6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и работа всех видов двигателей

Просто в космос: ученые РАН создают прорывной двигатель для спутников

Российские ученые предложили качественно новый вид двигателя для работы в космическом пространстве. В его основе лежит принцип возбуждения плазмы с помощью микроволнового искрового разряда. Такой агрегат можно устанавливать на малоформатных спутниках. В отличие от распространенных сегодня спутниковых двигателей на газовом топливе новое устройство будет использовать в качестве источника энергии специальные металлодиэлектрические пластины, запаса которых хватит для 10 лет автономной работы. Пластина радиусом 10 см может заменить 1,5 тыс. кубометров газового топлива. В будущем новые двигатели можно будет применять для освоения Солнечной системы.

Мал, да удал

Ученые Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН готовы создать опытный образец двигателя нового типа для работы в космическом пространстве. По их задумке движение должно происходить за счет использования нового описанного ими вида разряда, возникающего в газовой среде в результате действия микроволнового излучения. Физики назвали его микроволновым искровым разрядом (МИР).

— У предложенного нами двигателя есть ряд преимуществ. Основное из них в том, что в качестве твердого топлива в системе используется металлодиэлектрический диск, — сказал заведующий лабораторией газокинетических явлений в СВЧ-разряде ИОФ РАН Игорь Коссый.

С помощью МИР можно воздействовать на металлодиэлектрический материал таким образом, чтобы возбуждать плазму, которая и будет двигать летательный аппарат вперед. Мощность такого двигателя будет относительно невелика, но достаточна для движения в вакууме. Поэтому разработчики предлагают для начала использовать его на легких маломасштабных околоземных спутниках, которые сегодня востребованы в России и в мире.

Источником электромагнитного излучения в новом двигателе может служить стандартный магнетрон, используемый в обычных микроволновых печах. Размеры аппаратуры — 50х50х100 см, вес — 2 кг. Себестоимость нового агрегата — около €1 тыс.

В качестве топлива двигателю нужна металлодиэлектрическая пластина. Например, диск из оргстекла диаметром 10 см и толщиной 2 см может служить источником 1,5 тыс. кубометров газа, который необходим для генерации плазмы. Твердое топливо позволит значительно уменьшить габариты спутника за счет той его части, в которой хранится применяемый сегодня для движения космических аппаратов газ в баллонах. По расчетам специалистов ИОФ РАН, запаса топливного диэлектрика на борту МКА может хватить на 10 лет автономной работы.

Сложность внедрения предложенного двигателя и его аналогов — в сравнительно слабой тяге. Мощность механического импульса, который приобретает спутник в результате работы устройства, невелика. Но у авторов разработки есть идея, как усилить эту характеристику. Существующие сегодня расчеты механического импульса были сделаны исходя из конструкции двигателя, в которой микроволновое излучение подается непосредственно на металлодиэлектрическую поверхность. Если же микроволны будут поступать к генерирующей плазму поверхности, проходя сквозь радиопрозрачную толщу диэлектрического диска, в теории это может заметно увеличить механический импульс. Но гипотезу еще предстоит подтвердить во время эксперимента.

Дождаться испытаний

Опрошенные «Известиями» эксперты в области космической техники отнеслись к предложенному техническому решению ИОФ РАН с осторожным оптимизмом. С их точки зрения, идея плазменного двигателя интересна, но для окончательной оценки нужно дождаться ее воплощения «в железе».

— Предлагаемая российскими учеными концепция двигателя имеет важное преимущество: рабочее тело в ней изначально находится в твердом, а не сжиженном состоянии, — сказал руководитель Астрономического сообщества БФУ имени Иммануила Канта Алексей Байгашев.

По мнению эксперта, при прочих равных требованиях к двигателю это позволит значительно уменьшить объем, занимаемый топливом, упростить хранение, транспортировку и подготовку космического аппарата к запуску. Ключевой вопрос — апробирование заявленной концепции в реальном космическом аппарате. Вероятно, после разработки нового двигателя и его наземных испытаний исследователи проведут запуск тестового микроспутника, который при малой массе и стоимости вывода на орбиту позволит в полной мере изучить работу двигательной установки в реальных условиях.

— Для реализации ионного двигателя с таким источником плазмы требуются конструктивное решение и отработка в экспериментах, — отметил профессор Высшей инженерно-физической школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (вуз — участник проекта повышения конкурентоспособности образования «5-100») Олег Цыбин.

Нужны практические решения проблем материалов и технологии твердой поверхности, ее стойкости, разрушения, термодинамики, типа и ускорения ионов, их нейтрализации, пояснил эксперт. После их решения будут более понятны достоинства и недостатки двигателя, его возможности.

Скорректировать траекторию

Не исключено, что двигатели МИР окажутся полезными в ситуации, когда нужно экономить химическое топливо и корректировать баллистическую траекторию за большое время полета, полагает директор Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН Александр Ефремов.

— Однако пока у нас нет данных об их параметрах и возможностях, — указал он.

Преимущество потенциальной установки на основе микроволнового искрового разряда, если она работоспособна, — это ускоренный полет к различным небесным телам без расхода рабочего тела, либо с минимальным потреблением. Однако такое техническое решение пока вызывает вопросы, так как еще никогда не было практически реализовано, сказал кандидат технических наук, главный конструктор лаборатории «Астрономикон» и сотрудник кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Денис Малыгин. Экспериментальные данные однозначно не подтверждают и не опровергают работоспособность подобной установки, это связано в том числе с небольшой величиной предполагаемого эффекта, сравнимой с погрешностями измерений, отметил эксперт.

Подобные двигатели с ионной тягой применимы только в космическом вакууме и не могут перемещать транспортные средства через атмосферу, утверждает Денис Малыгин, поскольку ионные двигатели не работают в присутствии ионов вне двигателя. Такие устройства обладают высоким энергопотреблением (1–7 кВт), а на малых спутниках энергетика весьма ограничена. Более того, для достижения ускорения новому типу двигателей необходима длительная работа, что вновь возвращает к вопросу об энергетике спутника, добавил он.

Читать еще:  Что значит объем двигателя автомобиля

— Интересная идея. Она может найти применение в маневровых двигателях, которые используют в системе ориентации и стабилизации космических аппаратов, — сказала руководитель направления «Аэрокосмические системы» центра проектной деятельности ДВФУ Анастасия Храмцова.

Для маршевых двигателей заявленная тяга очень мала, считает она. Вопрос в том, какое количество энергии необходимо для работы установки — это решающий показатель при выборе двигателя на спутник.

Какие бывают двигатели и что они едят

На сегодняшний день наиболее распространённым двигателем является поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, или Отто-мотор. Он установлен на большинстве автомобилей в мире. Это легкий, дешевый, тихий и хорошо изученный двигатель. Однако человечество постоянно пытается придумать ему альтернативу как по устройству, так и использованию другого рабочего тела – топлива. И иногда у инженеров получаются весьма занятные экземпляры.

Гибридный двигатель на сжатом воздухе

В 2013 году французский концерн PSA представил систему Hybrid Air, работающую на сжатом воздухе. Однако они были далеко не первыми. Motor Development International на Женевском автосалоне 2009 года представили пневмоколяску MDI AIRpod и ее более серьезный вариант MDI OneFlowAir. В 2011 году японцы провели тест-драйв концепт-кара Toyota Ku Rin, который проехал 3,2 км на одном «заряде» сжатого воздуха. А в 2012 году Tata Motors представила трехместный и трехколесный автомобиль Tata AIRPod.

В отличие от предшественников, разработка PSA оказалась элегантнее и проще. Два баллона со сжатым воздухом, компрессор, нагнетающий воздух, и гидравлический мотор, передающий энергию сжатого воздуха в КПП. Система сама пополняла воздушные запасы (например, Tata Airpod требовалось «накачивать» каждые 200 км). Помимо установки со сжатым воздухом, под капотом Hybrid Air предполагалось устанавливать классический 3-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, который бы играл роль насоса и вспомогательного мотора.

В городе машина с Hybrid Air может до 80% времени ехать только на воздухе, не загрязняя атмосферу. Топливная экономичность варьируется от нулевых значений расхода и выбросов до 2,9 л/100 км и 69 г/км при использовании двигателя внутреннего сгорания соответственно. В компании планировали ставить систему Hybrid Air начиная с 2016 года, но – не сложилось.

Водородные топливные элементы

Существует три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный двигатель внутреннего сгорания, другие – газотурбинные, третьи – агрегаты, использующие химическую реакцию водорода.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, появился в 1806 году, водород в нем использовался как обычный бензин. Однако использовать такие оригинальные двигатели накладно. В газотурбинных двигателях газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива можно использовать практически любое горючее.

Но самые интересные из водородных силовых установок – «химические». Концерны BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе последнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баков, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор в составе топливного элемента выдает мощность 125 кВт (170 л.с.), а пиковая мощность силовой установки — 275 кВт (374 л.с.). В качестве топлива используется смесь водорода и кислорода из окружающего воздуха, вместо вредных выбросов система вырабатывает водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Дизельный двигатель

Более ста лет назад, 23 февраля 1892 года Рудольф Дизель получил патент на свой двигатель. Принципиальным отличием его двигателя от Отто-мотора было то, что топливо в нем нагревалось быстрым сжатием, а не поджогом. Удивительно, но первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или легких нефтепродуктах. Кроме того, первоначально в качестве идеального топлива он предлагал использовать каменноугольную пыль, так как в Германии не было запасов нефти.

Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк. Сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения: рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определенным успехом работать даже на сырой нефти.

Кстати, в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления» – агрегат, аналогичный мотору Дизеля. Наша конструкция оказалась более совершенной и перспективной. Но под давлением владельцев лицензий Дизеля все работы над отечественным аналогом дизельного двигателя были остановлены.

Роторный двигатель

Самый престарелый из всех тепловых двигателей именно роторный. С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. В 19 веке стали активно использовать роторные паровые двигатели.

В 1957 года Феликс Ванкель и Вальтер Фройде показали общественности полностью работоспособный роторно-поршневой двигатель (РПД) внутреннего сгорания. Через 7 лет этот движок установили на спорткар NSU Spider, который стал первым серийником с роторно-поршневой двигатель. Такой двигатель лишен большого количества движущихся частей, он проще, а особая конструкция мотора позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Но из-за конструктивных особенностей у роторных двигателей крайне низкий ресурс, высокий расход масла и топлива, хотя и большая отдача с меньшего объема.

Читать еще:  Фиат пунто плавают обороты двигателя

Из-за этих особенностей единственной компанией, которая массово, помимо NSU, выпускала автомобили с роторно-поршневым движком была Mazda. И легендарная Mazda RX-8 была скорее имиджевой моделью, нежели коммерческой. В итоге в начале 2000-х работу с роторно-поршневыми двигателями свернули.

По материалам портала «Популярная механика»

Как устроен масляный насос двигателя

В современных автомобилях смазка основных узлов двигателя осуществляется преимущественно под давлением. Для создания последнего на требуемом уровне в конструкции системы предусмотрен масляный насос. Он выполняет цикличную подачу масла, обеспечивая непрерывность процесса. От точности работы маслонасоса зависит долговечность деталей двигателя, расход топлива (механические потери энергии) и уровень вредных выбросов.

  1. Виды и устройство насосов
  2. Шестеренчатые насосы
  3. Роторные насосы для перекачки моторного масла
  4. Пластинчатые или шиберные маслонасосы
  5. Особенности эксплуатации и неисправности маслонасосов

Виды и устройство насосов

Основной принцип работы всех масляных насосов двигателей схож: всасывание моторного масла из поддона картера (масляного бака) и нагнетание в магистрали системы смазки. Конструктивно это могут быть шестеренчатые, роторные и пластинчатые насосы с возможностью принудительной регулировки уровня давления или без таковой. Отличается и способ приведения их в действие.

Шестеренчатые насосы

Этот тип механизмов относится к нерегулируемым. Привод такого масляного насоса осуществляется от коленчатого вала двигателя. На практике это означает, что уровень давления напрямую зависит от оборотов мотора. Чтобы при этом давление масла в нагнетательной магистрали системы смазки было постоянным и не превышало критических значений, такие масляные насосы всегда дополняются редукционным клапаном.

Шестеренчатый масляный насос с внешним зацеплением

Конструктивно шестеренчатый насос состоит из следующих элементов:

  • Ведущая шестерня, соединенная с коленвалом.
  • Ведомая шестерня, приводимая в движение ведущей шестерней.
  • Герметичный корпус с нагнетательным и всасывающим каналами.
  • Редукционный клапан масляного насоса – он представляет собой плунжер с пружиной, который при повышении давления отжимается, открывая канал сброса масла.
  • Уплотнители (сальники).

Шестеренчатые насосы могут быть:

  • С внешним зацеплением – шестерни располагаются рядом и имеют внешние зубья. Недостатком данного типа является сложность достижения высокого уровня сжатия, поскольку это провоцирует рост удельных давлений в зоне зацепления зубьев. И хотя благодаря применению специального разгрузочного паза проблему можно решить, насосы с подобным пазом неэффективны для широкого спектра частот вращения и на малых оборотах производительность будет очень мала.
  • С внутренним зацеплением – ведущая шестерня имеет внешние зубья и расположена внутри ведомой, зубья которой направлены внутрь. Шестерни не имеют общей оси и образуют полукруглый зазор (полость). Такой маслонасос имеет более компактные размеры.

Шестеренчатый маслонасос с внутренним зацеплением

Принцип работы шестеренчатого насоса очень прост: смазка поступает внутрь через всасывающий канал, где сжимается шестернями и выталкивается под давлением в нагнетательный канал. Маслонасосы с внутренним зацеплением также могут оснащаться разделительным серпом (серповидной перегородкой). Он устанавливается между зубьями роторов в зоне из максимального удаления друг от друга. Благодаря этому происходит уплотнение полостей нагнетания и обеспечивается более высокое рабочее давление.

Масляные насосы автомобильных двигателей всегда приводятся в движение от мотора. Передача при этом может осуществляться посредством зубчатого зацепления, приводных цепей или ремней.

Роторные насосы для перекачки моторного масла

Маслонасосы роторного типа сходны с шестеренчатыми внутреннего зацепления. Однако вместо шестерней сжатие масла осуществляется при помощи неподвижного статора (большего диаметра) и подвижного ротора (расположенного внутри статора). Такие насосы могут быть нерегулируемыми (с редукционным клапаном) и регулируемые.

Роторный маслонасос ДВС

Нерегулируемые роторные масляные насосы имеют привод от коленвала и создают уровень давления пропорционально его вращению. Избыточное давление так же как и в шестеренчатых масляных насосах сбрасывается редукционным клапаном.

Отличием регулируемых роторных насосов является наличие подвижного статора и специальной регулировочной пружины. Сам процесс регулировки основан на принципе изменения объема рабочей полости (зазор между роторами), что осуществляется поворотом статора. Так, если частота вращения коленчатого вала повышается, двигатель потребляет больше масла, что приводит к снижению давления.

Пружина реагирует на это и перемещает статор, изменяя позицию ведомого ротора и изменяя рабочую полость насоса. Увеличивается производительность маслонасоса. Регулируемый маслонасос позволяет поддерживать стабильный уровень давления независимо от режима работы двигателя.

Пластинчатые или шиберные маслонасосы

Для некоторых типов двигателей может быть использован пластинчатый или шиберный масляный насос. Такая конструкция позволяет регулировать производительность исходя из оборотов двигателя.

Состоит шиберный насос из корпуса, внутри которого находятся ротор и статор. Их оси смещены, благодаря чему в нижней части образуется серповидный зазор. Ротор также оснащен подвижными пластинами, вставленными в специальные пазы. Под действием центробежной силы на участке зазора между ротором и статором они выдвигаются и образуют отдельные камеры сжатия масла. При вращении ротора объем камер постоянно изменяется. Когда объем увеличивается, создается разрежение и происходит всасывание масла. Когда камера уменьшается, давление возрастает и выполняется нагнетание.

Особенности эксплуатации и неисправности маслонасосов

В системах смазки с мокрым картером (масло находится в поддоне двигателя) маслонасос располагается между маслоприемником и фильтром в передней части двигателя. Для систем с сухим картером (резерв смазки находится в специальном баке) насос находится между масляным баком и очищающим фильтром. В некоторых моделях авто он также может находиться возле дополнительного масляного радиатора системы воздушного охлаждения. Его легко найти, ориентируясь на передачу привода масляного насоса, соединенную с коленвалом.

Читать еще:  Двигатель 2111 неровная работа двигателя

Ресурс насосов достаточно большой – несколько сотен тысяч километров пробега. Основными требованиями правильной эксплуатации этого узла является использование качественного масла, регулярная очистка фильтра, а также своевременная доливка и замена. Негативное влияние может оказать некорректный запуск двигателя, особенно в условиях пониженных температур, а также попадание в масло охлаждающей жидкости.

Наиболее распространенными проблемами являются:

  • Износ зубьев шестерен или поверхности роторов.
  • Увеличение зазоров между основными рабочими элементами и корпусом.
  • Коррозия поверхностей.
  • Поломка редукционного клапана (заклинивание, несвоевременное срабатывание).
  • Неисправности привода масляного насоса.

Поломки масляного насоса приводят к нарушению режимов подачи смазки к основным узлам двигателя. При этом негативными для мотора являются как слишком высокое, так и низкое давление. В случае обнаружения неисправностей в маслонасосе в большинстве случаев его полностью меняют на новый.

Авиационный двигатель М-105. СССР

Рабочий объем — 35,08 л

Степень сжатия — 7,10

Мощность – 1050 л.с.

Диаметр цилиндра – 148 мм

Взлетная мощность – 1100 л.с.

Авиационный V-образный 12-цилинд­ровый поршневой четырехтактный двигатель водяного охлаждения, 1940 года выпуска, устанавливавшийся на самолетах-истребителях Як-1, Як-7 и ЛаГГ-3. Мотор М-105 был найден на местах боев в Мурманской области и передан в дар музею руководи­телем ООО «Авиационно-реставрационная группа» О.Ю. Лейко.

Авиационные двигатели ОКБ А. А. Микулина

В ОКБ А. А. Микулина в 1940 — 1941 годах, на базе высотного мотора АМ-35 со взлетной мощностью 1350 л.с. (предназначенного для самолетов-истребителей МиГ-3), проводилась разработка нескольких новых авиадвигателей. Применение двигателя АМ-35 на прототипе Ил-2 — штурмовике БШ-2 по­казало, что высотные характеристики для самолетов такого назначения — излишни. Поэтому на базе АМ-35 создается специальный мотор для Ил-2 с пониженной до 1650 м расчетной высотой; увеличенной до 1600 л.с. взлетной мощностью и номинальной мощностью на земле 1500 л.с.

Новый двигатель получил обозначение «АМ-38». Его использование на штурмовиках Ил-2 обеспечило увеличение скорости, ма­невренности и боевой нагрузки. В годы Великой Отечественной войны двигатель АМ-38 стал самым необходимым из всех моторов ОКБ А.А. Микулина. В начале войны, когда штурмовик Ильюшина был запущен в серию, это потребовало значительного увеличения производства моторов, однако из-за эвакуации нескольких моторостроительных заводов (в том числе и Московского завода № 24, выпускавшего двигатели АМ-35А, АМ-37 и АМ-38) обеспечить их производство было практически не возможно. Поэтому для обеспечения штурмовиков Ил-2 моторами в конце 1941 года было принято нелегкое решение — снять с производства моторы АМ-35А и сосредоточить усилия серийных заводов № 24 им. Фрунзе (г. Куйбышеве) и № 45 (г. Москва) на выпуске АМ-38, а ОКБ А. А. Микулина на его усовершенствовании.

Авиационный двигатель АМ-38 отличался от моторов АМ-35 и АМ-35А усиленным картером в связи с ростом нагрузок; уменьшенной степенью сжатия (6,8 вместо 7,0); новым приводным центробежным нагнетателем (с уменьшенной передачей к крыльчатке 11,05, вместо 14,6 у — АМ-35А); доработанными маслосистемами и системами охлаждения для обеспече­ния надежной работы мотора при некоторой недостаточности масло- и водорадиаторов, размещенных в тесных бронированных отсеках са­молета. Запущенные в серию моторы АМ-35А и осваиваемые АМ-37, а также их модификации были сняты с производства, а самолеты, на которых они монтировались, предписывалось переделывать под другие двигатели или прекратить их производство. Тем не менее, в ОКБ Микулина непрерывно велись работы по совершенствованию не только АМ-38, но и других опытных моторов, доводке узлов и деталей. Однако работа над двигателями для штурмовиков Ил-2 стала главной. Для двухместного варианта Ил-2 в начале 1942 года создается мотор АМ-38Ф (форсированный), который при меньшей, чем у АМ-38, мощности на высотах имел увеличенную на 100 л.с. взлетную мощность и возможность работать в течение 10 минут на взлетном режиме в диапазоне высот 0 — 1,5 км (т.н. «боевом ре­жиме»). Для того, чтобы не повышать октановое число топлива (поскольку снабжение в годы войны советских ВВС высокооктановым горючим было крайне проблематичным), в этой модели двигателя уменьшили степень сжатия (6,0 — вместо 6,8), увеличили на взлетном режиме число оборотов (2350 — вместо 2150) и несколько увеличили наддув при мень­шей высотности. Также, по сравне­нию с ПЦН мотора АМ-38, был уменьшен диаметр крыльчатки приводного центробежного нагнетателя.

Знаменитые «ле­тающие танки» Ильюшина Ил-2 прошли всю Великой Отечественной войны, вписав в ее летопись много славных страниц, чему в немалой степени способствовали и двигатели Микулина АМ-38 и АМ-38Ф.

Всего советская авиастроительная промышленность получила в 1938 — 1945 годах более 50 000 авиационных моторов, разработанных в ОКБ А.А. Микулина, причем поставка двигателей для обеспечения вы­пуска самолетов составила: до войны — около 8000, в годы Великой Отечественной войны и после нее — более 41 000 единиц.

На открытой площадке в экспозиции ВВС Центрального музея Великой Отечественной войны экспонируется мотор конструкции А. А. Микулина:

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector