*99793*
Транспорт
Д. т.н. наук, проф. В.С.
Кукис1, Харенко И.А.,2д. т.н., проф. Романов В.А.2
1Южно-Уральский
государственный университет,
2ОАО «15
центральный автомобильный ремонтный завод» (Россия)
Поршневые двигатели внутреннего
сгорания
с разделенными процессами сжатия и
расширения
Одним из серьезных недостатков
традиционных поршневых ДВС является то, что в конце процесса расширения,
который обычно называют рабочим ходом, давление продуктов сгорания остается
очень высоким – в 5–6 раз выше атмосферного. На рис. 1 показан рабочий процесс
современного (бескомпрессорного) дизеля e–a–c– z' –z–b–a–e с учетом
основных допущений, характерных для термодинамического цикла с комбинированным
подводом теплоты (процесс сгорания условно заменен совокупность процессов
подвода теплоты по изохоре c–z' и по
изобаре z'–z, процесс
выпуска условно заменен отводом теплоты по изохоре b–a и по
изобаре a–e,
гидравлические потери в процессах газообмена отсутствуют).
Рис. 1. Рабочий процесс
современного дизеля
Следует обратить внимание на то, что при
укороченном сжатии на его организацию требуется затрачивать некоторое
количество энергии (эквивалентное площади под линией a–c).
На рисунке замкнутый процесс a–c–z'–z–b представляет
собой термодинамический цикл современного дизеля. Площадь внутри него
эквивалентна полезной работе этого цикла. Заметим, что площадь под линией a–c соответствует затратам работы на сжатие воздуха перед
впрыскиванием топлива в цилиндр и сгоранием.
Обеспечить полное расширение продуктов
сгорания в цилиндре поршневых двигателей (а значит, и получить дополнительную
полезную работу, эквивалентную площади b–d–a) принципиально невозможно, так как сжатие и расширение
происходят в одном и том же надпоршневом пространстве при перемещении поршня меду
ВМТ и НМТ.
Известны варианты циклов ДВС (циклы
Кристиансена, Миллера, Аткинса), в которых возможно реализовывать продолженное
расширение. Использование двух последних подходов для увеличения КПД двигателя
развивалось в последующих работах другими исследователями [1]. Общим во всех
отмеченных работах является то, что рабочий цикл реализуется в одном рабочем пространстве
и продолженное расширение
обеспечивается укорочением процесса сжатия за счет того, что выпускные
органы закрываются после некоторого перемещения поршня от НМТ к ВМТ (рис. 2).
Рис. 2. Термодинамический цикл с укороченным процессом
сжатия
Иной подход использован в работах [2, 3, 4
и др.]. Характерной особенностью этой группы работ является предложение
осуществлять процессы сжатия и расширения в различных полостях. При этом общая
картина, соответствующая термодинамике процессов в несмотря на разделение
полостей не изменяется и соответствует рис. 2.
Более рациональные решения задачи
разделения процессов сжатия и расширение, на наш взгляд, содержат работы [5, 6
и др.].
На рис. 3 показана принципиальная схема теплосиловой
установки (ТСУ) с разделенными процессами сжатия–расширения и утилизацией
теплоты отработавших газов простого действия [7, 8].
Рис. 3. Принципиальная схема поршневого двигателя
внутреннего
сгорания с разделенными процессами сжатия–расширения и
утилизацией
теплоты отработавших газов простого действия
1 –
кривошипно-шатунный механизм; 2 – поршневая расширительная машин;3 – поршень; 4
– впускной клапан; 5 – выпускной патрубок; 6 – компрессор;7 – двигатель
Стирлинга; 8 – полость для прохода отработавших газов;9 – трубопровод; 10 –
ресивер; 11 – топливопровод; 12 – топливный бак;
13 –
форсунка; 14 – выпускной клапан
Поршневой ДВС, показанный
на рис. 3, работает следующим образом. Когда после завершения процесса сгорания
и рабочего хода поршень начинает перемещаться вверх, открывается выпускной
клапан и продукты сгорания выходят из цилиндра в выпускной трубопровод. Они
нагревают головку двигателя Стирлинга, который выполнен в виде свободнопоршневого
термокомпрессора. Здесь атмосферный воздух сжимается и направляется в ресивер
[9].
В момент, когда поршень начинает
перемещаться сверху вниз, открывается впускной клапан и сжатый воздух поступает
в цилиндр, туда же одновременно через форсунку подается топливо. Топливо
воспламеняется, и дальше все происходит, так как в обычном дизеле. Однако
теперь приводной механизм рассчитывается таким образом, что позволяет увеличивать
объем продуктов сгорания до тех пор, пока давление рабочего тела не снизится до
атмосферного. В результате при расширении получается больше работы, чем в традиционном
поршневом двигателе. Кроме того, для сжатия воздуха энергия не затрачивается –
это сжатие осуществляется в термокомпрессоре за счет утилизации теплоты
отработавших газов. Как видно, теперь почти вся работа расширения (кроме затрат
на выталкивание из цилиндра продуктов сгорания – эквивалентных площади под
линией 1–2 на рис. 4) может быть полезно использована.
Рис. 4. Термодинамический цикл поршневого двигателя
внутреннего
сгорания с разделенными процессами сжатия–расширения и
утилизацией
теплоты отработавших газов
Следует отметить, что рассмотренная
конструкция наряду с очевидными достоинствами обладает и рядом недостатков.
1. Рабочий ход (т. е. перемещение поршня,
обусловливающее производство работы) происходит один раз за полный оборот
коленчатого вала.
2. Двигатель имеет относительно невысокие
удельные массовые показатели, связанные с наличием системы утилизации и
расширительной машины, оборудованной картером и кривошипно-шатунным механизмом.
3. Частота повторения рабочих ходов (а
значит, и вырабатываемой мощности) ограниченна в связи с потенциальной
возможностью разрыва шатуна под действием инерционных нагрузок.
Указанные недостатки отсутствуют у
свободнопоршневого варианта ДВС двойного действия, представляющего собой
линейный генератор электрической энергии (рис. 5) с разделенными процессами
сжатия и расширения [10, 11, 12].
Работает он следующим образом. При
движении поршня-якоря вправо и приближении его к крайнему правому положению, ОГ
из правой полости, образуемой правым днищем поршня-якоря, стенками рабочего
цилиндра и его правой крышкой, через открытый выхлопной клапан 13 по выпускному
патрубку 16 поступают в полость 19, окружающую нагреватель ДС и нагревают его.
Пройдя через полость 19, ОГ выходят в атмосферу через открытый выпускной клапан
20. Мощность, вырабатываемая ДС, используется для сжатия воздуха в компрессоре.
Сжатый и нагретый вследствие этого воздух по трубопроводу 22 подается в
ресивер, откуда по воздухопроводу 15 через впускной клапан 12 поступает в
правую полость, образуемую правым днищем поршня-якоря, стенками рабочего
цилиндра и его правой крышкой. В то же время в эту полость через форсунку 14
впрыскивается топливо, поступающее по топливопроводу 11 из топливного бака.
Поступившее в цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух,
воспламеняется и происходит расширение продуктов сгорания и поршнь-якорь
перемещается влево.
Рис. 4 Принципиальная схема свободнопоршневого
двигателя
внутреннего сгорания с разделенными процессами сжатия–расширения
и утилизацией теплоты отработавших газов двойного действия:
1.20 –
впускные воздухопроводы; 2, 16 – выпускные патрубки;
3, 12 –
впускные клапаны; 4, 14 –форсунки; 5,13 – выхлопные клапаны;
7 –
электрическая обмотка; 8 – топливный бак; 9 – поршень–якорь;
10 – рабочий
цилиндр; 6, 11 – топливопроводы; 17, 20 – выпускные клапаны;
18 –
двигатель Стирлинга; 19 – полость для прохода отработавших газов;
21 –
компрессор; 22 – трубопровод; 23 – ресивер
В
это время из левой полости рабочего цилиндра, образуемой левым днищем поршня-якоря,
стенками цилиндра и его левой крышкой, через открытый выхлопной клапан 5 по
выпускному патрубку 2 ОГ, образовавшиеся в предыдущем цикле, начинают поступать
в полость, окружающую нагреватель ДС. В этот момент выпускной клапан 20
закрывается, а выпускной клапан 17 открывается и отработавшие газы, проходя
через полость 19 и обеспечивая работу ДС, выходят через выпускной клапан 17 в
атмосферу. Двигатель Стирлинга продолжает приводить в действие компрессор. В
момент приближения поршня–якоря к левой крышке рабочего цилиндра открывается впускной
клапан 5, через который по воздухопроводу 1 сжатый горячий воздух поступает в
левую полость, образуемую левым поршня–якоря, стенками рабочего цилиндра и его
левой крышкой. В то же время в эту полость через форсунку 4 впрыскивается
топливо, поступающее по топливопроводу 6 из топливного бака. Поступившее в
цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух, воспламеняется, происходит
расширение продуктов сгорания и поршень–якорь перемещается вправо, после чего
описанный рабочий цикл повторяется.
Возвратно–поступательное
движение поршня-якоря внутри рабочего цилиндра происходит одновременно и внутри
электрической обмоткой, расположенной на его наружной поверхности. В результате
этого в электрической обмотке наводится электродвижущая сила (электрический
ток), который направляется к потребителю энергии.
Рассмотренный поршневой ДВС двойного
действия позволяет:
1. В два раза увеличить вырабатываемую
мощность, так как рабочий ход происходит при каждом перемещении поршня.
2. Повысить мощность теплосиловой
установки (за счет увеличения частоты перемещений поршня) и удельные массовые
показатели в связи с отсутствием кривошипно-шатунного механизма.
3. Исключить необходимость использования
механической трансмиссии для передачи выработанной мощности к месту ее
потребления (поскольку мощность вырабатывается в виде электрической энергии).
В целом ожидаемые достоинства поршневых
ДВС с разделенными процессами сжатия – расширения и утилизацией теплоты
отработавших газов показаны на рис. 5.
Рис. 5. Ожидаемые достоинства поршневых ДВС с
разделенными процессами сжатия – расширения и утилизацией теплоты отработавших
газов
Литература
1.
Автомобильная промышленность США – №1. – 1980. – С. 3–9
2.
Сухов А. Выхлоп чище воздуха / А. Сухов. – За рулем. – №4. – 2001. – С. 11–15.
3.
Перельштейн Б.Х. Способ работы двухтактного
двигателя внутреннего сгорания: / Б.Х. Перельштеин. Патент RU 2136920. 6 F 02 В
41/04. Опубл. 10.09.99. Бюл. №25
4. Перельштейн Б.Х.Новые энергетические
системы. Казань: Изд-в Казанского гос. техню ун-та Монография, 2008. 245 с.
5.
Руднев В.В.,Кукис В.С., Хасанова М.Л.. и.др. Тепловой двигатель с разделенными
процессами газо-парообразования / В.В. Руднев, В.С. Кукис, М.Л. Хасанова и др..
Патент на полезную модель. RU 49114 F01К 7/00. Опубл. 10.11.05. Бюл. №31.
6.
Руднев В.В.,Кукис В.С., Богданов А.И. Хасанова М.Л..и др.. Двигатель с разделенными
процессами газо-парообразования / В.В. Руднев, В.С. Кукис, А.И. Богданов, М.Л.
Хасанова и др.. Патент на полезную модель. RU 27640 F01К 7/00.
Опубл. 10.02.03. Бюл. №4.
7.
Кукис В.С., Попов Ю.Л., Босяков В.П. и.др. Силовая установка с разделенными
процессами сжатия и расширения / В.С. Кукис, Ю.Л. Попов, В.П. Босяков. Патент
на полезную модель. RU 52938 F02B 5/02. Опубл.
27.04.06. Бюл. №12.
8. Кукис В.С., Босяков В.П. и др.
Теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения /
В.С. Кукис, В.П. Босяков. Патент на полезную модель. RU56968 F 02B 41/02. Опубл. 27.09.06. Бюл. № 27
9.
Кукис, В.С. Системно-термодинамические основы применения двигателей Стирлинга
для повышения эффективности силовых и теплоиспользующих установок мобильной
техники: Дис. … д-ра техн. наук / В.С. Кукис. – Челябинск, 1989. – 461 с.
10.
Кукис В.С., Босяков В.П. и др. Силовая установка двойного действия процессами
сжатия и расширения / В.С. Кукис, В.П. Босяков. Патент на полезную модель. RU58622 F 02G 5/02. Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33.
11.
Кукис В.С. Теплосиловые установки с разделенными процессами сжатия–расширения и
утилизацией теплоты отработавших газов / В.С. Кукис, В.П.Босяков. Труды Международного
Форума по проблемам науки, техники и образования. – М: Академия наук о Земле,
2006. – С. 123–126.
12. Кукис В.С., Босяков В.П, Попов Ю.Л. Теплосиловая установка с разделенными процессами сжатия и расширения / Кукис В.С. ,Босяков В.П, Попов Ю.Л. Материалы Юбилейной XLV Международной научной конференции «Достижения науки – агропромышленному производству». Челябинск: ЧГАУ, 2006. – С. 144–147