Адиабатные ДВС

Министерство науки Российской Федерации

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Реферат

«Адиабатные» ДВС

Выполнили: Игнатенко Р.А.,

Латыш Д.К.,

группа 243

Проверил Толстоногов А.П.

Самара 2005

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Давно есть такая идея – адиабатный двигатель. Повышение термического КПД двигателя путём повышения температуры рабочего процесса и снижения потерь энергии из-за необходимости отводить тепло в систему охлаждения. На бензиновом двигателе это невозможно из-за детонации, на дизеле попроще, но тоже есть проблемы.

Как конструкционный материал большой интерес представляет керамика. В "чистом" виде керамические материалы имеют ряд существенных недостатков, таких как высокая хрупкость при механических воздействиях, склонность к трещинообразованию и др., препятствующих их внедрению. Более перспективными в двигателестроении являются металлокерамические материалы (керметы), сочетающие в себе свойства металлов и керамических материалов.

Существует две формулировки определения «адиабатный» двигатель.

Адиабатный двигатель – это тепловой двигатель, термодинамический процесс которого близок к адиабатному – между системой, совершающей процесс, и окружающей средой отсутствует теплообмен. Элементы конструкции адиабатного двигателя должны быть изготовлены из жаропрочных материалов, а сам он покрыт теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой.

"Адиабатные" двигатели – это двигатели без системы охлаждения.

Применение керамических материалов в двигателестроении

Исследование керамики, как возможного конструкционного материала для двигателей внутреннего сгорания, начались в 50-е годы, когда американская фирма Chicago and Eastern Jllinois испытала керамические покрытия толщиной 0,1-0,2 мм на тепловозном двигателе EMD-567. К настоящему времени накоплен большой опыт по изготовлению и испытанию керамических деталей в различных двигателях. Но, несмотря на то, что за последние 15-20 лет проведён большой объём научно-исследовательских работ во всех наиболее технически развитых странах, применение конструкционной керамики в двигателестроении ещё не вышло за рамки производственных экспериментов. Широкому применению керамических изделий в двигателестроении препятствует отсутствие керамических материалов, которые удовлетворяли бы всей гамме требований, предъявляемых к ним. Они имеют ряд существенных недостатков, таких как низкая ударная вязкость и отсутствие пластичности, что обуславливает трудности формирования и получения изделий без внутренних дефектов (пустот, трещин и т.п.), хрупкость, которая приводит к трещинообразованию и отколам в рабочих условиях, а также высокая стоимость деталей, изготовленных из керамических материалов, вследствие сложности применяемого оборудования и процессов их изготовления и последующей механической обработки.

Несмотря на эти недостатки керамические и керметные материалы по праву считаются материалами будущего для двигателестроения, и их изучению уделяется большое внимание. Это обусловлено тем, что целые классы керамических материалов, таких как оксидная, нитридная, карбидная керамика и др. имеют уникальное сочетание физико-механических свойств.

Основное достоинство керамических материалов заключается в том, что они могут эксплуатироваться при высоких температурах. К примеру, успехи в области технологии бескислородной керамики на основе SiC, Si₃N₄ и AlN, позволяют получить материалы с прочностью при изгибе более 1000 МПа при комнатной температуре, незначительно уменьшающейся при температурах 1300-1500 ^оС. Плотность этих материалов около (3,0-3,5)х10³ кг/м³. В то же время при температурах выше 1200 ^оС прочность жаропрочных сплавов падает практически до нуля при существенно более высокой плотности (7,5-8,0)х10³ кг/м³. Ещё одно их немаловажное достоинство в том, что природные запасы керамических материалов неисчерпаемы, так как из них состоит практически вся земная кора.

Вследствие того, что свойства керамических материалов мало изучены и, в настоящее время, создаются все новые керамические материалы и композиты на их основе, номенклатура этих материалов для двигателестроения очень многообразна и окончательно не определена. Можно встретить самые разнообразные прогнозы.

Так на симпозиуме, проведённом секцией "Технология материалов" Общества немецких инженеров в 1985 году в Баден-Бадене, отмечалось, что, исходя из свойств керамических материалов, для изготовления цилиндровых втулок и поршней следует применять диоксид циркония (PSZ) и спечённый нитрид кремния (SSN), для впускных и выпускных каналов – титанат алюминия (Al₂TiO₅) и для деталей турбокомпрессора – спечённые нитрид (Si₃N₄) и карбид (SiC) кремния.

Французские специалисты придерживаются такого же мнения, отмечая при этом перспективность применения сплавов PSZ (диоксид циркония) не только на основе циркония, но и на основе титаната алюминия.

Peter W., Hartmut H., и Manfred C. также выделяют для двигателестроения двуокись циркония и бескислородную керамику, такую, как, к примеру, алюминиево-магниевый силикат (AMS).

Японские специалисты кроме чисто керамических материалов уделяют также большое внимание композиционным материалам, содержащим керамические элементы только в виде усиливающей арматуры. Японские фирмы Riken и Showa Denko разработали целое семейство композиционных Al-сплавов под общей маркой "Shorik".

Большое внимание изучению керамических материалов уделяется и в США. В армейском центре по исследованию материалов и механики, совместно с Мичиганским университетом были испытаны керамические материалы, содержащие хромоалюминиевое связывающее вещество с 10 % гафние-циркониевой дисперсной фазой. После 500 часовой выдержки при температуре 1000 ^оС эти керамические материалы по механическим свойствам имели преимущества, по сравнению с магниево-циркониевым керамическим материалом.

Таким образом, большая номенклатура и недостаточное знание свойств керамических материалов не дают возможность выбрать какие-либо конкретные материалы из этого многообразия. Отсутствие достаточного теоретического обоснования выбора этих материалов для конкретных деталей приводит к необходимости, на данном этапе, в основном к экспериментальному изучению, как керамических материалов, так и деталей из них. Поэтому имеющиеся "керамические" или "адиабатные" двигатели внутреннего сгорания носят, в первую очередь, демонстрационный характер.

Исследования по созданию так называемого "адиабатного" двигателя можно разделить на четыре направления, каждое из которых имеет самостоятельное значение:

• нанесение термобарьерных покрытий из керамических или керметных материалов на металлические детали;

• создание отдельных деталей двигателя из керамических или керметных материалов;

• создание минимально охлаждаемого двигателя;

• создание полностью керамического двигателя, не требующего охлаждения и смазки жидкими смазочными маслами.

Нанесение термобарьерных покрытий из керамических или керметных материалов на металлические детали, как уже отмечалось, началось еще в 50-е годы, но до настоящего времени этот процесс находится на стадии исследований. В нашей стране наиболее изучен вопрос нанесения теплозащитных покрытий из различных керамических материалов на поршень и в несколько меньшей степени на клапана и крышку цилиндров.

Эффективность снижения температуры детали, при прочих равных условиях, зависит от теплопроводности материала покрытия. К тому же, как показали многочисленные испытания, керамические покрытия на днище поршня выполняют не только защитную функцию, но и выравнивают температуру по защищенному днищу поршня. Для дизеля типа 1Ч 10,5/13 максимальный градиент температур в радиальном направлении для чугунного поршня без покрытия равен 4,74 ^оС/мм, а с покрытием – 3,84 ^оС/мм. Керамическое покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,1 мм уменьшает температурный градиент в осевом направлении в среднем на 20 %, а при увеличении толщины до 0,4 мм – дополнительно еще на 10 %. При выборе толщины покрытия следует учитывать, что снижение температуры детали под покрытием происходит не пропорционально толщине покрытия. Так покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,1 мм снижает температуру "горячих" точек на 45-50 ^оС. При увеличении толщины этого покрытия до 0,2 мм снижает температуру в этих точках еще на 20 ^оС. Но при дальнейшем увеличении толщины этого покрытия с 0,8 до 0,9 мм температура поршня в этих же точках дополнительно снижается только на 5 ^оС. Подобные зависимости получены для различных типов дизелей и носят общий характер, что подтверждено реализацией различных расчётных методов и моделированием.

Проводятся исследования по нанесению керамических покрытий на тарелки клапанов. Так покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,5-0,6 мм, нанесённое на тарелку клапана, снижает температуру в центре тарелки на 60 ^оС. Представляют интерес предлагаемые анизотропные покрытия, состоящие из чередующихся слоёв окиси алюминия и ковара, что позволяет не только снизить температуру клапана, но и существенно выравнить её от центра к кромкам клапана.

Теплоизоляция деталей камеры сгорания дизеля керамическими покрытиями оказывает существенное влияние на рабочий процесс. Это влияние не однозначно и зависит главным образом от того, достаточно ли будет при этом количество воздуха для сгорания впрыснутого в дизель топлива. Таким образом, теплоизоляция камеры сгорания керамическими покрытиями целесообразна в основном для двигателей с наддувом.

При испытании в ЦНИДИ одноцилиндрового отсека 1Ч18/22 с деталями камеры сгорания, имеющими керамическое покрытие, эффективный расход топлива при оптимальном режиме снизился на 6,80-9,52 г/кВт·ч, на номинальном режиме до 40,80 г/кВт·ч – при 25 % нагрузке. Испытания покрытий проводились также на развёрнутом дизеле 6ЧН15/18 с газотурбинным наддувом. Они показали, что при неизменном _оп=28 градусов поворота коленчатого вала покрытие улучшает экономичность на 6,26 г/кВт·ч по всей нагрузочной характеристике, а при _оп=32 градуса поворота коленчатого вала расход топлива снизился на 10,88-13,60 г/кВт·ч.

Исследования в области нанесения защитных покрытий показали, что наиболее технологическим методом является плазменное напыление. Так, например, компания FCS (США) в течение последних пяти лет наносит керамическое покрытие на детали дизелей, образующих камеру сгорания. Двигатели с керамическим покрытием отработали уже более 20 тыс. ч, что свидетельствует о прочности покрытия.

Американское бюро по судостроению рекомендовало тонкое керамическое покрытие, толщиной 0,381 мм, компании FCS для деталей судовых дизелей.

С участием Департамента транспорта США были проведены испытания дизеля, установленного на буксире. Керамическое покрытие имели днища поршней, выхлопные клапана и крышки цилиндров. Дизель проработал в течение двух лет около 14 тыс. ч. Во время испытаний дизель с керамическим покрытием работал более "мягко", лучше принимал нагрузку, развивал большую мощность и имел более низкий (примерно на 5 %) удельный расход топлива. Период окупаемости дизеля снизился до шести месяцев, увеличился интервал между ремонтами дизеля.

Анализ результатов испытаний дизеля показал, что тепловой барьер, создаваемый керамическим покрытием, снижает температуру металла и тем самым уменьшает термические напряжения в деталях.

Результаты анализа индикаторных диаграмм показали, что керамическое покрытие сокращает период задержки воспламенения, скорость нарастания давления, снижает величину максимального давления сгорания и сдвигает точку z вправо от ВМТ, что приводит к увеличению индикаторной работы, а, следовательно, и мощности дизеля. Эти изменения в рабочем процессе позволяют работать двигателю на более дешёвом топливе, что дополнительно снижает эксплуатационные расходы примерно на 5 %.

Применение керамического покрытия на деталях двигателя также положительно влияет и на экологические показатели. Так в двух малооборотных дизелях, мощностью по 19580 кВт каждый, металлокерамическое покрытие было нанесено на днища поршней и на огневую поверхность крышек цилиндров. Оба дизеля проработали более одного года на остаточном топливе вязкостью 600 сСт. Испытания двигателей показали, что выброс твёрдых частиц снизился на 52 %, а расход топлива – на 5 %, отработавшие газы были почти прозрачными. После разборки дизелей обнаружено, что покрытие имеет светлый песочный цвет, без нагара или металлических отложений на поверхностях, образующих камеру сгорания.

Толстые (0,5-0,15 мкм) и сверхтолстые (более 1,5 мкм) покрытия, необходимые для деталей дизелей, могут успешно наноситься методом дугового плазменного напыления. ZrO₂ является наиболее удобным материалом для нанесения покрытий этим методом на детали двигателя. Но поскольку фазовые превращения ZrO₂ могут привести к увеличению её объёма до 9 %, в порошок добавляют Y₃O₅ для стабилизации.

Незащищённые кромки и разрывы покрытия быстро приводят к его разрушению. Для предотвращения этого было предложено заглублять покрытие в деталь. Это решение успешно апробировано в двигателе, имеющим толщину покрытия до 7 мм.

Таким образом, керамические покрытия деталей камеры сгорания не только снижают теплонапряженность деталей, но и приводят к улучшению топливной экономичности двигателя. Основное внимание исследований направлено на повышение работоспособности покрытия и предотвращение его отслаивания во время работы.

Вторым направлением является создание отдельных деталей двигателя из керамических материалов, которые, наряду с нанесением термобарьерных покрытий, в настоящее время бурно развивается. Этому способствует не только заинтересованность в повышении экономичности и долговечности двигателя, но и возможность изучения керамических и керметных материалов в реальных рабочих условиях, что даёт возможность корректировать их состав и технологию изготовления.

При создании "адиабатного" двигателя возник ряд проблем, на решение которых направлены усилия многих фирм и научно-исследовательских центров всех высокоразвитых стран.

Одна из них, это получение и обработка керамических материалов. Кроме того, что этот процесс дорогой и сложный сам по себе, он даёт ещё и нестабильные результаты. Например, отмечается значительный разброс физико-механических характеристик частично стабилизированной двуокиси циркония, производимой различными способами многими фирмами Японии, США, Австралии и других стран. Поэтому одной из основных задач является разработка методов неразрушающего контроля для керамических материалов, которые позволили бы обнаруживать дефекты, линейные размеры которых находятся в пределах 10-100 мкм.

Анализ математической модели "адиабатного" двигателя показал, что тепловой поток через стенку камеры сгорания уменьшается не пропорционально изменению коэффициента теплопроводности материала стенки, а значительно в меньшей степени. И снижение теплоотвода через стенку, допустим с 13 до 8 % от вводимого с топливом количества теплоты, а один цикл повышает индикаторный КПД цикла лишь на 1,2 %. К примеру, рассмотрим распространение теплового потока через чугунную и керамическую стенки толщиной 10 мм при средней температуре газов в цилиндре двигателя t_g=800 ^оС и температуре охлаждающей воды или воздуха t_cool=80 ^оС. Коэффициент теплоотдачи от горячего газа в стенку принят равным ₁=200 ккал/мґчґК. В случае охлаждения водой коэффициент теплоотдачи наружной стенки ₂=5000 ккал/мґчґК, а в случае неподвижного воздуха – он не превышает 50 ккал/мґчґК. Вычислим тепловой поток как стационарный по следующей формуле:

http://ramil.spb.ru/Pictures/big717551729794.gifПринимаем коэффициент теплопроводности чугунной стенки =44 ккал/мхчхК, а керамической стенки – 8 ккал/мхчхК. Принимая эти исходные данные для случая водяного охлаждения видно, что, несмотря на то, что коэффициент теплопроводности керамической стенки в 5,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности чугунной стенки, тепловой поток Q падает с 155х10³ до 130х10³ Вт, то есть не более чем на 16 %.

В связи с этим представляет интерес модель теплового потока в двигателе, предложенная С. Фурухамой (рис. 1-8). Из этой модели вытекает важный вывод: при создании "адиабатного" двигателя без водяного охлаждения от керамических материалов, в первую очередь, требуется жаростойкость, так как хорошим теплоизолятором является окружающий воздух, а керамика будет служить как жаропрочный материал.

Примеры конструктивного решения ЦПГ «адиабатных» двигателей

Двигатель «Камминс»

У адиабатного двигателя цилиндр и его головка не охлаждаются, поэтому потери теплоты за счёт охлаждения отсутствуют. Сжатие и расширение в цилиндре происходят без теплообмена со стенками, т.е. адиабатически, аналогично циклу Карно. Практическая реализация такого двигателя связана со следующими трудностями.

Для того чтобы тепловые потоки между газами и стенками цилиндра отсутствовали, необходимо равенство в каждый момент времени температуры стенок температуре газов. Такое быстрое изменение температуры стенок в течение цикла практически невозможно. Можно было бы реализовать близкий к адиабатному цикл, если обеспечить температуру стенок на протяжении цикла в пределах 700-1200 °С. Материал стенок при этом должен сохранять работоспособность в условиях такой температуры, и, кроме того, необходима теплоизоляция стенок для устранения отвода от них тепла.

Обеспечить такую среднюю температуру стенок цилиндра можно лишь в его верхней части, которая не находится в соприкосновении с головкой поршня и его кольцами и, следовательно, не требует смазки. При этом, однако, невозможно обеспечить, чтобы горячие газы не омывали смазываемую часть стенок цилиндра при движении поршня к НМТ. В то же время можно предположить создание цилиндра и поршня, не нуждающихся в смазке.

Дальнейшие трудности связаны с клапанами. Впускной клапан частично охлаждается поступающим при впуске воздухом. Это охлаждение происходит за счёт повышения температуры воздуха и, в конечном итоге, приводит к потере части эффективной мощности и КПД двигателя. Теплопередача к клапану при сгорании может быть значительно уменьшена теплоизоляцией тарелки клапана.

У выпускного клапана температурные условия работы значительно тяжелее. Горячие газы, выходящие из цилиндра, имеют в месте перехода тарелки клапана в стержень высокую скорость и сильно нагревают клапан. Поэтому для получения эффекта адиабатности требуется теплоизоляция не только тарелки клапана, но и его стержня, отвод теплоты от которых осуществляется охлаждением его седла и направляющей. Кроме того, весь выпускной канал в головке цилиндров должен быть теплоизолирован с тем, чтобы через его стенки головке не передавалась теплота отработавших газов, выходящих из цилиндра.

Как уже упоминалось, при ходе сжатия сначала от горячих стенок цилиндра нагревается относительно холодный воздух. Далее в процессе сжатия температура воздуха повышается, направление теплового потока меняется на противоположное, и теплота от нагретых газов передается стенкам цилиндра. В конце адиабатного сжатия достигается большее в сравнении со сжатием в обычном двигателе значение температуры газа, но на это расходуется больше энергии.

Меньше энергии затрачивается, когда воздух при сжатии охлаждается, поскольку для сжатия меньшего вследствие охлаждения объёма воздуха необходимо меньшее количество работы. Таким образом, охлаждение цилиндра при сжатии улучшает механический КПД двигателя. При ходе расширения, напротив, целесообразно теплоизолировать цилиндр или подводить теплоту к заряду в начале этого такта. Два указанных условия являются взаимоисключающими, и реализовать их одновременно невозможно.

Охлаждение воздуха при сжатии можно осуществить в двигателях внутреннего сгорания с наддувом, подавая воздух после его сжатия в компрессоре в радиатор промежуточного охлаждения.

Подвод теплоты к воздуху от стенок цилиндра в начале расширения возможен в ограниченной степени. Температуры стенок камеры сгорания адиабатного двигателя весьма высоки, что вызывает нагрев воздуха, поступающего в цилиндр. Коэффициент наполнения, и, следовательно, мощность такого двигателя будут ниже, чем у двигателя с принудительным охлаждением. Этот недостаток устраним с помощью турбонаддува, использующего энергию отработавших газов; часть этой энергии можно передавать непосредственно на коленчатый вал двигателя через силовую турбину (турбокомпаундный двигатель).

Горячие стенки камеры сгорания адиабатного двигателя обеспечивают воспламенение на них топлива, что предопределяет использование в таком двигателе дизельного рабочего процесса.

При совершенной теплоизоляции камеры сгорания и цилиндра температура стенок увеличивалась бы до достижения на глубине около 1,5 мм от поверхности средней температуры цикла, т.е. составила бы 800-1200 °С. Такие температурные условия обусловливают высокие требования к материалам цилиндра и деталей, образующих камеру сгорания, которые должны быть жаропрочными и обладать теплоизоляционными свойствами.

Цилиндр двигателя, как уже отмечалось, должен смазываться. Обычные масла употребимы до температуры 220 °С, при превышении которой возникает опасность пригорания и потери упругости поршневых колец. Если головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава, то прочность такой головки быстро уменьшается уже при достижении температуры 250-300 °С. Допустимая температура разогрева выпускного клапана составляет 900-1000 °С. Этими значениями максимально допустимых температур необходимо руководствоваться при создании адиабатного двигателя.

Наибольший успех в развитии адиабатных двигателей достигнут фирмой “Камминс” (США). Схема адиабатного двигателя, разработанного этой фирмой, изображена на рис. 75, где показаны теплоизолированные цилиндр, поршень и выпускной канал головки цилиндра. Температура отработавших газов в теплоизолированной выпускной трубе составляет 816 °С. Присоединённая к выпускной трубе турбина, соединена с коленчатым валом через двухступенчатый редуктор, снабжённый гасителем крутильных колебаний.

Опытный образец адиабатного двигателя был создан на базе шестицилиндрового дизеля типа NH. Схематический поперечный разрез этого двигателя показан на рис. 76, а его параметры приведены ниже:

Число цилиндров...............................................6

Диаметр цилиндра, мм......................................139,7

Ход поршня, мм.................................................152,4

Частота вращения, мин^-1..................................1900

Максимальное давление в цилиндре, МПа.....13

Тип смазочного материала...............................масло

Среднее эффективное давление, МПа...............1,3

Массовое отношение воздух/топливо...............27/1

Температура входящего воздуха, °С................60

Ожидаемые результаты

Мощность, кВт.............................................373

Частота вращения, мин^-1.............................1900

Эмиссия NO_x+CH_x.....................................6,7

Удельный расход топлива, г/(кВт·ч)..........170

Срок службы, ч............................................250

В конструкции двигателя широко использованы стеклокерамические материалы, обладающие высокой жаропрочностью. Однако до настоящего времени обеспечить высокое качество и длительный срок службы деталей из этих материалов не удалось.

Большое внимание было уделено созданию составного поршня, показанного на рис. 77. Керамическая головка поршня 1 соединена с его основанием 2 специальным болтом 3 с шайбой 4. Максимальная температура в середине головки достигает 930 °С. От основания головка теплоизолирована пакетом тонких стальных прокладок 6 с сильно неровной и шероховатой поверхностью. Каждый слой пакета из-за малой поверхности контакта обладает большим тепловым сопротивлением. Тепловое расширение болта компенсируется с помощью тарельчатых пружин 5.

Но вот про керамику что-то в последнее время ничего не слышно. А ведь сколько было говорено про двигатели, целиком собранные из керамических деталей, лет двадцать назад. Предполагалось с помощью "песка и глины" убить всех зайцев сразу. Только керамический силовой агрегат способен работать по адиабатному циклу. Чтобы не влезать в дебри теории, скажу, что адиабатному двигателю не требуется система охлаждения. Это значит, долой рубашку охлаждения, радиатор, водяной насос, охлаждающую жидкость и кучу патрубков. А всё, что осталось, в два раза легче по сравнению с такими же деталями из чугуна и стали. Однако не это главное. Термический КПД адиабатного двигателя на 60% выше, чем у мотора, изготовленного по традиционной технологии. Словом, эффективность адиабатного двигателя такова, что будь он создан, можно надолго заморозить работы над водородными и прочими альтернативными технологиями, как потерявшими актуальность.

Видимо, не обошлось тут без бравых военных. Керамический двигатель не обнаружишь никаким тепловым радаром. Собственно, прототипом для адиабатного двигателя Cummins служил как раз танковый дизель. Вот военные в нужный момент и окружили "гончарное" дело завесой секретности. А гражданским если что и перепадает, так только "мелочёвка": керамическая начинка катализаторов, термоизолирующие вставки, направляющие втулки клапанов и сами клапаны газораспределения, роторы турбокомпрессоров и изоляторы свечей зажигания.

РОТОРНЫЙ СФЕРОИДАЛЬНЫЙ ДВС С ПРОТОЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ

Проблема уменьшения динамических нагрузок в механизме ДВС сводится к уменьшению энергии, закольцованной в возвратно-поступательном, качательно-вращательном и других видах движений, обеспечивающих круговой рабочий цикл. Уменьшение инерционных нагрузок позволит при неизменных прочности и массе механизма увеличить передаваемую им полезную нагрузку.

Можно ввести коэффициент полезной нагрузки (КПН) механизма, выразив его как отношение максимального крутящего момента, передаваемого механизмом, к максимальному моменту сил инерции, возникающих при этом: КПН=М/М_ин.

Это же соотношение можно применить к каждому звену механизма для оценки эффективного его использования. Задача повышения КПН как механизма в целом, так и отдельных звеньев хорошо решается в роторно-поршневых двигателях некоторых схем (Ванкеля, например) и в газотурбинных двигателях, а также в предлагаемом двигателе. Желательно также уменьшить неравномерность полезной нагрузки в течение цикла, что можно выразить коэффициентом неравномерности цикла как отношение среднего индикаторного давления к максимальному давлению: КНЦ=Р_z/P_i.

В этом смысле предпочтительнее процессы, приближённые к изобарному, однако для обеспечения высокого КПД при этом следует также увеличить степень расширения по отношению к степени сжатия, как это делается в газотурбинных двигателях и некоторых поршневых (например, двигатель Mazda Xedos 9). Как показано ниже, это реализовано в предлагаемом двигателе. И, наконец, в механизме ДВС следует уменьшать количество избыточных кинематических связей, наличие которых повышает требования к точности изготовления и сборки, жесткости конструкции, а также к сохранению гарантированных эксплуатационных зазоров. Двигатели с традиционным кривошипно-шатунным механизмом, а также роторно-поршневые типа Ванкель обладают большим количеством избыточных связей. Отсутствуют они в газотурбинных двигателях при двухопорных валах и в предлагаемом двигателе.

Высокие требования в современных высокооборотных ДВС предъявляются к жёсткости работы газораспределительного механизма (ГРМ) в смысле обеспечения соответствия действительных фаз расчётным, предотвращения отрыва кулачков и зависания клапанов. Большие усилия направляются на увеличение проходных сечений и обеспечение изменяемых фаз с целью увеличить коэффициент наполнения и КПД на разных режимах. Эти проблемы отсутствуют в роторных и газотурбинных двигателях и в значительной мере решены в предлагаемом двигателе.

Таким образом, с точки зрения эффективности механизма преобразования энергии газов в движение и ГРМ, перспективными являются роторные и газотурбинные двигатели. Однако не следует забывать о присущем всем роторным двигателям недостатке – сложности и низкой эффективности уплотнений. Существенный недостаток газотурбинных двигателей – резкое уменьшение КПД турбокомпрессора с увеличением степени повышения давления и пропорциональное ему уменьшение КПД двигателя в целом. Путь преодоления этих недостатков в создании комбинированной рото-турбо-компрессорной силовой установки (КРТКУ). В такой установке роторно-поршневой двигатель снабжается обособленной камерой сгорания проточного типа и выполняет роль компрессора и турбины высокого давления для газотурбинного двигателя (иначе говоря, роль генератора газа). Отбор мощности может производиться как отдельно от любого из двигателей, так и совместно. Как показывают произведённые расчёты, совместная работа двигателей позволяет взаимно компенсировать их недостатки, обеспечив высокий КПД, экономичность и удельную мощность установки в целом.

Для повышения КПД теплового процесса есть также несколько путей. В некоторых двигателях делают степень расширения больше степени сжатия. Например, в двигателе Mazda Xedos 9 это достигают изменением фаз газораспределения, укорачивая фазу впуска. Однако при этом теряется часть рабочего объёма и уменьшается поток рабочего тела (иначе говоря, уменьшается коэффициент наполнения, приведённый к полному ходу поршня). Причём это происходит на режимах, близких к номинальному и максимальному, когда необходим максимальный поток рабочего тела. Применение наддува в этом случае способно лишь компенсировать потерю мощности.

В предлагаемом двигателе разные степени сжатия и расширения обеспечиваются, во-первых, за счёт разного объёма компрессорных и рабочих камер, а во-вторых, за счёт изменения фаз газораспределения, однако это вызывает не сокращение фазы впуска, как в предыдущем примере, а увеличение фазы выпуска, наддув же увеличивает поток рабочего тела и мощность двигателя. Повышению КПД способствует также уменьшение тепловых потерь путем теплоизоляции основных деталей в так называемых адиабатных двигателях, однако эффект от этого невелик, потому что сжатие и расширение происходит в одном объёме, и тепло, сэкономленное при расширении, передаётся сжимаемому газу.

Кроме того, теплоизоляция головки традиционного двигателя ограничена возможностью перегрева размещённых в ней деталей газораспределения. В этом плане возможности предлагаемого двигателя гораздо шире, поскольку камера сгорания, компрессорная и рабочая части разделены, и можно произвести эффективную теплоизоляцию путем применения керамических деталей и покрытий, а из органов газораспределения в горячей зоне находятся только каналы камеры сгорания, более устойчивые к перегреву, чем клапаны. Эффективным направлением в повышении КПД является повышение степени сжатия, однако оно ограничено порогом механической и тепловой напряженности деталей двигателя. Использование КРТКУ в режиме продувки камеры сгорания позволяет реализовать наибольшую общую степень сжатия при ограниченных максимальных давлении и температуре цикла и достичь повышения КПД по сравнению с двигателями Отто и газотурбинными.

Важной характеристикой двигателя является его токсичность. В современных быстроходных двигателях основными способами их улучшения являются совершенствование топливной аппаратуры и обеспечение оптимальных условий горения на разных режимах работы. Однако вследствие того, что горение в основном происходит в рабочем объёме двигателя, где давление и температура изменяются в широких пределах, обеспечить оптимальные условия на весь период горения невозможно (имеется в виду то, что объём камеры сгорания раздельного или нераздельного типа мал по сравнению с рабочим объёмом, а давление и температура горения мало отличаются от параметров в рабочем объёме).

Поскольку объём камеры сгорания в предлагаемом двигателе соизмерим с рабочим объёмом, то два основных процесса горения – изохорный и изобарный при продувке – протекают с небольшими коэффициентами повышения давления и температуры, что приближает их к оптимальным. Отводимое на горение время гораздо больше, чем у обычных двигателей, за счёт увеличения времени пребывания заряда в камере сгорания и не ограничено пребыванием поршня у ВМТ. Горение в среде остаточных газов обеспечивает их догорание, что в других двигателях достигается применением систем рециркуляции и катализаторов. Важно также, что возможным становится непосредственное измерение давления и температуры горения соответствующими датчиками для осуществления эффективного контроля.

В большинстве двигателей реализуется какой-либо один из способов воздействия на параметры рабочего процесса: в двигателях Отто это изменение количества топливно-воздушной смеси при поддержании коэффициента избытка воздуха =1; в дизелях это качественное изменение состава смеси при нерегулируемом количестве (за исключением двигателей с регулируемым турбонаддувом). В КРТКУ кроме одновременного применения указанных двух независимых контуров воздействия на рабочий процесс возможно осуществление третьего – регулирование фактической степени сжатия (или степени повышения давления) изменением фаз газораспределения. Всё вышесказанное позволяет обеспечить оптимальные параметры горения, как на протяжении рабочего цикла, так и для различных режимов работы двигателя в целом, что делает его перспективным по снижению токсичности ОГ.

Преимущества комбинированных двигателей, главные из которых повышение КПД и удельной мощности, хорошо известны. Комбинированные двигатели в широком смысле характеризуются применением турбонаддува на входе и утилизации ОГ рабочей турбиной на выходе, причём в общем случае турбина не только приводит турбокомпрессор, но и отдаёт полезную мощность. Применение турбонаддува в настоящее время ограничено низким и средним (до 0,2 МПа) давлением наддува. Это обусловлено тем, что в существующих промышленных двигателях не регулируется степень сжатия, и при высоком наддуве происходят либо значительные перенапряжения (как механические, так и тепловые) при высоких значениях степени сжатия, либо ухудшение пусковых качеств и рабочих характеристик на малых нагрузках при малой степени сжатия.

В настоящее время в НАМИ под руководством канд. техн. наук Зленко разработаны образцы двигателей с изменяемыми рабочим объёмом и степенью сжатия. Однако это осуществляется воздействием на силовую часть механизма, что вряд ли оправдано. В КРТКУ изменение фактической степени сжатия происходит без воздействия на силовую часть, а высокий наддув обеспечивает эффективную утилизацию ОГ рабочей турбиной и получение значительной полезной мощности без увеличения механической и тепловой напряженности с сохранением высоких эксплуатационных качеств. Таким образом, в схеме КРТКУ автор попытался реализовать многие перспективные направления развития ДВС. Этим объясняются ее высокие расчётные параметры: при V_раб=1,2 л, Р_к=0,6 МПа, Р_z=6 МПа, Т_z=1700 К, n=6000 об/мин; давление и температура газа перед турбиной Р=1,0 МПа, Т=1000 К; полезная мощность двигателя N_д=68 кВт, турбины N_т=110 кВт; полная мощность КРТКУ N=178 кВт, КПД=40%.

Если схему КРТКУ дополнить паровой утилизирующей установкой, общий КПД увеличится. Это направление указано и разработано канд. техн. наук Некрасовым в статье "Плюс цикл Ренкина" для двигателя по схеме Баландина. Применение КРТКУ в этом случае позволит уменьшить габариты и удельный вес всей установки, а также более гибко изменять параметры её составляющих.

Есть ряд специфических применений, где свойства КРТКУ оказываются особенно ценными. Так, при создании дизеля, работающего на топливно-угольных (ТУС) и водо-угольных суспензиях (ВУС) в МВТУ им. Баумана автор работы Л.В. Грехов указывает на ряд возникших затруднений, как снижение удельной мощности двигателя, плохое воспламенение заряда, большая задержка воспламенения и длительность горения, а также формулирует ряд требований к конструкции двигателя, направленных на их преодоление: необходимость высокого наддува (более 0,22 МПа), наличие камеры сгорания с высокой интенсивностью движения заряда (разделенного типа), уменьшение тепловых потерь применением теплоизолирующих покрытий. Конструкция КРТКУ в большой степени преодолевает указанные проблемы и отвечает сформулированным требованиям.

Роторно-поршневой двигатель (рис. 1,2) содержит составной корпус 1 со сферической внутренней поверхностью, внутри которого находятся два вала с роторами в виде сферических сегментов 2 и 3. В каждом из роторов выполнены карманы, которые имеют возможность сообщаться с впускным 5 и выпускным 6 окнами, обеспечивая внешние фазы впуска и выпуска из двигателя, а также имеют возможность сообщаться с впускным каналом 7 в камеру сгорания 8 и выпускным каналом 9 из неё. Между роторами и корпусом размещаются дисковые золотники 10 и 11 с вырезами напротив соответствующих окон и каналов, которые выполнены таким образом, что при повороте золотника изменяют площадь проходного сечения соответствующего окна или канала. Валы в корпусе расположены таким образом, что их продольные оси пересекаются в центре корпуса под тупым углом, плоскость симметрии одного ротора перпендикулярна плоскости симметрии другого, а между роторами расположен диск 4, который разделяет внутренний объём двигателя на две компрессорные и две рабочие камеры. На одной поверхности диска выполнен цилиндрический прилив, который совмещается с вершиной ротора 2. На другой стороне диска выполнен цилиндрический паз, в котором одной своей стороной расположена промежуточная пластина 12, а другая ее сторона совмещается с пазом в вершине ротора 3, причём продольные оси прилива и паза на сторонах диска взаимно перпендикулярны. Такой механизм обеспечивает отсутствие избыточных кинематических связей.



1 – корпус; 2 – компрессорный ротор; 3 – рабочий ротор; 4 – диск; 5 – впускное окно; 6 – выпускное окно; 7 – впускной канал (в камеру сгорания); 8 – камера сгорания; 9 – выпускной канал (из камеры сгорания); 10 – впускной дисковый золотник; 11 – выпускной дисковый золотник; 12 – промежуточная пластина.

При повороте роторов диск 4 совершает поворотно-колебательное движение между ними, изменяя объёмы компрессорных и рабочих камер. Карман в роторе 2 открывает впускное окно 5, через которое рабочий газ поступает в одну из компрессионных камер (рис. 3). Далее ротор 2 перекрывает окно 5 и сжимает газ. В это же время другой карман открывает впускной канал 7, через который сжатый газ из другой компрессионной камеры поступает в камеру сгорания 8, где смешивается и сжимается вместе с оставшимися от предыдущего цикла газами (рис. 3). При повороте вала на 180^о камеры меняются местами. После того, как ротор 2 закроет канал 7, горение происходит в закрытой камере сгорания. Когда карман рабочего ротора 3 откроет выпускной канал 9, газ начнёт выходить из камеры сгорания в один из рабочих объёмов, где расширяется (рис. 4). Когда канал 9 перекроется ротором 3, камера сгорания 8 закроется, а газ адиабатически расширяется в рабочем объёме. В это же время другой карман рабочего ротора открывает выпускное окно 6, и отработанные газы выталкиваются при уменьшении объёма другой рабочей камеры (рис. 4). При повороте вала на 180^о камеры меняются местами. Фазы работы двигателя показаны на векторной и развернутой фазовых диаграммах (рис. 5). Таким образом, двигатель работает по четырёхтактному циклу впуск-сжатие-расширение-выпуск с добавлением фаз впуска в камеру сгорания, горения и выпуска из камеры сгорания. За один поворот вала рабочий цикл повторяется дважды (по разу для каждой пары камер). Поворачивая дисковые золотники на определенный угол, изменяем продолжительность соответствующих фаз газораспределения, вплоть до их совмещения в режиме продувки камеры сгорания, когда впуск, горение и выпуск происходят одновременно (смещение фаз изображено стрелками на рис. 5). Это, в свою очередь, влияет на рабочие параметры двигателя, такие как давление, температура, мощность, эффективность и экономичность. Таким образом, определённые фазы газораспределения обеспечивают оптимальные параметры на разных режимах работы двигателя.

Заключение

Многие слышали про автомобиль японской фирмы «Исудзу» с двигателем из керамики. Достоинства его отнюдь не исчерпываются уменьшением расхода металла. Главное — существенное повышение КПД.

В двигателях внутреннего сгорания можно превратить в полезную работу около 70 % энергии израсходованного топлива, однако на практике эффективный КПД равен всего 28—38 процентам, т.е. вдвое меньше. Большая часть тепла теряется с охлаждающей водой, маслом, выхлопными газами. Эффективность термодинамического цикла существенно возрастает при повышении температуры газов в цилиндрах двигателя. Однако при перегреве стенок цилиндров двигателя падает их прочность и стойкость. Можно охлаждать стенки, усилив наружное охлаждение, но тогда опять возрастут потери. Идеален так называемый адиабатный двигатель, от цилиндров которого не нужно отводить тепло. Применение керамических материалов и позволяет приблизиться к идеалу.

Дело в том, что керамические материалы наподобие соединений кремния с углеродом или азотом (карбиды и нитриды кремния) способны выдерживать температуры до 1500 градусов. Ныне уже научились изготавливать детали требуемой формы путём спекания и прессования керамических порошков.

Остается еще добавить, что при температуре в камере сгорания 1200 градусов двигатель становится многотопливным. В нем можно использовать также керосин, различные спирты, синтетические соединения из угля и даже некоторые сорта мазута.

Всем хорош этот двигатель, кроме одного, но очень важного показателя – ресурса работы. Пока он ещё очень мал. Разные модели выдерживают всего от 50 до 500 часов.

Поэтому главным направлением увеличения КПД двигателей считается повышение температурного режима их работы, а в перспективе – создание адиабатного двигателя, обеспечивающего максимальное использование теплоты сгораемого топлива без отвода тепла из активной зоны. Но для высокофорсированных (теплонагруженных) двигателей непригодны нефтяные масла, которые окисляются уже при 120 ^оС. Для решения этой проблемы примерно с 1940 г. начали применяться антиокислительные присадки.

Так, использование керамических материалов может получить широкое распространение в производстве двигателей внутреннего сгорания. Благодаря высокой жаропрочности керамики рабочая температура в них может быть увеличена до 1200-1370 °С. В результате окажется возможным достижение КПД, равного 45%. Важными достоинствами керамических двигателей станет их "всеядность" по отношению к составу топлива, отсутствие необходимости создания системы охлаждения, меньшая инерционность и лучшие экологические параметры. Однако в настоящее время на пути повсеместной замены традиционных материалов керамическими стоит проблема устранения их хрупкости. По мере усугубления сырьевого дефицита задача преодоления этого недостатка керамик становится всё более актуальной и в будущем, несомненно, будет решена.

Источники