Читать онлайн Сергей Устинович, Сергей Еремеев - Эффективность ДВС – повышается тактовой частотой

Исследовательская деятельность, направленная на повышение эффективности работы того или иного технического устройства, может считаться успешной, когда его разработчик на опыте подтверждает (по принципу «больше/меньше») требуемые ему математические (числовые, цифровые) значения технических показателей, которые характеризуют собой данное устройство. В конечном итоге правильность выбора конкретных числовых значений этих показателей требует подтверждения практикой коммерческой эксплуатации нового варианта исполнения устройства, которое создано на основе проведённых исследований.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) объёмного вытеснения (ОВ) состоит из i-числа одинаковых по конструкции секций программного ползунно-эксцентрикового механизма (ПЭМ). В каждой из секций, внутри её локально замкнутой полости объёмного вытеснения (ПОВ) находится газовая порция, или заряд рабочего тела (ЗРТ). Посредством последовательного увеличения и уменьшения величины (значения) объёма V ЗРТ, в ПОВ секции зарядом воспроизводится открытый четырёхтактный термодинамический цикл (ТДЦ), состоящий из одного производительного такта рабочего хода (ТРХ) и трёх затратных тактов: выпуска, впуска и сжатия, которые все работают за счёт энергии, выработанной в ТРХ. В каждом периодически повторяющемся ТДЦ количество теплоты, подведённой в ТРХ извне к ЗРТ, преобразуется в количество механической работы вращения выходного в ТРХ вала отбора мощности (ВОМ) данного ПЭМ, часть из которого передаётся на соосный с ним вращающийся входной вал механизма нагрузки. Как и любое другое искусственно создаваемое техническое устройство, ПЭМ секции ДВС ОВ, прежде всего, характеризуется числовыми значениями своих технических показателей двух, известных из Философии категорий: субъективной и объективной.

Числовые значения показателей первой категории – так называемых субъективных технических показателей, зависят от субъективного желания изготовителя двигателя и оператора, управляющего двигателем. К ним относятся, во-первых, заранее субъективно задаваемые изготовителем двигателя и неизменяемые впоследствии значения максимального и минимального рабочего объёма полости объёмного вытеснения механизма секции двигателя: V_>макс и V_>мин. Их взаимозависимость характеризуется величиной отношения: ε =V_>макс / V_>мин, которое демонстрирует собой степень сжатия (либо расширения после сжатия) объёма V_>макс газового заряда рабочего тела, находящегося внутри локально замкнутой ПОВ секции ДВС перед началом такта сжатия.

Во-вторых, субъективным показателем также является результирующая максимальная сила F_>макс сильно нагретого газового заряда в начале такта рабочего хода, постоянное значение которой объективно физически определяется значениями массы газа ЗРТ, которым при нормальных атмосферных условиях обладает величиной объёма V_>макс, способного сжиматься до значения объёма V_>мин, то есть при степени сжатия ε заряда. Поэтому значение силы F_>макс нагретого ЗРТ при помощи предельных значений его объёма также субъективно задаёт изготовитель двигателя.

В-третьих, субъективным показателем также является и переменное во времени t значение частоты вращения вала отбора мощности механизма секции ДВС, или числа оборотов этого вала в минуту – n, текущее значение которого субъективно задаётся оператором во время испытания или эксплуатации двигателя. Данное выбранное значение частоты n технически достигается при помощи субъективного изменения оператором соотношения массовой доли топлива, распыленного внутри кратно большей массы воздуха в составе газового ЗРТ, который перед сжиганием этой доли топлива в этом воздухе представляет собой, так называемую газовую топливо-воздушную смесь (ТВС). Показатели соотношения топлива и воздуха в ТВС при конкретном значении объёма ПОВ секции ДВС – V_{>секции} = V_>макс, вырабатывают собой в ТРХ конкретное значение силы F_>макс нагретого ЗРТ.

При этом числовые значения показателей второй категории – так называемых объективных технических показателей, не зависят от желаний и действий изготовителя или оператора, управляющего двигателем. Поскольку взаимозависимые геометрические размеры и значения технических показателей их отдельных элементов и узлов, а также особенности их расположения и взаимодействия в механизме секции ДВС, определяются его, так называемой кинематической схемой, которую, впрочем, изготовитель тоже субъективно выбирает из имеющегося у него набора известных на момент выбора вариантов исполнения данных схем. Но после того как он выбрал понравившуюся ему кинематическую схему механизма секции ДВС, далее ему предстоит постоянно находиться в рамках тех объективных технических возможностей, которых выбранная им кинематическая схема способна предоставить.

Однако при наличии большого разнообразия и числа подобных кинематических схем механизмов секций четырёхтактных ДВС, к настоящему времени практику широкой коммерческой эксплуатации выдержали и подтвердили только две схемы программного ползунно-эксцентрикового механизма секций с эксцентриковым валом отбора мощности. Одной из них является секция так называемого тронкового поршневого двигателя (ПД), изображённая на рис.1 (она показана без элементов ГРМ), другой – секция роторно-поршневого двигателя (РПД) Ванкеля, показанная на рис.2 (это так называемая эпи-схема).

Рис.1

В результате коммерческой практики использование именно эксцентрикового ползунного механизма для секции ДВС ОВ было обусловлено, по меньшей мере, одним важным свойством эксцентрикового механизма. В данном механизме поверхности трения узлов так называемой силовой цепи секции ДВС, которая находится на транзите силовой передачи механической энергии в пространстве между массой газового заряда рабочего тела и валом отбора мощности, располагаются за пределами горячей полости объёмного вытеснения секции. Это позволяет, без чрезмерного образования нагара и закоксовывания, принудительно и непрерывно смазывать и охлаждать поверхности кинематических пар трения узлов силовой цепи, обеспечивая свободный доступ к ним подведенных извне текучих – жидких или газовых агентов смазки и охлаждения.

Рис.2

Принципиально, механизмы поршневой и роторнно-поршневой секций отличаются одна от другой, прежде всего, геометрической формой, или конфигурацией профиля звеньев их, так называемого узла ползуна (УП), который состоит из двух своих звеньев. Одним из них являются звено направляющей опорной поверхности неподвижного статора – так называемого крейца (маршрута, траектории). Вдоль поверхности крейца без проскальзывания, непрерывно и циклически перемещается механически контактирующее с ним второе и подвижное звено УП – так называемого ползуна (по-немецки – крейцкопфа). При этом в секции ПД геометрическая форма профилей крейца и ползуна является прямолинейной, а в секции РПД – круговой.

К сожалению, кроме этих двух форм профилей, наука Геометрия больше не предоставила нам какой-либо другой возможной формы для крейца и крейцкопфа, которая была бы работоспособна и удобна для изготовления и эксплуатации механизма секции теплового двигателя объёмного вытеснения.

Узел ползуна, является узлом так называемой программной цепи, пространственно расположенной между входным в ТРХ силовым звеном – поршнем или ротором, и неподвижным статором. В каждой из секций любых механизмов ДВС входное в ТРХ его силовое звено всегда опирается на статор через узел ползуна. Программная цепь является так называемой тупиковой цепью, в которой проходящая через неё мизерная доля от общего количества механической энергии ТРХ секции ДВС полностью утилизируется в теплоту нагрева поверхностей трения ползуна и крейца. Поэтому функционально и пространственно данный узел всегда также должен располагаться за пределами силовой цепи, и его кинематические пары тоже должны иметь постоянную возможность для смазки и охлаждения своих поверхностей трения. Однако исторически в коммерческой практике это не всегда получалось.

Именно форма профиля звеньев узла ползуна всегда изначально задаёт собой конструкцию и геометрическую форму профиля подвижных и неподвижных элементов (деталей) кинематической схемы механизма секции ДВС ОВ. Поэтому исторически с начала 19-го века в коммерческой эксплуатации находился так называемый крейцкопфный поршневой двигатель, содержащий механизм секции, в котором оба штатных прямолинейных звена узла ползуна – крейц и крейцкопф, пространственно располагались за пределами горячей полости его рабочего цилиндра – в «холодном» профильном пространстве между этим цилиндром и эксцентриковым валом. Но в конце того же века, в механизме секции ПД вспомогательные (дополнительные) функции звеньев узла ползуна были переданы силовым звеньям его механизма (рис.1).

С тех пор и по настоящее время вспомогательную функцию крейца в секции тронкового ПД стал выполнять полый круговой рабочий цилиндр ПОВ, в котором присутствует горячий (раскалённый) газовый ЗРТ и внутри которого соосно перемещается полый цилиндр поршня (по-французски тронк – это ствол). Вдоль внутренней поверхности рабочего цилиндра, в непрерывном и скользящем контакте с ней соосно, прямолинейно и возвратно-поступательно перемещается ползун скребкового типа, вспомогательную функцию которого, вместо исключенного из механизма крейцкопфа, здесь исполняет верхнее круговое компрессионное кольцо газового уплотнения цилиндрического поршня, которое в 1852 году было предложено Д.Рэмсботтомом. В результате поршень получил в наследство от узла ползуна собственную боковую силу своего торможения непосредственно внутри горячей ПОВ секции ПД. При этом, как и в крейцкопфном варианте исполнения, рабочий цилиндр секции ПД, как и компрессионное кольцо его поршня продолжают выполнять свои штатные силовые функции в ТРХ и в составе механизма тронковой поршневой секции.

В отличие от механизма секции тронкового ПД, в механизме секции РПД Ванкеля (рис.2) звеньями узла ползуна являются специально введённые в его состав для штатного выполнения функций программной цепи УП два плоских диска программных, или синхронизирующих круговых колёс.

Одно из них – это неподвижное круговое колесо меньшего диаметра, которое, является крейцем. Оно жёстко закреплено соосно с валом на внутренней плоскости одной из двух неподвижных плоских крышек статора, которые ограничивают собой овальную по форме полость обечайки внутри её геометрической замкнутой кривой линии эпитрохоиды статора. Второе из них – это подвижное круговое колесо большего диаметра, которое, являясь ползуном, с той же стороны статора соосно и жёстко закреплено на одной плоской крышке призмы ротора, имеющего треугольный профиль геометрической замкнутой кривой линии гипотрохоиды.

Вращаясь на эксцентрике вала относительно своего центра внутри эпитрохоиды статора, при помощи узла ползуна гипотрохоида ротора внутри ПОВ роторной секции создаёт дуговыми профилями своих радиальных граней перемещающиеся в направлении вращения ротора полости переменного объёма относительно неподвижного профиля эпитрохоиды статора в диапазоне значений между