Создаем новую конструкцию ДВС. Первый вариант: развитие двухтактного двигателя. Последнее изменение: [ 21.11.02 г.]

Главная страница Статьи и разработки Рисунки и чертежи

Свободные рассуждения по поводу развития конструкции двигателя. По всей видимости новый двигатель удалось придумать (возможно не совсем новый, но все таки). Некоторые отличительные особенности, достоинства и недостатки приведены здесь, на отдельной странице.

Оширов В. 16.09.02 г

Рассмотрим обычный 4х тактный двигатель внутреннего сгорания. Конструкция обычная, широко распространенная.   Основные недостатки: сложная конструкция, большие внутренние потери, несовершенный термодинамический цикл. С целью упрощения конструкции и снижения внутренних потерь почти в два раза преобразуем его в 2х тактный. Что бы сохранить достоинства 4х тактного ДВС, не изменяем конструкцию картера, и почти пока не изменяем впускную систему, т.е. оставляя 1 или 2 впускных клапана. Какой двигатель получается в данном случае? Да необходимо добавить нужный в данном случае нагнетатель воздуха, т.е. турбокомпрессор (для улучшения продувки). Теперь мы получаем несколько усложненный 2х тактный двигатель со всеми достоинствами 4х тактного и с пониженными почти в 2 раза внутренними потерями. Осталось доработать систему топливоподачи, добавить управление впускными клапанами, вклеить в конструкцию нагнетатель и более менее приличный двигатель готов. Попробуем анализировать конструкцию подробнее.   Систему управления топливоподачей необходимо рассматривать совместно с управлением впускными клапанами. Желательно наличие, как минимум 2 впускных клапанов с различным законом открытия и возможно разного диаметра. При этом первый впускной клапан (№1) преимущественно подает сжатый воздух, расположен ближе к внешней образующей цилиндра и канал его расположен под острым углом к торцу цилиндра и почти перпендикулярен радиусу цилиндра. Поток клапана №1 образует спиральное движение вдоль стенки цилиндра. Открытие клапана №1 происходит раньше клапана №2 на регулируемую величину (К). Клапан №2 может быть меньшего диаметра, расположен ближе к оси цилиндра и управляет преимущественно потоком топливовоздушной смеси, по закону отличному от клапана №1. Подобная конструкция впускной системы может обеспечить близкое к оптимальному объемное распределение состава топливовоздушной смеси на средних и максимальных режимах. Необходимо учитывать, что впускной канал клапана №2 должен иметь высокую температуру с целью увеличения энергии активации паров топлива.   Проанализируем данную впускную систему. Она может создать оптимальное распределение качественного состава топливовоздушной смеси на момент подачи искры. Это даст некоторую экономию топлива, снизит токсичность выхлопных газов. По всей привлекательности подобной схемы, ей присущи и недостатки: сложность, небольшой ресурс клапанов и форсунок, достаточная мощность на привод этих вспомогательных систем и т.д. Но самое главное, что она не глубоко изменяет основные характеристики термодинамического цикла и также общие условия горения топливного заряда. Что имеется в виду? Топливный заряд горит следующим образом: вначале в процессе своего сжатия, и затем расширения; а заключительный этап пристеночного догорания обычно не может дойти до конца, по причине снижения температуры и резкого снижения скорости горения перед началом открытия выпускных клапанов. Дополнительно в процессе расширения происходит, не только снижение температуры заряда, но и уменьшение плотности – все это не дает возможности полностью завершиться процессам горения. Это одна из причин, что выхлопные газы имеют повышенную токсичность, и возникает необходимость в их очистке, которая достаточно дорога и не всегда эффективна. Где же выход?   А выход существует, и он достаточно простой и эффективный. Главный принцип предлагаемого процесса: горение топливного заряда должно происходить в условиях постоянного объема, т.е. в сжатом виде, в замкнутом пространстве и достаточное время. В данном случае изохорные условия создают почти идеальные условия горения заряда и накапливания внутренней энергии газа, процессы идут до конца, состав смеси может быть предельно обедненный, а степень сжатия достаточно большой, т.к. камера сгорания имеет простую сферическую (или цилиндрическую) форму и температура в ней почти равномерна. Степень сжатия допустима большая; т.к. камера сгорания имеет простую сферическую форму и температура в ней относительно равномерна и условия возникновения детонации крайне малы. После открытия канала выпуска, т.е. соединения камеры сгорания с полостью цилиндра, произойдет перемешивание с остаточными газами и окончательное формирование состава выхлопа. Возможно, в тонкостях химических процессов я оказался не точен, но суть процессов такова. Дополнительные возможности раскрывает применение в данном случае и дизельного режима воспламенения. Камера сгорания может иметь специальное керамическое покрытие, исключающее значительные потери тепла и облегчающая условия смазки. Это общие черты и еще не все достоинства данного варианта исполнения ДВС. Ниже в общих чертах описана подобная впускная система, совмещенная с камерами сгорания.   Поскольку быстродействие обычных клапанов оставляет желать лучшего, да и ресурс их не велик; а при двухтактном исполнении инерционные нагрузки увеличиваются (частота увеличивается в два раза), следовательно, попробуем подобрать другой регулятор. Поскольку максимальные обороты желательно иметь очень большие, по всей видимости, придется дорабатывать и систему топливоподачи. Форсунки на больших частотах работать не смогут, да и условия работы для них крайне неблагоприятные. Изменяем впускную систему. Очень заманчиво использовать в данном случае измененный золотниковый клапан. По всей видимости, оптимальная форма его будет близка к шару. Да, именно шар с внутренней полостью и выходными отверстиями. Шаровой клапан может совершать как круговые движения, так и более сложные. Герметичность обеспечивается качеством изготовления, динамические и ударные нагрузки отсутствуют. Шар просто вращается, отверстия периодически совмещаются, впуская и выпуская рабочие газы. Попутно возникает идея использовать внутреннюю полость, как камеру сгорания.Т.е. свободного объема при положении поршня в ВМТ, кроме внешних камер сгорания в цилиндре нет. И это открывает новые перспективы: постоянство объема, исключается детонация, оптимальные условия горения отсутствие токсичности, и самое главное возможность достижения высокого КПД и резкого снижения нагрузок на КШМ. Интересно получается, тактность двигателя получается комбинированной, т.е. давления одной дозы сгоревшей топливной смеси (на малых нагрузках) может хватать на несколько рабочих ходов поршня. Конечно, возникнут проблемы с топливоподачей, инициализацией горения и управлением шаровым клапаном, но их, наверное, можно решить при современном уровне техники. Зато, какая получится экономичность. Кстати и смазка поршня значительно улучшается. Работа двигателя отдаленно напоминает соревнование Шелл по экономичности, когда ДВС работает на дистанции всего несколько секунд, а дальше транспортное средство движется по инерции. На этих соревнования на 1 литре проходят фантастические дистанции. Идеальный, не единственный вариант использовать две подобные камеры сгорания на один цилиндр. Тогда время изохорного горения близко к полному циклу ДВС, при двухтактной работе поршня. Следует отметить, что ДВС работает равномерно, без ударов и шума; не имеет клапанов, их привода; который довольно капризен и требует либо регулировки, либо при наличии гидрокомпенсаторов обладает повышенной инерцией; и не менее важно, что практически отпадает надобность в настройке и управлении таким параметром как опережение зажигания или угол подачи топлива.. Оптимальные настройки закладываются при изготовлении и не изменяются, как в процессе эксплуатации, так и в зависимости от нагрузки и оборотов. Главная особенность конструкции: выделенные из внутри цилиндрического объема, вращающиеся камеры сгорания, играющие попутную роль золотниковых клапанов. Термодинамический цикл нового ДВС резко изменился в сторону оптимального. Максимальное давление газов всегда образуется при оптимальном угле КШМ, при этом в положении ВМТ давление мало, т.е. отсутствует холостая нагрузка, что снижает внутренние потери и динамические усилия на детали КШМ. С некоторой осторожностью можно сказать, что это действительно новое исполнение ДВС. Если я ошибаюсь, пусть меня поправят специалисты. Достоинства и недостатки данного двигателя приведены здесь, на отдельной странице.   Схематический рисунок нового ДВС. (Показана одна камера сгорания.)   К сожалению вынужден признать, что подобная конструкция двигателя не является совсем новой. Сходная по принципу конструкция разрабатывается немецкой фирмой "Диро". Ссылка на сайт фирмы "Диро"    Один из перспективных вариантов использования.   Особенно хочется отметить идеальные возможности двигателя с подобными вращающимися камерами сгорания при использовании его в виде химического (плазмохимического) реактора. В данном варианте дизель - реактора можно как уничтожать любые вредные и ядовитые вещества, так и превращать природный газ в жидкое топливо. Причем для подобного использования данный вариант двигателя подходит несравнимо лучше, чем используемые после доработки обычные дизельные агрегаты. Продолжение главы . . .   Сделаем попытку увеличить ресурс ДДВС путем изменения смазки ЦПГ. С этой целью изменим расположение и форму поршневых колец на цилиндре. Верхнее кольцо обычное компрессионное; следующие кольцо с промежуточной функцией между маслосъемным и компрессионным, т.е. стабилизирующее. Затем на поршне следует небольшой промежуток и нижнее стабилизирующее кольцо. По периметру данного промежутка и происходит дозированная подача масла через шатун и поршневой палец (один из вариантов). Необходимо еще исключить утрату масла через выхлопные окна.   Примечание. Текст ниже не относится к бесклапанному исполнению ДВС с двумя камерами сгорания.   Выпускные окна располагаются в нижней части цилиндра; их два и расположены они по обе стороны цилиндра с выпускными каналами, отводящими газы по касательной к образующей цилиндра на обе стороны блока. Два собирательных выпускных коллектора соединяются вместе через резонатор с целью уменьшения звука выхлопа. Направление выпускных каналов как бы продолжает спиральное движение поступающего потока.   Устойчивую работу на ХХ и малых нагрузках должны обеспечить следующие мероприятия: подача богатой топливной смеси (предпочтительно газовой) через клапан №2 меньшего диаметра и воздуха через клапан №1 большего диаметра; различные законы открытия и закрытия клапанов; постоянно включенный привод нагнетателя; правильным выбором места расположения свечи зажигания; максимально допустимой степенью сжатия (для газового топлива). Возможно применение конструкции ДДВС с дополнительным непосредственным впрыском небольшой запальной порции жидкого топлива. Доза непосредственного впрыска должна быть почти фиксированной для простоты конструкции и управления.   Редакция текста продолжается.

Упрощаем конструкцию ДВС. Второй вариант.  Вихревой молекулярно - кинетический двигатель "Торнадо".

Оширов В. 20.11.02 г

Рассмотрим обычный 4 - тактный двигатель внутреннего сгорания. Конструкция обычная, широко распространенная. Недостатки: большие внутренние потери, сложная конструкция. Удаляем из конструкции кривошипно-шатунный механизм. Что бы передать движение поршня на выходной вал воспользуемся жидкой средой. Она не сжимается, не ограничивает движение поршня (любая степень сжатия), поршень начинает двигаться строго прямолинейно. Недостатки: внутренние гидродинамические потери в жидкости, сложная конструкция уплотнения поршня. Убираем поршень и жидкость. Остается одна камера сгорания. Осталось решить вопрос: как передать энергию горения топлива на выходной вал. Воспользуемся трех ступенчатой низкооборотной турбиной. На одном валу сидят 3 колеса (роторы турбины) разного диаметра и сечения. Первый ротор большого диаметра, но с малой площадью лопаток; последующие с уменьшением диаметра и увеличением площади лопаток. Недостатки: сложная подача топлива и окислителя, высокая температура в камере сгорания и на первой ступени турбины. Но температуру использовать для подогрева топлива, воздуха и для вспомогательных целей. Достоинства: высокий КПД, простая конструкция, надежность. Да необходимо добавить аналогичный по конструкции нагнетатель воздуха (турбокомпрессор).   Самое сложное в данной конструкции правильная форма и сечение турбин (роторов и статоров). Хотя в принципе ничего особенного в них нет. Дальнейшее развитие.   Вдумается глубже в процесс преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Когда мы сжигаем топливо, то увеличиваем в конечном итоге хаотическое тепловое движение молекул рабочей среды. Но использование хаотического теплового молекулярного движения крайне не эффективно, не говоря уже о самом примитивном принципе преобразования энергии в данном процессе. По всей видимости, значительно эффективнее использовать направленное тепловое молекулярное движение. Некоторые теоретические вопросы, касающиеся молекулярного движения, описаны в статье: О вихревом движении и температуре воздуха (газа). К сожалению, это новая развивающаяся тема и поэтому материалы имеют незаконченный вид.   Природа уже давно использует молекулярно - кинетическую энергию воздуха, использует в разрушительных целях, поскольку это самопроизвольно возникающий вихрь – смерч или торнадо. Наша задача использовать подобное явление в созидательных целях. Само по себе вихревое движение не до конца изучено и имеет характерные особенности, отчасти объясненные в статье о вихревом движении. Вихрь торнадо достаточно сложен, поскольку это природное явление, возникающее самопроизвольно, обладающее механизмом само поддержки и до конца не изученное.   Рукотворный торнадо гораздо проще, поскольку условия возникновения и поддержки принудительные. Эффективная мощность регулируется необходимой потребностью и размерами установки. Вихревой молекулярно – кинетический двигатель "Торнадо" после выхода на рабочий режим не потребляет, а вырабатывает энергию, небольшая необходимая мощность для регулирования и поддержки заданного рабочего режима, вырабатывается вспомогательным генератором. Кроме электрической или механической энергии "Торнадо" производит разделение воздушной рабочей среды на охлажденную и подогретую, никакого дополнительного влияния на окружающую среду не производит, т.е. является полностью экологически чистым двигателем.   Описание установки не приводится, поскольку производится ее патентование.      Краткое описание на другой странице, см. Вихревой молекулярно – кинетический двигатель "Торнадо"

Выводы и комментарии.

Автор

Проверка текста

Рисунки и чертежи