ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Исследование

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.
Исследование двигателей внутреннего сгорания, зависимости соотношения между
окислителем и топливом, влияние этого соотношения и первоначальной плотности смеси
перед воспламенением на мощность, величину максимального давления и КПД, привели
автора к выводу о необходимости пересмотреть конструкцию ДВС. Конечном итоги
предложить конструкцию, которая, по его мнению, собрало все преимущества отдельных
новшеств в одном устройстве. Сразу отбросил конструкцию четырехтактного двигателя. В
ней два лишних такта, в которых нет необходимости для работы ДВС. Однако, имея ряд
достоинств, двухтактные двигатели имеет существенные недостатки. Двухтактные
двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей
смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от
отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят
без самостоятельных ходов поршня.
Запишем этот цикл: первый такт – подача воздуха – подача топлива – сжатие, второй такт
– горение – рабочий ход – выброс отработанных газов – очистка цилиндра от
отработанных газов.
Автор предлагает следующий цикл двухтактного двигателя. Первый такт - подача сжатого
воздуха – подача топлива – горение – рабочий ход – выброс отработанных газов, второй
такт очистка цилиндра от отработанных газов. В этом цикле все процессы для совершения
работы помешены в первый такт, второй отведен только для очистки цилиндра от
отработанных газов. Таким образом, предложенный цикл
полностью отличается от
цикла известного двухтактного двигателя.
Такой двигатель имеет ряд преимуществ. Первое он лишен камеры сгорания.
Положительная роль камеры сгорания ограничение степени сжатия – отрицательный
фактор остаточный объем выхлопных газов при достижении вмт. Если от камеры отобрать
роль ограничения степени сжатия, то в принципе в ней нет необходимости.
Предложенной конструкции ограничение происходит по другому принципу, поэтому
камеры не требуется. Конструкция должна содержать два такта и не иметь камеры
сгорания как отдельно отведенного объема. Можно камеру сгорания считать объемом
для воспламенения горючей смеси, тогда классическое ее расположение за вмт. Но ее
можно переместить вовнутрь цилиндра, при этом оно займет место до вмт. Но будем
считать это перемещение как отсутствие камеры сгорания. Отсутствие камеры сгорания
позволит полностью вытеснять отработанные газы из цилиндра.
И так предлагается двигатель без камеры сгорания с полным циклом за два такта.
Следующее преимущества возможность получение высокой степени сжатия. Здесь не
обойтись без рассмотрения термодинамических процессов сжатие и расширения. В
обычном двигателе над поступающим воздухом при температуре Т1 совершаем работу на
его сжатие и тем самым пусть адиабатическим сжатием достигаем некоторого значения
Р2 при этом температура повышается до значения Т2. Т.е. Т2 больше Т1. В предлагаемой
конструкции идет подача сжатого воздуха пусть с температурой Т3 под давлением Р3.
Здесь произойдет адиабатическое расширение и давление снизится до необходимой
величины пусть Р2 тогда температура Т3 будет меньше Т2 т.е. количество поданного
воздуха будет выше. Здесь вопрос повышение степени сжатия лучше рассматривать как
степень заполнения цилиндра воздухом (окислителем) в некотором объеме начального
перемещения поршня. Если в объем, где произойдет воспламенение можно поместить
большее количества воздуха и топлива, значит и повысить максимальное давление, и кпд
двигателя. И так второе преимущество возможность повышение максимального значение
давления, которое влечет к увеличению кпд снижению расхода топлива.
Третье преимущество из-за отсутствия камеры сгорания максимальное давление
смещается на некоторый угол от вмт, что позволяют достигать максимального давления
при большем повороте кривошипа. Этот фактор положительно влияет на работу
кривошипно-шатунного механизма уменьшая его потери на передачу усилии от поршня.
Термодинамический цикл становится совершенней и приводит к снижению давления в
ВМТ, и повышение его, в зоне эффективных углов КШМ.
На рисунке представлен график изменения давления, в первом такте двигателя
предложенного автором. На оси абсцисс отложено давление, на оси ординате угол
поворота кривошипа. В вмт точка 0 объем свободный объем равен теоретический нулю.
Начинается впрыск воздуха и сразу или с некоторой задержкой впрыск топлива. Давление
растет точка до (по рисунку) 10 градусов поворота кривошипа, затем устанавливаются и в
зависимости от времени подачи может длиться от 10 до 40 градусов поворота кривошипа.
(Все цифры условны и даны для понятия работы и возможности двигателя работать в
широком изменении параметров). В конце подачи топлива и воздуха подается искра 30
градусов, идет взрыв давление растет, достигает максима 40 градусов, затем идет
адиабатическое расширение, совершается работа, в конце процесса открывается
выпускной клапан 175 градусов и давление падает до атмосферного 180 градусов.
Следующее преимущество, можно регулировать крутящий момент за счет увеличения
среднего давления путем изменения продолжительности подачи воздуха и топлива. Т.е.
изменять объем, в котором происходит горение и тем самым регулировать крутящий
момент и мощность в широких пределах. Это позволит упростить коробку передач,
оставив несколько пониженных передач для строгания с места и разгона.
Отказ от обедненной смеси, так же является преимуществом, снижается расход топлива
на холостых и низких оборотах работы двигателя. Система позволяет работать только со
смесью, соотношением окислителя и топлива обеспечивающее полное их использования.
Происходит это за счет уменьшения подачи воздуха и соразмерно количеству топлива.
И так двигатель нового поколения. С новым термодинамическим циклом, уменьшаемым
двух тактах. Для его осуществления требуется новые технологии. Управлять подачей
воздуха и топлива путем вычислителя времени подачи их, учитывая обороты двигателя.
Для повышения экономичности двигателя и чистоты выхлопных газов можно
использовать уже отработанные системы для непосредственного впрыска топлива в
цилиндр во время подачи воздуха.
Непосредственный впрыск топлива широко
применяется в современных ДВС. А вот впрыск воздуха – это устройство, которое
необходимо разработать. Благодаря этому устройству ДВС приобретет новые свойства.
Такая конструкция позволит снизить удельный вес двигателя на единицу мощности.
Известно мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте
вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа
рабочих циклов. Но на практике увеличение мощности происходит только на 60…70%.
Однако это происходит из-за неполного использование хода поршня для расширения,
худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой
мощности на привод продувочного компрессора. Все эти недостатки отсутствуют в
предлагаемой конструкции. А за счет возможности изменять объем, где происходит
горения, можно добиться увеличение мощности не 1,7 , а зависимости от выполнения в
три и более. Вопрос увеличения мощности будет упираться к вопросу отведение тепла от
цилиндров. Затраты мощности для предварительного сжатия воздуха и впрыска его в
цилиндр в какой степени эквивалентен мощности сжатия в самом цилиндре.
Вариантов выполнения впрыска окислителя (воздуха) может быть несколько. Это
конструкция самая сложная для выполнения в этом двигателя. Время впрыска пусть
составляет 30 градусов поворота вала от мвт, т.е. при скорости 3000об/мин или 50об/сек,
это составит 1.6 МСК. За этот промежуток времени необходимо впрыснуть воздух в
среднем объем цилиндра при нормальных условиях, т.е. при температуре 20. С и
давлений 765мм.рт.ст. Объем каждого цилиндра 0.4 л. (Что должно составлять по
мощности 100 л.с. и более). Давление подаваемого воздуха возьмем 50 атм. При
времени 0.0016 с и скорости истечения порядка 300 м/с сечение клапана должно
пропустить 0.4 л. Плотность уменьшится при таком давлении в 50 раз, диаметр сечение
впускного отверстия составит 4.3мм. Конечно, для решения потребуется компрессор с
производительностью не менее 3000л/мин, емкость (баллон) для аккумуляции, создания
первоначального давления, поддержание необходимой величины (например, 50 атм.),
быстродействующий клапан электрически или кинематически связанный с коленчатым
валом. Конечно, в этой конструкции двигателя с двумя тактами, нет технически не
выполнимых задач, но решать задачи при создании образца придется. ( Их называют
конструкторы «подводными камнями», так как они выявляются обычно в процессе
испытания образца).
И еще одно
важное преимущество для запуска такого двигателя требуется
незначительная энергия, чтобы только преодолеть трения в подшипниках и
инерционность маховика для предания направление вращения. Поэтому его легко
переводить в режим без подачи топлива при торможении автомобиля, останавливать при
не длительных остановках. Все это влечет к уменьшению расхода топлива при движений
автомобиля в городских условиях.
Смазка всех трущихся частей в данной конструкции
производиться, как и у
четырехтактных двигателей, чистым маслом под давлением. А не как у обычного
двухтактного двигателя. Чистота выхлопных газов будет соответствовать экологической
чистоте четырехтактных двигателей.
Выполнить абсолютно бескамерную конструкцию не удастся, необходимо оставить
некоторый объем для открытия клапана выброса отработанных газов, свечи и отверстия
для подачи воздуха.
Основную задачу для осуществления проекта создать устройство впрыска воздуха и тогда
можно получить двигатель с огромным количеством преимуществ по сравнению с
известными двигателями внутреннего сгорания.
П. Трофимов