Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и способ его работы
TWO-STROKE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к способам осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Уровень техники
В двигателестроении известны способы работы ДВС, в частности поршневых, предусматривающие циклическое осуществление процессов впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в.результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме. [1].
Известен также принцип самоорганизации рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, описанный в информационном бюллетене «Идеи. Гипотезы. Решения» №1, 2000, стр. 31, как интеллектуальный продукт с регистрационным номером 70990000104, автор - Кореневский Г.В. [2]. Указанный принцип является развитием известного принципа минимума диссипации (рассеяния) энергии, формулировку которого можно найти в [3]: «Принцип минимума диссипации - это один из важнейших принципов отбора реальных движений из числа виртуальных (мысленно допускаемых). Законы сохранения, как правило, не выделяют единственного решения. Природа этим принципом нам демонстрирует удивительную особенность: она допускает не просто те движения, при которых энтропия растет, а только те, при которых рост энтропии минимален (в частности нуль).» Согласно [2] в поршневых ДВС «эффективность преобразования тепла в работу определяется кинематикой ДВС, точнее зависимостью изменения объема надпоршневого пространства от угла поворота вала отбора мощности (например, коленчатого), а также частотой вращения последнего. Как правило, ДВС выполняются по многоцилиндровой схеме и используются как источник механической энергии в различных приводах, например, транспортных средств, что увеличивает приведенный к валу двигателя момент инерции всех движущихся масс (момент инерции масс кривошипно-шатунного механизма, трансмиссии и самого транспортного средства). В этом случае при установившемся режиме ДВС скорости изменения объема надпорпшевого пространства «жестко» связаны со скоростным режимом привода. Эта «жесткость», обусловленная наличием в ДВС 1-й степени свободы, исключает возможность альтернативного протекания рабочего процесса с возможно большей эффективностью преобразования тепла в работу».
В этой связи представляется актуальной разработка способа осуществления рабочих процессов в ДВС, при котором за счет увеличения числа степеней свободы термомеханическая система сама выбирает оптимальный вариант протекания процесса преобразования тепла в работу: «из-за избыточной степени свободы процесс получения механической энергии теперь не связан (почти) с процессом ее отвода внешнему потребителю. Значительное количество механической энергии (кинетической) циркулирует в звеньях механизма ДВС и может быть отдано потребителю в любой момент времени с к.п.д. близким к 100%» [2].
Добавление избыточной степени свободы неизбежно приводит к усложнению конструкции ДВС и оно должно быть оправдано повышением его эффективности. Поскольку принципы самоорганизации не могут быть реализованы в процессах наполнения и сжатия в 4-х тактных ДВС, то подобное изменение конструкции следует осуществлять в классе 2-х тактных ДВС. В классе 2-х тактных ДВС изменение конструкции следует осуществлять в тех, в которых имеет место теоретически наиболее рациональная продувка - прямоточная, т.е. в подклассе 2-х тактных ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП / "opposed piston engine"). Схема двигателя с ПДП впервые была использована Хуго Юнкерсом (Hugo Junkers) применительно к автомобильному дизелю еще в конце 19-го века. Наиболее совершенный двигатель Юнкерса UMO-207 выпускался с 1938 года. Обзор конструкций подобных ДВС представлен в [4].
Известен ДВС с ПДП [5], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является совмещение функций маховика и нагнетателя продувочного воздуха. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [7], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от ручного привода. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия, но только в ручном режиме управления. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести невозможность воздействия на рабочий процесс в автоматическом режиме.
Известен ДВС с ПДП [8], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от гидропривода и дополнительно имеют резиноподобную кольцевую прокладку. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия и гасить вибрации, возникающие в цилиндро-поршневой группе. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести невозможность воздействия на рабочий процесс в автоматическом режиме.
Известен ДВС с ПДП [9], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является то, что поршни двигателя свзаны с поршнями воздушного компрессора, обеспечивающего продувку, что дополнительно исключает возникновение силы бокового давления на стенки цилиндра. Для сопряжения коромысла с поршнем использована кинематическая пара типа «шарнир-ползун». К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [10], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней выполнен по двухвальной схеме с достаточно длинными шатунами. Оба кривошипно-шатунных механизма являются дезаксиальными. Заявлено, что диаметр выпускного поршня должен составлять 0,83-0,88 от диаметра продувочного поршня. Коленчатые валы связаны зубчатой передачей и из описания не следует, что возможно изменять угол их рассогласования, а значит и степень сжатия. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [11], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней выполнен по двухвальной схеме, при этом коленчатые валы связаны зубчатой передачей, с помощью которой возможно изменять угол их рассогласования, а значит и степень сжатия. Кроме того фактическую степень сжатия можно изменять за счет перепуска части воздушного заряда, подобно циклу Аткинсона-Миллера, через специальный клапан, который закрывается после закрытия продувочных окон. Указанный ДВС имеет возможность оптимальной настройки рабочего процесса в широком диапазоне нагрузок. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции.
Известен ДВС с ПДП [12], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является то, что точка сопряжения штока поршня и коромысла движется по дуге с малой кривизной, что позволяет применить для этого сопряжения шарнир Гука. Такое решение разгружает шток от боковых смещений и позволяет выполнить поршни из керамики, которая чувствительна к ударным нагрузкам и вибрациям. Коромысла качаются на эксценриковых шарнирах, что позволяет изменять степень сжатия. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции.
Известен ДВС с ПДП [13], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коленчатых вала с протвоположными направлениями вращения и две пары шатунов. Каждая пара шатунов через траверсу соединена со своим поршнем. Такая конструкция позволяет полностью разгрузить поршни от действия боковых нагрузок, а свободное от шатуна подпоршневое пространство использовать для размещения струйного охлаждения поршня. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [14], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от механического привода, управляемого компьютером. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия в автоматическом режиме в соответствии с нагрузкой. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести ограниченность воздействия на рабочий процесс лишь через изменение степени сжатия.
Известен способ работы ДВС [15], при котором в цилиндры послойно подают продувочный воздух и топливно-воздушную смесь. Сгорание бедной топливно-воздушной смеси осуществляют от факела, к которому дополнительно подводят часть топлива. Способ реализуется в ДВС с ПДП, в котором подпоршневое пространство каждого из поршней используют для предварительного сжатия продувочного воздуха. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней осуществляют с помощью двух коромысел, двух шатунов и одного коленчатого вала. Утверждается, что способ работы обеспечивает повышение топливной экономичности. К недостаткам способа следует отнести сложность продувки цилиндра двумя потоками воздуха, для чего необходимы два пояса продувочных окон, а также их коммуникацию с подпоршневым пространством. То, что компрессорные цилиндры имеют диаметр одинаковый с рабочим цилиндром приведет к недостатку продувочного воздуха, необходимого для качественной очистки цилиндра. Сложным также остается механизм сопряжения коромысел с поршнем, т.к. коромысло проходит через проем в стенке цилиндра.
Известен способ оптимизации работы ДВС с ПДП [16], при котором поршни перемещают изменяя угол рассогласования двух коленчатых валов с помощью механической передачи, причем один из двух шатунов используется для привода толкателя клапана расположеннного в поршне. Недостатком способа работы и конструкции ДВС является высокая сложность реализации при неочевидных преимуществах, а размещение клапана в поршне делает двигатель крайне ненадежным. Клапан не имеет других средств воздействия кроме головки шатуна, а значит будет открываться одинаково на всех режимах работы ДВС, что не правильно.
Известен ДВС с ПДП и способ его работы [17], в котором вместо углового рассогласования коленчатых валов применяют рассогласование движения поршней за счет дезаксиала одного из двух кривошипно-шатунных механизмов. Опережение подачи топлива на 15-30 градусов поворота коленчатого вала (п.к.в.) не является чем-то новым, независимо от того является ли верхняя мертвая точка (ВМТ) геометрической или объемной. Недостатком указанного ДВС является невозможность регулирования угла рассогласования коленчатых валов в зависимости от режима работы.
Известен способ работы ДВС с воспламенением от сжатия [18], который условно можно отнести к ДВС с ПДП. Указанный способ предполагает раздельное использование цилиндров: один как рабочий, другой как компрессорный. При этом сжатый воздух перетекает в камеру сгорания, которая сообщается с рабочим цилиндром через клапан. Хотя и утверждается преимущество изохорного подвода тепла, но наличие в камере сгорания клапана, который омывается потоком газа с температурой больше 1000 градусов делает конструкцию крайне ненадежной, что и является ее главным недостатком.
Известен также двухтактный дизельный двигатель с ПДП [6], в котором применен механизм преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, состоящий из одного главного шатуна, прицепного шатуна и двух коромысел, шарнирно связанных через шток с поршнями. Прицепной шатун связан через коромысло с поршнем управляющим выпуском, а главный шатун непосредственно связан через коромысло с поршнем управляющим продувкой. Основной задачей, решаемой указанным изобретением, являлось создание блочной конструкции двигателя, позволяющей за счет сборки однотипных секций кратно увеличивать мощность двигателя. В связи с тем, что расстояние между центрами шарниров главного и прицепного шатуна является переменным в указанном двигателе достигаются различные по форме зависимости хода выпускного и продувочного поршней от угла п.к.в. и благопрятный фазовый сдвиг открытия выпускных и продувочных окон. Однако указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней, что исключает возможность самопроизвольного изменения объема надпоршневого пространства, основанного на принципе самоорганизации, как фактора воздействия на процесс сгорания и возможного повышения эффективности преобразования тепла в работу.
Указанный двигатель позволяет осуществить способ работы ДВС дизельного типа по двухтактному циклу, но не исключает возможности использования его в качестве бензинового или газового двигателя с различными способами смесеообразования и зажигания, поэтому по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения он может быть выбран в качестве прототипа.
Целью изобретения является повышение эффективности преобразования тепла в работу в ДВС за счет устранения жесткой кинематической связи между положением коленчатого вала двигателя и величиной (объема) надпоршневого пространства, а значит топливной экономичности ДВС.
Раскрытие изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала имеет 2 (две) степени свободы, а коромысла качаются на двухподвижных шарнирах, выполненных в виде двухподвижной кинематической пары вращательно-поступательного или вращательно-вращательного типа.
Данный двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания позволяет осуществить способ работы, включающий продувку, сжатие, рабочий ход, выпуск и повторение рабочего цикла при возвратно-поступательном противоположном движении поршней, управляющих продувкой и выпуском соответственно, преобразование движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством механизма состоящего из одного общего шатуна и двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, при котором поршни перемещают при отсутствии жесткой кинематической связи с положением коленчатого вала и тем самым создают условия для возникновения автоколебаний поршней, которые не передают непосредственно на коленчатый вал, но генерируют дополнительные потоки кинетической энергии, циркулирующие в подвижных звеньях механизма преобразования движения поршней.
5
5
Значимые отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от прототипа можно видеть из анализа последнего, как механизма с 1-й степенью свободы. На Фиг. 1а представлено изображение конструктивного исполнения, а на Фиг. 1б схема прототипа, из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, прицепной шатун 2а, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8 представляют собой набор из девяти (n=9) звеньев, связанных 11 (одиннадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом имеется 13 кинематических пар 5-го класса (р=13). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат: w=3n-2p=3*9-2*13=1.
Для того чтобы в заявляемом ДВС был возможен колебательный процесс, связанный с перетоком кинетической энергии между двумя группами (условно называемых «правая» и «левая») деталей, совершающих возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения, механизм двигателя должен обладать максимальной степенью симметрии относительно плоскости, проходящей через центр камеры сгорания и ось вращения коленчатого вала. Этому требованию должен соответствовать и общий шатун, что исключает применение прицепного шатуна, как у прототипа, и приводит к варианту трехшарнирного шатуна. Формально этому требованию должен отвечать механизм изображенный на Фиг. 2а. Однако применение формулы А.П. Малышева для такого механизма дает результат:
n=8 - число подвижных звеньев;
5
p=12 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
5
w=3n-2p=3*8-2*12=0
Это означает, что движение звеньев механизма с указанным набором деталей невозможно при наличии только одноподвижных кинематических пар 5-го класса - шарниров.
Наиболее рациональна замена шарниров на двухподвижные кинематические пары 4-го класса в центрах качания коромысел, т.к. эта зона находится вне области воздействия высоких температур, удобна для обслуживания и ремонта. Вариант такого механизма представлен на Фиг. 2в.
Использование формулы А.П. Малышева дает результат:
5
4
w=3n-2p-p
n=8 - число подвижных звеньев;
5
p=10 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
4
p=2 - число двухподвижных кинематических пар 4-го класса.
w=3*8-2*10-2=2
В качестве двухподвижной кинематической пары можно рассматривать вращательно-поступательную пару типа «шарнир-ползун» как в [9] при соединении поршня с коромыслом, или вращательно-вращательную пару типа «шарнир-шарнир» в виде серьги с эксцентричными шейками.
На Фиг. 2б показана замена двухподвижного шарнира дополнительным коромыслом 9к (10к), оносительно которого может скользить коромысло 3 (4), что также обеспечивает 2-ю степень свободы и говорит об эквивалентности схем «б» и «в»:
n=10 - число подвижных звеньев;
5
p=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
5
w=3n-2p=3*10-2*14=2
При наличии еще одной, избыточной по сравнению с прототипом, степени свободы каждому фиксированному положению коленчатого вала уже не будет соответствовать строго определенное положение поршней, а оно будет устанавливаться динамически, исходя из процессов протекающих в надпоршневом пространстве.
В транспортных ДВС момент инерции маховика может составлять до 90% от общего момента инерции вращающихся масс, в который входят моменты инерции моторных масс, агрегатов двигателя и потребителя мощности [1]. В ДВС, использующих обычный кривошипно-шатунный механизм, при подводе значительной доли тепла в районе ВМТ, скорость поршня близка к нулю (равна нулю в ВМТ) и инерционность термомеханической системы, которой является ДВС, в сочетании с потребителем, является причиной резкого увеличения давления в цилиндре двигателя. Это явление характеризуется параметром жесткости процесса сгорания.
В ДВС с избыточной степенью свободы на подвод тепла в районе ВМТ термомеханическая система реагирует прежде всего поведением моторных масс, момент инерции которых на порядок меньше, чем у системы в целом. Результатом такого поведения может быть ускорение одного поршня и замедление второго, при незначительном приращении угла п.к.в. Наклон головки шатуна при вращении кривошипа приводит к асимметрии зависимости хода каждого из поршней от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ, поэтому ускорение одного поршня при замедлении второго может привести как к увеличению, так и к уменьшению суммарной кинетической энергии моторных масс, в зависимости от направленности этого процесса. Таким образом реакцией термомеханической системы на подвод тепла в районе объемной ВМТ может быть преобразование тепла в работу в форме локального увеличения кинетической энергии системы. Но следствием такой реакции будет и локальное увеличение объема надпоршневого пространства, что вызовет снижение давления, а значит и жесткости процесса сгорания.
В следующий полупериод колебаний накопленная дополнительная кинетическая энергия будет отдаваться в систему, т.к. новому крайнему положению звеньев механизма будет соответствовать меньшее значение кинетической энергии моторных масс, чем в случае «равновесного» (аналогия с маятником) поведения термомеханической системы, т.е. при отсутствии колебаний. Само по себе возникновение колебаний, точнее автоколебаний, является следствием неустойчивости системы с избыточной степенью свободы, неравновесности процесса сгорания, избытка энергии, участвующей в процессе и других факторов, характеризующих термомеханическую систему ДВС как нелинелинейную. Подобные системы называют системами с самоорганизацией, т.к. в них возможно образование диссипативных структур типа стоячих волн. В данный момент об образовании подобных структур в цилиндре ДВС можно говорить только в предположительном смысле. Однако поведение такой системы может быть исследовано с помощью математической модели.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к прототипу (Фиг. 1а) и его схемы как механизма с 1-й (одной) степенью свободы (Фиг. 1б).
На Фиг. 2 представлены изображения, относящиеся к схеме «неподвижного» механизма (Фиг. 2а) и предлагаемого ДВС как механизма с 2-мя (двумя) степенями свободы (Фиг. 2б и 2в).
На Фиг. 3 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.
На Фиг. 4 показано увеличенное изображение двухподвижного шарнира.
На Фиг. 5 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. предлагаемого ДВС и сравнение его с таковым для ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом.
На Фиг. 6 показан предполагаемый закон колебательного движения шатуна.
На Фиг. 7 показано влияние автоколебаний на рабочий процесс предлагаемого ДВС.
На Фиг. 8 показано влияние автоколебаний на значения скорости поршней предлагаемого ДВС.
На Фиг. 9 показано влияние автоколебаний на значение удельной кинетической энергии звеньев механизма предлагаемого ДВС.
На Фиг. 10 показано влияние автоколебаний на баланс мощности предлагаемого ДВС.
На Фиг. 11 показано влияние автоколебаний на баланс мощности предлагаемого ДВС в 2-х цилиндровом исполнении.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 3. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней 7 и 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования трехшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя шарнирами 9 и 10, состоящих из цилиндрической 10а и призматической (ползун) 10б частей, допускающими для коромысел 3 и 4, соответственно, два вида движения: вращательное, относительно центра вращения шарнира 10, и поступательное по плоскости скольжения ползуна 10б. На Фиг. 4 показана форма паза 4а в теле коромысла 4, в котором движется ползун 10б.
Реализацию предложенного способа работы в описанном устройстве осуществляют следующим образом.
В положении механизма в районе объемной НМТ (как на Фиг. 3) из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 11 в выпускной коллектор 13. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 11 и происходит наддув воздуха. Далее закрывются продувочные окна 12 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной ВМТ топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания, образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеообразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 12. После прохождения поршнями 7 и 8 объемной ВМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются выпускные окна 11 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются продувочные окна 12 и начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.
Наличие двух шарниров в головке шатуна 2 для связи с коромыслами 3 и 4 приводит к тому, что при наклоне шатуна 2, вызванного вращением шейки кривошипа 1, в любой момент, кроме объемных НМТ и ВМТ, возникает асимметрия в угловых скоростях коромысел 3 и 4: одно ускоряется, другое замедляется. Также возникает асимметрия сил (по величине и направлению), приложенных головке шатуна 2 со стороны коромысел 3 и 4, даже при одинаковых силах, действующих на коромысла 3 и 4 со стороны штоков 5 и 6. Это, в свою очередь, побуждает головку шатуна 2 отклоняться от некоторого «равновесного» положения, находящегося на вертикальной прямой, проходящей через центр камеры сгорания и центр вращения кривошипа 1, а само отклонение возможно при любом фиксированном положении кривошипа 1. Таким образом наличие отклонений головки шатуна 2 в любую сторону относительно «равновесного» положения является признаком колебания поршней 7 и 8, и наоборот, может быть управляющим фактором при моделировании рабочих процессов в цилиндре 16. Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 7 и 8, как у прототипа, или любого другого известного поршневого ДВС.
Колебания скорости поршней относительно ее «равновесного» значения приводят к тому, что суммарное значение кинетической энергии звеньев механизма может как увеличиваться, так и уменьшаться относительно «равновесного» значения, в зависимости от направленности колебательного движения шатуна. Это означает, что часть полезной работы, производимой в цилиндре ДВС, может не передаваться на коленчатый вал двигателя, а расходоваться на повышение кинетической энергии моторных масс. В следующей фазе колебательного процесса избыточная кинетическая энергия может быть передана маховику двигателя с эффективностью близкой к 100%.
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.
e
В качестве аналога по параметру мощности и по назначению взят ДВС гибридной силовой установки автомобиля Prius II (Toyota) мощностью N=57 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=5000 об/мин, с удельной мощностью 25 кВт/л. В качестве конструктивного аналога (геометрическое подобие) цилиндро-поршневой группы двигателя с ПДП взят дизель UMO-207 с удельной мощностью 42 кВт/л при частоте вращения коленчатого вала n=2800 об/мин. По данным из [13]: «Ныне устаревший авиационный дизель Junkers по-прежнему сохраняет рекорд по удельной мощности дизельных двигателей в реальных условиях эксплуатации».
Исходные данные:
1. Мощность - 66 кВт (2 цилиндра)
2. Частота вращения к.в. - 3000 об/мин
3. Ход поршня - 95 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Радиус кривошипа - 45 мм
6. Длина шатуна - 90 мм
7. Степень сжатия (геометрическая) - 18
8. Степень сжатия (действительная) - 16
9. Давление продувочного воздуха - 0,12 МПа
10. Коэффициент избытка воздуха - 1,8
вып
впуск
пдп
трад
Асимметрия зависимостей хода поршней S и S от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (60° п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S от угла п.к.в. в районе объемной ВМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом S, как показано на Фиг. 5. Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях.
z
Возникновение автоколебаний в нелинейных системах, какой является термомеханическая система ДВС, возможно при наличии дополнительной степени свободы и избытка энергии, подводимой к системе. В процессе сгорания мощность тепловыделения на порядок (в максимуме в 20 раз) превосходит цилиндровую мощность ДВС. Поэтому можно предположить, что интенсивность колебательного процесса пропорциональна скорости тепловыделения. На Фиг. 6 показана связь отклонения головки шатуна dG со скоростью тепловыделения K*dQ/dt (модель И.И. Вибе m=0,7 и ϕ=70° п.к.в.), при максимальном отклонении от «равновесного» положения равном 0,5°. Предполагается фазовый сдвиг зависимостей порядка 10° п.к.в.
ак
б/к
трад
На Фиг. 7 показано влияние автоколебаний Р (без колебаний Р) на рабочий процесс предлагаемого ДВС, а также сопоставление с рабочим процессом Р традиционного ДВС, с теми же рабочим объемом и степенью сжатия, с теми же значениями цикловой подачи топлива и параметрами тепловыделения. При одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства. При этом время (в градусах п.к.в.) понижения давления до уровня давления начала сгорания в предлагаемом ДВС в 1,5 раза больше. Это означает, что при достигнутом уровне совершенства процессов смесеобразования и сгорания предлагаемый ДВС представляет возможность форсирования по частоте вращения коленчатого вала дополнительно на 50%. Среднее индикаторное давление у предлагаемого ДВС выше чем у традиционного на 2,5%, что означает его повышенную топливную экономичность.
вып
впуск
пдп
На Фиг. 8 показано влияние автоколебаний на значения скорости поршней V, V и суммарной скорости расхождения / схождения поршней V.
к
ко
На Фиг. 9 показано влияние автоколебаний на значение удельной кинетической энергии звеньев механизма (энергия на 1 кг массы подвижных деталей, приведенной к массе поршня) Е в сопоставлении с «равновесными» значениями Е (при отсутствии колебаний).
Изменение кинетической энергии механизма в единицу времени равно мощности сил инерции - положительной при убыли кинетической энергии, и отрицательной при ее возрастании.
сум
газ
инер
газ
На Фиг. 10 показано влияние автоколебаний на баланс мощности N, передаваемой на маховик ДВС при оценке приведенной массы звеньев механизма в 2 кг. Как видно из диаграммы, для ускорения поршней после ВМТ недостаточно мощности газовых сил N и дефицит мощности восполняется ее отбором от маховика. Однако в следующий полупериод колебаний, при торможении поршней, отдача мощности сил инерции N достигает пиковых значений, сравнявшись с мощностью газовых сил N. Практически за все время расширения, после ВМТ, баланс мощности, отдаваемой маховику, положительный, что делает возможным ее частичное использование для проведения процесса сжатия в соседнем цилиндре, кривошип которого развернут на 180° п.к.в.
сум
ср
На Фиг. 11 показано влияние автоколебаний на баланс мощности N, передаваемой на маховик ДВС в случае двухцилиндрового исполнения и разворота кривошипов на 180° п.к.в., а также среднее значение индикаторной мощности N=83,4 кВт. При механическом к.п.д. двигателя (с учетом затрат на привод нагнетателя продувочного воздуха) равном 0,8 эффективная мощность составит 83,4*0,8=66,7 кВт, что соответствует исходному заданному значению 66 кВт. Удельная мощность составит 38 кВт/л.
Сила давления поршня на стенки цилиндра пропорциональна тангенсу угла отклонения шатуна от оси цилиндра, который у традиционных ДВС в максимуме достигает значений 0,23 (при 13°). У предлагаемого ДВС максимальное отклонение штоков 5 и 6 от оси цилиндра не превышает 1,5°, чему соответствует тангенс угла равный 0,026. Это означает, что потери на трение у предлагаемого ДВС существенно ниже чем у традиционного, а оценка механического к.п.д. в 80% является заниженной.
Таким образом предлагаемый двигатель и способ его работы обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, снижении жесткости работы, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель и способ его работы могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ его работы обладают промышленной применимостью.
Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.
Источники информации:
1. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов/ Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 с.
2. «Идеи. Гипотезы. Решения». Информационный бюллетень. - Москва, ВНТИЦ №1, 2000, стр. 31
3. Математика ставит эксперимент. Моисеев Н.Н., Наука, М., 1979, стр. 48
4. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглое М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.
5. Pat. US 2113990, 1938
6. Pat. US 2237113,1941 (прототип)
7. Pat. US 2357031, 1944
8. Pat. US 2500823, 1950
9. Pat. US 2730087, 1956
10. Pat. US 2886018, 1959
11. Pat. US 2977943, 1961
12. Pat. US 4466388, 1984
13. Pat. US 8087389, 2012
14. Pat. US 9359896, 2016
15. Пат. RU 2133841, 1997
16. Пат. RU 2246629, 2002
17. Пат. RU 2379531, 2008
18. Пат. RU 2586032, 2015