Лоханутый Отморозок: другие произведения.

Способы повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс "Мир боевых искусств. Wuxia" Переводы на Amazon!
Конкурсы романов на Author.Today
Конкурс Наследница на ПродаМан

Устали от серых будней?
[Создай аудиокнигу за 15 минут]
Диктор озвучит книги за 42 рубля
Peклaмa
Оценка: 5.45*5  Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Рассматривается комплекс взаимоувязанных конструктивных решений направленных на повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания.

Над повышением экономичности двигателей внутреннего сгорания инженеры работают более века. Однако фактическое достигнутое КПД еще далеко от предела, определенного законами термодинамики. К числу наиболее значимых и, в тоже время сравнительно легко устранимых потерь энергии, относятся потери на недорасширение продуктов сгорания. В конце рабочего цикла в момент открытия выпускных клапанов давление продуктов сгорание существенно выше атмосферного. Они могли бы еще расширяться, отдавая энергию, но вместо этого вылетают в трубу. При этом неиспользованная энергия преобразуется в шум, что вынуждает ставить на выхлоп глушитель. А глушитель - это дополнительное сопротивление выхлопным газам и дополнительные потери энергии. Из-за недорасширения теряется порядка 10% энергии, а при наличии катализатора и до 20%.

Причиной данного вида потерь является то, что все четыре такта осуществляются в одном цилиндре. Поэтому объем воздуха (или рабочей смеси) в конце такта всасывания равен объему продуктов сгорания в конце рабочего хода. Следовательно, давление продуктов сгорания будет во столько раз больше давления воздуха, во сколько раз выше их температура в градусах Кельвина. (Точнее, надо еще учитывать впрыск топлива и особенности фаз газораспределения).

В какой-то степени использовать энергию недорасширившихся газов позволяет турбонаддув. Однако, среднее давление перед турбиной все равно меньше, чем в конце рабочего цикла, т.е. потери все равно есть. Кроме того, энергия, отобранная от расширяющихся газов, используется для повышения давления на входе в двигатель, а значит, настолько же раз возрастает давление в конце рабочего цикла. Поэтому турбонаддув больше повышает мощность, а не КПД.

Устранить потери на недорасширение можно разделив рабочий цикл между двумя цилиндрами. В первом впуск и сжатие, а во втором, большего объема, рабочий ход и выпуск. Схема такого двигателя приведена на рисунке 1. (На этом рисунке шатуны условно повернуты на 90 градусов в плоскость чертежа).

 []

Рисунок 1

1- впускной кран, 2- цилиндр компрессора, 3- перепускной кран, 4- коллектор горючего, 5- рабочий цилиндр, 6- выпускной кран.

Цикл начинается с открытия впускного крана 1 в момент, когда поршень компрессора 2 находится в верхней мертвой точке (ВМТ) (точнее, кран открывается с небольшой задержкой). При движении поршня вниз воздух наполняет цилиндр компрессора 2, после чего в нижней мертвой точке (НМТ) впускной кран 1 закрывается и начинается сжатие. Когда поршень немного не доходит ВМТ, открывается перепускной клапан 3 и сжатый воздух начинает передавливаться в рабочий цилиндр 5, который находится в ВМТ. На рисунке изображен именно этот момент. Передавливание воздуха сопровождается подачей в него топлива через коллектор 4 и его сгоранием. В качестве топлива для такого двигателя лучше использовать природный газ, хотя можно использовать другие виды топлива, если организовать их подачу традиционным способом. Процесс передавливания воздуха и горения топлива происходит практически при постоянном давлении. Увеличение объема продуктов сгорания при горении компенсируется тем, что объем рабочего цилиндра больше объема цилиндра компрессора. В момент достижения ВМТ поршнем компрессора перепускной кран 3 закрывается. Поршень рабочего цилиндра совершает рабочий ход, в конце которого в НМТ давление в рабочем цилиндре падает до атмосферного плюс небольшие потери на выпускном кране 6. Кран 6 открывается, и продукты сгорания выдавливаются в выхлопную трубу. При этом из-за отсутствия остаточного давления отпадает необходимость в глушителе. Предполагается, что оба цилиндра будут иметь минимальный мертвый объем, т.е. в ВМТ поршень будет почти касаться головки блока цилиндров. Зазор между ними необходим только для компенсации погрешностей сборки и тепловых деформаций.

Вместо традиционных клапанов в данной конструкции предлагается использовать краны, которые открываются при совмещении отверстий в блоке цилиндров и пластине крана. Только в отличие от широко распространенных шаровых кранов, данные не вращаются, а совершают вертикальное возвратно-поступательное движение под действием тех же кулачков распределительного вала. (Интеллектуальное управление фазами газораспределения с использованием электропривода клапанов в данной конструкции не дает значимых преимуществ и поэтому нецелесообразно).

Использование кранов вместо клапанов позволяет существенно уменьшить мертвые объемы и, кроме того уменьшить потери давления на кранах, поскольку устраняются повороты газа, характерные для клапанов. Кроме того, отверстия в кранах выполняются не круглыми, а прямоугольными или овальными (большая сторона в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка 1), что позволяет увеличить проходную площадь. И, наконец, краны никогда не стучат.

Перепускной кран 3, кроме основной функции, обеспечивает подачу и смешение топлива. Для этого в нем имеется коллектор 4, в который сжатый природный газ попадает через боковое отверстие (на рисунке изображено окружностью в глубине коллектора). При перемещении крана в отрытое положение это отверстие совмещается с ответным отверстием в блоке цилиндров (не показано), тем самым кран одновременно открывает и закрывает передавливание воздуха и подачу топлива. Из коллектора 4 через несколько отверстий топливо попадает в проходящий воздух перпендикулярно его потоку, чем обеспечивается их перемешивание. Для утилизации утечек природного газа полости над и под клапаном соединяются со входом в двигатель, и в эти полости подается небольшой расход воздуха.

К достоинствам данной схемы можно отнести:

1) Устранение потерь на недорасширение продуктов сгорания и потерь, связанных с глушителем.

2) Отсутствие нагрева воздуха на стадии всасывания и сжатия из-за контакта с горячими стеками цилиндра, поршнем и головкой блока цилиндров. Такой нагрев в традиционном двигателе увеличивает затраты энергии на сжатие и снижает термодинамический КПД.

3) Уменьшение потерь из-за мертвых объемов. В традиционном двигателе в объеме камеры сгорания остаются газы от предыдущего цикла. Их количество пытаются уменьшить за счет перекрытия фаз газораспределения. Здесь эта проблема отсутствует, хотя небольшие мертвые объемы имеются на входе и выходе в краны.

4) Появляется возможность увеличить степень сжатия до уровня равного или превышающего значения, характерные для дизеля. При этом механические нагрузки получаются меньше из-за того, что нет пика давления в момент сжигания топлива. 

5) В отличие от дизеля и двигателей с непосредственным впрыском, топливо более равномерно перемешивается с воздухом. При впрыске топлива его невозможно равномерно распределить по всему объему камеры сгорания, а в данной схеме топливо дозируется в проходящий воздух при передавливании достаточно равномерно. Изменение скорости движения поршня в ходе передавливания можно компенсировать частичным перекрытием входного отверстия топлива при движении перепускного крана, что позволяет сохранять пропорцию между воздухом и газом постоянной.

Недостатком данной схемы является уменьшение мощности в расчете на литр рабочего объема из-за большего объема рабочего цилиндра. Если бы в данной схеме цилиндры были одинаковыми, то существенной разницы в мощности не было бы, так как увеличение количества цилиндров в 2 раза компенсируется уменьшением количества тактов в каждом из них тоже в 2 раза. Но увеличение объема рабочего цилиндра по сравнению с этим случаем сопровождается непропорционально меньшим приростом мощности. Эта та цена, которую приходится платить за экономичность.

Более существенным является, что сгорание в условиях постоянного давления с точки зрения термодинамики хуже, чем сгорание при постоянном объеме. Данный недостаток можно представить так, что для достижения того же уровня давления к концу сгорания в рассматриваемом цикле приходится дополнительно сжимать воздух в компрессоре, в то время как в традиционном цикле энергия компрессора расходуются на достижение меньшего уровня давления, которое далее возрастает из-за сгорания. Соответствующие дополнительные затраты энергии на сжатие вполне сопоставимы по величине с устраняемыми потерями на недорасширение.

Чтобы в рассматриваемой схеме сгорание происходило при постоянном объеме необходимо, чтобы относительная скорость перемещения поршня компрессора была во столько раз больше относительной скорости перемещения поршня рабочего цилиндра, во сколько объем рабочего цилиндра больше объема цилиндра компрессора. Это число приблизительно равно отношению абсолютных температур до и после сгорания. Однако обычный кривошипно-шатунный механизм обеспечивает равную относительную скорость перемещения поршней (абсолютная скорость отличается и пропорциональна высоте рабочего объема цилиндра).

Чтобы обеспечить большую относительную скорость поршня компрессора вблизи ВМТ можно модифицировать привод поршня согласно кинематической схеме, изображенной на рисунке 2.

 []

Рисунок 2

В этой схеме дополнительное движение вблизи ВМТ обеспечивается за счет "распрямления" составного шатуна, включающего в себя трапецию из рычагов. Таким образом, можно обеспечить приблизительное сохранение объема при передавливании воздуха из компрессора в рабочий цилиндр. Дополнительным достоинством такого привода является большая возможная длина цилиндра при том же его диаметре.

К недостаткам такого решения можно отнести увеличение массы шатуна, его стоимости и, в некоторой степени, габаритов двигателя. Хотя механизм (см. рисунок 2) и длиннее традиционного, расстояние от головки до коленчатого вала на рисунке 1 определяется рабочим цилиндром, как имеющим больший ход. Поэтому увеличение длины привода цилиндра компрессора частично происходит в пределах большей длины привода рабочего цилиндра. Также теряется преимущество (4), так как давление при сгорании возрастает.

Практически возможен разумный компромисс между сгоранием при постоянном давлении и при постоянном объеме, что обеспечивается соответствующим выбором соотношений длин рычагов механизма (см. рисунок 2).

Отдельно следует обсудить потери тепла в стенки рабочего цилиндра. В традиционном двигателе потери тепла являются одной из наиболее значимых причин снижения КПД. Идея создания адиабатного двигателя из керамических материалов в полной степени реализована не была из-за разрушения керамических материалов при термоциклировании и сложности обеспечении герметичности в отсутствии упругих металлических колец и смазки. Однако, даже если традиционный двигатель сделать керамическим, все равно полностью устранить потери тепла не удастся, так как от более горячих керамических стенок больше тепла будет передаваться воздуху на стадии всасывания и сжатия. Следовательно, не меньшее количество тепла будет отбираться от продуктов сгорания. Следует заметить, что передача тепла от продуктов сгорания к всасываемому воздуху в большей степени снижает КПД, чем просто передача этого тепла в систему охлаждения.

В данном двигателе стенки не охлаждаются изнутри, поэтому и потери тепла в них будут меньше даже в охлаждаемой конструкции. Кроме этого, в таком двигателе меньше перепады температур, что упрощает применение керамических материалов для уменьшения тепловых потоков в поршень и головку блока цилиндров. Для охлаждения верхней наиболее теплонапряженной части цилиндра можно использовать топливо - природный газ. Такой рекуперационный принцип охлаждения широко используется в жидкостных  ракетных двигателях, а в поршневых практически не применяется. Охладить весь цилиндр таким способом проблематично из-за недостаточности хладоресурса топлива. Поэтому отказаться от традиционной системы охлаждения в этом случае не получится.

Достоинством рекуперационного охлаждения является то, что тепло, передаваемое газу, не теряется, а возвращается в рабочий цикл. Кроме того, подача нагретого газа упрощает его воспламенение, что уменьшает время сгорания топлива и способствует повышению полноты сгорания. Впрочем, температура газа не должна быть слишком большой, чтобы его самовоспламенение не происходило до перемешивания с воздухом, а также не происходило самовоспламенение утечек газа. Дополнительным преимуществом подогрева является увеличение объема, газа, что упрощает его перемешивание с воздухом. Смешивать газы проще, если их объемные расходы отличаются меньше. Кроме того, в этом случае увеличивается потребный диаметр отверстий подачи газа, что упрощает их изготовление.

Конструкция системы подачи газа представляется следующим образом. Природный газ из бака поступает на регулируемый редуктор, далее на поршневой насос-дозатор, после которого газ поступает в спиральный канал рубашки охлаждения рабочего цилиндра, а из него через боковое отверстие в перепускной кран. Насос-дозатор обеспечивает пропорциональность количества подаваемого газа оборотам двигателя. Этот насос предлагается не регулированием. Управление коэффициентом избытка воздуха предполагается осуществлять за счет редуктора, регулируя уровень давление, которое он поддерживает за собой. Поскольку подогрев газа осуществляется уже за насосом-дозатором, то величина подогрева не будет влиять на коэффициент избытка воздуха.

Еще одной причиной потерь энергии является необходимость часто изменять мощность двигателя за счет изменения коэффициента избытка воздуха. Из-за этого двигатель значительную часть времени работает на неоптимальном режиме, потребляя лишнее топливо и загрязняя окружающую среду. В последнее время для устранения этих потерь иногда используется гибридная схема, при которой ДВС работает на постоянном наиболее выгодном режиме, вращая электрогенератор, который питает батареи или суперконденсаторы. А управление мощностью осуществляется электродвигателями, которые расходуют энергию  батарей по потребности. Кроме того, гидриды утилизируют энергию торможения. Но у такой схемы есть и недостатки. Во-первых, появляется много дополнительного электрооборудования, что повышает стоимость и снижает надежность. Во-вторых, вся производимая энергия подвергается дополнительным преобразованиям: механическая в электрическую, электрическая в химическую (в батареях), а затем все обратно. И хотя КПД каждого из этих преобразований сравнительно высок, в сумме набегает.

Компромиссным вариантом конструкции ходовой части является следующий: ДВС, сцепление, электромотор-генератор, коробка передач, дифференциал, размыкатели, колеса. В этом случае через электрический контур проходит не вся вырабатываемая энергия, а лишь ее часть - разница между мощностью, вырабатываемой ДВС при оптимальном коэффициенте избытка воздуха, и потребной мощностью на колесах. Соответственно мощность и цена электрической части уменьшается, а в случае выхода ее из строя автомобиль сохраняет ход, переходя к традиционному способу управления мощностью.  Для поддержания оптимального коэффициента избытка воздуха наиболее честным (хотя и не самым дешевым) способом является постоянное измерение состава выхлопных газов с обратной связью через компьютер на регулируемый редуктор. Если в продуктах сгорания появляется угарный газ, то давление за редуктором уменьшается, а если кислород, то увеличивается. Если же потребности в регулировании мощности превышают возможности электромотор-генератора, то компьютер переходит к управлению давлением природного газа исходя из обеспечения потребной мощности.

В современных автомобилях часто имеется не одна, а две ведущие оси. Их традиционный привод через межосевой дифференциал связан с дополнительными потерями энергии. Можно рассмотреть вариант, когда каждая ось приводится в движение своей ходовой частью рассмотренного выше состава. Это, конечно, дороже, хотя для крупнотоннажных грузовиков возможность унификации вдвое менее мощной ходовой с более распространенными классами автомобилей может частично компенсировать увеличение цены. Главным достоинством двух ходовых является радикальное повышение надежности. Автомобиль не теряет ход почти при любом отказе, так как одна ходовая позволяет двигаться пусть и с меньшей скоростью. Вероятность же одновременного отказа двух ходовых достаточно мала.

Кроме этого, наличие двух ходовых существенно повышает возможности оптимального регулирования. Во-первых, появляется возможность ступенчатого управления мощностью путем отключения "лишней" ходовой при помощи размыкателей. Во-вторых, появляется возможность поочередного переключения передач, что благоприятно для динамики автомобиля (нет периодов потери мощности). В-третьих, возможны "смешанные" передачи. Например, оптимальное передаточное соотношение на данном режиме находится посредине между второй и третей передачами. Тогда одна ходовая может работать на второй, а вторая ходовая на третьей передаче. При этом генератор первой ходовой утилизирует избыточный крутящий момент ДВС и передает энергию электромотору второй ходовой, где крутящего момента не хватает. Если баланс электрической мощности не сходится, то он компенсируется за счет суперконденсаторов. В этом случае, возможно, использовать более простые и дешевые коробки с меньшим числом передач.

Таким образом, возможности совершенствования традиционного ДВС еще не исчерпаны, хотя эра его доминирования уже приближается к концу.


Оценка: 5.45*5  Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com В.Соколов "Мажор 2: Обезбашенный спецназ "(Боевик) Д.Сугралинов "Дисгардиум 3. Чумной мор"(ЛитРПГ) А.Дашковская "Пропуск в Эдем. Пробуждение"(Постапокалипсис) Е.Кариди "Черный король"(Любовное фэнтези) Н.Александр "Контакт"(Научная фантастика) А.Черчень "Счастливый брак по-драконьи. Догнать мечту"(Любовное фэнтези) Н.Изотова "Последняя попаданка"(Киберпанк) Д.Сугралинов "Дисгардиум 4. Священная война"(Боевое фэнтези) К.Федоров "Имперское наследство. Забытый осколок"(Боевая фантастика) А.Кочеровский "Баланс Темного"(ЛитРПГ)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"