружающей среды во всем мире означает, что автомобили должны становиться все более эффективными. Электромобили предлагают один путь вперед, но они остаются дорогими и ограниченными опасениями по поводу дальности полета — опасениями, часто необоснованными, что вы попадете на мель с разряженной батареей. Внутреннее сгорание никуда не денется в ближайшее время, с такими усовершенствованиями, как турбокомпрессоры, прямой впрыск и регулируемые фазы газораспределения, позволяющие выжимать больше миль из каждого галлона.

Achates Power из Сан-Диего считает, что у нее есть лучший способ: отказаться от конструкции, которая доминировала в конструкции двигателей в течение последних 130 лет, в пользу идеи, от которой отказались в 1940-х годах, и увидеть 30-процентное повышение эффективности.

Большинство автомобильных двигателей, от одноцилиндрового агрегата мощностью в одну лошадиную силу, созданного Карлом Бенцем в 1885 году до 16-цилиндрового «зверя» мощностью 1500 лошадиных сил в Bugatti Chiron, имеют четырехтактную поршневую конструкцию. Это относительно простая идея: поршень в цилиндре втягивает воздух и добавляет топливо во время такта впуска. Такт сжатия сжимает эту смесь и вызывает искру, создавая взрыв, который опускает поршень, генерируя мощность во время рабочего такта. Затем цилиндр поднимается во время такта выпуска, удаляя отработанные газы.Цикл повторяется тысячи раз каждую минуту.

Ахатес хочет выбросить это из головы в пользу двигателя с оппозитными поршнями. Эта установка использует два поршня в каждом цилиндре. Воспламенение топлива и воздуха вызывает взрыв, который разводит поршни в стороны, генерируя энергию. Такие двигатели проще, потому что в них не используются клапаны или распредвалы. Они нашли применение в локомотивах и военных транспортных средствах, пока инженеры не отказались от них в 1940-х годах из-за сложности обеспечения их чистой и эффективной работы.Ахат считает, что эта проблема решена. Мы нанесли визит, чтобы узнать, как — посмотрите видео выше, чтобы узнать, что мы узнали.

Двигатель с оппозитными поршнями — обзор

3.2.1 Обзор существующих механизмов реализации цикла Аткинсона

В таблице 1 обобщены существующие меры и механизмы для реализации цикла Аткинсона, показанные на рис. 4. Механизм 1 для тип ① — это первый практический ACE, выполненный в виде оппозитно-поршневого двигателя, дифференциального двигателя Аткинсона [1].Как показано на рис. 5 (a), один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через рычажный механизм с коленчатым рычагом, который имел нелинейность. В течение половины оборота один поршень оставался почти неподвижным, в то время как другой приблизился к нему и вернулся. Затем, для следующей половины оборота, поршни меняли, какой поршень был почти неподвижен, а какой поршень подходил и возвращался [46]. Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивает такт сжатия и рабочий ход, а другой поршень обеспечивает такт выпуска и ход нагнетания.

Таблица 1. Обзор и сравнение механических реализаций цикла Аткинсона.

Тип	Механизмы	Преимущества	Недостатки
①	1. Оригинальная конструкция поршня и механической связи [1,46,72]	Стационарная степень сжатия до расширения для управления	1. Максимально сложный, не компактный; значительные потери на трение; 2. Неизменная длина хода впуска при различных нагрузках; 3.Не подходит для массового производства
	2. Многорычажный механизм [73–77]	1. Простой, компактный, подходит для массового производства; 2. Допустимые потери на трение	1. Больше кинетических компонентов и сложности; не подходит для быстроходных двигателей; 2. Трудно отрегулировать длину такта впуска
	3. Механизм планетарной передачи [49]	1. Простой, компактный; 2. Большой потенциал для массового производства	1. Повышенная сложность и стоимость; 2. Невозможно отрегулировать длину такта впуска при различных нагрузках двигателя

②	1.Распределительный вал впускных клапанов с задержкой или опережением вручную [78–80]	Простая, низкая стоимость, достигается на основе двигателя с циклом Отто (или дизельного двигателя)	1. Неизменные фазы газораспределения; 2. Меньшее повышение эффективности при частичной нагрузке; 3. Потери мощности WOT
②	2. VVT [81–86]	1. Простой; 2. Простота управления; 3. Серийное производство	1. Дополнительная составляющая и стоимость; 2. Дополнительное время калибровки

③	1. Отрегулируйте распредвал вручную + увеличенный GCR [51,87–90]	1.Простая, невысокая стоимость; 2. Простота реализации за счет увеличения высоты верхней части поршня	1. Стационарная синхронизация клапанов; 2. Пониженная удельная мощность; 3. Не оптимален для разных условий эксплуатации двигателя
	2. VVT + увеличенный ГКЛ [18,48,91,92]	1. Простая, низкая стоимость; 2. Лучшая производительность при разных нагрузках; 3. Наиболее часто используемые	1. Пониженная удельная мощность; 2. Дополнительные затраты и время
	3. VVT + VCR [70,77,93–95]	Оптимальная производительность	1.Сложный, дорогой; 2. Плохой динамический отклик для видеомагнитофона; 3. Множество нерешенных проблем

Рис. 5. Патентный чертеж оригинального двигателя Аткинсона [1,46,72].

Более поздняя версия, также разработанная Джеймсом Аткинсоном в 1887 году, является одной из наиболее известных структур ACE, как показано на рис. 5 (b) [46,72]. Поршень не связан напрямую с коленчатым валом, а соединен уникальной механической связью. Таким образом, двигатель может выполнять более длинные такты расширения и выпуска, чем такты впуска и сжатия.Степень расширения примерно в 1,78 раза больше степени сжатия. Достигается более высокий тепловой КПД, а более короткий ход сжатия снижает степень сжатия и предотвращает детонацию.

С тех пор были исследованы и разработаны некоторые другие новые многорычажные механические системы для реализации расширенного цикла Аткинсона [73–77].

Механизм, показанный на рис. 6, состоит из четырехзвенного механизма, который соединяет поршень с коленчатым валом через качающийся элемент, расположенный на противоположной стороне цилиндра относительно коленчатого вала.Качающийся элемент опирается на эксцентриковый вал, который вращается со скоростью, равной половине скорости коленчатого вала, в том же направлении и приводится в движение коленчатым валом. Качающийся элемент, эксцентриковый вал и коленчатый вал совместно воздействуют на движение поршня и вызывают более короткий ход впуска и сжатия, чем длинный ход расширения и выпуска. Механизм фазирования между коленчатым валом и эксцентриковым валом допускает относительное угловое движение между ними. Это относительное движение изменяет положение поршня в ВМТ и, таким образом, изменяет объем камеры сгорания, позволяя непрерывно изменять степень сжатия.Этот механизм можно использовать для повышения эффективности использования топлива при частичной нагрузке, а также для повышения выходной мощности. Этот механизм реализует цикл чрезмерного расширения, как в типе, но также изменяет CR, регулируя объем камеры сгорания, как в типе.

Рис. 6. Механизм для регулирования степени сжатия и хода [77].

Многорычажная механическая система, показанная на рис. 7, была разработана для Honda EXlink (двигатель с удлиненным рычажным механизмом), как первый в мире серийно производимый многорычажный двигатель ACE.Многорычажная система в основном состоит из треугольного звена, поворотной штанги, эксцентрикового вала, шатуна и коленчатого вала. В двигателе EXlink треугольное звено расположено между шатуном и коленчатым валом. Треугольное звено соединено с эксцентриковым валом через поворотный стержень, чтобы выполнить расширенный механизм рычажного механизма расширения. Эксцентриковый вал, приводимый в движение коленчатым валом, вращается на половине частоты вращения коленчатого вала в том же направлении. Этот многорычажный механизм позволяет увеличивать ход поршня для расширения / выпуска и сокращать для впуска / сжатия за цикл.Таким образом, цикл типа ① Аткинсона может быть реализован в более простой и компактной конструкции, чем исходный цикл на рис. 5. Степень расширения примерно в 1,5 раза больше степени сжатия. Стоит отметить, что два многозвенных механизма на рис. 6 и 7 аналогичны в реализации цикла Аткинсона, за исключением того, что механизм фазирования на фиг. 6 позволяет регулировку CR.

Рис. 7. Многорычажная система EXlink и движение поршня [73–75].

Показанная на рис. 8 концепция кривошипно-шатунного механизма, реализованная посредством планетарного зубчатого механизма, была исследована как эффективная мера для реализации цикла Аткинсона (тип ①) [49,96].Из-за определенных передаточных чисел солнечного колеса (коленчатого вала), планетарного колеса (расширителя) и кольцевой шестерни могло быть создано движение поршня для цикла Аткинсона. Движение поршня цикла Аткинсона основано на наложении двух движений расширителя и коленчатого вала. В результате мертвый объем остается неизменным, и достигается почти в два раза больший ход расширения, чем ход сжатия. Таким образом, давление в цилиндре в конце такта расширения, равное барометрическому давлению, может быть реализовано для полного извлечения рабочего потенциала газов в цилиндрах.Сообщалось об отрицательном эффекте этого цикла Аткинсона с высокими потерями при газообмене [49]. Причиной может быть более низкое давление газа в конце расширения, которое исключает процесс свободного выхлопа и приводит к увеличению насосных потерь выхлопных газов.

Рис. 8. Движение поршня и принципиальная схема концепции цикла Аткинсона IVT [49].

Циклы Аткинсона или Миллера для типа намного проще реализовать, чем для типа. Это может быть реализовано с помощью LIVC (или EIVC) на основе базового двигателя с циклом Отто (или дизельного двигателя).Ряд дискретных таймингов LIVC может быть выполнен путем ручного торможения распределительного вала или изготовления некоторых распределительных валов с различными профилями кулачков [80], как показано на рис. 9 (a). Постоянно изменяемые тайминги LIVC могут быть реализованы с помощью механизма VVT. Технология VVT широко используется в бензиновых двигателях [81–85,97,98], что делает ее особенно простой реализацией цикла чрезмерного расширения. Этот тип ACE или MCE на самом деле является модифицированным двигателем с циклом Отто (или дизельным). С механизмом VVT, LIVC может выполняться, удерживая впускные клапаны открытыми дольше, чем в нормальных условиях, во время такта сжатия, показанного на рис.10. Таким образом, степень расширения, близкая или равная GCR, больше, чем ECR. Недостатком является то, что обратный процесс снижает удельную мощность двигателя [48,78,79,91].

Рис. 9. Цикл Аткинсона или Миллера, реализуемый LIVC (EIVC) + увеличенный GCR [51].

Рис. 10. Сравнение цикла Отто и цикла сверхрасширения, реализованного с помощью VVT [78].

Для EIVC, показанного на рис. 9 (a), впускные клапаны закрываются очень рано в такте впуска. Затем поршни продолжают двигаться в направлении НМТ, вызывая процесс внутреннего охлаждения.После НМТ поршни движутся вверх, сжимая заряды в цилиндрах. Расширение и последующее сжатие обратно до объема, при котором впускные клапаны закрыты, относительно без энергии, потому что оба процесса почти изоэнтропичны при таких низких температурах [99]. Таким образом, эффективный ход расширения длиннее, чем эффективный ход впуска и сжатия, и позволяет эквивалентно реализовать цикл чрезмерного расширения. Стратегия EIVC первоначально использовалась в дизельных двигателях для реализации цикла Миллера [56].Однако исследования и приложения для LIVC, очевидно, больше, чем EIVC. Одна из основных причин заключается в том, что EIVC приведет к значительным потерям мощности WOT, особенно в диапазоне высоких скоростей [25,51]. Более высокое давление наддува на впуске необходимо для компенсации больших потерь мощности для EIVC [100]. КПД выше для EIVC из-за более низкой работы сжатия по сравнению с LIVC, когда происходит обратный поток во впускной коллектор [100,101].

При частичной нагрузке тип ② может снизить насосные потери и улучшить топливную экономичность.Однако улучшение меньше из-за снижения ECR и той же степени расширения, что и для базового цикла Отто. Первоначальной целью двигателя SI с циклом Аткинсона является увеличенная степень расширения для повышения теплового КПД при поддержании нормального ECR для предотвращения детонации [46]. Степень расширения может быть увеличена за счет удлинения хода расширения (тип ①) или уменьшения мертвого объема, тип.

Для типа наиболее часто применяемой технической мерой является механическая реализация VVT + увеличенный ГКЛ [18,48,91–93,102].Объем камеры сгорания уменьшается за счет изменения геометрии верхней части поршня для увеличения степени расширения, в то время как нормальный ECR поддерживается на основе LIVC. Как показано на рис. 9 (b), серия поршней с различным ГКЛ была изготовлена из поршня оригинального дизельного двигателя. Эти поршни использовались для проверки характеристик различных двигателей SI с циклом Миллера. Однако эти поршни не идеальны для двигателей SI. На рис. 11 показано, как поршень бензинового ACE с PFI изготавливается из поршня двигателя с циклом Отто.GCR увеличился с 10,6: 1 до 12,5: 1 за счет увеличения высоты верхней части поршня. Для ACE с GDI, помимо увеличения высоты верхней части поршня, форма днища поршня должна быть одновременно оптимизирована для ускорения сгорания и уменьшения потерь тепла [92].

Рис. 11. Головки поршней базового цикла Отто и ACE.

Метод с использованием VVT + VCR может обеспечить оптимальную производительность во всем диапазоне скорости и нагрузки. Как показано на рис. 12, объем камеры сгорания можно непрерывно регулировать, изменяя положение внешнего поршня относительно внутреннего поршня, что реализуется путем регулирования давления масла в верхней и нижней масляных камерах.Таким образом, ECR может оставаться неизменным, даже если выполняется значительный LIVC, и степень расширения может быть оптимальным значением при любых рабочих условиях.

Рис. 12. Цикл Аткинсона, реализованный VVT + VCR [90].

Achates Power | arpa-e.energy.gov

Разработка 4-тактного оппозитно-поршневого двигателя с искровым зажиганием

Целью этого проекта была разработка недорогого четырехтактного бензинового двигателя OP путем соединения двух одноцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания с боковыми клапанами на блоке, снятием головок.Выбранный двигатель — модель EY15 фирмы Robin America. Соединение этих двух блоков цилиндров позволило создать двигатель с оппозитными поршнями (OPE) с двумя коленчатыми валами. В этом новом двигателе камера сгорания ограничена пространством внутри цилиндра между головками поршней и камерой между клапанами. Поршни движутся по оси цилиндра в противоположных направлениях, что характерно для двигателей с оппозитными поршнями. После сборки двигателя параметры, характерные для OPE, такие как частота вращения, крутящий момент, расход топлива и выбросы, были измерены на динамометре для измерения вихревых токов.На основании собранных данных были рассчитаны мощность, удельный расход и общий КПД, что позволило сделать вывод о том, что двигатель с оппозитно-поршневой конфигурацией дешевле и более мощный. Разработка двигателя с оппозитными поршнями в этом проекте показала, что возможно построить один двигатель из другого, уже используемого, что снизит затраты на производство и разработку. Кроме того, можно получить более высокую мощность при более высоком удельном расходе топлива и меньшей вибрации.

1 Введение

В начале разработки этой конструкции двигателя с противоположным поршнем было обнаружено, что есть основания для дальнейших исследований в этой области. Противоположные поршневые двигатели успешно использовались почти во всех гражданских и военных областях, где они установили рекорды низкого потребления и высокой удельной мощности, которые сохраняются и спустя много лет, несмотря на несомненный прогресс в этой области [1]. Однако возникли два основных препятствия: первое связано с ограничениями, налагаемыми на выбросы двигателей внутреннего сгорания (двухтактные двигатели с противоположными поршнями значительно превышают действующие законодательные ограничения, что в течение некоторого времени привело к незначительной заинтересованности в его разработке. [2]), а второй обусловлен текущим экономическим кризисом и временами жесткой экономии, навязанной международной ситуацией (создающей трудности в инвестировании в исследования двигателей этого типа).После анализа потенциала двигателей этого типа было решено преодолеть два основных препятствия. Было принято решение разработать двигатель внутреннего сгорания, четырехтактный, с искровым зажиганием, с противоположными поршнями. Поскольку были доступны ограниченные материальные ресурсы, было решено разработать одноцилиндровый двигатель с несколько устаревшей технологией, поскольку цели были: показать жизнеспособность двигателя, сделать возможным открытие возможных путей развития этого типа двигателей и попытаться найти ответ на вопрос «почему поршневые двигатели внутреннего сгорания с четырехтактным искровым зажиганием были вытеснены по характеристикам традиционными двигателями?».Желательно, чтобы разработка была сосредоточена на легком и компактном двигателе, который будет использоваться в некоторых авиационных приложениях для замены доминирующих на рынке оппозитных двигателей мощностью до 8 кВт (что подразумевает двухтактный двигатель). Однако выбросы привели к тому, что выбор пал на двигатель с 4-тактным циклом вместо 2-тактного, хотя это сделало бы его тяжелее и менее компактным, чем было бы желательно для авиационного применения. Тем не менее, во время Второй мировой войны большинство поршневых двигателей были 4-тактными [3], и с точки зрения удельной мощности они достигли значений, которые до сих пор трудно сопоставить.Этот выбор также обеспечивает совместимость с широко известными системами очистки газовых стоков.

2 Предшественники

Противоположные поршневые двигатели, которые легли в основу этого альтернативного четырехтактного альтернативного поршневого двигателя с искровым зажиганием и оказали наибольшее влияние на его развитие, были: четырехтактный двигатель Gobron Brillié с искровым зажиганием (успешно использовался в автомобилях в начале двадцатого века ) и двухтактный двигатель Junkers Jumo 205 с воспламенением от сжатия (который, возможно, был самым успешным поршневым двигателем оппозиции, использовавшимся в авиации до конца Второй мировой войны в гражданских и военных целях).Этот последний двигатель вдохновил в 30-х, 40-х и даже 50-х годах 20 века на разработку двигателей этого типа по обе стороны Атлантики от бывшего Советского Союза до Соединенных Штатов Америки почти для всех видов применения. В ходе исследования двигателей с противоположным расположением поршней было обнаружено, что с тех пор, как двухтактные дизельные двигатели с противоположным расположением поршней начали пользоваться успехом, четырехтактные поршневые двигатели с оппозитным зажиганием, которые в начале 20 века успешно применялись в производство автомобилей (в частности, французского автомобиля Gobron-Brillié) прекращено.Автомобиль этой марки стал первым автомобилем, преодолевшим мифическую отметку 100 миль в час [4]. Двигатель Gobron-Brillié представлял собой двухцилиндровый четырехпоршневой двигатель с одним коленчатым валом. Два поршня классическим образом соединялись с коленчатым валом шатуном, а два других находились наверху цилиндров. Два последних были соединены перемычкой, соединенной с коленчатым валом двумя очень длинными боковыми шатунами, передающими движение двух верхних поршневых штоков на коленчатый вал.Похоже, что этот двигатель был вдохновлен противоположным поршневым двигателем, приписываемым Wittig 1878 [2], одним из первых успешных противоположных поршневых двигателей и двигателем Robson 1890, работающим аналогичным образом. Между прочим, эти два первых двигателя с противоположными поршнями работали по 4-тактному циклу с впускным и выпускным отверстиями, расположенными в камере сгорания. Двигатель Junkers Jumo 205, разработанный в Германии в 1930-х годах, имел легкую, компактную конфигурацию с двумя кривошипами и работал с двухтактным воспламенением от сжатия.Этот двигатель оказал значительное влияние на гражданское и военное авиационное применение, так что он производился по лицензии несколькими производителями для гражданского применения. Это был единственный двухтактный дизельный двигатель, который регулярно использовался в авиации и производился в больших количествах [5]. Даже сегодня он продолжает считаться наиболее эффективным поршневым двигателем, используемым в авиации [1]. Следует отметить, что с 1910 года двигатели с конфигурацией с двумя коленчатыми валами стали более широко использоваться, поскольку они позволяли значительно более компактные рядные конструкции, чем конфигурации с одним коленчатым валом.Этот тип конфигурации затем использовался большинством производителей, что продемонстрировало семейство двигателей Junkers Jumo, Fairbanks Morse 38D, Rolls Royce K60, Leyland L60, Climax Coventry h40 и Харьков Морозов 6TD, в широком диапазоне. областей применения.

3 Краткое описание происхождения двигателя

После этого начального этапа исследований была рассмотрена гипотеза построения двигателя из противоположных поршней с двумя коленчатыми валами. Тем не менее, было сочтено более подходящим выбрать 4-тактный двигатель с циклом Отто вместо 2-тактного дизельного двигателя, который мог бы работать от более чем одного топлива при минимально возможных затратах.Для этого была рассмотрена возможность сконструировать двигатель с противоположными поршнями из другого, уже существующего, уменьшив таким образом стоимость производства [6]. Был выбран бензиновый или керосиновый двигатель с боковым клапаном марки Robin America, модель EY15, или водяной насос, см. Рис. 1, даже если он имел несколько устаревшую конфигурацию.

Рисунок 1

Внешний вид и схематическое изображение двигателя [7].

4 Характеристики исходного двигателя

В своей первоначальной конфигурации двигатель Robin America, Inc. модели EY15 работает как обычный 4-тактный бензиновый двигатель Otto. Рабочее положение — вертикальное, с рабочим объемом 143 куб. См и максимальной мощностью 3,5 л.с. при 4000 об / мин, питание от карбюратора, с боковыми клапанами в блоке, смазкой разбрызгиванием и зажиганием от транзисторного магнето.

5 Разработка оппозитно-поршневого двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, разработанный в ходе этой работы, на основе соединения двух блоков двигателя Robin EY15, работает в соответствии с 4-тактным циклом с искровым зажиганием.Он имеет рабочий объем 286 куб. См и развивает максимальную мощность 7,3 л.с. при 4000 об / мин. Была принята конфигурация с двойным коленчатым валом, аналогичная двигателю Junkers Jumo 205, но работающая в горизонтальном положении. Синхронизация распределения и передачи мощности обеспечивалась зубчатой передачей, состоящей из четырех зубчатых колес с правыми зубьями (модуль 1,5 мм, две центральные шестерни по 65 зубьев и два приводных вала с 56 зубьями). Двигатель работает на бензине и оснащен двумя оригинальными карбюраторами модели EY15, расположенными с обеих сторон двигателя.Система смазки разбрызгиванием и зажигание от магнето с промежуточным хранением также остались от оригинального двигателя. В центральной части цилиндра находится камера сгорания объемом 60 куб. См, состоящая из пространства между верхними мертвыми точками обоих поршней и боковой камерой, в которой расположены впускной и выпускной клапаны и свеча зажигания (аналогично той, что случилось с двигателем Gobron Brillié). Первый шаг в конструкции двигателя с противоположным поршнем заключался в снятии головок двух Robin EY15, чтобы два блока можно было соединить вместе в области прокладки головки.Это соединение позволяет обоим поршням располагаться лицом к лицу и двигаться в противоположных направлениях. В этой конфигурации ось одного цилиндра выровнена с осью другого цилиндра, так что два цилиндра в сборе функционируют как один цилиндр, с одним блоком выпускного клапана перед впускным клапаном другого, в пространстве между два блока двигателя. Это позволило уменьшить пространство камеры сгорания, поскольку открытие впускного клапана и закрытие выпускного клапана происходит почти одновременно.Чтобы двигатель работал в этой конфигурации, необходимо решить некоторые проблемы. Во-первых, размещение свечи зажигания (одна из самых больших технических трудностей), во-вторых, пространство между двумя блоками вызывало некоторые вопросы (значение степени сжатия), в-третьих, как соединить два двигателя, чтобы оси цилиндров оставались идеальными. выровнены с камерой сгорания, и, в-четвертых (возможно, самый сложный), как организовать их синхронизацию (чтобы поршни двигались в противоположных направлениях, в то время как система распределения позволяла одновременно открывать оба впускных клапана и, следовательно, одновременное движение оба выпускных клапана).Система синхронизации также должна гарантировать, что коленчатые валы сохраняют свое первоначальное направление вращения и поддерживают передачу мощности от двух коленчатых валов. Наконец, необходимо было снова поставить карбюраторы в вертикальное положение, с впускным каналом в горизонтальном положении и расположить так, чтобы управлять двумя карбюраторами одновременно с помощью одной и той же команды, отказавшись от исходного регулятора скорости. Свеча зажигания, первоначально установленная на головке двигателя, была установлена в одном из блоков двигателя в пространстве между седлом клапана и цилиндром, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2

Свеча зажигания в сборе, вид сбоку и сверху.

Поскольку пространство для размещения свечи зажигания было очень маленьким, была использована свеча зажигания меньшего диаметра, чтобы она могла помещаться между цилиндром и клапанами, не создавая помех другим компонентам двигателя. Чтобы гарантировать необходимое пространство для открытия клапанов (без ущерба для степени сжатия и обеспечения газообмена в центральной зоне цилиндра), алюминиевая прокладка, должным образом выпрямленная на параллельных поверхностях, с 5.Между двумя блоками двигателя разместили толщину 3 мм. Сохранились прокладки оригинальной головки, толщина которых составляла 1,5 мм. Эти прокладки сохраняли исходное положение, помещая между ними алюминиевую прокладку. Высота камеры сгорания составляла 8,3 мм. Чтобы обеспечить выравнивание цилиндров по общей оси двух блоков цилиндров, три направляющих были размещены в исходном отверстии под болты M8, которыми была затянута исходная головка (см. Рисунок 3). На основании блоков изготовлены две опоры из конструкционной стали и сварены МИГ.Когда блоки были выровнены, были использованы 6 стержней из нержавеющей стали (AISI 304L) диаметром 10 мм с резьбой M10 для обеспечения соединения двух мотоблоков, как показано на фотографии на Рисунке 3.

Рисунок 3

Деталь алюминиевой проставки, прокладки головки двигателя и направляющих штуцеров.

Зубчатая передача, состоящая из 4 прямозубых шестерен с модулем 1,5 мм, использовалась для синхронизации двух коленчатых валов. Звездочки, используемые в обоих приводных валах, имеют 56 зубьев, а две промежуточные шестерни имеют 65 зубьев.Четырехзвездочная зубчатая передача позволяет поршню одного коленчатого вала перемещаться в направлении, противоположном поршню другого, гарантируя, что распределение перемещается в нужное время как впускной, так и выпускной клапаны, и что оба коленчатых вала сохраняют направление вращения оригинальный двигатель. Для этой зубчатой передачи были выбраны зубчатые колеса с правыми зубьями, как в случае двигателя Junkers Jumo 205, чтобы обеспечить передачу мощности на карданный вал, не вызывая осевых нагрузок на коленчатые валы, размер которых не рассчитан для этого.Для крепления промежуточных валов использовалась стальная пластина, прикрепленная к блоку с помощью восьми болтов М8, что также помогает удерживать блоки вместе. Затем эта стальная пластина была усилена L-образной заслонкой, на которую была вкручена прозрачная крышка из полиэтилентерефталата, чтобы уменьшить шум шестерен и предотвратить разбрызгивание смазки, используемой в шестернях. Следует отметить, что затем часть этой крышки была разрезана, чтобы позволить передавать мощность на приводной вал в верхнем правом углу, как показано на рисунке 4.Чтобы установить карбюраторы вертикально, был построен канал из нержавеющей стали с внутренним диаметром 20 мм (немного меньше диаметра впускного коллектора). Воздуховод имеет изгиб под углом 90 ° и горизонтальную трубку достаточной длины, чтобы установить карбюратор в вертикальное положение, не вызывая каких-либо неудобств и не подвергаясь воздействию потока горячего воздуха из системы охлаждения двигателя или выпускного коллектора. Карбюраторы располагались по обе стороны от двигателя. Чтобы управлять обоими карбюраторами одновременно и одной командой, было решено использовать систему, состоящую из стального троса, тяги, соединенной со стальным тросом, троса, шкива и ручки переключения передач велосипеда.

Рисунок 4

Окончательное позиционирование ВОМ поршневого двигателя для данной конструкции.

6 Опытная установка

Экспериментальная установка состоит из испытательного стенда двигателя марки STEM-ISI Impianti, модель TD340, оборудованного вихретоковым тормозом Borghi и Saveri, модели FE 150 и аналоговым контроллером Borghi и Saveri, модель A03, STEM-ISI. (1992), инфракрасный газоанализатор от Tecnotest, модель MULTIGAS 488, для бензиновых двигателей, выхлопная система, дополнительный вентилятор охлаждения и система учета расхода топлива (состоящая из калиброванного топливного бака, топливного бака, цифровой электронной шкалы с разрешение 0.01 г и цифровой таймер с разрешением 0,01 с). На рисунке 5 показан двигатель OP на динамометрическом испытательном стенде, установка и все оборудование.

Рисунок 5

Обзор динамометрического испытательного стенда и встречного поршневого двигателя.

7 Характерные параметры двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Обзор характерных параметров поршневых двигателей внутреннего сгорания будет использован для поддержки презентации и обсуждения экспериментальных результатов.Крутящий момент, мощность и общие характеристики — три наиболее важных характеристических параметра любого двигателя внутреннего сгорания. Эффективная тормозная мощность (в кВт) определяется уравнением (1).

(1) W ˙ б знак равно B 2 π п 60 10 — 3

Где B — крутящий момент, а n — частота вращения двигателя в оборотах в минуту.Расход топлива или массовый расход топлива определяется уравнением (2)

(2) м ˙ ж знак равно м ж Δ т

Где: ṁ _f — масса топлива, а Δt — временной интервал. Общий КПД определяется соотношением между эффективной тормозной мощностью и тепловой мощностью, подаваемой на двигатель, выраженной в уравнении (3).В свою очередь, тепловая мощность определяется произведением массового расхода топлива на меньшую теплотворную способность того же топлива.

(3) η грамм знак равно W ˙ б м ˙ ж ЧАС V

Где: Ẇ _b — эффективная мощность тормоза, ṁ _f — массовый расход топлива и HV — нижняя теплотворная способность топлива.В данном случае в качестве топлива используется бензин. Для расчетов было принято значение 44000 кДж / кг для бензина с низкой теплотворной способностью [8].

В свою очередь, удельный расход топлива C _SF определяется уравнением (4). Этот параметр связывает расход топлива с эффективной тормозной мощностью и позволяет получить хороший срок сравнения между двигателями.

(4) C s ж знак равно м ˙ ж W ˙ б

В технической литературе удельный расход топлива обычно выражается в г / кВтч.Соответственно, уравнение 4 было переформулировано, как представлено в уравнении (5).

(5) C s ж знак равно м ˙ ж час W ˙ б

Где: ṁ _fh — массовый расход (г / ч).

Расход топлива (в час) или массовый расход топлива в г / ч определяется уравнением (6).

(6) м ˙ ж час знак равно м ж Δ т 3600

Объемный КПД η _V , уравнение (7) [9], связывает количество воздуха, фактически вводимого в цилиндр за цикл, с теоретической емкостью заполнения цилиндра в том же цикле.Это один из наиболее важных параметров при характеристике и моделировании четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

(7) η V знак равно м а м а т знак равно м а ρ а я V d

Где: м _a — масса, которая фактически входит в цилиндр в каждом цикле, м _при — масса, которая теоретически заполняет цилиндр, ρai , плотность воздуха (или смеси ) при атмосферных условиях и V _d , вытесненный объем.Теоретически масса свежего заряда в каждом цикле должна быть равна произведению плотности воздуха (или смеси), оцениваемой в атмосферных условиях вне двигателя, на смещение, , то есть , объем, вытесняемый поршнем. . Однако из-за сокращения времени, доступного для впуска и потерь нагрузки из-за существующих ограничений потока, только меньшее количество от теоретического количества свежего заряда, поступающего в цилиндр при атмосферных условиях [10], в конечном итоге попадает в цилиндр.Значение объемного КПД зависит от нескольких переменных двигателя, таких как частота вращения двигателя, давление во впускном и выпускном коллекторах и геометрия системы [11]. В этом случае уравнение (8) представлено как отношение между фактически допустимым расходом в цилиндре и массовым расходом, который теоретически допустим для этой скорости вращения.

(8) η V знак равно η р м ˙ а ρ а я V d η

Где: η _R представляет количество оборотов за цикл, а ṁ _a массовый расход, который фактически входит в цилиндр.На практике значение объемного КПД получается из типа цикла, крутящего момента, отношения количества топлива к воздуху, плотности воздуха, вытесненного объема, общего КПД и более низкой теплотворной способности топлива, как показано в уравнении (9), которое является результатом комбинация уравнений (1) и (4), среди прочего.

(9) η V знак равно η р 60 м ˙ ж А F ρ а я V d η

Где: AF представляет соотношение топлива и воздуха с учетом значения 14.7. Соотношение топливо-воздух ( AF ), уравнение (10), связывает массу воздуха с массой топлива m _f . Эти отношения также могут быть представлены как отношения между массовыми расходами.

(10) А F знак равно м а м ж знак равно м ˙ а м ˙ ж

8 Представление результатов

Данные, относящиеся к частоте вращения двигателя (об / мин), крутящему моменту (Н.м), масса израсходованного топлива (г) и время (с) расхода топлива, собранные во время динамометрических испытаний при полной нагрузке двигателя, в сочетании с предыдущими уравнениями, позволяют представить результаты (Рисунок 6). Этот график является результатом наложения двух графиков, первый, где представлена мощность, а второй, где представлены мощность и удельное потребление. На обоих графиках по горизонтальной оси отложена скорость вращения двигателя (об / мин). Вертикальная ось слева соответствует тормозной мощности (кВт), правая ось — значениям тормозного момента (Н.м). В нижней части правой оси можно прочитать значения удельного расхода тормоза (г / кВтч). Оранжевые точки представляют собой результаты эффективной тормозной мощности, синие точки — данные крутящего момента, а удельное потребление отображается красным внизу. Соответствующие строки являются результатом полиномиальной интерполяции второго порядка, выполненной в программе Excel. Кривые следуют ожидаемой тенденции, однако следует отметить, что снижение крутящего момента с 2400 об / мин до 2800 больше не проверяется на 3200 и 3600.Фактически, только на 4000 об / мин снова замечается снижение крутящего момента. Значения, полученные при 2800 об / мин, кажутся необычными даже для удельного расхода, который представляет собой значения выше, чем значения тестов на более близкой скорости.

Рисунок 6

Характеристики двигателя.

На графике на Рисунке 7 можно увидеть результаты глобальной эффективности и ее полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенную в Excel.На этом графике показана потеря эффективности при 2800 об / мин, при этом наилучший общий выход будет выявлен в следующем тесте при 3200 об / мин.

Рисунок 7

Общая характеристика двигателя.

График на Рисунке 8 показывает результаты объемного КПД и его полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенные в Excel. Можно заметить, что кривая тенденции показывает небольшое снижение от значения 1600 об / мин до значения 2800 об / мин, от которого кажется почти незаметное снижение.Если выбрать линейную линию тренда, разница будет практически незначительной.

Рисунок 8

Кривая объемного КПД как функция скорости вращения.

9 Выводы

Разработка встречно-поршневого двигателя в результате соединения двух идентичных двигателей показала, что возможно построить один двигатель из существующего, тем самым снизив затраты на его производство и разработку.Кроме того, OPE обеспечивает более высокую мощность, лучшее удельное потребление и более высокую пропускную способность. Результаты разработки этого двигателя с противоположными поршнями также позволили идентифицировать области, в которых этот двигатель превзошел и где может быть широкий диапазон возможностей развития при исследовании этого типа двигателей, а именно в улучшении сгорания. условия. Среди различных возможностей — модернизация системы управления и питания двигателя с использованием электронного управления зажиганием, непосредственного впрыска топлива, наддува и строительства более компактной камеры сгорания, способствующей усилению турбулентного движения после воспламенения смеси. .

Настоящее исследование частично финансировалось Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) в рамках проекта UID / EMS / 00151/2013 C-MAST, со ссылкой на POCI-01-0145-FEDER-007718.

Список литературы

[1] Бройо Ф., Сантос А., Грегорио Дж. (30 июня — 2 июля 2010 г.). Вычислительный анализ продувки двухтактного дизельного двигателя с оппозитными поршнями. Процедуры всемирных инженерных конгрессов 2010 Том II, WCE 2010, (Лондон, Соединенное Королевство): 1448-1453. Искать в Google Scholar

[2] Pirault J-P., Флинт М. (2009). Противоположные поршневые двигатели: эволюция, использование и будущее применение, Warrendale: SAE International. Искать в Google Scholar

[3] Fernandes A. (2008). Compêndio de Motores Alternativos, Centro de Formação Militar e Técnica, Португалия: Força Aérea Portuguesa, Ministério da Defesa Nacional. Искать в Google Scholar

[4] The Autocar. Справочник Autocar, Справочник по автомобилю (9-е издание), Лондон: Илифф и сыновья. Искать в Google Scholar

[5] Gonçalves R.(2014). 3D CFD-моделирование четырехтактного оппозитно-поршневого двигателя с холодным потоком (кандидатская диссертация). Ковильян: Universidade da Beira Interior. Ищите в Google Scholar

[6] Алвес, Ф. (2011), Rendimento volumétrico de ummotor de hist opostos a quatro tempos (магистерская диссертация). Ковильян: Университет внутренних дел Бейры. Искать в Google Scholar

[7] Service Manual EY15-3, EY20-3 Engines (2001), Robin America, Inc. Искать в Google Scholar

[8] Martins J., Motores de Combustão Interna (2005), Porto : Publindustria.Ищите в Google Scholar

[9] Хейвуд Дж., Основы внутреннего сгорания (1988), Нью-Йорк: McGraw-Hill International Editions. Искать в Google Scholar

[10] Пешич Р., Давинич А., Петкович С., Таранович Д., Милорадович Д. (2013). Аспекты измерения объемного КПД поршневых двигателей. Тепловые науки 17-1, 35-48. Искать в Google Scholar

[11] Николау Г., Скаттолини Р., Сивьеро К. (1996). Моделирование объемного КПД двигателей с интегральной схемой: параметрические, непараметрические и нейронные методы. Инженерная практика управления 4-10, 1405-1415. Искать в Google Scholar

Поступила: 13.03.2018

Принято: 09.07.2018

Опубликовано в сети: 03.