MODELS OF TWO-STROKE ENGINES WITH OPPOSITE PISTONS BY ACHATES POWER

МОДЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРОТИВОПОЛОЖНО ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ КОМПАНИИ ACHATES POWER

Обзорная статья

Кузнецов Г.А.^1, *, Брюховецкая Е.В.², Кутуров Д.В.³

^{1, 2, 3} Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия

* Корреспондирующий автор (gkuznecov[at]mail.ru)

Аннотация

В последнее время наблюдается интерес к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями со стороны различных научных организаций и предприятий всего мира. В статье проведен анализ научно-исследовательской деятельности компании Achates Power, занимающейся проектированием и созданием двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями. Представлена поэтапная технология создания двигателей. Компанией предложены 7 моделей двигателей в мощностном диапазоне от 64 до 460 л.с. Приведены основные технические характеристики моделей двигателей. Показано, что компьютерное моделирование позволяет масштабировать технологию создания двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями в широком мощностном диапазоне.

Ключевые слова: двигатели с противоположно движущимися поршнями, модели двухтактных двигателей, компьютерное моделирование.

MODELS OF TWO-STROKE ENGINES WITH OPPOSITE PISTONS BY ACHATES POWER

Review article

Kuznetsov G.А.^1,*, Bryukhovetskaya E.V.², Kuturov D.V.³

^{1, 2, 3} Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia

* Corresponding author (gkuznecov[at]mail.ru)

Abstract

Recently, there has been interest in two-stroke engines with opposite pistons from various scientific organizations and enterprises around the world. The article analyzes the research activities of the Achates Power company, which is engaged in the design and creation of two-stroke engines with opposite pistons. A step-by-step technology for creating engines is presented. The company offers 7 engine models in the power range from 64 to 460 HP. The main technical characteristics of engine models are given. It is shown that computer modeling makes it possible to scale the technology for creating two-stroke engines with opposite pistons in a wide power range.

Keywords: engines with opposite pistons, two-stroke engine models, computer modeling.

Введение

В последние 20 лет наблюдается повышение интереса к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями (OP2S), к технологии их создания и производства со стороны различных научных организаций и предприятий всего мира. К положительным качествам двигателей OP2S по сравнению с четырехтактными двигателями следует отнести: высокую литровую мощность, меньшие габариты и массу; больший термический и механический КПД; хорошую уравновешенность и большую равномерность крутящего момента даже при малом количестве цилиндров; простоту конструкции и др.

Первые двигатели OP2S были созданы в 1880-х годах в Германии. Мощный толчок в развитии начался в 1930-х годах в связи с разработкой и массовым производством фирмой Junkers дизельных двигателей Jumo 205, Jumo 207 и других модификаций для авиации [1]. В дальнейшем двигатели OP2S разрабатывались и изготавливались во многих странах мира. Они устанавливались на корабли, тепловозы, танки и другие транспортные средства. Кроме того, они применялись как генераторные установки для выработки электрической энергии.

Главными трудностями на пути широкого применения двигателей OP2S оставались: повышенное потребление топлива и масла, а также высокая токсичность выхлопа, что в конечном итоге значительно уменьшило их производство в конце ХХ века. На сегодняшний день разработкой и производством двигателей OP2S занимаются: Харьковский завод имени В.А. Малышева, Fairbanks Morse Engine, Superior Air Parts, Achates Power и другие компании. Для насыщения рынка и обеспечения транспортной и энергетической промышленности современными двигателями необходимо создание моделей двигателей OP2S в широком диапазоне мощностей.

Цель работы: исследование моделей двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями компании Achates Power.

О компании Achates Power

В 2004 году в Сан-Диего (шт. Калифорния, США) была создана инжиниринговая компания Achates Power. Она занимается проектированием и созданием двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями, а также продвижением своих технологий к промышленному применению. В компании проводятся фундаментальные исследования внутрицилиндровых процессов в двигателях OP2S, разработка современных методов проектирования двигателей, программных продуктов и др. Специалисты компании публикуют большое количество научных статей, имеют более 250 патентов, демонстрируют разработки на международных выставках, конференциях, автосалонах. Компания разрабатывает модели двигателей, готовит предложения по ремоторизации и по стимулированию перехода на двигатели более высокого экологического класса.

Компания Achates Power активно сотрудничает с более чем 12 стратегическими партнерами: Cummins (компания по разработке и производству дизельных двигателей и их компонентов); Fairbanks Morse Engine (компания, производящая дизельные двигатели); Delphi Technologies (компания, производящая компоненты двигателей и др.); Peterbilt Motor Company (компания, производящая грузовые автомобили); GVSC (ведущий научно-технический центр сухопутных транспортных средств Армии США); Argonne National Laboratory (национальный исследовательский центр Министерства энергетики США); CARB (калифорнийский совет по воздушным ресурсам, разработчик стандартов и норм выбросов вредных веществ); ARPA-E (агентство перспективных исследований в области энергетики Министерства энергетики США); CALSTART (национальная некоммерческая организация, занимающаяся разработкой и продвижением экологических транспортных технологий); OGCI (нефтегазовая климатическая инициатива, объединяющая порядка 13 крупнейших мировых нефтяных компаний, включая Saudi Aramco) и др.

Источниками финансирования компании Achates Power являются собственные средства, средства федерального бюджета, а также средства коммерческих организаций и иные внебюджетные источники. Всего компания привлекла более 185 млн. долларов инвестиций в виде различных грантов от государства и частных инвесторов [2].

Технология создания двигателей в компании Achates Power

В основу технологии создания двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями положено компьютерное моделирование. Оно позволяет моделировать рабочие процессы в двигателе и описывать их в детальной пространственной постановке. С помощью компьютерного моделирования строятся геометрические, физические, термодинамические, математические и др. модели. При этом используются самые современные компьютерные программы.

Создание двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями проводится в несколько этапов. На первом этапе выбираются целевые показатели, в качестве которых могут быть: мощность, крутящий момент, удельный расход топлива и др. Проводится расчет основных геометрических параметров двигателя (диаметр цилиндра, ход поршня, степень сжатия и др.). Выполняется предварительный расчет рабочих характеристик двигателя с учетом газодинамики и механических потерь в нульмерной постановке с помощью специализированного программного комплекса. Создается расчетная схема с помощью блоков, отвечающих за конкретный узел двигателя. Термодинамический расчет позволяет оценить рабочие характеристики двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и различных углов открытия дроссельной заслонки.

В ходе проведенных исследований было выявлено преимущество двигателей OP2S по сравнению с 4-тактными дизельными двигателями такой же мощности. Двигатели обладают большей эффективностью благодаря: меньшему отношению площади камеры сгорания к ее объему (~ 36%); увеличенному термическому КПД; более эффективной продувке и др. В двигателе OP2S происходит более короткое и интенсивное сгорание с более высоким пиком высвобождения энергии, что повышает тепловую эффективность двигателя [3], [4], [6].

Второй этап – моделирование газо- и термодинамических процессов в двигателе OP2S проводится в трехмерной постановке с учетом геометрических особенностей двигателя и теплоотдачи в стенки камеры сгорания. Выполняется трехмерная модель двигателя, после чего проводятся прочностные и теплофизические расчеты этой модели. По созданной трехмерной модели двигателя выполняются рабочие чертежи деталей.

В результате компьютерного моделирования двигателей OP2S были оптимизированы: формы камеры сгорания и головки поршня; расположение продувочных отверстий в гильзе цилиндра и схема распыления; масляное охлаждение поршня; системы охлаждения и смазки двигателя и др. [5], [7]. Кроме того, было определено оптимальное количество цилиндров – для многоцилиндрового двигателя OP2S оно равно 3. Оптимальное отношение хода поршня к диаметру цилиндра находится в диапазоне от 2,2 до 2,65 [4], [7].

Компьютерное моделирование дает возможность прогнозировать другие модели двигателей большей или меньшей мощности, что позволяет масштабировать технологию. В компании посредством компьютерного моделирования были разработаны 4 модели двигателей OP2S с рабочим объемом от 3,2 до 9,8 литра и количеством цилиндров в двигателе от 3 до 4 (табл. 1) [5], [7], [8], [9]. Модели двигателей сформированы на базе трех типоразмеров цилиндропоршневых групп (ЦПГ). Диапазон мощности двигателей составлял от 190 до 460 л.с.

 

Таблица 1 – Модели двигателей OP2S компании Achates Power

Параметры	Модель 1	Модель 2	Модель 3	Модель 4
Рабочий объем двигателя, л	3,2	4,3	4,9	9,8
Количество цилиндров	3	4	3	3
Диаметр цилиндра, мм	80	80	98,425	120
Общий ход поршней, мм	212,8	212	215,9	288
Отношение S/D	2,66	2,65	2,19	2,4
Степень сжатия	16,7	17,4	15,6	21
Среднее эффективное давление, бар	13,6	13,6	12,8	11,6
Максимальная мощность, кВт (л.с.) при частоте вращения, об/мин	140 (190) 2400	210 (285) 2400	160 (217) 2160	340 (460) 1800
Максимальный крутящий момент, Нм при частоте вращения, об/мин	720 1600	920 1500	1000 1200-1600	2100 1200-1400
Литература	[9]	[8]	[7]	[5]

 

Третий этап – изготовление и испытание экспериментального одноцилиндрового двигателя OP2S. Данные испытания проводят для оптимизации рабочего процесса и контроля за состоянием деталей (поршень, цилиндр и др.), подвергнутых тепловым нагрузкам. В компании изготовили и подвергли испытаниям два экспериментальных одноцилиндровых двигателя А40 и А48-1 двух типоразмеров максимальной мощностью 64 и 72 л.с. соответственно. Основные параметры двигателей представлены в табл. 2 [4], [7], [9]. Компания провела более 5 000 часов стендовых испытаний экспериментальных одноцилиндровых двигателей.

 

Таблица 2 – Экспериментальные одноцилиндровые двигатели OP2S

Параметры	А40	А48-1
Рабочий объем двигателя, л	1,07	1,64
Количество цилиндров	1	1
Диаметр цилиндра, мм	80	98,425
Общий ход поршней, мм	212,8	215,9
Отношение S/D	2,66	2,19
Степень сжатия	16,7	15,6
Среднее эффективное давление, бар	13,6	12,8
Максимальная мощность, кВт (л.с.) при частоте вращения, об/мин	47 (64) 2400	53 (72) 2200
Литература	[8], [9]	[4], [7]

 

Четвертый этап – изготовление и испытание экспериментального многоцилиндрового двигателя OP2S. Данные испытания проводят для подтверждения заданных целевых показателей по функциональности и надежности, а также по расходу топлива и вредным выбросам. При этом проводятся испытания системы охлаждения, системы смазки, снятие вибрационных характеристик, ресурсные испытания и др. В компании изготовили и подвергли испытаниям экспериментальный трехцилиндровый двигатель А48-3 (рис. 1) номинальной мощностью 280 л.с. [5], [10]. Он был разработан на базе ЦПГ двигателя А48-1. Основные параметры двигателя представлены в табл. 3. В общей сложности компания провела более 15 000 часов стендовых испытаний своих экспериментальных двигателей [2].

Рис. 1 – Двигатель OP2S с рабочим объемом 4,9 л.

 

Таблица 3 – Экспериментальный трехцилиндровый двигатель OP2S

Параметры	А48-3
Рабочий объем двигателя, л	4,9
Количество цилиндров	3
Диаметр цилиндра, мм	98,4
Общий ход поршней, мм	216
Отношение S/D	2,2
Степень сжатия	17,4
Среднее эффективное давление, бар	13,6
Номинальная мощность, кВт (л.с.) при частоте вращения, об/мин	205 (280) 2200
Литература	[5], [10]

 

Предложенная технология позволит создать модельные ряды двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями. Двигатели должны соответствовать требованиям международных стандартов по предельно допустимым выбросам вредных веществ, топливной экономичности. Специалисты компании Achates Power считают, что с помощью современных технологий, компьютерного управления работой двигателя, топливной системы common rail с высоким давлением многостадийного впрыска, системы рециркуляции отработавших газов, высокоэффективного турбонаддува и др., можно повысить литровую мощность двигателя, снизить значения предельно допустимых выбросов вредных веществ и удельного расхода топлива.

Заключение

Двухтактные двигатели с противоположно движущимися поршнями являются современными энергетическими установками. Широкое применение компьютерного моделирования позволит облегчить процессы унификации узлов и деталей двигателей. Серийное производство двигателей может быть организовано на базе традиционных технологий и не требует совершенно новой инфраструктуры. Применение масштабируемой технологии позволит создавать модельные ряды мощных, экономичных и экологичных двигателей гражданского и военного назначения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Pirault J.-P. Opposed Piston Engines: Evolution, Use, and Future Applications / J.-P. Pirault, M. Flint. Warrendale, PA, SAE International, 2010, 562 p.
2. Redon F. Performance and Emissions / F. Redon. [Electronic resource] : – URL: https://www.achatespower.com/ achates-power-opes_achates-power_redon.pdf (accessed 01.09.2020).
3. Herold R. Thermodynamic Benefits of Opposed-Piston Two-Stroke Engines / R. Herold, M.Wahl , G. Regner, J. Lemke et al. // SAE Technical Paper, 2011-01-2216, 2011, doi:10.4271/2011-01-2216.
4. Naik S. Practical Applications of Opposed-Piston Engine Technology to Reduce Fuel Consumption and Emissions / S. Naik, D. Johnson, J. Koszewnik, L. Fromm et al. // SAE Technical Paper, 2013-01-2754, 2013, doi:10.4271/2013-01-2754.
5. Abani N. Developing a 55% Commercial Heavy-Duty Opposed-Piston Engine without a Waste Heat Recovery System / N. Abani, N. Nagar, R. Zermeno, M. Chiang et al. // SAE Technical Paper, 2017-01-0638, 2017, doi:10.4271/2017-01-0638.
6. Redon F. Meeting Stringent 2025 Emissions and Fuel Efficiency Regulations with an Opposed-Piston, Light-duty Diesel Engine / Redon F., Kalebjian C., Kessler J., Rakovec N. et al. // SAE Technical Paper, 2014-01-1187, 2014, doi:10.4271/2014-01-1187.
7. Regner G. Modernizing the Opposed-Piston, Two-Stroke Engine for Clean, Efficient Transportation / Regner G., Fromm l., Johnson D., Koszewnik J. et al. // SAE Technical Paper, 2013-26-0114, 2013, doi:10.4271/2013-26-0114.
8. Johnson D. Opposed-Piston Two-Stroke Diesel Engine ‑ а Renaissance / Johnson D., Wahl M., Redon F., Dion E. et al. // Symposium on International Automotive Technology (SIAT), 2011. [Electronic resource]: – URL: https://www.achatespower.com/ SIATKeynoteOpposedPistonTwoStroke.pdf (accessed 01.09.2020).
9. Regner G. The Achates Power Opposed-Piston Two-Stroke Engine: Performance and Emissions Results in a Medium-Duty Application / Regner G., Herold R., Wahl M.H., Dion E. et al. // SAE Technical Paper, 2011-01-2221, 2011, doi:10.4271/2011-01-2221.
10. Naik S. Opposed-Piston 2-Stroke Multi-Cylinder Engine Dynamometer Demonstration / Naik S., Redon F., Regner G., Koszewnik J. // SAE Technical Paper, 2015-26-0038, 2015, doi:10.4271/2015-26-0038.