Тема 5. Розвиток ДВЗ особливих типів і схем.

 

Ціль: опанувати поняття про загальні тенденції і напрямки створення ДВЗ особливих типів і схем, альтернативних існуючим.

Завдання: відпрацювати навички прогнозування і визначення можливих сфер застосування ДВЗ особливих типів і схем.

 

Лекція №7

1. Переваги і недоліки двох- та чотирьохтактного циклів.

2. Шеститактний цикл.

 

Найбільшого розповсюдження на автотранспорті набули чотирьохтактні  ДВЗ. Такий перебіг циклу дозволяє отримати достатньо високі потужнісні характеристики при помірній витраті палива. Крім того, чотирьохтактний цикл дозволяє працювати всім механізмам двигуна з відносно оптимальними перепадами температур та тисків. Під час такту наповнення та наступного одразу ж за ним – стиску, двигун ніби «відпочиває» від високих температури та тиску горючих газів.

В той же час, чотирьохтактним двигунам притаманні суттєві недоліки, що є наслідком саме такої організації перебігу робочого процесу. Перш за все, це необхідність застосування спеціального механізму – газорозподільчого – для забезпечення примусового і впорядкованого газообміну. За даними різних джерел, втрати потужності на привід ГРМ сягають 20-30%, з відповідним збільшенням габаритів та маси двигуна. Крім того, лише один робочий хід на два оберти колінчастого валу спричинює відчутну нерівномірність роботи. Це, в свою чергу, вимагає впровадження серйозних конструкторсько-технологічних міроприємств для врівноважування двигуна: установки додаткових врівноважуючи валів, збільшення маси маховика тощо.

У двохтактних двигунах перебіг робочого процесу організовано таким чином, що проміжні такти стиску і випуску об’єднані з тактами впуску і розширення відповідно. Тобто, робочий хід поршня припадає на кожен оберт колінчастого валу. Це дає змогу отримати досить суттєві переваги перед чотирьохтактними двигунами. Так, зокрема, за даними різних джерел, потужність двохтактних двигунів у 1,5-1,8 рази більша. Габарити і маса, внаслідок відсутності ГРМ, на 40-50% менші. В той же час, двохтактні двигуни простіші за конструкцією і в обслуговуванні.

Однак, двохтактним ДВЗ притаманні серйозні недоліки. Перш за все, це значно більша величина питомої витрати палива та токсичність відпрацьованих газів. Так, зокрема, мінімальна питома витрата палива кращих двохтактних ДВЗ автомобільно-мотоциклетного типу сягає 350-450 г/кВтгод, а витрата мастила – до 2% цієї величини. Тому, на сьогоднішній момент часу двохтактні ДВЗ практично перестали використовуватись на автомобілях в якості основного двигуна.

Однак розвиток науково-технічного прогресу не оминув і царину двохтактних ДВЗ. Їх безсумнівні переваги по простоті конструкції, масогабаритних показниках та рівномірності ходу продовжують спонукати спеціалістів до проведення подальших дослідно-конструкторських робіт. Це, перш за все, стосується покращення паливної економічності та токсичності.

Так, зокрема, невеличка австралійська дослідницько-інжинірінгова компанія  Orbital Engine Co запропонувала та реалізувала новітню схему організації перебігу робочого процесу у бензиновому двохтактному ДВЗ (рис.7.1 а, б). Двигуни Orbital працюють наступним чином. Щойно поршень почне рухатись до ВМТ і перекриє газорозподільчі вікна, як паливна форсунка впорскує необхідну дозу палива безпосередньо в камеру згоряння. Причому, впорскування палива форсункою здійснюється у суміші з невеличкою порцією стиснутого повітря. Тобто, у вигляді суспензії. У двигунах Orbital, крім того, застосовано роздільну систему мащення (не додається до бензину) елементів КШМ.

а)	б)
Рис.7.1 Схема роботи двохтактного ДВЗ Orbital

 

Впровадження вище згаданих технологій дозволило створити двигун з наступними характеристиками: Vh=1,2л i=3, m=80кг, Ne=81к.с./6000хв^-1, Mk=130Нм/3300хв^-1, ge_min=250г/кВтгод. А застосування системи рециркуляції відпрацьованих газів та каталітичного нейтралізатора дало можливість успішно пройти випробування на відповідність каліфорнійським нормам чистоти вихлопу ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) 2012р.

Однак, не зважаючи на отримані обнадійливі результати та меншу (близько 200$ на кожен двигун) собівартість виробництва мова про масове впровадження таких двигунів на автомобільному транспорті не ведеться.

Ще більших успіхів у покращенні паливно-економічних та токсичних показників двохтактних ДВЗ досягла корпорація Bombardier Recreational Products (BRP). На своїх двигунах Evinrude останнього покоління вона застосувала технологію інтенсивного розшарування впорскуваного палива, під загальною назвою E-TEC. Сутність роботи такої технології полягає у застосуванні бензинової форсунки особливої конструкції та програмного забезпечення бортового комп’ютера, що керує процесами подачі палива. На відмінку від чотирьохтактних, у двохтактних двигунах потрібно забезпечити вдвічі коротшу тривалість імпульсу подачі палива, що дуже важко вдається навіть за сучасного рівня розвитку відповідних технологій. Однак спеціалістам BRP це вдалося. Технологія E-TEC передбачає, що у паливній форсунці масивний сердечник виконано нерухомим, а котушку, зв’язану з плунжером, навпаки – рухомою. Так як котушка набагато легша сердечника, то це дає змогу якісно керувати її рухом, уникаючи втрат та неточностей, пов’язаних з інерційністю системи.

Так, зокрема, бортовий комп’ютер спочатку дає короткий імпульс на котушку, приводячи її у рух – відбувається подача та розпилювання палива. Потім, другим імпульсом, але вже оберненої полярності, гальмує рух котушки у необхідний момент та повертає її у висхідне положення. І, нарешті, третім імпульсом, теж оберненої полярності, стабілізує котушку у висхідному положенні, для уникнення коливальних та резонансних явищ.

В результаті, за повідомленнями корпорації, її базові 40-сильні двигуни мають на 40% кращі показники питомої витрати палива та токсичності, відносно аналогічних чотирьохтактних.

Бажання якомога повніше використати теплоту, що втрачається з відпрацьованими газами та відводиться в систему охолодження, але без застосування додаткових спеціальних систем призвели до появи комбінованих силових установок. Такі силові установки поєднують у собі особливості класичних ДВЗ та парової машини. В загальному випадку, робочий цикл таких двигунів отримав назву шеститактного.

Ідея такого двигуна наступна: після чотирьох тактів звичайного чотирьохтактного двигуна організовуються ще два, під час яких у циліндри впорскується не паливо, а охолоджувач (за звичай, вода). Нагріваючись від стінок камери згоряння, циліндра та днища поршня, температура яких сягає близько 800-900⁰С, охолоджувач переходить у газоподібний стан, створюючи тиск, необхідний для нового робочого ходу (п’ятий такт). Видалення із циліндра нового відпрацьованого робочого тіла (пари) здійснюється протягом наступного – «шостого» - такту.

На сьогоднішній момент часу відомі такі конструкції шеститактних двигунів: Баюласа, Біра, Кроуера та Велозета, відомості про які майже одночасно почали з’являтись у 1990х роках. Хоча вперше ідею організації такого циклу було запатентовано англійським інженером Семюелем Гріффіном у 1883р. А у 1886р, розпочався серійний випуск таких двигунів для потреб великої енергетики (стаціонарних). У РФ проводяться серйозні дослідження по застосуванню шеститактного циклу для потреб військової техніки.

За даними різних джерел, шеститактним двигунам притаманні наступні головні переваги:

1.    Менша на 40-60% мінімальна питома витрата палива.

2.    Зменшений вміст шкідливих компонентів у ВГ (практично відсутні СО та CmHn, до 70% зниження NOx).

3.    Менші на 30-40% маса і габарити двигуна, внаслідок відсутності системи охолодження.

В той же час, ці двигуни дуже вибагливі до якості використовуваної води (необхідна виключно дистильована) та потребують попереднього прогріву «звичайним» чотирьохтактним циклом. Крім того, після зупинки такого двигуна необхідно здійснити видалення з циліндрів водяної пари і води. Також, для виробництва шеститактних двигунів виникає необхідність використання спеціальних конструктивних матеріалів, стійких до корозії та різких температурних перепадів.

 

Література: [1.1-1.11],ст.134-136,120-122,284-286,300-330; [,2.2],ст.6-8; [2.6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекція №8

1. Переваги і недоліки традиційної поршневої машини.

2. Безшатунні двигуни.

 

Найбільшого розповсюдження на автотранспорті набули тронкові ДВЗ з кривошипно-шатунним механізмом. Цей механізм конструктивно простий, дає змогу отримати значні ступені стиску, але йому притаманні суттєві недоліки. Основний з них—виникнення знакозмінної бічної сили, спричиненої коливальним рухом шатуна. Ця бічна сила притискає поршень до стінок циліндра, викликаючи передчасне зношування як першого, так і другого. Величина цієї сили становить близько 20% сили від середнього індикаторного тиску. Крім того, коливальний рух шатуна не дає змоги в повній мірі використати підпоршневу порожнину для здійснення робочого процесу.

Ці та інші причини спонукали спеціалістів до створення такого механізму перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний валу відбору потужності, що не мав би коливаючихся елементів—шатунів, а лише такі, які б здійснювали тільки прямолінійний рух. Такі перетворюючі механізми отримали загальну назву—“безшатунні”.

Вперше механізм подібного типу було запроектовано і збудовано в СРСР у 1949 році. Автором ідеї був інженер С.С. Баландін, який до цього займався поршневими авіаційними моторами.

Перший дослідний двигун (авіаційний, 4циліндровий, +-подібного типу, повітряного охолодження) ОМБ-21 розвинув 140к.с./1600хв^-1 при Vh=5,3л та ε=5,5, проти 100к.с./ 1600хв^-1  п’ятициліндрового М-11 з Vh=6,4л. Пізніше було створено робочі зразки двигунів різних типів—дизелів, карбюраторних, з впорскуванням бензину, одинарної і подвійної дії, парових — та різної потужності, аж до 10тис.к.с.

Однак ера поршневих авіаційних двигунів закінчилась, а для потреб інших видів транспорту, в тому числі і автомобільного, механізм Баландіна виявився заскладним. Роботи було згорнуто, не зважаючи на отримані позитивні і обнадійливі результати. Крім того, не останню роль відіграло й те, що для реалізації роботи безшатунного механізму (виведення колін кривошипів з мертвих точок) необхідно  було вводити в кінематичну схему додаткову ланку, або ж забезпечити надточну підгонку спряжених елементів. У двигунах Баландіна застосовувався другий шлях. Однак і він виявився тупиковим.

На нинішній момент час-від-часу з’являються вдосконалені конструкції безшатунних двигунів типу Баландіна, але далі проектів та окремих дослідних зразків справа не посувається.

Так, зокрема, українському винахіднику О. Вулю вдалось реалізувати у металі свій варіант схеми Баландіна, що отримав назву «двигун Вуля».

О. Вуль також використав схему без додаткової кінематичної ланки, застосувавши спеціальні підшипники власної розробки. Особливістю цих підшипників є так звана «піддатливість» — можливість налаштовуватись на положення вала і працювати без заклинювань у положеннях мертвих точок.

Взявши за основу класичний дизель легкового автомобіля Subaru, О.Вуль створив роботоздатний двигун двохсторонньої дії (підпоршнева частина використовується як механічний компресор) з наступними параметрами: Vh=2,0л; i=4; Ne/n=110кВт/6300хв^-1;  ge_min=160-170г/кВтгод;  m=160кг. Стендовий наробіток двигуна склав 5000годин. Однак, як і усім іншим безшатунним, двигуну Вуля також притаманний спільний суттєвий недолік — наявність синхронізуючого вала.

Частковим випадком безшатунного двигуна є так званий двохшатунний двигун. Принцип роботи перетворюючого механізму такого двигуна полягає у закріплені на одному поршні двох шатунів. Ці шатуни розміщуються таким чином, що коливаються в протилежних напрямках, компенсуючи бічні сили один одного, та приводять у дію два окремі колінчасті вали. Прикладом такого типу двигуна може бути двигун, створений в донецькому політехнічному інституті в кінці 90х років ХХ століття (рис. 8.1).

Згідно повідомлень розробників, ефективні показники двигуна такого типу переважають такі ж показники звичайних одношатунних ДВЗ приблизно в 1,2-1,5 рази. Однак після детальнішого огляду та аналізу кінематики і роботи запропонованого двохшатунного перетворюючого механізму істинність таких повідомлень виглядить дещо сумнівною.

 

 

Рис.8.1

 

 

 

 

 

Література: [1.1-1.11],ст.134-136,120-122,284-286,300-330; [,2.2],ст.6-8; [2.6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекція №9

1. Парові роторні двигуни.

2. Роторно-поршневі та сфероїдні ДВЗ.

 

Як би не вдосконалювалась поршнева робоча машина, їй все одно притаманний той суттєвий недолік, що випливає з особливостей кінематичної схеми — зворотно-поступальний рух поршня. Можна створити безшатунний двигун, можна створити ще якийсь перетворюючий механізм, але зворотно-поступальний рух поршня залишатиметься.

Думка про створення робочої машини, яка б мала лише обертальний рух робочих елементів непокоїть спеціалістів ще з моменту створення поршневої машини. Так, зокрема, ще винахідник парової машини Джеймс Ватт намагався створити роторну парову машину (рис.9.1 ).

	Пізніше, різними винахід-никами, у різних країнах, було створено безліч найрізноманітніших зразків роторних машин, але всі вони, або ж більша частина, залишились лише експонатами технічних музеїв. Роторні парові машини не створили помітної конкуренції поршневим, головним чином внаслідок недосконалості систем ущільнення робочих порожнин між ротором і корпусом.
Рис.9.1

Найбільш вдалою, на думку багатьох спеціалістів, виявилась парова роторна (коловратна) машина петербурзького інженера-механіка М.М. Тверського, яку він створив у 1880р. Основу двигуна складав двохкрильчастий ротор 1, що радіально обертався у корпусі 3 (рис.9.2). Зміна та герметизація об’єму камер забезпечувалась синхронним обертанням сателітів 2 (барабанчиків). Сателіти мали спеціальні, профільовані кишені для заходу крилець ротора і були посаджені у свої гнізда з малим зазором. Це давало змогу звести до мінімуму втрати на тертя. Двигун не мав жодної деталі із зворотно-поступальним рухом і був ідеально врівноваженим.

Рис.9.2

Машина М.М. Тверського широко застосовувалась на пароплавах, що курсували в акваторії Неви, динамомашинах та дослідних зразках субмарин. Однак, з появою дизелів та парових турбін, була витиснена із вжитку та практично забута. В той же час слід відмітити, що саме парова машина М.М. Тверського вважається прообразом сучасних роторних двигунів внутрішнього згоряння. А у зв’язку із загостренням паливно-екологічних проблем та появою новітніх матеріалів і технологій, все частіше з’являються повідомлення про створення різноманітних типів теплових двигунів, що використовують принципи машини М.М. Тверського.

З появою ДВЗ ідея “роторизації” “перекочувала” і на цю ниву. Знову з’являється неймовірна кількість конструкцій роторних, тепер вже ДВЗ. Практично всіх їх спіткала сумна доля парових роторних машин. І якщо в парових машинах проблема надійності ущільнень більш-менш була вирішена в допустимих межах, то для ДВЗ вона стала практично нездоланим бар’єром.

Лише на початку 50х років ХХ століття німецькому інженеру Феліксу Ванкелю (Felix Wankel) вдалося створити роботоспроможну конструкцію роторного (роторно-поршневого) ДВЗ (РПД). В принципі, заслуга Ф. Ванкеля полягає у тому, що взявши за основу двигуна роторно-поршневий компресор (див. рис.5.12) з планетарним рухом трикутного ротора, він створив принципово просту та надійну систему ущільнень. Ця система (рис. 9.3) складається з радіальних лопаток-1 у вершинах ротора і торцевих планок-2, що замикаються у циліндричних сухариках-3.

Рис.9.3

Співпрацюючи з фірмою NSU (нинішня Audi) Ф. Ванкель створив ряд конструкцій роторно-поршневих двигунів, що досягли рівня серійних. Ці зразки двигунів показали свою повну перевагу перед ПДВЗ практично за всіма показниками. Багато фірм постарались придбати ліцензії та права на виробництво таких двигунів.

Однак на початку 70х років ХХ століття інтерес до РПД  почав згасати і переростати у різко негативне відношення. Практично всі фірми, що займались РПД поспішили оголосити його „безперспективним” та згорнути роботи. Основні аргументи, що висувались на той час та й зараз наступні:

1. Підвищена на 15-20% витрата палива.

2. Ненадійність елементів ущільнення ротора.

3. Малий моторесурс.

4. Складність обробки профілю робочої порожнини і ротора.

Однак, якщо спробувати розібратись в ситуації об’єктивно, то вона виглядатиме наступним чином.

Підвищена витрата палива.

На перших конструкціях РПД застосовувалась паливна апаратура серійних ПДВЗ. Однак приготування карбюраторами відносно якісних гомогенних (однорідних) сумішей для РПД виявилося ... неприйнятним. В силу специфіки конструкції та кінематики роторної циклоїдальної машини відбувається часткова конденсація парів палива у пристінній зоні робочої камери, холоднішій, ніж у ПДВЗ. Це призводить до збагачення горючої суміші, але „не в тих” місцях, що погіршує умови займання.

Крім того, фронт полум’я в РПД ніколи не підіймається вище свічки запалювання. Це спричинює затягування процесу згоряння та значне догоряння, про що свідчить підвищена температура відпрацьованих газів (1850-1900К).

Застосування методів розшарування суміші із збагаченням її в передній частині камери та двох свічок на одну секцію дозволили довести величину =250-270г/кВт∙год, що сягає рівня сучасних карбюраторних ПДВЗ.

Цікаве вирішення проблем економічності та багатопаливності запропонувала фірма Curtis-Write, що знайшло подальший розвиток при створенні РПД типу  SCORE фірмою John Deere. Остання закупила всі права на РПД у Curtis-Write у 1984 році. Відтоді відділення фірми John Deere, що займається РПД, є окремою ланкою — Rotary Power International (RPI). Її РПД типу SCORE (Stratified Charge Omnivorous Rotary Engine — багатопаливний роторний двигун з розшаруванням заряду) працює наступним чином (рис. 9.4).

 

 

 

 

На такті впуску у робочу порожнину РПД турбокомпресором нагнітається чисте повітря. В кінці такту стиску чергова форсунка-2 (Pilot injector) впорскує незначну дозу палива на електроди іскрової свічки запалювання-3. Цим формується черговий факел полум’я. Об’єм дози палива, що впорскується черговою форсункою, практично незмін-ний і достатній лише для роботи двигуна на мінімальній частоті холостого ходу (nXXmin) Після цього, головна форсунка- 4 (Main injector) впорскує основну дозу

Рис.9.4

палива в зону високого тиску і  температури (≈2200⁰С) сформованого чергового факела. Об’єм дози палива, що впорскується головною форсункою змінюється в залежності від навантаження.

В результаті такої двостадійної подачі палива забезпечується розшарування суміші із збагаченням її в зоні свічки, інтенсифікація  передокислювальних процесів, процесів крекінгу частинок палива та горіння. Загальна величина α сягає α≈2 (1:25). За даними фірми вже є зразки, що працюють без втрати потужності з відношенням „паливо-повітря” 1:100, хоча ці відомості більше схожі на рекламно-пропагандистський трюк. Така схема дає можливість застосовувати в якості запального палива легкозаймисті речовини: бензини, спирти, горючі гази; в якості ж основного — важкозаймисті: дизпаливо, гас, важкі нафтопродукти, сиру нафту. РПД SCORE мають ε_геом=8,5, ступінь підвищення тиску турбокомпресором — π_к=2,0 і g_emin=245-270г/кВт∙год.

Фірма RPI випускає РПД для потреб військового відомства і NASA. Ведуться спільні роботи з Національним Науково-Дослідницьким Інститутом Газу по створенню чисто газових та газ+рідке паливо версій РПД SCORE.

Споживачів РПД SCORE перш за все приваблюють багатопаливність і висока питома потужність, що у поєднанні з надійністю (гарантія наробітку 2000-6000годин) робить їх серйозними конкурентами ПДВЗ в сфері спеціальних машин.

Про паливну економічність РПД можна говорити багато, однак навіть на сучасному етапі вона сягає g_emin=220-270г/кВт∙год. Слід усе ж відмітити, що резерви зменшення витрат палива в РПД ще досить великі, а його вдвічі менша питома маса створює сприятливі умови для низької витрати палива транспортними засобами.

Ненадійність елементів ущільнення ротора і малий моторесурс.

На всіх сучасних РПД використовується схема ущільнень, що складається, як вже згадувалось вище, з радіальних лопаток, торцевих планок та циліндричних сухариків. Ця схема є конструктивно простою і задовольняє всі вимоги, що накладаються на системи ущільнень бензинових ПДВЗ. Однак висока частота обертання ротора (до 3,5тис. об/хв.) створює значну відцентрову силу, що притискає радіальні лопатки до робочої поверхні статора і викликає їх передчасне зношування (стирання). Крім того, та частина робочої порожнини РПД, де відбуваються процеси „згоряння-розширення-випуску” не змащується, що також негативно впливає на тривалість роботи лопаток. Внаслідок цих причин на перших конструкціях РПД лопатки „виходили” ≈1000годин.

На теперішній час покращення надійності і тривалості роботи елементів ущільнення ротора досягається виключно за рахунок використання сучасних матеріалів, наприклад кераміки. Так, зокрема, на РПД сімейства ВАЗ лопатки виготовляють з матеріалу „феротікар” (часточки карбіду титану в порошці заліза), а покриття робочої поверхні статора—з матеріалу „нікасил” (часточки карбіду кремнію на нікелевій основі).

Підчас роботи РПД часточки карбіду титану ніби „скачуть” по часточках карбіду кремнію. Це дає змогу досягти надійної герметизації камер за рахунок багатоточкового контакту, а тривалість роботи суттєво підвищується внаслідок низького коефіцієнту тертя вищезгаданих матеріалів. За даними СКБ РПД ВАЗ експериментальні зразки двигунів 4ї серії (ВАЗ-411,412,413,414,415) „находять” до 1млн.км.

Фірма RPI  при виробництві РПД SCORE для виготовлення елементів ущільнення ротора застосовує якісні зразки чавуну, подібного за складом до того, що йде на виробництво верхніх компресійних кілець дизелів. Наробіток РПД SCORE сягає 6000-8000годин.

Японська фірма ММС використовує металокерамічні лопатки, не повідомляючи про склад матеріалу, а робочу поверхню статора виготовляє із сталевої стрічки, з наступним пористим хромуванням та запресовуванням в алюмінієвий корпус. Наробіток РПД ММС сягає ≈0,5млн.км. В той же час фірма повідомляє, що доводити тривалість наробітку РПД до термінів ›1,0млн.км є можливим. При чому, навіть без застосування так званих «космічних» технологій. Проте, наробіток автомобільного двигуна, адекватний такому пробігу не є доцільним, тому що за цей час (4-6років) сама екіпажна частина стає морально застарілою.

 Складність обробки профілю робочої порожнини і ротора.

При створенні перших зразків РПД конструкторам приходилось вдаватися до різних технологічних хитрощів: лекала, копіри, використання зубодовбальних верстатів із спеціальною наладкою. Це, звичайно ускладнювало та збільшувало вартість виробництва. На теперішній момент часу проблема відпала сама по собі, за рахунок появи верстатів ЧПУ. Звичайні 6-ти координатні верстати дають можливість вирішити питання обробки профілів просто, витримуючи при цьому необхідні вимоги до точності та шорсткості поверхонь. В той же час слід відмітити, що формування профілю поршнів необхідної якості для ПДВЗ можна отримати лише на спеціальному обладнанні.

Принцип роботи сфероїдного двигуна можна уявити ознайомившись з дослідним зразком такого двигуна, розробленого в ДонДТУ. Двигун складається з наступних основних елементів: корпуса-1 із сферичною робочою поверхнею; поршня-2, з елементами ущільнення та важелем-3; поршневого пальця-4; валу відбору потужності-6 (ВВП) з кривошипом-5 (рис. 9.5 ).

Двигун працює наступним чином. Поршень-2 розміщений у робочій камері таким чином, що ділить її на дві порожнини А і Б. Здійснюючи складний коливально-кутовий рух відносно вершини В робочої камери, пальця-4 і кривошипа-5, поршень-2 спричинює зміну об’єму у порожнинах А і Б. Це дає можливість організувати в них перебіг термодинамічного процесу  за дво-  або чотирьохтактним циклом.

Рис.9.5

Крім того, коливально-кутовий рух поршня-2 викликає обертання ВВП-6 за рахунок підбору геометричних параметрів важеля-3 і кривошипа-5.

Автори проекту відмічають, що даний тип двигуна має більшу на 20-30% потужність у порівнянні з двотактними ДВЗ, кращі масогабаритні показники. Однак поряд із цим вказується і на недоліки: 5-10% більша питома витрата палива; можливість застосування лише в агрегатах малої (до 10кВт) потужності; технологічні складнощі і т.п., що пояснюються „сирістю” конструкції і необхідністю проведення великої кількості подальших доводочних робіт.

Література: [1.1-1.11],ст.134-136,120-122,284-286,300-330; [,2.2],ст.6-8; [2.6]

 

Лекція №10

1. Газотурбінні двигуни (ГТД).

2. Парові двигуни.

 

Газотурбінні двигуни відносяться до ДВЗ з безперервним (нециклічним) протіканням робочого процесу. Принципова схема ГТД за своєю простотою переважає всі відомі типи ДВЗ, що продовжує спонукати спеціалістів до проведення пошукових робіт в цьому напрямку. Окрім простоти конструкції приваблюють й інші якості ГТД: багатопаливність; низька токсичність відпрацьованих газів, спричинена великими значеннями коефіцієнта надлишку повітря та невисокими температурами згоряння; висока питома потужність; рівномірність ходу; практично ідеальний характер протікання тягово-швидкісної характеристики для наземних транспортних засобів (двох- і трьохвальні ГТД).

При створенні ГТД автотракторного типу практично всі фірми- виробники зупинилися на двох- і трьохвальних схемах (рис.  10.1, 10.2).

Рис.10.1 1.Компресор. 2.Турбіна компресора. 3.Силова турбіна.4.Теплообмінник-рекуператор. 5.Камера згоряння. 6.Свічка запалювання. 7.Паливна форсунка.

Двохвальний ГТД, в загальному випадку, працює наступним чином. Компресор-1 нагнітає повітря в камеру згоряння-5, куди форсункою-7 безперервно впорскується паливо. Горючі гази проходять спочатку через турбіну-2 компресора-1, а потім — через силову турбіну-3, зв’язану з трансмісією. Для кращого використання тепла горючих газів ГТД обладнують теплообмінником-4. Теплообмінник-4 може перепускати частину відпрацьованих газів (до 70%), ще багатих киснем та недогорілими вуглеводнями на вхід камери згоряння-5. Тут до газів додається стиснуте повітря від компресора-1. Температура свіжого заряду  на вході в КЗ підвищується, що дає можливість зменшити кількість палива для досягнення необхідної потужності. Окрім перепуску частини відпрацьованих газів в теплообміннику може використовуватись речовина-теплоносій. В якості такої речовини служить, як правило, повітря або спеціальний газ (Не).

Рис.10.2 1. Компресор низького тиску. 2. Компресор високого тиску. 3.Турбіна компресора високого тиску. 4.Турбіна компресора низького тиску. 5.Силова турбіна. 6.Камера згоряння. 7.Паливна форсунка. 8.Свічка запалювання. 9.Теплообмінник-рекуператор

Трьохвальний ГТД відрізняється від вище згаданого наявністю додаткової турбіни-3 та компресора-2 високого тиску. Це дає змогу повніше використати теплову енергію відпрацьованих газів (до 90%). Крім того, для збільшення кількості повітря, що нагнітається у двигун, після компресора-1 може встановлюватись проміжний охолоджувач.

На сучасних ГТД автотракторного типу набули розповсюдження теплообмінники (рекуператори) регенеративного типу. Вони являють собою барабани або набір дисків із сильно розвинутою поверхнею, утвореною дрібностільниковою конструкцією на основі кераміки. Вісь обертання робочих елементів теплообмінника -на поздовжній осі двигуна.

Термічний ККД теплового двигуна, а отже, і витрата палива, як відомо, залежать від перепаду температур. Традиційні матеріали (леговані сталі, жароміцні та жаростійкі сплави) дозволяють лопаткам турбін працювати з робочою температурою 850-900⁰С. Застосування охолоджуваних лопаток дозволило підняти температурну межу до 1100-1200⁰С, але виробництво таких лопаток виявилось дорогим.

Наприкінці 80х років ХХст в СРСР шляхом спікання з порошку нітриду кремнію були створені колеса турбін, що витримували робочі температури 1400-1800⁰С. Однак висока вартість виробництва зумовила лише обмежене використання таких ГТД на військовій техніці (танки).

На теперішній момент часу широке розповсюдження ГТД стримується наступними їх недоліками:

1. Висока частота вихідного валу (30-50тис.хв^-1).

2. Висока питома витрата палива на часткових режимах (до 500г/кВт·год)

3. Висока собівартість виготовлення за рахунок використання найновітніших матеріалів і технологій.

4. Втрата переваг по питомій потужності перед ПДВЗ внаслідок необхідності обладнання ГТД пристроями-рекуператорами.

Тому ГТД знайшли, поки що обмежене застосування на військових машинах, залізничному та спеціальному транспорті.

Парові двигуни (ПД) знову привернули до себе увагу автомобілістів у 70-ті роки ХХст. В першу чергу, це було пов’язане з проблемою нафтової кризи та забрудненням довкілля.

Парова машина являється тепловим двигуном зовнішнього згоряння. Термічний ККД такого двигуна залежить від ефективності перенесення теплоти від продуктів згоряння до робочого тіла та втрат тепла на випаровування. Ці фактори зумовлюють низьку паливну економічність ПД відносно ДВЗ. Так, зокрема,  кращих паровозів (60-70ті роки ХХст) сягав до 9%, а найперших ДВЗ початку ХХ століття —15%.

Однак порівнюються, як правило, результати за найсприятливіших умов і режимів. Дійсно, при оптимальних частотах ДВЗ переважають ПД. Але наземні транспортні засоби, зокрема ДТЗ, значний період часу працюють на неусталених режимах. Крім того, ДВЗ вимагають агрегатування з коробкою передач.

ПД ж не має такої необхідності — характер протікання його тягово-швидкісної характеристики близький до ідеального. ПД також може стабільно працювати на дуже малих частотах. Тому експлуатаційна витрата палива у ПД мало відрізняється від такої ж для ДВЗ.

Великими недоліками ПД минулого були наявність парового котла великих розмірів і маси та недостатньо ефективне мащення циліндра. Однак на сучасному етапі загального розвитку науки і техніки ці недоліки ПД практично вирішені. Яскравим прикладом тому служить експериментальний зразок ПД фірми “Saab”, розроблений для автомобіля Saab 9000 у 1973 році. Спрощена схема цього ПД зображена на рис.  10.3.

В якості робочої машини застосовано двигун, типу гідростатичного. ПД працює наступним чином. Вода з бака-1 насосом подається магістраллю-8 у парогенератор-9. Парогенератор-9 представляє собою набір із 120 дисків, утворених трубками Ø 1мм і товщиною стінки δ=1мм. Відстань між дисками та трубками становить також 1 мм. Така конструкція котла забезпечує дуже ефективну теплопередачу. У котлі-9 вода перетворюється на перегріту пару з параметрами: Р=10-15 МПа і t=350-450⁰С. Магістраллю-11 пара направляється у золотниковий пристрій-12, що розподіляє її по циліндрах.

Переміщуючись у циліндрах, поршні-3 спричинюють коливальний рух похилого диска-4 навколо шарової опори-5. В результаті цього, ведучий вал-6 головної передачі отримує обертальний рух і приводить ведений вал-7, що зв’язаний з ведучими колесами. Відпрацьована пара відводиться з циліндрів у бак-1. Проходячи крізь товщу води, пара нагріває її до 50⁰С і остаточно конденсується, що запобігає надмірній витраті палива.

	1.Водяний бак-конденсатор 2.Циліндри 3.Поршні із штоками 4.Похила шайба з зубчастим вінцем 5.Шарова опора 6.Ведучий вал головної передачі 7.Ведений вал головної передачі 8.Магістраль подачі води у парогенератор 9.Парогенератор 10.Паливна форсунка 11.Магістраль пари високого тиску 12.Золотниковий пристрій
Рис.10.3

За даними фірми ПД має наступні параметри: Vh=4,5л, i=9, n_N=3000хв^-1, Ne=250к.с.; загальна маса установки разом із котлом не перевищує m=25кг. Час пуску холодного двигуна, з виходом на n_N, становить 30с за нормальних умов.

Фірма звертає увагу на можливість застосування в ПД палив, що не підходять для використання у звичайних ПДВЗ (важкі мазути, низькооктанові нафтові і газові фракції, вугільний пил тощо). Встановлення даного ПД на автомобілі дало можливість повністю відмовитись від коробки передач. ПД забезпечує швидкість Va=150км/год і можливість руху автомобіля заднім ходом.

Двигун Ватанабе (Vatanabe)

Двигун відноситься до парових двигунів так званої внутрішньої генерації. Тобто, процес пароутворення відбувається у камері робочої машини, безпосередньо перед розширенням. Робочий цикл такого двигуна здійснюється наступним чином.

І такт. Впуск. Під час впуску в робочу камеру надходить чисте повітря (аналогічно дизелям).

ІІ такт. Стиск. В кінці такту стиску в робочу камеру спеціальними форсунками подається водяний пил та газоподібний водень (Н₂). Нагріваючись від температури стиснутого повітря водяний пил перетворюється на насичену пару. Повітряно-паро-воднева суміш займається електричною іскровою свічкою.

ІІІ такт. Згоряння-розширення. Завдяки майже ідеальній займаючій здатності у різних середовищах, притаманній водню (був би лише наявний кисень), і виділяючогося тепла насичена пара перетворюється у перегріту. Тиск майже миттєво зростає до 40МПа за температури 383,3⁰С, що спричинює робочий хід.

ІV такт. Випуск. Аналогічний такому ж у ДВЗ. Відпрацьована пароповітряна суміш відводиться в атмосферу.

В якості робочої машини було використано стандартний РПД з Vh=2×650см³ (автомобіль Mazda RX-4). На полігоні Мійосі (околиці Токіо) дослідницький автомобіль розвинув максимальну швидкість Va=180км/год. Після збільшення діаметра вихлопної труби максимальна швидкість зросла до Va=210км/год.

Водень зберігається на борту автомобіля у спеціальному гідридному бакові. Об’єм водню складає 70м³, що еквівалентно 11л бензину. Маса бака 280кг, запас ходу автомобіля — 220км.

Відмічається, що двигун не потребує системи охолодження, так як його робоча температура не перевищує 20⁰С (ніби „охолоджується” з середини), а коробка передач необхідна лише для забезпечення заднього ходу.

 

 

 

Література: [1.6,1.10],ст.134-136,122,284-286,300-303; [2.2],ст.12-17