Двухтактный дизельный двигатель МТ 135

КАЧЕСТВЕННЫЙ СКАЧОК ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ

Во Франции конструктор Жан Мельшиор из фирмы Diesel Propulsi­on разрабатывает двигатель МТ-135, который подает большие надеж­ды. Программа частично поддерживается правительством. Последний вариант этого нового двигателя является двухтактным с трехступен­чатым наддувом и рабочим объемом 7,3 л. Его максимальная мощность составляет 1500 л.с., а в турбокомпаудном варианте достигает 2000 л.с. Сначала этот двигатель развивал половину заявленной мощности и ожидалось, что в 1993 г. он выйдет на полную мощность. Разраба­тываются как морские варианты, так и варианты для наземных машин.

Уместно заметить, что попытки достичь значительно более высо­ких удельных (габаритных и литровых) мощностей двигателей всерьез началась в 1970-ых годах. Французская система "Гипербар" создава­лась в 1973 г. как ступень к более высокой эффективной мощности двигателя; работа над германскими двигателями серии 880 была нача­та фирмой MTU в то же время. Необходимо было разработать "новые" двигатели, чтобы использовать все преимущества соединения поршне­вых двигателей и турбооборудования. Двухтактный цикл имел важные преимущества над четырехтактным благодаря большей частоте рабочих циклов, что в свою очередь облегчило согласование с турбооборудо­ванием. Однако двухтактным двигателям присущи недостатки, во-пер­вых, невозможна оптимальная синхронизация тактов по всему рабочему диапазону при использовании гильз цилиндров с окнами, которые вы­зывали также трудности уплотнения при помощи поршневых колец. Во-вторых, продувочный нагнетатель, необходимый в этой конструк­ции, требует значительных непроизводительных затрат мощности.

Первоначальные усилия Мельшиора по разработке двигателя, на­чатые в 1979 г., концентрировались на 12- цилиндровом V-образном двигателе с рабочим объемом 21 л., который в конечном счете разви­вал мощность 3500 л.с. при частоте вращения вала 1400 мин-1. Одна­ко этот двигатель был сложным, включающим четыре клапана на ци­линдр, многокулачковые валы и систему "Гипербар" для обеспечения требуемого наддува.

Разработка двигателя МТ-135 была начата с тщательного изуче­ния рынка и проведена в период с 1985 по 1988 г. Для двигателя МТ- 135 Мельшиор использовал особый конструктивный подход. Чтобы ис­пользовать положительные качества двухтактного цикла и устранить в то же время присущие ему нежелательные явления, Мельшиор отказался от гильз с окнами и организовал петлевую продувку с помощью та­рельчатых клапанов, размещенных перпендикулярно друг другу в го­ловке цилиндров. Конструкцией двигателя предусмотрена переменная синхронизация кулачков (VCT), то есть система управления моментами открытия - закрытия продувочных клапанов посредством изменения взаимного углового положения кулачков на распределительном валу, а также применен многоступенчатый наддув. Эффективная петлевая про­дувка, обеспечиваемая применением двойных тарельчатых клапанов, управляемых системой VCT в зависимости от загрузки двигателя, плюс высокие давления в цилиндрах от трехступенчатого наддува являются ключевыми факторами в достижении высокого КПД и очень высокой удельной мощности.

Как отмечалось, в двигателе Мельшиора используется трехсту­пенчатый наддув, который оказывает значительное воздействие на его удельную мощность. Турбонаддув без компаундирования, используемый Мельшиором, означает обычный последовательный турбонаддув с проме­жуточным и последующим охлаждением. Тогда как давление на входе для обычных двигателей может быть около трех - четырех бар, в дви­гателе МТ-135 оно составляет от 15 до 20 бар. Максимальные давле­ния в двигателе МТ-135 равны 300 барам, примерно в два раза выше максимальных давлений обычного дизельного двигателя.

Рядная компоновка двигателя МТ-135 позволяет использовать один распределительный (кулачковый) вал, посредством которого дос­тигается переменная синхронизация кулачков и обеспечивается управ­ление моментами открытия - закрытия клапанов. Переменная синхрони­зация кулачков, управляя продолжительностью открытия выпускного клапана, обеспечивает простой способ получения переменной степени сжатия, которая может изменяться для улучшения запуска и работы при малой нагрузке (см. рис. 2). Максимальная степень сжатия сос­тавляет 8 единиц для военного варианта с трехступенчатым турбонад­дувом и высокой удельной мощностью и 15 единиц для грузового ва­рианта с двухступенчатым наддувом. Переменная степень сжатия поз­воляет также получить желаемую характеристику крутящегося момента и обеспечивает превосходные мощностные характеристики. Двигатель чисто упакован. Благодаря "комплексной архитектуре" у блока двига­теля не имеется наружных трубопроводов для топлива или смазочного масла.

Мельшиор планирует также применить в двигателе МТ-135 "компа­ундирование", установив дополнительную турбину на выпуске, которая преобразует тепловую энергию газов в мощность на валу (SHP). Она передается зубчатой передачей непосредственно в отдаваемую мощ­ность двигателя и в случае двигателя МТ- 135 будет добавлять при­мерно 500 л.с. к эффективной мощности, выводя ее на уровень 2000 л.с. Компаундирование улучшает также топливную экономичность, сни­жая удельный расход топлива при испытании двигателя на тормозном стенде (BSFC) с 207 до 180 г/кВт ч (с 0,34 до 0,31 фунта/л.с.ч).

Очень высокая удельная мощность (> 200 л.с./л или < 1 кг/л.с.) достигается главным образом за счет высоких средних дав­лений в цилиндрах и двухтактного рабочего процесса, посредством чего получается в два раза больше рабочих циклов на один оборот вала двигателя, чем в традиционных четырехтактных двигателях. Мельшиор предполагает, что его двигатель с рабочим объемом 7,3 л. будет иметь КПД 46%, что существенно лучше, нежели у современных высокофорсированных дизелей, КПД которых не превышает 40%. (Полный КПД определяется как мощность на выходном валу двигателя, деленная на энергию, выделяемую при сгорании подведенного топлива в единицу времени.)

Очень высокие давления на впуске в сочетании с высокими тем­пературами в камере сгорания (управляемыми системой VCT) вызвали некоторые проблемы теплового напряжения, на которые указывают раз­работчики двигателя. Отвод тепла оценивается в 1061 кВт для систе­мы охлаждения, 700 кВт для выпускных газов, и 20 кВт на излучение.

Дизельный двигатель МТ- 135, разработанный Жаном Мельшиором имеет следующие габариты: 1,45 м Х 1,015 м Х 1,36 м для объема 2,4 м3 (84,7 фунтов3). Его масса 1,6 т (1,8 тонн). Мощность двига­теля МТ- 135 1119 кВт ( 1500 л.с.) при трехступенчатом наддуве и 1492 кВт ( 2000 л.с.) при трехступенчатом наддуве и компаундирова­нии с силовой турбиной. Крутящий момент при номинальной скорости 1800 мин-1 составляет 605 кг/м (4,471 фунт/фут), скорость поршня 10,2 м/с (33,5 фут/с); диаметр цилиндра и ход поршня составляют 135/170 мм. Среднее эффективное давление при мощности 1500 л.с. равно 51 бару ( 739 фунтов на квадратный дюйм) (в начале 1992 г. продемонстрировано 52 бара (754 фунта/дюйм2) на одном цилиндре). Лучший планируемый удельный расход топлива при испытании двигателя на тормозном стенде составляет 207 г/кВт ч (0,34 фунт/л.с.ч) при мощности 1500 л.с. и 180 г/кВт ч (0,31 фунт/л.с.ч) при мощности 2000 л.с. Система охлаждения обычная, использующая воду и масло. Дымность при использовании форсунок Бош - 0,5-1,0 (легкая дымка).

Мальшиор заключает соглашения с рядом фирм по применению или разработке и сбыту этой конструкции, некоторые из них концентриру­ются больше на коммерческом рынке, чем на военном. Этот двигатель мог бы стать эталоном новой тенденции для будущих двигателей высо­кой мощности, так как предполагаемая экономия в отношении объема и массы по сравнению с современными дизельными и газотурбинными двигателями весьма значительна. Это новая и в основе хорошая конс­трукция, которая сочетает новые и созидательные идеи с практичес­кими механическими решениями, представляющими значительный шаг вперед в разработке технологии двигателей.

Филип Летт. Quantum leap for diesels. International Defense Review, 1993, N 3, p. 255-256