Альтернативные двигатели внутреннего сгорания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИЮ РФ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автомобильный транспорт

«Альтернативные двигатели внутреннего сгорания»

              Студенты  гр. 09-АХ

                                                                                          Верещако Р. К.

                                                                                          Тарасов С. В.

Брянск 2012

О недостатках существующих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) известно всем - это и кривошипно-шатунный механизм, и большая масса, и достаточно тонкая настройка системы впуска/зажигания, глушителей (например, правильно настроенный резонансный глушитель повышает мощность ДВС до 30%), четырехтактность (из 4 ходов поршня только один является "рабочим", остальные 3 "холостыми"), и многое другое. О достоинствах также хорошо известно - поршневые двигатели внутреннего сгорания являются самыми экономичными и простыми из всех типов двигателей. Разумеется, не считая "экзотических" двигателей, конструкция которых либо слишком сложна для производства (двигатель Стирлинга), либо которые из-за низкого качества современных материалов обладают недопустимо малым ресурсом (роторно-поршневые и некоторые другие).

Первый двигатель внутреннего сгорания изобретен в 1765 году. Вначале без сжатия смеси перед зажиганием, потом с сжатием, после чего конструкция ДВС практически не менялась. Причем КПД тоже остался на почти таком же низком уровне (максимальный теоретический уровень КПД 70%, реально же в четырехтактных не более 35%, а в дизелях 41%).

Видимо не надо объяснять, насколько важен двигатель в авиации, особенно сверхлегкой. Авиастроение в России (да и во всем мире) всегда, начиная еще с зари авиации, тормозилось отсутствием легких мощных двигателей. В качестве ориентира: для ультралегкого самолета необходимая мощность не менее 10 л.с., для парамотора - 15..20 л.с., для ранцевого вертолета - не менее 20 л.с., а еще лучше 40 л.с., для более менее сносного самолетика с закрытой кабиной - не менее 25..30 л.с., для одноместного автожира - 30..40 л.с., для двухместного - 50..60 л.с., для дельталета 25..50 л.с. Ну и для двухместных самолетов, смособных пролетать несколько тысяч км от одной заправки - не менее 60..80 л.с. И еще несколько цифр: мощность вертолета Ми-8, вмещающего более 30 человек - 2000 л.с., Ан-2 на 10 человек - 750 (2х750?) л.с. Автомобиль "Ока" обладает движком на 34 л.с., "Нива" - 70 л.с. (примерно).

     Основным параметром любого двигателя является удельная мощность, т.е. сколько килограмм массы двигателя соответствует каждому киловатту (кВт) выдаваемой им мощности. Например, для четырехтактных (обычный автомобильный двигатель) удельная мощность не более 1кВт/кг (1 л.с. равняется 736 Вт), т.е. для того чтобы получить мощность 20 л.с., сам двигатель будет весить не менее 20 кг. Поэтому даже для самого легкого летательного аппарата - парамотора, силовая установка весит не менее 15..25 кг, так что о постоянно носимом на себе ЛА не идет и речи.

Наименьшей удельной мощностью (т.е. для создания мощности 20 л.с. такие двигатели окажутся самыми тяжелыми) обладают четырехтактные двигатели - около 1 кВт/кг, двухтактные (двигатели мопедов, мотоциклов, парамоторов и т.д.) в 2 раза лучше - до 2 кВт/кг (т.к. каждый второй ход поршня является "рабочим", в отличие от четырехтактных, где только каждый четвертый), но из-за конструктивных особенностей (плохое сгорание смеси, малая степень сжатия и т.д.) двухтактники потребляют больше топлива. Т.е. двухтактный двигатель мощностью 20 л.с. в 2 раза легче четырехтактного такой же мощности, но топлива потребляет немного больше. Еще лучше по показателю масса/мощность роторно-поршневой двигатель, но у него ресурс довольно мал, топлива потребляет больше четырехтактника (а вот меньше или больше двухтактного, не знаю), да к тому же сам является четырехтактным с не самой оптимальной камерой сгорания. Ну и самыми лучшими являются газотурбинные двигатели (ГТД). На каждый килограмм массы двигателя они выдают до 6 кВт, т.е. двигатель мощностью 20 л.с. будет весить всего 3.3 кг (вместо 20 кг для четырехтактного!). Но зато эти двигатели прожорливей всех остальных вместе взятых. И кроме того требуют очень дорогой керамики для материала турбины.

      Таким образом, самый экономичный двигатель - это двигатель, использующий силу давления расширяющегося газа до полного его расширения (при этом предварительно топливная смесь сжимается перед зажиганием), а не тот что использует давление струи газа на лопасти турбины. Платой за этот принцип является большая масса машины (поршни, массивный цилиндр и т.д.). Обычно для увеличения КПД ДВС стараются лучше сжечь топливо. Для этого используют по две свечи зажигания на цилиндр, компьютерное управление, специальную поверхность поршня и т.д. Если бы бензин сгорал в оптимальном режиме, то кол-во вредных выхлопов сократилось в несколько тысяч. Вся гарь и копоть, вырывающаяся из выхлопной трубы - это не сгоревшее топливо (это одна из причин, почему двухтактные двигатели потребляют больше бензина, обратите внимание как дымят мотоциклы), а, следовательно, меньший КПД и меньшая мощность на выходе.

Это первый путь (полное сгорание смеси), остальные нацелены на изменение самой конструкции ДВС, основные принципы: большее сжатие, устранение кривошипно-шатунного механизма, разработка однотактного двигателя, простое вращательное движение, непрерывное горение.

Наиболее известный альтернативный ДВС - это роторно-поршневой двигатель Ванкеля, изобретенный в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства: более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, не простое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант). Принцип действия роторно-поршневого двигателя Ванкеля ясен из анимированного рисунка

За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно-поршневым двигателем, у нас ВАЗ выпускает двигатели Ванкеля мощностью 40 л.с. и оснащает им некоторые модели "девяток". Роторно-поршневые двигатели весьма перспективны для малой авиации. Необходимые мощности - 20..40 л.с.

Другой вариант устранения кривошипно-шатунного механизма предложен А.С. Абрамовым в статье "В поисках двигателя идеальной схемы" в журнале "Моделист-Конструктор", №1, 1990 г. Здесь преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала осуществляется за счет скольжения ролика, прикрепленного к поршню, по поверхности вала, напонимающей синусоиду. Каковы перспективы создания двигателя мощностью 20..40 л.с. на этом принципе, мне неизвестно.

Еще одну схему альтернативного двигателя предложил Виктор Соколов в статье "Тепловой двигатель с круговым поступательным движением кольцевого поршня", размещенной в журнале "Двигатель". Принцип действия двигателя ясен из иллюстрации. Предполагается, что такой двигатель будет в полтора раза экономичней существующих, обладать малым весом и простотой сборки (в 16 раз меньше деталей).

Автор предлагает новую кинематическую схему двигателя с кольцевым поршнем, совершающим круговое поступательное движение (ДКПД).

В предлагаемый двигатель входят: корпус, имеющий цилиндрические внешнюю и внутреннюю стенки; передняя и задняя плоские торцевые стенки корпуса; кольцевой поршень; два плоских подвижных разделителя поршня, один из которых высокого и низкого давления нагнетательного тракта (образуемого поверхностью внутренней стенки корпуса и сопряженной поверхностью поршня), а второй - разделитель высокого и низкого давления расширительного тракта (который образуется внешней поверхностью стенки корпуса и внешней поверхностью поршня); механизм обеспечения кругового поступательного движения поршня; трансмиссия; золотниковый газораспределительный механизм, совмещенный с блоком внешних камер сгорания, имеющий подвижный корпус, образующий с торцевой стенкой золотник, перекрывающий соответствующим образом отверстия нагнетательного тракта и расширительного тракта с окном полости камеры сгорания; механизм для перемещения корпуса золотника относительно распределительной торцевой стенки; блок камеры сгорания с несколькими полостями сжигания топлива; система напуска и выхлопа рабочего тела с окнами.

Каждая точка кольцевого поршня, подвешенного на осях кривошипов, совершает круговое движение. Внешняя цилиндрическая поверхность кольцевого поршня имеет незначительный зазор в точке касания с внутренней цилиндрической стенкой корпуса, а внутренняя поверхность этого поршня в точке касания имеет такой же зазор с цилиндрической стенкой внутренней части корпуса.

В поршень входят упомянутые подвижные разделители, опирающиеся на лыски. Разделители образуют при вращении кривошипа переменные по объему полости между кольцевым поршнем и стенками корпуса. Внутренняя полость является нагнетательной частью машины, обеспечивающая напуск и сжатие воздуха, а внешняя полость (гораздо большего объема) образует расширительную часть, где происходит расширение газа с последующим его выхлопом.

Напуск воздуха в полость, образованную стенкой разделителя и точкой касания кольцевого поршня с внутренней стенкой корпуса, осуществляется все время при вращении кольцевого поршня и заканчивается при завершении полного оборота. В дальнейшем эта порция воздуха сжимается в сопряженной полости, образованной противоположной стенкой того же разделителя и точкой касания. Сжатие происходит аналогичным образом. Одновременно с процессом сжатия происходит напуск новой порции воздуха в первоначальную полость.

Сжимаемый воздух через окно поступает в полость камеры сгорания. Напуск продолжается весь цикл сжатия. При этом полость камеры сгорания поворачивается, занимает положение, в котором ее объем отсекается от нагнетательного тракта.

Далее в камере сгорания происходит горение при неизменном объеме, смешение продуктов сгорания и установление температуры 1600К.

Затем происходит истечение сгоревшей смеси высокого давления из полости через окно. Полость камеры сгорания соединяется с полостью расширения до тех пор, пока давление в ней не будет почти равно атмосферному. Температура газов при этом падает до 400…500К. Затем начинается выхлоп из полости, образованной левой стенкой разделителя и точкой касания поршня.

Одним из элементов новизны в предлагаемом двигателе является увеличение длительности процесса горения и смешения в течение 3/4 оборота.

При компоновке двигателя с двумя парами разделителей циклы аналогичны. Различие только в том, что при этой компоновке двигатель более эффективен по объемной производительности. Длительность такта горения составляет половину оборота, а полостей горения в блоке каждой камеры сгорания по две.

Главные достоинства предлагаемой схемы состоят в следующем. В современном ДВС выпускаемый газ имеет высокую температуру (около 1300К) и давление порядка 5 атм. В новой же схеме, благодаря степени расширения большей степени сжатия, появилась возможность использовать практически весь энергозапас сгоревшего топлива, что даст 30-процентное повышение к.п.д. двигателя.

В ДКПД с двумя парами разделителей можно реализовать коэффициент избытка воздуха равный двум и соответственно максимальную температуру в камере сгорания порядка 1600К. Расчеты показали, что средняя температура стенки камеры сгорания не превысит 1000…1100К и двигатель можно специально не охлаждать - хладоагентом является само рабочее тело. Его конструкцию можно изготовить из обычных сталей, применяемых в машиностроении. Это означает, что еще 20 % потерь энергии топлива на охлаждение современного ДВС можно рационально использовать в цикле ДКПД. Новому двигателю не нужен радиатор, вентилятор и т.п.

В ДКПД такты напуска, сжатия, горения, расширения и выхлопа идут непрерывно. В ДКПД реализуется переменная площадь поршня, причем ее величина обратно пропорциональна давлению. Поэтому новый двигатель имеет существенно меньшие ударные нагрузки.

Поскольку давление газа на выхлопе практически равно атмосферному, существенно снижается шум истекающей струи, и этому двигателю не нужен ни резонатор, ни глушитель.

В ДКПД введено увеличенное время горения и смешения газопродуктов в постоянном объеме с длительностью в пол-оборота (при условии наличия в конструкции двух пар разделителей), что дает возможность закончиться всем неравновесным процессам горения и смешения и снизить на два порядка концентрацию вредных веществ.

Силы давления газа во всех фазах замыкаются на кольцевом поршне, что аналогично конструкции С. Баландина.

Относительная величина утечек (и, соответственно, потерь энергии) в ДКПД в два раза меньше, чем в ДВС.

Согласно выполненным расчетам эффективный к.п.д. двигателя может достичь 0,6. ДКПД одинаковой мощности с современным ДВС будет потреблять меньшее количество топлива, что приведет к снижению выброса СО2 в 1,5 раза. Экономичность двигателя ожидается в пределах 0,11…0,135 кг/кВт·ч против 0,23 кг/кВт·ч у ДВС.

ДКПД в производстве имеет более низкую трудоемкость, так как он содержит небольшое число деталей (110 в экспериментальном двигателе против 1800 у ДВС) и самые простые формы поверхностей. ДКПД имеет примерно в 1,5 раза меньшие габариты и, соответственно удельную массу (0,29…0,43 кг/кВт против 0,62).

Скорость движения поверхностей кольцевого поршня в шесть раз меньше скорости движения точки "касания", благодаря чему снижается износ пары "поршень - корпус". Кроме того, отсутствуют возвратно-поступательные движения больших масс различных частей двигателя, что практически устраняет вибрацию двигателя.

Экспериментальный образец продемонстрировал удобство сборки и эксплуатации.

Кроме того, одновременно с Ванкелем другой инженер, Баландин, предложил свою версию "Бесшатунника", в котором улучшились условия работы поршня, резко увеличился ресурс пары трения "поршневое кольцо - гильза цилиндра", но при этом слабым местом с точки зрения надежности оказался механизм преобразования линейного движения во вращательное.

Принципиальное устройство бесшатунного двигателя: 1 — поршневой шток; 2 — коленчатый вал; 3 — подшипник кривошипа; 4 — кривошип; 5 — вал отбора мощности; 6 — поршень; 7 — ползун штока: 8 — цилиндр.

Весьма привлекательной кажется схема роторного двигателя непрерывного горения, описание которого приводится в журнале "Демиург" №1 за 1998 г. В этом двигателе ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что по идее должно обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС. По расчетам автора, масса двигателя мощностью 20 кВт не превысит 4 кг. Это на уровне лучших ТРД, при этом расход топливной смеси ориентировочно 57 г/сек.

Если говорить о роторных двигателях, то нельзя не упомянуть о "Винтовом двигателе внутреннего сгорания", опубликованном Е.Горловым, А.Коньшиновым и В.Спичкиным в журнале "Двигатель". В предложенной конструкции процесс сжатия смеси (воздуха или смеси воздуха и топлива) и сгорания происходит в подобии турбины, выполненной из элементов со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью. В такой турбине небольшие замкнутые объемы перемещаются вдоль оси двигателя слева направо (см. рисунок). В левой части при перемещении этих объемов они уменьшаются (происходит сжатие топливной смеси), в центре топливо поджигается, и дальше движется направо по расширяющимся объемам.

Преимущество такого двигателя перед ТРД в том, что в сжимающихся/расширяющихся изолированных объема можно "снять" больше энергии с топлива, чем в случае "удара" сильной струи раскаленного газа в обычную турбину. Кроме того, доступна меньшая частота оборотов вала, а следовательно, уменьшаются потери на редукторе (по сравнению с ТРД, где турбина может вращаться с частотой вплоть до 100000 об/мин и более, а на выходе необходимо 500...3000 об/мин).

 1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4-

Шарнир равных угловых скоростей; 5- Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное

окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный отсек, Г- камера сгорания, Д-

расширительный отсек, - угол наклона ротора.

К достоинствам конструкции винтового ДВС перед осепоршневым следует отнести следующие: отсутствие трения скольжения; теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины; широкий рабочий диапазон оборотов двигателя, возможность работы при высокой частоте вращения; простоту конструкции; отсутствие несбалансированных масс, низкий уровень шума; небольшие массу и габариты; возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив; возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик; высокую удельную мощность и коэффициент полезного действия двигателя.

Проведенные расчеты показали, что шестикамерный ДВС со степенью сжатия-расширения 20, при работе на смеси метан-воздух способен развить мощность до 125 кВт при частоте вращения выходного вала 7000 об/мин. При этом его длина составит 460 мм, максимальный диаметр по турбине - 199 мм, а к.п.д. будет в пределах 60…70 %.

Недостатком является сложность технологии изготовления элементов (из-за материала и требуемой точности, см. рисунок).

Другая схема, немного похожая по принципу действия на винтовой двигатель внутреннего сгорания, описана в журнале "Моделист-Конструктор" в статье "Маленький двигатель с большим будущим". Двигатель Курочкина, работавшего на известном Рыбинском авиамоторостроительном заводе, тоже представляет собой своеобразную сместь турбины и двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс аналогичен тому, что происходит в газотурбинном двигателе (ГРД), но используется не кинетическая энергия струи, а потенциальная энергия давления газа на рабочие лопатки ротора (как в ДВС). Принцип действия: центробежный вентилятор засасывает сквозь мелкоячеистую сетку воздух, закручивает его и подает в зону сепарации. В этой зоне единый поток воздуха разделяется: одна его часть вместе с отброшенной к периферии пылью поступает в радиатор на охлаждение двигателя и затем выходит наружу; другая же часть, очищенная, через впускное окно направляется в рабочие полости (проточную зону), где происходят процессы, типичные для двухтактных ДВС. Выпуск происходит через специальное окно в глушитель, где отработанный газ смешивается с охлаждающим воздухом из радиатора и выбрасывается в атмосферу сквозь кольцевой диффузорный выхлопной аппарат.

Двигатель получается очень компактным и с невероятной удельной мощностью: термос весом в 15 кг (включая электростартер, фильтр и глушитель!) развивает мощность в 70 л.с. (!!!). При этом показатель экономичности примерно равен соответствующему показателю дизельного двигателя, что в 1,22 раза лучше четырехтактного карбюраторного и роторного "ванкеля" и в 1,9 раза — двухтактного поршневого. Кроме того, при равной мощности габаритный объем двигателя в 70 раз меньше дизельного, в 20 раз — четырехтактного и в 10—12 раз — роторного или двухтактного поршневого ДВС. Меньше и его масса (металлоемкость): соответственно в 30, 10 и 4 раза. Т.е., например, при установке этого двигателя на средний автомобиль, средний расход топлива на 100 км будет меньше 3 литров.

Обидно получится, если действительно существует двигатель с такими потрясающими характеристиками, а мы используем 15 килограммовые двигатели для парамоторов мощностью всего 15 л.с., когда могли бы иметь 70 л.с.! Да и еще экономичней, чем современный 15 килограммовый! Видимо, с этим двигателем есть какие-то трудности, о которых совершенно не упомянуто в статье?

Еще существует схема компактного "аксиально-поршневого" двигателя, в котором цилиндры расположены не в ряд и не "звездой", а вокруг выходного вала так, чтобы оси вала и цилиндров были параллельны. Здесь тоже существует проблема преобразования линейного движения во вращательное (или через скольжение штока поршня по поверхности профилированной шайбы как в плунжерном насосе, либо штоки опираются на жестко связанные с качающейся шайбой коромысла, вращающие вал двигателя).

В полукорпусах двигателя 1 расположены поршни 2 двухстороннего действия, размещен ротор-распределитель 3 и выполнены отверстия 4 и 5 для подвода сжатого и сброса отработанного воздуха. Ротор-распределитель состоит из вала 6 и жестко, неразъемно установленного на нем золотника 7. На цилиндрической поверхности вала выполнены радиальные 8 и Z-образные продольные 9 пазы, соединяющие сдвинутые по фазе каналы. Золотник снабжен двухсторонней волновой дорожкой 10, кольцевой проточкой 11 и окнами 12, взаимодействующими с соответствующими пазами вала. В цилиндрах полукорпусов в конце хода поршней имеются выхлопные окна 13. Вал ротора-распределителя снабжен хвостовиком 14.

Кроме того, известен т.н. "двигатель Стирлинга" с двумя поршнями в одном цилиндре (есть также две разновидности с двумя цилиндрами). Этот двигатель работает за счет разности температур в рабочем теле, причем источник тепла может быть любым, вплоть до тепла рук. Двигатель Стирлинга в 4..5 раз экономичней двигателей внутреннего сгорания на мощностях до 1 кВт. Однако по общему удобству использования пока уступает традиционным схемам (необходимо эффективно снимать тепло в одном и не менее эффективно охлаждать в другом месте).

Предлагалось также подключить к штоку поршня дополнительно колено для управления длиной штока и следовательно ходом поршня, теоретически это могло бы дать лучшие условия для сгорания смеси.

Преимущества двигателя Стирлинга основываются прежде всего на непрерывном процессе горения, и эти преимущества следующие:

1 Малые уровни выброса вредных веществ. Избыток в топливовоздушной смеси воздуха на 20-80 процентов, оптимальное время сгорания и отсутствие контакта пламени с «холодными» металлическими поверхностями обеспечивает почти полное сгорание. Уровень смога также гораздо ниже

2 Экономия топлива. Может работать на различных видах жидкого и газообразного топлива. Нет каких-либо особенных требований к топливу, например, по октановому или цетановому числу. Предполагается, что термический КПД может достигать 40 процентов, и даже при частичной нагрузке величина КПД не хуже, чем у двигателя с искровым зажиганием.

3 Низкий уровень шума. Глушитель не нужен, поскольку уровень шума составляет всего 25 процентов от создаваемого двигателем с искровым зажиганием. Двигатель не имеет клапанного механизма, поэтому механические шумы очень невелики.

Эти преимущества делают двигатель Стирлинга весьма привлекательным, но необходимо проделать еще большую исследовательскую работу для надежности некоторых деталей, например, уплотнений жидкости. Когда стоимость и надежность двигателя станут такими же, как и у обычных двигателей, ожидается широкое распространение двигателей такого типа.

Но еще интереснее варианты улучшения двухтактных двигателей, чтобы устранить необходимость добавлять масло в бензин, которое ухудшает условия горения, понижает мощность и т.д. В этой статье предлагается использовать впрыск топлива в двухтактный двигатель, что по идее может повысить экономичность двухтакстника до уровня четырехтактника.

Двигатель Аткинсона

В 1886 году британский инженер Джеймс Аткинсон предложил конструкцию мотора, который немного отличался от обычного четырехтактного двигателя, работающего по циклу Отто. В двигателе Аткинсона была изменена конструкция кривошипно-шатунного механизма, и поэтому все четыре такта совершаются за один оборот коленвала, а ход поршня во время впуска и выпуска длиннее, чем во время сжатия и расширения.

Такой мотор действительно экономичнее и экологичнее, но на низах он выдаёт малый момент и может заглохнуть даже от небольшой нагрузки. Иначе говоря, до 1500—2000 об/мин двигателю надо “помогать”.

Турбина не годится, поскольку на низах она сама не развивает большой мощности. Остается механический компрессор, который забирает часть мощности, практически сводя на нет преимущества мотора. То есть, отдача двигателя увеличивается не на много, но его конструкция становится сложнее.