Эффективность ДВС – повышается тактовой частотой

Глава 1. Показатели эффективности механизма ДВС

Исследовательская деятельность, направленная на повышение эффективности работы того или иного технического устройства, может считаться успешной, когда его разработчик на опыте подтверждает (по принципу «больше/меньше») требуемые ему математические (числовые, цифровые) значения технических показателей, которые характеризуют собой данное устройство. В конечном итоге правильность выбора конкретных числовых значений этих показателей требует подтверждения практикой коммерческой эксплуатации нового варианта исполнения устройства, которое создано на основе проведённых исследований.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) объёмного вытеснения (ОВ) состоит из i-числа одинаковых по конструкции секций программного ползунно-эксцентрикового механизма (ПЭМ). В каждой из секций, внутри её локально замкнутой полости объёмного вытеснения (ПОВ) находится газовая порция, или заряд рабочего тела (ЗРТ). Посредством последовательного увеличения и уменьшения величины (значения) объёма V ЗРТ, в ПОВ секции зарядом воспроизводится открытый четырёхтактный термодинамический цикл (ТДЦ), состоящий из одного производительного такта рабочего хода (ТРХ) и трёх затратных тактов: выпуска, впуска и сжатия, которые все работают за счёт энергии, выработанной в ТРХ. В каждом периодически повторяющемся ТДЦ количество теплоты, подведённой в ТРХ извне к ЗРТ, преобразуется в количество механической работы вращения выходного в ТРХ вала отбора мощности (ВОМ) данного ПЭМ, часть из которого передаётся на соосный с ним вращающийся входной вал механизма нагрузки. Как и любое другое искусственно создаваемое техническое устройство, ПЭМ секции ДВС ОВ, прежде всего, характеризуется числовыми значениями своих технических показателей двух, известных из Философии категорий: субъективной и объективной.

Числовые значения показателей первой категории – так называемых субъективных технических показателей, зависят от субъективного желания изготовителя двигателя и оператора, управляющего двигателем. К ним относятся, во-первых, заранее субъективно задаваемые изготовителем двигателя и неизменяемые впоследствии значения максимального и минимального рабочего объёма полости объёмного вытеснения механизма секции двигателя: V_макс и V_мин. Их взаимозависимость характеризуется величиной отношения: ε = V_макс / V_мин, которое демонстрирует собой степень сжатия (либо расширения после сжатия) объёма V_макс газового заряда рабочего тела, находящегося внутри локально замкнутой ПОВ секции ДВС перед началом такта сжатия.

Во-вторых, субъективным показателем также является результирующая максимальная сила F_макс сильно нагретого газового заряда в начале такта рабочего хода, постоянное значение которой объективно физически определяется значениями массы газа ЗРТ, которым при нормальных атмосферных условиях обладает величиной объёма V_макс, способного сжиматься до значения объёма V_мин, то есть при степени сжатия ε заряда. Поэтому значение силы F_макс нагретого ЗРТ при помощи предельных значений его объёма также субъективно задаёт изготовитель двигателя.

В-третьих, субъективным показателем также является и переменное во времени t значение частоты вращения вала отбора мощности механизма секции ДВС, или числа оборотов этого вала в минуту – n, текущее значение которого субъективно задаётся оператором во время испытания или эксплуатации двигателя. Данное выбранное значение частоты n технически достигается при помощи субъективного изменения оператором соотношения массовой доли топлива, распыленного внутри кратно большей массы воздуха в составе газового ЗРТ, который перед сжиганием этой доли топлива в этом воздухе представляет собой, так называемую газовую топливо-воздушную смесь (ТВС). Показатели соотношения топлива и воздуха в ТВС при конкретном значении объёма ПОВ секции ДВС – V_секции = V_макс, вырабатывают собой в ТРХ конкретное значение силы F_макс нагретого ЗРТ.

При этом числовые значения показателей второй категории – так называемых объективных технических показателей, не зависят от желаний и действий изготовителя или оператора, управляющего двигателем. Поскольку взаимозависимые геометрические размеры и значения технических показателей их отдельных элементов и узлов, а также особенности их расположения и взаимодействия в механизме секции ДВС, определяются его, так называемой кинематической схемой, которую, впрочем, изготовитель тоже субъективно выбирает из имеющегося у него набора известных на момент выбора вариантов исполнения данных схем. Но после того как он выбрал понравившуюся ему кинематическую схему механизма секции ДВС, далее ему предстоит постоянно находиться в рамках тех объективных технических возможностей, которых выбранная им кинематическая схема способна предоставить.

Однако при наличии большого разнообразия и числа подобных кинематических схем механизмов секций четырёхтактных ДВС, к настоящему времени практику широкой коммерческой эксплуатации выдержали и подтвердили только две схемы программного ползунно-эксцентрикового механизма секций с эксцентриковым валом отбора мощности. Одной из них является секция так называемого тронкового поршневого двигателя (ПД), изображённая на рис.1 (она показана без элементов ГРМ), другой – секция роторно-поршневого двигателя (РПД) Ванкеля, показанная на рис.2 (это так называемая эпи-схема).

Рис.1

В результате коммерческой практики использование именно эксцентрикового ползунного механизма для секции ДВС ОВ было обусловлено, по меньшей мере, одним важным свойством эксцентрикового механизма. В данном механизме поверхности трения узлов так называемой силовой цепи секции ДВС, которая находится на транзите силовой передачи механической энергии в пространстве между массой газового заряда рабочего тела и валом отбора мощности, располагаются за пределами горячей полости объёмного вытеснения секции. Это позволяет, без чрезмерного образования нагара и закоксовывания, принудительно и непрерывно смазывать и охлаждать поверхности кинематических пар трения узлов силовой цепи, обеспечивая свободный доступ к ним подведенных извне текучих – жидких или газовых агентов смазки и охлаждения.

Рис.2

Принципиально, механизмы поршневой и роторнно-поршневой секций отличаются одна от другой, прежде всего, геометрической формой, или конфигурацией профиля звеньев их, так называемого узла ползуна (УП), который состоит из двух своих звеньев. Одним из них являются звено направляющей опорной поверхности неподвижного статора – так называемого крейца (маршрута, траектории). Вдоль поверхности крейца без проскальзывания, непрерывно и циклически перемещается механически контактирующее с ним второе и подвижное звено УП – так называемого ползуна (по-немецки – крейцкопфа). При этом в секции ПД геометрическая форма профилей крейца и ползуна является прямолинейной, а в секции РПД – круговой.

К сожалению, кроме этих двух форм профилей, наука Геометрия больше не предоставила нам какой-либо другой возможной формы для крейца и крейцкопфа, которая была бы работоспособна и удобна для изготовления и эксплуатации механизма секции теплового двигателя объёмного вытеснения.

Узел ползуна, является узлом так называемой программной цепи, пространственно расположенной между входным в ТРХ силовым звеном – поршнем или ротором, и неподвижным статором. В каждой из секций любых механизмов ДВС входное в ТРХ его силовое звено всегда опирается на статор через узел ползуна. Программная цепь является так называемой тупиковой цепью, в которой проходящая через неё мизерная доля от общего количества механической энергии ТРХ секции ДВС полностью утилизируется в теплоту нагрева поверхностей трения ползуна и крейца. Поэтому функционально и пространственно данный узел всегда также должен располагаться за пределами силовой цепи, и его кинематические пары тоже должны иметь постоянную возможность для смазки и охлаждения своих поверхностей трения. Однако исторически в коммерческой практике это не всегда получалось.

Именно форма профиля звеньев узла ползуна всегда изначально задаёт собой конструкцию и геометрическую форму профиля подвижных и неподвижных элементов (деталей) кинематической схемы механизма секции ДВС ОВ. Поэтому исторически с начала 19-го века в коммерческой эксплуатации находился так называемый крейцкопфный поршневой двигатель, содержащий механизм секции, в котором оба штатных прямолинейных звена узла ползуна – крейц и крейцкопф, пространственно располагались за пределами горячей полости его рабочего цилиндра – в «холодном» профильном пространстве между этим цилиндром и эксцентриковым валом. Но в конце того же века, в механизме секции ПД вспомогательные (дополнительные) функции звеньев узла ползуна были переданы силовым звеньям его механизма (рис.1).

С тех пор и по настоящее время вспомогательную функцию крейца в секции тронкового ПД стал выполнять полый круговой рабочий цилиндр ПОВ, в котором присутствует горячий (раскалённый) газовый ЗРТ и внутри которого соосно перемещается полый цилиндр поршня (по-французски тронк – это ствол). Вдоль внутренней поверхности рабочего цилиндра, в непрерывном и скользящем контакте с ней соосно, прямолинейно и возвратно-поступательно перемещается ползун скребкового типа, вспомогательную функцию которого, вместо исключенного из механизма крейцкопфа, здесь исполняет верхнее круговое компрессионное кольцо газового уплотнения цилиндрического поршня, которое в 1852 году было предложено Д.Рэмсботтомом. В результате поршень получил в наследство от узла ползуна собственную боковую силу своего торможения непосредственно внутри горячей ПОВ секции ПД. При этом, как и в крейцкопфном варианте исполнения, рабочий цилиндр секции ПД, как и компрессионное кольцо его поршня продолжают выполнять свои штатные силовые функции в ТРХ и в составе механизма тронковой поршневой секции.

В отличие от механизма секции тронкового ПД, в механизме секции РПД Ванкеля (рис.2) звеньями узла ползуна являются специально введённые в его состав для штатного выполнения функций программной цепи УП два плоских диска программных, или синхронизирующих круговых колёс.

Одно из них – это неподвижное круговое колесо меньшего диаметра, которое, является крейцем. Оно жёстко закреплено соосно с валом на внутренней плоскости одной из двух неподвижных плоских крышек статора, которые ограничивают собой овальную по форме полость обечайки внутри её геометрической замкнутой кривой линии эпитрохоиды статора. Второе из них – это подвижное круговое колесо большего диаметра, которое, являясь ползуном, с той же стороны статора соосно и жёстко закреплено на одной плоской крышке призмы ротора, имеющего треугольный профиль геометрической замкнутой кривой линии гипотрохоиды.

Вращаясь на эксцентрике вала относительно своего центра внутри эпитрохоиды статора, при помощи узла ползуна гипотрохоида ротора внутри ПОВ роторной секции создаёт дуговыми профилями своих радиальных граней перемещающиеся в направлении вращения ротора полости переменного объёма относительно неподвижного профиля эпитрохоиды статора в диапазоне значений между V_макс и V_мин. При этом вершины радиальных граней гипотрохоиды подвижного ротора, установленного соосно на эксцентрике эксцентрикового вала (ЭВ), задают собой геометрическую форму профиля эпитрохоиды статора.

Указанные программные колёса располагаются в одной геометрической плоскости сечения, перпендикулярной коренной оси вала. При этом подвижное колесо ротора непрерывно обкатывает собой в одном и том же направлении неподвижное колесо статора. Во избежание проскальзывания текущей радиальной контактной точки касания подвижного кругового ползуна при его качении по радиальной кромке неподвижного кругового крейца, данные программные круговые колёса узла ползуна имеют взаимно сопоставимую зубчатую радиальную кромку, или венец.

В так называемой эпи-схеме, применяемой в секции РПД Ванкеля, крейц имеет меньщий диаметр и внешний венец, а ползун – больший диаметр и внутренний венец (рис.2). Отношение радиусов делительных окружностей ползунных зубчатых колёс статора и ротора составляет, соответственно, 2е : 3е, где е – это эксцентриситет эксцентрика ЭВ. Её ротор и вал вращаются в одну сторону. В так называемой гипо-схеме того же роторного механизма секции ДВС функцию крейца выполняет большее по диаметру колесо, а функцию ползуна – соответственно, меньшее по диаметру колесо узла ползуна, при этом ротор и вал вращаются в разные стороны. В данной монографии гипо-схема не рассматривается и не анализируется.

Успешная коммерческая практика двух указанных известных кинематических схем (рис.1 и рис.2) способствовала тому, что все прочие известные, а также пока ещё неизвестные кинематические схемы механизмов секций ДВС всегда и приоритетно подлежат сравнению со схемами тронкового ПД и РПД Ванкеля. В связи с этим проведём сравнение кинематических схем секций ПД и РПД Ванкеля с трёхгранным ротором, а также предлагаемой здесь для рассмотрения схемой секции нового роторного ползунно-эксцентрикового механизма объёмного вытеснения, так называемого, муфта-роторного двигателя (МРД) с трёхгранным ротором (рис.3).

Рис.3

В кинематических схемах ПД и РПД (рис.1 и рис.2) основой блока подвижных деталей ползунно-эксцентрикового механизма является кривошипный, или эксцентриковый вал (ЭВ).

При этом ПЭМ кинематической схемы МРД с трёхгранным ротором (рис.3) базируется на известном эксцентриковом механизме так называемой цевочной муфты (ЦМ), которая представляет собой единый узел механической передачи, состоящий из трёх своих компонентов: трёхгранного ротора, трёх радиальных эксцентриков и линейного вала. Пространственно внутри и в осевой середине полости ротора на валу соосно и жёстко закреплён плоский круговой диск вала. Профиль трёхгранного ротора секции МРД по форме подобен ротору секции РПД Ванкеля и опирается на статор через такой же по конструкции узел ползуна. Внутри его профиля симметрично относительно оси ротора располагаются три одинаковых по конструкции так называемых радиальных, или лучевых эксцентрика, с эксцентриситетом е.

Каждый из радиальных эксцентриков содержит в себе две взаимно параллельные геометрические óси, в профиле отстоящие одна от другой на расстояние отрезка длиной эксцентриситета е. Вдоль одной из них – своей опорной оси, эксцентрик имеет две соосные крайние шейки подшипниковых опор, а между этими шейками, но вдоль своей другой – эксцентрической оси, располагается средняя, или эксцентрическая шейка ещё одной – средней подшипниковой опоры радиального эксцентрика. При этом крайние шейки эксцентриков располагаются по одной в подшипниковых опорах взаимно оппозитных плоских крышек ротора, а их средние шейки установлены по одной в подшипниковых опорах диска вала. Причём оси крайних шеек радиальных эксцентриков в профиле располагаются в точках пересечения взаимно симметричных геометрических прямых линий трёх лучей, исходящих из центра (коренной оси) крышек статора, с геометрическими линиями взаимно соосных центральных окружностей этих крышек, радиус каждой из которых имеет произвольную длину R. При этом оси средних шеек эксцентриков располагается в точках пересечения трёх центральных лучей и линии центральной окружности диска вала, которая имеет ту же длину R своего радиуса.

Изначально кинематическая схема любого роторного механизма состоит из четырёх своих компонентов. Один из них неподвижен – это статор. Три других всегда подвижны, а если говорить точнее, каждый из них непрерывно вращается относительно своей собственной оси – это вал, ротор и геометрический эксцентриситет е механизма. Но если вал и ротор представляют собой реальные детали механизма, то виртуальный геометрический эксцентриситет е, в нужном по воле конструктора участке механизма, может материально воплощаться такой деталью конструкции, как эксцентрик. Вал и ротор, геометрические óси которых в профиле всегда располагаются на оппозитных концах центрального эксцентриситета е, являются силовыми деталями механизма, поэтому они массивны и обязательно должны иметь подвижную опору на неподвижном статоре. Также вал и ротор опираться друг на друга через подвижную опору, функцию которой выполняет эксцентрик. В связи с этим вал имеет одну опору на статоре через свои коренные подшипники, а также через эксцентрик он имеет вторую опору на роторе. При этом ротор, во-первых, опирается на статор через узел ползуна и через эксцентрик он имеет вторую опору на валу.

В механизме секции РПД Ванкеля (рис.2) эксцентрическая ось круга шейки центрального эксцентрика совпадает с коренной осью вала, которая неподвижна относительно статора. Но при этом в профиле отстоящая от неё на длину эксцентриситета е опорная ось эксцентрика, которая является осью круга диска эксцентрика, тоже принадлежит валу, поскольку этот круговой диск жёстко закреплён на валу. Поэтому эксцентриситет е вынужден вращаться синхронно с валом.

В новом механизме МРД (рис.3), соответственно, по числу граней и вершин профиля ротора, прежде всего, исключительно с целью приемлемой балансировки и надёжности механизма секции, применяются три одинаковых по конструкции радиальных эксцентрика. Также по соображениям надёжности крепления своими крайними шейками опорной оси каждый радиальный эксцентрик установлен в одной из трёх подшипниковых опор, расположенных взаимно симметрично относительно оси ротора на двух оппозитных роторных крышках. А своей средней шейкой он установлен в одной подшипниковой опоре из трёх взаимно симметричных опор плоского кругового диска вала, который расположен внутри полого ротора в среднем вдоль коренной оси сечении вала. В результате при работе механизма все три радиальных эксцентрика вращаются синхронно с виртуальным центральным эксцентриситетом е (рис.3). В такой конструкции ротор и вал постоянно взаимно связаны друг с другом через радиальные эксцентрики цевочной муфты, поэтому они вращаются взаимно синхронно, но при этом и ротор, и вал – каждый из них, вращается относительно своей собственной геометрической оси.

Как известно, благодаря круговому узлу ползуна, в роторном эпи-механизме ротор, независимо от расположения эксцентриков на том или ином звене механизма, всегда вращается медленнее геометрического эксцентриситета е в число раз, которое определяется бóльшим по величине числом в отношении радиусов программных шестерен статора и ротора узла ползуна, например, в соотношении 2е : 3е – это цифра 3. В связи с этим, в секции РПД Ванкеля эксцентриситет е и вал взаимно синхронно вращаются в три раза быстрее, чем ротор. Однако в секции МРД вал вращается синхронно с ротором, поэтому в ней вал, как и ротор, вращается в 3 раза медленнее, чем эксцентриситет е и вал в секции РПД Ванкеля. Поэтому, по сравнению с быстроходным валом секции РПД, тихоходность вала механизма секции МРД, кроме повышения рабочего ресурса нового роторного двигателя, также позволяет существенно упростить конструкцию редуктора коробки передач или даже полностью изъять его из привода от вала двигателя вала механизма нагрузки. При этом кроме особенности синхронного вращения вала и ротора, секция МРД получает также и другие существенные преимущества по отношению не только к секции РПД Ванкеля, но и к секции поршневого двигателя.

Поскольку в цевочной муфте МРД ротор и вал вращаются взаимно синхронно, то в зависимости от направления передачи механической энергии их вращения, они передают между собой взаимно одинаковое значение момента силы М. При этом в такте рабочего хода ТДЦ ЗРТ момент силы передаётся от ротора на вал, а в тактах выпуска, впуска и сжатия момент передаётся от вала на ротор.

Практическая принципиальная разница во взаимодействии подвижных геометрических и механических элементов конструкции механизма, входящих в состав ПЭМ секций ДВС для каждой из рассматриваемых трёх кинематических схем (рис.1, рис.2, рис.3) отображена в таблице №1.

В результате анализа содержимого ячеек таблицы №1 основной вывод состоит в том, что для нас будет энергетически выгоднее, чтобы наибольшей скоростью своего вращения обладал виртуальный подвижный элемент конструкции механизма двигателя – геометрический эксцентриситет е, поскольку он не имеет не только реальной физической и инерционной массы, но и поверхностей трения.

В противном случае, для требуемого оперативного повышения мощности, вырабатываемой валом, нам придётся принудительно добиваться наивысших значений частоты вращательного и возвратно-линейного перемещения реальных и тяжёлых по массе металлических элементов конструкции, таких как вал, ротор и поршень. Причём в данном случае мы будем понимать, что такой крайне невыгодный подход неизбежно приведёт, например, к весьма нежелательному (квадратичному от значений скорости их перемещения) повышению инерционных потерь в кинематических парах двигателя, а также к преодолению нами непростых проблем при достижении приемлемого качества балансировки его механизма.

При этом в каждой из кинематических схем, представленных в таблице №1, существуют, по меньшей мере, три объёктивных показателя, собственные и взаимно непохожие числовые значения каждого из которых в каждой из них всегда остаются неизменными.

Тепловой двигатель, которым является ДВС, по определению, представляет собой преобразователь теплоты в механическую работу. В связи с этим, в нём циклически, то есть программно, происходит преобразование количества теплоты сгорания топлива локально замкнутого объёма газового заряда рабочего тела в составе топливо-воздушной смеси (ТВС) в количество производимой им механической работы его объёмного расширения.

Данное преобразование осуществляется в течение периодически повторяющегося короткого импульса такта рабочего хода (ТРХ), длительность которого ограничена во времени t и который воспроизводится внутри локально замкнутой ПОВ секции. Он начинается от максимального значения силы F_макс раскалённого газового ЗРТ, наступающего условно в момент достижения минимального объёма сжатия – V_мин камеры сгорания секции, и заканчивается при минимальном значении его силы F_мин