Нестандартные решения проблемы экономичности и экологичности двигателей внутреннего сгорания (продолжение)
Первая часть
О роли кривошипно-шатунного механизма в двигателях внутреннего сгорания
Вся история существования и развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) непрерывно связана с применением кривошипно-шатунного механизма (КШМ), без которого двигатели в давно и всем известном виде просто непредставимы. В самом деле, поршень в цилиндре движется прямолинейно-поступательно, и преобразовать это движение во вращательное без КШМ не представляется возможным.
Сам по себе механизм давно и основательно изучен и имеет незначительные собственные потери. Однако для любой бочки мёда найдётся своя ложка дёгтя, которая основательно подпортит его качество, так как самое его присутствие существенно меняет общее качество. Давайте совместно постараемся, по возможности не прибегая к специальной и околоспециальной терминологии, детально разобраться в некоторых особенностях КШМ.
Потери, связанные с применением КШМ, давно и хорошо всем известны. По этой причине также давно конструкторы ищут пути ликвидации этих потерь, хотя механизм считается совершенным и не подлежащим критике. Дальше всех в решении вопроса, как же избежать потерь — а они достаточно велики, как мы с вами чуть позже убедимся, продвинулся отечественный конструктор авиационных двигателей С. С. Баландин, много десятилетий назад предложивший концепцию двигателей по бесшатунной схеме.
Под его руководством в специально созданном КБ были разработаны конструкции, изготовлены и испытаны несколько образцов бесшатунных двигателей Баландина. При испытаниях были получены превосходные результаты по всем удельным показателям (по заявлениям печати), намного опередив двигатели с КШМ. Двигатели показали также высокую степень надёжности. Было запланировано проектирование двигателей мощностью в десятки тысяч лошадиных сил. Казалось, что лет через десять человечество начнёт забывать о таких привычных двигателях с КШМ. Однако триумфа не случилось. Что же произошло?
А ничего не произошло. Просто механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала из кривошипно-шатунного превратился в кривошипно-кулисный, при этом коленчатый вал стал составным из трёх частей с дополнениями — далеко не лучшее решение. Кроме того, вал стал описывать сложную траекторию взамен простого вращения вокруг собственной центральной оси. Простая замена шатуна на кулису дала превосходный результат на выходе в части долговечности цилиндро-поршневой группы как следствие устранения бокового усилия, однако она же принесла проблемы, ставшие пока непреодолённой преградой на пути победного шествия. Оказалось, что технологически крайне сложно обеспечить с требуемой точностью пространственную координацию входящих в конструкцию деталей, без чего невозможна нормальная работа двигателя в целом. Заметим, что эти обстоятельства не остановили энтузиастов, работы в данном направлении продолжаются.
Здесь мы вынуждены заметить, что схема двигателей Баландина не могла устранить главный недостаток КШМ — потери части усилия, обусловленной самим фактом наличия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Дело в том, что в кривошипно-шатунном механизме заменили, как отмечено выше, шатун на кулису, что ничего не изменило в схеме передачи движения. Уместно будет рассмотреть в целом, в цифрах, величину потерь, связанных с применением КШМ.
Не является открытием то обстоятельство, что любое преобразование, будь то тепловой энергии в механическую, или же возвратно-поступательного движения во вращательное, или планетарного во вращательное, не обходится без потерь. Для оценки этих потерь для определённости зададимся длиной шатуна в 130 мм и ходом поршня 75 мм (аналогичные размеры имеют детали некоторых реальных моторов). Расчёт величины потерь выполним по формуле из источника [1], страница 48:
Мкр = Ps * r (sin φ + tg β * cos φ ) (I)
где Мкр – крутящий момент,
Ps - сила действия газов на поршень,
R – радиус кривошипа коленчатого вала,
φ – угол поворота вала от ВМТ,
β - соответствующий угол поворота шатуна.
Выражение в скобках показывает, что величины действующего усилия и плеча действия силы меняются в соответствии с углом поворота вала. Назовём это выражение Коэффициентом Трансформации Движения (КТД).
Очевидно, что в каждый данный момент КТД будет иметь разные значения, начиная от нуля. Для его определения вычислим КТД для возможно большего числа значений угла поворота вала, однако для упрощения возьмём несколько характерных его значений и вычислим коэффициент как среднюю арифметическую величину. Такими углами выберем:
1) 0 град. — соответствует положению поршня в ВМТ;
2) 45 град. — произвольно, для симметрии п.4.
3) 74 град. — в этом положении величина плеча действия силы имеет максимальное значение;
4) 135 град. — в этом положении (в среднем для разных двигателей) открывается выпускной клапан и действие газов прекращается.
После подсчётов по принятой методике вышеприведённая формула принимает вид:
Мкр = 0,62 Psr (II)
Отсюда видно, что КТД равен 0,62, а это значит, что 38 % механической силы, движущей поршень, не доходит до вала на выходе двигателя. Не забудем, что мощность определяется как произведение крутящего момента на число оборотов вала в минуту. Разумеется, что эта величина КТД не является абсолютом, более подробные подсчёты покажут большее приближение к действительности, однако в любом случае потери будут исчисляться десятками процентов. При этом потери обусловлены не несовершенством КШМ, но самим фактом его присутствия. Общая картина потерь впечатляет и стимулирует на поиски способа избавления от КШМ как явления, то есть использования энергии расширяющихся газов без промежуточных устройств.
Следует иметь в виду, что для каждой пары шатун — кривошип КТД будет свой, но не сильно отличающийся от рассчитанного в данном примере.
Вот этот резерв, наряду с более рациональной организацией рабочего цикла двигателя, является достойной целью для приложения творческих усилий.
Продолжение читайте по этой ссылке.
Использованная литература
- А. Н. Гоц, «Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей», Владимир, 2005 г.
- М. С. Ховах, «Автомобильные двигатели», издание второе, «Машиностроение», Москва, 1971.
- «Элементарный учебник физики» под редакцией академика Г. С. Ландсберга, том 1, издание десятое, Москва, «Наука», 1985.
- Патент РФ № 2619672.
- Патент РФ № 2654555.
- Патент РФ № 2707343.
Автор: Кривко Николай Михайлович, инженер-машиностроитель, создал 13 изобретений.
#хакнем_изобретения 👈 если Вы хотите, чтобы о Вашем изобретении или открытии узнали как можно больше читателей, напишите нам о нём на почту: story@haknem.com , и мы опубликуем ваш рассказ на канале Хакнем Школа от Вашего имени
Цикл статей " Нестандартные решения проблемы экономичности и экологичности двигателей внутреннего сгорания ":
1 статья
2 статья [Текущая]
