31.01.2025г.
Предисловие
К настоящей пояснительной записке прилагаются экспертные оценки авиационной версии проекта от АО "Концерн ВКО "Алмаз - Антей" (письмо Генерального конструктора Созинова П.А. от 26.07.2024г.) и отзыв ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова», полученный от Департамента авиационной промышленности 22.08.2024г.*
Содержание
2. Основные технические данные двигателя 2ДП 8,2/6,5х2
4. Актуальность решаемой проблемы в авиационной версии
5. Области применения и потенциальные потребители (в составе конечных изделий)
6. Задачи, решенные в рамках проекта
8. Новизна предлагаемых научных, технических и технологических решений
10. Наличие научно-технического задела
11. Использованный в проекте опыт
12. Варианты электрогенераторных установок на базе двигателя 2ДП 8,2/6,5х2
Цель проекта – создание конструкции дешевого в производстве, технологически простого и неприхотливого в эксплуатации поршневого двигателя с передовыми качествами и резервами дальнейшего развития, который позволил бы заместить в РФ иностранные поршневые двигатели и заполнить ниши отсутствующих моделей для ряда областей применения мощностью до 200 л.с.
Оптимальные области применения двигателя и его модификаций – силовые установки для потребителей с узким скоростным режимом работы: авиационные, энергетические мобильные и стационарные, главные двигатели маломерных судов.
Достижение цели предполагается произвести одной базовой моделью двигателя 2ДП 8,2/6,5х2 и её модификациями с разным уровнем форсирования. Для мощностей до 150 л.с. достаточно комплектации двигателя продувочным компрессором с механическим приводом, более 150 л.с. дополнительно применяется турбонаддув и, при максимальных мощностях диапазона, охладитель наддувочного воздуха. Крутящий момент и частота вращения выходного вала изменяются сменными синхронизирующими передачами шестеренного или ременного типа, одновременно выполняющими функции редуктора или мультипликатора.
Для авиационных вариантов двигателя наименьшая максимальная постоянная мощность (авиационный термин) предполагается 100 л.с., т.к. при ней удельный вес составит около 0,8 кг/л.с. Это несколько больше средневзвешенного значения для серийных мировых моделей авиационных поршневых бензиновых двигателей, но существенно меньше максимальных значений (анализ в приложении «Двигатель авиационный поршневой 2ДП 8,2/6,5х2. Обоснование принятых конструктивных решений»).
В силу невысокого уровня форсирования двигателя 2ДП 8,2/6,5х2 возможно использование карбюраторного смесеобразования или газосмесительного оборудования, что позволяет отказаться от электронных систем управления и впрыска, сделать его проще и дешевле.
2. Основные технические данные двигателя 2ДП 8,2/6,5х2
Конструкторская документация на изготовление материального макета двигателя 2ДП 8,2/6,5х2 выполнена для наиболее простой комплектации, обеспечивающей мощность требующего импортозамещения австрийского двигателя ROTAX 915 iS. При этом двигатель 2ДП 8,2/6,5х2 имеет общий уровень форсирования в 2 раза ниже ROTAX 915 iS, что является предпосылкой для обеспечения высокого ресурса.
Материальный макет двигателя соответствует следующим характеристикам:
Двигатель двухцилиндровый, двухтактный, выполненный по конструктивной схеме ПДП (противоположно движущиеся поршни, 2 поршня в одном цилиндре), с центробежным продувочным компрессором прямого привода, горизонтальным расположением цилиндров, жидкостной (масляной) системой охлаждения, с шестеренным редуктором воздушного винта, одновременно являющимся синхронизирующей передачей.
1. Диаметр цилиндра, мм: 82.
2. Ход поршня, мм: 2 х 65.
3. Рабочий объем, л: 1,37.
4. Степень сжатия действительная: 8.
5. Топливо: авиационные бензины Б-91/115, 100LL, автомобильные бензины с детонационной стойкостью от АИ-95 и выше.
6. Подача топлива: карбюратором.
7. Воспламенение: искровое.
8. Постоянная мощность на высоте 0 м, кВт (л.с.): 103 (140).
9. Частота вращения выходного вала при постоянной мощности, об/мин: 2300.
10. Среднее эффективное давление, МПа: 0,83.
11. Удельный расход топлива на режиме максимальной постоянной мощности на высоте 0 м, по результатам моделирования, г/кВт/ч (г/л.с./ч): 290 (213) *.
12. Передаточное отношение шестеренного редуктора - 0,418.
13. Вес сухой, со стартером и имитатором встроенного электрогенератора, кг: 91**.
14. Габариты, высота / ширина / длина, мм: 385 / 595 / 650.
Примечания:
* - удельный расход топлива при применении ТКР в качестве ступени наддува, при неизменных прочих условиях, по результатам моделирования составит г/кВт/ч (г/л.с./ч): 267 (196,5);
** - указан вес макета двигателя для испытаний. Документация выполнена для изготовления корпусных деталей из широко применяемого сортамента материалов методами рядовых технологий механической обработки. Это сделано из соображений обеспечения наиболее быстрого, стабильно качественного и дешевого изготовления деталей при доводке. Также конструкция макета включает дополнительные исследовательские технологические элементы. Вес двигателя в окончательном виде, при изготовлении корпусных деталей литьем, без технологических дополнений, составит менее 80 кг.
3. Текущее состояние проекта
Проект находится на стадии «технический проект» согласно ГОСТ 2.103-2013, ГОСТ 2.120-2013, комплектность – в объеме требований к обязательным документам ГОСТ 2.102-2013.
Двигатель прошел предварительную доводку на базе электронной модели и электронных макетов (согласно ГОСТ 2.052-2021, ГОСТ Р 58301-2018, ГОСТ Р 57412-2017).
Для обеспечения доводки выполнен полный комплект конструкторской документации на изготовление материального макета.
4. Актуальность решаемой проблемы в авиационной версии
Актуальность обусловливается отсутствием серийных авиационных отечественных двигателей в диапазоне мощности 100…200 л.с.
Известные мне разрабатываемые двигатели являются повторением достигших потолка форсирования принятых в качестве прототипов (в частности, ROTAX 915 iS). Принимаемая концепция базового двигателя – 4-х тактный, для обеспечения конкурентного удельного веса на единицу мощности требует предельного для бензинового двигателя уровня форсирования по рабочему циклу, который составляет по среднему эффективному давлению ~ 16 бар. Достигается это применением дорогих и сложных компонентов – топливной аппаратуры распределенного впрыска с электронными блоками управления, и сопровождается высокой теплонапряженностью конструкции. К примеру, ROTAX 915 iS и его последователи имеют 3 (три!) системы охлаждения на двигатель. Резервов дальнейшего развития нет. Копирование ROTAX 915 iS может решить только тактическую краткосрочную задачу.
Следует также учитывать, что высокий уровень форсирования требуют значительного времени на доводку. Причем, в силу принятых изначально нерациональных решений известных мне конструкций, некоторые параметры недостижимы в принципе.
В коммерческом плане, учитывая ограниченную потребность страны в авиационных поршневых двигателях указанного диапазона мощности, удешевить производство за счет увеличения выпуска для применения этих моделей в других областях, в силу вышеназванных качеств не представляется возможным.
Предлагаемый двигатель 2ДП 8,2/6,5х2 в качестве авиационного лишен большей части указанных недостатков – двухтактный, имеет низкий уровень форсирования, у него отсутствуют газораспределительный механизм и головки цилиндров, что существенно упрощает его конструкцию, снижает нагрузку на единственную (масляную) систему охлаждения, минимизирует тепловые потери и улучшает экономичность.
Коммерческая привлекательность предлагаемого двигателя определяется возможной массовостью производства за счет широкой номенклатуры модификаций на основе одной базовой конструкции.
Доводка двигателя 2ДП 8,2/6,5х2, ввиду его простоты, исходя из моего многолетнего профессионального опыта, потребует значительно меньше времени и средств.
5. Области применения и потенциальные потребители (в составе конечных изделий)
Авиационный двигатель – МО РФ, гражданская отрасль БАС и СЛА.
Резервные стационарные электрогенераторы – гражданский сектор, бизнес, в частности АЗС, больницы, промышленные холодильники и другие объекты.
Энергетические мобильные установки – МО, МЧС, нефтегазовая отрасль.
Автотранспортная отрасль – в качестве силового агрегата для привода генератора гибридной установки.
Судовые двигатели – маломерный флот.
6. Задачи, решенные в рамках проекта
Для достижения целей проекта решались задачи увеличения КПД двигателя, уменьшения его конструктивной и технологической сложности, размеров и веса. Для расширения сферы применения в конструкцию была заложена возможность замены шестеренной синхронизирующей передачи на ременную, что потребовало согласования расстояния между осями коленчатых валов проектируемого двигателя под номенклатуру серийно выпускаемых ремней.
Отдельной задачей являлось создание системы продувки цилиндров с минимальными потерями свежего заряда, что обеспечивает высокие экономические характеристики двигателя.
К решенным конструкторско-технологическим задачам можно отнести общий подход при конструировании, позволяющий, например, изготовить полнофункциональный материальный макет двигателя из широко применяемого сортамента материалов методами рядовых технологий механической обработки, без литья.
При разработке карбюраторной версии топливоподачи дополнительной целью было создание возможности перевода двигателя на газовое топливо, что может быть осуществлено заменой карбюратора на газосмесительное оборудование. Вариант в большей степени актуален для гражданского применения.
7. Сроки выполнения работы
При согласовании ТЗ на уровень максимальной постоянной мощности в диапазоне 120-150 л.с. при частоте вращения коленвалов, близкой к n=5500об/мин, применении в качестве топлива бензина в карбюраторной версии подачи, с механическим приводом нагнетателя продувочного воздуха, с момента готовности испытательной базы, наличия оборудования и персонала для испытаний, срок доводки до ресурса 500-1000 м/ч составит ориентировочно 1 год чистого рабочего времени.
Далее – стандартные процедуры сертификации продукции.
8. Новизна предлагаемых научных, технических и технологических решений
В проекте использованы незащищенные на текущий момент патентоспособные решения силовой конструкции корпуса, элементов системы охлаждения, газообмена, а также конструкторско-технологические решения для унификации и взаимозаменяемости деталей при серийном производстве.
Патентная защита решений предполагается после их апробирования и подтверждения эффективности при проведении доводочных натурных испытаний.
9. Преимущества предлагаемых в инновационном проекте решений по сравнению с существующими в стране и за рубежом
Предлагаемый двигатель является 2-х тактным, не имеет газораспределительного механизма и головок цилиндров, предназначен для работы в узком скоростном режиме, поэтому является более простым конструктивно в сравнении с многорежимными 4-х тактными двигателями.
Не смотря на простоту конструкции, создание рабочего процесса такого двигателя является сложной расчетно-экспериментальной задачей, не имеющей стандартных шаблонов решения типа программных комплексов AVL Workspace / Simulation Suite. Для решения этой задачи необходима совокупность специфического опыта исследовательской работы и специальных знаний в области рабочих процессов ДВС, а также владение рядом современных программных комплексов.
Решение задачи организации рабочего процесса двигателя ПДП (противоположно движущиеся поршни, 2 поршня в одном цилиндре) значительно сложнее чем для 4-х тактного двигателя. При этом тотальное отсутствие специалистов по созданию любого поршневого двигателя с нуля не позволяет даже довести достаточно простые 4-х тактные двигатели, период доводки которых при современных доступных средствах расчета, даже в условиях ограниченного исследовательского оборудования, не может превышать 6-12 месяцев до достижения начального ресурса 500-1000 м/ч.
Поэтому в стране предложенный проект является инновационным.
За рубежом разрабатываемые двигатели ПДП дизельные, с непосредственном впрыском топлива в цилиндр при закрытых газообменных окнах, проблема потери топлива при газообмене отсутствует.
В отличие от зарубежных, предложенный двигатель является бензиновым с карбюраторным смесеобразованием, в связи с чем разработка системы газообмена существенно усложняется, т.к. необходимо решить задачу очистки цилиндра от отработавших газов и одновременно обеспечить минимальную потерю топливовоздушной смеси.
Выбор бензиновой версии связан с рядом причин, описанных в прилагаемом документе «Двигатель авиационный поршневой 2ДП 8,2/6,5х2. Обоснование принятых конструктивных решений», п. 4.1. Если кратко, то бензиновая карбюраторная версия позволяет сделать двигатель легче, проще и дешевле.
Также, в отличие от большинства зарубежных двигателей ПДП, инновационным решением является силовая схема корпуса двигателя, позволяющая облегчить конструкцию и частично разгрузить ее от внутренних термических напряжений.
Таким образом, в сравнении с зарубежными двигателями проект является инновационным.
10. Наличие научно-технического задела
Проект основан на инициативной разработке двигателя мобильной энергетической платформы, начатой мной в конце 1980-х и предложенной в 1996 году руководству АО «Волгоградский моторный завод». Разработка содержала ряд патентоспособных решений, была представлена в объеме технического предложения с необходимыми графическими и расчетными материалами, прошла научно-технический совет специалистов завода и была принята руководством завода к осуществлению с созданием отдельного КБ, но из-за ухудшения финансового положения, а затем и смены собственника завода, не реализована. Далее проект развивался с частной поддержкой. В авиационной версии был представлен на МАКС-2019 двигателем АКМ-117.
На текущий момент проект вбирает в себя опыт и найденные решения пройденных этапов, но выполнен уже на современной расчетной исследовательской базе.
11. Использованный в проекте опыт
С начала разработки базового двигателя для мобильной энергетической платформы отслеживалась доступная информация по теме двигателей ПДП и анализировались двигатели:
- зарубежные: JUMO 205, L60, H30, 38D8, 8G18, CONDOR WESLAKE, AFRICAR, DAIR 100, GEMINI 100, GKM 1400, OP2S и др.
- отечественные: 10Д100 (10Д 20,7/25,4), 5ТДФ, 6ТД, ДН-200, ДПРН 23/2х30.
Проекты двигателей, выполненных по схеме ПДП, в последние 20 лет активно развиваются во всем мире, особенно в США, где работы по этой концепции включены в ряд гос. программ, прежде всего военных. Ведущий разработчик – созданная в 2004 г. инжиниринговая компания Achates Power (Сан-Диего, шт. Калифорния, США). От этой компании достаточно много публикаций по испытаниям и исследованиям, они изучались.
Единственное предприятие в России, имевшее специалистов и оборудование на весь цикл НИОКР по созданию и доводке поршневых двигателей – АО «Волгоградский моторный завод», было разрушено в начале 2000-х годов. Я, как бывший начальник КБ этого предприятия, использую наработки, созданные в процессе инициативного создания двигателя ПДП мобильной энергетической платформы на этом предприятии.
В дальнейшем предполагается применение моего патента РФ №2066773 с датой приоритета 02.04.1993г. «Способ работы двигателя внутреннего сгорания». (разделенный процесс сгорания).
12. Варианты электрогенераторных установок на базе двигателя 2ДП 8,2/6,5х2
На основе авиационной версии двигателя разработаны варианты для использования в качестве силового агрегата генераторов электрического тока. Возможные варианты питания двигателя – сетевой бытовой газ / газобаллонное оборудование / бензин.
Предполагаемая область применения генераторов на базе двигателя – МО, МЧС, бизнес, частный сектор, а также автотранспорт в качестве генераторной установки гибридных силовых агрегатов, прежде всего городских автобусов.
Ниже представлена таблица вариантов генераторных установок с двигателем 2ДП 82/65х2, вырабатывающих переменный ток частотой 50 Гц.
Варианты генераторных установок с приводом от двигателя 2ДП 82/65х2
Индекс |
Генератор |
Двигатель |
||
мощность |
частота вращения вала генератора |
мощность |
частота вращения коленвалов двигателя |
|
кВт |
об/мин |
кВт |
об/ми | |
1 |
10-17 |
1500 |
22.8 |
1500 |
2 |
18-26 |
1500 |
38.0 |
2500 |
3 |
24-32 |
1500 |
44.6 |
2934 |
4 |
32-40 |
1500 |
54.0 |
3552 |
5 |
40-48 |
1500 |
65.0 |
4286 |
6 |
26-34 |
3000 |
45.6 |
3000 |
7 |
36-44 |
3000 |
60.2 |
3962 |
8 |
48-56 |
3000 |
76.0 |
5000 |
Генераторные версии от авиационной будут отличаться упрощенной конструкцией: заменой шестеренного редуктора на ременный, исключением системы «сухой картер», сниженной производительностью систем воздухоподачи и охлаждения. Эффективные параметры относительно авиационной версии будут дефорсированы по частоте вращения коленвалов и внутрицилиндровым давлениям, вес уменьшен, при этом запасы прочности и надежности увеличены, экономичность не ухудшена.
Прогнозируемая стоимость генераторных модификаций двигателей в начальный период производства не превысит стоимости аналогичных по мощности массово выпускаемых 4-х тактных зарубежных двигателей, что обусловлено существенно более простой и менее трудоемкой в производстве, с меньшим количеством деталей, конструкцией, а также карбюраторной / газосмесительной системой топливоподачи. При массовом выпуске цена значительно снизится, в том числе и за счет унификации разных версий двигателей по основным деталям и узлам.
Базовым преимуществом проекта будет являться практически монопольное предложение производителя дешевых отечественных узкорежимных силовых агрегатов авиационного технического уровня.
13. Примечание
* Отзыв ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» требует пояснений, поскольку включает ряд «противоречивых» замечаний:
Расчеты рабочего процесса для мощностей более 140 л. с. не предоставлены
Результаты расчетов рабочего процесса до мощности 200 л.с. представлены в документе «Двигатель авиационный поршневой 2ДП 82/65х2. Общие сведения, п. 1. Основные технические данные макета двигателя 2ДП 8,2/6,5х2». На базе этих расчетов, в том числе, определялась производительность систем охлаждения цилиндропоршневой группы и оценки прочности деталей, включая режим 140 л.с.
Оценки прочности деталей, запасы статической и усталостной прочности
Безусловно, указанные параметры должны определяться. Но поскольку конкретного ТЗ от заказчика не существует и остается многовариантность исполнения, определялись только максимально возможные (критериальные) нагрузки для диапазона мощности 0-200 л.с. и частоты вращения от 5500 (Nmax) до 5800 (ХХmax), в том числе для минимальных давлений в цилиндре (ХХ при высоте 8000 м, т.е. режим отказа, проверка на разрушение), где инерционные силы максимальны. При этом конструкция поршневой группы в расчетах была заложена под максимальные нагрузки, т.е. максимально тяжелой. Поэтому определявшиеся напряжения имели целью прогнозирование реализуемости конструкции в принятой концепции на основе конструкторского опыта.
Следует учитывать, что массы подвижных частей, соответственно и инерционные силы, будут зависеть от заданных ТЗ мощностей и рабочих частот (т.е. максимальных давлений в цилиндре, термических нагрузок на ЦПГ и ряда других факторов), что уточнит требования к конструкции деталей и может позволить значимо снизить их массу и уменьшить силы.
Расчет узлов крепления двигателя
Для расчета узлов крепления двигателя необходимо задать их расположение и требуемые параметры двигателя, что невозможно без определения потребителя двигателя и ТЗ на его создание. Поэтому в конструкции макета-демонстратора выполнены технологические опоры (указано в документации) с возможностью их замены для адаптации под конкретный потребитель.
По технологическим опорам выполнены расчеты виброактивности двигателя при 2-х вариантах КШМ, для чего, безусловно, определялись усилия на опорах. В случае запроса значения усилий могут быть сообщены дополнительно, но и приведенных в документе «Двигатель авиационный поршневой 2ДП 8,2/6,5х2. Расчеты» значений виброактивности и исходных данных достаточно для специалиста, чтобы вычислить эти усилия и рассчитать узлы крепления двигателя уже под конкретное исполнение.
Относительно начальной стадии проекта
Термин «начальная стадия» в ГОСТ отсутствует. Текущее состояние проекта – проектная стадия разработки конструкторской документации, технический проект (ГОСТ 2.103-2013, ГОСТ 2.120-2013). Завершению стадии препятствует отсутствие ТЗ и возможности изготовления и испытаний материального макета двигателя.
14. Приложения
1. Письмо Генерального конструктора АО "Концерн ВКО "Алмаз-Антей" Созинова
П.А. от 26.07.2024г.
2. Отзыв ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
3. Ответ МО РФ от 10.07.2024г.(получен 10.10.2024г.)
4. Двигатель авиационный поршневой 2ДП
8,2/6,5х2. Чертеж общего вида.
5. Двигатель авиационный поршневой 2ДП
8,2/6,5х2 . Общие сведения.
6. Двигатель авиационный поршневой 8,2/6,5х2. Обоснование принятых конструктивных решений.