Цикл двигателя и какие они бывают
Экскаватор
Содержание
Экскаватор – классический представитель специализированной землеройной техники, активно используемой в различных строительно-производственных отраслях. Он обладает достаточно простой конструкцией, которая включает ходовое оборудование, кабину с органами управления и блок с ковшом. Главная особенность экскаваторов – поворотный рабочий орган. Для более эффективного выполнения задач он способен перемещать ковш в любом направлении, при этом шасси остается неподвижным. Раздельное движение рабочего органа и ходовой наделяет экскаваторы превосходной функциональностью, производительностью и универсальностью.
Цикл двигателя и какие они бывают
На РД-171МВ в отрасли возлагают большие надежды. Эту модификацию самого мощного в мире жидкостного ракетного двигателя предполагается использовать в перспективных космических программах, в том числе для пилотируемых полетов к Луне. В марте 2021 года был сделан важный шаг в создании РД-171МВ: в НПО Энергомаш (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») с успехом завершился цикл из восьми огневых стендовых испытаний.
Исходный вариант двигателя РД-170/171, на базе которого разработана нынешняя модификация, был создан еще в середине 1970-х в рамках программы «Буран» и обеспечил два пуска легендарной сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия». Кроме того, он успешно применялся на ракете среднего класса «Зенит» вплоть до завершения ее эксплуатации в проектах «Морской старт» (последний пуск состоялся в мае 2014 г.) и «Наземный старт» (декабрь 2017 г.).
Когда в октябре 2017 г. было принято решение о разработке ракеты-носителя сверхтяжелого класса «Енисей», РД-171 стал естественным кандидатом на маршевый двигатель блоков первой ступени. По замыслу, каждый из этих блоков будет являться самостоятельной ступенью в другой перспективной ракете, но уже среднего класса — «Союз-5». Универсальный стартовый комплекс для носителей сверхтяжелого и среднего класса будет построен на космодроме Восточный — отсюда и буквенное сочетание МВ («модифицированный для Восточного») в названии двигателя. Поскольку с 2015 г. двигатель не изготавливался, Энергомаш проделал большую работу по возобновлению серийного выпуска, которую можно сравнить с организацией нового производства.
«Двигатель состоялся!»
Подробнее о двигателе РД-171МВ, об итогах первых огневых испытаний и о дальнейших работах журналу Госкорпорации «Роскосмос» — «Русский космос» рассказал генеральный директор НПО Энергомаш Игорь Арбузов.
— Игорь Александрович, каков итог испытаний? Что они означают для предприятия?
— РД-171МВ — один из наших ключевых проектов. Испытания, продолжавшиеся три месяца, подтвердили работоспособность изделия и правильность выбранных конструкторско-технологических решений. Теперь по их результатам можно уверенно сказать: да, двигатель состоялся!
— Какие зарубежные аналоги РД-171МВ вы можете назвать? И какие принципы закладывались при его создании?
— А аналогов-то по большому счету и нет. Зарубежные маршевые жидкостные двигатели имеют тягу в несколько раз меньше. Мы идем к созданию ракеты сверхтяжелого класса с полезной нагрузкой более 100 т. Летать она будет редко, и поэтому в проект закладывается принцип, реализованный в системе «Энергия—Буран»: все элементы носителя должны летать самостоятельно. «Боковушки» сверхтяжелой ракеты — это первые ступени «Союза-5» с РД-171МВ, а центральный блок — модифицированная первая ступень «Союза-6» с обновленным РД-180. Эти носители будут летать значительно чаще, чем ракета сверхтяжелого класса.
— Какие дальнейшие планы в отношении двигателя? На какой объем выпуска вы ориентируетесь?
— Еще до начала испытаний мы отправили макет РД-171МВ в самарский РКЦ «Прогресс» для примерки к ступени «Союза-5». До конца года наша задача — собрать несколько РД-171МВ для различных испытаний, в том числе огневых в составе первой ступени. В 2022 г. мы начнем поставку двигателей для летных испытаний.
Предполагаемые объемы выпуска РД-171МВ после 2023 г. составят ежегодно три-четыре единицы. Все будет зависеть от того, как будет формироваться спрос на рынке пусковых услуг на «Союз-5».
— Как в целом идут дела на предприятии? Что изменится с созданием Интегрированной структуры ракетного двигателестроения?
— За последние несколько лет решено большое количество задач, связанных с техническим перевооружением, модернизацией НПО Энергомаш. Сделан серьезный шаг в технологическом развитии, создан цифровой кластер. Все это, безусловно, повышает эффективность конструкторской деятельности, производства, качество выпускаемой продукции и конкурентоспособность предприятия на мировом рынке. Буквально в феврале закончено формирование Интегрированной структуры ракетного двигателестроения, а это дает возможность грамотно распределить нагрузку между предприятиями.
В будущем мы хотим использовать производственную базу НПО Энергомаш только для создания перспективных образцов ракетных двигателей. Освободившись от серийного производства, мы дадим себе возможность сократить сроки разработки новых образцов до 3–4 лет. Скорость вывода двигателя на рынок очень важна, даже принципиальна, так как на этом рынке очень высокая конкуренция.
Что касается прорывных разработок, наше КБ ведет ряд тем по применению в ракетном двигателестроении композитных материалов. Идет проектирование кислородно-метанового двигателя. Еще одним важным направлением является создание водородных двигателей.
Для «Иртыша» и «Енисея»
О назначении двигателя, его особенностях, а также о перспективах метановых разработок мы поговорили с главным конструктором НПО Энергомаш Петром Лёвочкиным.
— Какие технологии применялись при создании РД-171МВ?
— РД-171МВ относится к семейству мощных маршевых двигателей, в которое входят также РД-170/171, созданный для «Энергии-Бурана» и «Зенита», РД-180, разработанный для американского носителя Atlas, и РД-191 для «Ангары».
РД-171МВ, предназначенный для «Союза-5» («Иртыша»), сделан целиком из российских компонентов и материалов. Кроме того, по опыту работы с РД-180 и РД-191 мы внедрили в него ряд конструктивных изменений и улучшений. Это, в частности, новые исполнительные механизмы системы управления, улучшенная защита от возгораний, новые фильтры на входе и современная система аварийной защиты.
Мы также понизили температуру на турбине, самом напряженном элементе конструкции двигателя, и повысили ее ресурс. При этом тяга осталась прежней, а основной показатель экономичности — удельный импульс тяги — даже подрос. Мы планируем существенное обновление РД-171МВ при переходе на модификацию, предназначенную для сверхтяжелого носителя «Енисей». Но сейчас внедрять эти нововведения нет времени. Дело в том, что «Союз-5» должен полететь уже в 2023 г., а цикл изготовления двигателя составляет 18 месяцев. То есть нам уже сейчас надо разворачивать производство летных изделий. Хотя мы готовы и к применению композитных материалов и порошковой металлургии.
РД-171МВ проектировался «в цифре», то есть параллельно с традиционной конструкторской документацией (КД) сразу на компьютере. Это не просто дань моде: раньше конструкторы выпускали чертежи, а технологи были вынуждены адаптировать их к имеющемуся оборудованию, создавая некую модель двигателя. Фактически это вело к двойному циклу разработки и создавало риск ошибок. Сквозная система автоматизированного проектирования предусматривает создание 3D-модели — подлинника КД, которой пользуются и конструкторы, и технологи. С ее помощью мы уже сейчас, например, переходим на изготовление всех трубопроводов «обвязки» методом трехмерного моделирования.
— Какие цели ставились перед испытаниями?
— Практика создания ракетных двигателей предусматривает цикл наземной отработки, который состоит из двух этапов: автономного — для отдельных узлов и агрегатов — и огневых стендовых испытаний уже собранного изделия.
Сегодня эти два этапа полностью завершены. На одном доводочном двигателе мы провели комплексную проверку всех внесенных в проект изменений, в первую очередь по новым приводам и алгоритмам регулирования. По техническому заданию мы должны были подтвердить надежность, обеспечив определенную наработку по времени. Проверялось функционирование РД-171МВ на всех режимах, включая крайние значения диапазона изменений давления и температуры.
Программа предусматривала восемь огневых испытаний. Первое было коротенькое. Мы даже не выходили на номинальный режим: просто запустились, чтобы «пощупать изделие», и остановились — «выдохнули». Да, вот он, двигатель — собран, работает. После этого мы сняли двигатель, осмотрели его и установили на стенд, как будто только что поставленное изделие, и провели семь остальных испытаний, уже без съема со стенда.
— Все проходило строго по плану или все-таки были замечания?
— Безусловно, при отработке были нюансы. При первых испытаниях вдруг обнаружилось повышенное давление перед приводами системы управления. Стали разбираться — выявили ее взаимосвязь с системой подачи топлива. Доработали алгоритм, согласовали с разработчиками приводов, проверили, пошли дальше.
По результатам испытаний многие вещи будут скорректированы. Например, в первом доводочном двигателе было два разных газогенератора (исходно их тоже два, но одинаковых): базовый, от РД-171М, а на втором применены решения от РД-180 и РД-191. Сейчас мы переходим на новую конструкцию.
В целом можно сказать, что двигатель есть и его сейчас надо просто хорошо и качественно делать.
— Как будут проходить дальнейшие испытания?
— Программа предусматривает производство и испытания еще ряда доводочных и сертификационных двигателей. Тот, который уже испытан на стенде, будет использован для завершающего этапа автономных проверок: его агрегаты пройдут дефектацию, разрезку, металлографические исследования.
Работа на этом не завершится: запланирован второй этап отработки двигателя по программе создания сверхтяжелой ракеты-носителя. Отличия двигателя для «сверхтяжа» от экземпляра для «Союза-5» — в большем (примерно на треть) времени работы. Такую длительность мы должны подтвердить на стенде, для чего предстоит провести цикл ресурсных испытаний. Все работы ведутся исходя из задачи, что «сверхтяж» должен полететь в 2028 г.
— Отвлечемся от РД-171МВ и поговорим о другой перспективной разработке — метановом двигателе. Какой потенциал в этом направлении?
— НПО Энергомаш было родоначальником работ по метану, о котором сейчас много и часто говорят. Метан как компонент топлива имеет определенные преимущества по сравнению с керосином. В паре с кислородом он несколько лучше по энергетике, процесс зажигания смеси упрощен. Но плотность у такого топлива меньше, а температура его криогенная, что неудобно для хранения. Кроме того, газообразный метан взрывоопасен. Таким образом, заниматься «метаном ради метана», наверное, нецелесообразно. А вот применительно к многоразовым системам, наверное, стоит. И сегодня это реализуется в проектах «Крыло-СВ» и «Амур-СПГ».
— Есть мнение, что SpaceX достигает многоразовости двигателей за счет их избыточного ресурса и больших запасов прочности, заложенных в проект. Это так?
— Да, но в повторном использовании есть нюансы. Классический пример — Space Shuttle, который американцы продвигали под лозунгом снижения стоимости выведения на порядок, а то и на два. Но оказалось, чтобы поддерживать эту многоразовость (например, в двигателях) нужно сохранять специальную инфраструктуру, надо содержать персонал. В результате расходы на проект растут — и вместо уменьшения стоимости выведения получается увеличение.
Везде надо смотреть экономическую целесообразность, и тогда одноразовая техника вдруг может оказаться эффективнее многоразовой. Хотя «сорить отработавшими ступенями» одноразовых ракет тоже плохо. Их надо приземлять спокойно, прогнозируемо.
Возвращаясь к РД-171МВ, есть понимание, как сделать двигатель мощнее или экономичнее, но здесь основную роль играют цена и сроки. Сегодня двигатели должны становиться легче и дешевле, с тем чтобы пусковые услуги были конкурентоспособными по стоимости и надежности. И мы видим, что достичь этого можно только за счет внедрения новых технологий. А многоразовость — это отдельная тема. И надо от имеющихся возможностей, созданных предшественниками, переходить к ее реальному, понятному и экономически обоснованному применению.
«Облик предприятия изменился кардинально»
О производственной и технологической базе, на которой создается РД-171МВ, а также запланированной в рамках проекта кооперации рассказал директор по производству НПО Энергомаш Василий Марфин.
— Какая модернизация проведена на предприятии под этот проект?
— Принципы, изначально заложенные в семейство РД-170/171, позволили НПО Энергомаш не только воспроизводить исходное изделие, но и развиваться (РД-180 и РД-191), хотя последний РД-171М изготовлен более пяти лет назад. Для нас возобновление серии через такой срок равносильно созданию нового двигателя. Это связано и с подготовкой производства, и с обучением и аттестацией персонала. Объем работ по изготовлению необходимой оснастки и техническому перевооружению был велик. Облик предприятия по отношению к 2015 г. в технологическом плане изменился кардинально.
Изготовление РД-171МВ практически полностью переведено на современное металлообрабатывающее оборудование, высокопроизводительные станки с числовым программным управлением. На таком оборудовании мы впервые отрабатываем технологию изготовления трубопроводов под новый двигатель. Уже на третьем экземпляре РД-171МВ все трубопроводы будут изготавливаться без использования шаблонов и ручной гибки.
— Сейчас много говорят о цифровом проектировании. При этом некоторые считают, что это просто сканирование бумажных чертежей. Что бы вы ответили?
— Это не так. В нашем случае исходно разрабатывается трехмерная модель двигателя, и на ее основании в электронном виде создаются технологические процессы. Модель, разработанная конструктором, через технолога-программиста непосредственно уходит на станок с ЧПУ.
— Какая кооперация предусмотрена в рамках проекта?
— Программа производства РД-171МВ построена так, что камеры сгорания будет изготавливать Конструкторское бюро химической автоматики (КБХА), а турбонасосы и общая сборка будут производиться здесь, в Химках.
— Что изменилось в технологиях после включения в контур Интегрированной структуры ракетного двигателестроения новых предприятий, в частности воронежского КБХА?
— Воронеж обладает высокими компетенциями. Предприятие имеет оборудование, которое позволяет, например, делать среднюю часть камеры ракетного двигателя методом «ротационной вытяжки» из одной заготовки. По сравнению со сварным вариантом, выпускаемым заводом «Металлист-Самара», конструкция получилась более технологичной. В перспективе мы планируем применять совершенно новые технологии.
Двухтактный двигатель
Мы подробно рассмотрели работу 4-х тактного двигателя, теперь пришло время перейти к устройству и принципу действия двухтактного двигателя, который в отличии от своего «коллеги» имеет всего лишь два такта:
- первый: всасывание топливной смеси в кривошипную камеру сгорания и сжатие смеси, находящейся в цилиндре, рабочий ход;
- второй: зажигание смеси в камере сгорания, очищение камеры от продуктов сгорания и отработавших газов, а также продувка ее свежей топливной смесью.
Пожалуй главным отличием двухтактного двигателя от своего собрата можно считать отсутствие клапанов и механизма их привода. В качестве клапанов здесь служит именно сам поршень, которые открывает и закрывает окна на зеркале цилиндра. Также в этой модели двигателя кривошипная камера используется для газообмена.
На рисунке показаны:
- Автоматический пластинчатый впускной клапан.
- Впускной канал.
- Кривошипная камера (картер).
- Продувочные (или перепускные) каналы (окна).
- Выпускной канал (окно).
- Свеча зажигания.
- Ну и, пожалуй, вторым существенным отличием двухтактного двигателя является то, что он не требует дополнительной смазки деталей двигателя, ведь масло попадается внутрь вместе с топливной смесью.
Способов подачи масла в двухтактный двигатель несколько:
- из отдельного бачка – раздельная смазка;
- непосредственно из топливной смеси, если заранее смешать ее в определенной пропорции.
Способ подачи масла в четырехтактном двигателе:
Масло находится непосредственно в картере и его циркуляция происходит раздельно с топливной смесью.
Преимущества двухтактного двигателя:
- меньшее количество движущихся частей;
- простота устройства;
- дешевизна;
- рабочий ход происходит при каждом обороте коленчатого вала.
Недостатки двухтактного двигателя:
- менее экономные;
- более шумные;
- выделяют больше загрязняющих веществ;
- меньший ресурс работы двигателя, т.к. смазка деталей происходит топливной смесью.
Стоит отметить, что в последние годы производители стали отдавать предпочтение именно 4-х тактным моделям двигателей, т.к. они отвечают абсолютно всем современным стандартам, предъявляемым в двигателям внутреннего сгорания.
Но также стоит заметить, что благодаря некоторым техническим усовершенствованиям, таким как система организации двухтактного рабочего процесса DiTech, созданная компанией Aprilia совместно с Orbital интерес к двухтактным двигателям не угасает полностью.
Эта система отличается тем, что продувка происходит чистым воздухом, а топливная смесь поступает под большим давлением через форсунку в головке цилиндра, после того, как происходит закрытие выпускных окон. Чтобы бензин лучше распылялся он подается в струю воздуха, которые нагнетается маленьким компрессором.
В данном двигателе смазка деталей проводится маслом, которое подается «электронным» насосом в продувочный воздух.
В результате таких усовершенствований двигатель становится значительно более сложным, но повышается его экономичность (лучше, чем у четырехтактников), и токсичность соответствует всем существующим стандартам.
Что касается компоновки современных двигателей для скутеров, то они вполне стандартны – один горизонтальный и один наклонный цилиндры. Хотя встречаются двухцилиндровые рядные, либо V-образные конструкции у крупнокубовых двигателей.
У многих современных двигателей имеется системы впрыска, 4-х клапанные головки цилиндров с 2-мя распредвалами, на которые устанавливают каталитические нейтрализаторы.
Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя
Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя — это изделия с постоянной частотой вращения, переменной частотой вращения и управлением положением (или регулированием крутящего момента) ротора. В различных изделиях промышленной автоматики требуются разные режимы, и набор вопросов, на который приходится отвечать при выборе электродвигателя, может также различаться (рис. 2).
Рис. 2. Асинхронные электродвигатели переменного тока часто выбирают для промышленных машин с вращательным движением рабочего органа
Например, если требующаяся максимальная частота вращения ротора меньше номинальной, может понадобиться редуктор. Возможно, для этой цели удастся подобрать более компактный электродвигатель, частота вращения ротора которого будет обеспечивать более высокий КПД. В Интернете есть большое количество информации о том, как выбирать электродвигатель по размеру, но пользователям необходимо принимать во внимание и другие факторы. Для расчета момента инерции нагрузки, крутящего момента и частоты вращения ротора требуется знать такие параметры, как полная масса и размер (радиус) нагрузки, а также коэффициент трения, потери на редукторе и цикл работы машины. Кроме того, во избежание перегрева электродвигателя необходимо учитывать изменение нагрузки, темп разгона или торможения и рабочий цикл изделия.
Определившись с типом и размером электродвигателя, пользователю нужно также учесть влияние внешних факторов и выбрать исполнение — например, открытое или в кожухе из нержавеющей стали для работы во влажной среде.
Органическое вино
Органика — не столь радикальная методика по сравнению с биодинамикой, более приближённая к жизненным потребностям обычного пьющего. В виноделии это скорее результат всеобщего органического бума. Смысл органики — получить всё от земли по максимуму, не насилуя её неразлагающимися и плохо разлагающимися неорганическими удобрениями. Методика эта не столь декоративна, как биодинамика: пахота на лошадях, отслеживание лунного цикла — всё это уходит на второй план, а основное внимание уделяется химической чистоте земли и винограда. Все удобрения, разумеется, натуральные, но без фанатизма и камлания. Если в биодинамике, скажем, обязательно пахать на лошадях и собирать виноград вручную, то в органике делать это вовсе не обязательно — можно пахать на тракторе и собирать специальным комбайном.
Факты об органическом вине:
— Органика — базовая ступень для биодинамического и природного виноделия.
— Подтверждённая контролирующими органами биохимическая чистота виноградника.
— Подтверждённая удалённость виноградника от всевозможных источников загрязнений.
— Использование органических удобрений, запрет на использование неорганических удобрений — пестицидов.
— Менее жёсткие требования по использованию машинного труда, чем в биодинамике.
Главное — подтвердить биохимическую чистоту земли в соответствующих комитетах. Но это не так просто: если земли были в сельскохозяйственном использовании прежде, это, скорее всего, означает, что их удобряли неорганикой, для вывода всего этого барахла требуются годы — как правило, от трёх до пяти лет.
Органическое вино можно узнать по сертификатам на этикетке, их раздают организации, в которых вы будете заверять экологическую чистоту своего виноградника. Практически во всех европейских странах этим занимаются специальные подразделения, аффилированные с минсельхозом. Как и всякая софт-версия, органика наиболее приемлема винной коммерцией, поэтому всё же не такая уж редкость на полках наших супермаркетов — просто присмотритесь к этикеткам внимательнее. Русских сертифицированных органических вин на рынке пока нет.
Органические сертификаты для вина:
Единый сертификат Европейского союза
AB (Agriculture Biologique), Франция
Ecovin,
Германия
BIO,
ГЕРМАНИЯ
USDA Organic,
США
А как сейчас?
Вопреки расхожему мнению, двигатели с 8 цилиндрами ставят не только на люксовые иномарки, но и на обычные тракторы, грузовики и строительную технику. Как и с двигателями послабее, наиболее сбалансированным видом является рядный тип мотора. Иными словами, когда все цилиндры расположены в ряд. Именно ими долгое время комплектовали самые дорогие автомобили. Особенно ценима такая конструкция была в Америке. Впрочем, рекордсменами здесь являются немцы, высоко ценящие баланс и надежность рядного движка.
Но даже им, со временем, пришлось перейти на V-образные двигатели. Причина проста и банальна – восьмицилиндровый «питон» попросту не вмещался в стандартном моторном отсеке современных авто.
Короткое резюме
После того как мы рассмотрели принцип работы двигателя внутреннего сгорания можно понять почему ДВС обладает низким КПД, который составляет примерно 40%. В то время как в одном цилиндре происходит полезное действие, остальные цилиндры грубо говоря бездействуют, обеспечивая работу первого тактами: впуск, сжатие, выпуск.
На этом у меня все, надеюсь вам все понятно, после прочтения данной статьи вы легко сможете ответить на вопрос, что такое ДВС и как устроен двигатель внутреннего сгорания. Спасибо за внимание!
