С.В. Митрофанов
В настоящее время растущие требования к экологичности и экономичности производимых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) становятся наиболее эффективным способом борьбы за рынки сбыта продукции, использующей ДВС в качестве силового агрегата.
Новым производствам, а также старым, модернизирующим свою продукцию, в этой конкурентной борьбе приходится нести огромные финансовые и временные потери, тем не менее оставаясь позади лидеров – гигантских автомобильных концернов и корпораций.
Однако резервы совершенствования ДВС традиционными высокотехнологичными способами практически использованы до предела, поэтому дальнейшее совершенствование требует новых решений.
И эти решения лежат не в области механики, где достигнуты коэффициенты полезного действия (КПД) выше 0.9, а в области рабочих процессов двигателей, где КПД остается на уровне 0.25-0.53.
Здесь возможны решения, не требующие высоких технологий, а значит можно получить перед конкурентами неоспоримые преимущества, открывающие чужие рынки сбыта и защищающие свои.
Такие решения на сегодня известны и связаны они с отделением в рабочем цикле ДВС сгорания в самостоятельный процесс. Наиболее известные из них – разработки компаний Scuderi Group (scuderigroup.com), Zajac Motors (zajacmotors.com) и DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG (diro-konstruktion.de).
Однако патент Российской Федерации №2066773 с датой регистрации 02 апреля 1993 года, автором которого я являюсь, имеет приоритет и превосходство над вышеуказанными разработками и является основным и достаточным, более широким, чем указанные разработки, решением.
Он также позволяет реализовать, без всяких изменений базового двигателя, полную многотопливность, что очень важно для такой огромной страны как наша. В этом плане, думаю, Вам будет интересен опыт сотрудничества Правительства Советского Союза с немецкой фирмой Elsbett (http://elsbett.com). Материалов довольно много, одну из статей можно прочитать по адресу http://moscvich.auto.ru/docs/articles/5026.html.
О ДВС
Я – не публицист, а профессиональный специалист в области создания и совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в прошлом начальник конструкторского бюро рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания ОАО «Волгоградский моторный завод».
Написать эту статью меня подвигли периодически обращающиеся ко мне изобретатели новых видов двигателей и посетители моей страницы (www.krt.nm.ru) в Интернете с вопросами, касающиеся предложенного мной отделенного процесса сгорания, который я считаю наиболее перспективным в дальнейшем развитии ДВС. Так ли это на самом деле – сделаете выводы сами.
Желание объяснить простым и понятным языком суть происходящих в ДВС явлений заставило меня при написании этой статьи существенно упростить и свести к примитивам многие понятия, разорвав неразрывные связи происходящих в ДВС процессов. Но я надеюсь, что суть от этого пострадала не сильно.
Прошу Вас взглянуть на ДВС моими глазами и увидеть в нем живой организм, в котором все взаимосвязано, устройства и агрегаты являются неотделимыми органами, обеспечивающими его жизнедеятельность, а не «наворотами» для машин распальцованных парней. Перефразируем известную песню – «маслосъемное кольцо – не простое украшенье».
А чтобы было интересней – поставим себе задачу изыскать все резервы и создать экономичный и экологичный двигатель для автомобиля, хотя бы на бумаге.
Каким должен быть двигатель
Двигатель должен быть таким, чтобы обеспечивать быстрый разгон автомобиля и движение его в гору без перегрева. С этим спорить вряд ли кто будет.
При этом он должен быть экономичным.
Но вот проблема. Для того чтобы он был мощным, он должен быть большим, а для того чтобы экономичным – маленьким.
Известно, что для движения автомобиля ГАЗ-24 «Волга» по ровной дороге с постоянной скоростью 60 км/час (назовем этот режим движения «крейсерским») необходима мощность двигателя всего лишь в 5 л.с.
Но для обеспечения динамики автомобиля нужна гораздо большая мощность – и тот же ГАЗ-24 имеет двигатель ЗМЗ-24Д в 95 л.с.
Проведем небольшой расчет, для чего воспользуемся механическим коэффициентом полезного действия (КПД). Для режима номинальной мощности двигателя ЗМЗ-24Д он будет составлять примерно 0,8.
Вспомним, КПД показывает, сколько из подведенной к устройству (в нашем случае к поршням двигателя) мощности полезно используется (в нашем случае выдается на коленчатый вал). Остальная мощность, а это, согласно принятого нами КПД, будет 20%, тратится двигателем на себя или теряется.
В результате расчета получаем, что на режиме номинальной мощности двигатель ЗМЗ-24Д, выдавая 95 л.с. на коленчатом валу, на себя тратит почти 24 л.с.
Примерно такую же мощность двигатель тратит на себя и когда выдает 5 л.с. при номинальной частоте вращения коленчатого вала, что больше полезной работы почти в 5 раз. На этом режиме его механический КПД будет не выше 0,2.
Вы скажете, что ЗМЗ-24Д устаревший двигатель, и будете правы лишь частично. Современные двигатели имеют более высокие КПД, но создаются по тем же принципам: на режимах полной нагрузки – номинальная мощность, на крейсерских режимах – дефорсированная.
В соответствии с продолжительностью работы силовой установки на разных режимах принципы надо менять на противоположные: номинальная мощность для крейсерского режима движения и форсированная для обеспечения динамики и работы под нагрузкой.
Это можно осуществить, как минимум, тремя решениями:
- классический малоразмерный двигатель в комплексе с аккумулирующей системой – очень перспективный путь, по которому идут, в частности, создатели ё-мобиля с электрической конденсаторной системой;
- малоразмерный двигатель со специальным рабочим процессом, допускающим работу на высокофорсированных режимах;
- совместное использование обоих вышеназванных решений.
Поскольку тема наша – ДВС, мы рассмотрим только второй путь, то есть малоразмерный двигатель, допускающий работу на высокофорсированных режимах. Создание такого двигателя проблемы не представляет. Проблемой являются противоречия внутрицилиндровых процессов, приводящих к ухудшению его экологических и экономических показателей на форсированных режимах.
Под малоразмерным двигателем мы будем понимать поршневой ДВС с малым рабочим объемом, а не двигатели, выполненные по компактным схемам типа роторно-поршневой Ванкеля, роторно-лопастной (РЛД) ё-мобиля и другие. Почему – далее станет понятным.
Решение будем искать в двух направлениях:
- уменьшение потерь двигателя с целью увеличения его полного КПД. Это позволит уменьшить сам двигатель при той же полезной работе, а экономику и экологию улучшить;
- устранение внутрицилиндровых противоречий.
Начнем с потерь. А для этого надо знать, где они находятся. Поэтому сначала рассмотрим процессы, происходящие в ДВС.
Процессы в ДВС
ДВС – тепловая машина с внутренним подводом тепла и это, конечно, знает каждый. Мы взглянем на эту машину с несколько необычной стороны, очень условно разделив ее работу на 2 процесса по принципу их разной природы и функционального назначения.
1. Первый и главный процесс - извлечение энергии топлива и превращение этой энергии в работу расширения газов. В общем, рабочий цикл тепловой машины, традиционно у специалистов именуемый рабочим процессом. Степень его совершенства характеризуется индикаторным КПД, который учитывает потери всех химических, физических, термо-, гидро- и газодинамических процессов, происходящих в рабочих полостях двигателя. У современных ДВС этот КПД лежит в диапазоне 0,25÷0,53.
2. Второй процесс - преобразование энергии расширения газов в механическую энергию. Чистая механика. Задачей этого процесса является вывод механической энергии из ДВС, а степень его совершенства характеризуется в большей степени механическим КПД. Почему в большей степени, а не полностью? Потому что механический КПД зависит от форсированности рабочего цикла. Чем форсированнее цикл, тем меньшую относительную долю составляют его механические потери в балансе мощностей, тем выше его механический КПД.
В механические потери также входят затраты мощности двигателя на газообмен (в четырехтактных двигателях это такты впуска и выпуска, в двухтактных это затраты на привод механического нагнетателя) и на обслуживающие двигатель агрегаты: топливный и масляный насосы, систему охлаждения и др. Механический КПД в лучших вариантах ДВС превышает 0,9.
Полный КПД двигателя определяется как произведение индикаторного и механического КПД.
Совершенствование механической части ДВС
В части уменьшения потерь двигателя на трение эффективным способом является переход от 4-х тактного цикла к 2-х тактному. В 4-х тактном цикле двигатель половину времени работает как поршневой воздушный насос, обеспечивающий газообмен (такты впуска и выпуска). В 2-х тактных двигателях эту работу чаще всего выполняет специальный агрегат – продувочный компрессор с механическим приводом от коленчатого вала двигателя. Размер этого агрегата в десятки раз меньше двигателя. Поэтому переход на 2-х тактный цикл позволяет значительно уменьшить размеры и вес двигателя.
Что мешает использовать 2-х тактные двигатели в автотранспорте? На сегодня в большей степени традиции.
Другим эффективным способом повышения механического КПД двигателя является применение турбонаддува. Использование теряемой с отработавшими газами энергии для привода турбокомпрессора позволяет уменьшить потери двигателя на газообмене, а в некоторых случаях даже превратить газообмен в дополнительную полезную работу.
Турбонаддув активно применяется как в 4-х тактных, так и в 2-х тактных двигателях.
Еще одним способом, снижающим потери на газообмене и улучшающим очистку и наполнение цилиндров, является управление фазами газообмена. Но это возможно только в системах с управляемым газораспределением.
Так что отсутствие газораспределительного механизма само по себе еще не повод для радости.
Тем не менее, доля потерь на привод агрегатов и обеспечение газообмена в классическом ДВС, как правило, составляет порядка 4% от мощности двигателя. Отсюда вывод – увеличение механического КПД ДВС больше 0,96 уже поэтому проблематично.
Остаются основные механические потери на трение – в преобразователе энергии расширения газов в механическую энергию. В классическом ДВС это кривошипно-шатунный механизм – простейшее устройство, состоящее из поршней, шатунов и коленчатого вала. Оно имеет всего несколько пар трения: поршень-цилиндр, поршневые кольца-цилиндр, шатун-палец шатуна, шатун-коленвал и коленвал-коренные опоры. Наибольшую долю в потерях на трение дают поршневые кольца в цилиндре. Мощность трения поршней о цилиндр примерно в 10 раз меньше мощности трения поршневых колец.
Теперь отвлечемся на минуту. Для любителей бесшатунных схем.
В бесшатунных двигателях исключается трение тронков поршней о цилиндр. Вернее будет сказать, оно не исключается, а переносится на другие пары, вынесенные из цилиндра. Трение поршневых колец остается, на него бесшатунная схема никак не влияет. Поэтому в бесшатунных двигателях трение практически то же, что и в шатунных. Чтобы в этом убедиться, достаточно один раз посчитать.
Основной целью использования бесшатунной схемы является осуществление цикла двойного действия, в котором рабочий процесс осуществляется с обеих сторон поршня (типа РЛД, только при прямолинейном движении поршня). Цель бесшатунной схемы очевидна – обеспечить герметизацию цилиндра с нижней стороны поршня. Прямолинейно двигающийся шток герметизировать во внутренней головке цилиндра проще, чем шатун.
Кстати говоря, двигатели двойного действия можно отнести к компактным схемам. Сегодня их практически не применяют ввиду очень высокой тепловой нагруженности поршня и сложности его охлаждения. А повышение температуры поршня приводит к снижению мощности, как мы увидим далее. Не стоит овчинка выделки.
Вернемся к теме.
Трение в цилиндре имеет почти квадратическую зависимость от средней скорости поршня. Поэтому уменьшение этой скорости очень сильно снижает потери на трение.
Средняя скорость поршня определяется длиной его хода и частотой вращения коленчатого вала двигателя. Но снижение частоты вращения – это дефорсирование двигателя. Поэтому путь здесь один – уменьшение хода поршня.
В свою очередь уменьшение хода поршня при сохранении рабочего объема приводит к увеличению диаметров поршня и головки цилиндра, и, соответственно, их поверхностей теплообмена.
Но при этом уменьшение количества цилиндров с увеличением их размера при сохранении рабочего объема двигателя приводит к уменьшению суммарных потерь на трение, а заодно и тепловых потерь.
Поэтому для каждого двигателя, исходя из его назначения и основных режимов работы, специалисты определяют оптимальные конструктивные параметры: количество цилиндров, диаметр и ход поршня, номинальные обороты коленчатого вала.
А возможно ли избавиться от трения поршней и колец вообще? Пока это, кроме разработчиков роторно-лопастного двигателя для ё-мобиля, никому не удалось. И вот какой эффект получен.
Разработчиками назван полный КПД РЛД – 0,42÷0,45 против классического ДВС с его 0,37. Это очень серьезная заявка.
Полный КПД есть произведение механического КПД на индикаторный КПД. Последний характеризует качество рабочего процесса. С процессом в РЛД не может быть хорошо. По тем же причинам, что и у двигателей двойного действия. Значит, эффект получен за счет снижения потерь на трение.
Но даже если мы возьмем индикаторный КПД для РЛД равным 0,45, что соответствует хорошему поршневому двигателю, то придется признать, что его механический КПД может быть равен 1. Ну а если индикаторный КПД ниже? Механический КПД РЛД автоматически становится больше 1. Хотя, мы выяснили, что и 0,96 – проблема.
Дополнительно добавлю, что КПД кривошипно-шатунного механизма современного 4-х тактного ДВС составляет не менее 0,95, что легко может проверить любой желающий, исключив из состава механических потерь мощность на газообмен, агрегаты и поршневые кольца (кольца являются уплотнением, а не частью КШМ). КПД же кривошипного механизма в составе 2-х тактного двигателя еще выше.
Наверное, ошиблись ё-специалисты.
А что сам механизм РЛД? Как минимум два факта обращают на себя внимание. Он содержит:
- уплотнение тороидальной камеры – не менее 3-х газовых подвижных стыков. В классическом двигателе таких элементов, и, следовательно, потерь от них (газовых и механических), не существует;
- вместо одного коленчатого вала с шатунами в классическом ДВС – сложный зубчатый механизм синхронизации с кучей шестерен и водилом, все с теми же шатунами, с двумя валами привода лопастей и одного выходного вала.
Логика отказывается признавать, что такая замена снижает потери, поскольку, как ни крути, весь этот механизм передает все ту же мощность, но через большее количество звеньев.
При этом не следует принимать представленный на выставках макет РЛД за серийную конструкцию, так как серийная конструкция должна обеспечить надежность, ресурс, экономику, экологию и много еще чего, а не простую демонстрацию работоспособности. В связи с этим схема и большинство элементов конструкции во время доводки могут сильно измениться, и, как подсказывает опыт, не в сторону уменьшения.
К слову, как здесь относиться к утверждениям конструкторов ё-двигателя о его принципиальной простоте? Не знаю, но увеличение количества элементов конструкции никогда еще не считалось ее упрощением и повышением надежности. По крайней мере, до создания ё-двигателя.
Завершая раздел механики с ее резервами, хочу заметить, что именно в поиске альтернатив кривошипно-шатунному механизму и созданием компактных схем двигателей занято большинство изобретателей. Я думаю, что после прочитанного можно сделать вывод о незначительности возможного эффекта, который, помимо компактности, потенциально может здесь существовать.
Но компактность не дается даром. За нее приходится платить теплонапряженностью, низким ресурсом и плохими экономическими и экологическими параметрами. По крайней мере, других результатов в мировой практике двигателестроения пока не было.
Таким образом, мы убедились, что в механической части ДВС, будь даже он и от ё-мобиля, больших резервов нет.
А где есть? В рабочем цикле, ведь индикаторный КПД двигателей внутреннего сгорания составляет всего лишь 0,25÷0,53.
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.
Что необходимо для полного и экологически «чистого» сжигания топлива? Для разных видов топлива нужно разное количество воздуха, в остальном – достаточное время и температура для сгорания.
Что нужно для обеспечения экологических параметров? Нужно, чтобы было кислорода достаточно для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота.
Что нужно для получения максимальной работы цикла? Нужно энергию уже сгоревшего топлива подвести в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце. Поскольку теплота, подведенная в конце такта рабочего хода, уже никому не нужна и прямиком вылетает в «трубу», в нашем случае выхлопную.
Резервы здесь, как мы помним, колоссальны. Потерянная энергия составляет 47%÷75% от энергии, которую может выделить топливо.
Потерянная эта энергия для разных типов двигателей и разных режимов их работы имеет разное деление на составляющие, но значения этих составляющих находятся в диапазонах, указанных ниже:
- 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.
Потери энергии из-за неполноты сгорания
Связаны эти потери в основном с крайне коротким – для современного высокооборотного двигателя менее миллисекунды – периодом, в течение которого нужно обеспечить сгорание топлива.
Второй фактор – условия сгорания после прохождения ВМТ такта рабочего хода ухудшаются – объем полости сгорания расширяется, из-за чего давление и температура газа имеют тенденцию к понижению, а площадь охлаждающих поверхностей, и, соответственно, потери тепла, увеличиваются.
Третий фактор связан со смесеобразованием – недостаток кислорода именно в том месте, где находится топливо. Топливо и воздух не успели перемешаться. Не хватило 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.
Но, похоже, этот путь пройден до конца.
Основная проблема – недостаток времени на организацию и осуществление сгорания. Ускорить эти процессы не удается.
Потери в систему охлаждения
В идеале тепло от рабочего тела (газа) не должно отводиться в поверхности рабочей полости двигателя – стенки цилиндра, головка цилиндра и поршень. Но и не должно подводиться тоже. Такой процесс, без теплообмена, в термодинамике называется адиабатным. Для этого теплоотдача от газа стенкам должна быть равна нулю или материал стенок должен иметь нулевую теплопроводность. Но таких материалов нет. Поэтому потери в систему охлаждения есть. И проблемы, связанные с теплообменом, есть. И для решения этих проблем в двигателе существует система охлаждения.
Следует знать, что задача системы охлаждения двигателя не столько охлаждение, как может показаться из названия, сколько управление температурами. Потому что неравномерный или излишний отвод тепла, как и подвод, вреден и даже опасен. Создание системы охлаждения - дело очень тонкое и трудоемкое, требующее огромной исследовательской и конструкторской работы. Здесь учитываются напряжения и перемещения деталей от термических расширений и от газовых сил. Вся конструкция должна надежно существовать при постоянно меняющихся режимах работы.
Но мы будем рассматривать только отвод тепла, считая его потерями.
Причины, по которым тепло необходимо отводить, следующие:
- высокие температуры поверхностей рабочей полости ДВС приводят к подогреву свежего заряда (воздуха или рабочей смеси), поступающего в цилиндр на такте впуска. От нагрева плотность заряда снижается. Чем меньше плотность заряда, тем меньше его масса, и, следовательно, меньше топлива можно сжечь. Значит, и меньше мощность;
- подогрев заряда на такте сжатия, когда температура поверхностей выше температуры заряда, заставляет его расширяться, а двигатель совершать лишнюю работу сжатия, которую смело можно отнести к потерям;
- подогрев заряда также приводит к росту максимального давления в цилиндре, а оно ограничено прочностью деталей;
- прочность деталей зависит от температуры. С ростом температуры прочность материалов снижается. Кто не слышал про «прогар» поршней? Это отсюда, из-за перегрева.
Как можно уменьшить потери в систему охлаждения?
Один способ – уменьшить теплообмен рабочего тела с ограничивающими его поверхностями за счет материалов или создания пограничных условий, препятствующих теплообмену. Эффективного решения пока нет.
Другой способ – уменьшить сами поверхности теплообмена. И здесь есть два давно известных и используемых решения.
Первое решение 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. Таким образом, с увеличением размеров цилиндров двигателя отношение поверхности к объему уменьшается, и относительные тепловые потери также уменьшаются. Отсюда вывод: двигатель с одним цилиндром будет иметь меньшие тепловые потери, чем с шестью цилиндрами и тем же суммарным рабочим объемом. Просто потому, что поверхности теплообмена уменьшатся.
Второе решение этой задачи – уменьшение количества контактирующих с газом поверхностей. Это возможно, например, в схеме, когда в одном цилиндре располагаются два поршня, движущиеся навстречу друг другу. Рабочая полость здесь находится между поршнями. Как понятно из описания, здесь отсутствуют две головки цилиндров. Нет головок – нет поверхностей теплообмена. Такие двигатели работают по двухтактному циклу, а газообмен у них осуществляется с помощью продувочного насоса через окна в районах нижних (еще их называют наружными) мертвых точек поршней. Продувка называется прямоточно-щелевой и является самой эффективной из всех применяющихся в ДВС. Схема эта классическая, известна много лет и широко применяется. Например, на немецких гражданских и военных самолетах с 1935 года использовался дизельный двигатель ЮМО-205 и его модификации. У нас в стране двигатели этой схемы серийно применяются на танках Т-64 и Т-80 – 5ТДФ и 6ТДФ соответственно, а также на тепловозах – двигатели серии 10Д100.
Кстати говоря, в последнее время этому типу двигателей уделяется все больше внимания. В частности, ею занялась всемирно известная компания EcoMotors, а финансируют разработку инвестиционная фирма «Khosla Ventures» и всем известный Билл Гейтс.
Таким образом, показанные здесь резервы – укрупнение цилиндров с одновременным уменьшением их количества и сокращение контактирующих с газом поверхностей за счет конструктивной схемы двигателя – наиболее перспективные способы в борьбе за мощность и экономику.
Завершая этот раздел, хочу сказать, что даже простой отвод тепла является сложной задачей, особенно в компактных схемах. Чтобы представить это, рассмотрим внутренний теплообмен РЛД ё-мобиля.
Можно утверждать, что при номинальной мощности двигателя в 45 кВт существует необходимость отвести от его внутренних огневых поверхностей не менее 15 кВт тепловой мощности. Для этого необходимо прокачивать хладагент с теплофизическими свойствами воды в объеме не менее 2,1 килограммов в секунду (более 7,5 тонн в час). В случае применения в качестве хладагента масла объем следует увеличить в 8-10 раз.
Самым теплонапряженным элементом в РЛД являются, безусловно, лопасти, выполняющие функцию поршней. Нагреваются они с двух сторон. И не менее 2/3 тепловой мощности будут приходиться именно на них.
Конечно, есть соблазн покрыть лопасти керамикой и ограниченно охлаждать маслом, но тогда проявятся последствия, описанные выше (снижение наполнения, отрицательная работа сжатия, возрастание максимальных давлений, ну и детонация в придачу). И зачем тогда нужна компактность без мощности.
Кто видел в рекламных роликах компоновку РЛД, может вспомнить соединение лопастей с приводными валами. Легко понять, что охлаждение лопастей в этой компоновке является задачей изобретательского уровня. Поэтому надеюсь, что скоро мы станем свидетелями остроумного решения конструкторов ё-двигателя.
Поэтому, повторюсь, специалисты по ДВС практически не занимаются применением компактных схем двигателей, если только не имеют на это специальной задачи. Но, как правило, подобные задачи сопровождаются пониженными требованиями к двигателям. У нас же задача стоит обратная.
Потери с отработавшими газами
Что это за энергия и из-за чего теряется? По большей части из-за несвоевременности подвода тепла (помните тепло, подведенное в конце такта рабочего хода?) и недостаточности хода поршня для полного расширения газов до атмосферного давления.
Эта энергия может быть использована для привода турбин компрессоров наддува двигателей (мы уже рассматривали), реже – еще и для привода дополнительных силовых турбин, отдающих мощность на выходной вал. Во всех этих случаях двигатели называются уже не поршневыми, а комбинированными.
Срабатывание этой энергии в дополнительных силовых турбинах транспортных машин усложняет и удорожает силовую установку из-за необходимости использования редукторов с большим понижающим числом, а также дополнительных узлов защиты от разрушения из-за резко изменяющихся оборотов коленчатого вала.
А вот в гибридных схемах, где режимы двигателя достаточно стабильны и отсутствуют ударные нагрузки, применить силовую турбину проще.
Вот еще один резерв.
Потери от несвоевременности подвода тепла
Это потери, связанные с неэффективным использованием полученного тепла. Вспомним, что 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, ни раньше (увеличивается отрицательная работа сжатия), ни позже (уменьшается эффективность расширения). Но для этого сжечь топливо надо в ВМТ. А эта проблема нам уже известна.
Выводы те же – в классическом цикле принципиального решения нет.
Итоги рассмотрения классического ДВС
Дополнительно к рассмотренным нами выше способам повышения эффективности рабочего цикла можно назвать следующие: форсирование за счет наддува и промежуточного охлаждения надувочного воздуха, управление степенью сжатия двигателя и рециркуляцию отработавших газов. Все эти способы известны достаточно давно и, за исключением изменения степени сжатия, применяются в серийно выпускаемых двигателях. То есть их применение можно отнести к достигнутому на сегодня уровню эффективности ДВС.
Подводя итог, попробуем описать наилучший двигатель, который максимально использует определенные резервы. Он должен быть:
- двухтактный;
- по схеме с противоположно-движущимися поршнями;
- с минимальным количеством цилиндров и максимальным их объемом;
- с изменяемой степенью сжатия;
- с рециркуляцией отработавших газов;
- с наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;
- с силовой турбиной.
Большего классический цикл ДВС не позволяет.
Неклассические рабочие циклы
Наша цель – полное сжигание топлива и подведение всей выделившейся энергии в начале такта рабочего хода. Наши резервы – большая часть от потерянной энергии в 47%÷75%.
Частичным решением поставленной выше задачи можно считать наиболее раскрученный сегодня проект – двигатель Скудери, разрабатываемый американской компанией «Scuderi Group». Назван он так по имени его изобретателя, как думают американцы, Кармело Скудери, рассчитавшего его на логарифмической линейке в 2001 году.
Справедливости ради вспомним, что автором базового цикла, применяемом в этом проекте, является профессор Ленинградского института авиационного приборостроения Вениамин Моисеевич Кушуль, защитивший в 1962 г. докторскую диссертацию на тему «Термодинамические основы и рабочий процесс автотракторного двигателя внутреннего сгорания нового типа». Цикл свой он осуществил на П-образном двигателе Цоллера. Как видим, «Scuderi Group» ни от базового цикла, ни от двигателя Цоллера не отошла.
Цикл осуществляется в парных сообщающихся цилиндрах, в которых движутся поршни с фазовым смещением кривошипов друг относительно друга.
Смещение кривошипов, за счет совместного движения поршней в районах мертвых точек, позволяет получить такой закон изменения суммарного рабочего объема цилиндров, при котором время минимального и максимального суммарных объемов как бы удлиняется (аналогично выстою поршня в верхней и нижней мертвых точках).
Это дополнительное время при постоянном объеме позволяет более полно сжечь топливо до такта рабочего хода. А особым способом осуществляемое смесеобразование, использующее потоки воздуха при перетекании из одного цилиндра в другой для турбулизации заряда, позволяет более качественно и быстро произвести смесеобразование.
Доработанный «Scuderi Group» цикл с пневмоаккумулятором превращает подачу рабочего заряда в цилиндр в аналог топливной системы Common Rail.
Основные недостатки двигателя Кушуля и Скудери очевидны:
- существенное усложнение конструкции двигателя;
- снижение его механического КПД за счет дополнительных узлов и газодинамических потерь при перетекании большого объема газов в сообщающихся цилиндрах. Это уменьшает эффект, получаемый от, несомненно, лучшей организации рабочего цикла;
- увеличенные, по сравнению с обычным ДВС, габариты и вес.
Положительные качества бесспорны – лучшие, чем у классических ДВС, экономические и экологические показатели.
Здесь мы видим движение к поставленной нами цели, но полностью она не достигается.
Дальнейшим развитием рабочего процесса Кушуля и «Scuderi Group» является двигатель американца Джона Заджака (John Zajac), разрабатываемый фирмой «Zajac Motors».
В нем уже в полной мере реализован принцип отделенного процесса сгорания, позволяющего произвести наиболее полное и экологически чистое сжигание топлива.
Результат достигнут, двери к кладовым главных резервов открыты.
Но основные недостатки этого двигателя те же, что и у двигателей Кушуля и Скудери.
Но ближе всех к отделенному процессу сгорания, без излишеств рассмотренных выше двигателей, подошла немецкая фирма «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG». Свои решения она защитила американским, немецким и японским патентами в 2001 году.
Принцип отделения процесса реализуется посредством вращающегося в головке цилиндра блока, в котором размещены две камеры сгорания. Камеры сгорания, работая друг с другом в противофазе, периодически соединяются с рабочей полостью цилиндра в конце такта сжатия и начале такта рабочего хода. Процесс сгорания производится в каждой камере сгорания отдельно, после разобщения ее с полостью цилиндра, и длится до следующего соединения камеры с полостью цилиндра в начале такта рабочего хода. Немцы реализовали процесс на базе 4-х тактного цикла, назвав его 5-и тактным. Времени на сгорание топлива может быть выделено предостаточно.
О достигнутых успехах фирма пока не сообщает.
Однако цикл с отделенным процессом сгорания был разработан задолго до Скудери, Заджака и DIRO мной, еще в конце 1980-х годов, и защищен патентом Российской Федерации №2066773 с приоритетом от 2 апреля 1993 года. Он не имеет недостатков двигателей Кушуля, Скудери, Заджака и DIRO потому, что изначально создавался как отделенный процесс сгорания с задачей динамичного управления циклом. И если Вы обратите внимание на схемы реализации цикла, описанные в патенте (рисунок ниже), то увидите варианты и перечисленных выше двигателей. Кстати, именно поэтому патенты Заджака и DIRO в части принципа организации отделенного процесса сгорания могут быть аннулированы по признаку отсутствия новизны.
Рабочий цикл ДВС с отделенным процессом сгорания
Что он позволяет?
- в идеале избавиться от неполноты сгорания топлива;
- сделать двигатель экологически чистым;
- сделать двигатель действительно многотопливным;
- максимально сократить потери от несвоевременности подвода тепла к циклу за счет подвода тепла в ВМТ рабочего хода от уже сгоревшего топлива. Почему сократить, а не полностью избавиться? К сожалению, это не возможно. При перетекании газа из камеры сгорания в рабочую полость ДВС часть энергии будет расходоваться как газодинамические потери;
- уменьшить потери с отработавшими газами – за счет своевременного подвода тепла в ВМТ, а не в конце такта рабочего хода;
- создать двигатель с малой номинальной мощностью, малыми механическими потерями и возможностью кратного увеличения мощности на форсированных режимах;
- получать оптимальные характеристики крутящего момента двигателя, более свойственные паровым машинам и электродвигателям.
Упрощенно, без описания деталей и возможностей, решение заключается в следующем. В каждом цилиндре двигателя размещаются по две камеры сгорания. Канал каждой камеры сгорания, соединяющий ее с полостью цилиндра, перекрывается клапаном.
Работает цикл с отделенным процессом сгорания следующим образом. В конце такта сжатия одна камера сгорания наполняется воздухом или рабочей смесью (в зависимости от типа двигателя) и в ВМТ клапаном запирается. Далее, до следующего такта рабочего хода, в запертой камере производится сжигание рабочей смеси. Объем камеры сгорания не изменяется, температура нарастает, а «длительное» время локализации камеры сгорания (в зависимости от выбранной схемы – смотрите рисунок выше) позволяет сжечь углеводороды без лишнего кислорода, следовательно, и без окислов азота. Очевидно, что топливо может быть разнообразное.
Вторая камера сгорания работает в противофазе с теми же процессами.
Таким образом, на каждый цикл двигателя приходится один квазимгновенный процесс сгорания.
Для номинального режима работы двигателя («крейсерский» режим движения автомобиля) подвод тепла производится в ВМТ такта рабочего хода. При этом реализуется максимальный индикаторный КПД двигателя и лучшая экономичность. Графики давлений и температур для этого режима показаны на развернутых индикаторных диаграммах ниже.
Для форсированного режима двигателя (обеспечение динамики автомобиля) подвод тепла осуществляется после ВМТ, с целью ограничения максимального давления газа в цилиндре. При этом реализуется не самый экономичный, но экологически чистый форсированный режим.
Рабочий цикл с отделенным процессом сгорания теоретически может рассматриваться как занимающий нишу между процессами двигателей внутреннего сгорания (классические двигатели, работающие по термодинамическим циклам Отто, Дизеля, Тринклера) и двигателями с внешним подводом тепла (цикл Стирлинга).
Кому процесс интересен в цифрах, может посетить мою страницу www.krt.nm.ru
На каком двигателе может быть осуществлен рабочий цикл с отделенным процессом сгорания?
На любом.
Но с точки зрения термодинамики и газодинамики наиболее подходящий схемой двигателя для его реализации является двухтактный двигатель с противоположно движущимися поршнями. Этот тип двигателей мы рассматривали выше.
Как видим, решение нашей задачи найдено давно.
Завершая статью, хочу еще раз напомнить, что двигатель внутреннего сгорания – это не просто механическая машина с проблемами уплотнения и износа трущихся поверхностей, а организм, продукт огромного высокоинтеллектуального труда специалистов, воплощенный в его сердце – рабочем процессе, и его органах – системах и агрегатах, обеспечивающих рабочий процесс.
Надеюсь, что после прочитанного ответ на вечный «мужской» вопрос, какой двигатель лучше – РПД, РЛД или дизель с карбюраторным, станет очевидным: лучше тот, у которого лучший рабочий цикл. А лучший рабочий цикл – с отделенным процессом сгорания.
© <С.В. Митрофанов> Цитирование материала разрешения только со ссылкой на настоящий источник.