CC BY
397
УДК 629.33;621.43
А. А. Грабовский, А. А. Семенов, А. В. Швецов
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ДВИГАТЕЛЯМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Аннотация. Представлен анализ факторов, определяющих значение экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания. Предложены технические решения, направленные на достижение требуемых показателей качества функционирования, позволяющее снизить количество вредных выбросов, с одновременным улучшением экономических показателей.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, экологические показатели.
Введение
История развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и силовых агрегатов в целом изобилует интенсивным поиском технических решений, направленных на повышение их эффективности. Некоторые из этих решений так и остались на уровне идей, некоторые были реализованы, но особого эффекта не привнесли и были отвергнуты, а некоторые реализованы и используются на современных двигателях. Благодаря ряду таких решений значения параметров функционирования современных двигателей возросли многократно.
К первой группе относятся, например, использование реактивных двигателей в наземных транспортных средствах (НТС), еще более фантастическая идея использования ядерных реакторов на автомобилях и тракторах.
Ко второй группе таких решений можно отнести роторные двигатели Ф. Ванкеля, роторно-поршневые двигатели и роторно-лопастные, диско-лопастные двигатели С. С. Сага-кова, безшатунные двигатели (свободнопоршневые) конструкции С. С. Баландина, А. Ву-ля, В. Чернодубровского.
К третьей группе относятся воспламенения рабочей смеси от сжатия, двухтактные двигатели, изобретение карбюратора, впрысковых систем, газораспределительного механизма (ГРМ) с регулируемыми фазами, отключаемые цилиндры, современные системы зажигания и многое другое.
Однако улучшение мощностных, экономических и экологических параметров ДВС является первостепенной задачей конструкторов и разработчиков двигателей. При этом все знают, что в основе этого улучшения лежит совершенствование рабочего цикла ДВС.
Резервы совершенствования рабочего цикла ДВС
Что такое рабочий цикл двигателя? Это совокупность процессов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности. Цель осуществления его проста. Необходимо полностью, без образования вредных веществ, сжечь топливо, а полученную энергию превратить в работу.
Для полного и экологически «чистого» сжигания топлива нужно необходимое количество воздуха, а также достаточное время и температура для сгорания.
Для обеспечения экологических параметров необходимо, чтобы кислорода было достаточно для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота.
158
Техника, технология, управление
Для получения максимальной работы цикла необходимо энергию уже сгоревшего топлива подвести к рабочему органу в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце, поскольку теплота, подведенная в середине такта рабочего хода, а тем более в конце хода, уже никому не нужна.
Резервы здесь колоссальны. Потерянная энергия составляет 47^75 % от энергии, которую может выделить топливо. Величина потерь энергии для различных типов двигателей и различных режимов их работы имеет разное деление на составляющие, но значения этих составляющих находятся в следующих диапазонах:
- потери от неполноты сгорания топлива - 2-25 %;
- потери в систему охлаждения - 15-30 %;
- потери с отработавшими газами - 20-55 %;
- потери от несвоевременности подвода тепла к циклу 10-15 %.
Основными причинами потерь являются:
1. Потери от неполноты сгорания топлива.
В основном эти потери связаны с крайне коротким - для современного высокооборотного двигателя менее миллисекунды - периодом, в течение которого нужно обеспечить сгорание топлива.
Второй фактор - условия сгорания после прохождения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) такта расширения ухудшаются. Объем полости сгорания увеличивается, из-за чего давление и температура газа понижаются, а площадь охлаждающих поверхностей и, соответственно, потери тепла возрастают.
Третий фактор связан со смесеобразованием - недостаток кислорода именно в том месте, где находится топливо. Топливо и воздух не успевают перемешаться из-за нехватки времени.
На решение этой задачи направлены современные топливные системы с электронным управлением, многостадийный впрыск, высокоэнергетические системы воспламенения и другие, доведенные практически до предела совершенства, технические средства.
2. Потери в систему охлаждения.
Первое решение задачи вытекает из законов геометрии. Газ, содержащий тепло, занимает объем, а теплообмен определяется площадью поверхности, которая ограничивает этот объем. Объем - это кубическая величина, и с увеличением прирастает в третьей степени, в то время как площадь - квадратичная величина, и прирастает во второй степени.
Второе решение этой задачи - уменьшение количества контактирующих с газом поверхностей.
3. Потери с отработавшими газами.
Потери данной энергии обусловлены по большей части несвоевременностью подвода тепла (тепло, подведенное в середине и конце такта расширения) и недостаточности хода поршня для полного расширения газов до атмосферного давления.
4. Потери от несвоевременности подвода тепла.
Это потери, связанные с неэффективным использованием полученного тепла. Чем позже после ВМТ рабочего хода подведено тепло, тем меньше оно используется, тем больше его вылетает в трубу с отработавшими газами.
Для получения максимальной работы все тепло должно быть подведено в ВМТ перед тактом рабочего хода, не раньше (увеличивается отрицательная работа сжатия), не позже (уменьшается эффективность расширения). Но для этого сжечь топливо надо в ВМТ. А эта проблема нам уже известна.
Вывод: в классическом цикле принципиального решения нет.
159
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Анализ существующих технических решений
Для решения проблемы повышения эффективности ДВС разработчики бьются над созданием ДВС с изменяемой степенью сжатия. Это конструкции кривошипношатунного механизма (КШМ) с эксцентриковой установкой коленчатого вала, с использованием сочлененных шатунов, с шарнирным соединением картера и блока цилиндров и множество других вариантов. В качестве примера можно привести разработки концерна Фольксваген-Ауди, Мерседес, SAAB и др.
Далее. Это разработка и реализация пятитактных и трехтактных двигателей, у которых процесс сгорания топлива предлагается вынести в качестве самостоятельного такта. Это двигатели профессора Ленинградского института авиационного приборостроения В. М. Кушуля, который предложил не только конструкцию двигателя, но сделал теоретическое обоснование данному процессу еще в 1962 г. Это двигатель Кармело Скудери, разрабатываемый американской компанией «Scuderi Group». Дальнейшим развитием рабочего процесса Кушуля и «Scuderi Group» является двигатель американца Джона Заджака (John Zajac), разрабатываемый фирмой «Zajac Motors» [1].
Ближе всех к отделенному процессу сгорания, без излишеств рассмотренных выше двигателей, подошла немецкая фирма «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG». Это двигатель с вращающейся головкой.
Однако цикл с отделенным процессом сгорания был разработан задолго до Скудери, Заджака и DIRO начальником конструкторского бюро рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания ОАО «Волгоградский моторный завод» С. В. Митрофановым [1]. Еще в конце 1980-х гг. это техническое решение защищено патентом Российской Федерации № 2066773 с приоритетом от 2 апреля 1993 г. Он не имеет недостатков двигателей Кушуля, Скудери, Заджака и DIRO потому, что изначально создавался как отделенный процесс сгорания с задачей динамичного управления циклом.
Следующее направление совершенствования термодинамического цикла основано на реализации ДВС со сверхвысокими степенями сжатия. Данное техническое решение в нашей стране предложено Ибадуллаевым Г. А. (ДагГТУ, г. Махачкала). Суть этого предложения заключается в использовании сверхвысоких степеней сжатия в бензиновых двигателях, порядка 16-19,5. Как оказалось, на быстроходных двигателях топливовоздушная смесь не успевает прогреваться до температуры самовоспламенения и поджигается искровым разрядом системы зажигания. При этом повышается мощность, экономичность и экологичность. Конечно, вопросы надежности и долговечности таких двигателей мы рассматривать пока не будем.
К сожалению, отечественные специалисты отвергли данное техническое решение, не оценив его. А может потому и отвергли, что оценили. Но, как оказалось, его не отвергли зарубежные производители. Так, компания Mazda намеревается еще в течение очень длительного времени выпускать атмосферные бензиновые моторы - к выходу запланированы двигатели Skyactiv второго и даже третьего поколений, которые разрабатываются соответственно под европейские экологические стандарты 2020 и 2025 гг. Ключевой акцент - на эффективности сгорания топливовоздушной смеси. За счет чего? Наибольшую ставку делают на дальнейшее повышение и без того сверхвысокой степени сжатия (сейчас она равна 13/14:1, и в будущем данный коэффициент доведут до 18:1), а также на воспламенение от сжатия - как у дизелей! Последнюю технологию ныне особенно активно пытаются довести до ума, так как без свечей зажигания сложно контролировать процесс на сравнительно высоких и низких оборотах.
Концерн Hyundai-Kia работает над созданием бензинового мотора, не использующего свечи зажигания. Экспериментальный двигатель GDCI объемом 1,8 литра оснащен компрессором и турбонагнетателем и развивает 180 л.с. Революционный ДВС обещает стать на 25 % экономичнее обычного бензинового аналога и дешевле схожего по отдаче турбодизеля, в том числе в обслуживании.
160
Техника, технология, управление
Над подобным ДВС в прошлом десятилетии работали инженеры компании Mercedes-Benz, окрестившие тогда свое детище DiesOtto. В настоящее время активные разработки ведутся в концерне Ф/А.
Еще более революционным техническим решением является использование гибридных и комбинированных силовых установок. Сегодня практически все разработчики имеют свой вариант таких агрегатов. Наибольшего успеха в этом направлении добились японские производители авто.
Разработка и исследование перспективных технических решений
Экономические и экологические параметры функционирования ДВС напрямую определяются качеством реализации термодинамического цикла, включающего процессы газообмена, сжатия и подвода теплоты. Работа ДВС, основанная на классических термодинамических циклах Отто, Сабатэ-Тринклира, Дизеля, сопровождается рядом взаимосвязанных положительных и отрицательных свойств как экономического, так и экологического характера.
При этом улучшение одного параметра, как правило, ведет к ухудшению другого (других). Так, например, повышение степени сжатия улучшает процессы горения, следовательно, улучшается экономичность двигателя. При этом несколько снижается выброс окиси углерода. В то же время резко увеличивается выброс окиси азота, что в несколько раз опаснее для окружающей среды. Не следует также игнорировать повышенные требования к октановому числу бензина, увеличение которого зачастую достигается не менее вредными присадками.
Установка в систему отвода отработавших газов каталитических нейтрализаторов, оптимизация параметров функционирования систем питания и зажигания посредством микропроцессорной системы управления современным ДВС несколько снижает остроту проблемы, и работа ДВС даже соответствует европейским нормам токсичности. Однако в этом случае неоправданно возрастают стоимостные показатели транспортных средств.
В 1886 г. английский инженер Джеймс Аткинсон, анализируя индикаторную диаграмму цикла Отто, пришел к выводу о необходимости изменения соотношения времен тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона (рис. 1) рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счет увеличения пути перемещения поршня на такте расширения относительно такта сжатия и закрытия впускного клапана с задержкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия, которое достигалось путем изменения геометрического радиуса кривошипа посредством применения дополнительного кинематического звена в КШМ.
длительность открытия впускных клапанов Рис. 1. Модель двигателя Д. Аткинсона и круговая диаграмма циклов
1б1
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Это в свою очередь определяло резкое снижение температуры цикла, а следовательно, и величину вредных выбросов. Но ввиду сложности технического решения Д. Аткинсону не удалось реализовать предложенный им термодинамический цикл [2].
В 1947 г. американский инженер Ральф Миллер, экспериментируя с газовым двигателем, предложил способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто. Вместо того чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто) [3].
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической при сохранении неизменной степени расширения, т.е. такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается, как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси (рис. 2).
Рис. 2. Индикаторные диаграммы циклов Отто и Миллера
В противовес данным техническим решения предлагается КШМ со сдвоенными кинетическими связями (рис. 3) [4]. Характеристики ДВС на основе такого КШМ выгодно отличаются от своих классических собратьев. Это приращение рабочего объема цилиндров на 8-12 %, что в свою очередь обеспечивает повышение мощности. Белее чем в два раза возрастает крутящий момент. Уравновешивается нормальная составляющая сила N%, обусловливающая поджатие поршней к цилиндрам и составляющая 1/3 от всех потерь на трение.
162
Техника, технология, управление
Рис. 3. Расчетная схема дезаксиального кривошипно-шатунного механизма со сдвоенными кинематическими связями
Обеспечивается практически полная динамическая уравновешенность. Задержка (зависание) поршней на 8 мсек в нижней мертвой точке в конце такта впуска и начала такта сжатия обеспечивает дозарядку цилиндров дополнительным количеством воздуха или топливовоздушной смеси, а следовательно, дополнительно увеличивается мощность и на 4 мсек в ВМТ, что обеспечивает горение рабочей смеси при постоянном объеме, а следовательно, повышение термического коэффициента полезного действия. Но самое главное - это возможность реализации нового термодинамического цикла, превосходящего по параметрам циклы Аткинсона-Миллера, не имеющего присущих им недостатков. Расчетная индикаторная диаграмма предложенного термодинамического цикла представлена на рис. 4.
Рис. 4. Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания на основе кривошипношатунного механизма со сдвоенными кинематическими связями: r-а’ - такт впуска; а—а’ - кинематический угол «дозарядки» цилиндра; а’-а” - угол «дозарядки» цилиндра на такте сжатия; а’-с - такт сжатия рабочей смеси; с-z - процесс горения; z-b - рабочий ход (такт расширения); b-b’-b’’ - угол свободного выпуска ОГ; b’’-r - такт выпуска
163
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Второе техническое решение - это дискретное изменение мощности (ДИМ), основанное на поочередном отключении цилиндров в соответствие с порядком их работы, в зависимости от нагрузки и условий работы (рис. 5.) [5, 6].
Рис. 5. Схема формирования «растянутого» порядка работы цилиндров двухтактного 3-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания с вертикальным коленчатым валом:
1 - цилиндр - начало рабочего хода; 2 - цилиндр - начало сжатия; 3 - цилиндр - конец рабочего хода; 100 % мощности, порядок работы 1-2-3, 1 оборот коленчатого вала; 50 % мощности, порядок работы 1-0-3-0-2-0, 2 оборота коленчатого вала; 25 % мощности, порядок работы 1-0-0-0-2-0-0-0-3-0-0-0, 4 оборота коленчатого вала
Это значит, что при работе двигателя на холостом ходу, при незначительных нагрузках в городских условиях эксплуатации, при движении по проселочной дороге или среднескоростной магистрали, когда отсутствует необходимость использования полной мощности, двигатель можно перевести на частичную нагрузку поочередным отключением части цилиндров. При этом активные цилиндры будут работать в более благоприятных условиях и в плане экономичности, и в плане экологичности. Как показывают расчеты и эксперимент, это техническое решение позволяет сэкономить до 20-25 % топлива. Кроме того, предложенное техническое решение очень хорошо работает с ГРМ с управляемыми по фазам и состоянию «открыт-закрыт» клапанами. Разработан алгоритм функционирования и приборное оснащение для реализации ДВС с ДИМ (рис. 6).
164
Техника, технология, управление
Рис. 6. Алгоритм реализации дискретного изменения мощности для четырехтактного рядного пятицилиндрового двигателя внутреннего сгорания при 50 % мощности с управляемым газораспределительным механизмом
Самым свежим техническим решением является разработка КШМ с коаксиальными (соосными) поршнями (рис. 7). Особенностью конструкции КШМ является коаксиальное расположение двух поршней, помещенных в цилиндр и посредством трех шатунов связанных с шейкой кривошипа. При этом на кривошипе выполнено три посадочных места под нижние головки шатунов. Две шейки под крайние шатуны соосные, а средняя -со смещением по вылету и углу.
Рис. 7. Макет кривошипно-шатунного механизма с коаксиальными поршнями
165
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Данное техническое решение позволяет устранить комплексную проблему совершенствования рабочего цикла ДВС.
Это улучшение наполняемости цилиндров двигателя за счет увеличения объема цилиндра в конце такта впуска и начала такта сжатия (рис. 8), значительное снижение количества теплоты, подводимой к рабочему телу в процессе сжатия за счет увеличения сжимаемого объема; повышение эффективности сжигания рабочей смеси при постоянстве объема камеры сгорания и подвода теплоты к рабочему органу, т.е. поршням в начале расширения (рабочего хода).
Рис. 8. Графики изменения надпоршневой полости классического (центрального) и предлагаемого кривошипно-шатунного механизма (симметрическая штриховая кривая для классического (центрального) кривошипно-шатунного механизма, смещенная сплошная -для кривошипно-шатунного механизма с коаксиальными поршнями)
Анализ круговых диаграмм фаз газораспределения ДВС на основе классического (а) и предлагаемого (б) также подтверждает эффективность данного технического решения (рис. 9).
а) б)
Рис. 9. Круговые диаграммы фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания на основе классического центрального (а) и предлагаемого (б) кривошипно-шатунного механизма
166
Техника, технология, управление
Кроме того, линия сжатия будет проходить несколько ниже линии сжатия классического ДВС, а линия расширения, наоборот, несколько выше, что позволяет значительно увеличить площадь фигуры, заключенной между этими линиями. А эта площадь эквивалентна работе, совершаемой газами в цилиндре двигателя (рис. 10).
у/////1 ДВС на основе классического КШМ sassasd ДВС на основе КШМ с коаксиальными поршнями
Рис. 10. Сравнение индикаторных диаграмм тактов сжатия и расширения двигателя внутреннего сгорания на основе классического центрального и предлагаемого кривошипно-шатунного механизма
В ходе исследования был проведен кинематический расчет КШМ, прочностной расчет шатунов.
Заключение
Разработанные технические решения могут быть успешно реализованы в двигателях нового поколения. Расчеты и эксперименты доказывают высокую эффективность предлагаемых технических решений, способных вывести двигателестроение г. Пензы и Россий на новый качественный уровень.
Список литературы
1. Митрофанов, С. В. О ДВС, его резервах и перспективах развития глазами специалиста. -URL: http://rtc-ec.ru/notes/o_dvs.html
167
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
2. Цикл Аткинсона. - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Atkinson
3. Цикл Миллера. - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/^Kn_MaMepa
4. Патент № 2382891 (РФ). Кривошипно-шатунный механизм со сдвоенными кинематическими связями / А. А. Грабовский // БИ. - 27. 02. 2010, Бюл. № 6.
5. Патент № 2380562 (РФ). Способ дискретного изменения мощности ДВС / А. А. Грабовский // БИ. - 27. 01. 2010, Бюл. № 3.
6. Патент № 2473818 (РФ). Способ дискретного изменения мощности ДВС / А. А. Грабов-ский. - Заявка № 2010146522, Приор. 15.11.10 ; Опубл. 27.01.2013, Бюл. № 3.
Грабовский Александр Андреевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра транспортных машин и комплексов, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Семенов Александр Алексеевич
кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, кафедра транспортных машин и комплексов, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Швецов Александр Владимирович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Grabovskiy Aleksandr Andreevich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of transport vehicles and complexes, Penza State University
Semenov Aleksandr Alekseevich
candidate of technical sciences, associate professor, senior researcher,
sub-department of transport vehicles and complexes, Penza State University
Shvetsov Aleksandr Vladimirovich
student,
Penza State University
УДК 629.33j621.43 Грабовский, А. А.
Анализ существующих и перспективных технических решений по двигателям внутреннего сгорания / А. А. Грабовский, А. А. Семенов, А. В. Швецов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 158-168.
