- анотація:
Розглядається комплекс взаємопов'язаних конструктивних рішень спрямованих на підвищення економічності двигуна внутрішнього згоряння.
Над підвищенням економічності двигунів внутрішнього згоряння інженери працюють понад століття. Однак фактичне досягнуте ККД ще далеко від межі, визначеного законами термодинаміки. До числа найбільш значущих і, в той же час порівняно легко можна усунути втрат енергії, відносяться втрати на недорасшіреніе продуктів згоряння. В кінці робочого циклу в момент відкриття випускних клапанів тиск продуктів згоряння істотно вище атмосферного. Вони могли б ще розширюватися, віддаючи енергію, але замість цього вилітають в трубу. При цьому невикористана енергія перетворюється в шум, що змушує ставити на вихлоп глушник. А глушник - це додатковий опір вихлопних газів і додаткові втрати енергії. Через недорасшіренія втрачається близько 10% енергії, а при наявності каталізатора і до 20%.
Причиною даного виду втрат є те, що всі чотири такту здійснюються в одному циліндрі. Тому обсяг повітря (або робочої суміші) в кінці такту всмоктування дорівнює обсягу продуктів згоряння в кінці робочого ходу. Отже, тиск продуктів згоряння буде в стільки разів більше тиску повітря, у скільки разів вище їх температура в градусах Кельвіна. (Точніше, треба ще враховувати уприскування палива і особливості фаз газорозподілу).
В якійсь мірі використовувати енергію недорасшірівшіхся газів дозволяє турбонаддув. Однак, середній тиск перед турбіною все одно менше, ніж в кінці робочого циклу, тобто втрати все одно є. Крім того, енергія, відібрана від розширюються газів, використовується для підвищення тиску на вході в двигун, а значить, настільки ж раз зростає тиск в кінці робочого циклу. Тому турбонаддув більше підвищує потужність, а не ККД.
Усунути втрати на недорасшіреніе можна розділивши робочий цикл між двома циліндрами. У першому впуск і стиск, а в другому, більшого обсягу, робочий хід і випуск. Схема такого двигуна наведена на малюнку 1. (На цьому малюнку шатуни умовно повернені на 90 градусів в площину креслення).
1 впускний кран, 2 циліндр компресора, 3 перепускний кран, 4 колектор пального, 5 робочий циліндр, 6 випускний кран.
Цикл починається з відкриття впускного крана 1 в момент, коли його поршень 2 знаходиться у верхній мертвій точці (ВМТ) (точніше, кран відкривається з невеликою затримкою). При русі поршня вниз повітря наповнює циліндр компресора 2, після чого в нижній мертвій точці (НМТ) впускний кран 1 закривається і починається стиск. Коли поршень трохи не доходить ВМТ, відкривається перепускний клапан 3 і стиснене повітря починає передавлює в робочий циліндр 5, який знаходиться в ВМТ. На малюнку зображений саме цей момент. Передавлювання повітря супроводжується подачею в нього палива через колектор 4 і його згоряння. В якості палива для такого двигуна краще використовувати природний газ, хоча можна використовувати інші види палива, якщо організувати їх подачу традиційним способом. Процес передавливания повітря і горіння палива відбувається практично при постійному тиску. Збільшення обсягу продуктів згоряння при горінні компенсується тим, що обсяг робочого циліндра більше обсягу циліндра компресора. У момент досягнення ВМТ поршнем компресора перепускний кран 3 закривається. Поршень робочого циліндра здійснює робочий хід, в кінці якого в НМТ тиск в робочому циліндрі падає до атмосферного плюс невеликі втрати на випускному крані 6. Кран 6 відкривається, і продукти згоряння видавлюються в вихлопну трубу. При цьому через відсутність залишкового тиску відпадає необхідність в глушнику. Передбачається, що обидва циліндра матимуть мінімальний мертвий обсяг, тобто в ВМТ поршень буде майже стосуватися головки блоку циліндрів. Зазор між ними необхідний тільки для компенсації похибок збірки і теплових деформацій.
Замість традиційних клапанів в даній конструкції пропонується використовувати крани, які відкриваються при суміщенні отворів в блоці циліндрів і пластині крана. Тільки на відміну від широко розповсюджених кульових кранів, дані не обертаються, а роблять вертикальне зворотно-поступальний рух під дією тих же кулачків розподільного вала. (Інтелектуальне управління фазами газорозподілу з використанням електроприводу клапанів в даній конструкції не дає значущих переваг і тому недоцільно).
Використання кранів замість клапанів дозволяє істотно зменшити мертві обсяги і, крім того зменшити втрати тиску на кранах, оскільки усуваються повороти газу, характерні для клапанів. Крім того, отвори в кранах виконуються не круглими, а прямокутними або овальними (велика сторона в напрямку, перпендикулярному площині рисунка 1), що дозволяє збільшити прохідну площа. І, нарешті, крани ніколи не стукають.
Пропускний кран 3, крім основної функції, забезпечує подачу і змішання палива. Для цього в ньому є колектор 4, в який стиснений природний газ потрапляє через бічний отвір (на малюнку зображено окружністю в глибині колектора). При переміщенні крана в відрите положення цей отвір поєднується з відповідним отвором у блоці циліндрів (не показано), тим самим кран одночасно відкриває і закриває передавлювання повітря і подачу палива. З колектора 4 через кілька отворів паливо потрапляє в проходить повітря перпендикулярно його потоку, чим забезпечується їх перемішування. Для утилізації витоків природного газу порожнини над і під клапаном з'єднуються зі входом в двигун, і в ці порожнини подається невелика витрата повітря.
До переваг даної схеми можна віднести:
1) Усунення втрат на недорасшіреніе продуктів згоряння і втрат, пов'язаних з глушником.
2) Відсутність нагріву повітря на стадії всмоктування і стиснення через контакт з гарячими стеками циліндра, поршнем і головкою блоку циліндрів. Таке нагрівання в традиційному двигуні збільшує витрати енергії на стиск і знижує термодинамічний ККД.
3) Зменшення втрат через мертвих обсягів. У традиційному двигуні в обсязі камери згоряння залишаються гази від попереднього циклу. Їх кількість намагаються зменшити за рахунок перекриття фаз газорозподілу. Тут ця проблема відсутня, хоча невеликі мертві обсяги є на вході і виході в крани.
4) З'являється можливість збільшити ступінь стиснення до рівня рівного або перевищує значення, характерні для дизеля. При цьому механічні навантаження виходять менше через те, що немає піку тиску в момент спалювання палива.
5) На відміну від дизеля і двигунів з безпосереднім уприскуванням, паливо більш рівномірно перемішується з повітрям. При уприскуванні палива його неможливо рівномірно розподілити по всьому об'єму камери згоряння, а в даній схемі паливо дозується в проходить повітря при переміщенні досить рівномірно. Зміна швидкості руху поршня в ході передавливания можна компенсувати частковим перекриттям вхідного отвору палива при русі перепускного крана, що дозволяє зберігати пропорцію між повітрям і газом постійною.
Недоліком даної схеми є зменшення потужності в розрахунку на літр робочого об'єму через більшого обсягу робочого циліндра. Якби в даній схемі циліндри були однаковими, то суттєвої різниці в потужності не було б, так як збільшення кількості циліндрів в 2 рази компенсується зменшенням кількості тактів в кожному з них теж в 2 рази. Але збільшення обсягу робочого циліндра в порівнянні з цим випадком супроводжується непропорційно меншим приростом потужності. Ця та ціна, яку доводиться платити за економічність.
Більш суттєвим є, що згоряння в умовах постійного тиску з точки зору термодинаміки гірше, ніж згоряння при постійному обсязі. Даний недолік можна змалювати таку картину, що для досягнення того ж рівня тиску до кінця згоряння в розглянутому циклі доводиться додатково стискати повітря в компресорі, в той час як в традиційному циклі енергія компресора витрачаються на досягнення меншого рівня тиску, яке далі зростає через згоряння. Відповідні додаткові витрати енергії на стиснення цілком порівнянні за величиною з усувається втратами на недорасшіреніе.
Щоб в розглянутій схемі згоряння відбувалося при постійному обсязі необхідно, щоб відносна швидкість переміщення поршня компресора була в стільки разів більше відносної швидкості переміщення поршня робочого циліндра, у скільки обсяг робочого циліндра більше обсягу циліндра компресора. Це число приблизно дорівнює відношенню абсолютних температур до і після згоряння. Однак звичайний кривошипно-шатунний механізм забезпечує рівну відносну швидкість переміщення поршнів (абсолютна швидкість відрізняється і пропорційна висоті робочого об'єму циліндра).
Щоб забезпечити більшу відносну швидкість поршня компресора поблизу ВМТ можна модифікувати привід поршня згідно кінематичній схемі, зображеної на малюнку 2.
У цій схемі додатковий рух поблизу ВМТ забезпечується за рахунок "розпрямлення" складеного шатуна, що включає в себе трапецію з важелів. Таким чином, можна забезпечити приблизне збереження обсягу при переміщенні повітря з компресора в робочий циліндр. Додатковим гідністю такого приводу є велика можлива довжина циліндра при тому ж його діаметрі.
До недоліків такого рішення можна віднести збільшення маси шатуна, його вартості і, в деякій мірі, габаритів двигуна. Хоча механізм (див. Рисунок 2) і довше традиційного, відстань від головки до колінчастого вала на малюнку 1 визначається робочим циліндром, як мають більший хід. Тому збільшення довжини приводу циліндра компресора частково відбувається в межах більшої довжини приводу робочого циліндра. Також втрачається перевага (4), так як тиск при згорянні зростає.
Практично можливий розумний компроміс між згорянням при постійному тиску і при постійному обсязі, що забезпечується відповідним вибором співвідношень довжин важелів механізму (див. Рисунок 2).
Окремо слід обговорити втрати тепла в стінки робочого циліндра. У традиційному двигуні втрати тепла є однією з найбільш значущих причин зниження ККД. Ідея створення адиабатного двигуна з керамічних матеріалів в повній мірі реалізована не була через руйнування керамічних матеріалів при термоциклюванні і складності забезпеченні герметичності у відсутності пружних металевих кілець і мастила. Однак, навіть якщо традиційний двигун зробити керамічним, все одно повністю усунути втрати тепла не вдасться, так як від більш гарячих керамічних стінок більше тепла буде передаватися повітрю на стадії всмоктування і стиснення. Отже, не менша кількість тепла буде відбиратися від продуктів згоряння. Слід зауважити, що передача тепла від продуктів згоряння до всмоктуваному повітрю більшою мірою знижує ККД, ніж просто передача цього тепла в систему охолодження.
В даному двигуні стіни не охолоджуються зсередини, тому і втрати тепла в них будуть менше навіть в охолоджувальної конструкції. Крім цього, в такому двигуні менше перепади температур, що спрощує застосування керамічних матеріалів для зменшення теплових потоків в поршень і головку блоку циліндрів. Для охолодження верхньої найбільш теплонапружених частини циліндра можна використовувати паливо - природний газ. Такий рекупераційних принцип охолодження широко використовується в рідинних ракетних двигунах, а в поршневих практично не застосовується. Охолодити весь циліндр таким способом проблематично через недостатність хладоресурса палива. Тому відмовитися від традиційної системи охолодження в цьому випадку не вийде.
Перевагою рекупераціонного охолодження є те, що тепло, яке передається газу, не губиться, а повертається в робочий цикл. Крім того, подача нагрітого газу спрощує його займання, що зменшує час згоряння палива і сприяє підвищенню повноти згоряння. Втім, температура газу не повинна бути занадто великою, щоб його самозаймання не відбувалося до перемішування з повітрям, а також не відбувалося самозаймання витоків газу. Додатковою перевагою підігріву є збільшення обсягу, газу, що спрощує його перемішування з повітрям. Змішувати гази простіше, якщо їх об'ємні витрати відрізняються менше. Крім того, в цьому випадку збільшується реквізит діаметр отворів подачі газу, що спрощує їх виготовлення.
Конструкція системи подачі газу представляється в такий спосіб. Природний газ з бака надходить на регульований редуктор, далі на поршневий насос-дозатор, після якого газ надходить в спіральний канал сорочки охолодження робочого циліндра, а з нього через бічний отвір в перепускний кран. Насос-дозатор забезпечує пропорційність кількості подаваного газу оборотам двигуна. Цей насос пропонується не регулюванням. Управління коефіцієнтом надлишку повітря передбачається здійснювати за рахунок редуктора, регулюючи рівень тиск, який він підтримує за собою. Оскільки підігрів газу здійснюється вже за насосом-дозатором, то величина підігріву не впливатиме на коефіцієнт надлишку повітря.
Ще однією причиною втрат енергії є необхідність часто змінювати потужність двигуна за рахунок зміни коефіцієнта надлишку повітря. Через це двигун значну частину часу працює на неоптимальном режимі, споживаючи зайве паливо і забруднюючи навколишнє середовище. Останнім часом для усунення цих втрат іноді використовується гібридна схема, при якій ДВС працює на постійному найбільш вигідному режимі, обертаючи електрогенератор, який живить батареї або суперконденсатори. А управління потужністю здійснюється електродвигунами, які витрачають енергію батарей за потребою. Крім того, гідриди утилізують енергію гальмування. Але у такої схеми є й недоліки. По-перше, з'являється багато додаткового електрообладнання, що підвищує вартість і знижує надійність. По-друге, вся вироблена енергія піддається додатковим перетворенням: механічна в електричну, електрична в хімічну (в батареях), а потім все назад. І хоча ККД кожного з цих перетворень порівняно високий, в сумі набігає.
Компромісним варіантом конструкції ходової частини є наступний: ДВС, зчеплення, електромотор-генератор, коробка передач, диференціал, розмикачі, колеса. У цьому випадку через електричний контур проходить не вся вироблювана енергія, а лише її частина - різниця між потужністю, що виробляється ДВС при оптимальному коефіцієнті надлишку повітря, і потрібної потужністю на колесах. Відповідно потужність і ціну електричної частини зменшується, а в разі виходу її з ладу автомобіль зберігає хід, переходячи до традиційного способу управління потужністю. Для підтримки оптимального коефіцієнта надлишку повітря найбільш чесним (хоча і не найдешевшим) способом є постійне вимірювання складу вихлопних газів зі зворотним зв'язком через комп'ютер на регульований редуктор. Якщо в продуктах згорання з'являється чадний газ, то тиск за редуктором зменшується, а якщо кисень, то збільшується. Якщо ж потреби в регулюванні потужності перевищують можливості електромотор-генератора, то комп'ютер переходить до управління тиском природного газу виходячи із забезпечення потрібної потужності.
У сучасних автомобілях часто є не одна, а дві провідні осі. Їх традиційний привід через міжосьовий диференціал пов'язаний з додатковими втратами енергії. Можна розглянути варіант, коли кожна вісь приводиться в рух своєї ходовою частиною розглянутого вище складу. Це, звичайно, дорожче, хоча для великотоннажних вантажівок можливість уніфікації вдвічі менш потужною ходової з більш поширеними класами автомобілів може частково компенсувати збільшення ціни. Головним достоїнством двох ходових є радикальне підвищення надійності. Автомобіль не втрачає хід майже при будь-яку відмову, так як одна ходова дозволяє рухатися нехай і з меншою швидкістю. Імовірність же одночасної відмови двох ходових досить мала.
Крім цього, наявність двох ходових істотно підвищує можливості оптимального регулювання. По-перше, з'являється можливість ступеневої управління потужністю шляхом відключення "зайвої" ходової за допомогою розмикачів. По-друге, з'являється можливість почергового перемикання передач, що сприятливо для динаміки автомобіля (немає періодів втрати потужності). По-третє, можливі "змішані" передачі. Наприклад, оптимальне передавальне співвідношення на даному режимі знаходиться посередині між другої і третьої передачами. Тоді одна ходова може працювати на другий, а друга ходова на третій передачі. При цьому генератор першої ходової утилізує надлишковий крутний момент ДВС і передає енергію електромотора другий ходової, де крутного моменту не вистачає. Якщо баланс електричної потужності не сходиться, то він компенсується за рахунок суперконденсаторів. В цьому випадку, можливо, використовувати більш прості і дешеві коробки з меншим числом передач.
Таким чином, можливості вдосконалення традиційного ДВС ще не вичерпані, хоча ера його домінування вже наближається до кінця.