CC BY
6
УДК 621.432.98
DOI: 10.14529/engin200304
АНАЛИТИКА ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ (ДВИГАТЕЛЯ) В УСЛОВИЯХ РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛНЫХ НАГРУЗОК
Б.А. Шароглазов, В.В. Клементьев
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия
В статье на базе анализа условий реализации рабочего цикла в камере сгорания тепловой машины (двигателя внутреннего сгорания) новой схемы делается предложение о комплексном аналитическом описании процессов, составляющих её рабочий цикл. Кратко анализируются принципиальные конструктивные схемы новых тепловых машин с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения их поршней во вращательное грузового вала. На основе уравнений термодинамики, механики и теории двигателй внутреннего сгорания с использованием ступенчатой функции Хевисайда формируется система уравнений, описывающих характер протекания параметров и показателей цикла в условиях использования тепловой машины на режимах полных (и близких к ним) нагрузок. Применительно к конкретной схеме бескривошипной поршневой машины (двигателя) приводятся примеры численной оценки параметров и показателей рабочего цикла такой тепловой машины. Показывается, что в сходственных условиях реализации рабочего цикла в бескривошипной поршневой машине (двигателе) и двигателе с кривошипно-шатун-ным механизмом, в бескривошипном двигателе (с двухпериодной беговой дорожкой) то же значение мощности реализуется при частотах вращения в два раза меньших, чем в двигателях внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Делается рекомендация о возможности и целесообразности применения бескривошипных поршневых машин-двигателей в качестве источников механической энергии.
Ключевые слова: поршневой двигатель внутреннего сгорания, механизм преобразования движения, рабочий цикл, параметры рабочего цикла, индикаторная диаграмма, индикаторная работа цикла, окружное усилие, крутящий момент, беговая дорожка, число периодов беговой дорожки.
Принятые сокращения и условные обозначения
БД - беговая дорожка;
БПМ - бескривошипная поршневая машина;
БПМ(Д) - бескривошипная поршневая машина (двигатель);
ВМТ - верхняя мертвая точка;
град. ПГВ - градус поворота грузового вала;
град. ПКВ - градус поворота коленчатого вала;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
КПД - коэффициент полезного действия;
КС - камера сгорания;
КШМ - кривошипно-шатунный механизм;
МГЦЭ - комплексный показатель степени совершенства и коммерческой (ценовой) доступности машины (мощность, габариты, цена, экономичность); МПД - механизм преобразования движения; НМТ - нижняя мертвая точка; РТ - рабочее тело; РЦ - рабочий цикл; СЗ - свежий заряд; ТВС - топливовоздушная смесь; ТМ - тепловая машина; ЦПГ - цилиндро-поршневая группа; ЭВМ - электронно-вычислительная машина;
Ни - низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива; 1 - число цилиндров двигателя;
L0/ - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания одного килограмма топлива; т - показатель характера сгорания в уравнении выгорания И.И. Вибе; Ne - эффективная мощность двигателя;
п - частота вращения коленчатого (грузового) вала двигателя;
п1 - показатель политропы сжатия;
п2 - показатель политропы расширения;
р - текущее давление рабочего тела в цилиндре двигателя;
р0 - давление окружающей среды; давление перед впускными органами;
рмакс - максимальное давление рабочего тела в цилиндре двигателя;
ра - давление рабочего тела в конце впуска;
Qz - общая использованная теплота сгорания;
qz - удельная использованная теплота сгорания;
S/D - относительный ход поршня (отношение хода поршня к диаметру цилиндра); Т - текущая температура рабочего тела в цилиндре двигателя; Тг - температура остаточных газов;
Т0 - температура окружающей среды; температура заряда перед впускными органами; Тмакс - максимальная температура рабочего тела; V - текущий удельный объём рабочего тела; va - удельный объём РТ в конце такта впуска; vc - удельный объём РТ в конце сжатия;
v0 - удельный объём РТ, приведённый к параметрам окружающей среды; у - точка на линии сжатия индикаторной диаграммы, соответствующая моменту воспламенения топлива (точка отрыва линии сгорания от линии сжатия); х - текущее значение доли выгоревшего топлива;
а - угол поворота коленчатого вала двигателя с КШМ, отсчитываемый от ВМТ; угол поворота грузового вала бескривошипной машины, отсчитываемый от ВМТ; ас - коэффициент избытка воздуха; £ - степень сжатия; це - эффективный КПД;
9 - угол опережения воспламенения (момент начала сгорания);
X = г / 1ш - отношение радиуса кривошипа г к длине шатуна 1ш (для двигателей с КШМ); о(а) - кинематическая функция хода поршня;
т - коэффициент тактности (равен 4 для четырёхтактных двигателей и 2 - для двухтактных ДВС);
Ф - угол поворота коленчатого (грузового) вала в градусах ПКВ (или ПГВ), отсчитываемый от начала горения;
фг - условная продолжительность сгорания топлива (горючей смеси); у(а) - кинематическая функция изменения объёма цилиндра; £ - коэффициент эффективности сгорания; 3 - коэффициент выделения теплоты.
Введение
В настоящее время в классе ТМ господствующими являются поршневые ТМ (в частности, ДВС с КШМ). Большая распространенность этих машин обусловлена высокой экономичностью их РЦ, надежностью, достаточно высоким сроком службы и отработанной технологией производства. В двигателях такого типа движение поршня, являющееся возвратно-поступательным, посредством КШМ преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. При этом среди механизмов и систем двигателя КШМ на сегодняшний день относится к наиболее высокотехнологичным, сложным в конструктивном отношении и дорогостоящим в изготовлении узлов ДВС. Хорошо известны данные о том, что на долю затрат по изготовлению КШМ приходится от 25 до 40 % в себестоимости производства двигателя в целом. Вместе с тем для обеспечения работоспособности КШМ необходимо наличие в конструкции двигателя большого количества трущихся
элементов (кинематических пар трения, в частности скольжения). А это обстоятельство, в свою очередь, вызывает увеличение механических потерь, ухудшает механический КПД, снижает мас-согабаритные параметры двигателя, а зачастую служит препятствием для дальнейшего совершенствования и экономических показателей.
Сказанное означает существование значительного интереса к отысканию новых, оригинальных схемных решений двигателей [1]. Так, например, разработаны - а некоторые из них достаточно широко распространены - такие конструктивные исполнения двигателей, как газотурбинные, роторные и роторно-поршневые [2, 3], свободнопоршневые [4] тепловые машины, а также бескривошипные и бесшатунные [5, 6]. К наиболее известным на сегодня следует отнести двигатели конструкции С.С. Баландина [7, 8] и Ф.Г. Ванкеля [9, 10]. Однако и упомянутым выше тепловым машинам присущи определенные недостатки, к наиболее существенным из которых относятся конструктивная и технологическая сложность, а также дороговизна в изготовлении.
В последние несколько лет учеными и инженерами кафедры ДВС Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) был предложен целый ряд технических решений по созданию новых конструктивных схем двигателей, не являющихся традиционными в общепринятом понимании ДВС как тепловой машины, построенной на основе КШМ. Эти (предложенные на кафедре ДВС ЮУрГУ) машины получили название БПМ. По мнению авторов-разработчиков, такие схемы БПМ позволяют в значительной мере исключить недостатки, присущие тепловым двигателям на основе КШМ, и вместе с тем обеспечить объединение достоинств как кривошип-но-шатунных ТМ (относительно высокая степень сжатия РТ, отработанная технология производства), так и, например, свободнопоршневых (отсутствие КШМ и в частности деталей, движение которых является сложным, плоскопараллельным - коленвала, деталей шатунной группы) [11].
Основное принципиальное отличие предложенных бесшатунных схем от других известных ТМ определяет то обстоятельство, что в БПМ обеспечивается техническая возможность прямого преобразования движения одного и того же поршня - возвратно-поступательного во вращательное, что предопределяет наличие у таких машин ряда преимуществ перед традиционными, кри-вошипно-шатунными. К этим преимуществам относятся прежде всего хорошие экономические показатели, полная уравновешенность оппозитных конструкций и схемных решений с противоположно движущимися поршнями, а также значительно более благоприятные удельные показатели - массогабаритные и мощностные. Интересы создания и разработки таких ТМ требуют разработки соответствующих методов решения задачи.
Особенности конструкции и аналитического описания процессов,
формирующих РЦ БПМ(Д)
Конструктивные особенности БПМ(Д) применительно к двухтактной схеме реализации РЦ в цилиндре поясняются схемой (рис. 1). Осесимметричный поршень 1 в такой БПМ соединяется с кареткой 3 МПД при помощи штока 2, верх которого (штока) установлен в подшипнике, расположенном внутри поршня на его днище. Низ штока укреплен в каретке неподвижно. Цапфы оси 4, проходящей через сквозное отверстие в каретке, снабжены подшипниками, катящимися при работе БПМ по БД, образуемой криволинейными торцовыми поверхностями цилиндрических вставкок 6, установленных неподвижно в корпусе машины. Выходной вал взаимодействует с кареткой МПД посредством своей верхней части, выполненной в виде двухрожковой вилки с возможностью перемещения каретки в пазу, образуемом рожками вилки выходного вала.
За счет того, что поршень выполнен осесимметричным, а также имеет подшипниковое соединение со штоком каретки МПД, обеспечивается снижение тепловой и механической нагру-женности поршня и, как следствие, его (поршня) тепловых и механических напряжений и деформаций в процессе работы двигателя. При этом выходной вал нагружен только крутящим моментом и не подвергается воздействию других видов механических напряжений. БПМ такого типа отличается и другими преимуществами относительно ТМ других конструктивных схем. К этим преимуществам относится, в частности, и то, что в такой БПМ отсутствуют боковые, или нормальные силы, действующие на детали ЦПГ (поршень и цилиндр) перпендикулярно боковой поверхности поршня, меняющие к тому же свой знак в процессе работы двигателя вследствие перекладки поршня в цилиндре в кривошипно-шатунных двигателях, что приводит в ДВС с КШМ к
повышению механических потерь и ударно-вибрационных нагрузок, а также к увеличению износа основных деталей ЦПГ.
Еще одним достоинством поршня осесимметричной формы является гораздо большая технологичность его изготовления, обусловленная отсутствием необходимости в использовании сложных процессов формообразования продольного и поперечного профилей боковой поверхности. При этом также минимизируются массогабаритные параметры такого поршня.
Рис. 1. Конструктивная схема двухтактной БПМ - двигателя с невращающимся поршнем и вращающимся выходным валом: 1 - поршень; 2 - шток; 3 - каретка МПД; 4 - ось каретки МПД;
5 - выходной вал; 6 - БД
На состояние РТ такой ТМ, определяемое рядом параметров (в частности, давлением, температурой, удельным объемом) и обусловливающее получение определенных технико-экономических параметров БПМ - двигателя, оказывает влияние целый ряд факторов, к основным из которых относятся характеристики тепломассообмена, закономерности процессов сгорания ТВС, кинематические параметры конструктивной схемы (в частности, закономерности перемещения поршня), характер нагрузки, режим работы двигателя. Оценка численных значений этих параметров, как и характера их изменения в течение РЦ, относится к одной из важных задач на стадии проектирования, исследования и доводки ТМ. Применительно к условиям проектирования такого рода расчёты (расчётные исследования) лежат в основе определения основных размеров тепловой машины. В частности (для поршневого ДВС), диаметра цилиндра и хода поршня, а затем - и выявления характера изменения показателей машины при её работе на различных режимах. Например, на режимах полных, но и частичных нагрузок также.
Для уже созданных ТМ такая оценка имеет значение с точки зрения сопоставительного анализа их (машин) применительно к различным условиям использования, а также - сопоставительной оценки достоинств и недостатков конкретных схем, типов и образцов ТМ.
Важны особенности протекания РЦ бескривошипной тепловой машины, конструктивная схема которой приведена на рис. 1, в сходственных условиях использования с традиционной двухтактной кривошипно-шатунной ТМ (двигателем) при одинаковых значениях их основных конструктивных параметров (диаметр цилиндра, ход поршня).
Решение этой задачи опирается на использование соответствующих методов прогнозирования (моделирования, аналитического описания) процессов и численную оценку параметров, характеризующих обстоятельства (условия) работы ТМ.
Решающими при определении показателей и параметров РЦ (применительно к двухтактным поршневым ДВС) являются процессы сжатия, сгорания, расширения и сопровождающие их явления теплообмена со стенками КС, цилиндра, а также особенности смесеобразования. Опыт оценки влияния названных обстоятельств на параметры РЦ ТМ в этой работе учтен. В частности, параметры процессов сжатия и расширения рассматриваются как параметры политропических процессов. В них численные значенияр, V, Т определяются начальным состоянием РТ в исходной точке процесса, условиями теплообмена со стенками, а также кинематикой движения поршня. Особенности перемещения поршня (его кинематика) в случае использования двухпериодной беговой дорожки могут, применительно к любому текущему моменту РЦ, быть отображены соотношением о(а) = 1 — cos2a. Функция особенна тем, что она безразмерная. Характером ее протекания определяется текущее положение поршня. Функция универсальна. В том смысле, что ее численные значения не зависят от конкретного поршня, двигателя в целом. Из анализа этой функции вытекает ряд важных аналитических соотношений. Например, кинематические функции
s -1
объема РТ: у/(а) = 1 н---и(а
(а) ; v = v„
■у(а) = — -у(а) . Названные обстоятельства использу-
2 е
ются для описания процессов РЦ БПМ(Д).
Известно достаточно большое количество уравнений, описывающих процесс выделения теплоты в двигателях [12, 13]. К получившим широкое распространение при моделировании процессов в двигателях относится уравнение, предложенное профессором И.И. Вибе [14, 15]. Оно является универсальным: им хорошо отображаются процессы выделения теплоты при горении смесей на основе углеводородных топлив (дизельные, бензовоздушные, керосиновые смеси и др.).
В исследовании И.И. Вибе [16, 17] процесс выделения теплоты в КС двигателя подчиняется относительно простому соотношению:
x = 1 - exp
-6,908
/ \ m+1 ' t А
V tz У
или x = 1 - exp
-6,908
/ \ m+1 Vz
где t, ф - текущее время (текущий угол ПКВ), отсчитываемое от момента начала сгорания; tz, фг - продолжительность сгорания, соответственно в с и град. ПКВ; т - показатель характера сгорания.
Предварительным сжатием РТ обеспечивается подготовка горючей смеси к сгоранию. В ДВС, работающих на лёгком топливе (в частности, на бензинах), момент начала сгорания можно отнести к управляемым процессам: это обеспечивается посредством управления подачей напряжения на электроды свечи зажигания. Названное условие оговаривается, как правило, на стадии проектирования ДВС. Межэлектродный электрический разряд служит началом новой фазы РЦ -фазы сгорания. Динамика сгорания определяется качеством горючей смеси, характеризуемым видом применяемого топлива и численным значением ас , а также параметрами состояния РТ в момент разряда на электродах свечи зажигания ру, Ту, Vy .
Качество процесса горения во многом определяется значением коэффициента эффективности сгорания % = ф • 8. Параметр 8 (коэффициент выделения теплоты) характеризует полноту выделения теплоты и во многом определяется значением ас и качеством процесса смесеобразования. Для случаев, когда ас больше единицы (для окисления компонентов топлива в полной мере достаточно окислителя), численное значение 5 принимается равным 1. Когда окислителя (воздуха) недостаточно, а <1, можно полагать, что часть углерода топлива сгорает в окись углерода, и обусловленные этим потери теплотворной способности топлива оцениваются с использованием соотношения [18]:
ЛНи = 4,13(1 — а)Ь0/, МДж / кг топлива, в котором L0/ определяется элементарным химическим составом топлива.
На основании записанного для АИи получаем:
S =
Нт, — ЛНи
Нт,
Потери теплоты в стенки оцениваются параметром у. И в этой связи он получил название коэффициента использования теплоты. Методы оценки у опираются на моделирование теплооб-менных процессов и в этой связи - на ряд эмпирических коэффициентов, характеризующих конструктивные особенности КС, условия смесеобразования, движение смеси и др. По этой причине, особенно при создании и исследовании новых машин, при назначении численного у опираются на статистический опыт.
Авторы для оценки численных значений у использовали эмпирическое соотношение, полученное на основании обработки статистического материала (в том числе литературного) по бензиновым ДВС с внешним смесеобразованием. Можно полагать, что
у = 0,8 + 0,1-N + 0,08 • п,
где Йе = Йе
п =
_ П/
. Еще раз отметим, что, так как расчёты выполнялись применительно к
режимам работы двигателей на «полной» нагрузке, и п принимались равными единице.
Аналитическое описание процессов, формирующих РЦ двухтактной БПМ(Д)
На основании сказанного совокупность процессов, протекающих в КС двухтактной поршневой ТМ (двигателя) в период осуществления РЦ, может быть отображена системой:
Р = Ра
Т = Т
У(аа )
_ у(а)
У{аа )
у(а) _
2Ч, (X - Х- ) + Р}-1 (КН,-1) • Ъ-1 - Ъ )
_КК
КК;-1)- V- - V
+ Р,
у(а)
у(аь )
п -1
•ст +
РГ^А
СТ + Т •
у(а) у(аь),
х = 1 - ехр
-6,908 f ^
Ни
К =-
(1 + ас • Ц k +1
' )(1 + г)
k -1
k = 1,259 -
76,7 Т
(
0,005 -
0,0372
а
Л
• х ;
у(а) = 1 + В ^ 1 ст(а) ;
1 £-1
1 +---ст(а
(а)
Индексы при параметрах обозначают их (параметров) принадлежность к характерным (а, у, ¿) моментам РЦ (рис. 2), текущим (при сгорании -/) точкам процессов, а также указывают на то обстоятельство, что численное значение параметра является средним для рассматриваемого участка (например, =
Для сокращения записей в системе уравнений использованы функции Хевисайда [20]. Их численные значения определяются условиями:
1; 90 < а < ау ; 0; ау < а < а, ; = 0; а < а < 270 .
0; 90 < а < ау ; 1; ау < а < а, ; 0; а < а < 270 .
0; 90 < а < ау ; 0; ау < а < а, ; 1; а < а < 270 .
Единственность решения системы определяется численными значениями начальных и граничных условий. К таким условиям относятся прежде всего значения параметов состояния РТ в момент, соответствующий а = аа = 90 град. ПГВ (для БПМ). Для двухтактного ДВС с КШМ аа = 180 град. ПКВ. Для этого моментар = ра; Т = Та; V = уа ; у(а) = у(аа); о(а) = о(аа). К гранич-
н
п
ст +
•<Т
п -1
Т
у
Ру ^
уу
ным условиям могут быть отнесены значения ас, е, S, S/D, а также кинематическая функция перемещения поршня. Ее численные значения определяют динамику движения элементов МПД и уровень их механического нагружения. На стадии первоначального проектирования БПМ(Д) целесообразно использование двухпериодной беговой дорожки [19]. В этом случае профиль функции опишется соотношением:
s = — fl - cos 2а) = — • 2sin2 а = S„ sin2 а , 2 V ) 2 п
в котором Sп - полное перемещение поршня.
Рис. 2. Схема протекания процессов РЦ (применительно к БПМ(Д), работающей по двухтактному циклу)
Распространение решения системы на весь период реализации цикла позволяет определить численные значения основных показателей РЦ. В частности, 1и, ри, цг, gi; 1и - удельная индикаторная работа цикла; ри - среднее индикаторное давление цикла; цi - индикаторный КПД; gi - удельный индикаторный расход топлива.
lu _ la-y + ly-z + h-b _ (Pava - PyVy ) + Ё ^ (VJ +1 + VJ ) + (PzVz " PbVb ) ;
П 1 i 2 1
p _ К _ lu (1 -Vu ).
ru
u V v„ (е-1)
h vc\
/
_ lu (1 -Vu )(«c • Lj + 1) 1 _ Hu ;
3600
gi тт Пг • Ни
В записанных выражениях коэффициентом учитывается потерянная в период процессов смены РТ доля хода поршня.
Сопоставительная оценка параметров, характеризующих работу БПМ(Д) и двигателя с КШМ в сходственных условиях нагружения
На базе рассмотренного расчётного инструментария с использованием упоминавшихся соотношений определим характер изменения текущих параметров РЦ (прежде всего р, Т) бескривошипной тепловой машины применительно к условиям работы с полной нагрузкой. Основными исходными данными приняты: р0 = 0,101, МПа; Т0 = 293; £ = 7,5; ас = 0,87; т = 3,5; фг = 23,8 град. ПГВ.; в = 12,68 град. ПГВ.; 3 = 0,82; щ = 0,9; ДТ = 30; Sп = 58 мм.
Результаты расчёта (в данном случае - применительно к текущим давлениям и температурам РТ) в функции а применительно к одному обороту грузового вала приведены на рис. 3.
Для кривошипно-шатунного двигателя той же размерности (диаметра цилиндра, хода поршня, степени сжатия) и аналогичных условий по нагрузке характер протекания параметров цикла (Р, Т, х, м) в течение одного оборота КВ иллюстрируется рис. 4.
Повторим, что рис. 3, 4 иллюстрируется характер изменения параметров РЦ при работе тепловых машин в сходственных условиях нагружения (одинаковые ас, £, Sп, т, ф2) в течение одного оборота грузового (БПМ) и коленчатого (ТМ с КШМ) валов. Различие в том, что при двухпери-одной беговой дорожке (БПМ) за один оборот ГВ совершается два РЦ, а в двигателе с КШМ -один. И, так как временная продолжительность циклов одинакова (при разнящихся в 2 раза п), производство механической энергии БПМ(Д) за один оборот в два раза превышает соответствующее ей производство энергии двигателей с КШМ [19].
Рис. 3. Изменение давлений, температур, доли сгоревшего топлива и скорости выгорания топлива в течение одного оборота ГВ при работе на режиме полной нагрузки (£ = 7,5; сгс = 0,87; 5П = 58 мм; и = 17,65-10"4 с)
нмт
вмт
нмт
600
2400
1800
1200
град. ПКВ
Рис. 4. Изменение параметров РТ в течение одного оборота КВ при работе кривошипно-шатунного двигателя с полной нагрузкой (£ = 7,5; ас = 0,87; Эп = 58 мм; tz = 15,74-10-4 с)
Сопоставительная оценка таких параметров, как рмакс, ру, Тмакс, Ту, р2, Т2 и др. (см. рис. 3, 4, 5), позволяет сделать заключение о том, что численные значения их применительно к двигателям рассматриваемых типов, работающих с одинаковой нагрузкой (при разнящихся в два раза п), фактически совпадают.
Детализированный анализ характера изменения индикаторных показателей тепловых машин возможен с использованием (р—)-диаграмм. На рис. 5 такое сопоставление параметров, иллюстрируемых рис. 3 и 4 в координатах, когда независимой переменной рассматривается относительное t / Ц время (продолжительность отрезка времени выбрана равной продолжительности цикла, за начало отсчёта принята точка а индикаторной диаграммы), приведено.
нмт вмт нмт
Рис. 5. Изменение параметров РТ в функции относительного времени цикла в условиях работы двигателей (БПМ и двигателя с КШМ) с одинаковой нагрузкой (£ = 7,5; ас = 0,87; Эп = 58 мм); - - БПМ; ------ двигатель с КШМ
Анализ характера изменения параметров РТ в течение цикла (см. рис. 5) применительно к одинаковым условиям нагружения машин позволяет заключить: при одинаковых нагрузках рабочие циклы ТМ (БПМ с двухпериодной беговой дорожкой и двухтактного двигателя с КШМ) идентичны. Практически одинаковы экстремальные значения показателей (рмакс, Тмакс), близки по значениям и первые производные отр и Т по времени. Одинаковы и мощности циклов.
Таким образом, сопоставительный анализ особенностей протекания РЦ тепловой машины нетрадиционной схемы и ТМ на базе кривошипно-шатунного механизма даёт основания заключить, что динамика протекания параметров этих машин (в сходственных условиях нагру-жения) практически одинакова.
Заключение
Применительно к схеме поршневой машины-двигателя с преобразованием возвратно-поступательного движения поршня во вращательное грузового вала предложена методика расчёта текущих параметров рабочего тела в цилиндре и показателей цикла. Результаты расчётных исследований показателей цикла бескривошипного ДВС с двухпериодным механизмом преобразования движения поршня сопоставимы с показателями кривошипно-шатунного двигателя в аналогичных условиях нагружения. При этом мощность БПМ(Д), развиваемая в период одного оборота, в два раза превышает относящуюся к одному обороту мощность двигателя с КШМ.
Анализ показателей РЦ бескривошипной поршневой тепловой машины и машины-двигателя с КШМ применительно к одинаковым условиям реализации РЦ (по величине £, ас, т, tz, te, Sп) да-
ёт основания утверждать, что бескривошипный двигатель по таким параметрам цикла, как рмакс, Тмакс, ри, Ци не уступает поршневому двигателю с КШМ. При этом производимая им работа, приходящаяся на один оборот грузового вала, превышает (в два раза) работу, производимую соответствующим двигателем с КШМ. Названное обстоятельство даёт основания утверждать, что комплексный показатель степени совершенства и коммерческой доступности (МГЦЭ - мощность, габариты, цена, экономичность) бескривошипных машин окажется по численному значению более благоприятным, чем у машин с КШМ.
Литература
1. Axial Internal-Combustion Engines. - http://www.douglasself.com/MUSEUM/POWER/un-usuallCeng/axial-ICeng/axial-IC.htm (accessed 30.05.2020).
2. Rotary Internal-Combustion Engines. - http://www.douglasself.com/MUSEUM/POWER/un-usuallCeng/rotarylC/rotarylC.htm (accessed 30.05.2020).
3. The Rotary Engine. - http://www.wankelsupertec.de/en_engine.html (accessed 30.05.2020).
4. Newcastle University. Free Piston Engine Project. - http://www.free-piston.eu (accessed 30.05.2020).
5. Crankless. A new efficient mechanical transmission. - http://crankless.net/index.html (accessed 30.05.2020).
6. Special Types of Internal Combustion Engines. - http://gluedideas. com/encyclopedia-britannica-volume-12-part-l-hydrozoa-jeremy/Special-Types-of-Internal.html (accessed 30.05.2020).
7. Баландин, С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания / С.С. Баландин - М. : Машиностроение, 1982. - 368 с.
8. Бирюков, Б.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя /Б.Н. Бирюков - М. : Машиностроение, 1990. -143 с.
9. Bensinger, W.D. Rotationskolben. / W.D. Bensinger. - Berlin: Springer-Verlag; New York: Heidelberg, 1973. - 156p.
10. Wankel, F. Rotary piston machines / F. Wankel. - Iliffe Books LTD, 1965.
11. Шароглазов, Б.А. Бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель: кинематика, рабочий цикл, показатели цикла: монография / Б.А. Шароглазов, А.В. Гофман. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014.
12. Богданов, С.Н. Автомобильные двигатели / С.Н. Богданов, М.М. Буренков, И.Е. Иванов. - Л.: Машиностроение, 1987.
13. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для вузов / Р.З. Кавтарадзе. -М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
14. Jante, A. Das Wiebe-Brenngesetz, ein Forschritt in der Kreisprozesse von Verbrennungsmotoren / A. Jante, E. Frick. - Berlin: Kraftfahrzeugtechnik. - 1961. - Hf. 4.
15. Viebe, I.I. Brennverlauf und Kreisprozeß von Verbrennungsmotoren / I.I. Viebe. - Berlin: Vebverlagtechnik, 1970. - 275p.
16. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателя (скорость сгорания и рабочий цикл двигателя) /И.И. Вибе. - М. ; Свердловск: Машгиз, 1962.
17. Viebe, I.I. Elektronische Analyse der Arbeitspiele von Verbrennungsmotoren / I.I. Viebe, M.F. Farafontov // Kraftfahrzeugtechnik. - 1967. - Hf. 10.
18. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1983.
19. Sharoglazov, B.A. Influence of Main Design Parameters of Motion Conversion Mechanism of Crankless Reciprocating Machine (Engine) on Torque Value on Output Shaft / B.A. Sharoglazov, V.V. Klementev // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). - 2020. - Vol. I. - P. 523-533.
Шароглазов Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания и электронные системы автомобилей», ЮжноУральский государственный университет, г. Челябинск, sharoglazovba@susu.ru.
Клементьев Вадим Вениаминович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Двигатели внутреннего сгорания и электронные системы автомобилей», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, klementevvv@susu.ru.
Поступила в редакцию 2 июня 2020 г
DOI: 10.14529/engin200304
ANALYTICS OF PROCESSES OCCURRING IN THE COMBUSTION CHAMBER OF AN UNCONVENTIONAL HEAT ENGINE (ENGINE) UNDER FULL LOAD CONDITIONS
B.A. Sharoglazov, sharoglazovba@susu.ru,
V.V. Klementev, klementevvv@susu.ru
South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation
Based on the analysis of the conditions for the implementation of the working cycle in the combustion chamber of a heat engine (internal combustion engine) of a new scheme, the article proposes a comprehensive analytical description of the processes that make up its working cycle. Briefly analyzed are the basic structural schemes of new heat engines with a mechanism for converting the reciprocating motion of their pistons into a rotational cargo shaft. Based on the equations of thermodynamics, mechanics, and the theory of internal combustion engines using the Heaviside step function, a system of equations is formed that describes the nature of the flow of parameters and cycle indicators under conditions of using a heat engine at full (and close to) load conditions. In relation to a specific scheme of a crankless piston machine (engine), examples of numerical evaluation of the parameters and indicators of the duty cycle of such a heat engine are given. It is shown that under similar conditions for the implementation of the duty cycle in a crankless piston machine (engine) and an engine with a crank mechanism, in a crankless engine (with a two-period treadmill), the same power value is realized at rotational speeds two times lower than in internal engines combustion with a crank mechanism. A recommendation is made about the possibility and expediency of using crankless piston machines-engines as sources of mechanical energy.
Keywords: reciprocating internal combustion engine, motion conversion mechanism, duty cycle, duty cycle parameters, indicator diagram, indicator cycle operation, circumferential force, torque, treadmill, number of treadmill periods.
References
1. Axial Internal-Combustion Engines. Available at: http://www.douglasself.com/MUSE-UM/POWER/unusuallCeng/axial-ICeng/axial-IC.htm (accessed 30.05.2020).
2. Rotary Internal-Combustion Engines. Available at: http://www.douglasself.com/MUSE-UM/POWER/unusualICeng/rotaryIC/rotaryIC.htm (accessed 30.05.2020).
3. The Rotary Engine. Available at: http://www.wankelsupertec.de/en_engine.html (accessed 30.05.2020).
4. Newcastle University. Free Piston Engine Project. Available at: http://www.free-piston.eu (accessed 30.05.2020).
5. Crankless. A new efficient mechanical transmission. Available at: http://crankless.net/index.html (accessed 30.05.2020).
6. Special Types of Internal Combustion Engines. Available at: http://gluedideas.com/encyclopedia-britannica-volume- 12-part-1 -hydrozoa-j eremy/Special-Types-of-Internal.html (accessed 30.05.2020).
7. Balandin S.S. Besshatunnyye dvigateli vnutrennego sgoraniya [Connecting rod internal combustion engines]. Moscow: Mashinostroyeniye Publ, 1982, 368 p.
8. Biryukov B.N. Ot vodyanogo kolesa do kvantovogo uskoritelya [ From a water wheel to a quantum accelerator]. Moscow: Mashinostroyeniye Publ, 1990. 143 p.
9. Bensinger W.D. Rotationskolben. Berlin: Springer-Verlag, New York: Heidelberg, 1973, 156 p.
10. Wankel F. Rotary piston machines. Iliffe Books LTD, 1965.
11. Sharoglazov B.A., Gofman A.V. Beskrivoshipnaya porshnevaya teplovaya mashina-dvigatel': kinematika, rabochiy tsikl, pokazateli tsikla [Crankless piston heat engine-engine: kinematics, duty cycle, cycle indicators]. Chelyabinsk: SUSU Publ., 2014.
12. Bogdanov S.N., Burenkov M.M., Ivanov I.E. Avtomobil'nyye dvigateli [Automotive engines]. Leningrad: Mashinostroyeniye, 1987.
13. Kavtaradze R.Z. Teoriyaporshnevykh dvigateley. Spetsial'nyye glavy: uchebnik dlya vuzov [The theory of piston engines. Special chapters: textbook for universities]. Moscow: MSTU im. N.E. Bauman Publ., 2008.
14. Jante A., Frick E. Das Wiebe-Brenngesetz, ein Forschritt in der Kreisprozesse von Verbrennungsmotoren, Berlin: Kraftfahrzeugtechnik. 1961. Hf. 4.
15. Viebe I.I. Brennverlauf und Kreisprozeß von Verbrennungsmotoren. Berlin: Vebverlagtechnik, 1970. 275 p.
16. Vibe I.I. Novoye o rabochem tsikle dvigatelya (skorost' sgoraniya i rabochiy tsikl dvigatelya) [New about the engine duty cycle (combustion rate and engine duty cycle)] Moscow: Sverdlovsk. Mashgiz. 1962.
17. Viebe I.I., Farafontov M.F. Elektronische Analyse der Arbeitspiele von Verbrennungsmotoren. Kraftfahrzeugtechnik. 1967. Hf. 10.
18. Vyrubov D.N., Ivaschenko N.A., Ivin V.I. and other Dvigateli vnutrennego sgoraniya: Teoriya porshnevykh i kombinirovannykh dvigateley. Uchebnik dlya vuzov po spetsial'nosti "Dvigateli vnutrennego sgoraniya,,. [Internal combustion engines: The theory of piston and combined engines. Textbook for universities in the specialty "Internal combustion engines"]. Moscow: Mashinostroyeniye Publ, 1983.
19. Sharoglazov B.A., Klementev V.V. Influence of Main Design Parameters of Motion Conversion Mechanism of Crankless Reciprocating Machine (Engine) on Torque Value on Output Shaft. Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). 2020, volume I, pp.523-533.
Received 2 June 2020
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Шароглазов, Б.А. Аналитика процессов, протекающих в камере сгорания нетрадиционной тепловой машины (двигателя) в условиях реализации полных нагрузок / Б.А. Шароглазов, В.В. Клементьев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2020. -Т. 20, № 3. - С. 36-47. DOI: 10.14529/е^ш200304
FOR CITATION
Sharoglazov B.A., Klementev V.V. Analytics of Processes Occurring in the Combustion Chamber of an Unconventional Heat Engine (Engine) Under Full Load Conditions. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mechanical Engineering Industry, 2020, vol. 20, no. 3, pp. 36-47. (in Russ.) DOI: 10.14529/engin200304
