Глобальная Авантюра  
ФОРУМ
главное меню

Двигатели АТ и БТТ

 

   
Volonikser114  

Слушатель

Карма: +0.37
Регистрация: 24.03.2020
Сообщений: 2
Читатели: 0
 
ДвиВС
Дискуссия 217 0 +0.00 / 0 +0.00 / 0

Здравствуйте! Я с Вами

+ 0.00 / 0
   
Volonikser114  

Слушатель

Карма: +0.37
Регистрация: 24.03.2020
Сообщений: 2
Читатели: 0
 

ДЕЛО № 42. СТАРИКАШКА ЭДЕЛЬВЕЙС
Эта, так я и говорю, ценное же начинание...
Объясни, мон шер, товарищам, что тут у тебя и к чему.
Сказка о Тройке. А.и Б. Стругацкие
Или каждому двигателю своя кинематика
Авторы

рис.1. Компоновочная схема двигателя с шестизвенным механизмом.



Рис.2 Кинематическая схема шестизвенного механизма

1 - поршень, 2 - шток, 3 - коромысло, 4 - шатун, 5 - кривошип, 6 - управляющий эксцентрик
Реализация рабочего процесса современных ДВС базируется на использовании традиционной кинематической схеме трехзвенного механизма (известной как кривошипно-шатунный механизм, сокращенно КШМ), практически не претерпевшую изменений за более чем 150 летнюю историю развития двигателей этого типа. Улучшение же выходных показателей осуществлялось за счет развития управляемых систем подачи топлива и воздуха в различных вариантах, а асимптотическое приближение к совершенству уже требует все больших и больших умственных и материальных затрат. Назревает (или уже назрела?) необходимость введения управления движением поршня как дополнительного (и, возможно, мощного) средства наиболее полного преобразования химической энергии топлива в механическую работу.
Собственно, первая попытка изменить закон движения поршня по углу поворота коленчатого вала с указанной выше целью была предпринята еще на заре двигателестроения. В 1886 году Джеймс Аткинсон, чтобы обойти патенты Николая Отто предложил изменить соотношение продолжительности тактов цикла Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения преобразующего механизма и "ограбления" других тактов. Благодаря сложной системе рычагов все четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) цикла Аткинсона происходят за один оборот коленчатого вала (в цикле Отто за два оборота). При этом, обращаем внимание, продолжительность тактов (по углу поворота коленчатого вала) в цикле Аткинсона разная. По каким-то причинам недостатком двигателя Аткинсона (в первоначальном виде) считается уменьшение рабочего объема в два раза, но мы не встречали оговорки, что это компенсируется увеличением оборотности в два раза.
Как представляется, цикл Аткинсона стал первым в ряду способов реализации концепции "продолженного расширения". Почти сразу Н.Отто и Р. Дизель предложили схему трехцилиндрового пятитактного двигателя, где два поршня рабочие (четыре такта) и один поршень работал на продолженное расширение.
В последующие десятилетия идея управления ходом поршня развивалась в вялотекущем режиме, не принося практических результатов: плата за улучшение выходных показателей двигателя, с точки зрения экономической целесообразности производства, не должна быть чрезмерно высокой.
Мы не очень погрешим против истины, если скажем что наибольших успехов (в смысле практической реализации) в изменении закона хода поршня по углу поворота коленчатого вала добился С.С. Баландин со своим бесшатунным двигателем. Мы в свое время тоже отдали дань бесшатуннику, показав расчетом выгоды от движения поршня по синусоиде (что, кстати, Сергей Степанович в своей книге не отмечает) и создав в металле полноразмерный двигатель, который на моторном стенде под нагрузкой давал проблески жизни, но постоянно "заедал". При разборе причин подобной неприятности был показан вероятностный парадокс: без смазки все будет работать нормально, со смазкой - неизбежный "клин", если не применять подработку трущихся пар. [См.. "Размерные цепи бесшатунного механизма ДВС С.С. Баландина. Анализ работоспособности механизма". Грузовик №10, 2008 г. ]. Стало ясно, что кинематическая схема бесшатунника годится только для штучного выпуска, даже не для мелкой серии.
На рубеже веков удалось показать, что есть некая возможность осуществить схему ДВС, в которой перемещение поршня в области ВМТ будет ещё более медленным, чем при применении схемы С.С. Баландина с чисто синусоидальным движением поршня. Эта возможная тема не получила развития в связи с очевидной (для разработчиков) громоздкости конструкции.
К настоящему времени разработана компоновочная схема с условным индексом "НБ" (рис.1), в которой можно осуществить целый ряд типов перемещения поршня для применения в различных типах ДВС. По выбранной схеме "НБ" прокомпонован многоцилиндровый двигатель с относительно умеренными габаритами и полностью определяемыми реакциями во всех звеньях.
Здесь мы предлагаем Вашему вниманию (с полным пониманием того, что существенным недостатком данного предложения является необходимость создания двигателя новой конструкции) посыл для разработки ДВС, кинематическая схема которого позволяет реализовать в одном и тоже габарите (что важно для объекта) множество вариантов траектории движения поршня и выбрать подходящую, практически не меняя конструктивную схему мотора в целом.
Оговоримся сразу: термины, применяемые здесь в силу того, что мы предпочитаем привычные термины моторостроения, отличаются от терминов, применяемых в теории машин и механизмов. На графиках для ясности указаны величины хода поршня в миллиметрах. Поскольку чертить в безразмерных координатах еще не научились, за базу была взята размерность двигателя КАМАЗ-740 с S/D=120/120 мм, выбор почти случайный. Можно пересчитать в относительные величины, но это не принципиально.
Итак, к делу: рассматривается кривошипно-коромысло-шатунный механизм (ККШМ) преобразования вращательного движения коленчатого вала в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня. Кинематическая схема показана на рис 2.
Данный механизм относится в ТММ к шестизвенным типам. Такому механизму при некоторых сочетаниях размеров и относительных положений звеньев кроме всего прочего присуще свойство значительного уменьшения скорости поршня (вплоть до полной его остановки) в окрестности верхней (крайней) точки хода поршня, так называемый "выстой поршня", которым не обладает традиционный кривошипно-шатунный механизм.
Понятно, что относительные частоты вращения коленчатого вала и управляющего эксцентрика не могут быть какими угодно. В наших предварительных опытах было установлено, что практически пригодными для ДВС сочетания угловых частот вращения могут быть:
(а) ωу.э = 0,5ωк.в.; (б) ωу.э = ωк.в ; (в) ωу.э = 2ωк.в
Займёмся сочетанием (в), где управляющий эксцентрик вращается в два раза быстрее коленчатого вала.
#1 "выстой" или ПЯТИТАКТНЫЙ двигатель
рис. 3 Ход поршня "выстой", получен экспериментально на модели.
Красным показан ход поршня прототипа (КамАз-740), расчет.

Полученная при определенном сочетании угловых фаз и относительных частот вращения коленчатого вала и управляющего эксцентрика траектория движения поршня, показанная на рис. 3, уже представляет определенный интерес с точки зрения реализации конкретного рабочего цикла, реализуемого за два оборота коленчатого вала. Отчетливо виден выстой в районе ВМТ поршня, продолжающийся 50-60 градусов поворота коленчатого вала (зависит от сочетания указанных переменных). В этой зоне около ВМТ можно провести реализацию изохорного процесса подвода тепла с четким разделением рабочего хода на такты собственно сгорания и расширения. "Отрежем" у тактов сжатия и расширения кусок "выстоя" поршня и выделим этот кусок в отдельный такт сгорания (см. рис.3). Это правомерно, поскольку тепловыделение в обычных двигателях (40-50 градусов поворота коленчатого вала) укладывается в диапазон "выстоя". Получим пятитактный двигатель, где четыре такта происходят с движением поршня и с одним тактом с неподвижным поршнем, реализующий цикл идеальный цикл Отто, тем более что процессы сжатия и расширения в этом случае проходят при большой скорости поршня, следовательно, потери тепла в стенки минимизируются, т.е. получаем адиабатное сжатие и расширение. Однако, следует отметить, что показатели адиабаты на сжатии (двухатомные газы) и расширении (двухатомные + трехатомные газы) разные, но это не отменяет адиабатные процессы. Следовательно, гипотетически, индикаторный к.п.д. цикла будет практически равен теоретически возможному при данной степени сжатия термическому к.п.д..
Это вроде бы хорошо. Однако, коэффициент коэффициентом, но надо получить и полезную работу, т.е. "загнать" в рабочий объем цилиндра как можно больше окислителя (воздуха) и соответствующее количество топлива, сжечь топливо по возможности эффективно и только потом разумно распорядиться полученной теплотой. Но что в пятитактном двигателе произойдет с процессами газообмена, читай с наполнением цилиндра свежим зарядом?
На рис. 3 показаны относительные движения клапанов и поршня в двигателе с обычным КШМ и пятитактном двигателе с ККШМ. Практически во всех современных дизельных и бензиновых двигателях проблема критического зазора клапан-поршень на перекрытии клапанов на тактах газообмена является головной болью конструкторов. Чтобы избежать встречи клапана с поршнем применено много разных решений в виде комбинаций геометрии головки поршня и профилей кулачков распределительного вала. Просто заимствовать известные решения в двигателе с ККШМ очевидно не удастся: в нашем примере поршень на выпуске догоняет клапан уже на середине закрытия (или клапан догоняет поршень на впуске в самом начале подъема). Что делать, обрезать фазы открытия клапанов? Но тогда прощай наполнение цилиндра воздухом... и мощность.
Могут возразить, мол, в двигателе с поджиганием искрой проблема критического зазора кардинально решена переносом камеры сгорания в головку цилиндра (овальные, полуклиновые и шатровые камеры). Этот вариант, естественно, не отбрасывается (с точки зрения создания двигателя с ККШМ не надо менять конструкцию головки цилиндра, уже плюс), но зато отбрасывается двигатель с поджиганием нагретым воздухом - а это потеря дизельного сектора, хотя потеря и спорная.
Что бы не лишать разработчика конструкции возможности маневрирования, предлагается конструкция головки цилиндра типа "сэндвич", которая показана на рис. 1.
Недостатки такого технического решения - очевидны: усложнение конструкции головки и привода распределительного вала.
Достоинства:
- независимость траекторий клапанов от траектории поршня, а стало быть - больший выбор фаз газораспределения;
- компактная камера сгорания, 40% поверхности которой может эффективно охлаждаться при степени сжатия 16 и 60% поверхности при степени сжатия 11....12;
- относительно умеренное отношение поверхности камеры к её объёму;
- простые впускной и выпускной каналы без лишних поворотов потока газов, расположенные в практически идентичных по конструкции полуголовках.
- малая общая масса деталей привода клапанов;
- хорошее (или заранее заданное плохое для внутренней рециркуляции ОГ) проветривание камеры на перекрытии клапанов;
- весь объём сжатия практически не имеет "защемлённых объёмов", что снижает вероятность детонации для бензинового мотора и обеспечивает лучшее соотношение поверхности камеры сгорания к ее к объёму в обоих типах двигателя.
Выполнение камеры сгорания в проставке головки "сэндвич" с точки зрения технологии не вызовет трудностей, можно выполнять камеру, геометрия которой позволит регулировать процесс сгорания в нужных фазах с нужной скоростью. Мы не будем останавливаться на организации эффективного процесса горения, слишком много наработок в этой области развития ДВС, посвященных этой теме, каждый может выбрать продолжение по собственному вкусу. Отметим только, что способы поджигания смеси искровым разрядом или горячим воздухом в головке "сэндвич" равно применимы.
Как представляется, в пятитактном двигателе с поджиганием горючей смеси искрой появляется возможность качественно-количественного регулирования мощности двигателя. На режимах больших и средних нагрузок регулирование чисто количественное с поддержанием коэффициента избытка воздуха a (в зарубежной практике l) около единицы, при приближении к режимам, близким к холостому ходу мощность можно регулировать качественно (с уменьшением потери на дросселирование на впуске), по крайней мере, до a=1,3 с устойчивым поджиганием смеси и, оптимистично, до a=2. В городских условиях движения автомобиля должен быть выигрыш и по экономичности и по токсичным выбросам с отработавшими газами.
#2 ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ двигатель с тактами неравных ходов поршня
Теперь поговорим о не "кроме всего прочего".
Ничего не меняя в кинематической схеме шестизвенного механизма, изменим частоту вращения управляющего эксцентрика наоборот, т.е.эксцентрик вращается в два раза медленнее коленчатого вала (сочетание (а)). В такой "конфигурации", при некоторых сочетаниях угловых фаз коленчатого вала и управляющего эксцентрика обнаружено, что движение поршня в области ВМТ становится резко несимметричным, это вызовет высокочастотные колебания всего механизма, что "обеспечит" сравнительно низкую его надёжность. Однако же, был найден вариант сочетания угловых фаз, который показал практическую симметричность кривой движения поршня в указанной области, а именно такой, реализация которого, показанная на рис. 4 даёт следующий закон движения поршня по углу поворота коленчатого вала.

рис. 4. Четырехтактный двигатель с тактами неравных ходов поршня. Зависимость хода поршня от угла поворота коленчатого вала получена экспериментально на модели
Полученная зависимость хода поршня как бы повторяет идею Д. Аткинсона (т.е. неравенство величин ходов поршня в тактах), только идея реализуется за два оборота коленчатого вала и другим преобразующим механизмом и при равенстве продолжительности тактов по времени (углу поворота коленчатого вала). При этом возникают дополнительные возможности.
Прогляд литературы выявил тягу разработчиков к увеличению к.п.д. цикла за счет использования "продолженного расширения". Опять же вариантов организации "продолженного расширения" множество: кроме широко известного турбонаддува и цикла Миллера, который в той или иной степени выполнен во всех четырехтактных ДВС (без упоминания Миллера и, может быть, даже не думая о Миллере), есть и экзотические варианты, описанные в литературе. Что может дать предлагаемый нами вариант?
а) продолженное расширение
Расположив точки синхронизации коленчатый вал - управляющий эксцентрик - распределительный вал в определенной позиции и (повторяем) заставив эксцентрик вращаться с половинной скоростью коленчатого вала, получим двигатель с продолженным расширением с чередованием тактов короткий впуск - короткое сжатие - длинный рабочий ход - длинный выпуск.
В нашем примере ход продолженного расширения составляет 20 мм (полный ход 140 вместо 120 мм). Выгоды от продолженного расширения достаточно подробно описаны в литературе, по нашим оценкам для нашего варианта продолженного расширения (база - цикл Тринклера, степень сжатия 16, степень расширения 18,5) термический к.п.д. цикла изменится с 0,625 до 0,65 или на 4%.
б) продолженное сжатие
Изменив точку синхронизации "коленчатый вал - распределительный вал" на 180 градусов поворота распределительного вала получим двигатель с продолженным сжатием с чередованием тактов длинный впуск - длинное сжатие - короткий рабочий ход - короткий выпуск.
Что это дает:
- на длинном впуске загоняем в цилиндр воздух для цилиндра с ходом 140 мм, т.е. при том же сопротивлении впускного тракта повышаем массовое наполнение цилиндра с рабочим ходом 120 мм воздухом на 140/120 = 1,17 или на 17%, т.е. реализуется маленький квазинаддув. Значит, можно на 17% увеличить подачу топлива и, соответственно, увеличить полезную мощность по меньшей мере с сохранением индикаторного к.п.д.. Но при этом еще увеличивается степень сжатия (почти на те же 17%), следовательно к.п.д. должен вырасти.
По экспресс-оценке: если степень сжатия в базовом цилиндре (база - цикл Отто, ход 120 мм) равна 9:1, то при продолженном сжатии (ход 140 мм) степень сжатия будет равна 10,3:1. Соответственно, термический к.п.д. вырастет с 0,58 до 0,61 или на 5%.
- "недорасширение" на ходе 120 (вместо продолженного на ходе 140) можно перевести в продолженное расширение на турбине турбокомпрессора.
Если совместить в бензиновом двигателе продолженное расширение и продолженное сжатие, то "простой" перекидкой распределительного вала на 180 градусов в процессе работы мотора имеем
а) на мощностных режимах реализуется цикл с продолженным расширением и повышением к.п.д. при степени сжатия, которая ограничена детонационной стойкостью топлива
б) на промежуточных (читай ездовых) режимах реализуется цикл с продолженным сжатием, т.е. с повышенным к.п.д. в связи с ростом степени сжатия. Детонационная стойкость топлива здесь уже достаточна.
Дизельному двигателю без наддува остается только продолженное расширение, для двигателя с наддувом сказать однозначно, какая схема выгодней, без эксперимента не представляется возможным.
#3 О неописанном и механическом к.п.д.
В данной краткой выкладке из всего проделанного объема экспериментальных исследований на модели мы не касаемся конфигурации механизма и двигателя с одинаковыми угловыми скоростями коленчатого вала и управляющего эксцентрика и конфигурацию с "нулевым" эксцентриком, т.е. если радиус эксцентриситета равен нулю. Так же как и относительные направления вращения коленчатого вала и управляющего эксцентрика (т.е. вращение попутное или противоположное).
В наших поисках композиция "нулевой эксцентрик" являлась базовой и характеризовалась следующими основными геометрическими пунктами начала построения:
- крайние точки оси кривошипа коленчатого вала (соответствующие ВМТ/НМТ поршня) находятся на одном диаметре,
- продольная ось шатуна при этом совпадает с его линией в обоих случаях, а эта последняя является перпендикуляром к биссектрисе крайних же положений коромысла, ось качания которой совпадает с центром управляющего эксцентрика.
- отношение радиуса кривошипа к радиусу эксцентрика равно 0.3, а плечи коромысла и шток поршня равны пяти радиусам кривошипа и ось цилиндра параллельна диаметру положений поршня ВМТ/НМТ. Указанные размеры выбраны интуитивно, исходя из большого опыта конструирования.
Эти два упомянутых, но непоказанных варианта, конструктивно проще показанного здесь, хотя в них есть также интересные возможности как по техническим решениям конструкции, так и по реализации рабочего процесса, например цикла Дизеля.
Во всех вариантах исполнения ККШМ будут иметь место малые отклонения штока поршня от среднего положения (не более 5 град). Стало быть, уменьшенная боковая сила от поршня на гильзу обеспечит снижение механических потерь с увеличением механического к.п.д. (по прикидочным оценкам на 4% - 6%). При этом надо понимать, что чем больше будет величина эксцентриситета управляющего эксцентрика, тем ниже будет преимущество по механическим потерям и наоборот (при сохранении, естественно, размеров всех других звеньев механизма).
Добавление 1. "Базовый" вариант вовсе не исчерпывает множество других сочетаний звеньев, которые могут обеспечить, например, неравные - по углу поворота коленчатого вала - такты. А шестизвенный механизм, показанный на рис. 2 не является единственным возможным для реализации в конструкциях, также как и компоновочная схема двигателя "НБ", показанная на рис.1
Добавление 2. Поскольку вал управляющего эксцентрика связан через привод с коленчатым валом, постольку последним будет восприниматься часть потока мощности.
Добавление 3. Мы, разработав математический алгоритм определения функции перемещения поршня в зависимости от всех возможных соотношений всех звеньев, составляющих шестизвенный механизм, к сожалению, не можем (не умеем) составить программу на новомодных языках. Одной простой формулой, как для КШМ, здесь не обойтись. Весьма вероятно, что буде такая программка составлена, компоновочные, а стало быть и конструкторские возможности расширятся до пределов, ограничением которых может стать только технологии и качество материалов.
Эти добавления можно считать призывом к действию наиболее активным поборникам поршневых двигателей внутреннего сгорания.
#4 Заключение
Эффективный к.п.д. (полученная полезная работа деленная на затраченную для этого энергию топлива) в современных поршневых двигателях варьируется между 38 и 48% и 50 % являются общей (если не генеральной) целью разработки поршневых двигателей. Но уже отмечалось, что асимптотическое приближение к совершенству требует все больших и больших умственных и материальных затрат. Как представляется, предлагаемый путь борьбы за эти недостающие проценты может оказаться перспективным. По приведенным оценкам этот путь может дать 4-5% прироста термического к.п.д. и 4-6% механического к.п.д. Сумма получается заманчивая. Но что покажет эксперимент?
The end


Отредактировано: Volonikser114 - 24 марта 2020 16:52:09
+ 0.37 / 5
НОВОСТИ ПАРТНЕРОВ

AFTERSHOCK

     
Глобальная Авантюра © 2007-2020 Глобальная Авантюра. Все права защищены и охраняются законом. При использовании любого материала любого автора с данного сайта в печатных или Интернет изданиях, ссылка на оригинал обязательна. Мнение администрации не обязательно совпадает с мнением авторов документов и комментариев, опубликованных на сайте.

CCBot/2.0 (https://commoncrawl.org/faq/)
Unknown

Яндекс.Метрика