В последнее время активно возобновились дискуссии, когда ставятся вопросы повышения КПД двигателей внутреннего сгорания (ДВС), что крайне актуально. Результатом многочисленных экспериментов, проведённых авторским коллективом, было установлено, что коленчатый вал в современном двигателе, а соответственно и вся его агрегатная компоновка (подшипники, шестерни, смазочные каналы) нуждаются в полной замене на более современные агрегаты. Проще говоря, стандартный электромагнитный поршневой двигатель (ЭМПД) работает по двухтактному циклу, имея все недостатки аналогичных двигателей в коленчато-вальном исполнении. Если же ЭМПД доработать и применить к нему принцип двигателя Кушуля то будет наблюдаться повышение мощности, а также экономических свойств ЭМПД.
УДК: 621.1-1/-9
Соискатель: Николай Владимирович Принцев
Целью данного исследования является: разработка наиболее перспективного двигателя для автотракторного парка, а также двигателей для стационарных энергоустановок, при постоянно развивающихся в жестких условиях рынка бортовых энергоустановок.
Введение
В последнее время активно возобновились дискуссии на тему использования нетрадиционных источников энергии. Параллельно ставятся вопросы повышения КПД двигателей внутреннего сгорания (ДВС), что крайне актуально для сельского хозяйства. Особенно остро ставится вопрос о производстве электроэнергии в транспортных энергоустановках для привода колёс. То есть анализируется следующий аспект, чтобы на транспорте вырабатывалась не только механическая энергия, но и электрическая. Общеизвестно, что в середине ХХ века механическая работа была более востребована. Например, когда вывешивали ведущий мост автомобиля и к колесу присоединяли, посредством механической передачи, пильный диск. Это предпринималось для того, чтобы в результате этого несложного приспособления автомобиль выполнял функцию лесопильного оборудования. Так проецировалась в данном случае функция циркулярной пилы. На сегодняшний день наблюдается новая тенденция, обусловленная возрастающими экологическими и экономическими требованиями. Именно поэтому нарастает стремление к электромобилизации автотранспорта. Однако слишком мало внимания уделяется электромобилизации тракторного парка. Автотракторный парк нуждается в осмыслении научных концепций, для создания необходимых предпосылок для улучшения экологических, мощностностных и экономических характеристик. Нуждаются в существенной модернизации энергоустановки, применяемые сегодня на транспорте. Энергоустановки в современном автомобильном и тракторном парке, к сожалению, не обладают набором тех качеств, благодаря которым, энергоустановки на транспорте считались бы основными компонентами в оценке, целиком «организма» (транспорта). Это происходит оттого, что теоретический базис требует пересмотра. Изучение авторами технической литературы и данных некоторых зарубежных лабораторий помогает выявить целый ряд существенных недостатков на стадии конструирования новых моделей.
Постановка вопроса
Развитие франшизы (распространение раскрученной торговой и производственной марки), это путь – «экстеншен». Например, установка гибридного привода в новых автомобилях торговой марки «Лексус» есть не что иное, как повышение выработки механической энергии бортовыми энергоустановками, то есть предлагающийся сейчас на Западе путь «экстеншен». Вместо предлагаемого авторами интенсивного пути развития. Ведь от копирования производства однотипных моделей в разных странах, не происходит технического совершенствования. А именно, не производится концептуальная модернизация самого двигателя. Что должно происходить при рациональном конструировании двигателя? Необходимо увеличивать количество вырабатываемой энергии бортовыми станциями. Сегодня необходимо достигнуть такого технологического явления, когда увеличение числа электро-трансмиссий, устанавливаемых на ряде автомобилей с гибридным приводом, будет выводить на первый план превалирование производства электроэнергии по сравнению с механической. Для этого следует полностью пересматривать концепцию конструирования современных автомобилей. Что сегодня происходит на ведущих автомобильных производствах? Производство автомобилей с гибридным приводом осуществляется на базе серийно производимых узлов и агрегатов аналогичных моделей традиционной сборки (без применения гибридного привода). В связи с чем, преобладает выработка механической энергии по сравнению с выработкой электроэнергии, получаемой за счёт бортовых энергоустановок. Вот поэтому-то и обуславливается необходимость разработки новых видов двигателей, а соответственно, возникает возрастающая потребность формирования принципиально новых концепций в автотракторостроении.
В советский период предпринималось немало творческих усилий для совершенствования двс. Достаточно вспомнить двигатели Кушуля, Баландина, и, несомненно, примечательные опытные образцы Волжского Автомобильного завода (модели с роторнопоршневыми двигателями (РПД)). К сожалению, всем этим моделям не суждено было войти в массовое производство. Не вникая в причины торможения отечественного автопрома зарубежными конкурентами, сегодня приходится констатировать, что многие современные зарубежные «новинки» по уровню технической перспективности значительно отстают от тех опытных образцов. Вернёмся к анализу современных зарубежных брендов. Основной минус заключается в излишней капитализации производства, то есть экономии на научно-исследовательских разработках и испытаниях, что выявляется в следующем. Кинетическая схема современного автомобиля с гибридным приводом на примере «Лексуса» выглядит так. Возвратно-поступательное движение поршней ДВС превращается во вращательное движение за счёт коленчатого вала. Далее вращательное движение через фрикционную муфту передаётся на электрогенератор. Научный анализ позволяет выявить комплекс проблем, заключающихся в том, что нецелесообразно тратить энергию не экономичным способом, ввиду потерь механической энергии на трение. В подшипниках коленчатого вала, подшипниках стартер - генератора происходят потери, что не анализируется с точки зрения трибометрии, исходя из научной трактовки, представленной учёным из С-Пб, канд. техн. наук – Герасимовым С.Б.. Массивность подшипников не анализируется на современном этапе, как с позиций гравитационных теорий, так и рациональности компонентной схемы. Экологическая составляющая заставляет задумываться о жёсткой доказательности применения определённого комплекта деталей или возможного рационального сокращения промежуточных звеньев в энергетическом комплексе автомобиля. Таким образом, приходится констатировать, что «незыблемость» компоновочной схемы отнюдь не соответствует безусловной постулизации, основываясь на комплексном научном подходе.
Пути достижения
Если путём изменения компоновки можно усовершенствовать ДВС, то каким путём следует идти? Целесообразно применить концепцию наименьшего трения, для чего можно изменить конфигурацию двигателя. Но этого мало. Предстоит к тому же модернизировать системность подхода. В последние годы остро поднимаются вопросы не только о повышении КПД ДВС, но о снижении массы энергоустановок (ЭУ), так например двигатель TSI есть ничто иное, как повышение КПД и при одновременном снижения массы ЭУ, что особенно важно. Так, например такого рода повышение мощности имеет ряд преимуществ: 1. повышение мощности; 2. повышение экономических свойств; 3. решение проблем «провалов» происходящих при переходе с одного режима на другой. Но подобного рода, как и другие технологии имеют характерные недостатки, а именно повышенные потери на трение, возникающие из-за того, что на данный момент в производстве нет ДВС, способного заменить традиционный двигатель, так как стандартный ДВС применяется и для гибридных автомобилей, а также других ЭУ. Принципиально каждый ДВС стандартной конструкции имеет ряд недостатков при установке на автомобиль с электро-трансмиссией такие как: а) увеличенная масса ДВС из-за приспособления ДВС под стандартную конструкцию АМ с механической КПП (коробкой переключения передач); б) слабая приспособленность к «местным» топливам; в) сложность в обслуживании КШМ (кривошипно-шатунного механизма).
Так, например, каждое сочленение посредством трущихся пар снижает надёжность двигателя, а значит и всей машины в целом, помимо этого для ремонта ДВС необходимо применять целый ряд громоздкого и дорогостоящего оборудования, что особенно не приемлемо для решения вопросов поломок вдали от ремонтных мастерских.
этап первый
Итак, на первом этапе авторских разработок было решено остановиться на адаптации стандартного ДВС под требования электромобилей и гибридомобилей, таким образом получился ЭМПД, который будет рассмотрен для ознакомления.
Результатом многочисленных экспериментов, проведённых авторским коллективом, было установлено, что коленчатый вал в современном двигателе, а соответственно, и вся его агрегатная компоновка (подшипники, шестерни, смазочные каналы) нуждаются в полной замене на более современные агрегаты.
На чём же было сконцентрировано внимание исследователей? Было предложено применение мощных электромагнитов. Подразумевается, что одновременно будут установлены электромагниты в качестве статора и постоянные магниты в качестве якорей. Рассмотрим действие предлагаемого электромагнитного поршневого двигателя (эмпд). Подразумевается, что двигатель будет двухтактным.
Описание первого такта. Через впускной клапан 1 поступает топливная смесь в цилиндр 2. Далее поршнем 3 сжимается топливная смесь под действием толкателя 4, который жёстко связан с постоянным магнитом 5, находящимся в действии электромагнитного поля, создаваемого обмоткой 6 статора. При завершении такта впускной клапан закрывается. Это мы рассматривали пуск двигателя, а если ЭМПД уже пущен, то при впуске топлива открыто и выпускное окно 7 для удаления продуктов горения из цилиндра.
Описание второго такта. Затем происходит сжатие топливной смеси с последующим воспламенением смеси посредством свечи 8. После этого осуществляется рабочий ход. После завершения рабочего хода открывается выпускное окно 7. Сжатие и рабочий ход происходят при закрытых клапанах.
Одновременно с рабочим ходом возникает сжатие в противоположном цилиндре 9, тогда как при расширении рабочего тела в цилиндре 9, в цилиндре 2 происходит сжатие.
Данная синергетическая компоновка позволяет нам максимально использовать инерциальную зависимость деталей двигателя, что выражается в функциональном применении мотивировочной концепции конструирования, что наглядно подтверждается на представленном эскизе (рис.1). Конспективное ознакомление с исследовательской доктриной, помогает представить авторам следующий этап эксперимента в соответствии с регламентируемыми аргументами.
этап второй
На втором этапе авторских исследований было предложено остановить внимание, на усовершенствовании ДВС Кушуля в результате исследований были поставлены и сформулированы следующие вопросы:
1.Можно ли переформировать ДВС Кушуля под двухтактный цикл?
2.Можно ли переформатировать ДВС Кушуля для работы без коленчатого вала?
3.Можно ли в ДВС Кушуля осуществить его работу по принципу ЭМПД?
В результате долгой проработки было выяснено, что получить ответ на каждый вопрос отдельно не представляется возможным, но можно ответить на все поставленные вопросы сразу, объединив все в одном агрегате. Было решено пройти путь Кушуля, но начать не с обычного ДВС, а с ЭМПД, что позволило улучшить процессы, протекающие при сгорании топлив. Как общеизвестно, что при работе двухтактного ДВС топливо сгорает не в полной мере, поэтому и было решено ЭМПД, работающий по двухтактному циклу, переоборудовать под наиболее экономичный вариант. ЭМПД не имеет возможности перехода под четырехтактный цикл, поэтому и был выбран принцип Кушуля.
Принцип работы ЭМПД по принципу Кушуля (ЭМПДК) рис.№2:
Первый такт: обогащенная смесь поступает через впускное окно 1 в цилиндр и сжимается поршнем 9 и в конце сжатия она воспламеняется свечой 8, обогащенная смесь очень плавно сгорает не полностью. Одновременно с движением поршня 9 вниз поршень 10 движется вверх, сжимая воздух или пар параллельно с вытеснением отработавших газов.
Второй такт: при дальнейшем движении поршня 9 вниз открывается перепускной канал 13, в результате чего горячий воздух из цилиндра 10 смешивается с недогоревшей смесью из цилиндра 9, в связи с чем происходит догорание топлива за счет чего оба поршня движутся вниз.
Конечно же, для такого рода двигателей необходимо наличие наддува, а также необходима тщательная настройка двигателя.
Обоснование технической аргументации
Обеспечение технической параметризации поршневой группы и газораспределительной системы не является эвристическими характеристиками данной конструкции, поэтому акцентирование на данных аспектах не предполагается представлять в рамках широкого рассмотрения.
У данного двигателя есть ряд технических особенностей, в связи с чем, необходимо изменить конструкцию систем ЭМПД. Следует пояснить. Время горения топливной смеси в цилиндре составляет приблизительно 0,002 – 0,003 секунды, в зависимости от вида топлива, именно поэтому в двигателях с коленчатым валом топливная смесь должна сгореть сразу после прихода поршня в ВМТ (верхнюю мёртвую точку). Поэтому искра для воспламенения заряда должна прийти несколько заранее до прихода поршня в ВМТ или одновременно с ним. В авторском двигателе не оспаривается факт опережения зажигания до ВМТ, но авторы обращают внимание на то, что зажигание должно произойти строго до ВМТ. С одной стороны это недостаток предлагаемой системы. Но недостатком может считаться на первый, поверхностный взгляд на новый агрегат. Поскольку в этом заключается и преимущество. В чём же заключается преимущество? Мы можем вводить гибкий режим работы ДВС, что ранее невозможно было регламентировать ввиду жёсткого скрепления с коленчатым валом. Именно поэтому сам коленчатый вал авторы в своей концепции рассматривали как элемент необоснованной регламентации параметров двигателя. Данная модель может обеспечивать изменение степени сжатия в условиях опережения и запаздывания зажигания. Соответственно, когда зажигание будет ранним, то степень сжатия будет малой, если зажигание будет поздним, то поршень успеет максимально плотно подойти к головке блока цилиндров, что обеспечит максимальную степень сжатия. В целях избежания соприкосновения поршня с головкой цилиндров, следует установить упор. В идеале упор можно было бы не устанавливать, но авторы предполагают, что не в условиях опытного образца, а массового производства могут возникнуть нештатные ситуации, учитывая некоторые случаи (аварийный выход системы зажигания из строя, системы питания, недостаточный навык пользователя, повреждение силовой обмотки статора и т.д.).
Заключение
Данная энергетическая установка является более перспективной по сравнению с ныне действующими зарубежными аналогами, преобразующими топливо в электроэнергию. Если сравнить с водородной установкой, у которой на прогрев уходит более 5 минут, то авторская модель может выходить на заданный режим нагрузки и без прогрева, что особенно важно для автомобилей служб экстренного назначения, где быстрота очень важна. Поэтому электромобили «Скорой помощи», МЧС, полиции, оборудованные данной установкой вполне, будут оправдывать своё предназначение.
Выводы:
1.Облегчается масса двигателя за счёт отказа от излишних агрегатов.
2.Уменьшается расход энергии, затрачиваемой на трение.
3.Увеличение КПД ЭМПД на 10-15%.
4.Экономия материала.
Литература:
1.«Технический регламент о безопасности машин и оборудования» Постановление Правительства РФ №753 от 15.09.2009г.
2.«О теплоснабжении» ФЗ№190 от 27.07.2010г.
3.О.И. Жегалин Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей // Москва, «Машиностроение» 1979 г.
4.Л.С. Понтрягин Метод координат // Москва «Наука» главная ред-ция физ.-мат. Лит-ры
5. Каталог тракторы «Беларусь», «ЮМЗ – 6КЛ», «ЮМЗ – 6КМ» // Трактороэкспорт 1990 г. М-ва
6. //
7.Государственный доклад МЧС России // О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2002 г.// МВИНИТИ 2003г. Вып.5 стр. 3-185
8.В.А. Долецкий, М.А. Григорьев // Конструкторско-технологические методы обеспечения надёжности двигателей // Изд-во стандартов Москва 1973г. 60с.
источник: газета "Поддержка Президентских реформ"
Оценили 6 человек
10 кармы