Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕТРАДИЦИОННЫМ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ

Бердников А.А. 1 Нагайцев Д.С. 1 Титков Н.В. 1
1 ФГКВОУ ВО «Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации»
Двигатель внутреннего сгорания как тепловая машина, преобразующая теплоту в механическую работу, имеет невысокий коэффициент полезного действия. На сегодняшний день традиционно в двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется по четырех- или двухтактной схеме, совершенствование его в последнее время становится все менее эффективным, поэтому могут быть востребованы нетрадиционные рабочие циклы. Анализ нетрадиционных циклов показывает, что двигатели с добавленными тактами имеют перспективу за счет утилизации теплоты отведенной от нагретых деталей цилиндропоршневой группы, а также за счет продолженного расширения рабочего тела. Поэтому в статье предлагается рассмотреть нетрадиционный семитактный рабочий цикл и конструкцию двигателя внутреннего сгорания с впрыском воды. Предложенный семитактный рабочий цикл с возможностью реализации в серийных двигателях без существенных конструктивных изменений может быть успешно реализован в двигателях нового поколения.
двигатель внутреннего сгорания
рабочий цикл
семитактный
впрыск воды
теплота
1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» [Текст] / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.
2. Санников В. Паровой фантом топлива: 6-тактный двигатель Кроуэра / Журнал Популярная механика [Электронный ресурс] // URL: http://www.popmech.ru/technologies/7664-parovoy-fantom-topliva-6-taktnyy-dvigatel-krouera/#full (дата обращения 29.12.2016 г.).
3. Теплотехника: Учебник для вузов [Текст] / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер, С.Г. Нечаев, И.Е. Иванов, Л.М. Матюхин, К.А. Морозов; Под ред. В.Н. Луканина. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. Шк., 2003. – 671 с.
4. Тер-Мкртичьян, Г.Г. Двигатели внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами: учеб. пособие [Текст] / Г.Г. Тер-Мкртичьян. – М.: МАДИ, 2015. – 80 с.
5. Тимченко П.В., Бердников А.А. Зависимость мощности двигателя от его тактности [Текст] / Актуальные вопросы совершенствования военной и специальной техники: Сборник научных материалов. Посвящен 105 годовщине со дня образования автомобильных войск России. // Под общ. ред. Е.В. Свиридова. – Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2015. – С. 48–52.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловая машина, преобразующая теплоту, выделенную при сгорании топлива, в механическую работу. Термодинамический цикл поршневого ДВС представляет собой последовательно повторяющиеся процессы. Основными циклами ДВС являются: цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Сабатэ – Тринклера [3]. Такие циклы на сегодняшний день называют традиционными, они включают процессы: впуск свежего заряда; сжатие; сгорание и расширение; выпуск. В четырехтактном ДВС все эти процессы разделены по тактам: первый – впуск, второй – сжатие, третий – рабочий ход, четвертый – выпуск. В двухтактном ДВС процессы объединены в одном такте: первый – впуск и сжатие, второй – рабочий ход и выпуск.

Как известно, традиционные циклы имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД), так как введенная с топливом в двигатель теплота теряется на нагрев деталей и отвод охлаждающей жидкостью системы охлаждения, выпускными газами, маслом смазочной системы, теряется из-за неполноты сгорания топлива. Эти потери могут составлять от 52 до 78 % [1]. Поэтому для повышения топливной экономичности и КПД ДВС необходимо рассматривать нетрадиционные циклы, позволяющие дополнительно использовать теплоту, отданную в систему охлаждения и с отработавшими газами, обеспечивающие полное и качественное сгорание топлива.

Двигатели с нетрадиционными рабочими циклами подробно рассмотрены в работе [4], где рассмотрены основные направления и методы модифицирования рабочего процесса ДВС. Оценка эффективности протекания рабочего процесса в ДВС предложена в работе [5] и предусматривает отношение длительности одного рабочего цикла, выраженного в углах поворота коленчатого вала (ПКВ), к длительности всех рабочих ходов в одном рабочем цикле, выраженных в углах ПКВ:

berd01.wmf, (*)

где Т – длительность одного рабочего цикла, выраженного в углах поворота коленчатого вала;

Тр – длительность всех рабочих ходов в одном рабочем цикле, выраженных в углах поворота коленчатого вала.

Формула (*) показывает, что чем ниже критерий k, тем выше эффективность протекания рабочего процесса в ДВС.

Анализ нетрадиционных циклов с точки зрения повышения КПД ДВС показывает, что наиболее перспективным будет цикл с добавленными тактами. Например, двигатель Крауэра [2]. Первые три такта: впуск, сжатие, расширение (рабочий ход) в этом двигателе протекают как в традиционном цикле, но на четвертом такте газы не выводятся из цилиндра, а вновь сжимаются и в конце сжатия в цилиндр подводится водяной пар, который, расширяясь на пятом такте, совершает полезную работу. Отработавшие газы и пар выводятся из цилиндра на шестом такте. Таким образом, в соответствии с формулой (*) критерий эффективности данного двигателя составит 3, тогда как для традиционного четырехтактного ДВС он равен 4.

Двигатели с добавленными тактами имеют перспективу лучшей экономичности за счет утилизации теплоты отведенной от нагретых деталей цилиндропоршневой группы, а также за счет продолженного расширения рабочего тела.

В качестве примера ДВС с продолженным расширением рабочего тела можно привести пятитактный двигатель [4, 5], имеющий три цилиндра: два крайних цилиндра работают по классической четырехтактной схеме, а третий – средний – используется для продолженного расширения газов, поочередно поступающих из двух крайних цилиндров. Как только поршень в одном из крайних цилиндров достигает нижней мертвой точки в конце такта рабочего хода, выпускной клапан открывается, и отработавшие газы вытесняются поршнем в средний цилиндр, толкая его вниз и создавая дополнительный пятый такт. Таким образом, за 720 ° ПКВ в трех цилиндрах реализуется два рабочих цикла и в каждом из них совершается два рабочих хода (табл. 1). Критерий эффективности данного двигателя выше традиционного четырехтактного ДВС и составляет 2.

С точки зрения утилизации энергии выхлопных газов и теплоты, отводимой стенками цилиндропоршневой группы, предлагается конструкция ДВС с реализацией рабочего цикла по семитактной схеме.

Конструкция включает основной цилиндр 3 (рис. 1), в котором реализуется традиционный четырехтактный цикл и дополнительный цилиндр 12, в котором реализуются два рабочих хода: один за счет вытеснения газов из основного цилиндра, второй за счет пара впрыснутой воды. Весь рабочий цикл такого двигателя протекает за семь тактов (табл. 2).

Таблица 1

Процессы, протекающие в цилиндрах пятитактного ДВС

Угол поворота коленчатого вала

1 цилиндр

2 цилиндр (средний)

3 цилиндр

0–180 °

Впуск – первый такт

Выпуск – пятый такт

Рабочий ход – третий такт

180–360 °

Сжатие – второй такт

Рабочий ход (вытеснение) – четвертый такт

360–540 °

Рабочий ход – третий такт

Выпуск – пятый такт

Впуск – первый такт

540–720 °

Рабочий ход (вытеснение) – четвертый такт

Сжатие – второй такт

Таблица 2

Процессы, протекающие в цилиндрах ДВС с впрыском воды

Угол поворота коленчатого вала

Основной цилиндр

Дополнительный цилиндр

0–180 °

Впуск – первый такт

Сжатие – пятый такт

180–360 °

Сжатие – второй такт

Рабочий ход (расширение пара) – шестой такт

360–540 °

Рабочий ход (расширение газов) – третий такт

Выпуск – седьмой такт

540–720 °

Рабочий ход (вытеснение) – четвертый такт

berd1.tif

Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском воды: 1 – коленчатый вал; 2, 14 – шатуны; 3 – основной цилиндр; 4, 13 – поршни; 5, 9 – впускные клапаны; 6 – форсунка подачи топлива; 7, 11 – выпускные клапаны; 8 – перепускной газоход; 10 – форсунка впрыска воды; 12 – дополнительный цилиндр

Работа двигателя показана на рис. 2. В основном цилиндре рабочий цикл протекает как в традиционном четырехтактном ДВС, только на четвертом такте отработавшие газы не отводятся из цилиндра, а направляются в дополнительный цилиндр – происходит продолженное расширение газов (рабочий ход). На пятом такте отработавшие газы сжимаются в дополнительном цилиндре, и в конце сжатия подается вода. Отбирая теплоту от нагретых деталей цилиндропоршневой группы и сжатых газов, вода испаряется, и расширяющийся пар совершает полезную работу (шестой такт – рабочий ход). На седьмом такте поршень перемещается к верхней мертвой точке, вытесняя пар с отработавшими газами.

В результате рабочий цикл протекает за семь тактов, но так как основной и дополнительный цилиндры работают параллельно, то весь цикл будет протекать за два оборота коленчатого вала, то есть 720 ° ПКВ, а критерий эффективности протекания рабочего процесса составит 1,33.

Подобную конструкцию можно реализовать в четырехцилиндровом рядном двигателе. Рассмотрим возможность реализации семитактного рабочего цикла на примере четырехцилиндрового ДВС с традиционным порядком работы цилиндров 1-3-4-2. В данном двигателе очередность тактности, то есть чередование тактов в порядке работы цилиндров, равна 180 °. Поршни первого и четвертого, второго и третьего цилиндров попарно параллельно перемещаются от одной мертвой точки к другой, но в каждом из них осуществляются разные такты. В табл. 3 представлены процессы, протекающие в цилиндрах ДВС с порядком работы 1-3-4-2. Стрелками показано направление движения поршня.

Из табл. 3 видно, что если объединить первый и второй, четвертый и третий цилиндры, то получим два блока цилиндров с возможностью реализации рабочего цикла по семитактной схеме, представленной в табл. 2. При этом первый и четвертый цилиндры будут являться основными, а второй и третий – дополнительными в своих группах (табл. 4). Очередность тактности составит 360 °. В основных цилиндрах (первый и четвертый) рабочий цикл осуществляется по классической четырехтактной схеме, а в дополнительных цилиндрах (втором и третьем) совершается два рабочих хода: на четвертом такте – вытеснением отработавших газов из основного цилиндра и на шестом такте – расширением пара испаряющейся воды. Таким образом, основным конструктивным изменением двигателя-прототипа будет головка блока цилиндров.

berd2a.tif

berd2b.tif

berd2c.tif

berd2d.tif

Рис. 2. Работа двигателя с впрыском воды

Таблица 3

Процессы, протекающие в цилиндрах четырехтактного рядного двигателя с порядком работы 1-3-4-2

Угол поворота коленчатого вала

Цилиндры

1

2

3

4

Такты

0–180 °

1 Впуск

2 Сжатие

4 Выпуск

3 Рабочий ход

180–360 °

2 Сжатие

3 Рабочий ход

1 Впуск

4 Выпуск

360–540 °

3 Рабочий ход

4 Выпуск

2 Сжатие

1 Впуск

540–720 °

4 Выпуск

1 Впуск

3 Рабочий ход

2 Сжатие

Таблица 4

Процессы ДВС с семитактным рабочим циклом

Угол поворота коленчатого вала

Цилиндры

1

(основной)

2

(дополнительный)

3

(дополнительный)

4

(основной)

Такты

0–180 °

1 Впуск

5 Сжатие

7 Выпуск

3 Рабочий ход

180–360 °

2 Сжатие

6 Рабочий ход

4 Рабочий ход вытеснением

360–540 °

3 Рабочий ход

7 Выпуск

5 Сжатие

1 Впуск

540–720 °

4 Рабочий ход вытеснением

6 Рабочий ход

2 Сжатие

В головке блока цилиндров необходимо изменить конфигурацию каналов подачи свежего заряда в цилиндры двигателя и отвода из них отработавших газов так, чтобы на четвертом такте первого и четвертого цилиндров газы отводились соответственно во второй и третий цилиндры на такте впуска (см. табл. 3). Причем есть конструктивная возможность установки клапанов в газоходах головки цилиндров с целью перевода двигателя на работу, как по четырехтактной, так и по семитактной схеме, например, при отсутствии воды. Также в головке блока выполняются места установки форсунок подвода воды, либо устанавливаются форсунки вместо штатных.

Необходимо отметить, что фазы газораспределения двигателя-прототипа не нарушаются, следовательно, газораспределительный механизм конструктивным изменениям не подлежит. Однако предварительные расчеты показывают, что возможны изменения фазы рабочего хода на четвертом такте и фаз газораспределения дополнительных цилиндров. Эти фазы можно скорректировать путем изменения формы кулачков штатных распределительных валов двигателя-прототипа.

Предварительный тепловой расчет показывает, что максимальное давление расширения пара в дополнительном цилиндре модернизированного ДВС может достигать более 20 МПа, это связано с высоким давлением в конце сжатия в дополнительном цилиндре и влечет за собой существенную нагрузку на детали двигателя. Понизить давление в конце сжатия, а следовательно, механические потери на сжатие можно путем понижения степени сжатия в дополнительном цилиндре. Конструктивно этого можно достичь путем увеличения камеры сгорания, изменением конструкции поршня либо укорачиванием шатуна. Следует отметить, что тепловая напряженность в дополнительном цилиндре меньше, так как вводимая в цилиндр вода понижает температуру цикла, следовательно, больше возможностей по конструктивному изменению деталей цилиндропоршневой группы.

Предложенный семитактный рабочий цикл с возможностью реализации в серийных двигателях без существенных конструктивных изменений может быть успешно реализован в двигателях нового поколения. Применение указанного технического решения позволит максимально повысить КПД двигателя. Однако основными недостатками таких ДВС остаются такие, как замерзание воды в холодное время, подвод и осуществление смазки устройств впрыска воды в цилиндры, коррозии деталей. Но современные технологии позволяют эти недостатки исключить или их минимизировать.


Библиографическая ссылка

Бердников А.А., Нагайцев Д.С., Титков Н.В. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕТРАДИЦИОННЫМ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 2. – С. 21-25;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41350 (дата обращения: 15.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074