Формирование облика и создание демонстрационного двигателя внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами

Исследование посвящено схеме ДВС, с альтернативным криво-шипно-шатунному1 механизму (КШМ), механизмом преобразования энергии газов в работу на валу. Данная тема предлагает сформировать облик ДВС, в котором используется кинематическая схема с качающимися рабочими органами (КРО), и такое решение требует подробного пояснения.

Принципиальное отличие ДВС с КРО от поршневого двигателя с классическим КШМ в том, что поршень совершает возвратно-вращательное движение и функционально исключен из кинематической цепи механизма. Поясню фразу «функциональное исключение поршня из кинематической цепи»: в ДВС с КШМ поршень является звеном механизма — ползуном, т. е. без него механизм не будет существовать, а в ДВС с КРО механизм будет существовать и без поршня. Поршень в ДВС с КРО является конструктивным элементом, воспринимающим давление газа, а для преобразования его в механическую работу поршень жестко связан с качающимся звеном преобразующего механизма.

Как будет показано ниже, возвратно-вращательное движение поршня и снятие с него функции звена механизма дает конструктору большую по сравнению с КШМ свободу в проектировании двигателя и его рабочего цикла.

Актуальность темы

определена тремя основными тезисами:

1. Свобода в проектировании рабочего цикла двигателя с КРО позволяет повысить наполнение и приблизить процесс сго.

1 Обозначение механизма применяемое двигателистами. В терминологии РАН установлено наименование «кривошипно-ползунный механизм».

2 Обозначение в соответствии с международной патентной классификацией. рания к подводу тепла при постоянном объеме и тем самым получить максимальные мощность, экономичность и к.п.д. рабочего цикла.

2. Функциональное исключение поршня из кинематической цепи преобразующего механизма позволяет создать конструкцию с высоким механическим к.п.д.

3. В сравнении с двигателями, использующими кривошипно-шатунный механизм с возвратно-поступательным движением ведущего звена, схема ДВС с КРО позволяет применять решения, более эффективно использующие объем и массу конструкции, т. е. снижающие удельную массу двигателя.

Тезис № 1 Подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров и ряд других изделий в качестве механизма преобразующего движение поршня во вращение выходного вала использует кривошипно-шатунный механизм. Известны альтернативные механизмы: механизм П. Л. Чебышева [42, С. 19], механизм С. С. Баландина [42, С.22], крейцкопфный механизм, двигатель Ф. Ванкеля [4] и другие механизмы, использующие различные комбинации шатунов, рычагов, кривошипов, ползунов и зубчатых передач. На базе этих механизмов создано и создается вновь небольшое, по сравнению с двигателями с КШМ, количество ДВС и других изделий. Закон движения поршня в центральном КШМ, для упрощения получения законов скорости и ускорения поршня, описывается разложением его точной, полученной из геометрических соотношений, функции в сокращенный до двух членов биномиальный ряд [8]. Разложение реальных функций по биному Ньютона при расчетах без использования быстродействующих персональных компьютеров обеспечило простоту вычислений при допустимой потере точности.

Простота расчета и конструкции центрального КШМ предопределили конструктивный облик современного двигателя внутреннего сгорания.

Для двигателей с возвратно-вращательным движением поршня нет такого как для ДВС с КШМ приспособленного к расчету цикла и отработанного на практике описания механизма.

Двигатель с качающимися рабочими органами имеет сложную по сравнению с применяемой для описания КШМ математическую модель кинематической схемы. Сложность заключается в том, что алгоритм определения закона движения рабочего органа описывается рядом промежуточных функций и имеет логические ветвления.

Одним из основных результатов данной работы является разработанное автором универсальное аналитическое описание кинематики.

Рис. 1. Сравнение законов изменения объема двигателей с КШМ и с КРО при степени сжатия 9.5. Залитая область под кривыми изменения объема демонстрирует различие в длительности одинакового изменения объема. механизма ДВС с КРО. На основе разработанного аналитического описания механизма выполнено сравнение законов изменения объема двигателей с КШМ и с КРО (рис. 1).

На рисунке представлены КШМ с кинематическим соотношением X = 1/3,5 и вариант механизма с КРО с одинаковыми рабочими объемами и площадью поршня. Из представленных на тактах сжатия и расширения законов изменения объема видна большая для механизма с КРО продолжительность изменения объема от 2'УС (Уа — полный объем рабочей полости) до объема камеры сгорания Ус в в.м.т. и обратно к 2'УС, а также видна несимметричность закона механизма с КРО относительно в.м.т. Причем в указанном диапазоне изменения объема 2'УС~-Ус—-2'УС соотношение углов поворота вала составило для КШМ и механизма с КРО соответственно 69: 94 = 1:1,362.

Как известно наибольшие экономичность и к.п.д. достигаются при теоретическом цикле с подводом тепла при постоянном объеме. Сравнение наглядно демонстрирует в ДВС с КРО замедление изменения объема рабочей полости приходящееся на момент протекания процесса сгорания. Значит, подобный механизм при такой же степени сжатия обеспечивает приближение процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме и, следовательно, обеспечивает большую термодинамическую эффективность двигателя. Результаты расчетного термодинамического сравнения четырехтактных двигателей с электрическим зажиганием, равными рабочим объемом, степенью сжатия и площадью поршня представлены во 2-й главе. Методику и подробные результаты сравнения можно найти в депонированной в ВИНИТИ статье автора [17]. Также в статье [17] приведен пример расчета термического к.п.д. теоретических циклов при постоянных степени сжатия и количестве подводимого тепла к единице массы рабочего тела, но при изменении доли тепла подводимой при постоянном объеме по отношению к доли подводимой при постоянном давлении. Расчет демонстрирует достижение максимального термического к.п.д. в цикле с подводом всего тепла при У=соп51.

В мировой практике совершенствование ДВС ведется по нескольким направлениям [12]. Рассматриваемая в настоящей работе схема двигателя из известного ряда направлений совершенствования поршневых ДВС, кроме указанного выше повышения термодинамической эффективности, ориентирована на снижение уровня механических потерь и снижение удельной массы двигателя. Эти параметры взаимосвязаны, но их величина зависит от различных факторов.

В основном, в данной работе ДВС с КРО сравнивается с ДВС с КШМ и периодически приводятся сравнения с другими преобразующими механизмами.

Тезис № 2 можно аргументировать следующим. В кинематической схеме ДВС с кривошипно-шатунным механизмом цилиндр и поршень являются поступательной кинематической парой замыкающей кинематическую цепь механизма. В кривошипно-шатунном механизме, при движении поршня, шатун отклоняется от оси цилиндра, при этом от нормального давления боковой поверхности поршня на стенку цилиндра возникает боковая сила. Известно, что подавляющую долю 40. .50% от общих затрат механической энергии составляют механические потери в цилиндропоршневой группе, а в современных гоночных двигателях эти потери трения поршня и колец достигают более 60%. В трудах Б. С. Стечкина [38] используются следующие данные: из всей индикаторной работы полученной в цикле 1,5.2% расходуется на насосные ходы, 2. .3% на привод агрегатов, 5. .6% на трение поршня и в подшипниках и пр., всего 9.13%. Важные данные по распределению механических потерь приведенные в [6], для двигателя автомобиля «Москвич» отображены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что на режимах близких к холостому ходу потери от трения поршневых колец составляют 53% и от трения юбки поршня 13%. Однако на режимах > 3500 об/мин трение юбки поршня уже превышает трение колец и на 3800 об/мин составляет 23% и 21% соответственно. Вероятно, это можно объяснить близким к граничному характером трения поршня, как на основе опытных данных показано в [34]. Суммарно потери трения поршня и колец составляют основную долю механических потерь, и в приведенном примере изменяются от 66% на низких оборотах до 44% на среднем скоростном режиме.

Создание большей части механического сопротивления трением поршня и его уплотнений обусловлено неблагоприятными условиями смазки и трения: реверсивным характером движения поршня и колец в цилиндре, высокими температурами и дефицитом смазочного материала в зазорах, высокими силовыми нагрузками, приложенными к деталям [23].

На рис. 2 представлено снижение доли терния вносимой уплотнениями и рост долей вносимых другими источниками трения. Сила трения уплотнений зависит от усилия поджатая и газовой нагрузки дающей дополнительной прижатие. С увеличением частоты вращения сила прижатия не меняется, а газовая нагрузка в зависимости от фаз газораспределения может уменьшаться пропорционально квадрату скорости прохождения свежей смеси через сечение впускных клапанов. Следовательно, сила трения уплотнений при повышении час 50.

Ш) 30 го ю 3.

1 ¦-5.

6 — 6 тн.

Рис. 2. Доля основных составляющих (в процентах) механических потерь двигателя работающего с полной нагрузкой:

1 — насосные потери- 2 — юбки поршней;

3 — поршневые кольца- 4 — коренные подшипники- 5 — шатунные подшипники- 6 — привод водяного насоса. тоты вращения остается постоянной или незначительно снижается. Сила трения юбки поршня — боковая сила зависит от угла качания шатуна (т.е. кинематического соотношения X = Я /Ь) и суммы газовой и инерционной сил действующих на поршень. Изменение газовой силы при повышении частоты вращения при неизменном положении дроссельной заслонки мало, а инерционная сила и, следовательно, сила трения юбки поршня прямо пропорциональна квадрату частоты вращения кривошипа. Доли механических потерь других источников терния с увеличением частоты вращения также увеличиваются, но остаются меньше доли трения юбки поршня.

Следовательно, любые меры, обеспечивающие снижение или исключение трения поршня будут оказывать максимальное влияние на механический к.п.д. ДВС. В связи с этим, одним из принятых в мировой практике комплексным параметром, характеризующим конструкцию ДВС, является средняя скорость поршня. Механическая составляющая этого параметра демонстрирует способность конструкции воспринимать боковую нагрузку и косвенно характеризует работу трения в кинематической паре поршень-цилиндр. Современный уровень моторостроения позволяет серийно выпускать двигатели со средней скоростью поршня равной 14.22 м/с (автомобильные двигатели) [13, 33] и штучно, с ограниченным ресурсом двигатели со средней скоростью поршня 28−30 м/с при 18 ООО.20 ООО об/мин (двигатели автомобилей гонок «Формула 1»). В дальнейшем снижение механических потерь в паре поршень-цилиндр кривошипно-шатунного механизма возможно за счет применения специальных новейших конструкционных материалов и триботехнических технологий. В паре поршень-цилиндр в КШМ не может быть применено трение качения, а только трение скольжения, которое при прочих равных условиях имеет на порядок больший коэффициент трения.

В механизмах крейцкопфного двигателя, двигателя с качающимся поршнем, двигателя Ф. Ванкеля пара поршень-цилиндр функционально исключена из кинематических пар составляющих замкнутую кинематическую цепь механизма ДВС. Функциональное исключение поршня из кинематической цепи обеспечивает его движение с гарантированным зазором. При этом реакция звена механизма жестко связанного с поршнем реализуется в приспособленных для этого парах трения, а трение и механический износ самого поршня полностью исключаются.

В крейцкопфных двигателях кинематическая цепь замыкается поступательной кинематической парой образуемой крейцкопфом и его направляющей. В двигателе Ф. Ванкеля жестко связанное с поршнем зубчатое колесо образует внутреннее зацепление — высшую кинематическую пару, замыкающую кинематическую цепь механизма.

Кинематическую цепь в двигателе с КРО по средствам вращательной кинематической пары, замыкает рычаг рабочего органа — качающееся звено. Вращательная пара обеспечивает возможность перехода к трению качения и возможность применения принудительной смазки. Вращательная пара по сравнению с поступательной парой поршень-цилиндр, безусловно, имеет более выгодные условия смазки, что однозначно снижает механическое сопротивление преобразующего механизма и соответственно повышает механический к.п.д. двигателя. Причем такое конструктивное решение не влечет увеличения размеров двигателя. При движении поршня с гарантированным зазором за счет минимальной потребности в смазке поверхностей рабочего объема ДВС с КРО имеет пониженный расход масла через уплотнения поршня, что в свою очередь благоприятно скажется на экологических параметрах двигателя.

Для крейцкопфного механизма характерно увеличение габаритов двигателя как минимум на длину хода поршня. Крейцкопф увеличивает поступательно движущуюся массу кривошипно-шатунного механизма и, следовательно, увеличивает инерционные нагрузки и потери трения во вращающихся парах механизма. Крейцкопфные двигатели нашли применение в тихоходных судовых и наземных силовых установках.

На рубеже XIX-го и ХХ-го веков появились конструкции роторно-поршневых машин [4]. По двигателю Феликса Ванкеля не прекращаются НИОКР (фирма «Mazda», двигатель «Renesis» от английского rotary engine genesis), его схема обладает рядом преимуществ: небольшим количеством деталей, низкой удельной массой, высокой уравновешенностью и др. [4, 20]. Но характерные конструктивные особенности, даже при современном развитии техники, не открывают перспектив массового использования, характерных для ДВС с КШМ. Эпитрохоида — кривая, описываемая угловыми кромками вращающегося поршня, имеет так называемую «талию» т. е. участки, при прохождении которых радиальные уплотнения испытывают инерционную нагрузку, направленную от контактной поверхности к центру поршня. Достижение необходимой герметичности обеспечивается повышенным усилием поджатая радиальных уплотнений, что ускоряет износ эпитрохоиды. Другим недостатком двигателя Ф. Ванкеля является неоптимальная форма камеры сгорания. Конструктивно преодолеть этот недостаток нельзя, так как поршень имеет специфическую форму, определяемую характером его движения. В двигателе с КРО инерционные силы уплотнений поршня девствующие нормально к рабочей поверхности не изменяют свой знак, а форма камеры сгорания полностью определяется конструктором.

Для всего многообразия запатентованных конструкций двигателей с КРО основным конструктивным решением, обусловливающим потенциальное снижение уровня механических потерь, является исключение поршня из силовой кинематической цепи механизма, которое обеспечивает движение поршня с гарантированным зазором, так как поршень не является кинематическим звеном.

Тезис № 2 характеризует актуальность выбранной темы наличием у схемы ДВС с качающимися рабочими органами потенциала по снижению уровня механических потерь.

Тезис № 3 предполагает что, конструкция ДВС с КРО потенциально имеет более низкую удельную массу по сравнению с ДВС с классическим КШМ. Кривошипно-шатунный механизм характеризуется параметром X — отношением радиуса кривошипа к длине шатуна. Теоретически длина шатуна должна быть больше радиуса кривошипа. По статистическим данным X меняется в диапазоне 1/3,2- ¼, 5 [39]. Уменьшение габаритов за счет уменьшения длины шатуна увеличивает соотношение X. При большем соотношении X рост боковой силы заметно снижает эффективность механизма. Выполненный на основе КШМ двигатель с крейцкопфным механизмом имеет звено воспринимающее боковую нагрузку предназначенное для разгрузки поршня от боковой силы. Но такое решение ведет к увеличению массы двигателя, как за счет увеличения габаритов, так и за счет роста требующей уравновешивания поступательно движущейся массы механизма. Как будет показано ниже, в двигателе с КРО геометрические параметры аналогичные длине шатуна и радиусу кривошипа можно уменьшать до конструктивно возможного минимума. С другой стороны роторное исполнение ДВС с КРО позволяет отказаться от маховика, функция которого переходит к массе ротора. Причем аналогичное звездообразному расположению цилиндров в двигателях с КШМ, расположение рабочих полостей в двигателе с КРО обеспечивает высокую равномерность крутящего момента. Это позволяет при конструировании не заострять внимание на функции ротора — маховике и не наращивать его массу дополнительно.

Формированию задач исследования послужили несколько противоречий.

Для двигателей с классическим КШМ давно получены аналитические зависимости, описывающие перемещение, скорость и ускорение звеньев кинематической схемы, разработаны и успешно применяются методики выбора геометрии кинематической схемы и конструкции двигателя. Для крейцкопфных двигателей полностью применима расчетная методика классического КШМ. Двигатель Ф. Ванкеля также имеет полное математическое описание. Что касается двигателей с качающимися рабочими органами, то на данный момент не разработана общая, универсальная в применении математическая модель, описывающая кинематическую схему механизма. Расчеты двигателя с КРО имеют частный, направленный на описание конкретной конструкции, характер и не раскрывают потенциальных возможностей при выборе геометрии кинематической схемы.

На данный момент существует множество запатентованных схем ДВС с КРО, но отсутствует систематизация этой информации. Не выявлены характерные свойства кинематической схемы. Двигатели внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами находятся на стадии патентования и изготовления демонстрационных моделей. На основании проведенного патентного поиска видно, что данное направление исследований в области моторостроения имеет развитие и за рубежом [43, 44, 45,46]. Однако нет данных о экспериментальном подтверждении работоспособности ДВС с КРО. Не выявлены проблемы конструирования ДВС с КРО требующие специальной научно-исследовательской и опытно-конструкторской проработки, а также не определена приоритетность этих проблем. Не определена перспективность развития схемы ДВС с КРО.

Объектом исследования является схема двигателя с качающимися рабочими органами, а именно кинематическая схема механизма и демонстрационный модельный роторно-турбинный двигатель с кольцевой направляющей.

Предметом исследования являются математическая модель кинематической схемы, конструкция и рабочий процесс демонстрационного двигателя.

Для обеспечения развития ДВС с КРО как отдельного, перспективного направления в моторостроении необходимо:

1. Систематизировать существующую информацию.

2. Разработать методику расчета кинематической схемы.

3. Получить экспериментальное подтверждение работоспособности.

4. Определить перспективность и выявить проблемы конструирования и развития двигателей с качающимися рабочими органами.

Целью диссертационного исследования является решение первоочередных технических проблем препятствующих развитию двигателей с КРО.

В рамках темы исследования выдвигается ряд гипотез. 1. Рычаг — ведущее звено кинематической схемы совершает возвратно-вращательное движение. Исходя, из характера движения рабочего органа предполагается, что кинематическая схема двигателя с КРО обладает следующими характерными свойствами:

1.1. Геометрия кинематической схемы не определяет величину рабочего объема двигателя;

1.2. Такты сжатия и расширения рабочего объема могут быть несимметричны по угловой длительности относительно поворота выходного вала;

1.3. Такты сжатия и расширения рабочего объема всегда несимметричны по закону изменения объема относительно поворота выходного вала;

1.4. Закон изменения объема при постоянных длинах звеньев кинематической цепи может быть различным. 182. Схема с КРО обладает всеми признаками двигателя внутреннего сгорания, однако экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность ДВС с КРО отсутствуют. Предполагается, что схема роторного двигателя с качающимися рабочими органами с кольцевой направляющей работоспособна. 3. Предполагается существование ряда основных проблем конструирования роторных ДВС с КРО, требующих всестороннего специального исследования:

3.1. Организация газообмена между неподвижными впускной и выпускной системами и вращающимся ротором;

3.2. Передача высокого напряжения на свечи зажигания расположенные в роторе;

3.3. Герметизация компрессионного контура качающегося поршня и органов газораспределения;

3.4. Организация смазки подвижных силовых элементов кинематической схемы механизма;

3.5. Организация охлаждения ротора.

Не ставится под сомнение существование проблемы организации рабочего процесса в рабочих полостях ротора (геометрия рабочей полости, выбор и расположение органов газообмена, форма и расположение камеры сгорания). Рациональная организация рабочего процесса двигателя с КРО требует отдельных всесторонних исследований.

Задачами исследования являются: 1. Рассмотреть конструкции двигателей внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами на основе международных патентов, существующих конструкций и научно-исследовательских работ, проведенных в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн»;

— 192. Классифицировать двигатели с КРО с целью разделения на соответствующие классы и последующего корректного сравнения;

3. Разработать математическую модель и методику расчета кинематической схемы;

4. Выявить характерные свойства кинематической схемы;

5. Применить математическую модель кинематической схемы при проектировании демонстрационного модельного роторного двигателя;

6. Экспериментально подтвердить работоспособность предложенной конструкции ДВС с КРО;

7. Выявить перспективные свойства конструкции двигателей с качающимися рабочими органами;

8. Выявить основные проблемы конструирования, требующие проведения всесторонних специальных исследований;

9. Обосновать перспективность развития ДВС с КРО;

10. Разработать рекомендации по конструированию ДВС с КРО.

Методологической основой исследования является концепция демонстрационных моделей роторного двигателя с качающимися рабочими органами, разрабатываемая в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн» в соответствии с евразийским патентом № 1 184 [28].

Решение задач исследования обеспечивается различными методами. Для исследования механизма ДВС с КРО применяется математическое моделирование кинематической схемы механизма двигателя. При описании условий существования механизма применяются аксиоматический метод и метод формализации, использующий язык математической логики [15]. Численные методы обеспечивают работу с производными первого и второго порядка функции закона движения рабочего органа. Необходимым методом исследования объекта является конструкционное моделирование двигателя с КРО, так как непосредственное оперирование с опытным или серийным двигателем с КРО невозможно в виду того, что они не существуют. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом. Логическим итогом исследования является синтез аргументов обосновывающих перспективность ДВС с КРО проведенный на основе анализа результатов решения задач поставленных в данной работе и аналогий с существующими конструкциями двигателей.

В настоящем исследовании используется комплексный подход, рассматривающий совокупность явлений и процессов, протекающих в двигателе с качающимися рабочими органами с кольцевой направляющей.

На защиту выносятся:

1. Классификация двигателей с КРО;

2. Методика расчета кинематической схемы механизма двигателя с КРО;

3. Выявленные характерные свойства механизма;

4. Экспериментальное подтверждение работоспособности демонстрационного модельного роторно-турбинного двигателя;

5. Аргументы, обосновывающие перспективность развития ДВС с КРО.

Новизна исследования. Систематизирована информация по двигателям с КРО. Разработана методика расчета, способная рассматривать любые возможные комбинации механизма и описывающая закон движения, скорость и ускорение ведущего звена кинематической схемы. Модельным экспериментом подтверждена работоспособность. Определены характерные свойства схемы. Определены проблемы конструирования и их приоритетность. Обоснована перспективность развития ДВС с КРО. 21 ~.

Теоретическая значимость. Модель кинематической схемы обеспечивает математическим аппаратом теоретические исследования и задачи проектирования двигателей с качающимися рабочими органами, а также служит исходным материалом для разработки теоретической модели двигателя с КРО. Подтвержденная работоспособность схемы и результаты испытаний дают информацию для разработки гипотез и в дальнейшем моделей описывающих процессы, протекающие в двигателях данной схемы.

Практическое значение исследования в том, что определены направления развития конструкции ДВС с КРО и разработаны рекомендации по конструированию, разработана методика расчета кинематической схемы облегчающая задачу выбора геометрии механизма, определены некоторые конструктивные решения, использование которых не является целесообразным. Этапы исследования.

1 Изучение современного состояния проблемы конструирования поршневых двигателей с качающимися рабочими органами.

1.1. Проведение библиографического поиска.

1.2. Изучение конструкции моделей разработанных в научно-техническом центре им. А. Люльки.

1.3. Классификация двигателей с КРО.

1.4. Определение конструктивных особенностей двигателей с КРО.

2 Разработка математической модели кинематической схемы с кольцевой направляющей.

2.1 Описание кинематической схемы механизма и принципа работы двигателя с качающимися рабочими органами.

2.2 Сравнение механизма двигателя с КРО с кривошипно-шатунным механизмом.

2.3 Определение вариантов и схем исполнения механизма.

2.4 Определение условий работоспособности кинематической схемы.

2.5 Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма ДВС с КРО.

2.6 Проверка предположений о несимметричности хода сжатия и расширения рабочего объема относительно поворота выходного вала, как по угловой длительности, так и по закону изменения объема.

2.7 Проверка предположений о том, что закон изменения объема при неизменных размерах звеньев кинематической цепи может быть различным.

2.8 Определение характерных параметров математической модели.

2.9 Определение закона движения, аналогов скорости и ускорения рабочего элемента.

2.10 Определение зависимостей геометрических параметров кинематической схемы для отдельных частных случаев.

2.11 Формулирование выводов по итогам разработки методики расчета кинематической схемы.

3 Проектирование кинематической схемы, ротора и органов газораспределения демонстрационного модельного роторного двигателя.

3.1 Выбор геометрии рабочего объема.

3.2 Выбор геометрии кинематической схемы.

3.3 Выбор геометрии органов газораспределения.

4 Испытания и доработка демонстрационного модельного роторного двигателя.

4.1 Проведение испытаний.

4.2 Анализ результатов испытаний.

4.3 Проведение доработок по результатам испытаний и разборок.

4.4 Анализ проблем и особенностей, выявленных при испытаниях.

4.5 Выявление проблем требующих дополнительных исследований.

5 Анализ результатов исследования.

6 Формулирование выводов по итогам диссертационного исследования.

Содержание глав диссертации.

В первой главе представлена собранная информация по ДВС с КРО, проведен анализ собранной информации и синтезированы общие для всего многообразия схем ДВС с КРО классификация включающая девять направлений, а также конструктивные особенности двигателей с КРО.

Во второй главе в соответствии с правилами теории машин и механизмов выполнен структурный анализ механизмов ДВС с КРО, сформирована расчетная схема, выявлены свойства кинематической схемы, а также с целью обеспечения кинематического анализа любого механизма ДВС с КРО разработано аналитическое описание механизма.

В третьей главе подробно рассмотрены назначение и конструкция демонстрационного модельного роторно-турбинного двигателя.

В четвертой главе описаны испытания модельного двигателя, анализ результатов испытаний, проведенные доработки, а также проблемы и особенности, выявленные при испытаниях.

В заключении с необходимыми комментариями изложены основные результаты выполненной работы и сформулированы выводы.

Выводы.

1. Решена проблема систематизации существующей информации по ДВС с КРО:

— разработаны охватывающие все многообразие схем двигателей с КРО классификация и необходимая терминология, которые формализуют описание двигателей с КРО и обеспечивают возможность корректного сравнения по формальным признакам;

— выявлены конструктивные особенности схемы и свойства механизма принадлежащие всему семейству двигателей с качающимися рабочими органами.

2. Выявлена и теоретически обоснована перспективность развития данного направления в моторостроении (см. рис. 68):

— способность получить больший индикаторный к.п.д. (до 20% по отношению к ДВС с КШМ) и соответствующее снижение удельного расхода за счет приближения процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме;

— при равных условиях (рабочем объеме, степени сжатия, типе рабочего цикла, скоростном режиме) способность получить большую мощность (до 22% по отношению к ДВС с КШМ) за счет высокой эффективности цикла и лучшего наполнения;

— возможность создавать компактные преобразующие механизмы обладающие меньшей массой и большей жесткостью, за счет свойства масштабируемости;

— возможность получения высокого механического к.п.д., за счет оптимальных условий смазки пар трения кинематической схемы и меньшего коэффициента трения пары «рабочий орган — корпус»;

— отсутствие механического износа поршня, за счет движения с гарантированным зазором- 133 ~.

— возможность обеспечить минимальный расход масла через уплотнения поршня, так как при движении поршня с гарантированным зазором потребность поверхностей рабочего объема в смазке минимальна;

— пониженные механические шум и вибрации, за счет отсутствия перекладок поршня и отсутствия соударений поршня с корпусом.

3. Разработана, применена и проверена при создании модельного демонстрационного двигателя методика расчета кинематики механизма с КРО. Расчет универсальный и позволяет описывать движение поршня в любых двигателях выполненных по схеме с КРО.

4. Модельным роторно-турбинным двигателем, разработанным при непосредственном личном участии автора, работа ДВС с КРО продемонстрирована, в том числе публично на международном авиакосмическом салоне в г. Жуковском «МАКС-2003».

5. Решена проблема формирования обобщенного облика ДВС с КРО: определены рекомендуемые и не целесообразные конструктивные решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе настоящего диссертационного исследования получены различные результаты, имеющие теоретическое и практическое значение.

В начале работы выполнены сбор анализ и систематизация информации по современному состоянию проблемы конструирования двигателей с КРО. При сборе информации проведены патентный поиск среди отечественных и зарубежных патентов, библиографический поиск, рассмотрены модели двигателей подобной схемы, разработанные ранее в СССР и модели, созданные в НТЦ им. А. Люльки.

Выполненный сбор информации показал наличие большого количества запатентованных схем ДВС с КРО, наличие нескольких выполненных моделей ДВС с КРО. Анализ собранной информации выявил, что не решен ряд проблем, которые препятствуют развитию ДВС с КРО как направления моторостроения. Во-первых, не систематизирована обширная информация по схемам ДВС с КРО. Во-вторых, не сформулированы положения характеризующие перспективность схемы ДВС с КРО. В-третьих, нет отработанного универсального расчета кинематики механизма. В-четвертых, нет данных о подтверждении работоспособности схемы. И в-пятых, не сформирован облик двигателя с КРО.

Результатом решения проблемы систематизации информации стали синтез девяти специальных для ДВС с КРО направлений классификации, семи основных и двух дополнительных для роторной схемы двигателя, выявленные конструктивные особенности, свойства кинематической схемы и основные направления оптимизации конструкции ДВС с КРО.

Основные направления классификации: по схеме механизма, по схеме двигателя, по вариантам механизма, по организации рабоче 124го объема, по сечению рабочего объема, по движению линии уплотнений поршня и классификация механизма по симметричности ходов. Для роторной схемы определены дополнительные направления классификации: классификация по организации камеры сгорания и по организации газового стыка.

Основные конструктивные особенности:^{функциональное} разделение поршня и преобразующего механизма, 2) возвратно-вращательный характер движения поршня, 3) движение поршня с гарантированным зазором (вместо боковой силы реакция в шарнире), 4) возможность применения трения качения и принудительной смазки в паре «рабочий орган — корпус».

Основные направления оптимизации: оптимизация геометрии кинематической схемы для повышения эффективности цикла, выбор геометрии поршня и отношения его характерного размера к ходу, минимизация возвратно-вращательно движущейся массы, минимизация поверхности теплообмена в рабочем объеме, обеспечение гарантированного зазора между поршнем и поверхностью рабочего объема, повышение герметичности уплотнительного контура поршня.

Свойства механизма двигателей с КРО. Тремя из них обладает только механизм П. Л. Чебышева, в котором, в отличие от ДВС с КРО поршень является звеном, входящим в поступательную пару присоединенной кинематической цепи, увеличивающей габариты, массу и инерционные нагрузки преобразующего механизма. Первое — возможность воспроизведения четырех вариантов изменения объема при неизменных звеньях кинематической цепи. Второе свойство масштабируемость — возможность задавать требуемые длины звеньев механизма при неизменной геометрии рабочего объема. Следствием этого свойства является возможность при неизменной геометрии кинематической схемы изменять соотношение S/D при неизменной величине рабочего объема. И третье свойство — хода расширения и сжатия не 125симметричны по закону изменения объема. Данные уникальные свойства механизма, как показано в работе, есть следствия криволинейного движения поршня, имеющего возвратно-вращательный характер. В исследовании показано, что другие свойства механизма имеют несколько аналогов среди прочих преобразующих механизмов ДВС. Аналогами, использующими функциональное исключение поршня из кинематической цепи, являются: крейцкопфный механизм и механизм С. С. Баландина, при этом имеющие нагруженные поступательные пары, а также двигатель Ф. Ванкеля с планетарным движением поршня. Возможность применять несимметричные по углу поворота выходного вала хода расширения и сжатия имеют механизм П. Л. Чебышева и дезаксиальный КШМ, однако введение значительного дезаксиала ведет к повышению механических потерь. Основной вклад выявленные свойства вносят в возможность проектировать закон изменения объема обеспечивающий больший к.п.д. цикла за счет приближения процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме и лучшее наполнение за счет большей длительности впуска.

Результаты решения первой проблемы — систематизации информации позволили четко сформулировать положения характеризующие перспективность схемы ДВС с КРО.

Свойства механизма позволяют:

1) обеспечить в 1,08. 1,2 раза больший индикаторный к.п.д.;

2) обеспечить больший коэффициент наполнения;

3) создать компактный преобразующий механизм.

Конструктивные особенности позволяют:

4) получить высокий механический к.п.д.;

5) добиться отсутствия механического износа поршня;

6) минимизировать расход масла;

7) снизить механический шум и вибрации. ю сл.

Рис. 68. Причинно-следственные связи определяющие перспективность ДВС с КРО. 127 ~.

На рис. 68 приведены причинно-следственные связи определяющие перспективность ДВС с КРО.

В целях решения третьей указанной выше проблемы разработано универсальное аналитическое описание кинематики механизма ДВС с КРО являющееся теоретической базой, обеспечивающей проектирование двигателей с поршнем, совершающим возвратно-вращательное движение. Аналитическое описание механизма позволяет, без каких либо доработок полученных зависимостей применять их для расчетов как четырех, так и двухтактного рабочих циклов для любого из четырех вариантов расчетной схемы.

Четвертой проблемой препятствующей развитию направления ДВС с КРО было отсутствие экспериментального подтверждения работоспособности. В ходе исследования модельным роторно-турбинным двигателем, разработанным при непосредственном личном участии автора, работа ДВС с КРО продемонстрирована, в том числе публично на международном авиакосмическом салоне «МАКС-2003».

Решением пятой обозначенной проблемы стали сформулированные по итогам работы рекомендуемые и нецелесообразные конструктивные решения.

Изучение опыта создания моделей ДВС с КРО на предприятии, рассмотрение патентной документации, проведение стендовых и ходовых в составе транспортного средства, испытаний модельного двигателя выявили конструктивные решения не являющиеся целесообразными. Первое — пргшенение параллельной схемы механизма с консольной опорой качающегося поршня, которая была реализована в модельном двигателе и встречается в ряде патентов. Такая схема потребовала внесения целого набора корректировок в геометрию лопатки (поршня), при этом изгибающие ось лопатки нагрузки не позволили обеспечить гарантированный зазор между лопаткой и поверхно 128 ~ стями рабочей полости. Дополнительно к трению лопатки изгиб оси увеличивал потери трения в опоре лопатки. Изгиб оси лопатки приводил к некоторой непараллельности осей роликов и направляющей, что ухудшало условия работы подшипников и повышало механическое сопротивление. Консольное крепление лопатки при двунаправленном движении линии уплотнений не позволяет выполнить замкнутый компрессионный периметр простой конфигурации, что усложнило задачу обеспечения достаточного уровня компрессии. Второеподвижный газовый стык. Применялся в четырехтактной модели разработанной на предприятии и широко распространен в конструкциях представленных в патентной литературе. Основную сложность при реализации подвижного газового стыка вызывает организация уплотнения. Другими минусами подвижного газового стыка являются воздействие газовой силы непосредственно на опоры ротора, сложность организации горения и большая поверхность теплоотвода при подвижной стенке камеры сгорания. Третье — сложный или незамкнутый компрессионный контур. Значительная часть патентов посвященных двигателям с качающимися рабочими органами имеет сложный компрессионный контур с переменным периметром или с линией уплотнения перемещающейся по обеим деталям образующим уплотняемый стык. Изначально лопатка модельного двигателя имела незамкнутый компрессионный контур, в который пришлось вводить дополнительные контактные поверхности. Доработка позволила достичь герметичности достаточной для демонстрационных запусков, но не соответствующей поршням цилиндрической формы. Четвертоедругой причиной невысоких значений компрессии было примененное в модельном двигателе и нередко встречающееся в патентной документации двунаправленное движение линии уплотнений поршня, которое вызывает перекос элементов уплотнения в канавке и тем самым обусловливает утечки рабочего тела. 129.

На основе анализа патентной литературы и изученных конструкций ДВС с КРО, опыта проектирования, доработки и испытаний модельного роторно-турбинного двигателя, в целях раскрытия темы диссертации определены рекомендуемые конструктивные решения. Первое — в качестве варианта преобразующего механизма, для достижения наименьшего механического сопротивления рекомендуется применять кривошипно-коромысловый механизм для стандартной схемы двигателя и в роторной схеме двухкривошипный. Звенья данных механизмов входят в низшие вращательные кинематические пары. Современная промышленность имеет большой опыт проектирования и отработанную технологию изготовления обеспечивающие достижение низкого коэффициента трения вращательных пар. Второе — применение одноплоскостной схемы механизма минимизирует изгибающие моменты силовой схемы механизма, обеспечивая минимальные механические потери энергии при преобразовании движения поршня. Механизмы, построенные на вращательных парах по одно-плоскостной схеме, обеспечат для двигателя с КРО частичные конструктивную и технологическую преемственность с классическими ДВС с КШМ. Третье — разделенный рабочий объем. Конструктивное разделение общего объема на объемы с одной подвижной стенкойпоршнем, обеспечивает надежную герметизацию неподвижного газового стыка, постоянный по длине периметр компрессионного контура простой формы, минимизацию поверхностей теплоотвода. Кроме того, отдельные для каждого объема камеры сгорания обеспечивают лучшие по сравнению с объединенным объемом условия сгорания. Четвертое рекомендуемое решение — прямоугольное сечение поршня. Прямоугольное сечение (в патентной литературе и среди рассмотренных конструкций нередко встречаются поршни торообразной формы) имеет более высокую технологичность, т. е. не требует разработки уникального оборудования, для изготовления самого поршня и дета ИОлей корпуса организующих рабочий объем. Технологичность, в свою очередь, упрощает подготовку массового производства. Прямоугольная конфигурация поршня позволяет применить уплотнения состоящие из нескольких компонентов спроектированных в соответствии с условиями работы. Это важно, так как вследствие возвратно-вращательного характера движения поршня, уплотнительный периметр, по длине, имеет различную скорость движения и по разному подвержен действию поля центробежных сил. Пятое решение касается движения линии уплотнений, целесообразным предполагается применение однонаправленного двиэюения. При однонаправленном движении обеспечивается четкое прилегание уплотнения к поверхности уплотнительной канавки. Конструкция поршня, реализующая однонаправленное движение линии уплотнений минимизирует площадь поверхности теплоотвода и массу поршня. Шестым решением является рекомендация о применении материалов и опыта организации компрессионного контура на двигателях Ф. Ванкеля. Компрессионный контур поршня двигателя Ф. Ванкеля является многокомпонентным и имеет пространственную схему с криволинейными уплотнениями, однако современный уровень производства позволяет серийно выпускать двигатели Ф. Ванкеля. Компрессионный контур поршня ДВС с КРО реализуется в одной плоскости, имеет сходные условия работы, но сравнительно простую конфигурацию. Таким образом, компрессионные элементы ДВС с КРО имеют преемственность с двигателем Ф. Ванкеля, но при этом более технологичны.

В завершении необходимо обозначить и прокомментировать проблемы требующие проведения дополнительных исследований для обеспечения развития ДВС с КРО как отдельного направления двига-телестроения.

Наиболее приоритетная задача следующего этапа — получить экспериментальное подтверждение перспективных свойств механизма.

— 131выявленных в настоящем исследовании теоретическими методами. Выявленные особенности и свойства механизма ДВС с КРО предполагают, что механизм ДВС с КРО имеет относительно КШМ наиболее распространенного в ДВС, более выгодную позицию по ряду параметров. Это повышенный индикаторный к.п.д., низкие механическое сопротивление, уровень вибрации и уровень механического шума, лучшие литровая мощность, удельная масса и удельный расход. Данные заключения синтезированы теоретически на основе анализа результатов исследования и проведения аналогии с КШМ. Таким образом, приоритетной задачей последующих исследований является экспериментальное подтверждение выявленных теоретическим путем перспективных свойств ДВС с КРО.

Следующей по приоритетности задачей является проведение отдельных исследований для оптимизации параметров характеризующих рабочий процесс и параметров характеризующих геометрию деталей двигателя. Необходима оптимизация процесса в рабочей полости формы сектора кольца: выбор геометрии полости, размещение и выбор органов газообмена, выбор формы и расположения камеры сгорания. Также требуется оптимизация геометрических параметров характеризующих рабочий объем с точки зрения минимизации инерционных нагрузок и поверхности теплообмена. Отдельный вопросоптимизация привязки поршня к качающемуся рычагу с целью обеспечения гарантированного минимального зазора между поршнем и поверхностями рабочего объема. Необходимы исследования по выбору оптимальных материала, геометрии и схемы уплотнений компрессионного пояса поршня. Для оптимизации рабочего процесса требуется исследование влияния различной симметричности ходов сжатия и расширения на параметры двигателя.

В качестве суммы выявленных фактов и полученных эмпирических данных сформулированы выводы.