Альтернативные двигатели внутреннего сгорания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИЮ РФ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автомобильный транспорт

«Альтернативные двигатели внутреннего сгорания»

              Студенты  гр. 09-АХ

                                                                                          Верещако Р. К.

                                                                                          Тарасов С. В.

Брянск 2012

О недостатках существующих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) известно всем - это и кривошипно-шатунный механизм, и большая масса, и достаточно тонкая настройка системы впуска/зажигания, глушителей (например, правильно настроенный резонансный глушитель повышает мощность ДВС до 30%), четырехтактность (из 4 ходов поршня только один является "рабочим", остальные 3 "холостыми"), и многое другое. О достоинствах также хорошо известно - поршневые двигатели внутреннего сгорания являются самыми экономичными и простыми из всех типов двигателей. Разумеется, не считая "экзотических" двигателей, конструкция которых либо слишком сложна для производства (двигатель Стирлинга), либо которые из-за низкого качества современных материалов обладают недопустимо малым ресурсом (роторно-поршневые и некоторые другие).

Первый двигатель внутреннего сгорания изобретен в 1765 году. Вначале без сжатия смеси перед зажиганием, потом с сжатием, после чего конструкция ДВС практически не менялась. Причем КПД тоже остался на почти таком же низком уровне (максимальный теоретический уровень КПД 70%, реально же в четырехтактных не более 35%, а в дизелях 41%).

Видимо не надо объяснять, насколько важен двигатель в авиации, особенно сверхлегкой. Авиастроение в России (да и во всем мире) всегда, начиная еще с зари авиации, тормозилось отсутствием легких мощных двигателей. В качестве ориентира: для ультралегкого самолета необходимая мощность не менее 10 л.с., для парамотора - 15..20 л.с., для ранцевого вертолета - не менее 20 л.с., а еще лучше 40 л.с., для более менее сносного самолетика с закрытой кабиной - не менее 25..30 л.с., для одноместного автожира - 30..40 л.с., для двухместного - 50..60 л.с., для дельталета 25..50 л.с. Ну и для двухместных самолетов, смособных пролетать несколько тысяч км от одной заправки - не менее 60..80 л.с. И еще несколько цифр: мощность вертолета Ми-8, вмещающего более 30 человек - 2000 л.с., Ан-2 на 10 человек - 750 (2х750?) л.с. Автомобиль "Ока" обладает движком на 34 л.с., "Нива" - 70 л.с. (примерно).

     Основным параметром любого двигателя является удельная мощность, т.е. сколько килограмм массы двигателя соответствует каждому киловатту (кВт) выдаваемой им мощности. Например, для четырехтактных (обычный автомобильный двигатель) удельная мощность не более 1кВт/кг (1 л.с. равняется 736 Вт), т.е. для того чтобы получить мощность 20 л.с., сам двигатель будет весить не менее 20 кг. Поэтому даже для самого легкого летательного аппарата - парамотора, силовая установка весит не менее 15..25 кг, так что о постоянно носимом на себе ЛА не идет и речи.

Наименьшей удельной мощностью (т.е. для создания мощности 20 л.с. такие двигатели окажутся самыми тяжелыми) обладают четырехтактные двигатели - около 1 кВт/кг, двухтактные (двигатели мопедов, мотоциклов, парамоторов и т.д.) в 2 раза лучше - до 2 кВт/кг (т.к. каждый второй ход поршня является "рабочим", в отличие от четырехтактных, где только каждый четвертый), но из-за конструктивных особенностей (плохое сгорание смеси, малая степень сжатия и т.д.) двухтактники потребляют больше топлива. Т.е. двухтактный двигатель мощностью 20 л.с. в 2 раза легче четырехтактного такой же мощности, но топлива потребляет немного больше. Еще лучше по показателю масса/мощность роторно-поршневой двигатель, но у него ресурс довольно мал, топлива потребляет больше четырехтактника (а вот меньше или больше двухтактного, не знаю), да к тому же сам является четырехтактным с не самой оптимальной камерой сгорания. Ну и самыми лучшими являются газотурбинные двигатели (ГТД). На каждый килограмм массы двигателя они выдают до 6 кВт, т.е. двигатель мощностью 20 л.с. будет весить всего 3.3 кг (вместо 20 кг для четырехтактного!). Но зато эти двигатели прожорливей всех остальных вместе взятых. И кроме того требуют очень дорогой керамики для материала турбины.

      Таким образом, самый экономичный двигатель - это двигатель, использующий силу давления расширяющегося газа до полного его расширения (при этом предварительно топливная смесь сжимается перед зажиганием), а не тот что использует давление струи газа на лопасти турбины. Платой за этот принцип является большая масса машины (поршни, массивный цилиндр и т.д.). Обычно для увеличения КПД ДВС стараются лучше сжечь топливо. Для этого используют по две свечи зажигания на цилиндр, компьютерное управление, специальную поверхность поршня и т.д. Если бы бензин сгорал в оптимальном режиме, то кол-во вредных выхлопов сократилось в несколько тысяч. Вся гарь и копоть, вырывающаяся из выхлопной трубы - это не сгоревшее топливо (это одна из причин, почему двухтактные двигатели потребляют больше бензина, обратите внимание как дымят мотоциклы), а, следовательно, меньший КПД и меньшая мощность на выходе.

Это первый путь (полное сгорание смеси), остальные нацелены на изменение самой конструкции ДВС, основные принципы: большее сжатие, устранение кривошипно-шатунного механизма, разработка однотактного двигателя, простое вращательное движение, непрерывное горение.

Наиболее известный альтернативный ДВС - это роторно-поршневой двигатель Ванкеля, изобретенный в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства: более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, не простое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант). Принцип действия роторно-поршневого двигателя Ванкеля ясен из анимированного рисунка

За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно-поршневым двигателем, у нас ВАЗ выпускает двигатели Ванкеля мощностью 40 л.с. и оснащает им некоторые модели "девяток". Роторно-поршневые двигатели весьма перспективны для малой авиации. Необходимые мощности - 20..40 л.с.

Другой вариант устранения кривошипно-шатунного механизма предложен А.С. Абрамовым в статье "В поисках двигателя идеальной схемы" в журнале "Моделист-Конструктор", №1, 1990 г. Здесь преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала осуществляется за счет скольжения ролика, прикрепленного к поршню, по поверхности вала, напонимающей синусоиду. Каковы перспективы создания двигателя мощностью 20..40 л.с. на этом принципе, мне неизвестно.

Еще одну схему альтернативного двигателя предложил Виктор Соколов в статье "Тепловой двигатель с круговым поступательным движением кольцевого поршня", размещенной в журнале "Двигатель". Принцип действия двигателя ясен из иллюстрации. Предполагается, что такой двигатель будет в полтора раза экономичней существующих, обладать малым весом и простотой сборки (в 16 раз меньше деталей).

Автор предлагает новую кинематическую схему двигателя с кольцевым поршнем, совершающим круговое поступательное движение (ДКПД).

В предлагаемый двигатель входят: корпус, имеющий цилиндрические внешнюю и внутреннюю стенки; передняя и задняя плоские торцевые стенки корпуса; кольцевой поршень; два плоских подвижных разделителя поршня, один из которых высокого и низкого давления нагнетательного тракта (образуемого поверхностью внутренней стенки корпуса и сопряженной поверхностью поршня), а второй - разделитель высокого и низкого давления расширительного тракта (который образуется внешней поверхностью стенки корпуса и внешней поверхностью поршня); механизм обеспечения кругового поступательного движения поршня; трансмиссия; золотниковый газораспределительный механизм, совмещенный с блоком внешних камер сгорания, имеющий подвижный корпус, образующий с торцевой стенкой золотник, перекрывающий соответствующим образом отверстия нагнетательного тракта и расширительного тракта с окном полости камеры сгорания; механизм для перемещения корпуса золотника относительно распределительной торцевой стенки; блок камеры сгорания с несколькими полостями сжигания топлива; система напуска и выхлопа рабочего тела с окнами.

Каждая точка кольцевого поршня, подвешенного на осях кривошипов, совершает круговое движение. Внешняя цилиндрическая поверхность кольцевого поршня имеет незначительный зазор в точке касания с внутренней цилиндрической стенкой корпуса, а внутренняя поверхность этого поршня в точке касания имеет такой же зазор с цилиндрической стенкой внутренней части корпуса.

В поршень входят упомянутые подвижные разделители, опирающиеся на лыски. Разделители образуют при вращении кривошипа переменные по объему полости между кольцевым поршнем и стенками корпуса. Внутренняя полость является нагнетательной частью машины, обеспечивающая напуск и сжатие воздуха, а внешняя полость (гораздо большего объема) образует расширительную часть, где происходит расширение газа с последующим его выхлопом.

Напуск воздуха в полость, образованную стенкой разделителя и точкой касания кольцевого поршня с внутренней стенкой корпуса, осуществляется все время при вращении кольцевого поршня и заканчивается при завершении полного оборота. В дальнейшем эта порция воздуха сжимается в сопряженной полости, образованной противоположной стенкой того же разделителя и точкой касания. Сжатие происходит аналогичным образом. Одновременно с процессом сжатия происходит напуск новой порции воздуха в первоначальную полость.

Сжимаемый воздух через окно поступает в полость камеры сгорания. Напуск продолжается весь цикл сжатия. При этом полость камеры сгорания поворачивается, занимает положение, в котором ее объем отсекается от нагнетательного тракта.

Далее в камере сгорания происходит горение при неизменном объеме, смешение продуктов сгорания и установление температуры 1600К.

Затем происходит истечение сгоревшей смеси высокого давления из полости через окно. Полость камеры сгорания соединяется с полостью расширения до тех пор, пока давление в ней не будет почти равно атмосферному. Температура газов при этом падает до 400…500К. Затем начинается выхлоп из полости, образованной левой стенкой разделителя и точкой касания поршня.

Одним из элементов новизны в предлагаемом двигателе является увеличение длительности процесса горения и смешения в течение 3/4 оборота.

При компоновке двигателя с двумя парами разделителей циклы аналогичны. Различие только в том, что при этой компоновке двигатель более эффективен по объемной производительности. Длительность такта горения составляет половину оборота, а полостей горения в блоке каждой камеры сгорания по две.

Главные достоинства предлагаемой схемы состоят в следующем. В современном ДВС выпускаемый газ имеет высокую температуру (около 1300К) и давление порядка 5 атм. В новой же схеме, благодаря степени расширения большей степени сжатия, появилась возможность использовать практически весь энергозапас сгоревшего топлива, что даст 30-процентное повышение к.п.д. двигателя.

В ДКПД с двумя парами разделителей можно реализовать коэффициент избытка воздуха равный двум и соответственно максимальную температуру в камере сгорания порядка 1600К. Расчеты показали, что средняя температура стенки камеры сгорания не превысит 1000…1100К и двигатель можно специально не охлаждать - хладоагентом является само рабочее тело. Его конструкцию можно изготовить из обычных сталей, применяемых в машиностроении. Это означает, что еще 20 % потерь энергии топлива на охлаждение современного ДВС можно рационально использовать в цикле ДКПД. Новому двигателю не нужен радиатор, вентилятор и т.п.

В ДКПД такты напуска, сжатия, горения, расширения и выхлопа идут непрерывно. В ДКПД реализуется переменная площадь поршня, причем ее величина обратно пропорциональна давлению. Поэтому новый двигатель имеет существенно меньшие ударные нагрузки.

Поскольку давление газа на выхлопе практически равно атмосферному, существенно снижается шум истекающей струи, и этому двигателю не нужен ни резонатор, ни глушитель.

В ДКПД введено увеличенное время горения и смешения газопродуктов в постоянном объеме с длительностью в пол-оборота (при условии наличия в конструкции двух пар разделителей), что дает возможность закончиться всем неравновесным процессам горения и смешения и снизить на два порядка концентрацию вредных веществ.