MDX – язык запросов к многомерным базам данных

Переводим с английского (математика)

Другие статьи

---

УДК 502:629

ДВИГАТЕЛЬ С РАЗДЕЛЁННЫМИ ТАКТАМИ

Антонов Владимир Михайлович

Липецк, ЛГТУ

Предлагается схема двигателя внутреннего сгорания с разделением тактов: в рабочих цилиндрах осуществляются только рабочие ходы и выхлопы отработавших газов, а всасывание воздуха и его сжатие осуществляет компрессор. Расчёты показывают, что предлагаемый двигатель имеет энергетические и экологические преимущества.

Предлагается схема двигателя с разделёнными тактами [1]. Суть разделения состоит в том, что в рабочих цилиндрах осуществляются только рабочие ходы поршней и выхлопы отработавших газов, а всасывание воздуха и его сжатие производится отдельным компрессором. Предлагаемая схема обещает существенное повышение экономичности двигателя и его экологической безопасности.

Появление схемы разделения тактов у двигателей внутреннего сгорания вызвано в первую очередь желанием сократить тепловые потери и повысить КПД; попутно решалась экологическая задача. В теории двигателей хорошо известен факт роста КПД при увеличении степени сжатия. Это связано с характером политропы расширения рабочего хода. Если объём камеры сжатия (в компрессорах его называют паразитным) относительно большой, то политропа расширения будет пологой, и в конце рабочего хода в цилиндре останется высокое недоиспользованное давление газов (именно это наблюдается у обычных двигателей). Чем меньше паразитный объём, тем круче спадает политропа и тем меньше остаточное давление газов; КПД при этом растёт. Он растёт ещё и от того, что при круто спадающей политропе температура выхлопных газов меньше и меньше, следовательно, тепловые потери.

Но это - лишь одна сторона процесса. С другой стороны, повышение степени сжатия вызывает рост давлений и температур в начале рабочих ходов и, как результат, прорыв газов в картер и перегрев поршневой группы; приходится вводить принудительное охлаждение. Утечка газов в картер и отвод тепла принудительным охлаждением составляют другую группу потерь; они, наоборот, с уменьшением паразитного объёма увеличиваются. В конце концов объём камеры сжатия выбирают таким, чтобы сумма всех потерь была наименьшей.

Разделение тактов призвано устранить противостояние указанных групп потерь. В предлагаемом двигателе камера сжатия (она же - камера сгорания) выносится за пределы цилиндров, и поэтому её паразитный объём устраняется почти полностью. Условная степень сжатия, определяемая отношением объёма цилиндра в нижней мёртвой точке поршня к объёму в верхней, теоретически стремится к бесконечности; практически она может переваливать за сотню. На камеру сгорания никак не распространяется условие высокой степени сжатия, и поэтому давление в ней и температура в несколько раз меньше, чем в обычных двигателях. Процесс рабочего хода разбивается на два этапа. Сначала полость рабочего цилиндра соединена с камерой сгорания, и политропа расширения - очень пологая. Потом камера сгорания отключается, и политропа резко спадает. Фазу отключения камеры выбирают такой, чтобы в конце рабочего хода давление в цилиндре опускалось до атмосферного или даже ниже. Температура выхлопных газов при этом снижается; хлопки, порождающие шум, исчезают - двигатель становится бесшумным.

Рассмотрим более подробно работу четырёхцилиндрового мотора с разделёнными тактами на примере модернизированного двигателя ВАЗ-2112 (рис. I). Модернизация выполнена таким образом, что заменяется прежняя головка блока на новую; сам же блок в экспериментальном варианте оставлен без изменений. Камера сгорания 6 вынесена за пределы цилиндров. В ней нет подвижных деталей, и поэтому ей не страшны тепловые удары от вспышек топлива; вместо прежнего охлаждения вводится утепление в виде футеровки; это сокращает тепловые потери. Клапаны заменены краном 3: распредвал превращён в поворотный золотник; замена оказалась возможной потому, что давление рабочих газов снижено в несколько раз и не превышает 1,5...2,0 МПа. Распределение выполнено таким образом, что один крайний цилиндр (четвёртый по счёту, если считать от носка) работает в режиме компрессора, то есть засасывает свежий воздух и нагнетает его в камеру сгорания; в остальных трёх цилиндрах ( в 1-ом, во 2-ом и в 3-ем) осуществляются только рабочие ходы и выхлопы, то есть они работают в режиме двигателей; число рабочих ходов в них удваивается. Система электронно-форсуночного впрыска заменена дозатором I; распыл топлива осуществляется потоком воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания компрессором. Процесс горения топлива в камере - непрерывный (с переменной интенсивностью), поэтому зажигание в принципе необходимо только при пуске двигателя, и оно может осуществляться калильной свечой 5, не нуждающейся в сложной системе подачи искры. Воздушный фильтр 4 пристыкован к головке блока; кроме компактности таким образом решаются и другие задачи, в частности отсос воздухоочистителем картерных газов.

Термодинамические характеристики рабочих ходов во всех цилиндрах мотора различаются между собой (рис. 2); рассмотрим их в отдельности. Начнём с компрессора; его рабочий ход отображён кривой (а-b-d). В начале хода компрессорный цилиндр не соединён с камерой сгорания, и поэтому давление воздуха в нём будет расти достаточно круто. Если проигнорировать отвод тепла через стенки цилиндра (а он, действительно, может быть уменьшен почти до нуля), то давление будет расти по адиабате [2]:

P_a-b = P_a ()^k ,

где P_a-b - давление воздуха на участке (a-b); P_a - атмосферное давление; V_ц - полный объём цилиндра; V - текущий объём цилиндра над поршнем, V = V_ц...V_b; k - показатель адиабаты.

После того, как давление поднимется до остаточного значения P_b в камере сгорания, полости цилиндра и камеры соединяются, и общее давление дальше будет изменяться уже по закону

P_b-d = P_b ()^k , V = V_b...0,

где V_b - объём цилиндра, соответствующий давлению P_b; V_кс - объём камеры сгорания.

Окончательное давление P_d в конце сжатия (V = 0) определится как

P_d = P_b (1 + )^k , -

и составит в нашем случае 0,5 МПа при условии, что остаточное давление в камере сгорания P_b принято равным 0,25 МПа.

Температуру в конце сжатия T_d определим из выражения

T_d = T_a · ε^k-1 ,

где T_a - температура наружного воздуха, T_a = 300 К; ε - степень сжатия, ε = P_d/P_a = 5; в результате получим T_d = 400 К.

Для сравнения приведём значения параметров процесса сжатия в обычном двигателе: давление у бензиновых двигателей повышается до 1,8 MПа, а у дизелей до 5,5 МПа; температура - соответственно до 780 К и до 900 К. Следовательно, в нашем случае давление компрессии снижается в 3,6...11 раз, а температура - в 2...2,25 раза.

В конце нагнетания камера сгорания перекрывается и последняя часть нагнетаемого воздуха продувается уже через дозатор; этот воздух захватывает порцию топлива, подаёт её в камеру сгорания и распыляет.

Далее происходит процесс сгорания топлива; он будет происходить в щадящем режиме: во-первых, в камере сгорания нет холодных стенок (футеровка камеры предназначена удерживать тепло); а во-вторых, максимальные температура и давление газов значительно меньше тех, что отмечены у обычных двигателей; и наконец, продолжительность горения увеличивается приблизительно в три раза; последнее требует пояснения, В 1-ый цилиндр, поршень которого смещается синхронно с поршнем компрессора, газы нагнетаются сразу же после окончания рабочего хода компрессора, но, учитывая, что этот цилиндр находится на противоположном конце камеры сгорания, недогоревшие газы попасть в него не могут. Что же касается 2-го и 3-го цилиндров, то их рабочий ход запаздывает, так как смещён на пол-оборота коленвала, и до момента начала нагнетания газов в них поступившая порция горючего должна успеть сгореть полностью.

Ограничим максимальное давление в камере сгорания величиной Р_А =1,5 МПа (ограничение достигается регулировкой дозатора топлива), и определим максимальную температуру Т_А из выражения

Т_А = Т_d · ;

она составит Т_А = 1200 К.

Из сравнения видно, что давление в камере сгорания двигателя с разделёнными тактами в 3,3..,6,7 раза ниже, чем у обычных двигателей, а температура ниже в 1,8...2,3 раза.

Продолжим расчёты; рассмотрим рабочий ход в том цилиндре, поршень которого движется в одной фазе с поршнем компрессора; он находится на противоположном конце двигателя (мы договорились называть его 1-ым). На диаграмме (рис. 2) его рабочий ход отображён кривой (А - В - D). На участке (A - B) полость цилиндра соединена с камерой сгорания; давление и температура в них будут изменяться по законам

P_A-B = P_A · ()ⁿ ,

T_A-B = T_A · ()^n-1 ,

где V = 0...V_B; n - коэффициент политропы, близкий показателю адиабаты.

В точке B полость цилиндра отсоединяется от камеры сгорания, и дальнейший процесс отобразится следующими зависимостями:

P_B-D = P_D · ()ⁿ ,

T_B-D = T_B · (1 + )^n-1 , V = V_В...V_ц .

Если задать, например, Р_D = 0,08 МПа (двигатель с разделёнными тактами, в отличие от обычных двигателей, позволяет это сделать) , то после совместного решения полученной системы уравнений можно рассчитать все необходимые параметры; в частности получим Р_B = 1,0 МПа, T_B = 1080 К, T_D = 600 К.

Рабочие ходы поршней в двух оставшихся спаренных цилиндрах (во 2-ом и в 3-ем) можно рассматривать как один ход поршня условного цилиндра с удвоенным объёмом; на диаграмме (рис. 2) он отображён кривой (E - F - G ). По аналогии с первым рабочим цилиндром система уравнений участка (E – F) будет иметь вид

P_E-F = P_E · ()ⁿ ,

T_E-F = T_E · ()^n-1 , V = 0...V_F ,

и на участке (F - G):

P_F-G = P_G · ()ⁿ ,

T_F-G = T_F · ()^n-1 , V = V_F...2V_Ц .

В этих выражениях P_E=P_B =1,0 МПа, P_F=P_b = 0,25 МПа, P_G=P_D = 0,08 МПа, T_E=T_B = 1080 К. Все остальные параметры определяются в результате совместного решения уравнений; выделим из них Т_G = 550 К.

Проведённые расчёты позволяют надеяться, что предлагаемый двигатель будет очень экономичным; его удельный расход топлива может существенно сократиться. Уменьшение потребления горючего является не только экономическим, но и важным экологическим фактором: оно приводит к уменьшению общего объёма выхлопных газов и к меньшему выжиганию кислорода из атмосферы.

Сравним энергетические потери существующих обычных двигателей с потерями двигателя с разделёнными тактами; рассмотрим основные из них по порядку.

I. Недоиспользование давления газов в конце рабочих ходов. У дизелей остаточное давление колеблется в пределах 0,3...0,5 МПа, у бензиновых двигателей - в пределах 0,4...0,6 МПа. При открытии выхлопных клапанов газы вырываются наружу и производят хлопки, похожие на выстрелы; сливаясь, они создают шум, который приходится подавлять глушителем. Указанные потери составляют приблизительно 30% от всех потерь; в пересчёте на объём горючего они отнимают около двух литров из каждых десяти литров потреблённого топлива.

В предлагаемом двигателе этих потерь нет, и он становится бесшумным.

2. Унос тепла с выхлопными газами. Их температура у дизелей –1000...1200 К, а у бензиновых двигателей ещё выше: 1300...1700 К; на это уходит ещё 1,2 л топлива из тех же десяти (20% общих потерь).

В новом двигателе согласно расчётам температура выхлопных газов снижена до 550...600 К; значит и эти потери соответственно уменьшатся.

3. Отвод тепла системой принудительного (водяного) охлаждения. Это - ещё 30% всех потерь или около двух литров топлива из десяти.

В нашем случае топливо сгорает вне цилиндров, и все подвижные детали поршневой группы не подвергаются прежней тепловой атаке. Поэтому камера сгорания в целях сохранения тепла термоизолируется футеровкой. В самих рабочих цилиндрах температура колеблется в пределах 550...1200 К; поэтому с учётом естественного пассивного рассеивания тепла от принудительного охлаждения можно отказаться вообще.

4. Прорыв газов из цилиндра в картер. У изношенных двигателей уходящие в картер газы могут отнимать энергию до 10 и более % общих потерь или пол-литра топлива из десяти.

В двигателе с разделёнными тактами пиковые давления газов снижены более чем в шесть раз; соответственно уменьшится и прорыв газов в картер. (Значительное снижение давлений газов позволяет к тому же отказаться от клапанного распределения и перейти к крановому .)

5. Расход мощности на компрессию. Как было сказано, максимальное давление нагнетания воздуха в камеру сгорания в предлагаемом двигателе в 3,6...11 раз ниже, чем у обычных двигателей; значит и потери энергии будут также сокращены. Следует учесть и то, что частота тактов сжатия у него в два раза меньше.

6. Сокращаются или устраняются вовсе расходы мощности на вспомогательные приводы: на вращение кулачкового распредвала, преодолевающего усилия пружин клапанов; на водяную помпу, на вентилятор

и другие.

У двигателя с разделёнными тактами можно обнаружить и другие преимущества, в частности он становится всеядным и может работать на любом топливе; у него может быть расширен диапазон оборотов; его детали меньше нагружены и поэтому будут дольше служить, и т. д.

Таким образом, двигатель с разделёнными тактами выигрывает во всех отношениях: он имеет более простую конструкцию, более экономичен и значительно в меньшей степени склонен загрязнять окружающую среду.

Список литературы

1. Антонов В.М. Два такта вместо четырёх/ Ж. Автомобильная промышленность, № 9, 2001.- С. 21-22.

2. Железко Б.Е. и др. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания/ Минск, Выш. шк., 1985.- 271 с.

Рис. I. Головка двигателя с разделёнными тактами:

I - дозатор топлива; 2 - корпус головки; 3 - крановый распредвал;

4 - воздухоочиститель; 5 - свеча калильная; 6 - камера сгорания;

7 - заслонка; 8 - прокладка термоизоляционная; 9 - декомпрессор.

Рис. 2. Диаграмма рабочих ходов 4-х цилиндрового двигателя внутреннего сгорания с разделёнными тактами