Основные направления развития двигателей
Принципиально в качестве силовых установок базовых машин могут использоваться различные типы двигателей внутреннего сгорания. Большое внимание в последнее время за рубежом уделяется разработке для ВиТ газотурбинных двигателей. Однако работы по созданию таких двигателей пока ещё не вышли за рамки экспериментов и широкое применение газовых турбин на колёсных и гусеничных машинах является всё ещё вопросом будущего. Появившиеся в последние десятилетия роторные двигатели при их неоспоримых преимуществах перед поршневыми двигателями в области малых мощностей, потребных для силовых установок БМ, не могут конкурировать с существующими двигателями и практически не имеют перспектив широкого применения в качестве основных силовых агрегатов колёсных и гусеничных машин.
Одним из основных направлений развития поршневых двигателей для БМ является улучшение их габаритно-массовых показателей при ограничении максимальной мощности на уровне 1100 кВт. Так. Фирмой MTU (ФРГ) разработан новый мощностный ряд двигателей для ВГМ МТ-880. Двенадцатицилиндровый четырехтактный многотопливный дизель этого ряда МТ-880 при максимальной мощности 1100 кВт имеет габаритную мощность 1130 кВт/м3 и удельную массу 1,24 кг/Вт. Высокие габаритно-массовые показатели имеет и двигатель V8Х 1500, устанавливаемый в новый французский танк «Леклерк». Двигатель оборудован системой наддува «Гипербар» и развивает мощность 1100 кВт. Габаритная мощность двигателя составляет 605 кВт/м3, а удельная масса — 1,5 кг/кВт. Наличие в системе наддува дополнительной камеры сгорания позволяет при незначительном увеличении удельного расхода топлива обеспечить надежный пуск, улучшить скоростную характеристику по крутящему моменту и приемистость двигателя.
Разрабатываемые отечественные двигатели по своим габаритно-массовым показателям не уступают новым зарубежным.
Другое важное направление развития поршневых двигателей — обеспечение возможности кратковременного увеличения мощности и улучшения приемистости за счёт подачи в цилиндры дополнительного топлива с одновременной подачей дополнительного воздуха или без него.
Основными направлениями развития ГТД является повышение их топливной экономичности, в том числе на частичных нагрузках, которое может быть обеспечено применением теплообменников с поддержанием высокой температуры газа за счёт РСА и повышением температуры газа перед турбиной при использовании более жаростойких материалов, в том числе керамических.
Интенсивно проводятся работы по созданию так называемых адиабатных двигателей, детали цилиндропоршневой группы которых изготовляются из керамических или металлокерамических материалов. Такой двигатель не имеет традиционного жидкостного контура системы охлаждения, что обеспечивает существенное сокращение габаритов и массы системы и особенно важно для танковых СУ. Применение в таком двигателе дополнительной силовой турбины, использующей повышенную тепловую связь с коленчатым валом двигателя, позволяет значительно, примерно в 25 – 30%, увеличить топливную экономичность.
На протяжении всего периода развития военных машин неоднократно рассматривались возможности использования их в СУ помимо ПД и ГТД двигателей самых различных типов. Наибольший интерес представляли двигатели с внешним приводом тепла, комбинированные силовые установки со свободнопоршневым генератором газа и газовой турбиной и роторно-поршневые двигатели.
Двигатель с внешним подводом тепла, известный в технической литературе как двигатель Стирлинга и предложенный около 70 лет назад, не получил в своё время широкого распространения вследствие больших технических трудностей его выполнения. Развитие техники и значительное расширение технологических возможностей вновь привлекло к нему внимание. Особенность цикла двигателя — в его замкнутости. Рабочее тело в его полостях не заменяется, а только изменяет свой объём.
В комбинированных силовых установках тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу последовательно сначала в поршневом, а затем в газотурбинном двигателе. В этой схеме поршневой двигатель, как правило, двухтактный с прямоточной щелевой продувкой свободнопоршневой, т. е. не имеющий кривошипно-шатунного механизма и вращающихся частей, выполняет роль генератора газа для газовой турбины.
Начиная с 60 гг. XX века в транспортом двигателестроении получают распространение роторно-поршневые двигатели (РПД). В РПД рабочий процесс осуществляется за четыре такта (сжатие, расширение, выпуск и впуск) при изменении объемов полостей, образованных между корпусом двигателя и совершающим сложное планетарное движение ротором, имеющим треугольную форму. Главное отличие РПД от поршневых двигателей состоит в замене возвратно-поступательного движения поршней вращательным движением ротора. Вследствие этого может быть увеличена частота вращения вала двигателя, что при одинаковом рабочем объеме позволяет получить большую мощность (большие в 2…3 раза литровую и в 3…4 раза габаритную мощности). Поэтому при одинаковой мощности РПД по сравнению с обычными поршневыми двигателями имеют существенно лучшие габаритно-массовые показатели (меньший в 1,5…2 раза удельный вес, в 2 раза меньшие число деталей и стоимость изготовления двигателей).
Рис. 1. Циклы работы роторно-поршневого двигателя
К преимуществам РПД следует отнести также меньшее число деталей, более широкие возможности создания мощностных рядов (двигателей различной мощности) путем объединения одинаковых секций, используя при этом 85…90% унифицированных деталей. Основные недостатки РПД: ограничение окружной скорости ротора значением 25…30 м/с, так как дальнейшее её увеличение вызывает повышенный износ деталей. Поэтому с увеличением размеров РПД приходится уменьшать частоту вращения, в связи с чем снижаются их преимущества в удельных габаритно-массовых показателях; сложность создания оптимальной формы камеры сгорания, надежных и долговечных уплотнений ротора.
Рис. 2. Виды наддува двигателей: а) газотурбинный; б) с механическим приводом нагнетателя; в) и г) комбинированные; Д — двигатель; К — компрессор; Т — турбина; Р — редуктор