Что такое расчетная степень сжатия на двигателе

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 — 48211. ISSN 1994-0408

Россия, Уфимский государственный авиационный технический университет

Создание экологически безвредного и экономичного рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания является одной из основных задач современного энергетического машиностроения. Из теории поршневых двигателей [1] известно, что с увеличением предварительного сжатия рабочего тела, уменьшается количество топлива, необходимое для получения единицы мощности. То есть для повышения эффективности перспективного рабочего процесса необходимо увеличение степени сжатия.

Такой способ повышения эффективности рабочего процесса уже был неоднократно использован на практике. Так, значение степени сжатия бензиновых автомобильных двигателей 30 – 40-х годов находилось в пределах 4 – 6. Современные двигатели с принудительным воспламенением имеют степень сжатия ≈ 11. Однако дальнейшее увеличение этого значения ограничено возникновением детонации.

Двигатели с самовоспламенением работают при значениях степени сжатия ≈ 15 – 20, что обеспечивает возгорание топлива. Уже при таких значениях степени сжатия значительно повышается максимальное давление и жесткость сгорания цикла. Это приводит к увеличению нагрузки на детали цилиндропоршневой группы и ужесточению требований к прочности конструкции двигателя, что, в свою очередь, вызывает рост механических потерь и увеличение массы двигателя. По этим причинам степень сжатия современных дизельных двигателей также ограничивается в районе 20.

Однако, не смотря на имеющиеся ограничения по степени сжатия для обоих типов поршневых двигателей, в настоящее время ведутся исследования возможности создания работоспособных двигателей со степенью сжатия более 25. Так, например, в работе [2] проведено численное исследование дизельного двигателя со степенью сжатия 30. Подвод теплоты здесь предлагается осуществить в начале процесса расширения. При этом условия в камере сгорания во время впрыска должны обеспечить самовоспламенение не только дизельного топлива, но и бензина.

Таким образом, при создании перспективного высокоэффективного рабочего процесса выбор степени сжатия является принципиальным вопросом, требующим решения на самых ранних этапах реализации проекта.

Цель работы заключается в выявлении преимуществ реализации сверхвысоких степеней сжатия и определении оптимального диапазона степеней сжатия перспективного высокоэффективного рабочего процесса. Для достижения поставленной цели необходимо исследовать влияние степени сжатия на эффективные показатели двигателя.

Методика исследования

В качестве объекта исследования был выбран четырехтактный одноцилиндровый дизельный двигатель YANMAR L -100 C (степень сжатия в серийном исполнении составляет 19,3). Расчеты проводились в системе имитационного моделирования ДВС «Альбея», разработанной на кафедре ДВС Уфимского государственного авиационного технического университета. Эта система позволяет определить индикаторные и эффективные показатели двигателя в любой момент времени [3, 4, 5].

Для подтверждения адекватности модели были проведены расчеты параметров цикла и эффективных показателей двигателя YANMAR L -100 C , которые были сопоставлены с данными экспериментального исследования и результатами индицирования. Условная продолжительность сгорания была определена из экспериментальных данных и составила 89 градусов угла п.к.в. Наилучшее совпадение расчётных и экспериментальных кривых давления и скорости нарастания давления в цилиндре было получено при значении показателя характера горения m = 0,1.

Из результатов сопоставления, представленных на рис. 1 и 2, видно, что используемая модель достаточно точно описывает исследуемый двигатель YANMAR L -100 C .

Рис. 1. Сопоставление расчётной и экспериментальной кривых давления и скорости нарастания давления (dP/dφ) в цилиндре двигателя YANMAR L -100 C ( n = 3100 об./мин., α = 1,36):

1. Давление в цилиндре, эксперимент.
2. Давление в цилиндре, расчёт.
3. Скорость нарастания давления (dP/dφ), эксперимент.
4. Скорость нарастания давления (dP/dφ), расчёт.

Рис. 2. Сопоставление расчётной и экспериментальной внешних скоростных характеристик двигателя YANMAR L -100 C :

1. Эксперимент. 2. Расчёт.

Для оценки влияния степени сжатия на эффективные показатели двигателя, необходимо было корректно выбрать параметры характеристики выгорания. Показатель характера горения задавался двумя значениями: m = 0.1, соответствующее серийному исполнению двигателя, и m = 3, как наиболее типичное для бензиновых двигателей.

Условная продолжительность сгорания также задавалась значениями, характерными для современных бензиновых и дизельных двигателей (50 и 89 градусов угла поворота коленчатого вала (УПКВ) соответственно). Кроме того было дополнительно выбрано третье значение, соответствующее 30 градусам УПКВ. В традиционных двигателях сокращение продолжительности теплоподвода менее 40 – 50 градусов УПКВ вызывает сильный рост механической и тепловой нагрузки на двигатель [1], но в данном случае предполагалось, что при сверхвысоких степенях сжатия теплоподвод может начинаться после прохождения поршнем верхней мертвой точки. В таких условиях высокая скорость выгорания, а, соответственно и короткая условная продолжительность сгорания, будут благотворно влиять на эффективность рабочего процесса.

При расчётах зависимостей параметров исследуемого двигателя от степени сжатия угол начала теплоподвода выбирался из условия получения максимального эффективного КПД. Частота вращения коленчатого вала, используемая в расчетах, равна 3100 об/мин, что примерно соответствует режиму наибольшей эффективности.

Обсуждение результатов

На рис. 3 и 4 представлены расчетные зависимости эффективного КПД от степени сжатия исследуемого двигателя при показателе характера горения m = 3 и 0,1 соответственно. Коэффициент избытка воздуха α = 1,36.

Рис. 3. Зависимость эффективного КПД от степени сжатия при показателе характера горения m = 3 и различных условных продолжительностях сгорания:
1. ϕ _z = 30 град. УПКВ, 2. ϕ _z = 50 град. УПКВ, 3. ϕ _z = 89 град. УПКВ.

Рис. 4. Зависимость эффективного КПД от степени сжатия при показателе характера горения m = 0.1 и различных условных продолжительностях сгорания:
1. ϕ _z = 30 град. УПКВ, 2. ϕ _z = 50 град. УПКВ, 3. ϕ _z = 89 град. УПКВ.

Во всех рассматриваемых условиях при переходе в диапазон сверхвысоких степеней сжатия (до значения 30) наблюдается снижение эффективного КПД цикла. Так, при повышении степени сжатия с 19,3 до 30 и значении показателя характера горения m = 3 эффективный КПД цикла падает на 14,3%, 14,4% и 18,3% для условной продолжительности сгорания ϕ _z = 30, 50 и 89 градусов УПКВ соответственно. Для значения m = 0,1 падение эффективного КПД составляет 15,9%, 16,1% и 17,8% с тем же соответствием.

В то же время понижение степени сжатия исследуемого двигателя с 19,3 до 15 не вызывает понижения эффективного КПД цикла, а, напротив, ведет к его увеличению. Так при значении показателя характера горения m = 3 и ϕ _z = 30 градусов УПКВ отмечается рост эффективного КПД цикла на 4,2%. При значениях условной продолжительности сгорания ϕ _z = 50 и 89 градусов УПКВ рост составляет 4,1% и 6,1% соответственно. Аналогичная картина наблюдается и при значении показателя характера горения m = 0,1: рост эффективного КПД цикла на 5,1%, 5,3% и 6,1% соответственно для ϕ _z = 30, 50 и 89 градусов УПКВ.

В случае снижения степени сжатия с 19,3 до 12,5 и значении показателя характера горения m = 3 рост эффективного КПД составил 4,4%, 4,4% и 7,4% для ϕ _z = 30, 50 и 89 градусов УПКВ соответственно. При значении m = 0,1 соответствующее повышение эффективного КПД составило 5,1%, 5,3% и 6,1%.

Необходимо ещё раз обратить внимание на то, что при проведении расчетов угол начала теплоподвода выбирался из условия получения максимального эффективного КПД. Значения угла начала теплоподвода представлены в таблице 1.

Значения угла начала теплоподвода в расчетах зависимости эффективного КПД от степени сжатия исследуемого двигателя ( n = 3100 об/мин, α = 1,36), градус до ВМТ.

Расчет степени сжатия и объема двигателя

Степень сжатия в двигателе автомобиля

Расчет степени сжатия и объема мотора

Расчет двигателя

Расчет степени сжатия и объема мотора

Степень сжатия в двигателе автомобиля — отношение объёма поршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) (полный объем цилиндра) к объёму над поршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), то есть к объёму камеры сгорания.

b = диаметр цилиндра;

Vc = объём камеры сгорания, то есть, объём, занимаемый бензовоздушной смесью в конце такта сжатия, непосредственно перед поджиганием искрой; часто определяется не расчётом, а непосредственно измерением из-за сложной формы камеры сгорания.

Увеличение степени сжатия в двигателе автомобиля требует использования топлива с более высоким октановым числом (для бензиновых двигателей внутреннего сгорания) во избежание детонации. Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть, способствует снижению расхода топлива.

Степень сжатия в двигателе автомобиля, обозначаемая греческой буквой E, есть величина безразмерная. Связанная с ней величина компрессия зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия. При адиабатическом процессе сжатия воздуха зависимость эта выглядит так: P=P?*?^?, где

?=1,4 — показатель адиабаты для двухатомных газов (в том числе воздуха),

P? — начальное давление, как правило, принимается равное одному.

Из-за неадиабатичности сжатия в двигателе внутреннего сгорания (теплообмен со стенками, утечки части газа через неплотности, присутствия в нем бензина) сжатие газа считают политропным с показателем политропы n=1.2.

При ?=10 компрессия в лучшем случае должна быть 10^1.2=15.8

Детонация в двигателе — изохорный само ускоряющийся процесс перехода горения топливовоздушной смеси в детонационный взрыв без совершения работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов. Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, то есть превышает скорость распространения звука в данной среде и приводит к сильным ударным нагрузкам на детали цилиндра — поршневой и кривошипно-шатунной групп и вызывает тем самым усиленный износ этих деталей. Высокая температура газов приводит к прогоранию днища поршней и обгоранию клапанов.

Понятие степени сжатия не следует путать с понятием компрессия, которое обозначает (при определённой конструктивно обусловленной степени сжатия) максимальное давление, создаваемое в цилиндре при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) до верхней мёртвой точки (ВМТ) (например: степень сжатия — 10:1, компрессия — 14 атм.).

О спортивных автомобилях

Двигатели гоночных или спортивных автомобилей, снабженными тюнингованными и спортивными автозапчастями , работающих на метаноле имеют степень сжатия, превышающую 15:1, в то время как в обычном карбюраторном двигателе внутреннего сгорания степень сжатия для неэтилированного бензина как правило, не превышает 11.1:1.

В пятидесятые — шестидесятые годы одной из тенденций двигателестроения, особенно в Соединенных Штатах Америки, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.

В наше время для улучшения двигателя и автомобиля в целом используются тюнингованые автозапчасти и естественно они должны устанавливаться на профессиональных автосервисах .

ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПЛАВАЮЩИМ ПОРШНЕМ И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, а также в снижении нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Согласно изобретению в цилиндре двигателя размещены два поршня одного диаметра, один из которых посредством шатуна связан с коленвалом, а другой выполнен кинематически независимым. Между поршнями образована полость, заполненная маслом, объем которого контролируется посредством клапанов и регулятора давления, обеспечивая тем самым возможность регулирования степени сжатия в двигателе. Управление двигателем осуществляется при помощи электронных средств, определяющих величину степени сжатия, при которой обеспечивается детонационное воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя. При этом для определения необходимой степени сжатия ее устанавливают ниже расчетной величины самовоспламенения, воспламеняя топливно-воздушную смесь от свечи искрообразования в начале рабочего хода, после прохождения поршнями верхней мертвой точки. Степень сжатия на работающем двигателе с каждым тактом увеличивают до момента детонационного самовоспламенения смеси в верхней мертвой точке, после чего обеспечивают отключение работы свечи искрообразования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель, содержащий цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями, отличающийся тем, что они одного диаметра, где основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый, и между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло, которое, находясь в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, изменяя объем камеры внутреннего сгорания, а при открытии выпускного клапана происходит циркуляция масла. 2. Процесс управления воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, отличающийся тем, что в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия, а определение степени сжатия момента детонации осуществляется с поступлением в цилиндр двигателя топливно-воздушной смеси одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины воспламенения, где после прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, воспламеняется от свечи искрообразования, а с каждым тактом на работающем двигателе увеличивается степень сжатия до момента детонации смеси в верхней мертвой точке и происходит отключение работы свечи искрообразования.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями одного диаметра. Основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый. Между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра установлены датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия. Определение степени сжатия осуществляется с поступлением в цилиндр топливно-воздушной смеси, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, происходит ее воспламенение от свечи искрообразования. При увеличении степени сжатия на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от сжатия в верхней мертвой точке. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия.

Аналогом предлагаемого изобретения могут служить известные конструкции, изменяющие объем камеры внутреннего сгорания с использованием масла, которое поступает в подвижные элементы поршня. Недостатком таких конструкций является сложность размещения подводящих и отводящих масленых каналов. За прототип данного изобретения взят двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент SU №1508002 А1, F02B 75 /04), содержащий поршень, образованный корпусом и головкой в виде подвижного стакана, связанными между собой с образованием камеры переменного объема, и систему маслоподачи, представляющую собой последовательно соединенные каналы, выполненные в коленчатом валу, шатуне и подшипниках его верхней и нижней головок, а подшипник нижней головки шатуна содержит уплотнение.

К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность конструкции, снижение прочности в кривошипно-шатунном механизме, большую длину масленых каналов, ненадежность уплотнения, ограниченную циркуляцию охлажденного масла.

За прототип данного изобретения управления процессом самовоспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия (патент RU №2095597 С1, 6 F02B 75/26,75/04, F02P 15/04) взят регулятор степени сжатия, который выполнен в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения — с шестернями корректировки степени сжатия, причем последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.

Основной недостаток данного регулятора степени сжатия в том, что при работающем двигателе, чтобы изменить его мощность, необходимо увеличить обороты за счет обогащения качественного состава смеси и синхронно уменьшить степень сжатия. Механическим путем корректировку степени сжатия червячным винтом выполнить невозможно.

Изобретение направлено на повышение эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, снижение нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и устранение вышеперечисленных недостатков.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом имеет: /чертеж/ головку цилиндра-1, цилиндр-2, где располагается основной поршень-3, связанный с шатуном-4, и плавающий поршень-5. На такте впуска, около нижней мертвой точки, при открытии впускного клапана- 6, через подводящий канал-7 и масленый регулятор давления/место установки/-8, между поршнями нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. На такте выпуска около нижней мертвой точки при открытии выпускного клапана-9, через отводящий канал-10, часть масла возвращается с систему. На следующем такте работы двигателя поступившее масло охлаждает поршни и стенку цилиндра. На такте впуска, при движении поршней вниз, между основным и плавающим поршнями образуется разрежение, область пониженного давления Р. Из-за разницы давлений, где P₁ — давление над плавающим поршнем, P₁-Р=F, возникает движущая сила F, которая перемещает плавающий поршень вниз. На силу F положительно влияет: Р₂ — давление от наддува поступающего воздуха и Р₃ — давление от поступающего топлива. На силу F отрицательно влияет трение поршневых колец о стенку цилиндра плавающего поршня. Для увеличения площади соприкосновения с маслом, днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси /ТВС/ от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема ТВС в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления /место установки/-11 и электромагнитный обратный клапан /место установки/-12. На такте сжатия переменные параметры от датчика давления поступают в электронный блок управления работы двигателя, где обрабатываются и преобразуются в электрический импульс. Длительность этого импульса влияет на время открытия электромагнитного обратного клапана, через который неиспользованная ТВС по трубопроводу возвращается в топливною систему, поддерживая заданную степень сжатия. Двигатель работает следующим образом: для увеличения мощности, необходимо увеличить обороты двигателя. Для этого в цилиндр двигателя подается обогащенная ТВС, за счет увеличения времени открытия топливной форсунки /место установки/-13. Одновременно электронный блок управления работы двигателя, воздействуя на электромагнитный обратный клапан, уменьшает степень сжатия. Управление процессом изменения объема камеры внутреннего сгорания происходит через масленый регулятор давления. Для увеличения объема камеры внутреннего сгорания масленый регулятор давления уменьшает объем подачи масла между поршнями, ТВС поступает в цилиндр в большем объеме, но степень сжатия остается без изменения. Воспламенение ТВС от большой степени сжатия/детонация/ в предлагаемом двигателе, происходит строго в верхней мертвой точке /ВМТ/. Определение степени сжатия воспламенения ТВС любого вида применяемого топлива осуществляется в следующей последовательности: в цилиндр двигателя во время запуска от стартера, поступает ТВС одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения ВМТ, в начале рабочего хода, чтобы неиспользованная ТВС не поступила в систему выпуска отработанных газов, в головке блока цилиндра устанавливается свеча искрообразования /место установки/-14, которая воспламеняет ТВС. При большой степени сжатия скорость распространения пламени сгорания ТВС в цилиндре достигает значительной величины и поэтому на работу двигателя воспламенение ТВС после ВМТ существенно не повлияет. С каждым тактом, на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит увеличение степени сжатия до момента самовоспламенения ТВС в ВМТ. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия режима детонации. При работающем двигателе от свечи искрообразования определение степени сжатия и переход в режим детонации осуществляется с изменением момента зажигания после ВМТ в той же последовательности. На процесс детонации различных видов ТВС влияют несколько факторов: температура, качественный состав ТВС, а также температура в камере сгорания. Для корректировки работы двигателя, при любых климатических условиях и на различных видах применяемого топлива, устанавливаются следующие датчики: температуры и давления, поступающего в цилиндр воздуха и топлива, а также температуры цилиндра и головки цилиндра. Управляемый процесс детонацией заключается в том, что от всех датчиков и регуляторов информация поступает в электронный блок управления двигателя, где обрабатывается и длительностью электрического импульса, поступающего на электромагнитный обратный клапан, поддерживается заданная степень сжатия.

Двигатель отличается тем, что между поршнями нет кинематической связи, способной влиять на изменение объема камеры внутреннего сгорания, это происходит с изменением объема поступающего масла между ними.

Двигатель отличается тем, что имеет подводящий и отводящий каналы с впускным и выпускным клапанами, расположенными по разные стороны от продольной оси цилиндра.

Двигатель отличается тем, что днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы.

Двигатель отличается тем, что при циркуляции масла происходит охлаждение поршней и стенок цилиндра.

Двигатель отличается тем, что при данной смазке стенок цилиндра, значительно уменьшается трение поршневых колец, облегчается запуск двигателя при низких температурах и увеличивается ресурс его работы.

Двигатель отличается тем, что уменьшаются ударные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, снижается шум работы двигателя.

Процесс управления воспламенения ТВС от сжатия отличается тем, что в головку блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия.

Определение степени сжатия отличается тем, что воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от свечи искрообразования после прохождения верхней мертвой точки, с последующим ее отключением при воспламенении в режиме детонации в верхней мертвой точке.

О новых методах управления аксиально-поршневыми двигателями. Принцип разделения движений

Погуляев Ю.Д., д.т.н. / Южно-Уральский ГУ

Известно, что любое разделение движений в сложном механизме ведет к упрощению конструкции механизма.

В ДВС имеется сложное движение — это возвратно-поступательное движение поршней в цилиндре.

Сложность этого движения заключается в множестве функций противоположного характера, которые должны быть выполнены при движении поршней к верхней мертвой точке (ВМТ) и обратно к нижней мертвой точке (НМТ).

При движении поршней к ВМТ должно быть выполнено условие сжатия воздуха или гомогенной рабочей смеси до определенной степени.

Степень сжатия определяется при постоянном полном объеме объемом камеры сгорания, который и обусловлен малыми перемещениями поршней вблизи ВМТ.

Рабочий объем ДВС также определяется движением поршней, но между ВМТ и НМТ.

Необходимо отметить, что процесс изменения объема камеры сгорания и рабочего объема по своей сути разные процессы, хотя они реализуют один термодинамический цикл.

До сих пор их не удавалось разделить с точки зрения управления ими и даже не было попытки сделать это, несмотря на то, что разделение этих движений сулит большие выигрыши с точки зрения оптимизации термодинамического цикла.

Поэтому, хотя в управлении ДВС и имеется два направления: регулирование степени сжатия и регулирование рабочего объема [1], по сути дела оба эти процесса рассматриваются отдельно.

При этом совершенно ясно, что независимая реализация изменения рабочего объема и изменения объема камеры сгорания невозможна для современных ДВС с их кинематикой.

Поэтому изменение рабочего объема рассматривается при определенной степени сжатия и, наоборот, изменение объема камеры сгорания рассматривается при определенном рабочем объеме.

Получить объективную картину управления рабочим процессом, по оптимизации термодинамического цикла при кинематически зависимых друг от друга процессах изменения объема камеры сгорания и рабочего объема в настоящее время не представляется возможным.

Поэтому рассмотрим процесс регулирования объема камеры сгорания и рабочего объема, как два направления, актуальные как для искрового двигателя, так и для дизеля на основе существующей кинематики ДВС.

Управление рабочим объемом для искровых двигателей за счет уменьшения хода поршней позволяет достичь снижения механических потерь и повышения индикаторного к.п.д. при работе без дросселирования на режимах частичных нагрузок. Для дизелей также управлением рабочим объемом весьма эффективно.

Большой рабочий объем существующих двигателей автомобилю нужен только для движения с максимальной скоростью, т. е. на режиме, время которого не превышает 10% общего времени движения автомобиля. Основную же часть времени (например, при движении в городе) автомобилю требуется экономичный двигатель с маленьким объемом [2].

Регулирование степени сжатия в искровых двигателях повышает рост эффективного КПД на частичных нагрузках за счет роста индикаторного КПД.

Регулирование степени сжатия в двигателях осуществляется плоскостными траверсными механизмами [2] или пространственными механизмами в аксиально-поршневых двигателях (АПД) [3].

Проблема синтеза траверсного механизма весьма трудоемка, связана с большим объемом расчетных исследований.

Принципы проектирования таких механизмов пока не сформулированы. Это связано отчасти и с тем, что механизмы реализуют сложные движения по изменению рабочего объема и степени сжатия без их разделения.

Мало того, траверсные механизмы не позволяют разделить движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема и не позволят это сделать в силу заложенной в них кинематики.

Это означает, что взаимнооднозначное соответствие между объемом камеры сгорания и рабочим объемом остается при любом траверсном механизме.

Это означает резкое сужение возможностей управления термодинамическим циклом при сжигании топлива, ограничение возможностей электронного управления ДВС в зависимости от изменяющихся внешних условий, ограничение возможностей мониторинга сжигания топлива и его оптимизации.

Невозможно разделение движений и в аксиально-поршневых машинах при существующей кинематике.

В Австралии Дж. Скальцо [4] разработал двигатель с качающейся шайбой и переменным рабочим объемом, названный СVS, что означает «двигатель с бесступенчато изменяющимся ходом поршня» (Continuously Variable Stroke). Уменьшение рабочего объема в 2 раза (с 2.5 до 1,25 л) происходит при работе двигателя без нагрузки. Именно благодаря этому и достигается указанное снижение расхода топлива, так как при полной нагрузке с максимальным рабочим объёмом (2,5 л) экономическая характеристика CVS не лучше, чем у обычного силового агрегата того же рабочего объема. Степень сжатия у двигателя CVS изменяется от 9,0 при максимальном ходе поршня до 10.0 при минимальном, то есть практически не меняется.

При этом существует жесткое взаимнооднозначное соответствие между объемом камеры сгорания и рабочим объемом. Двигатель Дж. Скальцо не позволяет независимо изменять объем камеры сгорания и рабочий объем аксиально-поршневого двигателя.

Известен способ регулирования рабочего объема и степени сжатия [5] в аксиально-поршневой машине.

Главным недостатком способа является то, что он реализован в такой конструкции, которая не позволяет ни при каких её изменениях, не нарушающих принцип её функционирования (преобразование движения через выпукло-вогнутые поверхности при постоянном угле наклона шейки коленчатого вала) разделить движения по регулированию рабочего объема и по регулированию объема камеры сгорания.

Это разные движения, которые необходимо реализовать и регулировать в разных по высоте цилиндра частях, а для этого их необходимо разделить.

При этом конструкция, которая реализует этот способ, не может быть изменена таким образом, (возможности развития конструкции исчерпаны), чтобы реализовать раздельное регулирование рабочего объема и степени сжатия.

Этот способ и другие способы для регулирования АПД не позволяет изменять степень сжатия независимо от изменения рабочего объема и в широком диапазоне и в зависимости от изменяющихся внешних многообразных условий.

Предлагаемый АПД реализует новый принцип управления рабочим объемом и объемом камеры сгорания.

Суть этого принципа в том, что кинематически разделяют движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема и управляют каждым движением в отдельности.

Необходимо поэтому по новому классифицировать движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема с точки зрения возможностей раздельного управления ими.

Первое. Эти движения реализуются в разное время термодинамического цикла. Изменение объема камеры сгорания во время движения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) до начала процесса воспламенения топлива или в начальной стадии процесса горения топлива.

Изменение рабочего объема происходит после того, как закончилось изменение объема камеры сгорания и когда поршень начинает двигаться вниз к НМТ. Из сказанного следует, что процессы изменения объема камеры сгорания и процессы изменения рабочего объема не только разделены во времени, но противоположны по самому направлению движений.

Второе. Первое движение или движение по изменению объема камеры сгорания — это движение малых перемещений.

Реализация движения малых перемещений осуществляется в области ВМТ и позволяет осуществлять регулирование степени сжатия.

Второе движение — это движение больших перемещений в области между ВМТ и НМТ, реализация которого позволяет осуществлять регулирование рабочего объема.

Третье. Совершенно очевидно, что управление этими движениями должно осуществляться независимо и на новых принципах.

Четвертое. Для реализации различных движений нужна новая кинематика ДВС и новая конструкция ДВС.

Такие ДВС и предлагаются на основе новых АПД, которые позволяют реализовать принцип разделения движений как базовый принцип управления новыми ДВС.

В свою очередь принцип разделения движений реализует принцип двухканальности управления термодинамическим циклом ДВС, когда один канал управления реализует независимое управление изменением объема камеры сгорания, а другой канал реализует независимое управление рабочим объемом.

Преимущества реализации принципа разделения движений на основе принципа двухканальности управления термодинамическим циклом в следующем.

1. Реализация движений осуществляется простыми внешними следящими САУ с электрической обратной связью по положению силового исполнительного механизма.

2. Реализация движений осуществляется независимо и одновременно или в любой последовательности и в разное время.

3. Управление движениями осуществляется от электронного блока управления и может быть при этом реализовано исчерпывающее многообразие управлений в зависимости от самых разнообразных условий.

Такими условиями могут быть: многотопливность; условия эксплуатации и изменение режимов работы; пуск двигателя; оптимизация сжигания топлива; увеличение угла опережения зажигания с сохранением параметров рабочего тела; управление наддувом в зависимости от величины рабочего объема и степени сжатия наддува; режимы работы; экологические требования.

Самым существенным моментом, который позволяет перейти к новым ДВС с возможностью реализации принципа разделения движений является то, что предлагаемые АПД реализуются по совершенно новой и более простой кинематической схеме.

Новые АПД позволят реализовать совершенно новые возможности для ДВС, которые составляют основу новой концепции ДВС.

Эти новые возможности позволят создать простые, дешевые, технологичные двигатели, конкурентные на отечественном и мировом рынке.

В новых АПД применена новая концепция преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное движение (ВПД), которая требует отдельного рассмотрения.

1. Кутенев В.Ф., ЗленкоМ.А.,Тер-Мкртчьян Г.Г. Управление движением поршней — неиспользованный резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля. // Автомобильная промышленность. — 1998 — №11. — с.25-29.

2. Тер-Мкртчьян Г.Г. Двигатели ВАЗ: современный технический уровень и перспективы развития за счет регулирования степени сжатия.// Автомобильная промышленность. — 2008. — №10 — с.17-19.

3. Зленко И.А., Кутенев В.Ф., Романчев Ю.А. Аксиальные двигатели. Особенности конструкции. // Автомобильная промышленность. — 1993. — №5 — с.6-9

4. Илей.Л. Двигатель с переменным рабочим объемом.//Автомобильная промышленность США. — №8. — 1986. — с.8.

5. Патент RU20732436C1, МПК F02B75/26 — Аксиально-поршневая машина F02B75/26, авторы Зленко М.А., Кутенев В.Ф., Романчев Ю.А., Бродягин Ю.В.

О новых методах управления аксиально-поршневыми двигателями. Принцип разделения движений

Погуляев Ю.Д., д.т.н., Южно-Уральский ГУ

Статья посвящена новой концепции управления аксиально-поршневыми двигателями на основе принципа разделения движений.

About new methods of control axial-piston engine. Principle of the motionseparation

Pogulyaev Y., Doctor of technical sciences, professor of the electromechanic and electromechanical systems department of South Ural State University, Chelyabinsk

Article is devoted to the new concept of the axial-piston engine control on the base of principle of the motions separation.