К вопросу о танковых двигателях. Часть 2

«…Эй, ямщик, поворачивай к черту!
Новой дорогой поедем домой!...»
Г.Сукачев. «Дорожная»

 В первй части , размещенной здесь, я попытался рассмотреть основные принципы работы и классификационные признаки тепловых двигателей вообще, и двигателей внутреннего сгорания в частности, поскольку в современном нам мире именно ДВС во всех его проявлениях является основой, «рабочей лошадкой» любой мобильной техники – от и до.

Соответственно, наличие на инженерном мобильном сооружении – не важно, танк ли это, автомобиль или что-то другое – более совершенного, чем у супостата, двигателя позволяет конструкторам получить преимущество в одном из решающих факторов простого с виду уравнения «вооружение/подвижность/защищенность».

В части 1. выведены несколько направлений, позволяющих в частности повысить агрегатную мощность поршневых ДВС. Это:
1 Увеличение рабочего объема двигателя.
2 Увеличение степени сжатия.
3 Уменьшение механических потерь.
4 Оптимизация процессов горения смеси.
5 Увеличение наполнения цилиндров.

Но поршневые ДВС – это не предел совершенства, хотя за многие десятилетия основы их конструирования вылизаны, поставлены на серьезнейшую научно-техническую основу и проверены опытом. Однако, поршневые двигатели практически достигли вершины своего совершенства, и дальнейшее их развитие уже не может дать того качественного, скачкообразного эффекта, который позволил бы получить решающее, качественное преимущество. Как классический пример, можно привести замену поршневых ДВС в авиации на двигатели реактивные, в конечном итоге изменившую лицо авиатехники кардинально и позволившую выйти на качественно новые уровни и горизонты развития. Казалось бы, с наземной техникой все должно быть еще проще – земля не воздух, нет такой категорической жесткости условий и требований, как в авиации.
Казалось бы…

По словам Аганова,статья которого и послужила своеобразным «детонатором» к этому материалу, «…Ведущими в этой области являются США и Германия. Большая работа по разработке и совершенствованию двигателей проводится и в Великобритании.». Что ж. Попробуем посмотреть внимательно.

В настоящее время реально существуют несколько типов ДВС, могущих составлять друг другу конкуренцию – это:
Классические ДВС - это все разновидности кривошипно-шатунных двигателей.
Газотурбинные ДВС
Роторно-поршневые и роторные ДВС.

Среди конструкторов-двигателистов идёт конкурентная борьба за каждую долю процента в улучшении технических характеристик двигателей, но надо признать, что предел совершенства ДВС практически достигнут, рост качественных показателей прекратился, конструкторы толкают двигателестроение на экстенсивный путь развития. А именно на производство высокооборотных турбированных ДВС, а среди них лучшим считают тот, который "сожжёт больше топлива в единицу времени" для увеличения показателя мощности в ущерб КПД. Результатом такого "развития" будет комплекс эксплуатационных и технико-экономических проблем.

Роторный дизельный двигатель задумывался прежде всего для получения большего КПД термодинамического цикла, то есть качественного показателя, и уже на его основе получения лучших технических и экономических характеристик. Иными словами целью являлось создание двигателя, производящего больше полезной работы при сжигании равного количества топлива в сравнении с другими ДВС. И вот этот важнейший показатель у РДД почти на 40% выше, к тому же благодаря своим конструктивным особенностям  работает двигатель на оборотах в два с лишним раза меньших, чем у кривошипно-шатунных двигателей.

Таким образом, преимущества роторного дизельного двигателя внутреннего сгорания перед применяемым в настоящее время кривошипно-шатунным двигателем являются  настолько очевидными, что позволяют предположить занятие им в скором времени доминирующего положения среди двигателей этого класса.

Здесь стоит напомнить, что еще лет 25–30 назад Советский Союз лидировал в области создания двигателей. Безусловно, это происходило благодаря большому перекосу в области финансирования военной техники. Неудивительно, что до сих пор некоторые образцы двигателей для самолетов, вертолетов и танков считаются если не самыми лучшими в мире, то по крайней мере не уступают мировым аналогам.

  Далее последовал распад СССР и разрушение десятилетиями наработанных между предприятиями связей. Да и сами предприятия оказались по разные стороны новых границ. Конечно, в нулевые годы в стране наметился экономический рост, некоторые предприятия общего машиностроения получили определенные возможности развития и роста, однако в области двигателестроения ситуация осталась весьма сложной. Это связано с тем, что создание современного образца двигателя (будь то поршневой ДВС или ГТД) требует серьезных вложений в НИОКР, в технологическое оборудование, в создание новых материалов. Все это в совокупности приводит к увеличению сроков окупаемости проекта. А собственники предприятий – многие из них, безусловно, хорошие экономисты – не готовы вкладывать деньги в проекты, срок окупаемости которых более чем 2,5 года. Окупить создание современного двигателя за такой срок – нереально. С другой стороны, сейчас в мире проекты по разработке наукоемкой продукции наиболее интересны для инвесторов, так как именно подобные проекты при относительно невысоких рисках имеют максимальную добавленную стоимость. Как и всегда, задача государства как регулятора процессов, протекающих в экономике, – создать эти условия для собственников и инвесторов, чтобы заниматься разработкой такой наукоемкой продукцией, как современный двигатель.

 Но вернусь «к заклёпкам». Первый двигатель внутреннего сгорания изобретен в 1765 году. Вначале без сжатия смеси перед зажиганием, потом с сжатием, после чего конструкция ДВС практически не менялась. Причем КПД тоже остался на почти таком же уровне (максимальный теоретический уровень КПД 70%, реально же в четырехтактных не более 35%-42%, а в дизелях 41%-52%).

Основным параметром любого двигателя является удельная мощность, т.е. сколько килограмм массы двигателя соответствует каждому киловатту (кВт) выдаваемой им мощности. Например, для четырехтактных (обычный автомобильный двигатель) удельная мощность не более 1кВт/кг (1 л.с. равняется 736 Вт), т.е. для того чтобы получить мощность 20 л.с., сам двигатель будет весить не менее 20 кг. Естественно, с повышением степени форсировки удельная мощность будет возрастать, но до определенного предела, увеличивая при этом напряженность агрегата со всеми вытекающими последствиями.

Наименьшей удельной мощностью (т.е. для создания мощности 20 л.с. такие двигатели окажутся самыми тяжелыми) обладают четырехтактные двигатели - около 1 кВт/кг, двухтактные , очень грубо говоря, в 2 раза лучше - до 2 кВт/кг (т.к. каждый второй ход поршня является "рабочим", в отличие от четырехтактных, где только каждый четвертый), но из-за конструктивных особенностей (худший режим процесса сгорания, меньшая  степень сжатия и т.д.) двухтактники потребляют больше топлива. Т.е. двухтактный двигатель мощностью 20 л.с. в 2 раза легче четырехтактного такой же мощности, но топлива потребляет немного больше. Еще лучше по показателю масса/мощность роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля), но у него ресурс довольно мал, топлива потребляет больше четырехтактника (а вот меньше или больше двухтактного, зависит от многих факторов – схемы продувки, коэффициента зарада, наличия надувочного ресивера, степеней ГТН и проч), да к тому же сам является четырехтактным с не самой оптимальной камерой сгорания. Ну и самыми лучшими являются газотурбинные двигатели (ГТД). На каждый килограмм массы двигателя они выдают до 6 кВт, т.е. двигатель мощностью 20 л.с. будет весить всего 3.3 кг (вместо 20 кг для четырехтактного!). Но эти двигатели имеют свои врожденные пороки и недостатки – от наименьшего ресурса до наихудшей экономичности.

Таким образом, самый перспективный двигатель - это двигатель, использующий силу давления расширяющегося газа до полного его расширения (при этом предварительно топливная смесь сжимается перед зажиганием), а не тот что использует давление струи газа на лопасти турбины, пусть даже и с ротором активно-реактивного типа (турбина Парсонса с дополнительным расширением газов в аппарате лопаток ротора). Следовательно, наиболее перспективным ДВС на обозримое будущее для наземной боевой техники можно считать именно многотопливный РДД, выполненный на принципах роторно-поршневого двигателя Ванкеля, на котором остановлюсь чуть подробнее.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля изобретен в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства: более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, непростое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант).

 За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно-поршневым двигателем, у нас ВАЗ выпускал двигатели Ванкеля мощностью 40 л.с. и оснащал им некоторые модели "классики", а в конце 90-х пустил в предсерию роторный дизельный двигатель эффективной мощностью в 247 КВт с керамическими составляющими элементов уплотнений, но по вполне понятным любому россиянину причинам проект был похоронен, а сам выпуск двигателей прекращен.

А вот еще одна отечественная разработка, имеющая место быть в металле, разработка инженера В.И.Соколова, выполненная фирмой «Двигатель» под девизом Тепловой двигатель с круговым поступательным движением кольцевого поршня".

Кроме того, одновременно с Ванкелем другой инженер, Баландин, предложил свою версию "Бесшатунника", в котором улучшились условия работы поршня, резко увеличился ресурс пары трения "поршневое кольцо - гильза цилиндра", но при этом слабым местом с точки зрения надежности оказался механизм преобразования линейного движения во вращательное.

Говоря об отечественных разработках в области перспективных ДВС невозможно не говорить о роторном двигателе НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЕНИЯ того же Баландина, построенного под девизом «Демиург №1»  в 1998-м году.

В этом двигателе  камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что обеспечивает непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно,  дает возможность повысить удельную мощность.В рабочей модели двигателя массой 4 кг мощность на рабочем режиме составляет 23 кВт. Это на уровне лучших ТРД, при этом расход топливной смеси ориентировочно 57 г/сек. Однако, наиболее перспективным и реалистичным образцом роторного ДВС является двигатель,  спроектированный и построенный в Новосибирске конструкторским коллективом под руководством Е.Горлова, А.Коньшинова и В.Спичкина. Двигатель позиционируется, как «Роторно-Винтовой ДВС», испытания его прошли настолько успешно, что после краткой публикации в журнале «Двигатель» от 2000-го года, информация об этой разработке практически полностью исчезла из открытых источников, что подтверждает его работоспособность и перспективность. 

В данной конструкции процесс сжатия смеси (воздуха или смеси воздуха и топлива) и сгорания происходит в подобии турбины, выполненной из элементов со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью. В такой турбине небольшие замкнутые объемы перемещаются вдоль оси двигателя слева направо. В левой части при перемещении этих объемов они уменьшаются (происходит сжатие топливной смеси), в центре топливо поджигается, и дальше движется направо по расширяющимся объемам.

 

Преимущество такого двигателя перед ТРД в том, что в сжимающихся/расширяющихся изолированных объема можно "снять" больше энергии с топлива, чем в случае "удара" сильной струи раскаленного газа в обычную турбину. Кроме того, доступна меньшая частота оборотов вала, а следовательно, уменьшаются потери на редукторе (по сравнению с ТРД, где турбина может вращаться с частотой вплоть до 100000 об/мин и более, а на выходе необходимо 500...3000 об/мин).

 

К достоинствам. конструкции винтового ДВС перед осепоршневым следует отнести следующие: отсутствие трения скольжения; теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины; широкий рабочий диапазон оборотов двигателя, возможность работы при высокой частоте вращения; простоту конструкции; отсутствие несбалансированных масс, низкий уровень шума; небольшие массу и габариты; возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив; возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик; высокую удельную мощность и коэффициент полезного действия двигателя.

Проведенные расчеты показали, что шестикамерный ДВС со степенью сжатия-расширения 20, при работе на смеси метан-воздух развивает мощность до 125 кВт при частоте вращения выходного вала 7000 об/мин. При этом его длина составляет 460 мм, максимальный диаметр по турбине - 199 мм, а к.п.д. лежит в пределах 60…70 %. Недостатком является сложность технологии изготовления элементов (из-за материала и требуемой точности).