Научная статья по двигателям

Содержание
  1. Возможность улучшения работы поршневого двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  2. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Рыжих Николай Егорович
  3. Текст научной работы на тему «Возможность улучшения работы поршневого двигателя внутреннего сгорания»
  4. Нестандартные электрические двигатели Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
  5. Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мумиков Антон Дмитриевич, Семёнов Денис Михайлович
  6. Текст научной работы на тему «Нестандартные электрические двигатели»
  7. Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  8. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Морозов В.А., Морозова О.Н.
  9. Increasung efficiency of internal combustion engines
  10. Текст научной работы на тему «Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания»
  11. Анализ существующих и перспективных технических решений по двигателям внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  12. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Грабовский Александр Андреевич, Семенов Александр Алексеевич, Швецов Александр Владимирович
  13. Текст научной работы на тему «Анализ существующих и перспективных технических решений по двигателям внутреннего сгорания»
  14. Двигатель внешнего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  15. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Шалай Виктор Владимирович, Макушев Юрий Петрович
  16. External combustion engine
  17. Текст научной работы на тему «Двигатель внешнего сгорания»
  18. Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  19. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Осипов Артур Геннадьевич
  20. Vane internal combustion engine upgrade
  21. Текст научной работы на тему «Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания»
  22. Научная статья на тему «Исследование факторов влияющих на экономичность двигателя внутреннего сгорания»
  23. Закажите такую же работу
  24. Разработка динамических моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания и опыт их применения Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  25. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Агуреев Игорь Евгеньевич, Малиованов Михаил Вениаминович, Хмелев Роман Николаевич
  26. DEVELOPMENT OF DYNAMIC MODELS OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND USING EXPERIENCE
  27. Текст научной работы на тему «Разработка динамических моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания и опыт их применения»
  28. Сопоставительный анализ инновационных закономерностей развития авиационных двигателей Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  29. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Селиванов Сергей Григорьевич, Поезжалова Светлана Николаевна
  30. The comparative analysis of innovative regularities of aviation engines development
  31. Текст научной работы на тему «Сопоставительный анализ инновационных закономерностей развития авиационных двигателей»
  32. Электрогидродинамический двигатель Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  33. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Соковиков Вячеслав Капитонович, Строков Павел Игоревич, Бекаев Андрей Анатольевич
  34. Electrohydrodynamic engine
  35. Текст научной работы на тему «Электрогидродинамический двигатель»
  36. Исследование отложений в автомобильных двигателях Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  37. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кузьмин Н. А., Зеленцов В. В., Донато И. О.
  38. RESEARCH OF ADJOURNMENT IN AUTOMOBILE ENGINES
  39. Текст научной работы на тему «Исследование отложений в автомобильных двигателях»
  40. Реактивные двигательные установки Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  41. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Зиятдинов Р. Х., Коротков Ю. Ф., Мухаметзянов М. А., Шагивалеев А. У.
  42. Текст научной работы на тему «Реактивные двигательные установки»
  43. Газотурбинный двигатель для наземного транспорта Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  44. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — В. И. Яишников, А. М. Карпенко
  45. Gas-turbine engine for land vehicles
  46. Текст научной работы на тему «Газотурбинный двигатель для наземного транспорта»
  47. Роторно-винтовые двигатели Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  48. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Пузырёв Евгений Михайлович, Голубев Вадим Алексеевич, Пузырёв Михаил Евгеньевич
  49. Текст научной работы на тему «Роторно-винтовые двигатели»
  50. Исследование причин разрушения двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  51. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Маломыжев Олег Львович, Бектемиров, Круглов Максим Эдуардович, Черноусов Евгений Павлович
  52. STUDIES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE DISINTEGRATION CAUSES
  53. Текст научной работы на тему «Исследование причин разрушения двигателя внутреннего сгорания»
  54. Двухконтурный турбореактивный двигатель Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  55. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Письменный В.Л.
  56. Bypass Turbojet Engines
  57. Текст научной работы на тему «Двухконтурный турбореактивный двигатель»
  58. Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  59. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Жуков Владимир Анатольевич, Яманин Александр Иванович, Мельник Олеся Владимировна
  60. SIX STORKE ENGINES: OPERATING PROCEDURE AND SCHEMES OF CRANKSHAFTS
  61. Текст научной работы на тему «Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов»
  62. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кузнецов М.Д.
  63. Перспективные монотопливные термокаталитические двигатели Текст научной статьи по специальности « Химические технологии»
  64. Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Нестеренко А. Н., Солодова С. В.
  65. Perspective monofuel thermocatalytic engines
  66. Текст научной работы на тему «Перспективные монотопливные термокаталитические двигатели»
  67. Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  68. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Грабовский А. А., Аверьянова Е. С.
  69. Discrete power alteration of internal combustion engines
  70. Текст научной работы на тему «Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания»
  71. Перспективы применения роторно-поршневых двигателей
  72. Библиографическое описание:
  73. Газотурбинный двигатель для газовой промышленности Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  74. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Романов В. И., Кучеренко О. С.
  75. Текст научной работы на тему «Газотурбинный двигатель для газовой промышленности»
  76. Влияние качества ремонта двигателей на их долговечность Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»
  77. Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Иванов В. П., Кастрюк А. П.
  78. Текст научной работы на тему «Влияние качества ремонта двигателей на их долговечность»
  79. Исследование возможности использования водорода в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Химические технологии»
  80. Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Новоселов Сергей Владимирович
  81. Текст научной работы на тему «Исследование возможности использования водорода в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания»

Возможность улучшения работы поршневого двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Рыжих Николай Егорович

В статье излагается причина низкого КПД двигателей и предлагается возможность его увеличения за счет повышения степени сжатия и применения в камере сгорания дополнительной расширительной камеры для перемещения в нее повышенного давления. В результате устраняется детонация, улучшается реализация давления на кривошип и обеспечивается мягкая работа двигателя.

Текст научной работы на тему «Возможность улучшения работы поршневого двигателя внутреннего сгорания»

ВОЗМОЖНОСТЬ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В статье излагается причина низкого КПД двигателей и предлагается возможность его увеличения за счет повышения степени сжатия и применения в камере сгорания дополнительной расширительной камеры для перемещения в нее повышенного давления. В результате устраняется детонация, улучшается реализация давления на кривошип и обеспечивается мягкая работа двигателя.

поворота кривошипа, появления возрастающего плеча, утечки газов (снижения давления) оставшиеся газы давят на плечо (на кривошип). Последнее реализует сохранившееся давление на вращение коленчатого вала, т. е. на полезную работу.

Увеличение скорости вращения коленвала (4-5 тыс. об./мин) на существующих карбюраторных двигателях обеспечивает за время горения поворот кривошипа на больший угол, чем на малооборотистых двигателях, и получение возрастающего плеча для вращения коленвала давлением сгорающих газов. Это способствует лучшей реализации давления и, следовательно, повышению КПД двигателя.

Эффективной реализации давления газов в цилиндре двигателя можно добиться применением в двигателе двух кривошипов и двух шатунов на один поршень, работающих соответственно на сжатие и расширение, но это значительно усложнит конструкцию двигателя.

Постепенное расширение газов в камере сгорания с замедлением увеличения давления в момент максимального горения способствовало бы повороту кривошипа на больший угол за время горения, возрастанию плеча и, следовательно, лучшей реализации максимального давления газов, повышению КПД двигателя. Существуют различные приемы постепенного расширения газов в камере сгорания. Так, к примеру, поршни изготавливают с упругими, прогибающими днищами [2], это дает возможность повысить степень сжатия и избежать детонации; производить впрыск водяного пара в камеру сгорания [3]; применять дополнительную расширительную камеру в головке цилиндров, связанную с камерой

сгорания. Конструкция такой камеры разработана на кафедре «Тракторы и автомобили» КубГАУ[4].

На рисунке представлено устройство выравнивателя давления горения и показан разрез выпускного клапана с завихрительными

Выравниватель давления горения ДВС

Устройство состоит из корпуса 1, установленного с уплотнением 2 в головке 3 цилиндра двигателя и закрепленного пробкой 4. Внутри корпуса имеется впускной поршень-клапан 5 с перепускными каналами 6.

Пустотелый впускной поршень-клапан содержит гнездо 7 расширительной камеры 9, закрываемое с помощью пружины 8 впускным клапаном 10 с помощью рычагов 11.

Подвижной частью устройства являются клапан, смазка которого затруднена, но поскольку он открывается (двигается) потоком газа, симметрично обтекающего вокруг, это обеспечивает ему малое трение и долговечность работы. Смена горючего газа в расширительной камере

происходит на входе камеры, поэтому пружина, находящаяся в глубине, где расположены менее нагретые детали и водяная рубашка 15, в связи с этим, не должна перегреваться. Пружина воздействует на клапаны через теплоизоляционную шайбу 14.

При использовании бензина с низким октановым числом на двигателях с высокой степенью сжатия или при конструктивном повышении степени сжатия рабочий цикл на серийных двигателях нарушается преждевременным воспламенением рабочей смеси и увеличением давления.

На двигателях с предлагаемым устройством в начале горения, при повышении давления в камере сгорания больше давления пружины 8 происходит увеличение (расширение) объема камеры сгорания перемещением поршня-клапана 5 и перепускание газа (давления) в расширительную камеру 9. Поэтому горение в камере сгорания в начальный момент будет проходить под постоянным давлением, регулируемым усилием (сжатием) пружины 8. Усилие пружины регулируется винтом 12 в зависимости от октанового числа бензина или по свойству топлива самовоспламеняться, а также степени сжатия и способа воспламенения.

Повышение давления в камере сгорания, которое происходит в начале процесса горения, ограничивается расширением объема камеры (хотя, кривошип еще поднимается) за счет объема расширительной камеры 9, куда перемещаются газы при подъеме поршня-клапана 5, и протекания их между корпусом и поршнем-клапаном и через перепускные каналы 6.

Когда кривошип начинает двигаться от в. м. т., понижения давления в камере сгорания не происходит, несмотря на уменьшение объема камеры сгорания перемещением поршня-клапана 5 под действием пружины 8. Давление в камере сгорания некоторое время удерживается постоянное за счет его подпитки через выпускной клапан 10 из расширительной камеры

9, заполненной газами в момент максимального расширения в камере сгорания. Газы из расширительной камеры в камеру сгорания перепускаются по кривым каналам 13 над прикрытым выпускным клапаном 10, завихряя и перемешивая смесь, тем самым, улучшая ее сгорание.

На двигателях со свечами зажигания потоком газа из расширительной камеры из-под выпускного клапана 10 будут продуваться контакты свечей зажигания, улучшая их работу.

1. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983.

2. Пат. США № 4137873 Е02Е 75/04. 1979.

3. А. с. РФ № 870752 Б 02 М 25/02 Устройство для подачи воды в цилиндр

ДВС / Н Е. Рыжих. Бюл. № 37 от 07. 10. 81.

4. Пат. РФ № 2154173 Б 02 В 21/02 Выравниватель давления горения в

цилиндрах ДВС / Н.Е. Рыжих. Бюл. № 22 от 10. 08. 00.

Источник

Нестандартные электрические двигатели Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мумиков Антон Дмитриевич, Семёнов Денис Михайлович

Текст научной работы на тему «Нестандартные электрические двигатели»

В качестве измерительных трансформаторов тока используются измерительные преобразователи переменного тока типа ТПП-Н-0,6, которые предназначены для бесконтактного первичного преобразования переменного тока промышленной частоты в переменный вторичный ток со стандартным значением. Для преобразования и передачи оцифрованных данных предлагается использовать устройство сопряжения с шиной процесса типа ENMU. Для концентрации данных, полученных от устройств сопряжения с шиной процесса и передачи для дальнейшей обработки предлагается использовать многоканальный коммутатор типа ADVANTECH EKI [3].

Данная система позволяет без вывода оборудования из работы производить оценку ресурса безопасной эксплуатации машинных агрегатов и выявлять неисправности на ранней стадии их развития, проводить мониторинг энергоэффективности работы оборудования.

1. Баширов М.Г., Прахов И.В. Повышение надежности работы насосно-компрессорного оборудования применением спектрального метода диагностики // Экологические проблемы нефтедобычи: сб. тр./ Всерос. науч. конф. Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. С. 183-185.

2. Баширов М.Г., Самородов А.В., Чурагулов Д.Г., Абдуллин А.А. Разработка программно-аппаратного комплекса для оценки технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/SamorodovAV/Samorodo vAV_1.pdf/ (дата обращения: 13.06.2018).

НЕСТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ Мумиков А.Д.1, Семёнов Д.М.2

‘Мумиков Антон Дмитриевич — магистрант; 2 Семёнов Денис Михайлович — бакалавр, кафедра электромеханики, электрических и электронных аппаратов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт, г. Москва

Аннотация: статья рассматривает основополагающие моменты создания электродвигателей, нестандартные виды электродвигателей, современные достижения. Ключевые слова: нестандартные виды электродвигателей, применение электродвигателей.

Но как бы то ни было, любой электродвигатель работает при взаимодействии электромагнитных полей. Действие любого электродвигателя основано на том, что магниты могут притягиваться и отталкиваться, все зависит от полюсов, которые взаимодействуют между собой.

Необычное применение обычно требует необычных конструкторских решений для создания электродвигателя.

Итак, рассмотрим, что здесь можно сделать нестандартным.

Двигатели с переключаемым магнитным сопротивлением

Может показаться сомнительным, что, являясь замкнутой системой, двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением может самостоятельно запускаться. Подавляющее большинство наработок, подтверждают, что всё же малогабаритный электромагнит требуется для синхронизации якоря.

Самым успешным вариантом реализации переключаемого реактивного электромотора выступает модель Г. Аспдена (патент № 4,975,608), здесь происходит оптимизация пропускной способности входного устройства катушки и задействована работа, на изломе кривой В-Н.

Если провести сравнение с присутствующими на современном рынке электродвигателями, то нестандартную модель тороидального двигателя возможно сопоставить с моделью, которая описана в патенте Лангли (№ 4,547,713). Этот электромотор имеет ротор с двумя полюсами, которые расположены в центре тороида. В случае использования однополюсной модели (как вариант, с отрицательными полюсами на каждом конце ротора), то данная модель будет напоминать радиальное магнитное поле для ротора, как в патенте В. Гила (№ 5,600,189). В патенте Брауна № 4,438,362, (права фирмы ЯоЬчзп), при создании ротора в тороидальном разряднике применяются различные намагничивающиеся элементы. Широко известным вариантом вращающегося тороидального электромотора является модель, которая описана патентом Юинга (№ 5,625,241), но она подобна модели Лангли [5]. На базе протекания магнитного отталкивания в модели Юинга применено поворотное устройство, управляемое микропроцессором, главным образом для того, чтобы имея преимущества, которые даются законом Ленца, нейтрализовать обратную ЭДС.

В случае если эта модель электромотора и докажет свою эффективность в получении вращающегося момента, то из-за наличия постоянно движущихся магнитов, эти наработки скорее всего не найдут практической реализации. Коммерческая эксплуатация из-за себестоимости и сложности механизма скорее всего будет экономически невыгодна. В

настоящее время существует огромное количество моделей, которые обеспечивают достойную конкуренцию по своим техническим и коммерческим показателям.

Эти наработки широко освещены в большом количестве литературы и периодике. По сути они подобны классическим асинхронным электродвигателям, при разнесении ротора и статора по разным плоскостям.

Что касается реального применения электродвигателей, то самым ярким примером можно считать разработку авиационного электродвигателя фирмой Siemens. Это уже не прототип, а готовый к коммерческой эксплуатации продукт, обеспечивающий мощность в пять раз больше любого из существующих аналогов. При этом двигатель обладает массой порядка 50 кг и обеспечивает мощность 260 кВт при 2500 об/мин. Это позволяет поднять в воздух воздушной судно с общей массой до двух тонн. Это уже позволяет создать легкий четырех местный самолет. По словам представителя компании-разработчика, в обозримом будущем возможно создать гибридный самолет, способный перевозить до сотни человек за один рейс. Испытания успешно прошли в 2015 году.

Вопрос использования нестандартных решений сейчас, по сути, определяется коммерческой выгодой, такова тенденция настоящего времени. Можно найти много вариантов использования и изготовления. Но без коммерческой выгоды все они рискуют остаться исключительно на бумаге или в лучшем случае в виде прототипов.

1. Motion Control Handbook, Designfax. May, 1989. 33 с.

2. «Faraday’s Law — Quantitative Experiments», Amer. Jour. Phys. V. 54. № 5. May, 1986. 422 с.

3. Schaum’s Outline Series, Theory and Problems of Electric, 2011. 481 с.

Источник

Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Морозов В.А., Морозова О.Н.

Статья посвящена актуальным проблемам повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности повышению их КПД и снижению уровня выброса вредных веществ в атмосферу. В настоящее время ДВС широко применяются на транспорте, прежде всего, автомобильном. В статье предлагается повысить КПД двигателя за счёт применения роторно-лопастной его конструкции. Это даёт возможность отказаться от кривошипно-шатунного механизма и, соответственно, трения в нём, задав изначально рабочим лопастям вращательное движение. Такая конструкция устойчива к детонации горючей смеси, позволяет увеличить степень сжатия и применить впрыск в сжатую горючую смесь 3÷8% водорода, что повышает температуру рабочих газов, оптимизирует процесс горения и снижает объём вредных для экологии составляющих в выхлопных газах.

Increasung efficiency of internal combustion engines

This article is devoted to the problem of increasing efficiency of internal combustion engines, and decreasing the levels of potentially harmful chemicals and particulates in the engine exhaust. Internal combustion engines are widely used in automotive transport. Currently there are more than a billion of internal combustion engines in use. They consume substantial amounts of fuel and adversely affect the environment. This paper focuses on a novel approach to increasing the efficiency of internal combustion engines through the use of a turbine-based mechanism. This setup enables the engine to avoid friction losses caused by the currently used crank-and-connecting-rod setup. The turbine-based mechanism will be less prone to detonation of the fuel mixture, and will increase the compression ratio. It will also allow to add 3-8% of hydrogen to the fuel mixture, thus increasing the operating temperature and decreasing the concentration of potentially harmful chemicals and particulates in the engine exhaust. Besides increased efficiency, the proposed engine design will enable liquid-based cooling of the turbine blades. Traditional materials can be employed in its construction.

Текст научной работы на тему «Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания»

Совершенствование эффективности и экологичности двигателей

В.А. Морозов, О.Н. Морозова Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: Статья посвящена актуальным проблемам повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности повышению их КПД и снижению уровня выброса вредных веществ в атмосферу. В настоящее время ДВС широко применяются на транспорте, прежде всего, автомобильном.

В статье предлагается повысить КПД двигателя за счёт применения роторно-лопастной его конструкции. Это даёт возможность отказаться от кривошипно-шатунного механизма и, соответственно, трения в нём, задав изначально рабочим лопастям вращательное движение. Такая конструкция устойчива к детонации горючей смеси, позволяет увеличить степень сжатия и применить впрыск в сжатую горючую смесь 3^8% водорода, что повышает температуру рабочих газов, оптимизирует процесс горения и снижает объём вредных для экологии составляющих в выхлопных газах.

Ключевые слова: автомобильный транспорт, двигатель внутреннего сгорания, повышение эффективности, снижение доли вредных для экологии в выхлопных газах

Технический прогресс во многом обязан двигателям внутреннего сгорания (ДВС), чаще всего устанавливаемых на наземных транспортных средствах. Сейчас автомобильный транспорт получил значительное развитие. Это определяется рядом его преимуществ перед другими видами транспорта. Такие преимущества как невысокая стоимость, оперативность и реализация принципа «от двери до двери» явились основой превалирующего развития автотранспорта,[1,2].

в 2000 г. численность мирового парка автомобилей превысила 500 млн. единиц, а в 2008 году их было уже около 700 млн. Сейчас в России парк автомобилей составляет около 45 млн. шт., и на долю автомобильного транспорта приходится более 75% объема перевозок грузов.

Таким образом, суммарная мощность двигателей, установленных в России только на автомобилях, превышает суммарную мощность электростанций России в 11,5 раза.

В настоящее время в мире эксплуатируется около миллиарда автомобилей, которые потребляют более 70% всей добываемой нефти. Каждые полторы секунды в мире с конвейера сходит новый автомобиль, и к 2017г. их количество вплотную приблизится к отметке в один миллиард единиц. На рис. 1 показан прогноз среднемирового уровня изменения числа автомобилей на тысячу человек населения, [3].

Уровень автомобилиаоции, и

Рис.1. Изменение уровня автомобилизации населения в первой четверти XXI в. (прогноз)

Всем этим машинам потребуется бензин или дизельное топливо. По прогнозам специалистов в 2020 г., для удовлетворения всех нужд

потребление нефти должно возрасти до 240 т в секунду. Транспортный сектор Европы, Японии и США на 90% зависит от нефти, перерабатываемой в моторное топливо. В связи с увеличением энергопотребления и возможным истощением разведанных запасов нефти в перспективе перед всеми странами мира стоит задача диверсификации топливно-энергетических балансов в сторону максимального их сбережения посредством повышения коэффициента полезного действия (КПД) ДВС и возможного замещения в транспортном секторе нефтепродуктов другими видами энергоносителей.

Все эти альтернативы имеют значительное число приверженцев и продолжают развиваться каждая на своём уровне. Хотя, считавшийся в девяностых годах самым перспективным метанол потерял актуальность после того как испытания показали, что его использование на современных автомобилях с каталитическими нейтрализаторами приводит к образованию канцерогенных формальдегидов с сильным запахом. После этих испытаний в стандарт по выбросам в атмосферу штата Калифорния США были внесены нормы по содержанию ароматических формальдегидов в отработанных газах, [4]. Гораздо более вероятно, что в достаточно отдалённом будущем метанол будет применяться как источник газообразного водорода для топливных

элементов, являющихся источниками электрической мощности для автомобильных электромоторов. Топливный элемент преобразует запасённую химическую энергию водорода и, используя кислород, полученный из воздуха, преобразует её непосредственно в электроэнергию. При этом в качестве единственного побочного продукта этого процесса в окружающую среду выделяется вода.

По оценкам Дж. Ромма, бывшего помощника министра энергетики США, автора книги «Водородное очковтирательство», скорее всего, автомобили, работающие на водороде, достигнут показателей (стоимость машины, стоимость одной заправки, уровень безопасности, количество вредных выбросов и т.д.), которые ныне демонстрируют гибридные автомобили (например, Toyota Prius) не ранее 2040 года, но даже этот срок вызывает очень большие сомнения.

Кроме того, водород требует особо внимательного обращения. Любая утечка водорода в атмосферу образует взрывоопасный гремучий газ. В 2001 году Массачусетский технологический институт (Massachusetts Iinstitute of Technology) опубликовал результаты исследования, согласно которым хранение, транспортировка и эксплуатация водородных автомобильных двигателей с инфраструктурой (ёмкостями для хранения, магистралями для заправки и подачи, топливной арматурой и пр.) обходится примерно в сто раз дороже, чем их бензиновых аналогов. Основной причиной удорожания являются меры безопасности.

Следует также отметить, что водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей. К этому выводу в 2003 году пришли исследователи Массачусетского Технологического Института.

Существуют также серьезные сомнения в том, что водородное топливо действительно столь экологически безопасно, как утверждают его сторонники. Исследование Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) показало, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество и объём оксидов азота в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от смертоносных космических

лучей, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов.

Таким образом, можно сделать вывод, что замена всех традиционных бензиновых и дизельных двигателей на водородные нереальна, т. к. она на настоящий момент экономически не эффективна, связана с огромными материальными затратами, и не приведёт к кардинальному улучшению экологической обстановки.

Однако, почти без всяких изменений в поршневом двигателе, можно использовать бензин и дизельное топливо с 3-8-процентной водородной добавкой, подаваемой непосредственно в цилиндры. Анализ типовых реакций окисления углеводородного топлива показывает, что даже этот небольшой шаг резко улучшит эксплуатационные показатели, КПД и состав выхлопных газов. Но для возможности применения водородной добавки необходимо охлаждать поршень и другие элементы ДВС, взаимодействующие с продуктами сгорания, вследствие повышения температуры в камере сгорания.

Из вышесказанного следует, что, вероятнее всего, самым перспективным в ближайшем будущем будет использование ДВС с повышенным КПД и с возможностью использования различных топлив как жидких, так и газообразных. Для решения этой общей проблемы необходимо решить ряд частных проблем:

1. Проблема образования качественного состава и однородности горючей смеси.

2. Проблемы, связанные с необходимостью повышения степени сжатия горючей смеси. Здесь одной из задач является необходимость повышения термостойкости основных элементов ДВС, например, введение жидкостного охлаждения поршня, что должно позволить применять водородное топливо в качестве добавки (3-8%) к углеводородному. Это

должно позволить, как показывает анализ типовых реакций окисления (т.е. горения) углеводородного топлива, снизить выброс токсичных веществ в атмосферу в несколько раз.

3. Совершенствование систем впрыскивания топлива. Получившие в своё время широкое распространение системы централизованного впрыска топлива во впускной трубопровод бензинового двигателя уступили место распределённым системам и непосредственному впрыску топлива в цилиндры, что является наиболее перспективным с точки зрения экономичности, так как позволяет исключить потери горючего, имеющего место в период перекрытия клапанов. Это периоды, когда на небольшой промежуток времени остаются открытыми впускные и выпускные клапана, (режим продувки).

4. Проблемы, связанные с низкой экономичностью традиционных ДВС при работе на быстро изменяющихся режимах, с частыми переходами с малых на большие нагрузки и наоборот.

5. Проблемы уменьшения трения, связанные с применением кривошипно-шатунного механизма в качестве преобразователя возвратно-поступательных движений поршня во вращательное коленчатого вала и маховика.

6. Обеспечение многотопливности совместно с эффективностью, что связано с необходимостью простоты перевода ДВС с одного на другие виды топлива (альтернативные). Для этого необходимо разработать специальные устройства, позволяющие увеличивать объемную цикловую подачу порции горючего при переходе другие, например на более легкие сорта топлив.

Расчёт индикаторных диаграмм типовых циклов ДВС показывает, что

КПД таких двигателей не может превышать 50%. Это доказал французский

учёный С. Карно ещё в 1824 году. Итак, ДВС, совершающий в процессе

работы последовательные циклы расширения и сжатия, не может иметь эффективность более 50% при преобразовании тепловой энергии сгорающего топлива в механическую.

Следует заметить, что эффективность лучших паровых двигателей (двигателей «внешнего» сгорания) не превышала 12%. Сейчас этот параметр лучших бензиновых ДВС не превосходит 38%, а дизельные двигатели имеют максимальную эффективность несколько менее 42%, [5]. Отсюда следует, что резерв повышения эффективности составляет

8%, но, учитывая массовость применения ДВС, повышение её на 4^5% может считаться существенным результатом.

Рассмотрим схему приближенного распределения тепловой энергии сжигаемого топлива в поршневом ДВС, (рис. 2). Примерно

35 % тепла уходит с отработавшими газами,

17 % с охлаждающей жидкостью, что является прямыми потерями, которые необходимо уменьшать применением

керамики, металлокерамики и других изотермостойких материалов с малой теплопроводностью и

13% составляют механические потери на трение поршня о стенки цилиндра и в элементах кривошипно-шатунного механизма. Рационально использовать энергию выхлопных газов для привода агрегатов турбонаддува, обогрева салона или кабины, выработки электроэнергии и т.д. Рассмотрим возможности.

Анализ литературы и патентов показал, что снижение трения поршня о стенки цилиндра увеличивает мощность и КПД двигателя на

Рис. 2. Схема распределения энергии топлива в поршневом ДВС

давление поршня на стенки цилиндра можно осуществить применением сдвоенного кривошипно-шатунного механизма (КШМ) [6]. Это приводит к соответствующему увеличению массы и числа движущихся с большими скоростями элементов, что нежелательно. Современная конструкция КШМ по уровню механических потерь достигла совершенства, поэтому возникла необходимость отказаться от его применения.

В результате были запатентованы многочисленные конструкции роторно-лопастных двигателей (РЛД), в которых КШМ отсутствует, а рабочие движения изначально имеют форму вращения, 10. В том числе предложена конструкция РЛД ДВС маятникового типа с шестеренчатым преобразователем маятниковых движений лопастей-поршней ротора во вращательное маховика (рис. 3), [11].

Такая конструкция позволяет увеличить КПД двигателя на

повысит КПД и значительно снизит присутствие вредных примесей в выхлопных газах.

1. Литвин А.В., Мокрушин Ю.А. «Современное состояние и перспективы развития пассажирского транспортного комплекса городской агломерации» // Инженерный вестник Дона, 2015, №1 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n1y2015/2749/.

2. Орлов Н.А. «Уточнение условий возникновения транспортных заторов в сетях со светофорным регулированием» // Инженерный вестник Дона, 2015, №2 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n2y2015/2870/.

3. Бояркина Е.Ф. «Влияние семейного дохода на количество автомобилей, приходящихся на одного человека» // Инженерный вестник Дона, 2015, №4 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n4y2015/3360/.

5. Deniels Dgef «Modern Car Technology», London, publishers «Haynes Publishing», 2003, 223 p.

6. Панин С.«Совершенствование ДВС» // журнал «За рулём», 2002, №4 с.147-151.

7. Гридин Н.А. «Роторно-лопастной двигатель Гридина» // журнал «Энергетика и промышленность России» 2006, №10(74), с. 42-46.

8. Исачкин В.А. «Роторно-лопастной ДВС» // журнал «Энергетика и промышленность России» 2006, №10(74), с. 47-52.

9. Лаптев Е.В., Лаптев Д.Е. «Роторный двигатель внутреннего сгорания», патент РФ, RU 2133845.

10. Sterk Martin «Kreiskolben Warmemotor Vorricktung». Patent FRG, DE 19814742.

1. Litvin A.V., Mokrushin U.A. Inzenernyi vestnik Dona (Rus) 2015, №1 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n1y2015/2749/.

2. Orlov N.A. Inzenernyi vestnik Dona (Rus) 2015, №2 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n2y2015/2870/.

3. Boyarkina E.F. Inzenernyi vestnik Dona (Rus) 2015, №4 URL:ivdon.ru/magazine/archive/n4y2015/3360/.

5. Deniels Dgef «Modern Car Technology», London, publishers «Haynes Publishing», 2003, 223 p.

6. Panin S. Za rulem, zhurnal. 2002. №4, pp. 147- 151.

7. Gridin N.A. Energetika i promijshlennos’t Rossii, zhurnal. 2006. №10 (74), pp. 42-46.

8. Isathkin V.A. Energetika i promijshlennos’t Rossii, zhurnal. 2006. №10 (74), pp. 47-52.

9. Laptev T.V. Laptev D.E. Rotornyi dvigate’l vnutrennego sgoraniya. [A rotary internal combustion engine]. Patent RF, RU 2133845.

10.Sterk Martin «Kreiskolben Warmemotor Vorricktung». Patent FRG, DE 19814742.

Источник

Анализ существующих и перспективных технических решений по двигателям внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Грабовский Александр Андреевич, Семенов Александр Алексеевич, Швецов Александр Владимирович

Текст научной работы на тему «Анализ существующих и перспективных технических решений по двигателям внутреннего сгорания»

А. А. Грабовский, А. А. Семенов, А. В. Швецов

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ДВИГАТЕЛЯМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Аннотация. Представлен анализ факторов, определяющих значение экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания. Предложены технические решения, направленные на достижение требуемых показателей качества функционирования, позволяющее снизить количество вредных выбросов, с одновременным улучшением экономических показателей.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, экологические показатели.

История развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и силовых агрегатов в целом изобилует интенсивным поиском технических решений, направленных на повышение их эффективности. Некоторые из этих решений так и остались на уровне идей, некоторые были реализованы, но особого эффекта не привнесли и были отвергнуты, а некоторые реализованы и используются на современных двигателях. Благодаря ряду таких решений значения параметров функционирования современных двигателей возросли многократно.

К первой группе относятся, например, использование реактивных двигателей в наземных транспортных средствах (НТС), еще более фантастическая идея использования ядерных реакторов на автомобилях и тракторах.

Ко второй группе таких решений можно отнести роторные двигатели Ф. Ванкеля, роторно-поршневые двигатели и роторно-лопастные, диско-лопастные двигатели С. С. Сага-кова, безшатунные двигатели (свободнопоршневые) конструкции С. С. Баландина, А. Ву-ля, В. Чернодубровского.

К третьей группе относятся воспламенения рабочей смеси от сжатия, двухтактные двигатели, изобретение карбюратора, впрысковых систем, газораспределительного механизма (ГРМ) с регулируемыми фазами, отключаемые цилиндры, современные системы зажигания и многое другое.

Однако улучшение мощностных, экономических и экологических параметров ДВС является первостепенной задачей конструкторов и разработчиков двигателей. При этом все знают, что в основе этого улучшения лежит совершенствование рабочего цикла ДВС.

Резервы совершенствования рабочего цикла ДВС

Что такое рабочий цикл двигателя? Это совокупность процессов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности. Цель осуществления его проста. Необходимо полностью, без образования вредных веществ, сжечь топливо, а полученную энергию превратить в работу.

Для полного и экологически «чистого» сжигания топлива нужно необходимое количество воздуха, а также достаточное время и температура для сгорания.

Для обеспечения экологических параметров необходимо, чтобы кислорода было достаточно для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота.

Техника, технология, управление

Для получения максимальной работы цикла необходимо энергию уже сгоревшего топлива подвести к рабочему органу в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце, поскольку теплота, подведенная в середине такта рабочего хода, а тем более в конце хода, уже никому не нужна.

Резервы здесь колоссальны. Потерянная энергия составляет 47^75 % от энергии, которую может выделить топливо. Величина потерь энергии для различных типов двигателей и различных режимов их работы имеет разное деление на составляющие, но значения этих составляющих находятся в следующих диапазонах:

— потери от несвоевременности подвода тепла к циклу 10-15 %.

Основными причинами потерь являются:

1. Потери от неполноты сгорания топлива.

На решение этой задачи направлены современные топливные системы с электронным управлением, многостадийный впрыск, высокоэнергетические системы воспламенения и другие, доведенные практически до предела совершенства, технические средства.

2. Потери в систему охлаждения.

3. Потери с отработавшими газами.

Потери данной энергии обусловлены по большей части несвоевременностью подвода тепла (тепло, подведенное в середине и конце такта расширения) и недостаточности хода поршня для полного расширения газов до атмосферного давления.

4. Потери от несвоевременности подвода тепла.

Это потери, связанные с неэффективным использованием полученного тепла. Чем позже после ВМТ рабочего хода подведено тепло, тем меньше оно используется, тем больше его вылетает в трубу с отработавшими газами.

Для получения максимальной работы все тепло должно быть подведено в ВМТ перед тактом рабочего хода, не раньше (увеличивается отрицательная работа сжатия), не позже (уменьшается эффективность расширения). Но для этого сжечь топливо надо в ВМТ. А эта проблема нам уже известна.

Вывод: в классическом цикле принципиального решения нет.

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Анализ существующих технических решений

Для решения проблемы повышения эффективности ДВС разработчики бьются над созданием ДВС с изменяемой степенью сжатия. Это конструкции кривошипношатунного механизма (КШМ) с эксцентриковой установкой коленчатого вала, с использованием сочлененных шатунов, с шарнирным соединением картера и блока цилиндров и множество других вариантов. В качестве примера можно привести разработки концерна Фольксваген-Ауди, Мерседес, SAAB и др.

Далее. Это разработка и реализация пятитактных и трехтактных двигателей, у которых процесс сгорания топлива предлагается вынести в качестве самостоятельного такта. Это двигатели профессора Ленинградского института авиационного приборостроения В. М. Кушуля, который предложил не только конструкцию двигателя, но сделал теоретическое обоснование данному процессу еще в 1962 г. Это двигатель Кармело Скудери, разрабатываемый американской компанией «Scuderi Group». Дальнейшим развитием рабочего процесса Кушуля и «Scuderi Group» является двигатель американца Джона Заджака (John Zajac), разрабатываемый фирмой «Zajac Motors» [1].

Ближе всех к отделенному процессу сгорания, без излишеств рассмотренных выше двигателей, подошла немецкая фирма «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG». Это двигатель с вращающейся головкой.

Однако цикл с отделенным процессом сгорания был разработан задолго до Скудери, Заджака и DIRO начальником конструкторского бюро рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания ОАО «Волгоградский моторный завод» С. В. Митрофановым [1]. Еще в конце 1980-х гг. это техническое решение защищено патентом Российской Федерации № 2066773 с приоритетом от 2 апреля 1993 г. Он не имеет недостатков двигателей Кушуля, Скудери, Заджака и DIRO потому, что изначально создавался как отделенный процесс сгорания с задачей динамичного управления циклом.

Следующее направление совершенствования термодинамического цикла основано на реализации ДВС со сверхвысокими степенями сжатия. Данное техническое решение в нашей стране предложено Ибадуллаевым Г. А. (ДагГТУ, г. Махачкала). Суть этого предложения заключается в использовании сверхвысоких степеней сжатия в бензиновых двигателях, порядка 16-19,5. Как оказалось, на быстроходных двигателях топливовоздушная смесь не успевает прогреваться до температуры самовоспламенения и поджигается искровым разрядом системы зажигания. При этом повышается мощность, экономичность и экологичность. Конечно, вопросы надежности и долговечности таких двигателей мы рассматривать пока не будем.

Концерн Hyundai-Kia работает над созданием бензинового мотора, не использующего свечи зажигания. Экспериментальный двигатель GDCI объемом 1,8 литра оснащен компрессором и турбонагнетателем и развивает 180 л.с. Революционный ДВС обещает стать на 25 % экономичнее обычного бензинового аналога и дешевле схожего по отдаче турбодизеля, в том числе в обслуживании.

Техника, технология, управление

Над подобным ДВС в прошлом десятилетии работали инженеры компании Mercedes-Benz, окрестившие тогда свое детище DiesOtto. В настоящее время активные разработки ведутся в концерне Ф/А.

Еще более революционным техническим решением является использование гибридных и комбинированных силовых установок. Сегодня практически все разработчики имеют свой вариант таких агрегатов. Наибольшего успеха в этом направлении добились японские производители авто.

Разработка и исследование перспективных технических решений

Экономические и экологические параметры функционирования ДВС напрямую определяются качеством реализации термодинамического цикла, включающего процессы газообмена, сжатия и подвода теплоты. Работа ДВС, основанная на классических термодинамических циклах Отто, Сабатэ-Тринклира, Дизеля, сопровождается рядом взаимосвязанных положительных и отрицательных свойств как экономического, так и экологического характера.

При этом улучшение одного параметра, как правило, ведет к ухудшению другого (других). Так, например, повышение степени сжатия улучшает процессы горения, следовательно, улучшается экономичность двигателя. При этом несколько снижается выброс окиси углерода. В то же время резко увеличивается выброс окиси азота, что в несколько раз опаснее для окружающей среды. Не следует также игнорировать повышенные требования к октановому числу бензина, увеличение которого зачастую достигается не менее вредными присадками.

Установка в систему отвода отработавших газов каталитических нейтрализаторов, оптимизация параметров функционирования систем питания и зажигания посредством микропроцессорной системы управления современным ДВС несколько снижает остроту проблемы, и работа ДВС даже соответствует европейским нормам токсичности. Однако в этом случае неоправданно возрастают стоимостные показатели транспортных средств.

В 1886 г. английский инженер Джеймс Аткинсон, анализируя индикаторную диаграмму цикла Отто, пришел к выводу о необходимости изменения соотношения времен тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона (рис. 1) рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счет увеличения пути перемещения поршня на такте расширения относительно такта сжатия и закрытия впускного клапана с задержкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия, которое достигалось путем изменения геометрического радиуса кривошипа посредством применения дополнительного кинематического звена в КШМ.

длительность открытия впускных клапанов Рис. 1. Модель двигателя Д. Аткинсона и круговая диаграмма циклов

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Это в свою очередь определяло резкое снижение температуры цикла, а следовательно, и величину вредных выбросов. Но ввиду сложности технического решения Д. Аткинсону не удалось реализовать предложенный им термодинамический цикл [2].

В 1947 г. американский инженер Ральф Миллер, экспериментируя с газовым двигателем, предложил способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто. Вместо того чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто) [3].

Рис. 2. Индикаторные диаграммы циклов Отто и Миллера

В противовес данным техническим решения предлагается КШМ со сдвоенными кинетическими связями (рис. 3) [4]. Характеристики ДВС на основе такого КШМ выгодно отличаются от своих классических собратьев. Это приращение рабочего объема цилиндров на 8-12 %, что в свою очередь обеспечивает повышение мощности. Белее чем в два раза возрастает крутящий момент. Уравновешивается нормальная составляющая сила N%, обусловливающая поджатие поршней к цилиндрам и составляющая 1/3 от всех потерь на трение.

Техника, технология, управление

Рис. 3. Расчетная схема дезаксиального кривошипно-шатунного механизма со сдвоенными кинематическими связями

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Рис. 5. Схема формирования «растянутого» порядка работы цилиндров двухтактного 3-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания с вертикальным коленчатым валом:

Это значит, что при работе двигателя на холостом ходу, при незначительных нагрузках в городских условиях эксплуатации, при движении по проселочной дороге или среднескоростной магистрали, когда отсутствует необходимость использования полной мощности, двигатель можно перевести на частичную нагрузку поочередным отключением части цилиндров. При этом активные цилиндры будут работать в более благоприятных условиях и в плане экономичности, и в плане экологичности. Как показывают расчеты и эксперимент, это техническое решение позволяет сэкономить до 20-25 % топлива. Кроме того, предложенное техническое решение очень хорошо работает с ГРМ с управляемыми по фазам и состоянию «открыт-закрыт» клапанами. Разработан алгоритм функционирования и приборное оснащение для реализации ДВС с ДИМ (рис. 6).

Техника, технология, управление

Рис. 6. Алгоритм реализации дискретного изменения мощности для четырехтактного рядного пятицилиндрового двигателя внутреннего сгорания при 50 % мощности с управляемым газораспределительным механизмом

Рис. 7. Макет кривошипно-шатунного механизма с коаксиальными поршнями

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Данное техническое решение позволяет устранить комплексную проблему совершенствования рабочего цикла ДВС.

Это улучшение наполняемости цилиндров двигателя за счет увеличения объема цилиндра в конце такта впуска и начала такта сжатия (рис. 8), значительное снижение количества теплоты, подводимой к рабочему телу в процессе сжатия за счет увеличения сжимаемого объема; повышение эффективности сжигания рабочей смеси при постоянстве объема камеры сгорания и подвода теплоты к рабочему органу, т.е. поршням в начале расширения (рабочего хода).

Анализ круговых диаграмм фаз газораспределения ДВС на основе классического (а) и предлагаемого (б) также подтверждает эффективность данного технического решения (рис. 9).

Рис. 9. Круговые диаграммы фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания на основе классического центрального (а) и предлагаемого (б) кривошипно-шатунного механизма

Техника, технология, управление

Кроме того, линия сжатия будет проходить несколько ниже линии сжатия классического ДВС, а линия расширения, наоборот, несколько выше, что позволяет значительно увеличить площадь фигуры, заключенной между этими линиями. А эта площадь эквивалентна работе, совершаемой газами в цилиндре двигателя (рис. 10).

у/////1 ДВС на основе классического КШМ sassasd ДВС на основе КШМ с коаксиальными поршнями

Рис. 10. Сравнение индикаторных диаграмм тактов сжатия и расширения двигателя внутреннего сгорания на основе классического центрального и предлагаемого кривошипно-шатунного механизма

В ходе исследования был проведен кинематический расчет КШМ, прочностной расчет шатунов.

Разработанные технические решения могут быть успешно реализованы в двигателях нового поколения. Расчеты и эксперименты доказывают высокую эффективность предлагаемых технических решений, способных вывести двигателестроение г. Пензы и Россий на новый качественный уровень.

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Грабовский Александр Андреевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра транспортных машин и комплексов, Пензенский государственный университет E-mail: algra@sura.ru

Семенов Александр Алексеевич

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, кафедра транспортных машин и комплексов, Пензенский государственный университет E-mail: al11091952@yandex.ru

Швецов Александр Владимирович

Пензенский государственный университет E-mail: shvecov.aleksandro@mail.ru

Grabovskiy Aleksandr Andreevich

candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of transport vehicles and complexes, Penza State University

Semenov Aleksandr Alekseevich

candidate of technical sciences, associate professor, senior researcher,

sub-department of transport vehicles and complexes, Penza State University

Shvetsov Aleksandr Vladimirovich

Penza State University

УДК 629.33j621.43 Грабовский, А. А.

Источник

Двигатель внешнего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Шалай Виктор Владимирович, Макушев Юрий Петрович

External combustion engine

Текст научной работы на тему «Двигатель внешнего сгорания»

удк 621.431 В. В. ШАЛАЙ

Омский государственный технический университет ‘Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

В статье рассмотрены история создания двигателя Стирлинга, протекание его идеального цикла, расчетные формулы, схема работы и принцип действия, показано устройство действующей модели, рассмотрена ее работа.

Ключевые слова: адиабатный двигатель, расчет, Стирлинг, адиабата, токсичность.

Принцип действии двигатели внешнего сгорании разработал и запатентовал в 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг, в честь которого он и называется. Прак тическая реализация такого двигателя была осуществлена только в середине ’20-х годом прошлого века, а всесторонние исследовании и совершенствование конструкции далеки еще от завершении и в наши дни. Некоторые технологические особенности и используемые материалы не позволяют пока широко применять двигатель Стирлинга в качестве транспортной силовой установки. Хотя уже достигну ты хорошие результа ты и налажено широкое его применение для привода систем на космических объектах и в стационарных силовых агрегатах специального назначения.

Машина Стирлинга представляет собой ус тройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, с внешним подводом теплоты. I (икл состоит из процессов сжатия, нагревания, расширения (рабочего хода) ч охлаждения. Под циклом понимают совокупность процессов, возвращающих систему в исходное состояние. Рабочим телом может служи ть воздух, однако лучше гелий или водород, которые имеют более высокие коэффициенты теплопередачи и обеспечивают течение газа с меньшими гидравлическими сопротивлениями. Потоком рабочего тела управляют путем изменения его объёма, температуры и давления. 11а э том принципе основано превращение те илоты в работу

I. Идеальный цикл С тирлинга.

В цилиндре расположены два поршня, с размещенным между ними регенератором. Регенератор — теплообменник или термодинамическая «губка», способная поглощать и отдавать теплоту. Обычно он состоит из пучка тонких медных проволок 111. Регенератор поглощает и отдает рабочему телу только часть теплоты. Основную порцию теплоты рабочее тело получает от нагретого цилиндра в процессе расширения.

В машине Стирлинга имеются две1 полости с периодически изменяющими объемами, которые находятся мри различных температурных уровнях, соединяются посредством регенератора и вспомогательных теплообменников.

Одни из объёмов, расположенный между регенератором и поршнем, представляет полость сжатия, охлаждаемую, например, оребрепной поверхностью цилиндра до температуры ‘Гмин. Данный поршень назовем вытеснителем. Другой объем представляет полость расширении, находящийся при высокой температуре Тмакс, к которому постоянно подводится теплота. Поршень, расположенный в данной полости, назовем рабочим.

Рассмотрим цикл двигателя Стирлинга (рис. I). За исходное примем положение поршня вытесни теля I, находящегося в нижней мертвой точке (НМТ). Рабочий поршень II находи тся около регенератора и является и данный момент времени неподвижным. По-

Рис. I. Принцип работы двигателя Стирлинга

Рис. 2. Диаграммы диш лтсля Стпрлинг ] (70). 2006

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

V-‘ Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

^ s S-ï Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

>N Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

л а протекает паралелыю, по этой причине трудно выделить в отдельном виде1 процессы сжатия, нагревания, расширения и охлаждения.

На рис. 5 показана более простая действующая модель двигателя Стерлинга [3]. При создании модели использовались схемы и разрезы двигателя, предложенные инженером СкурьятЭрнестом Никодимо-вичем.

Рабочий поршень 2 движется в цилиндре I и уплотнён. Он соединён с кривошиппо-шатуппым механизмом 15, который имеет маховик 14. Маховик служит для равномерного вращения коленчатого вала и запуска двигателя. Поршень-вытеснитель 10 располагается в цилиндре 9 с зазором, что обеспечивает движение воздуха из холодной полости V4 в горячую V,.h, наоборот. Цилиндр 0, где движется поршень-вытеснитель 10, включает в себя холодильник О (радиатор), регенератор 7 (ка тушка из медной проволоки). Поршень вытеснитель 10 имеет шток, который уплотнён при помощи сальника 5. 11ри движении поршня-вытеснителя 10 объем воздуха в цилиндре остается постоянным, только он вытесняется из одной полости в другую. При нагревании данного объема воздуха давление повышается, а при охлаждении — понижается. Способность модели повышать и понижать давление в замкнутом пространстве легли в основу работы двигателя Стирлипга.

При помощи горелки 11 правая часть цилиндра 9 нагревается до температуры 500 — 600 К. При движении поршня — вытеснителя 10 вправо (к ВМТ) холодный воздух, проходя через зазоры между поршнем-вытеснителем 10 и горячим цилиндром 9, нагревается. Температура и давление повышаются, и избыточное давление передаётся через трубопровод 3 и действует на площадь рабочего поршня 2.

Рабочий поршень за один оборот коленчатого вала совершает два хода (такта) производя расширение (рабочий ход) и сжатие (двухтактный цикл). Поршень— вытеспительнаходится в нейтральном положении, когда рабочий поршень 2 находится в ВМТ или НМТ. Отсчет движения поршня — вытеснители 10 примем от положении рабочего поршня 2 в IIMT (начало сжатия рабочего тела).

При повороте коленчатого вала от 0 до 90 градусов рабочий поршень 2 совершаем’ процесс сжатии, двигаясь к ВМТ, а поршень —вытеснитель 10 от своего нейтрального положения движется влево, проталкивая теплый воздух через кольцевой зазор и охлаждая его при помощи холодильника 6. При вращении коленчатого вала от 90 до 180 градусов рабочий поршень продолжае т изотермическое сжа тие, а поршень —вытеснитель 10 движется вправо к нейтральному положению. После охлаждения рабочего тела начинается его нагрев от регенератора (средняя часть цилиндра). При повороте вала от 180 до 270 градусов поршень —вытеснитель 10 от своего нейтрального положения движется вправо, проталкивая холодный воздух через кольцевой зазор и нагревая его от горячей стенки цилиндра. Рабочий поршень 2 начинает движение поддействи-ем создаваемого давления от ВМТ к НМТ (процесс расширения). При вращении вала от 270 до 360 (0) градусов поршень— вытеснитель 10 возвращается в свое нейтральное положение« (движется влево). Регенератор забирает часть теплоты рабочего тела, охлаждая его. 11икл завершается и включает в себя процессы сжатия, нагревания, расширения, охлаждении.

При нагретом цилиндре и вращении маховика 14 двигатель запускается.

Поршень— вытеснитель повышает и снижает давление (за счет изменения температуры) в замкнутом пространс тве. Рабочий поршень воспринимает изменяемое давление1 и совершает работу.

Эффективную мощность в кВт можно определит!, из выражения:

Ые = Ре ■ Vh • /1 /60, (4.1)

где Ре — среднее эффективное давление в рабочем цилиндре в МПа, V, — рабочий объем цилиндра в литрах, п — частота вращении коленчатого вала в мин ‘.

Крутящий момент па валу двигателя в Н-м определяется но формуле:

11ри кру тящем моменте на валу двигателя, равном 0,3 Н-м и частоте вращения вала 500 мин 1, двигатель развивает эффективную мощность 16 Вт. Данная мощность двигателя обеспечивается при рабочем объеме цилиндра в 40 см ‘ и среднем избы точном давлении в цилиндре0,05 МПа (0,5атм.).

Если принять, чтовдашюй модели до 50% теплоты, сгоревшего топлива, теряется в окружающую среду, а термический КПД равен 50%, механический 60%, то эффективный К11Д установки будет равен 15%.

11редста пленная модель двигателя Стирлипга имеет низкий КПД, но обладает простой конструкцией и наглядно демонстрирует преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Для повышения КПД модели рекомендуем ся изменение угла между цилиндрами или кривошипами, разные размеры радиусов кривошипов, для привода рабочего поршня и поршня-вытеснителя и снижение потерь теплоты в окружающую среду путем применения керамики или изоляционных материалов.

11а рис. 6 показана схема нагрева газа (воздуха) и ого охлаждение при движении поршни вы теснители вправо и влево. Правая часть цилиндра нагреваем ся, а левая охлаждается. При движении поршня вправо воздух принудительно проталкивается через кольцевой зазор между поршнем и горячей частью цнлинд-

Рис. 0. Движение воздуха н зазоре между поришем-пытесннтелем н цилиндром

ра и нагревается, например, до500 К. Температура и давление воздуха в замкнутом объеме повышаются. При движении поршня влево горячий воздух про талкивается через зазоры расположенные в зоне холодильника (оребреппая поверхность), температура снижается, например, до 350 К и давление падае т, ч то обеспечивает приход системы в первоначальное состояние.

Теплопередача между горячим и холодным воздухом, сквозь разделяющую их твердую стенку, определяется из выражения |4):

где Ф — тепловой поток в Вт (Дж/с); к — коэффициент теплопередачи is Вт/(м*-К); Л — площадь охлаждения в м»; ДГ — средний температурный напор в К.

Для определения передачи тепла от горячей стенки к рабочему телу (воздуху) вначале находим режим течения воздуха (ламинарный или турбулентный) по формуле:

где v — средняя скорость воздуха в м/с в зазоре между поршнем— вытеснителем и цилиндром; эквивалентный диаметр кольцевого зазора (cl = du — dj в м; v — кинематическая вязкость воздуха в mVc при средней температуре 10()»С.

Re = 8-0.002/23.14- 10″ = 690.

Следовательно, движение в пограничном слое ламинарное (Re меньше 10′).

Для определения коэффициента теплоотдачи от нагретой стенки цилиндра к воздуху найдем кри терии Нуссельта по формуле:

где Рт кри терий 11рандтля,лля воздуха он равен 0.7 и характеризует соотношение между полями скоростей и температур.

Nu 0.67 ■ 669″ ‘ 0.7″» = 15.

Коэффициент теплоотдачи определяют из выражения

где /. коэффициент теплопроводности воздуха в Вт/(м- К),

Тепловой поток, переданный горячим цилиндром рабочему телу, определяется по формуле:

Ф = 240 ■ 0.0084 • 50= 100 Вт.

С увеличением зазора между цилиндром и поршнем — вытеснителем уменьшается коэффициент теплоотдачи и переданное количество теплоты рабочему телу.

Средний температурный напор определен из условия, ч то температура гильзы постоянная, например, 200 «С. Воздух входит в кольцевой зазор (щель) при температуре 50 «С, на выходе приобретает температуру примерно равнуютемпературе поверхности гильзы.

Двигатель Стирлинга представляет изолированную систему, в которой нет обмена с окружающей средой, которую он не загрязняет. Процесс сгорания топлива но зависит от времени (как у двигателей внутреннего сгорания) и его можно организовать с минимальным выбросом вредных веществ. При использовании энергии Солнца двигатель Стирлинга представляет механизм, не загрязняющий атмосферу. Главное преимущество двигателя Стирлинга в том, что он по имеет токсичного выхлопа газов и може т работать па любом виде топлива.

В заключение следует отметить, что в статье представлен принцип работы двигателей внешнего сгорания, приведены расчетные формулы идеального цикле!, дано устройство и принцип действующей модели с кривошипно-шатунпым механизмом, приведена методика расчета.

1. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга ; перевод с англ. М. : Энергетика IÍ17ÍÍ. — 152 с,

ШЛААЙ Виктор Владимирович, ректор ОмГГУ, док-гор технических паук, профессор, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и таза, стандартизация и сертификации».

МАКУШЕВ Юрии Петрович, кандидат-технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двига тели» Сибирской государственной автомобиль-но-дорожпой академии.

Дата поступления статьи н редакцию: 1 1.1 1.20011 г. © Ш Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Омский государственный технический университет ‘ОАО «Самотлорнефтегаз» г. Нижневартовск «ЗАО «Пирс», г. Омск

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (06 08 00881а).

СКВАЖИННЫЙ имплозионный ГЕНЕРАТОР МНОГОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ

В/работе рассмотрен принцип работы имплозионного генератора многоразового действия, определены скорость струи жидкости в имплозионной камере и перспективы технологии локального гидроразрыва пласта с использованием импульса давления методом имплозионного воздействия.

Ключевые слова: имплозия, пласт, генератор, плунжер, скважина.

В настоящее время многие месторождении находится на поздней с тадии разработки. В связи с этим возникает проблема выработки остаточных извлекаемых запасов. Низкая продуктивность скважин обусловлена многими факторами, в том числе низкими коллекторскими свойствами пласта и ухудшением (фильтрационных характеристик призабойиой зоны пласта в процессе освоения и эксплуатации. Метод, описанный в данной рабо те, позволяет увеличить коэффициент продуктивности скважины и ускорить выработку запасов.

Обработка призабойиой зоны пласта осуществляется при помощи имплозионного устройства |l|. Оно воздействует на пласт путем создания импульсов высокого давления в зоне перфорации с целыо повышения нефтеотдачи и приемистости скважин.

Суть метода заключается в улучшении (фильтрационной характеристики призабойиой зоны пласта (ПЗП) за счет использовании энергии гидравлического удара падающего столба скважипной жидкости, который приводит к образованию серии трещин.

На рис. 1 схематично изображено имплозионпое устройство многоразового действия. К цилиндру 2 при помощи переходной втулки крепится патрубок входных окон 6. Другим концом па трубок крепится к колонне НКТ5.11а ш танге 3 ус тановлен плунжер I,

который может производить мосту нательные движения в вертикальном направлении в цилиндре. В нижней части цилиндра установлен шариковый клапан 4.

Имплозионпое устройство работает следующим образом. На колонне НКТ имплозионпое устройство опускается в интервал перфорации. Под действием штанг 3 плунжер I поднимается вверх со скоростью, определяемой режимом работы подъёмного механизма. Придвижении плунжера вверх в камере цилиндра 2 создается разрежение. Это возможно благодаря работе обратного клапана 4, который перекрывает при ток (флюида к нижней части камеры цилиндра. Над плунжером давление равно гидроста тическому давлению в скважине. Таким образом, перепад дав-лений пади мод плунжером может достигать значения 150 атмосфер и более в зависимости от глубины скважины.

Источник

Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Осипов Артур Геннадьевич

Цель проанализировать достоинства и недостатки современных лопастных двигателей внутреннего сгорания, провести их модернизацию. Дано понятие о цепных химических реакциях. Приведена историческая справка развития двигателей внутреннего сгорания. Представлены результаты аналитических исследований влияния параметров камеры сгорания на индикаторные показатели двигателя внутреннего сгорания. Осуществлено патентование модернизированного лопастного двигателя внутреннего сгорания. При оптимизации процесса сгорания в нем использованы методы аналитического анализа. Сравнительная оценка технических показателей поршневых и лопастных двигателей внутреннего сгорания проведена на основании изучения литературных источников. Результаты аналитических исследований показали, что модернизированные лопастные двигатели внутреннего сгорания обладают повышенными мощностными и экономическими индикаторными показателями. Установлено, что модернизированные лопастные двигатели внутреннего сгорания имеют более высокие, по сравнению с существующими лопастными двигателями внутреннего сгорания, технические показатели, а конструкция этих двигателей характеризуется патентной чистотой, что позволяет констатировать целесообразность их практического применения.

Vane internal combustion engine upgrade

Having analyzed the advantages and disadvantages of modern vane internal combustion engines, the latter have been upgraded. The concept of chain chemical reactions is defined. The historical reference is given on the development of internal combustion engines. The results of analytical studies of the effect of combustion chamber parameters on internal combustion engine indicator characteristics are presented. The upgraded vane internal combustion engine has been patented. The combustion process in the named engine is optimized with the use of analytical analysis methods. Technical indicators of piston and vane internal combustion engines are compared on the basis of literature review. The results of analytical studies show that the upgraded vane internal combustion engines feature the increased power and economic indicating performances. It is found out that technical parameters of the upgraded vane internal combustion engines are higher as compared with the existing vane internal combustion engines. The design of the upgraded engines is characterized by patent purity, which allows for the feasibility of their practical application.

Текст научной работы на тему «Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания»

Оригинальная статья / Original article УДК 621.43

Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Ключевые слова: процесс сгорания, эволюция двигателей внутреннего сгорания, камера сгорания, форма камеры сгорания, объем камеры сгорания, индикаторные показатели рабочего цикла

Информация о статье: Дата поступления 29 января 2019 г.; дата принятия к печати 18 марта 2019 г.; дата он-лайн-размещения 30 апреля 2019 г.

Для цитирования: Осипов А.Г. Модернизация лопастных двигателей внутреннего сгорания. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т.23. №2. С. 252-259. DOI: 10.21285/1814-3520-20192-252-259.

Vane internal combustion engine upgrade

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: Having analyzed the advantages and disadvantages of modern vane internal combustion engines, the latter have been upgraded. The concept of chain chemical reactions is defined. The historical reference is given on the development of internal combustion engines. The results of analytical studies of the effect of combustion chamber parameters on internal combustion engine indicator characteristics are presented. The upgraded vane internal combustion engine has been patented. The combustion process in the named engine is optimized with the use of analytical analysis methods. Technical indicators of piston and vane internal combustion engines are compared on the basis of literature review. The results of analytical studies show that the upgraded vane internal combustion engines feature the increased power and economic indicating performances. It is found out that technical parameters of the upgraded vane internal combustion engines are higher as compared with the existing vane internal combustion engines. The design of the upgraded engines is characterized by patent purity, which allows for the feasibility of their practical application.

Keywords: combustion process, evolution of internal combustion engines, combustion chamber, shape of a combustion chamber, volume of a combustion chamber, working cycle indicators

Information about the article: Received January 29, 2019; accepted for publication March 18, 2019; available online April 30, 2019.

For citation: Osipov A.G. Vane internal combustion engine upgrade. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019, vol. 23, pp. 252-259. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-2-252-259.

Специфика и сложность процесса горения заключается в том, что наряду с соединением атомов углерода и водорода с атомарным кислородом воздуха и выделением тепла могут протекать обратные реакции, сопровождающиеся распадом соединений, образующихся в процессе горения.

Учесть при горении все возможные химические превращения и промежуточные реакции практически невозможно, однако, опираясь на накопленный наукой опыт, можно установить связь между исходным состоянием горючих соединений с конечным результатом.

Общепринятой теорией процесса горения в настоящее время остается положение о цепных реакциях. Впервые это положение было высказано Боденштейном в 1913 г. Над развитием этой теории позднее работали Хиншельвуд, Христиансен и Кри-мер, а также другие известные ученые. Положение о цепных реакциях было положено русским ученым А.Н. Бахом в основу теории процессов сгорания в двигателях внутреннего сгорания [1].

В СССР ряд исследователей, включая акад. Н.Н. Семенова, применили цепную теорию горения к процессам воспламенения и взрыва и создали теорию разветвляющихся цепей. Согласно этой теории, наиболее характерным механизмом распространения пламени является цепочно-тепловой механизм, представляющий собой сложный вид цепной реакции с выделением теплоты и повышением температуры [1].

Повышение температуры способствует увеличению количества активных

В цепочно-тепловом механизме химическая реакция горения возможна только в случае столкновения двух молекул, обладающих энергией, превышающей определенную среднюю величину, т. е. при наличии активного центра. При этом для начала реакции горения необходим внешний возбудитель в виде электрического разряда, например, искры в бензиновом двигателе или наиболее нагретой части факела впрыскиваемого в дизелях топлива.

В начальной стадии горения активными центрами при окислении углеводородов являются в основном перекисные соединения, но по мере развития цепных реакций и распространения фронта пламени в качестве активных центров могут выступать свободные радикалы, атомы и осколки молекул. При этом каждые два активных центра способствуют образованию четырех новых центров, каждый из которых, в свою очередь, способствует дальнейшему развитию цепных реакций.

Процессы горения используются в различных тепловых установках и машинах на протяжении почти двух столетий. Особенно широкое распространение эти процессы получили в тепловых двигателях, в том числе, двигателях внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия трансформируется в механическую работу.

Развитие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) началось в 60-х годах XIX в., хотя идея сжигания топлива внутри цилиндра поршневой машины и превращения тепла в механическую работу уже возникла в конце XVIII в. [2].

В 1876 г. в Кельне появился первый четырехтактный ДВС немецкого механика Н. Отто. Его удельная мощность не превышала 0,7 кВт-ч/т, так как масса двигателя составляла 2 т.

К концу XIX в. с освоением процессов нефтепереработки получают развитие ДВС, работающие на жидком топливе (бензине, керосине и более тяжелых фракциях). Высокий КПД этих двигателей, по сравнению с паровыми двигателями, небольшие габариты и масса обусловили их быстрое развитие и применение на транспортных средствах.

В 1895 г. в Германии Р. Дизель выдвигает идею создания двигателя с самовоспламенением топлива от температуры сжатого воздуха.

В настоящее время создаются конструктивно новые ДВС и модернизируются существующие модели двигателей. При этом главными тенденциями развития ДВС нового поколения являются повышение их удельных показателей и снижение токсичности выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания.

Перспективными в этом ключе, на наш взгляд, являются лопастные двигатели внутреннего сгорания (ЛДВС), поскольку их конструкция обладает основными достоинствами как традиционных поршневых, так и роторно-поршневых ДВС и не отягощена их недостатками 4.

Существенными недостатками поршневых двигателей следует считать низкий КПД (от 20 до 40%), связанный с большими теплопотерями, значительные по величине инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей, большое число узлов трения, относительно крупные габариты (по сравнению с другими ДВС), а также повышенный шум, возникающий из-за вибраций движущихся деталей [7].

К одному из недостатков роторно-поршневых ДВС следует отнести склонность к перегреву из-за линзовидной формы камеры сгорания. В отличие от последней, классические поршневые ДВС имеют сферическую форму камеры сгорания. Топливо, сгораемое в камере линзовидной формы, превращается в тепловую энергию, расходуемую не только на рабочий ход, но и на нагрев всего двигателя, что приводит к его износу и выходу из строя [8].

Кроме вышеотмеченного, камера сгорания в роторном двигателе располага-

ется с одной стороны и выделяемое в процессе сгорания тепло интенсивнее нагревает одну из сторон двигателя, что приводит к неравномерному расширению металла и температурным напряжениям деталей.

При работе роторного двигателя значительная часть нагрузок ложится на уплотнители между ротором и корпусом. Поскольку уплотнители подвергаются постоянному перепаду давления, максимальный ресурс роторного двигателя по пробегу составляет не более 100-150 тыс. км.

Также роторный двигатель очень требователен к обслуживанию. Расход масла у него составляет более 500 мл на одну тысячу километров пробега, что приводит к необходимости заливать смазку каждые 4-5 тыс. км пробега. Если вовремя не произвести доливку масла, двигатель может выйти из строя [8].

Современная конструкция ЛДВС, относительно существующих конструкций ДВС, имеет следующий ряд преимуществ: малые удельные габариты, незначительные инерционные силы движущихся компонентов, небольшой расход смазочных материалов, низкую себестоимость изготовления, благодаря сокращению количества сложных деталей, а также небольшую металлоемкость в связи с компактностью двигателя.

Уместно отметить, что основным преимуществом конструкции ЛДВС является большой рабочий объем при незначительных размерах корпуса двигателя (рис. 1) 10.

Как отмечалось в [9], рабочие объемы существующих роторных (рис. 1 а) и ро-торно-лопастных (рис. 1 Ь) ДВС составляют примерно 1/3 всего объема внутренней полости двигателей, а рабочий объем ЛДВС (рис. 1 о) занимает почти весь объем этой полости, что позволяет с малогабаритного компактного ЛДВС снимать большую мощность и устанавливать его в малогабаритных отсеках боевых и специальных машин.

ЛДВС выгодно отличаются от ро-торно-поршневых двигателей не только увеличенным рабочим объемом, но и технологичностью изготовления корпуса, имеющего форму тора, рабочего лопастного ротора, а также других конструктивных компонентов, обеспечивающих превращение тепла в механическую работу.

К достоинствам ЛДВС, отмеченным в [10], относится также достаточно простая кинематика кривошипно-шатунного механизма, преобразующего поворотные движения ротора во вращательное движение выходного вала отбора мощности; незначительное, по сравнению с другими ДВС, количество узлов трения, смазка которых легко

осуществима; небольшие массы движущихся деталей, а, следовательно, уменьшенные значения инерционных нагрузок и вибраций, а также незначительная металлоемкость (в связи с небольшими размерами деталей, а, следовательно, невысокая стоимость их изготовления).

Конструкция современного ЛДВС, описанная в [10], содержит корпус с торцевыми крышками, съемные или выполненные заодно с корпусом радиальные выступы, ротор с поршнями в виде лопастей, жестко закрепленный на качающемся рабочем валу, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий поворотные движения ротора во вращательное движение выходного вала отбора мощности, впускные и выпускные каналы с запорными компонентами для подвода горючей смеси и отвода отработавших газов, механизмы газораспределения с цепным или ременным приводом распределительных валов, герметизирующие и масло-съемные компоненты, свечи искрового зажигания, системы питания, смазки и охлаждения, а также, возможно, устройство, регулирующее степень сжатия для обеспечения работы двигателя на разном топливе.

Наряду с вышеперечисленными достоинствами ЛДВС, необходимо отметить их недостатки, к которым прежде всего следует отнести неудовлетворительный процесс сгорания рабочей смеси, а также повышенный тепловой режим работы этих двигателей.

Эти недостатки в работе ЛДВС обусловлены тем, что сгорание рабочей смеси в этих двигателях происходит в относительно большом объеме рабочей полости, не обеспечивающем быстрое и полное сгорание топлива. При этом догорание последнего происходит во время рабочего хода, когда лопастной поршень начинает отходить от мертвой точки, увеличивая тем самым объем рабочей полости и тепловые потери через стенки корпуса. В результате этого происходит снижение индикаторной мощности, падение коэффициента полезного действия и повышение теплового режима работы ЛДВС.

Читайте также:  Рефераты по судовым двигателям

Для устранения вышеотмеченных недостатков ЛДВС на кафедре «Конструирования и стандартизации в машиностроении» Иркутского национального исследовательского технического университета проведена модернизация этих двигателей (рис. 2).

Она заключалась в изготовлении съемных радиальных выступов из двух разборных частей 4 и 5, предназначенных для разделения внутренней полости двигателя на рабочие полости (рис. 2). На плоскостях каждой из внутренних частей радиальных выступов 5 выполнено по две камеры сгорания 6, так что все четыре рабочих полости 2 корпуса 1 снабжены камерами сгорания, как показано в разрезе А-А двигателя на рис. 2.

Наличие камер сгорания 6 во всех четырех рабочих полостях 2 обеспечивает полное сгорание топлива, уменьшение тепловых потерь, равномерный нагрев компонентов двигателя и повышение его индикаторной мощности и коэффициента полезного действия.

Для увеличения объема рабочих полостей 2 в процессе модернизации ЛДВС лопастные поршни 3 ротора выполнены плоскими, занимающими во внутренней полости двигателя наименьший объем.

В процессе модернизации ЛДВС тип камер сгорания и их конфигурация выбирались в соответствии с заданным для двигателя видом топлива и степенью сжатия. Распространенные в настоящее время в ДВС типы камер сгорания представлены на рис. 3.

Предварительно с целью установления взаимосвязи между типом камеры сгорания и возможной степенью сжатия двигателя были проведены аналитические исследования, результаты которых показаны на рис. 4.

Как видно на рис. 4, в зависимости от вида топлива, на котором предполагается работа проектируемого ЛДВС, можно подобрать тип и конфигурацию камер сгорания, обеспечивающих достаточно быстрое, но бездетонационное сгорание топлива.

Рис. 4. Взаимосвязь между типом камеры сгорания и возможной степенью сжатия двигателя:

Таким образом, в процессе модернизации ЛДВС, заключающейся в установке во всех рабочих полостях этих двигателей соответствующих камер сгорания, можно активизировать процесс горения, повысить скорость распространения фронта пламени и добиться наиболее полного сгорания топлива в ограниченном объеме, при этом увеличить индикаторное давление и мощность, повысить термический коэффициент полезного действия и нормализовать температурный режим работы ЛДВС.

Предложенные в процессе модернизации ЛДВС конструктивные решения характеризуются патентной чистотой, о чем свидетельствует полученный ИРНИТУ в 2018 г. патент 11.

Вышеотмеченное позволяет заключить о целесообразности применения модернизированного ЛДВС в практике двига-телестроения, особенно в случаях, когда от компактной силовой установки требуются высокие мощностные показатели, что характерно для боевых машин.

1. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. 368 с.

2. Осипов А.Г. Автомобильный транспорт, обслуживание и ремонт. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 270 с.

3. А. с., СССР, № 1442683, МПК 7F02B53/00. Роторный двигатель внутреннего сгорания / А.Ф. Мошков, Н.А. Шаповалов. 07.12.1988 г.

4. Пат. № 3811760, ФРГ, МПК 7F02B53/00, F01C9/00. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем. 01.06.1989.

5. Пат. № 2528241, RU, МПК 7F02B53/00, F01C9/00 / Ткаченко Юрий Сергеевич. Двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем.

6. Пат. № 2240432, RU, МПК 7F02B55/00, F01C9/00 / Самарский Сергей Петрович. Двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем. 2004.

7. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967. 496 с.

8. Роторные двигатели прошлое, настоящие, будущие. Двигатель Ванкеля [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rotor-motor.ru/page05.htm (дата обращения: 12.03.2018)

9. Осипов А.Г., Портнов А.Н. Анализ конструкций двигателей внутреннего сгорания // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей V Всероссийской науч.-практ. конф. (г. Иркутск 16-18 апреля, 2015 г.). Иркутск, 2015. С. 347-353.

10. Осипов А.Г., Портнов А.Н. Проект лопастного двигателя внутреннего сгорания // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей V Всеросс. науч.-практ. конф. (г. Иркутск 16-18 апреля, 2015 г.). Иркутск, 2015. С. 354-360.

11. Пат. № 2659602, Российская Федерация, МПК F01C 9/00, F02B 53/00, F02D 15/00. Лопастной двигатель внутреннего сгорания / А.Г. Осипов, А.Н. Порт-

нов; заявитель и патентообладатель Иркутский национальный исследовательский технический университет. № 2017119883; заявл. 07.06.2017, опубл. 03.07.2018. Бюл. № 19.

12. Дорфман В.С. [и др.]. Современные материалы в автомобилестроении. М.: Машиностроение,

13. Сороко-Новицкий В.И. Испытания автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1950. 378 с.

14. Михайловский Е.В., Серебряков К.Б., Тур Е.Я. Устройство автомобиля. 6-е изд., стереотип. М.: Машиностроение, 2001. 342 с.

1. Lenin I.M. Teoriya avtomobil’nyh i traktomyh dvigatelej [Theory of automobile and tractor engines]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1969, 368 р. (In Russ.).

2. Osipov A.G. Avtomobil’nyj transport, obsluzhivanie i remont [Motor transport, maintenance and repair]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2006, 270 р. (In Russ.).

3. Moshkov A.F., Shapovalov N.A. Rotornyj dvigatel’ vnutrennego sgoraniya [Rotary internal combustion engine]. Copyright certificate RF, no. 1442683, MPK 7F02B53/00. December 7,1988.

4. Dvuhtaktnyj dvigatel’ vnutrennego sgoraniya s ka-chayushchimsya rotorom-porshnem [Two-stroke swing rotor piston internal combustion engine]. Patent RF, no. 3811760, 1989.

5. Tkachenko Yu.S. Dvigatel’ vnutrennego sgoraniya s kachayushchimsya porshnem [Swing piston internal combustion engine]. Patent RF, no. 2528241.

6. Samarskij S.P. Dvigatel’ vnutrennego sgoraniya s ka-chayushchimsya rotorom-porshnem [Swing rotor piston internal combustion engine]. Patent RF, no. 2240432, 2004.

7. Avtomobil’nye dvigateli [Motor-car engine]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1967, 496 р. (In Russ.).

8. Rotornye dvigateli proshloe, nastoyashchie, budush-chie. Dvigatel’ Vankelya [Rotary engines: past, present, future. Wankel engine]. URL: http://www.rotor-mo-tor.ru/page05.htm (available at: March 12, 2018).

9. Osipov A.G., Portnov A.N. Analiz konstrukcij dvigatelej

Осипов А.Г. проанализировал достоинства и недостатки современных лопастных двигателей внутреннего сгорания, провел их модернизацию. Автор получил и оформил научные результаты, и несет ответственность за плагиат.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ Осипов Артур Геннадьевич

кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении,

Иркутский национальный исследовательский технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия; e-mail: arthur.osipov@rambler.ru

vnutrennego sgoraniya [Analysis of internal combustion engine designs]. Sbornik statej V Vserossijskojnauchno-prakticheskoj konferencii «Aviamashinostroenie i transport Sibiri» [Collected works of V All-Russian scientific and practical conference «Aircraft Engineering and Transport of Siberia, Irkutsk, 16-18 April 2015]. Irkutsk, 2015, pp. 347-353. (In Russ.).

10. Osipov A.G., Portnov A.N. Proekt lopastnogo dvigatelya vnutrennego sgoraniya [Design of a vane internal combustion engine]. Sbornik statej V Vse-rossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Aviamashinostroenie i transport Sibiri» [Collected works of V All-Russian scientific and practical conference «Aircraft Engineering and Transport of Siberia», Irkutsk, 16-18 April 2015]. Irkutsk, 2015, pp. 354-360. (In Russ.).

11. Osipov A.G., Portnov A.N. Lopastnoj dvigatel’ vnu-trennego sgoraniya [Vane internal combustion engine]. Patent RF, no. 2659602, 2018.

12. Dorfman V.S. Sovremennye materialy v avtomo-bilestroenii [Modern materials in the automotive industry]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2007, 271 p. (In Russ.).

13. Soroko-Novickij V.I. Ispytaniya avtotraktornyh dvigatelej [Tests of automotive tractor engines]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1950, 378 p. (In Russ.).

14. Mihajlovskij E.V., Serebryakov K.B., Tur E.Ya. Ustro-jstvo avtomobilya [Motor car structure]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2001, 342 p. (In Russ.).

Osipov A.G. has analyzed the advantages and shortcomings of modern rotary vane internal combustion engines and upgraded them. The author has obtained and formalized the scientific results and bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR Artur G. Osipov

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor

of the Department of Design and Standardization

in Mechanical Engineering,

Irkutsk National Research Technical University,

Источник

Научная статья на тему «Исследование факторов влияющих на экономичность двигателя внутреннего сгорания»

Первый автомобиль был сконструирован и изготовлен на исходе XIX века. В начале прошлого столетия он уже приобрел все основные черты современной машины. Первые автомобильные двигатели, получившие широкое распространение, были четырехтактными бензиновыми с искровым зажиганием от магнето.

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Мощность двигателей внутреннего сгорания тогда не превышала 35 л. с, а степень сжатия была в редких случаях более 3. Дальнейшее развитие автомобилестроения характеризовалось повышением степени сжатия до 8‑10, введением турбонаддува и расширением сферы применения дизелей, значительно более экономичных, чем бензиновые моторы с искровым зажиганием.

Внимание!

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Как бы мы ни совершенствовали процесс сгорания топлива в двигателе, основная масса выделившегося при этом тепла все равно будет теряться с охлаждающей водой, маслом и выхлопными газами. Причем больше всего тепловых потерь идет через систему охлаждения: до 40%. И это пока неизбежно, так как без охлаждения металлические детали двигателя не выдержат тепловых нагрузок, возникающих при его работе. Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли повысить эффективность автомобильного двигателя, хотя бы за счет частичного использования тепловых потерь?

Основной показатель эффективности двигателя — коэффициент полезного действия (КПД). Он определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую.

Изучая в физике «Законы термодинамики», мы задались вопросом: каким образом можно повысить КПД теплового двигателя?

Французский инженер Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя.

В своей книге Карно не сумел еще развить достаточно полную теорию превращения теплоты в работу, так как придерживался теории теплорода.[3, c.53] Правда, из опубликованных после его смерти документов видно, что он впоследствии отказался от этой теория и пришел к заключению, что теплота есть движение. Он установил, что непрерывный процесс превращения теплоты в работу будет происходить при наличии двух тел: нагревателя при более высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т2. [3, c.52]

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Карно и последующие ученые показали, что эта машина должна быть такой, чтобы все изменения в ней происходили обратимым путем, т.е. чтобы все процессы в ней были обратимыми.

Как показал Сади Карно, КПД предложенного им цикла может быть выражен через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2. Он оказывается равным : η= ( Т2-Т1) / Т1 или η= 1-(Т2/Т1) [1, с.263]

Исходя из этих формул,

КПД будет выше, если разница между температурами нагревателя и холодильника станет максимальна. Источник тепла (в автомобильном двигателе источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота, — атмосфера; она играет роль холодильника.

Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать заклиниванию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации.

Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.

Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300—2500 °С. При сгорании в цилиндре, интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.[2,c.73]

Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Узнать стоимость Гарантии Отзывы

t1 ,°C Т1, К t2 °C Т2, К η
900 1173 273 0,76
1500 1773 273 0,84
2000 2273 273 0,87
2500 2773 273 0,9

При постоянной температуре системы охлаждения (холодильника), с ростом температуры нагревателя КПД увеличивается.

При такте «Сжатие» поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты и поэтому рабочая смесь сжимается. Из физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9‑10 кг/см2, а температура 300‑400 °C. В самом конце такта сжатия, рабоч

рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания.

В начале такта рабочего хода, сгорающая смесь начинает активно расширяться. А так как впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход — давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления, достигающего 40 кг/см 2, начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила 2000 кг и более, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент. При такте рабочего хода, температура в цилиндре достигает 2300 градусов и выше. [2, c.82]

Во время такта «Рабочий ход» происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Откуда и берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

Если мы хотим повысить КПД как можно выше, нужно увеличивать температуру нагревателя. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Значит не все материалы, возможно, использовать для изготовления двигателя и его деталей.

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Рассмотрим температуры плавления различных веществ:

Вещество Температура, °C
Алюминий 550
Чугун 1250
Кремний 1668
Фарфор 1800
Титан 1933
Вольфрам 3400

По этим данным видно, что лучше всего бы для изготовления деталей двигателя подошел вольфрам, но для серийного производства этот материал не подходит. Или титан, но это было бы очень дорогое производство.

Итак, с одной стороны, для повышения экономичности двигателя желательно иметь более высокую температуру деталей, образующих камеру сгорания; с другой стороны, для повышения надежности работы деталей их температура должна быть как можно ниже. Несоблюдение второго условия может привести к перегреву деталей, разрушению масляной пленки и возникновению режима сухого трения. Устранить это можно лишь более интенсивным охлаждением деталей цилиндра, что опять-таки увеличит потери тепла в систему охлаждения.

Даже из нашей таблицы видно, что следующие после титана и вольфрама по жаропрочности и тугоплавкости являются — фарфор и кремний, т.е. керамика. При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

Детали двигателя, изготовленные из керамических материалов, в отличие от обычных, (они работают при 250‑450° С) могут выдерживать температуры до 1300‑1500°С. Благодаря высокой термостойкости и малой теплопроводности керамики отпадает необходимость в охлаждении отдельных деталей, а при изготовлении из керамических материалов всех деталей — и

необходимость вообще в системе охлаждения. Кроме того, керамические изделия легче равнопрочных металлических.

Создание более высокой температуры цикла и устранение потерь тепла, связанных с охлаждением деталей, позволит поднять кпд двигателя и значительно снизить расход топлива. Весьма существенно, что повышение температуры деталей камеры сгорания двигателя (до 1200°С) делает керамический двигатель многотопливным. Это значит, что могут использоваться бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, синтетические топлива из угля и горючих сланцев и при необходимости даже некоторые сорта мазута. Кроме того, благодаря более высокой температуре в камере сгорания значительно возрастет топливная экономичность двигателя при частичных нагрузках, что очень важно для транспорта, движущегося в условиях города.

Для деталей двигателя, работающих при высоких температурах (250‑450°С) и подверженных большому износу, наиболее подходящими керамическими материалами следует считать карбиды и нитриды кремния. Сырьем для их получения служат широко распространенные в природе вещества: кварцевый песок, полевой шпат и каолин.

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Узнать стоимость Гарантии Отзывы

Следовательно, при отработанной технологии изготовления деталей поршневого двигателя из керамики замена дорогостоящих легированных и жаростойких сталей положительно скажется на его стоимости.

Подведём итог:

Керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей

внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения. Достоинства керамических материалов и выгоды, которые сулит их применение в двигателях внутреннего сгорания, несомненны.

Но, для организации серийного выпуска таких двигателей требуется серьезная перестройка производства, а следовательно, и значительное время.

Но несмотря на всё вышесказанное о керамическом двигателе, говорить о его серьезной конкуренции традиционным двигателям внутреннего сгорания еще рано. В современных двигателях применяются материалы, технология обработки которых доведена до совершенства, и благодаря массовому их выпуску себестоимость двигателя незначительная. Ресурс же деталей двигателя из керамических материалов мал, да и технология получения этих материалов и их обработки оставляет пока желать лучшего. Эти два обстоятельства, несмотря на заложенные в керамическом двигателе значительные преимущества, и служат пока серьезными препятствиями на пути его широкого распространения.

Список литературы:

Кикоин А.К., Кикоин И.К. Общий курс физики. Молекулярная физика (2-е здание). М.: Наука, 1976 — 478 с
Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. М.:ИД «Форум»-Инфра-М, 2007 — 360с
Тимирязев А.К. Второе начало термодинамики. Сборник работ (С. Карно, Р. Клаузиус, В. Томсон-Кельвин, Л. Больцман, М. Смолуховский). М.-Л.: ГТТИ, 1934 — 312 с

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Источник

Разработка динамических моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания и опыт их применения Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Агуреев Игорь Евгеньевич, Малиованов Михаил Вениаминович, Хмелев Роман Николаевич

DEVELOPMENT OF DYNAMIC MODELS OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND USING EXPERIENCE

This article describes the basic principles of the building of a hierarchical system of dynamic models which are used for study the operation and calculation of reciprocating engines. The results of practical using and the possibilities of dynamic models developed by the authors are shown.

Текст научной работы на тему «Разработка динамических моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания и опыт их применения»

РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ОПЫТ

И.Е. Агуреев, М.В. Малиованов, Р.Н. Хмелев

Изложены основные принципы построения иерархической системы динамических моделей, применяемых для исследования функционирования и расчета поршневых двигателей. Приведены результаты практического использования и показаны возможности динамических моделей, разработанных авторами.

Ключевые слова: поршневой двигатель внутреннего сгорания, динамическая система, динамическая модель, переходные процессы.

Современный этап теоретических исследований поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) характеризуется большим разнообразием применяемых математических моделей, сложность которых постоянно возрастает. Математическое моделирование как инструмент исследования в современной теории поршневых двигателей занимает значительное место и способствует их быстрому развитию. Эволюция моделирования ПДВС в настоящее время происходит в направлении все более детального учета множества различных факторов, повышения точности и придания моделям натурных свойств.

В последние годы, в связи с развитием вычислительной техники и значительными успехами в области моделирования ПДВС, вопросам построения модели двигателя как динамической системы уделяется все больше внимания. В тоже время, охватить единой детальной моделью такую сложную динамическую систему как ПДВС затруднительно вследствие высоких затрат вычислительных ресурсов и проблем унификации и согласования математического описания взаимосвязанных процессов различной физической природы, определяющих функционирование ПДВС. Это особенно важно для неустановившихся режимов работы, являющихся основными и характеризующихся исключительно сложной взаимосвязью всех звеньев динамической системы.

Среди математических моделей, описывающих отдельные аспекты работы ПДВС как динамической системы, следует назвать работы 4.

По сравнению с существующими подходами в данной работе представляется математический аппарат, обеспечивающий анализ функционирования ПДВС во времени как единой динамической системы, исследование сложных явлений, присущих поршневым двигателям, а также определение параметров двигателя на стадии проектирования. Предлложенный математический аппарат базируется на иерархической системе динамических моделей ПДВС, обеспечивающих рациональное сочетание сложности

и полноты описания взаимосвязанных механических, термодинамических, газодинамических и гидродинамических процессов, с возможностью выбора инженером-исследователем моделей требуемого уровня.

Базовой моделью ПДВС (моделью низшего уровня сложности) является разработанная в рамках тепломеханики [10] фазово-функциональная динамическая модель, отражающая основные особенности двигателя как системы преобразующей энергию во времени, и состоящая из двух основных подсистем уравнений:

а) подсистемы, описывающей изменение состояния рабочего тела в цилиндре:

б) подсистемы, описывающей движение механизмов:

Источник

Сопоставительный анализ инновационных закономерностей развития авиационных двигателей Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Селиванов Сергей Григорьевич, Поезжалова Светлана Николаевна

The comparative analysis of innovative regularities of aviation engines development

The innovative regularities of aircrafts and engines development of fighters are considered, the up-to-date developments and perspectives of further development of aviation technics are described which determine a change of aircrafts and engines generations and the main technological problems are identified the solution which is the basic value for aviation engines creation. The S-type regularities of aviation engines development of airforce are performed. The comparative analysis of innovative regularities is carried out and the optimal function dependence for graphic image of aviation engines development is the result of this analysis.

Текст научной работы на тему «Сопоставительный анализ инновационных закономерностей развития авиационных двигателей»

АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА • ТЕПЛОВЫЕ, ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЛА

С. Г. СЕЛИВАНОВ, С. Н. ПОЕЗЖАЛОВА

СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИННОВАЦИОННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Рассмотрены инновационные закономерности развития самолетов и двигателей истребительной авиации, описаны новейшие разработки и перспективы дальнейшего развития авиационной техники, обуславливающие смену поколений самолетов и двигателей, а также определены основные технологические проблемы, решение которых имеет определяющее значение для создания авиационных двигателей. Построены 5-образные кривые развития авиационных двигателей для фронтовой авиации. Проведен сопоставительный анализ инновационных закономерностей, результатом которого является оптимальная функциональная зависимость для графического изображения развития авиационных двигателей. Инноватика; инновационные закономерности; авиационные двигатели; самолеты-истребители; беспилотные летательные аппараты; смена поколений авиационной техники и технологии; функциональная зависимость; база данных

Одним из основных научных законов инноватики является закон смены поколений техники и технологий [1, 2], т. е. изменения принципа действия (выполнения) технологической, энергетической и / или информационно-управляющей функции данного поколения техники или технологии для обеспечения роста их конкурентоспособности. В данной статье объектом системотехнического анализа являются газотурбинные реактивные авиационные двигатели для самолетов-истребителей, многофункциональных высокоманевренных самолетов-истребителей (истребителей-бомбардировщиков) и самолетов вертикального взлета, начиная с первых дозвуковых реактивных самолетов-истребителей (Ме-262) и двигателей (ЮМО-004 и БМВ-003) до двигателей современных беспилотных самолетов и «интеллектуального авиационного двигателя». Предметом исследований статьи является сопоставительный анализ научных инновационных закономерностей смены поколений названных типов техники.

1. ИННОВАЦИОННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ САМОЛЕТОВ ИСТРЕБИТЕЛЬНОЙ АВИАЦИИ

научных знаний в определенные ценности: фундаментальные исследования ^ поисковые НИР ^ прикладные НИР ^ прикладные НИОКР ^ технологии ^ производство ^ рыночная реализация.

Управление инновационной деятельностью осуществляют на всех этапах жизненного цикла инноваций, в перечне которых важнейшими в отношении товарной продукции являются:

1) разработка новой технологии; 2) проектирование нового изделия, обеспечивающего эту технологию; 3)освоение (инновация) разработанного изделия в производстве; 4) диффузия (проникновение) новых изделий на рынок; 5) преодоление кризисной ситуации, которая связана с освоением нового изделия (товара) и новых технологий.

Новыми технологиями развития самолетов-истребителей в настоящее время являются:

На рис. 1 приведены примеры отечественных и зарубежных сверхзвуковых высокоманевренных многофункциональных истребителей 5-го поколения, созданных по STEALTH TECHNOLOGY.

Контактная информация: (347) 272-26-76

Рис. 1. Самолеты-истребители 5-го поколения ВВС США и России

Тяжелый отечественный многофункциональный истребитель 5-го поколения «Т-50» разработан в ОКБ им. П. О. Сухого [7]. Он создан в рамках программы «Перспективный авиационный комплекс фронтовой авиации». Штатный двигатель 5-го поколения (первый полет 29.01.2010 г.) имеет форсажную тягу (по опубликованным данным) 16-18 тонн, что однозначно определяет максимальный взлетный вес самолета в диапазоне 32-36 тонн. Двигатель, оснащенный турбиной повышенной эффективности и аналого-цифровой системой управления, имеет вентилятор с увеличенным расходом воздуха, новую камеру сгорания и цифровую систему управления, что позволило увеличить тягу, а также системы реверса и всеракурсного управления вектором тяги [6].

Примером самолета-истребителя 5-го поколения, выполненного по технологии STOVL (Short Take-Off Vertical Landing), является F-35 (рис. 2).

Новыми разработками, которые обеспечивают смену поколений самолетов и двигателей, являются беспилотные летательные аппараты, в том числе гиперзвуковые самолеты и двигатели. Самолеты новейших технологий должны летать на гиперзвуковых скоростях, а для этого в их двигателях необходимо гармонично объединить черты авиационной и космической техники [8].

В 2004 году в самостоятельный полет отправился первый самолет с таким двигателем, таким образом, поставленная цель почти стала реальностью. Впервые беспилотный аппарат Х-43А (рис. 3), установленный на крылатой ракете-носителе Pegasus («Пегас»), совершил полет в марте 2004 г. неподалеку от побережья Калифорнии с летящего на высоте 12 км бомбардировщика В-52.

С помощью стартового ускорителя экспериментальный аппарат поднялся на высоту 29 км, где и отделился от ракеты-носителя

(рис. 4). Далее заработал его собственный ПВРД, и хотя он проработал всего 10 секунд, разогнал гиперзвуковой самолет до скорости в 11260 км/ч, что в 9,8 раза превышает скорость звука. Полученные в ходе этого эксперимента результаты помогли объективно оценить концепцию сверхзвукового летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем [10].

Пентагон планирует использовать системы, созданные на базе X-45, для решения двух задач:

1) подавление системы противовоздушной обороны;

2) нанесение ударов по целям, прикрытым сильной противовоздушной обороной.

В последнее десятилетие в ведущих странах Запада при проведении НИОКР в области новых видов авиационно-космической техники большое внимание уделяется разработке ключевых технологий создания гиперзвуковых летательных аппаратов, включая пилотируемые и беспилотные, управляемые ракеты различных классов, а также боевые блоки баллистических ракет. Интерес, проявляемый к гиперзвуковым технологиям, обусловлен перспективой получения следующих боевых преимуществ: малое (до 10 мин и менее при дальности пуска около 1000 км) подлетное время, сравнительно низкая уязвимость средств воздушно-космического нападения, способных выполнять крейсерский полет со скоростями, соответствующим числу М = 6^14 и более на высотах 35^40 км; универсальность применения (самолеты стратегической и тактической авиации, надводные корабли и подводные лодки, баллистические ракеты).

По расчетам зарубежных экспертов, использование гиперзвуковых воздушнокосмических систем обеспечит: существенное повышение оперативности и эффективности решения поставленных задач; возможность быстрого возврата на аэродром базирования; зна-

чительное (примерно в 10 раз) снижение стоимости и риска доставки полезной нагрузки на околоземные орбиты по сравнению с имеющимися системами; рассредоточение средств вывода в космос на национальной территории; уменьшение зависимости от незащищенных стационарных стартовых комплексов и специального наземного оборудования, необходимых для запусков ракет-носителей.

Кроме того, перспективные Г ЛА будут применяться для решения таких задач, как: ведение стратегической воздушной разведки; поражение важных, в том числе критичных по времени и высокомобильных целей в глубине территории противника; перехват воздушнокосмических целей; оперативная доставка личного состава, вооружений и военной техники на трансконтинентальную дальность, а также выведение на орбиту военных спутников.

По мнению зарубежных специалистов, чтобы ГЛА удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям, разрабатываемые для них силовые установки должны обладать высокими тягово-экономическими характеристиками при относительно малой массе конструкции.

Рис. 2. Самолеты пятого поколения Г-35 (США) технологии БТОУЬ

Рис. 3. Беспилотные самолеты Х-43А (а) и Х-45А (б)

Рис. 4. Пример гиперзвукового самолета с ракетоносителем (а) и ускоритель (б)

В качестве основных силовых установок на современном этапе рассматриваются прямоточные воздушно-реактивные двигатели

(ПВРД) с дозвуковой и гиперзвуковые (ГПВРД) со сверхзвуковой скоростью потока в камере сгорания, предназначенные для вы-

Рис. 5. Новейшие беспилотные боевые летательные аппараты Х-47А Pegasus (а) и X-47B (б)

Системотехническое исследование инновационных закономерностей смены названных

и предшествующих поколении самолетов и их двигателей основывается на построении и изучении ««^-образных кривых развития», которые для реактивных самолетов-истребителей фронтовой авиации имеют вид рис. 6.

Рассмотрим более подробно ««^-образные кривые развития» авиационной техники в приложении к авиационным двигателям для фронтовой авиации.

2. ИННОВАЦИОННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ САМОЛЕТОВ ИСТРЕБИТЕЛЬНОЙ АВИАЦИИ

Для анализа инновационных закономерностей развития двигателей в качестве главного критерия технического уровня будем рассматривать тягу (кг). Ее изменения с течением времени подчиняются общим законам инноватики и имеют вид, представленный на рис. 7. В табл. 1, 2 приведены исходные данные (тактико-технические характеристики) для построения и анализа закономерностей развития двигателей, начиная с дозвуковых реактивных и заканчивая современными двигателями для самолетов-истребителей 5-го поколения.

Источник

Электрогидродинамический двигатель Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Соковиков Вячеслав Капитонович, Строков Павел Игоревич, Бекаев Андрей Анатольевич

Electrohydrodynamic engine

The article is dedicated to electrohydrodynamic engine working without hydrocarbon fuel. Engine work is based on the electric discharge in the nonfreezing liquid located under piston volume of the cylinder. The engine efficiency can reach 75 %.

Текст научной работы на тему «Электрогидродинамический двигатель»

В.К. Соковиков, профессор МАМИ, д.т.н., П.И. Строков, аспирант МАМИ, А.А. Бекаев, доцент МАМИ, к.т.н.

Рассмотрен электрогидродинамический двигатель, для работы которого не требуется углеводородное топливо. Описана работа двигателя, основанная на электрическом разряде в незамерзающей жидкости, расположенной в надпоршневом объеме цилиндра. Приведены расчеты КПД двигателя, который может достигать 75 %.

Ключевые слова: двигатель, поршень, давление, электрод.

Электрогидродинамический двигатель (ЭГДД), являясь альтернативой существующим двигателям (ДВС, электродвигатели и т.д.), устанавливаемым на различных транспортных средствах (ТС), обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства согласно современным требованиям к ТС. При этом ЭГДД экологичен, не имеет отработавших газов, так как не сжигает топливо. Двигатель работает от электрической аккумуляторной батареи транспортного средства, которая подзаряжается как от внешнего источника электроэнергии, так и за счет рекуперации энергии торможения автомобиля.

В рабочей камере цилиндров двигателя можно производить разряды напряжением до 80 кВ и частотой до 100 Гц, что обеспечивает высокие давление в рабочей камере цилиндров и скорость перемещения рабочего органа (поршень). Двигатель может достигать практически любых заданных значений крутящего момента и частоты вращения, ограниченных лишь конструктивными особенностями двигателя или транспортного средства. Он имеет простую конструкцию, малые массу и габариты, низкий уровень шума при работе (по сравнению с электродвигателями), а также низкую стоимость изготовления, высокие ремонтопригодность и надежность.

Принцип работы ЭГДД основан на электрогидродинамическом эффекте преобразования энергии высоковольтного разряда в жидкой среде в полезную работу выходного звена машины. Основой создания экономичных и экологичных двигателей, альтернативных ДВС и прочим двигателям, стали следующие требования:

• простота конструкции и низкий уровень шума при работе;

• синтетическая с антикоррозионными и смазывающими свойствами и наибольшей удельной электропроводностью рабочая жидкость (РЖ);

• низкая стоимость изготовления и эксплуатации по сравнению с ДВС;

• меньшие масса и объем двигателя по сравнению с аналогами (электродвигатели);

• большие момент и частота вращения у роторного ЭГДД по сравнению с поршневым ЭГДД.

В поршневом ЭГДД (пат. 2278297 РФ) высоковольтный электрический разряд создает в замкнутом объеме РЖ гидравлическую ударную волну, преобразуемую в механическую работу коленчатого вала 7 (рис. 1). В двигателе не сжигается углеводородное топливо, а простая и экономичная конструкция обеспечивает автоматический режим установки, стабилизации и регулирования параметров работы. ЭГДД содержит микроконтроллер (блок управления) 7, электрическую систему питания 6, силовые цилиндры 2 с поршнями 8, рабочей жидкостью и одной парой электродов 3 и 4 (как минимум).

Оптимальным подбором плотности и электропроводности РЖ, интервала электроразряда обеспечивается создание экономичного и надежного в работе двигателя. В качестве РЖ могут быть использованы различные

Рис. 3. Зависимость давления в канале разряда от индуктивности цепи разряда (а) и от емкости конденсатора (б) при и =40 кВ, С=0,01-10-6 Ф

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

В рабочих камерах с незначительными объемами цилиндров двигателя при ограниченных расстояниях между электродами преобладает лидерный или тепловой режим разрядов, и практически вся электрическая энергия преобразуется в энергию пробоя. Различие между режимами пробоя заключается в том, что при лидерном преобладает энергия движения парожидкостной смеси (больше 50 %) над энергией ударной волны. Такой пробой наиболее целесообразен, так как перемещение поршня цилиндра двигателя в основном происходит за счет движения парожидкостной смеси, а ударная волна создает дополнительные нагрузки на механические элементы двигателя. Тепловой режим пробоя возникает при сравнительно низких напря-женностях поля, не превышающих 36 кВ/см (для воды), при этом пробой межэлектродного промежутка происходит по газовому мостику, образующемуся в результате разогрева и испарения жидкости током проводимости.

При использовании в качестве рабочей жидкости воды граница, разделяющая лидерный и тепловой режимы пробоя, может быть оценена по эмпирической зависимости [5], где переменной является длина зазора I между электродами

Ограниченность объема рабочих камер цилиндров двигателя оказывает также существенное влияние на развитие плазменного канала между электродами при высоковольтном электрическом пробое жидкости. Металлический экран в виде стенок цилиндра стабилизирует плазменный канал разряда при лидерном или тепловом режимах пробоя вследствие образования

НИ ЙЯЯВВР л Ф® вя# ¿¡^¿^ ЩИ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (33), май 2013 г.

индуцированного соленоидального магнитного поля. Если в больших объемах жидкости электрический пробой водного промежутка при напряженности электрического поля не более 3,5 кВ/см маловероятен, то в условиях сильно стесненного пространства тепловой режим пробоя при столь низкой напряженности поля достаточно надежно воспроизводится.

Вместе с тем незначительный объем жидкости в цилиндрах двигателя при сравнительно большом выделении энергии обусловливает рост температуры жидкости и статического давления внутри цилиндра. Следовательно существуют оптимальные условия, при которых происходит электрический разряд с максимально полным выделением энергии разряда в жидкость, а значит с максимальным акустическим КПД. Оптимальные условия разряда зависят от объема рабочих камер цилиндра, гидростатического давления, продолжительности движения парожидкостной смеси, скорости звука при прохождении его в парожидкостной смеси, энергии разряда, периода выделения энергии в канал разряда, длины зазора между электродами и т.д. Определение оптимальных условий, при которых происходят максимальное выделение электрической энергии в жидкость с минимальными ее потерями при движении парожидкостной смеси и получение максимальных гидравлического и акустического КПД, является сложной гидродинамической задачей.

Стабилизирующее влияние стенок цилиндра двигателя на электрический разряд обусловливает надежное воспроизведение лидерного режима разряда, при котором, по экспериментальным данным [5], в канале разряда может выделиться более 85 % энергии, подведенной к электродам, то есть па >0,85.

Хороший эффект дает применение в качестве рабочей жидкости минеральных масел. Так, авторами [4] было получено увеличение гидравлического КПД более чем в два раза при использовании минеральных масел по сравнению с гидравлическим КПД при использовании воды и удалении разряда от канала на Ш0-2 м (таблица).

Машинное масло 0,5. 0,6

Трансформаторное масло 0,7.0,8

Трансформаторное масло имеет наибольший гидравлический КПД, равный 0,7. 0,8, что в два раза больше гидравлического КПД воды.

Экспериментальные исследования [5], проведенные авторами в широком диапазоне значений емкости электрической цепи (6.100 мкФ), объема рабочей камеры (130.1600 см3), напряжения пробоя (2.20 кВ), зазора между электродами (1.20 мм) с пятикратным воспроизведением опытной точки, показали, что в малых объемах гидравлический КПД может достигать в воде пг^0,7.0,8 при зазоре между электродами 1=4,5.7 мм. Отсюда следует, что для использования в двигателях можно подобрать такую жидкость с соответствующими присадками, при которой был бы минимальный коэффициент трения между слоями и достаточно высокий гидравлический Пг=0,9.0,95. Следует учитывать, что максимальные гидравлический и акустический КПД могут быть получены при соответствующих значениях емкости конденсатора и индуктивности цепи разряда электронного блока питания, а также при нормальных гидростатическом давлении и температуре жидкости. Увеличение гидростатического давления при прочих равных условиях согласно параметру Х1 эквивалентно уменьшению энергии Е0, то есть приводит к снижению гидравлического КПД. Увеличение температуры парожидкостной смеси и жидкости в районе нижней мертвой точки перемещения поршня также приводит к уменьшению гидравлического КПД. Чем ниже температура жидкости, тем выше технические показатели электрогидродинамического двигателя.

Теоретическое определение основных параметров электрогидродинамического двигателя при электрическом разряде между электродами может быть получено [5] из решения системы дифференциальных уравнений.

1. Уравнение для определения выделяемой энергии разряда, соответствующей заданному закону [5]

2. Уравнения гидродинамики сжимаемой жидкости:

• уравнение скорости движения

• уравнение связи перемещения частиц парожидкос-тной смеси со скоростью

• уравнение неразрывности парожидкостной смеси Э(рД)»1

3. Уравнение состояния парожидкостной смеси (уравнение Тэта)[7]

Условие сохранения энергии, вводимой в канал разряда, на границе раздела жидкости и газовой полости ЕВ+А = Е.

Внешнее граничное условие движения поршня гидроцилиндра двигателя

Начальные условия для решения вышеописанной системы дифференциальных уравнений имеют вид: t = 0; К = г; Эг/Эг = 0.

Точное решение данной системы уравнений представляет определенную сложность. Поэтому для ее решения следует использовать численный конечно-разностный метод с использованием разностной схемы второго

порядка точности. Неявные граничные условия могут быть получены итерационным методом Ньютона-Рафсона.

Таким образом, были установлены следующие параметры, характеризующие экономические показатели электрогидродинамического двигателя: гидравлический КПД двигателя Г|г =0,9. 0,95; акустический КПД па ^0,85. При Пг = 0,92, па = 0,92 с учетом механического КПД двигателя при движении поршня и КПД вспомогательных устройств общий КПД двигателя может достигать п=0,72. 0,75.

Полученный КПД электрогидродинамического двигателя существенно выше КПД двигателя внутреннего сгорания и может с ним конкурировать на транспортных средствах. Электрогидродинамический двигатель, используемый совместно с ДВС (гибридный двигатель), может широко применяться в транспортных средствах в городских и полевых условиях. Он является экологически чистым, поэтому его эксплуатация предпочтительнее, чем ДВС. Дальнейшие работы по электрогидродинамическому двигателю должны еще больше повысить его экономические показатели и технические возможности.

4. Соковиков В.К., Строков П.И. и др. Поршневой электрогидравлический двигатель. Патент на изобретение № 2278297, бюл. № 17 от 20.06.2006.

Источник

Исследование отложений в автомобильных двигателях Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кузьмин Н. А., Зеленцов В. В., Донато И. О.

RESEARCH OF ADJOURNMENT IN AUTOMOBILE ENGINES

One of reserves of increasing of internal-combustion engine indicators of operational reliability is decreasing of adjournment deposits, varnishes and deposits on surfaces of engine oil contacting details. The process of oil ageing is the reason of their formation (oxidation of the hydrocarbons which are parts of an oil basis). The thermal mode of thermostressed details is the reason of processes of oil oxidation in engines and formation of adjournment and overall engines performance.

Текст научной работы на тему «Исследование отложений в автомобильных двигателях»

Н.А Кузьмин1, В.В. Зеленцов1, И.О. Донато2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ В АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Одним из резервов повышения показателей эксплуатационной надежности ДВС является снижение отложений нагаров, лаков и осадков на поверхностях их деталей, контактирующих с моторным маслом. В основе их образования лежат процессы старения масел (окисление углеводородов, входящих в состав масляной основы). Определяющее влияние на процессы окисления масла в двигателях, на образование отложений и эффективность работы ДВС в целом оказывает тепловой режим теплонагруженных деталей.

Ключевые слова: температура, поршень, цилиндр, моторное масло, отложения, нагар, лак, работоспособность, надежность.

На количество осадков (шламов), образующихся в ДВС, решающее влияние оказывает качество моторного масла, температурный режим деталей, конструкционные особенности двигателя и условия эксплуатации. Отложения этого типа наиболее характерны для условий зимней эксплуатации, интенсифицируются при частых пусках и остановках двигателя.

Тепловое состояние ДВС оказывает определяющее влияние на процессы образования различных видов отложений, прочностные показатели материалов деталей, выходные эффективные показатели двигателей, процессы изнашивания поверхностей деталей. В этой связи необходимо знать пороговые значения температур деталей ЦПГ, по крайней мере, в характерных точках, превышение которых приводит к указанным ранее негативным последствиям.

Температурное состояние деталей ЦПГ ДВС целесообразно анализировать по значениям температур в характерных точках, расположение которых показано на рис. 1 [1].

Значения температур в данных точках следует учитывать при производстве, испытаниях и доводке двигателей для оптимизации конструкций деталей, при выборе моторных масел, при сравнении тепловых состояний различных двигателей, при решении целого ряда других технических проблем конструирования и эксплуатации ДВС.

© Кузьмин Н.А, Зеленцов В.В., Донато И.О., 2010.

Рис. 1. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС при анализе их температурного состояния для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей

Эти значения имеют критические уровни:

С другой стороны, известно, что пониженная температура стенок цилиндра (ниже точки росы отработавших газов) способствует ускорению их коррозионно-механического изна-

На интенсивность протекания процессов образования отложений нагаров, лаков и осадков на поверхностях деталей ДВС существенно влияет старение моторных масел при их работе. Старение масел состоит в накоплении примесей (в том числе воды), изменении их физико-химических свойств и окислении углеводородов.

Изменение фракционного состава чистого залитого масла по мере работы двигателя вызывается в основном причинами, изменяющими состав его масляной основы и процентное соотношение присадок по отдельным составляющим (парафиновым, ароматическим, нафтеновым). К ним относятся:

• процессы термического разложения масла в зонах перегрева (например, в клапанных втулках, зонах верхних поршневых колец, на поверхностях верхних поясов зеркала цилиндров). Такие процессы приводят к окислению наиболее легких фракций масляной основы или даже их частичному выкипанию;

• добавление к углеводородам основы неиспарившегося топлива, попадающего в начальные периоды пусков (или при резком увеличении подачи топлива в цилиндры для осуществления ускорения автомобиля) в маслосборник картера через зону поршневых уплотнений;

• попадание в поддон картера или маслосборник двигателя воды, образующейся при сгорании топлива в КС цилиндров.

Следует отметить, что мероприятия, замедляющие процессы изменения состава масляной основы, существенно замедляют образование нагара, лака и осадков, а также снижают интенсивность изнашивания основных деталей автомобильных двигателей [2].

Фракционный и химический состав масел может изменяться в достаточно широких пределах под влиянием различных факторов:

• характера сырья, зависящего от месторождения, свойств нефтяной скважины;

• особенностей технологии изготовления моторных масел;

• особенностей транспортировки и длительности хранения масел.

Для предварительной оценки свойств нефтепродуктов применяют различные лабораторные методы: определение кривой разгонки, температур вспышки, помутнения и застывания, оценку окисляемости в средах с различной агрессивностью и т.п.

Окисление углеводородов подчиняется теории перекисей А.Н. Баха и К.О. Энглера, дополненной П.Н. Черножуковым и С.Э. Крейном. Окисление углеводородов, в частности, в моторных маслах ДВС, может идти по двум основным направлениям, представленным на рис. 2, результаты окисления по которым различны. При этом результатом окисления по первому направлению являются кислые продукты (кислоты, оксикислоты, эстолиды и ас-фальтогенные кислоты), образующие осадки при пониженных температурах; результатом окисления по второму направлению являются нейтральные продукты (карбены, карбоиды, асфальтены и смолы), из которых образуются в различных пропорциях при повышенных температурах или лаки, или нагары [2].

Рис. 2. Пути окисления углеводородов в нефтяном продукте (например, в моторном масле для ДВС)

В процессах старения масла весьма значительна роль воды, попадающей в масло при конденсации ее паров из картерных газов или другими путями. В результате этого образуются эмульсии, которые впоследствии усиливают окислительную полимеризацию молекул масла. Взаимодействие оксикислот и других продуктов окисления масла с водомасляными эмульсиями вызывает усиленное образование осадков (шламов) в двигателе.

В свою очередь, образовавшиеся частички шлама, если они не будут нейтрализованы присадкой, служат центрами катализации и ускоряют разложение еще не окислившейся части масла. Если при этом не произвести своевременную замену моторного масла, процесс окисления будет происходить по типу цепной реакции с увеличивающейся скоростью, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Решающее влияние на образование нагаров, лаков и осадков на поверхностях деталей ДВС, контактирующих с моторным маслом, оказывает их тепловое состояние. В свою очередь, конструкционные особенности двигателей, условия их эксплуатации, режимы работы и т.д. определяют тепловое состояние двигателей и влияют, таким образом, на процессы образования отложений.

Не менее важное влияние на образование отложений в ДВС оказывают и характеристики применяемого моторного масла. Для каждого конкретного двигателя важно соответствие рекомендованного заводом-изготовителем масла температуре поверхностей деталей, контактирующих с ним.

В данной работе произведен анализ взаимосвязи температур поверхностей поршней двигателей ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10 и процессов образования на них отложений нагаров и лаков, а также произведена оценка осадкообразования на поверхностях картера и клапанной крышки двигателей при использовании рекомендованного заводом изготовителем моторного масла М 63/12Г1.

Нагарообразование на поверхностях днищ поршней двигателей ЗМЗ-5234.10 характеризовалось данными, представленными на рис. 3 (для двигателей ЗМЗ-402.10 результаты подобны). Из анализа рисунка следует, что при повышении температур днищ поршней от 100 до 300°С толщина (зона существования) нагара уменьшалась с 0,45.0,50 до 0,10.0,15 мм, что объясняется выжиганием нагара при повышении температуры поверхностей двигателей. Твердость же нагара повышалась с 0,5 до 4,0.4,5 баллов по причине спекания нагара при высоких температурах.

Изменение физико-химических параметров моторного масла при пробеговых испытаниях двигателей ЗМЗ-402.10

Источник

Реактивные двигательные установки Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Зиятдинов Р. Х., Коротков Ю. Ф., Мухаметзянов М. А., Шагивалеев А. У.

Comparative analyses of different type reactive engines is maked. Arregment of pump-jet propulsion unit is analysed. Analogua of pump-jet propulsion unit on the base of the gas piston acoustic supercharger is suggested.

Текст научной работы на тему «Реактивные двигательные установки»

Р. Х. Зиятдинов, Ю. Ф. Коротков, М. А. Мухаметзянов,

РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Ключевые слова: реактивный двигатель, водометный двигатель, поршневой акустический нагнетатель.

Рассмотрены различные типы реактивных двигателей и особенности их работы. Анализируется принцип действия водометного двигателя, использующего эффект кальмара. Предложен аналог водометного двигателя с использованием акустического поршневого нагнетателя.

Keywords: reactive engine, pump-jet propulsion unit, gas piston acoustic supercharger.

Comparative analyses of different type reactive engines is maked. Arregment ofpump-jet propulsion unit is analysed. Analogua ofpump-jet propulsion unit on the base of the gas piston acoustic supercharger is suggested.

Реактивным двигателем (движителем) называют двигатель, создающий необходимую для движения аппарата силу тяги путём преобразования исходной (потенциальной) энергии первичного источника в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения из сопла реактивного двигателя струи появляется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, толкающая двигатель с аппаратом в противоположную выбрасываемой из сопла струе сторону.

Известны следующие классы реактивных двигателей:

— ракетный двигатель, в котором все компоненты рабочего тела находятся на борту аппарата, что даёт возможность двигаться такому аппарату в космическом, воздушном, надводном или подводном пространствах;

— гидро-реактивный двигатель (водомет), в котором в качестве источника первичной энергии и рабочего тела используется забортная вода;

— электрический реактивный двигатель.

В камере смешения (химическом реакторе) происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов.

В реактивном сопле тепловая энергия продуктов сгорания смеси топливо-окислитель переходит в их кинетическую энергию, когда продукты сгорания выбрасываются из сопла с большой скоростью наружу, создавая реактивную тягу.

К недостаткам ракетного двигателя следует отнести высокую пожаро-взрывоопасность, низкую надежность, большую металлоёмкость, сложность конструкции и высокую стоимость изготовления космического аппарата в целом.

Воздушно-реактивный двигатель является тепловым двигателем, использующим энергию окисления горючего топлива кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело двигателя представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.

На рис.2 схематически изображен воздушно-реактивный двигатель [2].

Вентилятор 2 осуществляет первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя путем прокачивания этого воздуха между кор-

пусом 1 и кожухом 9, в котором размещены сборочные узлы двигателя. За вентилятором находятся компрессоры 3, которые нагнетают воздух под большим давлением в камеру сгорания 4. Камера сгорания выполняет роль карбюратора, в котором топливо смешивается с воздухом, и образующаяся смесь поджигается и возгорает. Из камеры сгорания сгорающая топливновоздушная смесь поступает в турбину, вращающую вал вместе с вентилятором и компрессорами. За турбиной с помощью смесителя 6 происходит интенсивное смешение потоков холодного воздуха с продуктами сгорания топливо-воздушной смеси. Рабочее тело в виде струи выбрасывается из сопла двигателя наружу, создавая реактивную тягу.

К недостаткам воздушно-реактивного двигателя следует отнести высокую пожароопасность, загрязнение атмосферы продуктами сгорания топливо-воздушной смеси, большую вероятность поломки двигателя из-за попадания в него птиц и высокую стоимость изготовления компрессорно-турбинного блока.

Воздушно-реактивный двигатель используется на реактивных самолетах, на морских судах с подводными крыльями и на воздушных подушках, а также на автомашинах, очищающих взлетно-посадочные полосы аэродромов от льда и снега.

Гидро-реактивный двигатель от ракетных и воздушно-реактивных двигателей отличается тем, что в качестве первичных источников энергии и рабочего тела используется забортная вода.

На рис.3 схематично изображено морское судно с гидро-реактивным двигателем [3].

Гидро-реактивный двигатель может устанавливаться также на подводных лодках и на ракето-торпедах.

Из гидро-реактивных двигателей наибольший интерес заслуживают двигатели, принцип работы которых подобен действиям кальмара во время его передвижения под водой

Кальмара относят к головоногим моллюскам. Он использует реактивный принцип движения. В результате периодических сокращений брюшных мышц мантийная полость у кальмара сжимается. В полость мантии вода поступает через её открытую горловину или воротник. Затем воротник смыкается, мышцы мантии резко сокращаются, и вода продавливается за мантию. Находящаяся за мантией вода с большой силой выбрасывается через мантийный сифон наружу, образуя мощную струю воды, направленную в сторону, противоположную движения кальмара.

Авторы статьи полагают, что для реализации аналога водомётного двигателя, основанного на «эффекте кальмара», можно предложить использование поршневого акустического нагнетателя. Принцип работы и устройство такого нагнетателя описаны в 6.

Гидро-реактивный двигатель устанавливается под морским судном и находится постоянно под водой. Водозаборная часть кожуха 2 двигателя обращена в сторону движения судна. Питание электродвигателя 4 осуществляется переменным током от аккумуляторной батареи 44. Электродвигатель вращает лопасти вентилятора 3 благодаря чему происходит интенсивный забор воды извне и выброс её через сопло 6 двигателя наружу.

В рабочей камере 1 поршень 4 совершает колебательное движение. В период всасывания, чему соответствует ход поршня от трубы

3, газ извне нагнетателя устремляется в трубу. В период нагнетания, чему соответствует ход поршня к трубе, газ выбрасывается из трубы. В резонансном режиме работы нагнетателя, соответствующего совпадению вынужденной частоты колебаний поршня с собственной частотой колебаний столба газа в нагнетателе, выбрасываемая струя газа обладает большой кинетической энергией. Особенностью работы поршневого акустического нагнетателя газа является то, что газовая струя выбрасывается из трубы сплошным потоком и без каких-либо заметных пульсаций, обладая большой ударной способностью. Втекание же газа в трубу при почти непрерывном вытекании его из трубы слабо ощу-

тимо. Результаты теоретических и экспериментальных исследований поршневого акустического нагнетателя газа дают основание полагать, что такой нагнетатель вполне можно использовать, как гидрореактивный двигатель. Его работа под водой подобно действию кальмара во время его подводного полёта.

6. Чижевский А.А. Энергосберегающий поршневой нагнетатель газа / А. А.Чижевский, Р.Г.Галиуллин,

Источник

Газотурбинный двигатель для наземного транспорта Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — В. И. Яишников, А. М. Карпенко

Gas-turbine engine for land vehicles

Текст научной работы на тему «Газотурбинный двигатель для наземного транспорта»

В. И. Яишников, А. М. Карпенко

ГП «Ивченко-Прогресс», г. Запорожье

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ НАЗЕМНОГО

В данной статье представлен газотурбинный двигатель (ГТД) для наземного транспорта. Это двигатель новой схемы с регулированием термодинамического цикла и с биро-тативной турбиной. Приведены основные параметры двигателя, описана его конструкция, выполнено сравнение с обычными ГТД. Оценены перспективы использования разработанного двигателя в качестве силовой установки для автомобилей.

Ключевые слова: автомобильный газотурбинный двигатель, биротативная турбина, пе-

ременный цикл двигателя.

Автомобильный транспорт — один из основных источников загрязнения атмосферы продуктами сгорания органических топлив. Дальнейшие усилия, направленные на снижение токсичности продуктов сгорания автомобильных поршневых двигателей, по-видимому, не приведут к радикальному улучшению их экологических характеристик. Применение различных фильтров и нейтрализаторов значительно увеличивает стоимость двигателей, требует использования редких металлов и повышения качества топлива.

В настоящее время актуальна разработка экологически чистых силовых установок для наземного транспорта на базе газотурбинных двигателей, которые бы могли стать реальной экологически чистой альтернативой поршневым двигателям.

Газотурбинный двигатель для автомобиля — это использование всех видов топлива, низкие эмиссии вредных веществ, низкий уровень шума и вибраций, меньший вес и габариты, малый рас-

ход масла, легкий запуск при отрицательных температурах и др. [1—3].

К недостаткам традиционных ГТД относится увеличенный расход топлива, необходимость применения регулируемого соплового аппарата свободной турбины или применение автоматической гидравлической трансмиссии для обеспечения разгона и ускорения автомобиля и другие.

Предлагаемый ГТД с биротативной турбиной и простым способом регулирования термодинамического цикла не только уменьшает или устраняет вышеуказанные недостатки, но и дает много дополнительных возможностей и преимуществ по сравнению с обычным ГТД, что позволяет улучшить и получить новые технические характеристики автомобиля.

Конструктивная схема и особенности предлагаемого ГТД

Схематичный продольный разрез двигателя показан на рис. 1.

ГТД состоит из входного устройства, центробежного компрессора с регулируемым направляющим аппаратом, кольцевой камеры сгора-

Рис. 1. Схема продольного разреза ГТД © В. И. Яишников, А. М. Карпенко, 2012

ния (КС), двух ступеней осевой турбины с противоположным вращением и без соплового аппарата между ними, а также выходного устройства. Исследования биротативных турбин выполнены в работах [4—8].

Турбина высокого давления является свободной турбиной (СТ), а турбина низкого давления — турбиной компрессора (ТК).

Предлагаемый ГТД обладает переменным термодинамическим циклом с уникальными свойствами. Простой способ осуществления переменного цикла. В двигателе нет регулируемых лопаток турбины. Изменение параметров цикла двигателя осуществляется за счет изменения оборотов СТ. Уменьшение оборотов смещает на характеристике компрессора точку совместной работы компрессора и ТК на меньшие степени сжатия и увеличенные расходы воздуха за счет увеличения степени расширения ТК. Это позволяет получать необходимые параметры двигателя, в том числе и запасы устойчивости компрессора. Обороты СТ относятся к параметрам регулирования двигателя.

Были выполнены термодинамические, газодинамические, прочностные, гидравлические и другие расчеты предлагаемого двигателя мощностью 800 л.с. Выполнена эскизная компоновка и создана математическая модель двигателя.

За счет переменного цикла работающий двигатель имеет следующие возможности:

— значительное изменение параметров двигателя в зависимости от условий эксплуатации;

— при обнаружении системой контроля и диагностики неисправности двигателя, система регулирования может автоматически и независимо уменьшать температуру газа или обороты роторов без уменьшения мощности двигателя;

— большое изменение (до 20%) и получение необходимых запасов устойчивости компрессора на всех режимах работы двигателя;

— снижение температуры газа на 100. 150 К при постоянной мощности двигателя;

— увеличение мощности двигателя на 40. 50% при постоянной температуре газа;

— отбор воздуха за компрессором (до 20%) и отбор мощности от ротора ТК (до 40%) при постоянной температуре газа и постоянной мощности двигателя;

— отбор воздуха за компрессором (до 55%) и отбор мощности от ротора ТК (до 100%) при постоянной температуре газа и минимальных оборотах и мощности СТ;

— при суммарном увеличении потерь полного давления на входе на 1%, на выходе из двигателя на 2%, в КС на 1%, уменьшении к.п.д. компрессора на 3%, ступеней турбин на 2%, увеличении отборов воздуха на 2%, и мощности от ротора ТК на 2% возможно получение заданной мощности двигателя без увеличения температу-

ры газа (в обычном ГТД температура газа увеличивается на 150. 170 К);

— улучшение запуска двигателя и уменьшение времени приемистости за счет увеличения степени расширения ТК при низких оборотах СТ;

— меньший уровень шума.

Приведенные выше максимальные результаты получены при увеличении оборотов компрессора на 3—4% от оборотов при расчетной мощности двигателя.

Конструкция двигателя приспособлена для применения рекуператора с целью снижения расхода топлива. Простой, легкий и надежный рекуператор со степенью рекуперации 0.4 уменьшает расход топлива на 20%.

В двигателе используются освоенные материалы и технологии. Двигатель находится на самом передовом уровне современных перспективных идей газотурбостроения.

В качестве примера ниже рассмотрим характеристики и особенности ГТД мощностью 800 л.с. для суперавтомобиля и болида Формулы 1.

Двигатель для суперавтомобиля

Двигатель имеет два вала вывода мощности. Вал вывода мощности от СТ и вал вывода избыточной мощности от ТК.

Автомобиль не имеет коробки скоростей и сцепления. Мощность с вала СТ передается прямо на колеса автомобиля, а избыточная мощность от ТК передается на электрогенератор (мощностью 150 л.с. и с оборотами 41000 об/мин) и далее через электромотор на колеса автомобиля. Избыточная мощность на турбине компрессора появляется при низких оборотах свободной турбины, то есть при низких скоростях движения автомобиля. Мощность электрогенератора и электромотора используется, в основном, при старте и ускорении автомобиля.

Электрогенератор и электромотор могут быть заменены на воздушную турбину мощностью 150 л.с., которая использует отбор воздуха на выходе из компрессора или на гидравлическую автоматическую передачу мощностью 150 л.с.

При разгоне автомобиля до скорости 100 км/ч за 3 с номинальная мощность предлагаемого ГТД в два раза меньше, чем у обычного ГТД.

Мощность двигателя — 800 л.с., кратковременно 1050 л.с.,

Обороты двигателя — 8000 об/мин,

Крутящий момент — 1431 Н-м, вес двигателя — 110 кг,

Размеры двигателя: ширина 390 мм, высота 390 мм, длина 800 мм;

Вход воздуха — 4 трубы диаметром 98 мм;

Выход газа — 4 трубы диаметром 106 мм.

В таблице 1 приведено изменение параметров перспективного двигателя при разгоне автомобиля весом 1000 кг от 0 км/час до 400 км/час.

Таблица 1 — Ускорение автомобиля весом 1000 кг

Скорость автомобиля км/час 0 100 200 300 400

Мощность двигателя л.с. 0 355 579 741 800

Обороты ТК об/мин 41000 41000 41000 41000 41000

Обороты СТ об/мин 0 6575 13150 19725 26300

Обороты двигателя об/мин 0 2000 4000 6000 8000

Крутящий момент двигателя Н-м 1431 1247 1017 868 702

Время с 0 2,99 6,93 12,43 22,93

Таблица 2 — Сравнение вариантов трансмиссии автомобиля

Номинальная Удельный Мощность Удельный расход топлива

Вариант мощность расход топлива, трансмиссии, при мощности двигателя

двигателя, л.с. кг/л.с.-час л.с. 260 л.с., кг/л.с.-час

1 800 0,255 150 0,332

2 1600 0,255 0 0,526

3 1000 0,306 1000 0,426

В таблице 2 приведены данные трех вариантов трансмиссий ГТД для суперавтомобиля. Вес автомобиля 1000 кг, время разгона до 100 км/час — 3 с, максимальная скорость 400 км/час.Вариант 1 — предлагаемый двигатель.

Трансмиссия — электрогенератор/электромотор мощностью 150 л.с.

Вариант 2 — обычный ГТД с прямой передачей мощности от СТ на колеса автомобиля. При оборотах СТ до 25 %, что соответствует скорости автомобиля 100 км/час, мощность турбины значительно уменьшается из-за снижения КПД турбины и потерь мощности закрученного потока газа в выходном устройстве. Это приводит к увеличению номинальной мощности ГТД до 1600 л.с.

Вариант 3 — обычный ГТД с трансмиссией электрогенератор/электромотор или автоматическая трансмиссия без прерывания потока мощности (например, гидравлическая). Потери мощности в трансмиссии не менее 20 %. Мощность двигателя и трансмиссии 1000 л.с.

Силовая установка (двигатель и трансмиссия) суперавтомобиля, с предлагаемым ГТД, превос-

ходит силовую установку с обычным ГТД по весу, габаритам, расходу топлива и стоимости.

Предлагаемый двигатель имеет меньший вес и габариты, меньшую стоимость и эксплуатационные расходы, большие ресурс, надежность и живучесть, меньшие стоимость и время на изготовления опытных экземпляров, доводку и сертификацию двигателя.

Перспективы развития двигателей Присоединение аккумуляторных батарей к электрической сети электрогенератора и электродвигателя позволяет создать гибридный ГТД. Это увеличивает возможности двигателя и автомобиля, в частности: при разгоне и торможении, накопление энергии торможения и др.

Использование керамики. Передача мощности между ТК, СТ и аккумуляторной батареей уменьшает до минимума изменение температур лопаток турбины при изменении мощности двигателя и скорости автомобиля начиная с холостого хода, что позволяет применять в ГТД керамические детали. Параметры такого двигателя приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Параметры двигателя с использованием керамики

Скорость автомобиля км/час 0, холостой ход 100 200 300 400

Мощность двигателя л.с. 0 355 483 628 765

Обороты ТК об/мин 38000 39000 41000 41000 42000

Обороты СТ об/мин 0 6575 13150 19725 26300

Обороты двигателя об/мин 0 2000 4000 6000 8000

Температура газа на лопатках ТК К 939 944 980 981 1002

Температура газа на лопатках СТ К 1186 1208 1274 1285 1318

Температура воздуха на входе в рекуператор К 548 560 585 585 598

Температура воздуха на выходе из рекуператора. КПД рекуператора 0.85 К 821 821 841 841 868

Использование рекуператора. Небольшое изменение температур деталей позволяет помимо керамики использовать в таком гибридном двигателе и рекуператор, термические напряжения которого тоже снизятся (по сравнению с его применением в обычном ГТД), что повысит его надежность и долговечность. При этом возможно допускать утечку в рекуператоре до 20% расхода воздуха из-за потери герметичности без уменьшения мощности двигателя.

ГТД для автомобилей Формулы 1 (F1)

Тот же ГТД мощностью 800 л.с. может быть применен для автомобиля F1. В таблице 4 приве-

дено сравнение технических данных автомобиля П с обычным поршневым двигателем (соответствующему регламенту соревнований 2010 года) и с предлагаемым газотурбинным двигателем.

Автомобиль П с ГТД ни в чем не уступает автомобилю с обычным поршневым двигателем, но имеет следующие преимущества (см. табл. 4):

— использование всех видов топлива, низкие эмиссии вредных веществ.

— большая надежность, ресурс и меньшая стоимость двигателей и трансмиссии, пункты 2.7, 2.8, 3.4, 3.5.

— большая надежность и ресурс шин и тормозов, пункты 5.1.1, 5.1.2, 6.1, 6.2;

1 Автомобиль Аналог (с ГТД)

2 Двигатель ГТД 800 лс

2.1 Мощность л.с. 800 800

2.2 Крутящий момент Н-м 1431

2.4 Размеры мм 518/555/595 390/390/800

2.5 Топливо Бензин любое

2.5.1 Удельный расход топлива кг/л.с.-час 0.200 0.252

2.5.2 Расход топлива при гонке кг/100 км 52.0 52.0

2.5.3 Расход топлива за уик-энд л 1200 1200

2.8 Ресурс двигателя час 10 300

3 Трансмиссия Коробка передач Электрическая

3.1 Мощность трансмиссии л.с. 800 150

4 Расход масла за уик-энд

4.1 Двигатель л 70 0.20

4.2 Трансмиссия л 60 0.05

5 Отбор сжатого воздуха от двигателя нет скорость до 150 км/час: Расход 0.9 кг/сек, Давление 6.5 кг/см2, Температура 320 °С.

5.1.1 Автономный нагрев и охлаждение шин на стоянке и в движении нет Воздухом согласно п. 5.1

5.1.2 Автономное охлаждение тормозов на стоянке и в движении нет Воздухом согласно п. 5.1

6 Создание реактивной тяги с помощью эжектора при скорости до 150 км/час кгс нет 150 кгс

6.1 Применение реактивной тяги при повороте для уменьшения центробежной силы. нет Увеличение скорости при повороте

6.2 Применение реактивной тяги и поглощение энергии торможения генератором электрической трансмиссии нет Увеличение эффективности торможения. Торможение со скорости 150 км/час до остановки за 3 сек без применения тормозов

7 Система накопления энергии торможения КБИ8 Электрическая. Получается добавлением аккумуляторов к электрической трансмиссии (п.3)

8 Увеличение ресурса и надежности шин и тормозов За счет пунктов 5.1.1, 5.1.2, 6.1, 6.2

9 Температура газа на выхлопе С 950 °С 750 °С

9.1 Создание граунд-эффекта с помощью выхлопной струи Более эффективно: меньшая температура газа и больший расход газа

10 Удельный расход топлива при применении теплообменника кг/л.с.-час нет 0.170

Таблица 4 — Сравнение технических характеристик болида F1 с поршневым двигателем и с ГТД

— меньший расход масла, пункт 4;

— большая скорость перед торможением, при повороте и ускорении, пункты 5, 5.1, 5.1.1, 5.1.2, 6.1, 6.2;

— система КБЯЗ с использованием элементов трансмиссии, пункт 7;

— более эффективное создание граунд эффекта, пункт 9.1;

— снижение расхода топлива при применении теплообменника, пункт 10;

— кратковременное (35 секунд) увеличение мощности до 1050 л.с. значительно увеличивает перечисленные возможности и преимущества.

Предлагаемый ГТД новой схемы с бирота-тивной турбиной и регулируемым термодинамическим циклом имеет преимущества и новые возможности по сравнению с обычным ГТД и может быть применен для автомобилей, грузовиков, скоростных поездов, катеров и др. Диапазон мощностей — 150 л.с.—3500 л.с.

1. Ю. Елисеев ФНПЦ ММПП «Салют» / Ю. Елисеев, В. Николенко // Транспортные автомобильные газотурбинные установки. «Газотур-

2. Яишников В. И. Малоразмерные газотурбинные двигатели с биротативной турбиной / Яишников В. И. // Авиационно-космическая техника и технология. НАКУ « ХА1». — 2006. — № 10 (36). — С. 173—174.

3. Gas turbine back on the F1. «Race Tech International», September, 2010, № 119.

4. Ji Lu Cheng. Numerical Investigations about the Vaneless Counter-Rotating Turbine for Cold-Air Test. ASME Paper, GT-2004-53333.

5. Fung Xiang-Jun. Research of a supersonic axial vaneless rotor — rotor turbine. ASME Paper, GT-2008-50509.

6. Fang Xiang-Jun, Liu Si-Yong, Wang Ping. Application of a 3D blade design method for supersonic vaneless contra-rotating turbine. ASME Paper, GT-2008-50510.

7. Zhao Qing-Jun. Influence of hot streak/airfoil count ratios on high pressure stage of a vaneless counter-rotating turbine. ASME Paper, GT-2008-50542.

8. Tomas Grunstedt. A contra-rotating variable cycle turbofan engine. ISABE-2009-1161.

Поступила в редакцию 08.09.2011

Яштков B.I., Карпенко А. М. Газотурбшний двигун для наземного транспорту

Удант cmammi представлений газотурбшний двигун (ГТД) для наземного транспорту. Це двигун ново1 схеми зрегулюванням термодинам^чного циклу та з б1ротативною турбиною. Наведет основы параметри двигуна, описана його конструкция, виконано пор1вняння з1 звичайними ГТД. Оцшет перспективи використання розробленого двигуна в якостг силовог установки для автомобиля.

Ключов1 слова: автомобльний газотурбшний двигун, б1ротативна турбша, змнний цикл двигуна.

Yaishnikov V., Karpenko A. Gas-turbine engine for land vehicles

The gas-turbine engine (GTE) for a surface transport is presented in the current article. This is the new scheme engine with regulation of thermodynamic cycle and with contra-rotating vaneless turbine. Main parameters and design of the engine are presented in the article. Comparison of proposed engine with traditional GTE is also given. Possibilities and perspectives of using of proposed engine as a power plant for automobile were estimated and presented.

Key words: automobile gas-turbine engine, contra-rotating vaneless turbine, variable cycle of engine.

Источник

Роторно-винтовые двигатели Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Пузырёв Евгений Михайлович, Голубев Вадим Алексеевич, Пузырёв Михаил Евгеньевич

The relevance of the work is caused by the necessity to introduce the systems of distributed energy production using local types of fuel. More distributed energy sources as heat and electricity are also needed, it is important for remote and northern areas of Russia without centralized energy supply, as well as for new construction projects. Cogeneration provides more efficient use of fuel combustion energy and minimizes loss of energy transfer. Objective: to review existing schemes and development of power devices used for electricity production. The authors have determined new approaches to creating engines suitable for the systems of additional distributed energy sources. Research method: thermodynamic consideration of the power cycle options. Design features and kinematic principles of the engine construction are very important in this case. Compression ratio as a constructive characterization is crucial. A principle of balancing power in the engine is also playing an important role. Results: The authors proposed a rotary screw engines as a new class of power machines suitable for distributed energy generation. Conclusions: Rotary screw motors can be used to operation as the expansion machines of the Rankine cycle and in cycles of internal and external combustion engines. The engines have a high compression rate. Radial and axial forces acting in the engines operating on the proposed schemas are mutually balanced.

Текст научной работы на тему «Роторно-винтовые двигатели»

Евгений Михайлович Пузырёв,

д-р техн. наук, профессор, зам. директора по научной работе ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: pem-energo@list.ru

Вадим Алексеевич Голубев,

старший инженер ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: wadon@yandex.ru

Михаил Евгеньевич Пузырёв,

старший инженер ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: pem.proekt@mail.ru

Актуальность работы обусловлена необходимостью развития установок распределённого производства энергии, использующих местные виды топлива. Причем нужны дополнительные распределенные источники энергии не только в виде тепла, но и электроэнергии. Это важно, например, для отдаленных и северных территорий России, не имеющих централизованного снабжения энергией, а также для объектов нового строительства. Кроме того, распределённая когенерация обеспечивает более эффективное использование энергии сжигания топлива и минимизирует потери передачи энергии.

Цель работы заключается в рассмотрении существующих схем и разработок силовых устройств, используемых для производства электроэнергии. На этой основе выделены новые подходы к созданию двигателей, пригодных для систем дополнительных распределенных источников энергии.

Выводы: Роторно-винтовые двигатели могут использоваться для работы в качестве расширительных машин в цикле Ренкина. Они могут также использоваться в циклах двигателей внутреннего и внешнего сгорания. Эти двигатели имеют высокую степень сжатия. Радиальные и осевые силы, действующие в двигателях, работающих по предложенным схемам, взаимно уравновешиваются.

Распределённое производство энергии, пар, паровой двигатель, турбина, компрессор, когенерация, цикл Ренкина.

В настоящее время в России, особенно при строительстве новых объектов, широко используется индивидуальное теплоснабжение. Индивидуальные котельные, например котельные крышного типа, производящие исключительно тепловую энергию для нужд населенного пункта, предприятия, квартала, даже в городах с развитыми тепловыми сетями оказались гораздо выгоднее и комфортнее, чем услуги центрального теплоснабжения от городских ТЭЦ.

Читайте также:  Патрол ниссан двигатель атмосферник

Промышленно развитые страны сейчас вводят заметную часть электроэнергии с её выработкой не централизовано на больших электростанциях, а с использованием распределенного производства энергии. Концепция распределенных энергетических ресурсов подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя их излишки в общую сеть. Такой подход ведет к уменьшению числа и протяженности линий электропередач и теплотрасс, которые необходимо построить, снижению потерь энергии при транспортировке из-за максимального приближения к потребителям вплоть до расположения их в одном здании.

Типичное распределенное производство электроэнергии характеризуется низкими затратами на обслуживание, слабым загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью. В прошлом для этого требовались опытные операторы, но в настоящее время благодаря автоматизации, использованию чистых источников энергии, таких как природный газ, размер экономически эффективных энергоустановок уменьшился. Особенно эффективны когенерационные установки малой и средней мощности, позволяющие полезно использовать до 80 % энергии от теплоты сгорания топлива. Так, установки на базе микротурбин Кап-стоун производят электроэнергию ценой в 2,0-2,5 рубля за кВт-ч и дополнительно выдают бесплатные 1,5 кВт-ч тепла. Электрический КПД микротурбин достигает 32 %, а расход природного газа составляет 0,30-0,65 куб. м на один произведенный кВт-ч электричества.

Применение подобных установок приводит к значительной экономии топлива и финансов на производство энергии в США, по оценкам специалистов фирмы Капстоун, до 40 % [1]. Помимо микротурбин фирмами США, Италии, Германии и других стран предлагается большое количество жидкото-

пливных и газовых когенерационых установок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1].

В России огромные размеры страны при низкой плотности населения делают экономически невыгодной транспортировку электроэнергии конечным потребителям. Внедрение систем с распределенной генерацией в скором будущем станет просто необходимым. Рост экономики и, следовательно, рост числа потребителей электрической энергии делают принципиально невозможным удовлетворение энергетических нужд исключительно за счет централизованных источников.

Постоянно возрастающая стоимость топлива и электроэнергии, ужесточение экологических требований и повышение штрафных санкций к электрогенерирующим компаниям делают широкое внедрение энергосистем с распределенной генерацией еще более привлекательным.

Учитывая вышеизложенные аргументы, потенциал распределенной энергетики в Российской Федерации оценивается как очень высокий. Предполагается, что в ближайшие 10 лет объекты распределенной генерации обеспечат суммарную мощность в пределах 20-40 тысяч МВт. Прогнозируется [2], что в значительной мере распределенная энергетика будет паровой, так как в России имеется огромное количество местных котельных с теплотрассами, электрическими сетями и другой дорогостоящей инфраструктурой. При этом вне зависимости от наличия современных разработок [1] предлагается использовать [3, 4] в двигателях паропоршневые технологии.

В Алтайском государственном техническом университете значительное внимание уделяется разработке различных новых типов двигателей [5, 6], в том числе паровых, которые представляют значительный интерес для промышленной энергетики в связи с постоянным удорожанием энергии, прежде всего электрической.

Ранее «в век пара» паровые двигатели также имели большое разнообразие и применялись на паровозах, пароходах, паровых автомобилях и в проектах даже на самолетах. Однако на сегодня наиболее распространены в электро- и силовой энергетике паровые турбины, используемые преимущественно для привода турбогенераторов электростанций и, иногда, силовых приводов насосов и тягодутьевых машин, работающих на ТЭЦ [2, 7]. Паровые турбины, вытеснив другие типы двигателей, с другой стороны, оказались практически невостребованными, прежде всего из-за дороговизны и низкой маневренности в малой и локальной энергетике, где типично применяются дизельные электростанции (ДЭС) и поршневые мини-ТЭЦ на природном газе.

Паропоршневые двигатели на сегодня продолжают производиться в ограниченных количествах, например, немецкой фирмой Spilling или, как предложено 3, используются путем переделки современных типовых поршневых ДВС. При этом их показатели термодинамической эффективности не ниже, чем у паровых турбин с противодавлением [2]. Однако, в отличие от западных стран и даже, например, Украины, в России практическое применение распределенной энергетики во многом сдерживается законодательным закреплением монополизма больших генерирующих компаний.

Рассматривая историческое развитие двигателе- и компрессоростроения применительно к вопросу о паровых машинах при выборе аналогов, следует отдать предпочтение последнему, как более успешному. Так, на сегодня наиболее распространенными являются не поршневые, а винтовые компрессоры. Согласно [8] возможно их применение и в качестве паровой расширительной машины. Практика внедрения, однако, показала здесь наличие типичных недостатков двухвинтовых роторных машин [9]:

• низкая производительность или мощность единичной установки из-за участия в работе только одного из шести каналов;

• сложность конструкции, в том числе из-за требования высокой точности изготовления плотно установленных, взаимно контактирующих, вращающихся элементов и системы компенсации осевых усилий;

• низкая надежность из-за больших некомпенсированных осевых и радиальных усилий роторов. Из последних, наиболее эффективных, выделим одновинтовой компрессор [10], конструкция которого, благодаря простоте, надежность и другим преимуществам, получает всё большее распространение [11, 12]. Этот тип компрессоров производится компаниями DAIKIN, VILTER и другими. Одновинтовой компрессор, как любой другой оп-позитный агрегат, отличается полной уравновешенностью радиальных нагрузок, что положительно влияет на долгосрочную службу подшипников, а также компактностью, низким уровнем шума и простотой в эксплуатации.

При рассмотрении паросилового цикла Ренки-на с использованием роторно-винтового двигателя [13] учитываются известные термодинамические оценки и исследования эффективности цикла [7, 14], в том числе приведенные на рис. 2.

Рис. 1. Ротор одновинтового компрессора с глобоидальным профилем и заслонками

Как и в паровой турбине, здесь в условиях, близких к адиабатическим (5=сопб1;, постоянная энтропия), срабатывается энергия рабочего тела (пара), равная разнице энтальпий Н0=10-ц кДж/кг в начальном £0 и конечном ц состояниях. На рис. 2 показано, что рост начальных параметров пара Р0 и Т0 за счет его перегрева, подъём Т0, позволяет значительно увеличить «заряд» энергии пара Н0 в сравнении с состоянием насыщения.

Повышение давления Р0 воздействует на Н0 неоднозначно, кривые имеют максимум (рис. 2, а). При этом максимум Н0 по мере роста начального давления Р0 смещается в сторону большего давления.

Рассматриваемые роторно-винтовые двигатели хотя и имеют вращающийся ротор, по принципу действия (рис. 1) они ближе к поршневым машинам, чем к применяемым в электроэнергетике паровым турбинам, потому что здесь, подобно паропоршневым машинам, важную роль играет удержание пара в расширяющемся рабочем объёме за счет уплотнения зазоров между ротором, корпусом и заслонками. И наличие влаги в паре, в отличие от паровых турбин, здесь сказывается благоприятно, вода уплотняет зазоры и одновременно является смазкой.

Эту особенность работы предлагаемой конструкции нужно учитывать при выборе параметров и оценке термического КПД цикла. Первона-

чально мы рассматриваем использование предлагаемой разработки для промышленной энергетики, где параметры пара, давление и температура типично ограничены категорией Р0=4 МПа, Т0=440 °С и широким применением насыщенного пара с давлением до 4,0 МПа.

Таким образом, на основе сравнительного и термодинамического анализа предлагается применять роторно-винтовые расширительные машины, которые на насыщенном или слабо перегретом паре будут достаточно эффективны при их простом устройстве, ценовой доступности и могут получить широкое распространение.

Паровые двигатели предполагается выполнять стационарными с приводимой мощностью в десятки и сотни киловатт. Эти двигатели могут использоваться и для когенерации. Срабатывание пара до температуры Тк=95-115 °С, характерной для неподнадзорной теплоэнергетики, позволит полностью использовать выхлоп паровой машины для несения отопительной нагрузки и повысить полный КПД использования топлива на мини-ТЭЦ до 80. 85 %.

Профилирование проточной части должно обеспечить, как и в паро-поршневых машинах, минимальные протечки пара и потери энергии, которые на данной стадии разработки трудно оценить. Усовершенствование прототипа [9] также направлено на увеличение пропускной способности и степени сжатия: установка на валу попарно двух и более ступеней, профилирование рабочих каналов,

Рис. 4. Вариант применения роторно-винтовой машины в цикле типа газовой турбины

На рис. 5 показан двухступенчатый паровой двигатель для цикла Ренкина с перегревом пара, используемого на конденсационной ТЭЦ [7, 14]. Здесь пар расширяется в сотни и тысячи раз от давления в сотни атмосфер до глубокого вакуума. Та-

Рис. 5. Вариант применения двухступенчатого двигателя в цикле Ренкина

Рассмотрим вариант реализации двухступенчатой расширительной машины.

Пример 1. Расширительная машина (рис. 5) с последовательным включением двух блоков ступеней со степенью снижения давления в каждом блоке п=25 имеет (Р1/Р2=я2=625) соответственно уменьшение давления в 625 раз. Расширение пара в паровых конденсационных турбинах малой мощности типично осуществляют до давления Р2=8 кПа=0,008 МПа, и соответственно начальное давление пара для такой степени расширения составит Р^5 МПа, типичное для турбин малой мощности. Для более мощных паровых турбин расширение осуществляют от большего давления, напри-

мер, Р^25,5 МПа до давления Р2=0,004 МПа с отношением давлений Р1/Р2=6375. Здесь потребуются два блока со степенью снижения давления п2=(6375)0’5«80, что нереально, или три блока с меньшей степенью сжатия п3=(63 7 5)0,333«19.

Касаясь соотношения геометрических размеров ступеней, оценим, что, например, при степени снижении давления в каждой из двух ступеней п=25 будет соответствующее увеличение удельных объёмов рабочего тела и проточной части примерно в 25 раз. Характерный линейный размер проточной части второй ступени, например, диаметр ротора соответственно увеличится, как корень третьей степени из 25, то есть в 2,92 раза, примерно так, как приведено на рис. 5. Такое увеличение размеров второй ступени расширения вполне выполнимо и примерно соответствует соотношению размеров для типовых многоступенчатых паровых турбин.

Рис. 6. Вариант применения роторной машины в цикле двигателя внешнего сгорания

Компания «ПроЭнергоМаш» проектирует и производит котлы [15], в том числе безбарабанные с различными параметрами пара, газогенераторы [12]. Реконструирует паровые, в том числе энергетические котлы типа БКЗ-75 с параметрами перегретого пара 4 МПа/440 °С, достаточно эффективными для создания мини-ТЭЦ и пароприводных устройств. Оценочно удельный расход пара минимально может составить при термодинамическом КПД цикла п=38 % и преобразовании механической энергии в электричество с эффективностью Пм=90 % около 4,2 т пара/МВт и менее при использовании регенеративного подогрева питательной воды в цикле.

Котельные и ТЭЦ типично потребляют большое количество электроэнергии на привод циркуляционных насосов тепловых сетей, питательных насосов котлов и их тягодутьевых машин. Электросиловое хозяйство многих ТЭЦ и котельных не защищено от аварийного останова, происходят даже аварии с полным обесточиванием городов и энергосистем при потере электроснабжения собственных нужд ТЭЦ. Поэтому возможность перевода основных потребителей на паровой привод, в том числе с установкой электрогенератора для собственных нужд, позволит не только заметно увеличить отпуск электроэнергии, но и повысит аварийную устойчивость котельных, ТЭЦ и энергосистем в целом.

Для решения проблем обеспечения паром собственных нужд водогрейных котельных «ПроЭнер-гоМаш» разработаны и производятся малогабаритные паровые котлы (рис. 7) безбарабанной конструкции паропроизводительностью до 35-50 т/ч с рабочим давлением до 4 МПа. Эти малогабаритные котлы конструкции «ПроЭнергоМаш» благодаря

высокоэффективным вихревым топкам «Торнадо» могут использовать широкий круг топлива и отходов, имеющихся повсеместно: уголь, торф, древесные отходы, лузгу и другие отходы сельскохозяйственного производства. Они позволяют также создать и транспортабельные установки модульного типа для производства электроэнергии.

Рис. 7. Общий вид безбарабанного котла Е-4 с топочным устройством «Торнадо»

Перспективным направлением применения роторно-винтовых машин в варианте газовой турбины (рис. 4) на местных топливах также является использование для них в качестве источника энергии продуктов воздушной и паровоздушной газификации, получаемых в газогенераторах [16, 17]. Это в значительной мере практически исследованный путь, так как ранее, до промышленной добычи пригодного газа и отсутствия повсеместной газификации народного хозяйства, существовали [18] достаточно надежные устройства, в том числе транспортабельные. Разработки новых конструкций газификаторов сейчас возобновились [19], главным образом, в связи с расширением использования различных биотоплив и отходов.

Применение разрабатываемых роторно-винтовых машин и новых разработок котельно-топочной техники позволит комплексно решать вопросы реконструкции и строительства угольных и утилизационных котельных и мини-ТЭЦ на основе новых технологий:

• организации эффективного и экологически более чистого сжигания топлива и огневой утилизации отходов;

• получения пара высоких параметров, в том числе в водогрейных и транспортабельных котельных;

• трансформации тепловой энергии пара в механическую для привода оборудования и электрогенераторов, производства электроэнергии на собственные нужды, и возможно для сторонних потребителей при появлении в России законодательства, развивающего распределенную энергетику.

1. Компания «Новая Генерация». 2005-2013. URL: http://www.manbw.ru/ (дата обращения: 18.03.2013).

8. Паровая винтовая машина: пат. Рос. Федерация № 2374455; заявл. 06.11.08; опубл. 27.11.09, Бюл. № 5.

10. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. США № US20130011291 А1; заявл. 02.03.11, опубл. 10.01.13.

11. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. США № US8348648 B2; заявл. 07.08.08, опубл. 08.01.13.

12. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. Евросоюза № ЕР2169229 А1; заявл. 12.05.08; опубл. 31.03.10.

19. Способ получения генераторного газа из растительного сырья: пат. Рос. Федерация № 2469073; заявл. 17.08.11; опубл. 07.12.12, Бюл. № 7.

Поступила 03.03.2014 г.

ROTARY SCREW ENGINES

Dr. Sc., JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656015, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a. E-mail: pem-energo@list.ru

JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656905, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a.

JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656905, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a. E-mail: pem.proekt@mail.ru

The relevance of the work is caused by the necessity to introduce the systems of distributed energy production using local types of fuel. More distributed energy sources as heat and electricity are also needed, it is important for remote and northern areas of Russia without centralized energy supply, as well as for new construction projects. Cogeneration provides more efficient use of fuel combustion energy and minimizes loss of energy transfer.

Objective: to review existing schemes and development of power devices used for electricity production. The authors have determined new approaches to creating engines suitable for the systems of additional distributed energy sources.

Research method: thermodynamic consideration of the power cycle options. Design features and kinematic principles of the engine construction are very important in this case. Compression ratio as a constructive characterization is crucial. A principle of balancing power in the engine is also playing an important role.

Results: The authors proposed a rotary screw engines as a new class of power machines suitable for distributed energy generation. Conclusions: Rotary screw motors can be used to operation as the expansion machines of the Rankine cycle and in cycles of internal and external combustion engines. The engines have a high compression rate. Radial and axial forces acting in the engines operating on the proposed schemas are mutually balanced.

Distributed power generation, steam, steam engine, turbine, compressor, cogeneration, Rankine cycle.

1. Kompaniya «Novaya Generatsiya» [New Generation Company]. 2005-2013. Available at: http://www.manbw.ru/ (accessed 18 March 2013).

4. Dubinin V.S. Obespecheniye nezavisimosti elektro- i teplosnabzhe-niya Rossii ot elektricheskikh setey na baze porshnevykh tekhnologiy [Ensuring the independence of electricity and heat supply from the Russian electrical networks based on reciprocating technologies]. Moscow, MIEE, 2009. 164 p.

7. Alekseev G.N. Obshchayateplotekhnika [General heating engineer]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1980. 552 p.

8. Berezin S.R., Feoktistov S.A. Parovaya vintovaya mashina [Steam screw machine]. Patent RF, no. 2374455, 2009.

9. Mikhaylov A.K., Voroshilov V.P. Kompressornyye mashiny [Compressor machines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 288 p.

10. Hossain M.A., Ueno H., Masuda M. Single screw compressor. Patent US, no. US20130011291 A1, 2013.

11. Miyamura H., Okada T., Takahashi T., Ohtsuka K., Susa T., Ue-no H., Murono T. Single screw compressor. Patent US, no. US8348648 B2, 2013.

Источник

Исследование причин разрушения двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Маломыжев Олег Львович, Бектемиров, Круглов Максим Эдуардович, Черноусов Евгений Павлович

STUDIES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE DISINTEGRATION CAUSES

The paper deals with the causes of internal combustion engine disintegration after camshaft timing belt replacement at a service station. Having analyzed the state of internal combustion engine parts after the disintegration, the most significant faults and malfunctions allowing to reveal the true cause of disintegration are identified. The data obtained in the study can be used for determining the causes of malfunctions as well as in forensic investigations and pre-trial examinations.

Текст научной работы на тему «Исследование причин разрушения двигателя внутреннего сгорания»

сти корреспонденции р выполнено автоматически,

поэтому может не учитываться при построении двойственной задачи и применении к ней численных методов. Однако заметим, что случай, когда у = 0 означает отсутствие корреспонденций между парой (¡, Д следовательно, р = 0 и максимизация функции Ла-

гранжа должны рассматриваться в пространстве меньшей размерности. Введем обозначения:

Тогда выражение (22) перепишется в виде

При подстановке (24) в балансовые ограничения (12) определяются параметры щ и р :

Отметим, что на практике величина С, как правило, неизвестна, поэтому лагранжевый множитель у нельзя определить из решения уравнения (14). Значе-

ние у определяется обычными методами калибровки.

Сравнивая выражение (24) с гравитационной моделью (5), видим, что отличие между ними состоит только в аналитическом задании функции тяготения /(еи). При /(еи) = у ехр(у) гравитационная (5)

и энтропийная (12), (14), (17) модели эквивалентны. Таким образом, при однородной цели поездок, при заданных объемах выездов ^ и въездов А., затратах

на передвижение е.. при фиксированных полных стоимостных затратах С существует наиболее вероятное распределение поездок между зонами (/,/), и это распределение совпадает с тем, которое задается гравитационной моделью с экспоненциальной функцией притяжения.

Существует, однако, множество моделей, предназначенных для оптимизации функционирования транспортных сетей. В этом классе моделей решаются задачи оптимизации грузовых перевозок, выработки оптимальной конфигурации сети. Методы оптимизации транспортных сетей представляют собой обширную область исследования. Экспериментально планируется произвести сравнительный анализ точности восстановления грузовых матриц корреспон-денций, применяя гравитационную и энтропийную модели.

Статья поступила 27.02.2015 г.

1. Введение в математическое моделирование транспортных потоков: учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. / под ред. А.В. Гасникова. М.: Изд-во МЦНМО, 2013. 430 с.

2. Вильсон А.Дж. Энтропийные методы моделирования сложных систем / пер. с англ. М.: Наука, 1978 г. 248 с.

3. Лебедева О.А., Михайлов А.Ю. Сравнительный анализ методов оценки межостановочной матрицы корреспонденций // Современные технологии. Системный анализ. Моде-

лирование. 2013. № 4 (40). С. 85-88. 4. О введении в действие «Руководства по прогнозированию интенсивности движения на автомобильных дорогах» (для опытного применения): распоряж. Минтранса РФ от 19.06.2003 № ОС-555-р // ГАРАНТ. Информационно-правовой портал [Электронный ресурс]. URL: http://base.garant.ru/1593478/ (11 февр. 2015).

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

© О.Л. Маломыжев1, А.С. Бектемиров2, М.Э. Круглов3, Е.П. Черноусов4

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены причины разрушения двигателя внутреннего сгорания после замены ремня привода распределительного вала на станции технического обслуживания. Проведен анализ состояния деталей двигателя внутреннего сгорания после разрушения, выявлены наиболее значимые дефекты и неисправности, позволяющие установить истинную причину разрушения. Исследование позволяет использовать полученные данные при опреде-

1 Маломыжев Олег Львович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта Института авиа-машиностроения и транспорта, тел.: 89027658015; (3952) 405136, e-mail: olm@bk.ru

Malomyzhev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport of the Institute of Aircraft and Mechanical Engineering and Transport, tel.: 89027658015; (3952) 405136, e-mail: olm@bk.ru

2Бектемиров Амир Саидбаддалович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта Института

авиамашиностроения и транспорта, тел.: 89246015636; (3952) 405136, e-mail: amir.bektemirov@mail.ru

Bektemirov Amir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport of the Insti-tute of

Aircraft and Mechanical Engineering and Transport, tel.: 89246015636; (3952) 405136, e-mail: amir.bektemirov@mail.ru

3Круглов Максим Эдуардович, студент, тел.: 89041311000, e-mail: kruglov_maksim93@mail.ru

Kruglov Maksim, Student, tel.: 89041311000, e-mail: kruglov_maksim93@mail.ru

4Черноусов Евгений Павлович, студент, тел.: 89501151035, e-mail: zheka.cher@yandex.ru

Chernousov Evgeny, Student, tel.: 89501151035, e-mail: zheka.cher@yandex.ru

лении оснований возникновения неисправностей, а так же при производстве судебных и досудебных экспертиз. Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; механизм газораспределения; экспертиза.

STUDIES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE DISINTEGRATION CAUSES O.L. Malomyzhev, A.S. Bektemirov, M.E. Kruglov, E.P. Chernousov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper deals with the causes of internal combustion engine disintegration after camshaft timing belt replacement at a service station. Having analyzed the state of internal combustion engine parts after the disintegration, the most significant faults and malfunctions allowing to reveal the true cause of disintegration are identified. The data obtained in the study can be used for determining the causes of malfunctions as well as in forensic investigations and pre-trial examinations. Keywords: internal combustion engine; valve timing gear; due diligence.

циклическим механическим нагружениям. И хотя работы по замене деталей привода ГРМ не относятся к категории наиболее технически сложных и трудоемких при ремонте двигателей внутреннего сгорания, однако, при их выполнении необходимо строгое следование соответствующим технологическим картам замены ремня ГРМ, внимательность и аккуратность. Эти требования обусловлены особенностями конструкции газораспределительных механизмов и их привода у современных высокофорсированных поршневых двигателей. Совершенствование процессов газообмена при организации действительных циклов привело к тому, что расширение фаз газообмена, особенно в период продувки цилиндра, т.е. при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), сопровождается небольшими зазорами, около 1 мм, между тарелками впускных и выпускных клапанов и днищем поршня. Даже небольшие ошибки при установке нового ремня привода ГРМ, в результате чего нарушается требуемое взаимное расположение коленчатого вала двигателя и распределительных валов, влекут столкновения тарелок клапанов с днищем поршня, которые часто приводят к отрыву тарелки клапана от его стержня, что вызывает значительные разрушения (рис. 1).

Следует отметить, что обрыв тарелки клапана вследствие ударов по ней поршня может произойти не только из-за неверной установки ремня привода механизма газораспределения, его обрыва, но и по ряду других причин, к основным из которых следует отнести:

— превышение максимально допустимой частоты

Рис. 1. Разрушения, вызванные обрывом тарелки клапана

вращения коленчатого вала;

— неисправность гидрокомпенсаторов теплового зазора механизма газораспределения;

— нарушение технологии изготовления клапанов;

— заклинивание (подвисание) клапанов в направляющих втулках;

— разрушение деталей механизма газораспределения.

Рассмотренные причины могут быть вызваны как нарушением технологии производства, обслуживания и ремонта, так и нарушением правил эксплуатации.

В данной статье рассматривается подход к определению причин возникновения обрыва клапана вследствие нарушения технологии замены ремня привода механизма газораспределения. Задачей проведенного исследования явился выбор критериев и характерных признаков разрушения, позволяющих однозначно отличить отрыв тарелки клапана от его стержня вследствие неправильной установки ремня привода газораспределения от иных вышеперечисленных причин, вызывающих данное разрушение.

Следует отметить, что характерным признаком неправильной установки ремня привода механизма газораспределения (несовпадения установочных меток) являются следы взаимодействия поршней всех цилиндров двигателя с клапанами, причем, взаимодействие возможно только с одноименными (или только впускными или только выпускными) клапанами. Иные причины обрыва тарелки клапана, как правило, оставляют следы ударов только одного из поршней о тарелку клапана.

Таким образом, возникла необходимость разработки методики оценки взаимного расположения коленчатого и распределительных валов по установлен-

ным механическим повреждениям деталей ГРМ и поршней. Причем эта методика должна быть применима даже в том случае, если снят ремень газораспределения и не представляется возможным непосредственным наблюдением оценить качество его установки.

Подтверждением вышеописанных процессов является исследование причин разрушений в двигателе автомобиля Volks Wagen Passat, у которого при пробеге 130000 км был заменен ремень привода механизма газораспределения. После замены ремня и пробега автомобилем около 50 км двигатель перестал работать.

Для исследования двигатель был представлен в частично разобранном состоянии: снят поддон двигателя, снят ремень привода ГРМ и головка блока цилиндров.

При визуальном осмотре двигателя автомобиля установлено:

2. На поршнях первого, второго и четвертого цилиндров имеются следы ударов о выпускные клапаны (рис. 2).

3. Опорные шейки выпускного распределительного вала, а также постели опорных шеек имеют механические повреждения в виде значительных задиров.

4. У второго выпускного клапана третьего цилиндра отломлена тарелка.

5. Установочное отверстие гидрокомпенсатора второго выпускного клапана третьего цилиндра имеет значительные механические повреждения, вокруг отверстия на поверхности головки блока цилиндров имеются значительные вмятины.

6. Разрушен гидрокомпенсатор второго выпускного клапана третьего цилиндра.

7. Рычаг второго выпускного клапана третьего цилиндра имеет следы ударов, отсутствует пружинный фиксатор рычага на гидрокомпенсаторе.

В результате углубленных исследований установлено:

— цилиндры 1, 2, 4 двигателя автомобиля марки

Рис. 2. Следы ударов поршней о выпускные клапаны

Рис. 3. Схема измерения диаметров цилиндров Геометрические размеры цилиндров

Диаметр цилиндра, мм

Место измерения фактический номинальный допустимый

Volks Wagen Passat имеют износ, находящийся в пределах допустимого, фактические диаметры цилиндров (измеренные в соответствии со схемой, изображенной на рис. 3), их номинальный и предельно-допустимый диаметры [3, 4] приведены в таблице.

Измерения диаметра третьего цилиндра не выполнялись вследствие разрушения его поршня, заклинивания его в цилиндре, следовательно, невозможности и отсутствия необходимости измерений.

Приведенные в табл. значения указывают на исправность цилиндро-поршневой группы двигателя до момента разрушения поршня третьего цилиндра.

Ввиду того что у представленного для исследования двигателя демонтирована головка блока цилиндров и, следовательно, снят ремень газораспределения, не представляется возможным непосредственным наблюдением оценить качество установки ремня механизма газораспределения. Однако, сопоставляя имеющиеся дефекты и неисправности, можно отме-

Если же распределительные валы повернуты от-

Рис. 4. Верное взаимное расположение коленчатого и распределительных валов

Рис. 5. Неверное взаимное расположение коленчатого и распределительных валов (нарушение фаз газораспределения)

носительно их правильного положения навстречу вращению коленчатого вала на угол около 5+10, как показано на рис. 5, при расположении поршня в верхней мертвой точке конца такта выпуска выпускные клапаны будут находиться в существенно открытом состоянии, а впускные будут закрыты или только начнут открываться.

Из рис. 5 видно, что при неправильном взаимном расположении коленчатого и распределительных валов выпускные клапаны (распределительные валы повернуты относительно их правильного положения навстречу вращению коленчатого вала на угол около 5+10 ) находятся в существенно открытом состоянии и ударяются о днище поршня, в то время как впускные лишь слегка приоткрыты и не взаимодействуют с днищем поршня.

Отмеченное нарушение фаз газораспределения сопровождается увеличением запаздывания закрытия впускных клапанов, что вызывает снижение наполнения цилиндров свежим зарядом (воздухом), в результате чего снижается давление в конце такта сжатия (компрессия). Снижение компрессии до 0,95 МПа в цилиндрах исследованного двигателя подтверждается результатами ее измерений до разрушения двигателя.

Минимально допустимое значение компрессии составляет 1,3+1,6 МПа [3, 4].

Вследствие ударов выпускных клапанов о днища поршней на стержне второго клапана третьего цилиндра, в зоне сопряжения стержня с тарелкой клапана, возникла микротрещина. В процессе эксплуатации двигателя микротрещина стала развиваться, что в итоге привело к обрыву тарелки клапана от стержня. На рис. 6 обозначены зоны первичного (1) и завершающего (2) изломов.

Оторванная от стержня клапана тарелка попала в цилиндр двигателя и вызвала разрушения поршня третьего цилиндра и головки блока цилиндров. В результате отрыва тарелки второго выпускного клапана третьего цилиндра произошло выпадение его рычага из установочного места и вызвало разрушение гидрокомпенсатора и значительные повреждения его установочного отверстия.

Отмеченное нарушение фаз газораспределения в рассматриваемом случае может быть вызвано только неправильной установкой ремня привода механизма газораспределения.

Предварительный теоретический анализ вероят-

ных причин соударений тарелок клапанов с днищами поршней нашел практическое подтверждение при определении причин разрушений двигателя Volks Wagen Passat.

Таким образом, характерным признаком неправильной установки ремня привода механизма газораспределения (несовпадения установочных меток) являются следы взаимодействия поршней всех цилиндров двигателя с клапанами, причем взаимодействие возможно только с одноименными (или только впускными или только выпускными) клапанами. Рассмотренный дефект возникает только по причине нарушения технологии ремонта.

Итак, в данной работе впервые представлена методика оценки взаимного расположения коленчатого и распределительных валов по установленным механическим повреждениям деталей газораспределительного механизма и поршней. Предлагаемая методика применима даже в том случае, если снят ремень газораспределения и не представляется возможным непосредственным наблюдением оценить качество его установки.

Статья поступила 10.03.2015 г.

1. Беднарский В.В. Организация капитального ремонта автомобилей. М.: Феникс, 2005. 592 с.

2. Бектемиров А.С., Маломыжев О.Л. Методика проведения экспертизы цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания с целью определения причин возникновения неисправностей // Вестник ИрГТУ. 2010. № 6 (46).

3. Volkswagen Passat B6 бензин / дизель 2005-2011 г.в., ремонт, эксплуатация, техническое обслуживание. М.: Изд-во «Третий Рим», 2013. 121 с.

АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

© А.Л. Манаков1, А.Ю. Кирпичников2, Т.К. Тюнюкова3

Сибирский государственный университет путей сообщения 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

На основе анализа отказов транспортно-технологических машин, используемых при сооружении и содержании автомобильных и железных дорог, установлена необходимость оптимизации количества и периодичности проведения технических обслуживаний и ремонтов только тех элементов машин, которые предельно изношены. Повышение эксплуатационной надежности машин может быть достигнуто за счет организации непрерывного мониторинга их технического состояния и проведения выборочного обслуживания по требованию основных агрегатов, узлов и систем, которые могут отказать при их дальнейшей эксплуатации.

Ключевые слова: техническая эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов; повышение эксплуатационной надежности машин; техническое обслуживание и ремонт машин.

Источник

Двухконтурный турбореактивный двигатель Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Письменный В.Л.

Bypass Turbojet Engines

Текст научной работы на тему «Двухконтурный турбореактивный двигатель»

Авиационная и ракетно-космическая _техника_

УДК 629.7.036 doi: 10.18698/0536-1044-2019-6-50-59

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Филиал «Взлет» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» в г. Ахтубинске

Bypass Turbojet Engines

Akhtubinsk Branch Vzlet Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education — Moscow Aviation Institute (National Research University)

Дозвуковые двухконтурные турбореактивные двигатели пятого поколения достигли своего технического совершенства, их общий коэффициент полезного действия составляет 35. 38 %. Дальнейшие работы в этом направлении без изменения термодинамического цикла двигателя являются бесперспективными. Предложен способ повышения термодинамической эффективности циклов тепловых машин, основанный на использовании так называемых внутренних термодинамических циклов (циклов Письменного). Внутренние циклы обладают замечательными свойствами: они увеличивают полезную работу и коэффициенты полезного действия (термический и эффективный) тепловой машины, а также снимают температурные ограничения. Разработана газодинамическая схема двухконтурного турбореактивного двигателя, где реализован внутренний термодинамический цикл. Во втором контуре двигателя установлены два теплообменника (циркуляционный и теплообменник-регенератор), первый из которых позволяет повысить температуру газа перед турбиной до 2300 К и более, второй — понизить температуру отработавших газов до температуры, соизмеримой с температурой воздуха за вентилятором. Общий КПД двигателя в крейсерском режиме полета (при высоте полета 11 км и числе Маха 0,8) в зависимости от тяги двигателя приближается к 45.55 %. Ожидаемая экономия топлива по отношению к двухконтурным турбореактивным двигателям пятого поколения (Trent 1000, GP7270, PW4460 и др.) составит более 20 %. Суммарный экономический эффект для авиакомпаний при переходе на новый принцип построения авиадвигателей может превысить 10 млрд долл. США в год.

Ключевые слова: двухконтурный турбореактивный двигатель, теплообменник, удельный расход топлива, тепловая машина, внутренний термодинамический цикл, цикл Письменного

Subsonic bypass turbojet engines of the fifth generation have reached technical maturity, with overall efficiency of 35-38%. Without changing the thermodynamic cycle of the engine, any further work in this direction is futile. The researcher proposes a method of increasing the thermodynamic effectiveness of heat engines based on the so called internal thermodynamic cycles (Pismennyi cycles). The internal cycles possess remarkable characteristics: they increase the effective work output and the heat engine efficiency (thermal and effective); furthermore, they remove temperature restrictions. A gas dynamic design of a

Keywords: bypass turbojet engine, heat exchanger, specific fuel consumption, heat engine, internal thermodynamic cycle, Pismennyi cycle

В 1941 г. инженер А.М. Люлька, позднее ставший генеральным конструктором и академиком, получил авторское свидетельство [1] на газодинамическую схему двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД, рис. 1).

В ТРДД предложено распределять энергию топлива на большую массу газа, что при той же тяге двигателя позволило уменьшить расход топлива. Сущность данного предложения состоит в том, что тяга двигателя R в заданных условиях полета (при скорости полета vn = const) зависит от расхода газа Gт и скорости его истечения из сопла Wc, а именно R « Gг (Wc — Уп). При этом важно, в какой зависимости находятся эти величины.

Как известно, скорость истечения газа из сопла связана с температурой газа перед соплом Т* соотношением wz

W2. В связи с этим при повышении расхода газа и снижении скорости его истечения из сопла температура Т* уменьшается быстрее, чем увеличивается расход G^ Следовательно, и общее количество используемой энергии (энтальпии) i = = СрТ1 Gт (ср — удельная теплоемкость газа), необходимое для получения той же тяги R, будет снижаться, что фактически означает повышение эффективности использования энергии топлива воздушно-реактивным двигателем (ВРД).

Принцип перераспределения энергии топлива на большую массу рабочего тела лег в основу самого эффективного на сегодняшний день способа повышения газодинамической эффективности воздушно-реактивного двигателя (ВРД) — ТРДД [2].

Значения общих коэффициентов полезного действия (КПД) ^о ТРДД четвертого-пятого поколений в крейсерском режиме полета (при высоте полета летательного аппарата (ЛА) Н = = 11 км и числе Маха М = 0,8) и их стартовые тяги Ro приведены на рис. 2, где видно, что ^о ^ 0,4. Фактически, это тот предел газодинамической эффективности, к которому стремится ТРДД А.М. Люльки (см. рис. 1).

Академик Б.А. Стечкин получил соотношение, позволяющее определять полетный КПД ТРДД,

Рис. 1. Газодинамическая схема ТРДД А.М. Люльки: 1 — диффузор; 2 — вентилятор; 3 — компрессор; 4 — камера сгорания; 5 — турбина; 6 — сопло

где Ge — расход воздуха.

Принимая во внимание, что расход воздуха через двигатель для заданных условий полета (Н = const, Уп = const) определяется как GE « Cd2, получаем

Рис. 4. Двигатель НК-93, установленный на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ

GE90 75B GE90115B GP7000 • • TRENT 900 *

BR715 PW6000 # •• • PB211

PW4168 PW4090 «TRENT 700

Рис. 2. Значения общих КПД ТРДД четвертого-пятого поколений при высоте полета ЛА Н = 11 км и числе Маха М = 0,8 и их стартовые тяги Яо

Рис. 3. Зависимость полетного КПД ТРДД от диаметра его вентилятора й в крейсерском режиме полета при тяге: Я = 30 (1), 40 (2), 50 (3), 60 (4) и 70 (5) кН

Здесь d — диаметр вентилятора;

Из соотношения (1) следует, что если известны (заданы) условия полета и тяга двигателя, то полетный КПД ТРДД определяется диаметром его вентилятора: чем больше d, тем выше Пп.

Для дозвуковых ТРДД крейсерскими условиями полета являются высота Н = 11 км и число Маха М = 0,8 [2]. Потребный диапазон тяг в крейсерском режиме полета для ТРДД составляет 30.70 кН. Таким образом, значение полетного КПД ТРДД фактически предопределено ЛА. При этом полетный КПД ТРДД имеет физический предел, так как диаметр вентилятора не может быть сколь угодно большим (d 45 происходит возрастание доли внутренних потерь в цикле Брайтона и, как следствие, снижение его эффективного КПД [2], а также увеличение нагрузки на конструкцию двигателя.

Таким образом, двигатели, выполненные по схеме, приведенной на рис. 1, фактически достигли своего технического совершенства и как тепловая машина, и как движитель, и дальнейшие работы по повышению их газодинамической эффективности без изменения термодинамического цикла ТРДД являются бесперспективными.

Предлагаемый способ повышения термодинамической эффективности циклов тепловых машин основан на использовании так называемых внутренних термодинамических циклов (циклов Письменного) [4]. Внутренний цикл — это цикл, имеющий энергообмен с внешним циклом. Внешний цикл — это цикл, имеющий энергообмен с внешней средой. Отсутствие во внутреннем цикле энергообмена с внешней средой по определению означает отсутствие внешних потерь, а следовательно, термический КПД этого цикла в составе тепловой машины равен единице (вся теплота, а это разница между полученной и возвращенной внешнему цик-

лу теплотой, преобразуется в работу). Внутренние циклы обладают замечательными свойствами: они увеличивают полезную работу и КПД (термический и эффективный) тепловой машины, а также снимают температурные ограничения 14.

Способ, предложенный в работе [4], является частным выражением метода круговых термодинамических процессов С. Карно, в связи с чем, получил авторское название «Метод внутренних термодинамических циклов».

Метод внутренних термодинамических циклов весьма эффективен применительно к ВРД 17, в том числе к ТРДД [19, 20]. Все эти двигатели 15 характеризуются очень высоким эффективным КПД [це > 60 %).

Предлагаемый дозвуковой ТРДД [19] (рис. 5) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.

Внутренний контур включает в свой состав компрессоры 3, камеру сгорания 6, турбины 7 и выходные патрубки 10, состоящие из диффу-зорных каналов и одновременно являющиеся внутренними каналами теплообменника-регенератора 8. Внутренние каналы последнего пересекают внешний контур, соединяя внутренний контур с атмосферой.

Внешний контур представляет собой кольцевой канал, заканчивающийся сужающимся соплом 9. Внутри этого контура последовательно расположены циркуляционный теплообменник (ЦТ) 11 [21] и теплообменник-регенератор. Внутренние каналы ЦТ с одной стороны через смеситель 5 соединены с воздушной полостью за компрессорами, а с другой — со смесителем через центробежный нагнетатель 4 и воздушными каналами системы охлаждения турбин.

Принципы работы предлагаемого двигателя и ТРДД с раздельными контурами [2] различаются лишь функционированием системы охлаждения турбин и выходного устройства.

Система охлаждения турбин работает следующим образом. Горячий воздух, отбираемый за компрессором двигателя, подается в смеситель и далее в ЦТ. Охлажденный в этом теплообменнике воздух проходит в систему охлаждения турбин и центробежный нагнетатель, который направляет его в смеситель, где охлажденный воздух смешивается с горячим, приходящим из двигателя.

В результате смешения температура горячего воздуха уменьшается. Образовавшаяся смесь

Рис. 5. Схема ТРДД Письменного: 1 — входное устройство; 2 — вентилятор; 3 — компрессор; 4 — нагнетатель; 5 — смеситель; 6 — камера сгорания; 7 — турбина; 8 — теплообменник-регенератор; 9 — сопло; 10 — выходной патрубок; 11 — циркуляционный теплообменник

поступает в ЦТ, и цикл повторяется. Температура воздуха будет снижаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в смеситель от двигателя, и теплом, отводимым через ЦТ во второй контур.

Отличительной особенностью ЦТ является способность охладить воздух, отбираемый от компрессора ТРДД, практически до температуры, при которой этот воздух поступает в компрессор [22].

На рис. 6 приведена зависимость температуры воздуха на выходе из ЦТ Тх (см. рис. 5) от коэффициента интенсивности охлаждения воз-

Рис. 6. Зависимость температуры на выходе из ЦТ Тх от коэффициента циркуляции 5ц при коэффициенте интенсивности охлаждения воздуха 9 = 0,2 (1), 0,4 (2), 0,6 (3) и 0,8 (4)

духа 9, представляющего собой изменение температуры горячего воздуха в ЦТ по отношению к разности температур горячего и холодного воздуха на входе в ЦТ [21], и от коэффициента циркуляции 5ц (доли воздуха, возвращаемой в ЦТ нагнетателем) при температурах воздуха на входе в компрессор Тв.к = 300 К и на выходе из него Тк = 900 К.

Эффект охлаждения достигается разницей расходов воздуха — проходящего через теплообменник и циркулирующего в нем. Искусстве-ный (вследствие циркуляции) рост расхода воздуха, участвующего в теплообмене, позволяет пропорционально этому увеличению повышать количество теплоты, передаваемой из внутреннего контура во внешний, что является ноу-хау ТРДД Письменного [19].

Известные теплообменники, устанавливаемые во втором контуре ТРДД, охлаждающие воздух высокого давления для охлаждения турбины [2], этим эффектом не обладают. В обычных теплообменниках коэффициент циркуляции 5ц равен нулю, соответственно, степень охлаждения воздуха определяется только коэффициентом интенсивности охлаждения 9, чего явно недостаточно (см. рис. 6). Температура газа перед турбинами современных ТРДД не превышает 1900 К.

Благодаря сочетанию высокой эффективности охлаждения воздуха в ЦТ с современными технологиями (монокристаллическими лопатками, конвективно-пленочным охлаждением, керамическими сопловыми аппаратами

и др. [3]), температура газа перед турбиной ТРДД при достаточно умеренном (что весьма важно) отборе воздуха от компрессора (в пределах 15 %) может быть повышена до 2300 К и более [22]. В результате этого работа цикла Брайтона (при тех же степенях повышения давления) увеличивается и, как следствие, доля внутренних потерь в работе цикла Брайтона снижается, что означает рост це.

В теплообменнике-регенераторе (см. рис. 5), являющимся составной частью выходного устройства, осуществляется регенерация теплоты отработавших газов, которая увеличивает общую работу цикла двигателя путем прибавления к работе цикла Брайтона работы по-явившеегося внутреннего цикла, что еще больше повышает це.

Работа выходного устройства осуществляется следующим образом. В турбинах происходит перепад давлений, превышающий располагаемый (определяемый отношением давления газа перед турбиной к атмосферному). В результате скорость газа за турбинами увеличивается, а статическое давление становится меньше атмосферного. В выходных патрубках газ тормозится до скорости, при которой его статическое давление повышается до атмосферного, после чего он истекает в атмосферу.

Выходные патрубки, являющиеся внутренними каналами теплообменника-регенератора, обдуваются воздухом внешнего контура, где температура меньше, чем у отработавших газов. Между газом и воздухом устанавливается тепловой поток, вследствие чего температура отработавших газов падает, т. е. приближается к температуре воздуха за вентилятором, которая, в свою очередь, повышается. Уменьшение температуры газов снижает затраты энергии на их

сжатие. Как уже указывалось, рост температуры воздуха увеличивает скорость его истечения из сопла пропорционально корню квадратному из температуры Т*.

Цикл ТРДД Письменного состоит из двух энергетически связанных циклов: внешнего Ьц1 и внутреннего Ьц2. К внешнему циклу подводится теплота ql (процесс к-г), одна часть которой преобразуется в работу 1цЬ а другая ql-2 передается внутреннему циклу, где происходит ее преобразование в работу 1ц2. Оставшаяся теплота q2 рассеивается в атмосфере. Благодаря наличию внутреннего цикла количество отводимой из внешнего цикла теплоты q2 уменьшается на значение работы внутреннего цикла.

Сжатие газа в каналах выходного патрубка осуществляется с отводом тепла во внешний контур: температура газа приближается к температуре воздуха за вентилятором (точка с). Работа Ьц1 (площадь фигуры нкгтс) увеличивается на размер затененной области (см. рис. 7).

В результате передачи теплоты из внутреннего контура во внешний появляется дополнительная

Рис. 7. Термодинамический цикл ТРДД Письменного

работа Lц2 (площадь фигуры нвв’с’), которая в ТРДД, показанном на рис. 1, отсутствует. Таким образом, при том же количестве подведенной теплоты qí (процесс к-г) полезная работа цикла ТРДД увеличивается, что очевидно.

Работа цикла ТРДД (см. рис. 7) определяется выражением Lц = Lцl + mLЦ2, где m — степень двухконтурности ТРДД.

Эффективный КПД ТРДД вычисляется как отношение работы цикла ТРДД к подведенной в цикле теплоте

Соответственно, ожидаемый (максимально возможный) общий КПД дозвукового ТРДД (см. рис. 5) будет равен произведению термического КПД эквивалентного цикла Брайтона и максимально возможного полетного КПД дозвукового ТРДД:

Из формулы (2) следует, что по сравнению с прототипом (см. рис. 1) у предлагаемого ТРДД (см. рис. 5) при тех же параметрах рабочего процесса (степени повышения давления воздуха в двигателе и температуры газа перед турбиной) эффективный КПД увеличивается тем значительнее, чем выше степень двухконтурности m и больше работа внутреннего цикла Lц2, зависящая от m, которая фактически является функцией температуры газа перед турбиной.

Степень двухконтурности m тем больше, чем выше температура газа перед турбиной (т. е., чем больше работа привода вентилятора). Температура газа перед турбиной тем выше, чем больше при прочих равных условиях коэффициент циркуляции воздуха в ЦТ [22]. Коэффициент циркуляции в ЦТ тем выше, чем эффективнее теплообмен в теплообменнике-регенераторе, который тем эффективнее, чем выше степень двухконтурности m.

Теплообменник-регенератор утилизирует тепловые потери, связанные с ростом температуры газа Т*, что позволяет без дополнительных внешних потерь увеличивать (благодаря возрастанию коэффициента циркуляции 5ц) температуру Т*, а следовательно, и степень двухконтурности m до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение температуры Т*.

Совместная работа ЦТ и теплообменника-регенератора повышает эффективность применения каждого из них (так называемый интегральный эффект), в результате чего по сравнению с прототипом (см. рис. 1) у дозвукового ТРДД (см. рис. 5) эффективный КПД максимально возрастает.

Если допустить, что при каких-то достаточно больших значениях m (температурах газа Т*) приведенная работа внутреннего цикла mLц2 (формула 2) становится соизмеримой с

На рис. 8 показаны максимально возможные значения общих КПД дозвукового ТРДД в крейсерском режиме полета, полученные с использованием соотношения (3) при следующих расчетных _параметрах: = 45, д(А,в)= 0,85, Овх = 0,98, dвх = 0,4.

Видно, что в диапазоне крейсерских тяг Rкp = = 30.70 кН (при d = 3 м) максимально возможный общий КПД дозвукового ТРДД составляет 0,46.0,58. Это соответствует удельному расходу топлива в крейсерском режиме полета Суд.кр = 0,035.0,045 кг/(Н-ч), что на 20.25 % меньше, чем у дозвуковых ТРДД чет-вертого-пятого поколений [3].

Единственный вопрос, который остается открытым, это значение степени двухконтурности m (температуры газа перед турбиной Т*), при которой будет достигнут максимально возможный общий КПД дозвукового ТРДД КПД (см. рис. 8). Ответ на этот вопрос зависит от конструктивных решений и технологий (КПД элементов, коэффициентов, определяющих интенсивность передачи теплоты в теплообменниках и лопатках и др.), которые будут использованы (разработаны) при создании нового двигателя.

Во всяком случае, согласно второму закону термодинамики, следует стремиться к достижению предельно возможных значений температуры Т* (2300 К и более), а значит, и степени двухконтурности m. При этом повышение m будет происходить путем уменьшения диаметра компрессора (вследствие роста Т*) при максимально возможном для ЛА диаметре вентилятора (см. рис. 4). С учетом того, что сопло дозвуковое, степень повышения давления в вен-

тиляторе пв«2 (в зависимости от степени двухконтурности ТРДД).

Удельная масса двигателя при форсировании температуры газа перед турбиной путем использования двух теплообменников, если и изменится, то незначительно (в пределах 10 %). Увеличение массы двигателя вследствие применения новых элементов (теплообменников и центробежного нагнетателя) будет скомпенсировано уменьшением массы турбокомпрессора. Во всяком случае, если рассматривать ЛА в целом, то ожидаемое снижение массы топлива (более 20 %) приведет к уменьшению массы ЛА, причем весьма значительному в зависимости от его класса.

Снижение стоимости авиационных перевозок является весьма актуальной проблемой. Доля затрат на авиатопливо в общих расходах авиакомпаний приближается к 30 %. При этом стоимость тонны авиационного керосина уже превысила 600 долл. США и продолжает расти. Уменьшение расхода топлива на указанные 20.25 % эквивалентно сокращению общих расходов авиакомпаний на 5.7 %, что составляет более 10 млрд долл. США в год. Данное обстоятельство делает разработку и создание предлагаемого ТРДД актуальной и, по-видимому, неизбежной задачей.

Основными техническими показателями, на которые следует ориентироваться при разработке дозвукового ТРДД (см. рис. 5), если такое решение будет принято, являются диаметр вентилятора d > 3 м; температура газа перед турбиной Т* > 2300 К; суммарная степень повышения давления воздуха в двигателе 40.50. Для достижения этих показателей понадобятся новые технологии и материалы [3], включая керамику, но другого пути нет.

1. ТРДД А.М. Люльки [1] достиг своего технического совершенства и как тепловая машина, и как движитель. Дальнейшее развитие идеи

Рис. 8. Зависимость максимально возможного общего КПД r|omax дозвукового ТРДД от диаметра его вентилятора d при крейсерской тяге Дкр = 30 (1), 40 (2), 50 (3), 60 (4) и 70 (5) кН

ТРДД сопряжено с использованием метода внутренних термодинамических циклов [4] в качестве инструмента повышения эффективного КПД ТРДД (тепловой машины).

2. Предложен способ охлаждения ТРДД [22], позволяющий повысить температуру газа перед турбиной двигателя до 2300 К и более.

3. Разработан способ утилизации энергии отработавших газов ТРДД [20], позволяющий понизить их температуру до температуры, соизмеримой с таковой для воздуха за вентилятором.

4. Предложена газодинамическая схема ТРДД [19], в которой реализован внутренний термодинамический цикл [4]. Ожидаемое повышение топливной эффективности в условиях крейсерского полета (Н = 11 км, М = 0,8) по отношению к двигателям пятого поколения (TRENT 1000, GE90-115B и др.) составляет более 20 %.

5. Суммарный экономический эффект для авиакомпаний при переходе на новый принцип построения авиадвигателей 21 может составить более 10 млрд долл. в год.

[1] Люлька А.М. Двухконтурный турбореактивный двигатель. А. с. 117179 СССР, 1958. 2 с.

[2] Бакулев В.И., Голубев В.А., Крылов Б.А., Марчуков Е.Ю., Нечаев Ю.Н., Онищик И.И.,

Сосунов В.А., Чепкин В.М. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Москва, Изд-во МАИ, 2003. 688 с.

[3] Скибин В.А., ред. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспече-

ние создания перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор. Москва, Изд-во ЦИАМ, 2010. 673 с.

[4] Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. Конверсия в машиностроении, 2006, № 3, с. 5-10.

5] Письменный В.Л. Тепловая машина. Пат. РФ № 2269668. 2006, бюл. № 4, 9 с.

6] Письменный В.Л. Парогазотурбиннаяустановка. Пат. РФ № 2272916. 2006, бюл. № 9, 8 с.

7] Письменный В.Л. Способ форсирования газотурбинных установок. Пат. РФ № 2284418.

8] Письменный В.Л. Парогазовая установка. Пат. РФ 2520762. 2014, бюл. № 18, 12 с.

9] Письменный В.Л. Парогазотурбинная установка. Пат. РФ 2523087. 2014, бюл. № 20, 8 с.

10] Письменный В.Л. Стехиометрическая парогазовая установка. Пат. РФ 2666701. 2018, бюл. № 26, 9 с.

11] Письменный В.Л. Стехиометрическая парогазотурбинная установка. Пат. РФ 2671264. 2018, бюл. № 31, 8 с.

12] Письменный В.Л. Энергоустановка. Пат. РФ № 2673948. 2018, бюл. № 34, 10 с.

13] Письменный В.Л. Способ форсирования газотурбинной установки. Пат. РФ № 2674089. 2018, бюл. № 34, 7 с.

14] Письменный В.Л. Газотурбинная установка. Пат. РФ № 2675167. 2018, бюл. № 35, 7 с.

15] Письменный В.Л. Паротурбинный двигатель. Пат. РФ № 2285131. 2006, бюл. № 28, 7 с.

16] Письменный В.Л. Способ форсирования турбореактивного двигателя. Пат. РФ № 2616137. 2017, бюл. № 11, 10 с.

17] Письменный В.Л. Турбоэжекторный двигатель и способ его регулирования. Пат. РФ № 2645373. 2018, бюл. № 6, 16 с.

18] Письменный В.Л. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Пат. РФ № 2647919. 2018, бюл. № 9, 6 с.

19] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Пат. РФ № 2661427. 2018, бюл. № 20, 8 с.

20] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Пат. РФ № 2669420. 2018, бюл. № 29, 5 с.

21] Письменный В.Л. Теплообменник. Пат. РФ № 2607916. 2017, бюл. № 2, 8 с.

22] Письменный В.Л. Способ охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя. Пат. РФ № 2617026. 2017, бюл. № 11, 8 с.

[1] Lyul’ka A.M. Dvukhkonturnyy turboreaktivnyy dvigatel [Turbojet engine]. Avt. svidetel’stvo

SSSR no. 117179, 1958.

[2] Bakulev V.I., Golubev V.A., Krylov B.A., Marchukov E.Yu., Nechaev Yu.N., Onishchik I.I.,

Sosunov V.A., Chepkin V.M. Teoriya, raschet i proektirovanie aviatsionnykh dvigateley i ehnergeticheskikh ustanovok [Theory, calculation and design of aircraft engines and power plants]. Moscow, MAI publ., 2003. 688 p.

[3] Raboty vedushchikh aviadvigatelestroitelnykh kompaniy v obespechenie sozdaniya perspek-

tivnykh aviatsionnykh dvigateley (analiticheskiy obzor) [The work of the leading aircraft engine companies in ensuring the creation of promising aircraft engines (analytical review)]. Ed. Skibin V.A. Moscow, TSIAM publ., 2010. 673 p.

[4] Pis’mennyy V.L. Internal thermodynamic cycles. Konversiya v mashinostroenii, 2006, no. 3,

[5] Pis’mennyy V.L. Teplovaya mashina [Heat engine]. Patent RF no. 2269668, 2006. 9 p.

[6] Pis’mennyy V.L. Parogazoturbinnaya ustanovka [Steam gas turbine unit]. Patent RF no.

[7] Pis’mennyy V.L. Sposob forsirovaniya gazoturbinnykh ustanovok [The method of forcing gas

turbines]. Patent RF no. 2284418, 2006. 6 p.

[8] Pis’mennyy V.L. Parogazovaya ustanovka [Steam and gas installation]. Patent RF

no. 2520762, 2014. 12 p.

[9] Pis’mennyy V.L. Parogazoturbinnaya ustanovka [Steam gas turbine unit]. Patent RF

no. 2523087, 2014. 8 p.

[10] Pis’mennyy V.L. Stekhiometricheskaya parogazovaya ustanovka [Stoichiometric steam and gas installation]. Patent RF no. 2666701, 2018. 9 p.

[11] Pis’mennyy V.L. Stekhiometricheskaya parogazoturbinnaya ustanovka [Stoichiometric steam and gas turbine plant]. Patent RF no. 2671264, 2018. 8 p.

[12] Pis’mennyy V.L. Ehnergoustanovka [Power plant]. Patent RF no. 2673948, 2018. 10 p.

[13] Pis’mennyy V.L. Sposob forsirovaniya gazoturbinnoy ustanovki [Method of forcing a gas turbine installation]. Patent RF no. 2674089, 2018. 7 p.

[14] Pis’mennyy V.L. Gazoturbinnaya ustanovka [Gas turbine plant]. Patent RF no. 2675167, 2018. 7 p.

[15] Pis’mennyy V.L. Paroturbinnyy dvigatel [Steam turbine engine]. Patent RF no. 2285131, 2006. 7 p.

[16] Pis’mennyy V.L. Sposob forsirovaniya turboreaktivnogo dvigatelya [Method of boosting a turbojet engine]. Patent RF no. 2616137, 2017. 10 p.

[17] Pis’mennyy V.L. Turboehzhektornyy dvigatel i sposob ego regulirovaniya [Turbo-ejector engine and method of its regulation]. Patent RF no. 2645373, 2018. 16 p.

[18] Pis’mennyy V.L. Pryamotochnyy vozdushno-reaktivnyy dvigatel [Ramjet engine]. Patent RF no. 2647919, 2018. 6 p.

[19] Pis’mennyy V.L. Dvukhkonturnyy turboreaktivnyy dvigatel [Turbojet engine]. Patent RF no. 2661427, 2018. 8 p.

[20] Pis’mennyy V.L. Dvukhkonturnyy turboreaktivnyy dvigatel [Turbojet engine]. Patent RF no. 2669420, 2018. 5 p.

[21] Pis’mennyy V.L. Teploobmennik [Heat exchanger]. Patent RF no. 2607916, 2017. 8 p.

[22] Pis’mennyy V.L. Sposob okhlazhdeniya dvukhkonturnogo turboreaktivnogo dvigatelya

[Cooling method of a double-circuit turbojet engine]. Patent RF no. 2617026, 2017. 8 p.

Информация об авторе

ПИСЬМЕННЫЙ Владимир Леонидович — кандидат технических наук, доцент кафедры испытаний авиационной техники. Филиал «Взлет» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» в г. Ахтубинске (416501, Ахтубинск, Астраханская область, Российская Федерация, Добролюбова ул., д. 5, e-mail: vladimir@tecserv.info).

Статья поступила в редакцию 04.02.2019 Information about the author

PISMENNYI Vladimir Leonidovich — Candidate of Science (Eng.), Associate Professor, Aircraft Testing Department. Akhtubinsk Branch Vzlet. Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education — Moscow Aviation Institute (National Research University) (146501, Akhtubinsk, Astrakhan region, Russian Federation, Dobrolyubov St., Bldg. 5, e-mail: vladimir@tecserv.info).

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 6, с. 50-59, doi: 10.18698/0536-1044-2019-6-50-59

Источник

Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Жуков Владимир Анатольевич, Яманин Александр Иванович, Мельник Олеся Владимировна

SIX STORKE ENGINES: OPERATING PROCEDURE AND SCHEMES OF CRANKSHAFTS

The article is devoted to the perspective direction of development of internal combustion piston engines realization of six-stroke working processes. The article presents an overview of possible options for the implementation of six-stroke cycles, known types of engines. The greatest interest is the six-stroke cycle with two working strokes of the piston, one of which is carried out under the pressure of the combustion products of fuel, and the second under the pressure of steam formed as a result of water supply to the cylinder. This cycle is implemented in the Crower engine It is shown that the six-stroke cycle has a number of advantages over the four-stroke cycle: its implementation improves the economic and environmental performance of the engine, reduces the temperature level of parts, which has a positive effect on resource performance. On the basis of published indicator diagrams of six-stroke engines, diagrams of the total torques of four-cylinder engines operating on four-stroke and six-stroke cycles are constructed. It was found that the implementation of a six-stroke working cycle with additional injection of water into the cylinder leads to some deterioration of the uniformity of the alternation of the working strokes and the uniformity of the torque. The use of special schemes of crankshafts can contribute to some improvement in these indicators. Recommendations on the use of crankshafts with cross-shaped schemes in six-stroke engines are given The presented research technique can be used to select the preferred design of crankshafts for engines with different number of cylinders. Given the need for the preparation and storage of distilled water in the implementation of the six-stroke cycle, the conclusion is made about the possibility of using six-stroke engines as part of marine power plants. The necessity of further research of kinematics, dynamics and vibration activity of six-stroke engines is pointed out.

Текст научной работы на тему «Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов»

ш-Г-. ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

VjyiOPCKOrO И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

SIX STORKE ENGINES: OPERATING PROCEDURE AND SCHEMES OF CRANKSHAFTS

V. A. Zhukov1, A. I. Yamanin2, O. V. Melnik1

1 — Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,

St. Petersburg, Russian Federation

2 —Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russian Federation

Keywords: six-stroke engine, economic and environmental indicators, the order of working strokes, the uniformity of angular velocity and torque, the scheme of crankshafts.

Zhukov, Vladimir A., Alexander I. Yamanin, and Olesya V. Melnik. «Six storke engines: operating procedure

and schemes of crankshafts.» Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni

admirala S. O. Makarova 10.6 (2018): 1244-1254. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-6-1244-1254.

ДВИГАТЕЛИ С ШЕСТИТАКТНЫМ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ: ПОРЯДОК РАБОТЫ И СХЕМЫ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

В. А. Жуков1, А. И. Яманин2, О. В. Мельник1

1 — ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», Санкт-Петербург, Российская Федерация

2 — ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», Ярославль, Российская Федерация

Статья посвящена перспективному направлению развития поршневых двигателей внутреннего сгорания — реализации шеститактных рабочих процессов. В статье представлен обзор возможных вариантов осуществления шеститактных циклов известных типов двигателей. Наибольший интерес представляет шеститактный цикл с двумя рабочими ходами поршня, один из которых осуществля-

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

ется под действием давления продуктов сгорания топлива, а второй — под действием давления пара, образующегося в результате подачи воды в цилиндр. Такой цикл реализуется в двигателе Кроуэра. Показано, что шеститактный цикл имеет ряд преимуществ перед четырехтактным: при его реализации улучшаются экономические и экологические показатели работы двигателя, снижается температурный уровень деталей, что положительно сказывается на ресурсных показателях. На основании опубликованных индикаторных диаграмм шеститактных двигателей построены диаграммы суммарных крутящих моментов четырехцилиндровых двигателей, работающих по четырехтактному и шести-тактному циклам. При этом выявлено, что реализация шеститактного рабочего цикла при дополнительном впрыске воды в цилиндр приводит к некоторому ухудшению равномерности чередования рабочих ходов и равномерности крутящего момента. Применение особых схем коленчатых валов может способствовать улучшению этих показателей. Даны рекомендации по использованию в шеститактных двигателях коленчатых валов, имеющих крестообразные схемы. Представленная методика исследований может быть использована для выбора предпочтительной конструкции коленчатых валов для двигателей с различным числом цилиндров. Учитывая необходимость подготовки и хранения дистиллированной воды при реализации шеститактного цикла, можно сделать вывод о возможности использования шеститактных двигателей в составе судовых энергетических установок. Указано на необходимость продолжения исследования кинематики, динамики и виброактивности шеститактных двигателей.

Ключевые слова: шеститактный двигатель, экономические и экологические показатели, порядок рабочих ходов, равномерность угловой скорости и крутящего момента, схемы коленчатых валов.

Жуков В. А. Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов / В. А. Жуков, А. И. Яманин, О. В. Мельник // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 6. — С. 12441254. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-6-1244-1254.

Основной целью совершенствования двигателей внутреннего сгорания является улучшение экономических и экологических показателей при обеспечении требуемого уровня надежности. Для оценки возможности повышения эффективности тепловых двигателей используются энергетические и эксергетические методы [1]. Одним из известных способов улучшения эффективных показателей поршневых двигателей является реализация рабочего процесса с дополнительным впрыском воды в цилиндр. Это может осуществляться в течение традиционного четырехтактного цикла вместе с основным топливом для улучшения многих (прежде всего, мощностных) показателей двигателя. Такой способ работы в 1940-1950 гг. применялся на авиационных поршневых двигателях, выпускавшихся серийно фирмами BMW, Deimler-Benz, Pratt&Whitney и некоторыми другими предприятиями [2]. Положительный эффект от впрыскивания воды в цилиндры современных судовых двигателей описан в источнике [3]: показано, что для среднеоборотного дизеля Wartsila L46/58 (6ЧРН 46/58) потенциально возможно увеличение индикаторного КПД до 0,55 и среднего индикаторного давления до 2,75 МПа, а также = снижение индикаторного расхода топлива до 0,154 кг/(кВтч). о

Один из первых патентов, в которых описан шеститактный двигатель, был полу- Т

чен L. H. Dyer в 1920 г. (см. пат. США № 1339176); в России заявки на патент «О двигате- В ле внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией» были поданы у

в 1916 и 1923 гг. (см. пат. 2308, кл. 46а6, 3). Следует также отметить, что в книге американского автора _ |

В работе [4] приведен обзор известных шеститактных двигателей, которые разделены на две группы.

1-я группа. Двигатели с двумя рабочими ходами в течение одного цикла, причем один рабочий ход совершается поршнем под действием продуктов сгорания, а второй — под действием пара или воздуха. К таким двигателям относятся:

— двигатель Гриффина (Griffin Six Stroke Engine — Griffin Simplex), изобретенный в 1883 г. и производившийся под маркой «Килмарнок» (Kilmarnock);

— двигатель Баюласа (Bajulaz Six Stroke Engine), патент на который был получен в 1985 г., а в 1989 г. была создана усовершенствованная модель двигателя [5], [6];

— двигатель Кроуэра (Crower Six Stroke Engine), созданный в 2004 г.;

— двигатель Велозета (Velozeta Six Stroke Engine), особенностью которого является то, что для осуществления дополнительного рабочего хода используется воздух [7];

— двигатель Нийкадо (NIYKADO Six Stroke Engine), который создал Чанаил Клитас Анил (Chanayail Cleetus Anil) из Индии в период 2004-2012 гг., когда двигатель был запатентован.

2-я группа. Двигатели, в которых в одном цилиндре расположены два поршня, движущихся навстречу друг другу. Один из поршней движется с частотой, в два раза меньшей частоты другого поршня. Основной функцией второго поршня является замена клапанного механизма обычного четырехтактного двигателя. Таким образом, в течение каждого цикла осуществляется шесть ходов поршней. Использование второго поршня позволяет также увеличить степень сжатия. К таким двигателям относятся:

— двигатель Бир Хэд (Beare Head Six Stroke), изобретенный австралийцем М. Биром (M. Beare);

— двигатель с зарядным насосом (Charge Pump Engine), изобретенный Х. Котманном (H. Kottmann).

части отработавших газов в соседние цилиндры, в которых вспышки следуют через 270 град. поворота вала. Дополнительная работа на пятом такте здесь совершается за счет импульса давления, сформированного поршнем соседнего цилиндра.

В настоящее время наибольшую известность получил шеститактный двигатель, изобретенный Б. Кроуэром (В. Crower). В двигателе Кроуэра первоначально реализуются четыре традиционных такта (наполнение, сжатие, расширение и выпуск). В течение выпуска (при движении поршня к верхней мертвой точке) в цилиндр впрыскивается вода, которая превращается в пар, совершающий при расширении (пятый такт) дополнительную работу. Шестым тактом является выпуск отработавшего пара. В связи с этим такие двигатели называют шеститактными. Термодинамический цикл шеститактного двигателя представлен на рис. 2.

Рис. 2. Термодинамический цикл шеститактного двигателя: V — объем надпоршневого пространства; Vа — объем в начале сжатия; Vс — объем в конце сжатия; Vz — объем в конце подвода теплоты в газовом цикле; Ул — объем в конце подвода теплоты в паровом цикле; р — давление в цилиндре; рс — давление в конце сжатия в газовом цикле; рг — максимальное давление газового цикла; рс1 — давление в конце сжатия в паровом цикле; рг1 — максимальное давление парового цикла; Qv Q1 — теплота, подведенная к рабочему телу в газовом цикле, соответственно, в изохорном и изобарном процессах; Qp1, Qр1 — теплота, подведенная к рабочему телу в паровом цикле, соответственно, в изохорном и изобарном процессах; Gв, ив — соответственно масса и внутренняя энергия воды, поданной в цилиндр; L рез1, Lрез2, Lц — работа, совершенная, соответственно, в газовом цикле, в паровом цикле, в шеститактном цикле

Длительность рабочего цикла составляет 1080 град. поворота коленчатого вала (рис. 3) [9].

Целесообразность реализации шеститактного цикла в современных двигателях наземного и водного транспорта рассматривается в работах [9]-[13], анализ патентно-лицензионной ситуации в области шеститактных двигателей дан А. А. Лефёровым [14]. В работе [15] исследован термодинамический цикл с парогазовым рабочим телом. Показано, что впрыск воды обеспечивает снижение тепловых потерь и температурных напряжений в деталях цилиндропоршневой группы и позволяет отказаться от дорогостоящих конструкционных материалов. Перспективность использования шеститактных двигателей подтверждается возможностью использования не только дизельного топлива и бензина, но и альтернативных видов топлива: водорода [16], [17] и водородно-кислородной смеси, состоящей из 2/3 водорода

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

и 1/3 кислорода [18], [19]. Использование альтернативных видов топлива и снижение максимальной температуры цикла в шеститактных двигателях обеспечивает существенное снижение выбросов с отработавшими газами: СпНт, СО, С02, SOх, NOх и твердых частиц. Внутреннее охлаждение в шеститактном цикле позволяет на 30-50 % увеличить степень сжатия: до 14-16 для бензиновых двигателей и до 25-35 для дизелей, что обеспечивает повышение эффективных показателей работы двигателей. В четырехтактных двигателях отношение количества рабочих тактов к их общему числу составляет 1 : 4, а в шеститактных двигателях Кроуэра — 1 : 3. За счет такого изменения обеспечивается 30 % дополнительной полезной работы без увеличения расхода топлива. Таким образом, в работах [20]-[22], посвященных исследованию рабочих процессов шеститактных двигателей, доказана перспективность их использования с экономической и экологической точки зрения, а снижение температурного уровня деталей двигателя обеспечит увеличение их ресурса.

Рис. 3. Индикаторные диаграммы шеститактного (рГВ) и четырехтактного (p ) циклов

При этом необходимо отметить, что указанная длительность шеститактного рабочего цикла (1080 град.) в многоцилиндровых двигателях с традиционными схемами коленчатых валов приводит к изменению равномерности чередования рабочих ходов и, как следствие, к изменению равномерности крутящего момента и хода. В известных работах на эту тему вопросы кинематики, динамики и виброактивности шеститактных двигателей не рассматривались, тогда как для четырехтактных двигателей, конструкция которых достаточно хорошо проработана, вопросы кинематики и динамики кривошипно-шатунного механизма и виброактивности двигателей продолжают оставаться предметом изучения и анализа [23]-[25]. В связи с этим и было предпринято данное

^ исследование1, которое следует рассматривать как первичное обсуждение проблемы.

Методы и материалы (Methods and Materials)

Задача о порядках работы двигателя (последовательности чередования тактов в разных цилиндрах) решалась по методике [26] применительно к наиболее распространенным практически во всех видах транспорта схемам двигателей. Рассматривались рядный четырехцилиндровый и F-образные шести-, восьми-, десяти- и двенадцатицилиндровый двигатели, работающие по четырех- и шеститактному циклам. Для шеститактных двигателей были использованы оцифрованные индикаторные диаграммы, приведенные в источниках [8], [9]; способ организации шеститактного процесса (впрыск воды или повторное сжатие отработавших газов) здесь неважен. Первоначально

1 Вопросов, связанных с реализацией шеститактного рабочего процесса, намного больше (в частности, анализ нагрузок на шейки и подшипники коленчатого вала, прочность звеньев КШМ, защита деталей от коррозии и т. д.). Здесь рассмотрены лишь некоторые из них.

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

предполагалось, что двигатели имеют традиционные для каждого из них схемы коленчатых валов (например, для рядного двигателя — четырехкривошипный плоский, для Г-образного шестицилиндрового — трехкривошипный пространственный с равномерной заклинкой кривошипов). Значения углов развала цилиндров Г-образных двигателей приведены в таблице.

Относительные значения степени неравномерности крутящего момента двигателей, работающих по четырех- и шеститактному циклам

i = 4 i = 6 i = 8 i = 10 i = 12

т = 4 т = 6 т = 6а т = 4 т = 6 т = 4 т = 6 т = 4 т = 6 т = 4 т = 6

1,0 4,42 3,60 1,00 1,22 1,0 3,84 1,0 1,91 1,0 3,68

Примечания: вариант т = 6а соответствует четырехцилиндровому двигателю с крестообразным валом; углы развала цилиндров двигателей с i = 6 и i = 8 равны 90°; с i = 10 и i = 12 — соответственно 72° и 60°.

В таблице приведены также значения степени неравномерности крутящего момента двигателей с наиболее распространенными значениями чисел цилиндров при реализации в них четырехтактного (т = 4) и шеститактного (т = 6) рабочих циклов. В каждом случае вычисленные значения для четырехтактного двигателя приняты за единицу.

Массовые характеристики звеньев были определены в результате твердотельного моделирования.

Установлено, что в многоцилиндровом шеститактном двигателе изменяется порядок следования рабочих ходов (здесь имеются в виду ходы, соответствующие расширению как продуктов сгорания топлива, так и пара), в некоторые моменты времени в разных цилиндрах эти процессы происходят одновременно (рис. 4 и 5). В связи с этим в шеститактных двигателях увеличивается неравномерность суммарного крутящего момента. Замена плоского коленчатого вала в шеститактном двигателе на крестообразный делает крутящий момент более равномерным.

Изменение неравномерности суммарного крутящего момента в шеститактном двигателе позволяет предположить, что изменение схемы заклинки кривошипов вала может способствовать улучшению равномерности крутящего момента. В связи с этим предпринята попытка расчета суммарного крутящего момента четырехцилиндрового двигателя с крестообразным коленчатым валом [8], применение которого известно в двухтактных двигателях (рис. 6 и 7). При этом в таких двигателях становятся неуравновешенными моменты сил инерции первого порядка, но это устраняется применением уравновешивающего механизма, схема которого также хорошо известна.

Рис. 6. Индикаторные диаграммы последовательно работающих цилиндров четырехцилиндрового рядного шеститактного двигателя с крестообразным коленчатым валом

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

О 180 360 540 720 900 1080

Рис. 7. Изменение суммарного крутящего момента четырехцилиндрового двигателя с плоским валом, работающего по четырех- и шеститактному циклам, и шеститактного с крестообразным валом

При работе двигателя по шеститактному циклу изменяется спектральный состав крутящего момента, развиваемого единичным цилиндром. В связи с этим для расчетов крутильных колебаний следует определять амплитуды его гармонических составляющих с порядками 1/3, 2/3, 3/3, 4/3 и т. д.

Наиболее перспективным следует считать использование шеститактных двигателей в составе судовых энергетических установок. В условиях машинного отделения морских и речных судов можно обеспечить подготовку и хранение дистиллированной воды, необходимой для подачи в цилиндры. При ограниченных объемах моторных отсеков наземных транспортных средств решение этой задачи вызывает значительные трудности.

Читайте также:  Поддон картера двигателя пассат

Реализация в двигателе шеститактного рабочего цикла приводит к некоторому снижению равномерности хода и крутящего момента. Частичное устранение указанных обстоятельств потенциально возможно при использовании коленчатых валов с отличной от традиционных схем заклинки кривошипов, определение которых представляется вполне самостоятельной задачей. Описанная методика позволяет осуществлять выбор предпочтительных схем коленчатых валов для двигателей, реализующих шеститактный цикл при различном числе цилиндров.

Для корректного расчета на прочность деталей шеститактных двигателей необходимо продолжать исследования их кинематических, динамических и вибрационных характеристик.

1. Ерофеев В. Л. Энергетический и эксергетический подходы к оценке повышения эффективности тепловых двигателей / В. Л. Ерофеев, В. А. Жуков, А. С. Пряхин // Вестник Государственного универси-

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

тета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 5. — C. 1017-1026. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-5-1017-1026.

2. Кайдаш Н. Ф. Впрыск воды в авиационные двигатели / Н. Ф. Кайдаш, К. К. Папок, Е. В. Любанов-ский, Ю. П. Блонский. — М.: Ред.-изд. отдел Аэрофлота, 1946. — 96 с.

3. Белоусов Е. В. Влияние на рабочий процесс среднеоборотного судового дизеля путем впрыскивания воды в рабочий цилиндр / Е. В. Белоусов, М. С. Агеев, В. Н. Свиридов // Двигатели внутреннего сгорания. — 2010. — № 1. — С. 40-43.

4. Mohandas G. Review of Six Stroke Engine and Proposal for Alternative Fuels / G. Mohandas, V. Desai-Patil // SSRG International Journal of Mechanical Engineering (SSRG-IJME). — 2015. — Vol. 2. — Is. 10. — Pp. 19-24.

5. Pat. 4513568 USA, IPC F02B 75/021 Method for the transformation ofthermal energy into mechanical energy by means of a combustion engine as well as this new engine / Roger Bajulaz; USA assignee. — № US06442799; app. 18.11.1982; pub. 30.04.1985. — 9 p.

6. Pat. 4809511 USA, IPC F02G 1/02 Internal Combustion Engine / Roger Bajulaz; USA assignee. — № US07059218; app. 08.06.1987; pub. 07.03.1989. — 12 p.

7. Pande P. H. Velozeta Six Stroke Engine / P. H. Pande // International Journal of Research in Advent Technology. — 2015. — Special Issue. — Pp. 215-219.

8. Application US 20140157758 A1, IPC F01N 3/2066, F01N 3/103 After-treatment system and method for six-stroke combustion cycle / Ronald Silver Scott, B. Fiveland, D. Ryan Williams; Caterpillar Inc. assignee. App. 12.06.2014. — 13 p.

10. Соболенке А. Н. Термодинамический КПД обобщенного теоретического цикла шеститаткного ДВС / А. Н. Соболенко // Вестник Тихоокеанского государственного университета. — 2015. — № 1 (36). — С. 141-150.

11. А. с. SU 1617169 A1, МПК F0№ 75/02. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания / А. Ф. Косяк, В. И. Васильев, В. Н. Осипов. — № 4380121/25-06; Заявлено 18.02.88; Опубл. 30.12.90, Бюл. № 48.

13. Karmalkar C. Analyzing the implementation of six stroke engine in a Hybrid Car / C. Karmalkar, V. Raut // International Journal of Mechanical Engineering and Applications. — 2014. — Vol. 2. — No. 1. — Pp. 1-4. DOI: 10.11648/j.ijmea.20140201.11.

14. Лефёров А. А. Актуальность и проблемы совершенствования цикла ДВС применением непосредственного впрыска воды / А. А. Лефёров, Н. Д. Куприянов // Труды МАИ. — 2010. — № 39. — С. 10.

15. Юша В. Л. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В. Л. Юша, Г. И. Чернов // Омский научный вестник. — 2009. — № 3 (83). — С. 154-158.

со 16. Prasath B. R. Hydrogen operated internal combustion engines-a new generation fuel / B. R. Prasath,

s, E. Leelakrishnan, N. Lokesh, H. Suriyan, E. Guru Prakash, K. O. Mustaq Ahmed // International Journal of Emerges

«» ing Technology and Advanced Engineering. — 2012. — Vol. 2. — Is. 4. — Pp. 52-57.

i2 17. Deepak Kumar. Hydrogen Fuel in 6-Stroke IC Engines and Reduction of Noxemission Using Hollow

g Fiber Membrane Module / Deepak Kumar, N. Gowtham // International Journal of Mechanical and Production En-ю gineering (IJMPE). — 2015. — Vol. 3. — Is. 3. — Pp. 58-63.

5 18. Bhardwaj S. Effect of Brown Gas On the Performance of a Four Stroke Gasoline Engine / S. Bhard-

P252 waj, A. S. Verma, S. K. Sharma // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. — ^^ 2014. — Vol. 4. — Is. 1. — Pp. 300-308.

19. Leelakrishnan E. Performance and Emission Characteristics of Brown’s Gas Enriched Air in Spark Ignition Engine / E. Leelakrishnan, N. Lokesh, H. Suriyan // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. — 2013. — Vol. 2. — Is. 2. — Pp. 393-404.

20. Alkhaniya A. Concept of Six Stroke Engine / A. Alkhaniya, A. Kotiyal // International Journal of Mechanical and Industrial Technology. — 2014. — Vol. 2. — Is. 2. — Pp. 1-4.

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

21. Makheeja D. A Review: Six Stroke Internal Combustion Engine / D. Makheeja // Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE). — 2015. — Vol. 12. — Pp. 7-11.

22. Kandari S. Six Stroke Engine / Kandari, I. Gupta // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). — 2013. — Vol. 2. — Is. 10. — Pp. 884-889.

23. Яманин А. И. Численное моделирование виброактивности поршневых двигателей с продолженным расширением рабочего тела / А. И. Яманин, В. А. Жуков // Двигатели внутреннего сгорания. — 2014. — № 1. — С. 27-31.

24. Жуков В. А. Анализ алгоритмов расчета кинематики кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами / В. А. Жуков, А. И. Яманин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. — 2016. — № 2 (36). — С. 109-118. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-2-109-118.

25. Яманин А. И. Силовой анализ поршневого двигателя с использованием динамических моделей кривошипно-шатунного механизма / А. И. Яманин, В. А. Жуков, С. О. Барышников // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 1. — С. 191-200. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-191-200.

26. Яманин А. И. Динамические расчеты поршневых двигателей в среде Microsoft Office Excel / А. И. Яманин. — Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2014. — 111 с.

1. Erofeev, Valentin L., Vladimir A. Zhukov, and Alexandr S. Pryachin. «Energy and exergy approaches to assessment enhance the efficiency of heat engines». Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 9.5 (2017): 1017-1026. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-5-1017-1026.

2. Kaidash, N. F., K. K. Papok, E. V. Lyubanovskii, and Yu. P. Blonskii. Vprysk vody v aviatsionnye dvigateli. M.: Red.-izd. otdel Aeroflota, 1946.

3. Belousov, E. V., M. S. Ageev, and V. I. Sviridov. «The influence on working process of the average speed ship engine by water injection to the working cylinder.» Dvigateli vnutrennego sgoraniya 1 (2010): 40-43.

4. Mohandas, Gokul, and Virendra Desai-Patil. «Review of Six Stroke Engine and Proposal for Alternative Fuels.» SSRG International Journal of Mechanical Engineering (SSRG-IJME) 2.10 (2015): 19-24.

5. Bajulaz, Roger. US 4513568 B, IPC F 02 B 75/021. Method for the transformation of thermal energy into mechanical energy by means of a combustion engine as well as this new engine. USA assignee. Publ. 30 April 1985.

6. Bajulaz, Roger. US 4809511 B, IPC F02G 1/02. Internal Combustion Engine. USA assignee. Publ. 7 March

7. Pande, Prashant Haridas. «Velozeta Six Stroke Engine.» International Journal of Research in Advent Technology Special Issue (2015): 215-219.

8. Scott, Ronald Silver, B. Fiveland, and D. Ryan Williams. US 20140157758 A1, IPC F01N 3/2066, F01N 3/103. After-treatment system and method for six-stroke combustion cycle. USA assignee. App. 12.06.2014.

9. Bystrov, O. I. Povyshenie ekonomicheskikh i ekologicheskikh pokazatelei dizelya putem realizatsii kom-binirovannogo shestitaktnogo tsikla. Abstract of PhD diss. Chelyabinsk.: Yuzhn.-Ur. gos. un-t, 2008.

10. Sobolenko, A. N. «Thermodynamic Efficiency of Generalized Theoretical Six-Cycle Engine.» Bulletin of PNU 1(36) (2015): 141-150.

11. Certificate of authorship SU 1617169 A1, IPC F01V 75/02. Sposob raboty shestitaktnogo dvigatelya vnu-trennego sgoraniya.

12. Romanov, S. V. Povyshenie toplivnoi ekonomichnosti dvigatelei sel’skokhozyaistvennykh mashinno-traktornykh agregatov putem primeneniya vodnoi inzhektsii. PhD diss. Troitsk: Yuzhn.-Ur. gos. agrarn. un-t, 2017.

13. Karmalkar, Chinmayee, and Vivek Raut. «Analyzing the implementation of six stroke engine in a Hybrid Car.» International Journal of Mechanical Engineering and Applications 2.1 (2014): 1-4. DOI: 10.11648/ j.ijmea.20140201.11.

14. Leferov, A. A., and N. D. Kupriyanov. «Aktual’nost’ i problemy sovershenstvovaniya tsikla DVS primen- ^ eniem neposredstvennogo vpryska vody.» Trudy MAI 39 (2010): 10.

15. Yusha, V. L., and G. I. Chemov. «The analysis of internal combustion engine with vapor and gas working mixture for ideal thermodynamics cycle efficiency.» Omsk Scientific Bulletin 3(83) (2009): 154-158.

16. Prasath, B. Rajendra, E. Leelakrishnan, N. Lokesh, H. Suriyan, E. Guru Prakash, K. Omur Mustaq Ahmed. «Hydrogen operated internal combustion engines-a new generation fuel.» International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 2.4 (2012): 52-57.

ш-Г-. ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

VjyiOPCKOrO И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

17. Deepak Kumar, and N. Gowtham. «Hydrogen Fuel in 6-Stroke IC Engines and Reduction of Noxemission Using Hollow Fiber Membrane Module.» International Journal of Mechanical and Production Engineering (IJMPE) 3.3 (2015): 58-63.

18. Bhardwaj, Shrikant, Ajay Singh Verma, and Subodh Kumar Sharma. «Effect of Brown gas on the performance of a four stroke gasoline engine.» International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 4.1 (2014): 300-308.

19. Leelakrishnan, E., N. Lokesh, and H. Suriyan. «Performance and emission characteristics of Brown’s gas enriched air in spark ignition engine.» International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology 2.2 (2013): 393-404.

20. Alkhaniya, Akash, and Aakash Kotiyal. «Concept of Six Stroke Engine.» International Journal of Mechanical and Industrial Technology 2.2 (2014): 1-4.

21. Makheeja, D. «A Review: Six Stroke Internal Combustion Engine.» Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) 12 (2015): 7-11.

22. Kandari, S., and I. Gupta. «Six Stroke Engine.» International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) 2.10 (2013): 884-889.

23. Yamanin, A. I., and V. A. Zhukov. «Numerical simulation of vibration of piston engines with prolonged expansion of working medium.» Dvigateli vnutrennego sgoraniya 1 (2014): 27-31.

24. Zhukov, Vladimir Anatolevich, and Alexander Ivanovich Yamanin. «The analysis of algorithms for calculation of kinematics of crankshaft-rod mechanism with the coupled соnnecting-rods.» Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova 2(36) (2016): 109-118. DOI: 10.21821/23095180-2016-8-2-109-118.

25. Yamanin, Alexander I., Vladimir A. Zhukov, and Sergey O. Baryshnikov. «Force analysis of reciprocating engine using dynamic models of crank mechanism.» Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 10.1 (2018): 191-200. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1- 191-200.

26. Yamanin, A. I. Dinamicheskie raschety porshnevykh dvigatelei v srede Microsoft Office Excel. Yaro-slavl’: Izd-vo YaGTU, 2014.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTORS

Dr. of Technical Sciences, professor Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035, Russian Federation

e-mail: zhukovva@gumrf.ru, va_zhukov@rambler.ru Yamanin, Alexander I. — Dr. of Technical Sciences, professor Yaroslavl State Technical University 88 Moskovsky Av., Yaroslavl, 150023, Russian Federation e-mail: yamaninai1@ystu.ru, a_yam@mail.ru Melnik, Olesya V. — PhD

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035, Russian Federation e-mail: olvmelnik@gmail.com

Жуков Владимир Анатольевич —

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

198035, Российская Федерация, Санкт- Петербург, ул. Двинская, 5/7

e-mail: zhukovva@gumrf.ru, va_zhukov@rambler.ru

Яманин Александр Иванович —

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный

150023, Российская Федерация, г. Ярославль,

Московский проспект, 88

e-mail: yamaninai1@ystu.ru, a_yam@mail.ru

Мельник Олеся Владимировна —

кандидат технических наук

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала

198035, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург,

Статья поступила в редакцию 12 декабря 2018 г.

Источник

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кузнецов М.Д.

М.Д.КУЗНЕЦОВ, студент, 8 960-242-08-92

Санкт-Петербургский государственный горный университет

M.D.KUZNETSOV, student, 8 960-242-08-92

Saint Petersburg State Mining University

В статье рассмотрены особенности двигателей Стирлинга. Кратко изложена история создания и развития. Описывается цикл Стирлинга, его сравнение с циклом Карно, а также основные типы конструкций.

Ключевые слова: цикл Стирлинга, двигатель Стирлинга, двигатель внешнего сгорания, цикл Карно, Джон Эриксон, термический КПД.

This article discusses the peculiarities of Stirling engines. Summarized history of the creation and development. Stirling cycle is described, and its comparison with the Carnot cycle, as well as the main types of structures.

Key words: Stirling cycle, Stirling engine, external combustion engine, Carnot cycle, John Ericsson, thermal efficiency.

Все началось приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом, священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее шведский изобретатель Джон Эриксон, работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами. Но в середине XIX в.

был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретенным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлин-га. Однако в конце 30-х годов в Эйндховене в лабораториях фирмы «Филипс» было положено начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга, с этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс [1].

Машина, работающая по циклу Стир-линга, представляет собой устройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема; на этом принципе основано превращение теплоты в работу или наоборот [2].

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 196

Рассмотрим цикл Стирлинга и сравним его с циклом Карно.

Источник

Перспективные монотопливные термокаталитические двигатели Текст научной статьи по специальности « Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Нестеренко А. Н., Солодова С. В.

Дан краткий обзор о последних достижениях в области применения перспективных видов «зеленого» топлива. Рассмотрены разработки иностранных ученых, а также последние достижения российских инженеров.

Perspective monofuel thermocatalytic engines

The short review about last achievements in a scope of perspective kinds of «green» fuel is given. Workings out of foreign scientists, and also last achievements of the Russian engineers are considered.

Текст научной работы на тему «Перспективные монотопливные термокаталитические двигатели»

В. И. Таранов — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта. Е. Д. Тосунова — студ., РГУ им. И. Канта.

А. Н. Нестеренко, С. В. Солодова

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МОНОТОПЛИВНЫЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

Дан краткий обзор о последних достижениях в области применения перспективных видов «зеленого» топлива. Рассмотрены разработки иностранных ученых, а также последние достижения российских инженеров.

The short review about last achievements in a scope of perspective kinds of «green» fuel is given. Workings out of foreign scientists, and also last achievements of the Russian engineers are considered.

Для стабилизации и ориентации космического аппарата (КА) в полете нужны реактивные двигатели малой тяги. Для этой цели были разработаны однокомпонентные термокаталитические двигатели (ТКД). Двигательная установка (ДУ) на базе такого двигателя впервые была применена на КА «ГЛОНАСС» 25 лет назад [1]. Двигатель оказался достаточно эффективным, надежным и в дальнейшем использовался на различных КА. Вместе с тем другие разработчики КА не решались ставить на борт монотопливный ТКД, отчасти из-за повышенной токсичности топлива.

Поэтому актуальной становится задача разработки и применения в ЖРДМТ альтернативных монотоплив (ОАТ), которые, в отличие от токсичного монотоплива, обладали бы следующими достоинствами:

— были бы малотоксичными и экологически безопасными;

— обладали бы более высокими энергетическими характеристиками и создавали повышенный удельный импульс тяги;

— имели бы большую плотность, чтобы уменьшить объем баков ДУ, что особенно актуально с повышением сроков активного существования КА;

— имели пониженную температуру замерзания.

Начиная с середины 90-х годов в США и Западной Европе (Франции, Швеции, Нидерландах, Германии и других странах) осуществляется поиск, исследования и разработка жидких однокомпонентных топлив (ОТ) на основе твердых высокоэнергетических веществ, которые ранее отрабатывались в различных областях оборонной техники. К ним относятся следующие соединения:

1) динитроамид аммония, NH4N(NO2)2 — (АДНА);

2) нитрат гидроксиламмония, NH3OHNO3 — (НГ А);

3) нитроформиат амидола, N2H5C(NO2)3 — НФГ.

Эти малотоксичные монотоплива получили общее название «green fuel» — «зеленое топливо». Связано это с тем, что исходные составляющие разрабатываемых ОТ являются или слаботоксичными, или вовсе нетоксичными соединениями. Продукты выбросов этих ОТ в основном состоят из азота, паров воды, углекислого газа.

Начиная с середины 90-х годов за рубежом (США, Швеция и др.) АДНА стал рассматриваться как основа ОТ, альтернативное амидолу.

АДНА растворяют в воде и в раствор вводят жидкий или твердый горючий компонент. Массовое содержание АДНА и горючего в рецептуре подбирается таким образом, чтобы имело место стехиометрическое соотношение между ними. Вода используется как растворитель и снижает пожаровзрывоопасные характеристики АДНА.

Пути повышения стабильности АДНА при хранении в составе жидких ОТ описаны в патенте [3]. В качестве стабилизатора предлагается использование гексамина (hexamine), аммиака.

В таблице 1 представлен ряд ОТ на основе АДНА, массовые соотношения составляющих рецептур, плотности, энергетические характеристики ОТ. В этой же таблице приведены аналогичные показатели для рецептур ОТ на основе НГА и амидола [4].

Топливо Состав топлива и рецептур, массовый % Плотность, г/ см3 Удельный пустотный импульс, с Температура горения, °С

LMP- 101Х 61 % АДНА + 13 % глицин + 26 % Н2О 1,38 247 1700

LMP-102 58 % АДНА + 16 % глицин + 26 % Н2О 1,39 218 1280

LMP- ЮЗХ 64,3 % АДНА+11,4 % метанол+24,3 % Н2О 1,30 257 1800

62,8 % АДНА+1 1,2 % метанол +26 % Н2О 1,30 253 1730

55,3 % НГА +24,6 % метанол + 20,1 % Н2О 1,32 239 1500

55,3 % НГА + 24,6 % глицин + 20,1 % Н2О 1,33 204 1100

Амидол, XNнз = 0,6 1,0 238 900

Как следует из приведенных данных, удельный пустотный импульс тяги рецептур на основе АДНА (ЬМР-101Х, ЬМР-103Х) превосходит кп для ^Н на 4. 8 % и уступает на 15 % (ЬМР-102). Объемный пустотный импульс этих рецептур из-за их высокой плотности существенно превосходит (на 20. 40 %). Температуры горения данных рецептур

существенно выше температуры разложения №Н4. Особенность разрабатываемых рецептур заключается в том, что температуру сгорания ОТ можно уменьшить, увеличив массовую долю воды в рецептуре. Однако

очевидно, что это приведет к уменьшению энергетических показателей ОТ, что изображено на рисунке 1.

АДНА + этиленгликоль АДНА + этиловй спирт

0 1 К 0 2 шцентрац 0 3 ия воды, 0 40 %

Рис. 1. Расчетные характеристики топлив в зависимости от массовой концентрации воды: а — температура камеры; б — плотность; в — пустотный удельный импульс тяги

Требования, предъявляемые к альтернативным однокомпонентным монотопливам (АОТ), достаточно высокие. Вновь разрабатываемые монотоплива должны быть малотоксичными, экологически безопасными веществами и по основным показателям не уступать амидолу. При прочих равных условиях предпочтительнее, чтобы оно разлагалось при низких температурах в термокаталитической или термической реакции. В таблице 2 представлены требования к перспективным монотопливам.

Параметры Амидол АОТ

Ближайшая перспектива Конечные цели

Токсичность Токсичен Не токсичен Не токсичен

Удельный импульс тяги, с 215 200—240 240 — 280

Плотность, г/ см3 1,02 1,2 1,4

Время выхода до 90 % Рк, с Менее 0,2 0,2 0,03

Температурный диапазон эксплуатации, °С 5 — 50 Минус 0—50 Минус 10 — 50

Время огневой работы, ч 50 7 50

Число включений 130000 20000 100000

Гарантийный срок эксплуатации, год 10 2 10

Температура начального нагрева, °С 350 300 300

Работы ведутся по широкому спектру направлений — от начальных поисковых исследований до практической реализации. Состоялось несколько международных конференций по «зеленому топливу»: в 2004 году в Сардинии (Италия), в 2006 году в Потире (Франция). Увеличивается количество докладов по этой теме на более представительных международных форумах по космосу и перспективным космическим двигателям. Первый демонстрационный полет с использованием ДУ на основе экологически чистого топлива запланирован на 2009 год по программе PRISMA, разработанной шведской космической корпорацией. На спутнике планируется совместное размещение ДУ на амидоле и ДУ на малотоксичном топливе LMP-103S на основе водного раствора АДНА, метанола и аммиака. ДУ смогут действовать как раздельно, так и одновременно. ДУ на амидоле состоит из 6 двигателей тягой 1 Н. Масса амидола — 11 кг, обеспечит приращение характеристической скорости КА примерно на 110 м/ с. Длительность включения двигателей составит от 0,1 с до 2 минут. Два двигателя на альтернативном топливе создают тягу 1 Н. Масса топлива LMP-103S — 5,6 кг, обеспечивает приращение скорости около 60 м/ с. Длительность включения двигателей такая же, как и у амидольных [5]. Таким образом, применение новых ОТ выходит на стадию летно-космического эксперимента.

Разворачивание аналогичных работ в России является своевременным и актуальным. В этом направлении уже делаются первые шаги под эгидой РНЦПХ.

1. Main Results 20 Year Operating Activities In Space Of Monopropellant Liquid-Propellant Rocket Engines Of EDB Fakel // 6th International Symposium Propulsion for Space Transportation on the XXIst century 14 — 17 May 2002, Palais des Congres Versailes — France.

2. Патент 6254705, Anflo K., Haninge K. at. al. Liguid propellants. Подан 26.02.1999, зарегестрирован 03.07.2001.

3. Патент 6113718 США, Ridjrest K. AND-stabilizers. Подан 22.12.1998, зарегистрирован 05.09.2000.

4. Anflo K., Gronland T., Bugmon G. Towards green propulsion for spacecraft with AND-based monopropellant. AIAA-2002-3847.

5. Anflo K. at, al. Green propulsion for spacecraft towards the first flight of AND-based propulsion on Prisn in 2009. IAC-06-C4.1.08.

А. Н. Нестеренко — ведущий науч. сотр. ОКБ «Факел».

С. В. Солодова — асп., РГУ им. И. Канта.

А. Н. Тарасов, Н. Р. Павловский, Е. В. Ясинская

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ КАРБОНИТРИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Исследованы свойства диффузионных слоев, формирующихся на титановых сплавах при проведении высокотемпературной химико-термической обработки в активированных древесноугольных смесях. Установлены особенности морфологии изломов и микроструктура слоев на титановых сплавах ВТ6,

ВТ14 с применением растрового электронного микроскопа.

Properties diffusion the layers formed on titanic alloys at carrying out of high-temperature chemical-thermal processing in activated the coal mixes are investigated. Features of morphology of breaks and a microstructure of layers on titanium alloys with application of a raster electronic microscope are established.

Упрочняющая химико-термическая обработка деталей из титановых сплавов — оксиазотирование, карбонитрирование перспективны для повышения эксплуатационных свойств износостойкости, коррозионной стойкости, трибологических характеристик поверхности [1 — 3].

В ОКБ «Факел» совместно с РГУ им. И. Канта проведены опыты и исследования по определению возможности упрочения деталей ЭРД МТ, а также специального инструмента и оснастки из сплавов титана ВТ1-0, ВТ-6, ВТ-14 в новых порошковых смесях на основе активированных древесных углей с азотоуглеродосодержащими активирующими компонентами [5 — 7].

Образцы для исследований, мелкоразмерные детали и инструмент изготавливали из прутков технического титана ВТ1-0 010 мм по ОСТ 1.90173-75; сплава ВТ-6, плиты толщиной 12 мм по ГОСТ 22 178-76; сплава ВТ-14, прутка 014 мм по ОСТ 1.90266-78. Диффузионное насыщение проводили в порошковых древесноугольных смесях с упаковкой в герметичные контейнеры из нержавеющей стали 12Х18Н10Т по схеме «контейнер в контейнере» (табл. 1). Порошковые смеси содержали в

Источник

Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Грабовский А. А., Аверьянова Е. С.

Разработан способ дискретного изменения мощности двигателей внутреннего сгорания на основе реализации «растянутого» порядка работы цилиндров двигателя для режимов частичных нагрузок и режима холостого хода.

Discrete power alteration of internal combustion engines

The article describes the method of discrete change of internal-combustion engine power capacity. It is developed on the basis of realization of expanded engine cylinders work sequence for fractional load mode and idle mode.

Текст научной работы на тему «Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания»

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания

к.т.н. доц. Грабовский А.А., Аверьянова Е.С.

Пензенский государственный университет

С ростом транспортного парка специалисты связывают рост загрязнения окружающей среды. Основным источником загрязнения является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Анализ многочисленных исследований по режимам работы транспортных ДВС в эксплуатации показывает, что для них характерны, во-первых, частая смена режимов, во-вторых, значительная доля времени работы на режимах холостого хода и малых нагрузках.

Так, для двигателей грузовых автомобилей средней грузоподъемности, при эксплуатации в городе, холостой ход составляет около 20 % времени, а при нагрузке, соответствующей 80 % от максимальной на данном скоростном режиме, около 40 % времени.

Режим активного холостого хода для двигателей автобусов в городских условиях составляет 30 % от общего времени работы.

Загрузка двигателей тракторов типа Т-150К по мощности колеблется в широких пределах: при нагрузке до 50 % двигатель работает примерно 40% времени, столько же при нагрузке 50-65 % и только 20 % времени при нагрузке 70 % и выше.

Все эти данные говорят о значимости работ, направленных на повышение топливной эффективности двигателей при работе на малом газе (холостом ходу), переходных режимах и режимах частичных нагрузок. Они, в основном, определяют эксплутационный расход топлива и являются наиболее весомыми с точки зрения расхода топлива.

Увеличение удельного расхода топлива при работе ДВС на режимах холостого хода, малых нагрузок и переходных процессах в основном определяется ухудшением смесеобразования, увеличением относительных потерь теплоты в охлаждающую жидкость и масло, температура которых на частичных режимах, как правило, понижается.

Так же при работе двигателей на малых нагрузках увеличивается относительная доля затрат полезной мощности на преодоление механических сопротивлений, а при работе на холостом ходу вся развиваемая двигателем мощность (15. 25 % от расхода по номинальной мощности) расходуется на преодоление трения, газообмен и на привод вспомогательных механизмов.

Все отмеченные причины приводят к тому, что удельный расход топлива при работе двигателя на малых нагрузках и холостом ходу в 1,5.5 раз выше, чем при работе на номинальной мощности.

Анализ различных способов снижения расхода топлива на этих режимах показал, что наиболее эффективным оказывается способ отключения части цилиндров. Для четырехтактных двигателей он позволяет снизить расход топлива на 20.30% на указанных режимах, что выразится в снижении среднеэксплуатационного потребления топлива на 1.5 %.

Известны двигатели внутреннего сгорания, у которых с целью повышения их экономичности и экономии ресурса часть цилиндров при работе на незначительных нагрузках и малом газе отключаются.

Такой способ изменения мощности позволяет отключать часть цилиндров, как правило, половину, при эксплуатации на незначительных нагрузках.

Электронная система управления двигателя отключает цилиндры (2-ой и 3-ий из правого ряда и 5-ый и 8-ой из левого) сразу же, как только двигатель переходит на режим частичной нагрузки, что достигается отключением соответствующих впускных и выпускных клапанов и прекращением подачи топлива к указанным цилиндрам.

Основным недостатком данного способа изменения мощности всех многоцилиндровых

Отключение цилиндров осуществляется за счет прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры. В этом случае в обязательном порядке, даже при использовании общей рубашки охлаждения и запирания отработавших газов в полости отключенных цилиндров, будет наблюдаться изменение температурного режима отключенных цилиндров, а их выход на требуемый режим функционирования, в случае подключения, потребует дополнительных затрат топлива и времени.

Наиболее вероятным способом устранения указанных недостатков, обеспечения стабилизации параметров функционирования, а именно температурного режима, экономичности, уменьшения вредных выбросов, а также обеспечения равномерности износа деталей цилинд-ро-поршневой группы в известных многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания, работающих как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу, дизельных ДВС или ДВС легкого топлива с распределенным или непосредственным впрыском, а также карбюраторных или с моновпрыском, является способ дискретного изменения мощности на средних нагрузках при эксплуатации на незначительных нагрузках, например, в городском цикле движения, движении по просёлочным дорогам и при движении с постоянной скоростью по среднескоростной автомагистрали за счет изменения порядка работы ДВС.

Чередование тактов при 100% мощности для 4-х цилиндрового рядного 4-х тактного

Обороты коленчатого вала Угол поворота коленчатого о вала, Цилиндры

Первый 0-180 Рабоч. ход Выпуск Сжатие Впуск

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Второй 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

Примечание: Угол перекрытия рабочих ходов составляет 0°

Аналогичный способ дискретного изменения мощности можно применить для двигателей работающих по двухтактному циклу, а также к ДВС с парным или непарным количеством цилиндров, работающих по четырехтактному циклу, как отдельно, так и в составе мо-

Чередование тактов при 33 % мощности (1-3-4-2)

Обороты коленчатого вала Угол поворота коленчатого о вала, Цилиндры

180-360 Выпуск Рабоч. ход Впуск Сжатие

Второй 360-540 Впуск Выпуск Сжатие Рабоч. ход

540-720 Сжатие Впуск Рабоч. ход Выпуск

180-360 Выпуск Рабоч. ход Впуск Сжатие

Четвертый 360-540 Впуск Выпуск Сжатие Рабоч. ход

540-720 Сжатие Впуск Рабоч. ход Выпуск

180-360 Выпуск Рабоч. ход Впуск Сжатие

Шестой 360-540 Впуск Выпуск Сжатие Рабоч. ход

540-720 Сжатие Впуск Рабоч. ход Выпуск

Примечание: Угол пропуска между рабочими ходами составляет 360°

Чередование тактов при 20 % мощности (1-3-4-2)

Обороты коленчатого вала Угол поворота коленчатого вала,» Цилиндры

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Второй 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Четвертый 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Шестой 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Восьмой 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

180-360 Выпуск Впуск Рабоч. ход Сжатие

Десятый 360-540 Впуск Сжатие Выпуск Рабоч. ход

540-720 Сжатие Рабоч. ход Впуск Выпуск

Примечание: Угол пропуска между рабочими ходами составляет 720°

Реализация предлагаемого способа достигается путем прекращения подачи топлива в

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. отключаемые цилиндры двигателя посредством управления соответствующими форсунками, секциями ТНВД или распределительной втулкой, а также впускными клапанами ГРМ при реализации внешнего смесеобразования посредством карбюратора. При этом в случае управления соответствующими форсунками, секциями ТНВД или распределительной втулкой, клапаны ГРМ могут находиться в одном из перечисленных положениях:

• при открытых положениях впускных клапанов отключаемых цилиндров для реализации наддува в рабочие цилиндры с одновременным снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

• при открытых положениях выпускных клапанов отключаемых цилиндров для снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

• при закрытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов отключаемых цилиндров с обеспечением снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах за счет использования энергии разрежения;

• при открытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов (перекрытия клапанов) отключаемых цилиндров с обеспечением снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах и их дополнительной очистки от отработавших газов.

При этом в любом из перечисленных вариантов исключается соударение клапанов с поршнями при их нахождении в верхних мертвых точках.

Описанный способ, как вариант, может быть реализован несколько иначе: отличие состоит в том, что в газораспределительном механизме могут быть использованы иные распределительные устройства, такие как лепестковые клапаны, золотниковые распределители и другие элементы.

Вместе с тем, для автоматического перехода на режим ступенчатого частичного отбора мощности в составе системы управления должно находиться устройство сравнения, осуществляющее выработку команды на переход на основе сравнения трех параметров:

• частоты вращения коленчатого вала с опорной частотой;

• величины разрежения во впускном коллекторе с эталонной (оптимальной);

• величины и знака углового ускорения вращения коленчатого вала,

и на основе результатов сравнения вырабатывать команду на переход на частичную или полную мощность или этот переход может осуществиться в ручном режиме по команде водителя. Команды на переход, в виде электрических сигналов обеспечивают срабатывание форсунок и подачу топлива в соответствующие растянутому порядку работы цилиндры, синхронно с управляющими командами сигналов управления распределительным устройством.

Расчетно-аналитические исследования для рядного 6-ти цилиндрового 4-х тактного ДВС показали, что при переходе на 50% и 25. 10% значения мощности меняется не только мощность, но и значение среднего индикаторного момента двигателя (рис. 1-3).

Источник

Перспективы применения роторно-поршневых двигателей

Рубрика: Технические науки

Статья просмотрена: 2489 раз

Библиографическое описание:

Перспективы применения роторно-поршневых двигателей / О. А. Авдеюк, К. В. Приходьков, А. В. Крохалев [и др.]. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 5 (28). — Т. 1. — С. 23-25. — URL: https://moluch.ru/archive/28/3089/ (дата обращения: 12.03.2021).

До середины 70 годов прошлого века отечественное двигателестроение обходило стороной двигатель Ванкеля. С 1976 года волжский автомобильный завод начал серийно выпускать двигатель РПД, который устанавливался преимущественно на спец иальную технику. К сожалению, после череды финансовых кризисов 1990-2000 годов работы по РПД были заморожены.

В настоящее время только компания « Mazda » серийно выпускает автомобили с двигателем Ванкеля.

Второе преимущество, неразрывно связанное с первым – это прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала двигателя. Именно такая техническая организация кинематической схемы двигателя не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения. В традиционном же поршневом двигателе для этой цели применяется громоздкий, малоэффективный и дорогостоящий кривошипно-шатунный механизм. Как следствие, роторный двигатель имеет непрерывный крутящий момент высокого значения (как у электродвигателя). В поршневых двигателях именно кривошипно-шатунный механизм выдает на рабочий вал крутящий момент, непрерывно пульсирующий от минимального до максимально возможного значения и обратно. Именно поэтому поршневые двигатели не могут работать на малых оборотах.

Это обстоятельство чрезвычайно важно в условиях современного мегаполиса и автомобильных «пробок», когда основным эксплуатационным режимом становится холостой ход.

По сравнению с поршневым Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) – роторный двигатель не нуждается в некоторых системах, а именно: специальном механизме газораспределения. кривошипно-шатунный механизм, и соответственно – в корпусных объемах картера для размещения этих систем, а так же систем распределения зажигания и глушения выхлопных газов. Следствием этого является гораздо большая, чем у поршневых двигателей удельная (на 1 кг. массы) мощность, а также относительная простота в обслуживании и ремонте.

Не смотря на указанные преимущества долгое время РПД не оказывали серьёзной конкуренции поршневым ДВС. Основной причиной этому являлось несовершенство уплотнения рабочей камеры, следствием чего являлся повышенный расход горюче-смазочных материалов и, соответственно, низкие экологические показатели. Так, упомянутый выше двигатель DKM 54 имел удельный расход топлива около 340 г/(кВт &#; час), что на 5-10% больше чем у поршневых двигателей тех же годов.

Кроме того, соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, создает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла.

Тем не менее, двигатель Ванкеля на наш взгляд является на настоящий момент одной из наиболее перспективных альтернатив поршневому ДВС, имеющих шансы на серийную реализацию.

Одним из оснований для такого утверждения являются достижения фирмы Mazda, чей роторно-поршневой двигатель «Renesis» [1] признан двигателем 2003 года. Автомобиль RX-8 с этим двигателем удовлетворяет нормам токсичности Euro-4 и при более чем вдвое увеличенной номинальной частоте вращения вала двигателя моторесурс этого РПД не уступает ресурсу тронкового двигателя. Вместе с тем, резервы для дальнейшего снижения эксплутационного расхода роторно-поршневыми двигателями еще не исчерпаны. Эти резервы связаны, в значительной мере, с возможностью повышения топливной экономичности двигателя при его работе на частичных нагрузках.

Широко распространенный способ снижения расхода топлива в поршневых ДВС посредством увеличения коэффициента избытка воздуха мало приемлем для роторных двигателей. Это связано с особенностью камеры сгорания РПД. Наличие защемленных зон на периферии камеры сгорания приводит к замедлению скорости сгорания топлива даже при стехеометрических составах смеси [2]. Обеднение смеси ещё более усугубит этот процесс, и повлечёт за собой повышение неравномерности сгорания и увеличению в составе отработавших газов доли несгоревших углеводородов.

Таким образом, одним из основных путей повышения топливной экономичности РПД является устранение недогорания топлива в камеры сгорания.

Наиболее распространенным решением указанной проблемы является оптимизация мест расположения свечей зажигания, их количества и параметров системы зажигания. Так, например, за счет применения двух свечей зажигания удается примерно на 6% сократить расход топлива, и соответственно, уменьшить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами. В целях повышения мощности и некоторого снижения расхода топлива компания Mazda применяла даже систему зажигания с 3 свечами зажигания на двигателе R26B [3]. Дополнительная свеча воспламеняла топливовоздушную смесь в области, прилегающей к задней вершине ротора, увеличивая скорость сгорания смеси.

Другим способом уменьшить недогорание топлива является расслоение заряда. На практике расслоение заряда в камере сгорания осуществляется таким образом, чтобы в ту часть камеры, в которую пламя не может проникнуть, попадала бы, по возможности, максимально обедненная топливовоздушная смесь.

В Волгоградском государственном техническом университете в течение ряда лет ведутся исследования возможностей расслоения заряда указанным выше образом за счет применения так называемого фазированного впрыскивания топлива во впускной трубопровод, при котором начальный и конечный моменты подачи топлива форсункой согласованы с моментами открытия и закрытия впускного окна и с частотой вращения ротора. Как показывает опыт, применение фазированного впрыскивания позволяет снизить удельный расход топлива на 15%.

Одним из перспективных способов улучшения эксплуатационных характеристик ДВС является изменение рабочего объема. Особенности конструкции и кинематики ротора РПД таковы, что изменить рабочий объем можно только косвенно, например, отключением части цилиндров или пропуском части рабочих циклов. При отключении части рабочих циклов оставшиеся в работе циклы для сохранения эффективной мощности двигателя должны обладать большим индикаторным КПД, что в итоге приводит к снижению расхода топлива.

Одним из недостатков применения водорода в качестве моторного топлива является его высокая текучесть. При попадании в машинное масло водород окисляется и образует воду, что может вызвать появление коррозии на элементах двигателя.

Другим способом применения водорода является его использование в качестве дополнительного топлива при организации расслоения топливовоздушной смеси. При такой организации рабочего процесса основное топливо (обедненная бензовоздушная или газовоздушная смесь) подается непосредственно в камеру сгорания, а порция водорода впрыскивается в зону межэлектродного зазора свечи зажигания. Это позволяет существенно снизить запас водорода, хранимого на борту автомобиля, снизив тем самым затраты на использование газа.

Всё вышесказанное показывает, что обладая существенным потенциалом, двигатель Ванкеля является в настоящее время одной из реально существующих альтернатив традиционному поршневому двигателю.

1. Masaki Ohkubo, Seiji Tashima, Ritsuharu Shimizu, Suguru Fuse and Hiroshi Ebino Developed Technologies of the New Rotary Engine (RENESIS)//SAE Paper. 2004. – № 2004-01-1790.

2. Злотин Г. Н. Особенности рабочего процесса и пути повышения энергетической эффективности роторно-поршневых двигателей Ванкеля: монография/ Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов.– Волгоград: Изд-во ВолгГТУ.– 2010.

3. Ritsuharu Shimizu, Tomoo Tadokoro, Toru Nakanishi, and Junichi Funamoto Mazda 4-Rotor Rotary Engine for the Le Mans 24-Hour Endurance Race//SAE Paper. 1992. – № 920309

4. Злотин Г.Н. Эффективность метода отключения циклов на роторно-поршневом двигателе Ванкеля [Текст] / Г.Н. Злотин, Е.Б. Морщихин, С.Н. Шумский, Е.А. Федянов – журн. «Двигателестроение» – 2006.– №4.– С. 12-14.

Источник

Газотурбинный двигатель для газовой промышленности Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Романов В. И., Кучеренко О. С.

Текст научной работы на тему «Газотурбинный двигатель для газовой промышленности»

в.и. романов, о.с. Кучеренко, ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект»

газотурбинный двигатель для газовой промышленности

Значительная доля газотурбинного парка физически и морально устарела (23,4% ГТУ имеют наработку более 100 тыс. ч. и 25,2% — 70-100 тыс. ч.), что значительно снижает функциональные возможности парка в ближайшей перспективе и потребует срочной модернизации КС.

С учетом того, что к настоящему времени в ОАО «Газпром» завершены пред-проектные работы по освоению Ямала и начинается строительство новых трех ниток газопроводов протяженностью 1074 км каждая с общей мощностью линейных КС 3,2 млн. кВт, общая потребность в новых современных газотурбинных ГПА до 2030 года составляет более 5000 ед. [2]. Анализ результатов проведенных исследований и публикаций. Анализ многолетнего опыта эксплуатации ГПА с газотурбинными приводами нагнетателей природного газа [3] позволил сформулировать основные требования к перспективной газотурбинной установке (ГТУ):

1. КПД в условиях компрессорной станции:

• простой цикл — 35-42%

• с регенерацией — 36-40%;

2. Срок службы 120-150 тыс. часов.

3. Ресурс работы до капитального ремонта 40-50 тыс. часов.

4. Малый ремонт 20-25 тыс. часов.

5. Сжигание топливного газа с эмиссией Nox не более 50 мг/м3.

6. Модульность конструкции.

7. Возможность ремонта в условиях КС.

8. Простота и удобство технического

использования и технического обслуживания.

9. Невысокая стоимость ГТУ. Цель работы. Целью работы является определение технического облика и параметров перспективного ГТД для ГПА, гарантированно обеспечивающего повышение эффективности газотранспортной системы Украины в ближайшей перспективе. Выбор схемы ГТД. Множество практически реализуемых в настоящее время схем ГТД, возможных для использования в качестве приводов нагнетателей природного газа КС, можно представить следующим списком:

• ГТД простого термодинамического цикла;

• ГТД с регенерацией тепла уходящих газов;

• ГТД с перерасширением газа за турбиной;

• ГТД с промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией тепла уходящих газов;

• ГТД с утилизацией тепла уходящих газов в воздушном теплоутилизационном контуре;

• ГТД с утилизацией тепла уходящих газов в пароводяном теплоутилизационном контуре;

• контактные газопаротурбинные установки схемы «Водолей».

Газотурбинные приводы нагнетателей газа для ГПА на базе ГТД простого термодинамического цикла являются доминирующими на современных КС. КПД по ISO наиболее совершенных в термодинамическом плане ГТД таких схем в классе мощностей 2,5-8 МВт имеют значения 28-32%, в классе 10-

12,5 МВт — 32-35%, в классе 16-25 МВт — 36-37%. Есть сообщения о достижении в ГТД простого термодинамического цикла в классе мощностей 35-50 МВт значений КПД 41-42 % [2,3,10]. Характерными особенностями ГТД таких схем являются их прочностная напряженность, конструктивная сложность, применение уникальных материалов и технологий. Отмеченные особенности обусловлены необходимостью реализации предельно высоких термодинамических параметров с целью достижения наивысших значений мощности и КПД при условии обеспечения минимальных массы и габаритов. Такие ГТД являются оптимальными для энергетических установок авиации и военно-морского флота. Однако ГТД для приводов нагнетателей природного газа, для КС в первую очередь, должны отвечать требования надежности в течение больших и сверхбольших ресурсов. О теоретических преимуществах ГТД с регенерацией тепла уходящих газов известно давно. Именно с таких схем начиналось развитие промышленных и транспортных ГТД. Одними из первых ГТД для ГПА были приводы на базе ГТД с регенератором [4]. Параметрические исследования схемы ГТД с регенерацией тепла уходящих газов показывают, что наиболее эффективно применение регенератора в двигателях с неохлаждаемыми турбинами. В настоящее время этому соответствуют температуры цикла 900-950°С. При этом возможно достичь КПД ГТД на уровне 40-41% [5]. Наиболее часто для ГТД рассматрива-

Для класса мощностей привода нагнетателей природного газа 16-25 МВт в последнее время серьезно рассматривается схема ГТД с промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией тепла уходящих газов. Конструктивно такая схема ГТД сравнительно сложна. Для охлаждения циклового воздуха в схему ГПА приходится вводить аппараты воздушного охлаждения, требующие заметных затрат мощности на привод воздушных вентиляторов. Как показывают расчеты, примерно 1015% (относительных) выигрыша в КПД по сравнению с ГТД простого цикла может обеспечить схема ГТД с перерасширением газа в турбине, последующим его охлаждением и выбросом в атмосферу с помощью вакуум-компрессора. Особое место в линейке газотурбинных приводов нагнетателей ГПА занимает контактная газопаротурбинная установка (КГПТУ) «Водолей». Неоспоримыми достоинствами КГПТУ «Водолей» являются те обстоятельства, что такая установка уже создана, имеет наработку в условиях КС Ставищенская около 10 тыс. часов, имеет высокие значения КПД, удельной работы, низкие значения показателей вредных выбросов. Так, в настоящее время КГПТУ «Водолей» 16 МВт имеет подтвержденный межведомственной комиссией КПД 42,1 %. Конструкция КГПТУ «Водолей» отличается высокой технологичностью, ориентирована на существующий уровень машиностроения Украины и, самое главное, имеет широчайшие перспективы улучшения своих характеристик. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект» показывают на возможность создания в ближайшей перспективе КГПТУ «Водолей» с КПД 45-47%. Проведенные проработки показывают, что если в качестве основных критери-

Рис. 1. Продольный разрез ГТД

Рис. 2. ГТД в сборе с регенератором конструкции (продольный разрез)

щий момент времени трубчатую конструкцию регенератора и степень регенерации о = 0,85.

Основные параметры перспективного ГТД. Определены основные параметры ГТД с регенерацией тепла уходящих газов, которые на режиме номинальной мощности следующие:

температура газа на выходе из камеры

сгорания. 1223 К (950°С);

давления компрессора. 5,0;

за турбиной. 855 К (582°С);

за регенератором. 563 К (290°С);

степень регенерации. 0,85;

на входе в ГТД. 78,7 кг/с.

Результаты конструктивных проработок. В результате конструктивных проработок определены основные черты технического лица перспективного ГТД с регенерацией тепла уходящих газов для привода нагнетателей природного газа КС. На рис. 1 представлен чертеж продольного разреза ГТД. На рис. 2 и 3 представлены варианты ГТД в сборе соответственно с регенератором цилиндрической конструкции и по схеме «тесной» упаковки. ГТД выполнен двух-вальным, с однока-скадным компрессором и свободной силовой турбиной. Камера сгорания индивидуальная, расположена вертикально. Между турбиной компрессора и силовой турбиной имеется переходник. В качестве компрессора используется КНД серийного ГТД М80. Привод компрессора осуществляется одноступенчатой турбиной компрессора. Ротор турбокомпрессора лежит на двух

Рис. 3. ГТД в сборе с регенератором по (продольный разрез)

Проработки показывают, что аналогичные параметры и конструкцию может иметь ГТД с регенератором тепла уходящих газов в классе мощности 10-25 МВт.

1. Перспективным приводом для нагнетателей природного газа при его ком-примировании в газотранспортной системе на компрессорных станциях, расположенных в районах с водными ресурсами, являются контактные газотурбинные установки схемы «Водолей».

1.1. КГПТУ «Водолей» ориентирован на существующий уровень машиностроения Украины, возможности изготовления установки силами отечественных производителей.

2. Для перспективных и модернизируемых компрессорных станций наиболее целесообразной представляется использование ГТД с регенерацией тепла уходящих газов.

3. На базе научно-технического и производственного потенциала ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект» предлагается создать перспективный ГТД с регене-

схеме «тесной» упаковки

рацией тепла уходящих газов, обеспечивающий надежную работу в течение срока службы 100-150 тыс. часов, экономичность, соответствующую КПД не менее 40%, экологические характеристики по « 50 мг/нм3, имеющего высокую ремонтопригодность в условиях компрессорных станций.

3.1. Перспективный ГТД должен быть построен на базе высоконадежного регенератора с ресурсом 100-150 тыс. часов и степенью регенерации о = 0,85-0,90.

3.2. Современный уровень топливной экономичности перспективного ГТД достигается за счет применения газодинамически высокосовершенных тур-бомашин, малоохлаждаемых турбин, высокоэффективного регенератора, оптимизированных по потерям полного давления систем транспорта циклового воздуха и газа.

3.3. Надежность работы перспективного ГТД в течение ресурса 100-150 тыс. часов достигается за счет принятия умеренного значения температуры газа на выходе из камеры сгорания, низкого значения степени повышения давления, за счет применения конструкции ГТД с минимально возможным числом опор роторов турбомашин, использования существующего, тщательно отработанного компрессора, а также трубчатой конструкции регенератора.

3.4. Применение в конструкции перспективного ГТД индивидуальной камеры сгорания в сочетании с параметрическим обеспечением большого коэффициента избытка воздуха создаёт благоприятные предпосылки для создания регулируемой камеры сгорания со сверхнизкими вредными выбросами.

3.5. Создание перспективного ГТД на базе конструктивно и технологически отработанных компрессоров производства ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект» позволит минимизировать затраты, сроки создания и поставки в эксплуатацию «пилотных» образцов.

Игнатьев В., Походяев С. Повышение эффективности и надежности тепло-обменного оборудования для ГТУ // Газотурбинные технологии, янв.-февр., 2000. С. 38-40.

Барский И.А., Иванов А.К., Сеху Умар Сиссе, Шаталов И.К. Выбор температуры газа перед турбиной ГТУ КС //Газовая промышленность, № 2, 1999. С. 51-52. Орберг А.Н., Сударев В.Б., Сударев.Б.В., Лазарев М.В. Прогноз начальной температуры газа газотурбинного привода ГПА //Газовая промышленность, № 5, 2005. С. 62-65.

Микаэлян Э.А. Совершенствование современных газотурбинных ГПА //Газовая промышленность, № 2, 2005. С. 64-67. Farmer R. Trent superfan industrialized at 51 MW and 42 % efficiency //Gas turbine world, January-February, 24, № 1, 1994. S. 16-20.

Источник

Влияние качества ремонта двигателей на их долговечность Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Иванов В. П., Кастрюк А. П.

Определена зависимость послеремонтной наработки двигателей от основных гео-метрических параметров восстановленных деталей и сборочных единиц, включающих эти детали. Указаны направления повышения качества ремонта двигателей.

Текст научной работы на тему «Влияние качества ремонта двигателей на их долговечность»

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА РЕМОНТА ДВИГАТЕЛЕЙ НА ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

В. П. ИВАНОВ, А. П. КАСТРЮК

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет», г. Новополоцк, Республика Беларусь

В ряде работ ([1], [2] и др.), посвященных изучению влияния точности геометрических параметров деталей на долговечность агрегатов, установлено, что с увеличением этой точности послеремонтная наработка растет. Вместе с тем требования к точности восстановленных деталей уступают соответствующим требованиям к деталям при их изготовлении, при этом приводятся рекомендации о расширении допусков на геометрические параметры восстанавливаемых деталей и обоснование этих рекомендаций.

Качество ремонта машин может быть укрупненно оценено долей тех параметров, которые выдерживаются в нормативных пределах. Практика ремонта показывает [3], что в количественном выражении при восстановлении деталей обеспечивается меньше половины приведенных показателей. Эксплуатационные показатели (показатели назначения) отремонтированных агрегатов (развиваемая мощность, скорость перемещения звеньев, давление и расход сред и др.) соответствуют нормативам, однако эксплуатационный темп их изменения в худшую сторону превышает соответствующий темп изменения в агрегатах, введенных в эксплуатацию после их первичного изготовления.

Научный интерес представляет обоснование требований, при которых обеспечивается нормативная послеремонтная наработка агрегатов. Эти требования должны быть приняты в качестве ограничений при технологической подготовке ремонтного производства.

Цель работы заключалась в обосновании условий достижения нормативного ресурса двигателей, прошедших капитальный ремонт.

Методика выполнения работы

Для изучения послеремонтной наработки двигателей в зависимости от точности основных геометрических параметров деталей и соединений, которые определяют качество ремонта изделий, был проведен трудоемкий промышленный эксперимент в условиях ОАО Полоцкий завод «Проммашремонт». Содержание этого эксперимента следующее. Были выделены основные параметры, которые в наибольшей мере влияют на долговечность (послеремонтную наработку) отремонтированных двигателей ЗМЗ-53-11. В качестве этих параметров были выбраны следующие:

— несоосность средней коренной опоры блока цилиндров относительно крайних опор (х1), мм;

— несоосность средней коренной шейки коленчатого вала относительно крайних шеек (х2), мм;

— зазор в коренных подшипниках коленчатого вала (х3), мм;

— зазор в шатунных подшипниках коленчатого вала (х4), мм;

— зазор между гильзой и поршнем (х5), мм;

— нецилиндричность трущейся поверхности гильзы цилиндра (х6), мм;

— непараллельность осей отверстий шатуна (х7), мм/100 мм;

— неперпендикулярность осей юбки поршня и отверстия под поршневой палец (х8), мм/100 мм.

Работы выполнялись без вмешательства в технологические процессы и организацию восстановления деталей и сборки двигателей. Параметры х1, х2 и х6 измерялись на соответствующих деталях. Остальные параметры в виде замыкающих размеров соединений рассчитывались после измерения соответствующих размеров деталей, входящих в соединения, образующиеся при сборке двигателей (табл. 1).

Геометрические параметры двигателя, определяющие его долговечность

Параметры Средства измерения

Обозна- чение Наименование Размер- ность Пределы изменения

Хі Несоосность коренных опор блока цилиндров мм 0,01-0,06 Индикаторная скалка

*2 Несоосность коренных шеек коленчатого вала мм 0,01-0,05 Контрольный стенд с микрометром на штативе

Хз Зазор в коренных подшипниках коленчатого вала мм 0,02-0,07 Нутромер, микрометры

Х4 Зазор в шатунных подшипниках коленчатого вала мм 0,02-0,07 Нутромер, микрометры

*5 Зазор между гильзой и поршнем мм 0,01-0,07 Нутромер, микрометр

Хб Нецилиндричность трущейся поверхности гильзы цилиндра мм 0,01-0,04 Нутромер

*7 Непараллельность осей отверстий шатуна мм на 100 мм 0,01-0,15 Настольный индикаторный стенд

*8 Неперпендикулярность осей юбки поршня и отверстия под поршневой палец мм на 100 мм 0,01-0,10 Настольный индикаторный стенд

Детали поступали на рабочие места сборки и устанавливались на двигатели. На каждый из этих двигателей составлялся формуляр, в котором были указаны детали, приведенные в табл. 1, со значениями их размеров. Работниками лаборатории надежности были налажены отношения с хозяйствами, в которых эксплуатировались двигатели, а по каждому двигателю были получены сведения о его наработке до предельного состояния. Были получены сведения по 45 двигателям.

Рассмотрение корреляционных полей зависимости послеремонтной наработки двигателей Ь от точности основных геометрических параметров деталей и соединений показало, что она существенно отличается от линейной. Между указанными величинами была принята степенная форма связи, которая содержит признаки линейной, параболической, гиперболической, показательной и других функций, в виде

Т — Луа1у a2v а3у а4у а5у абу а7у а8

Методика расчета значений показателей степеней и статистического анализа зависимости приведена в [4].

После логарифмирования зависимости и расчета значений коэффициентов регрессии получили зависимость послеремонтной наработки двигателей от точности основных геометрических параметров деталей и соединений:

Ь = 0,052х-°,541х2-°,417х-0,732х-0,919X-0,608х-0,340х-0,299х-0,316, тыс. км. (2)

Значимость показателей степеней уравнения (2) определяли путем сопоставления их с доверительным интервалом Да, значение которого вычисляли по формуле

Для вычислении £в учитывались значения функции, полученные при близких значениях аргументов, £в2 равно 0,0007263. При t = 2,571 (5%-й уровень значимости [4]) и п = 6 доверительный интервал Дв = ±0,0284. Все коэффициенты уравнения регрессии были признаны значимыми.

Проверку соответствия расчетной зависимости опытным данным производили с помощью дисперсионного отношения Г:

При Д2 = 0,022342273 (36 степени свободы) и £2 = 0,0007263 (5 степеней свободы) Г = 30,7 (табличное значение критерия равно 2,45). Уравнение (2) адекватно описывает результаты экспериментального исследования.

Послеремонтный ресурс исследуемых двигателей изменялся от 38 до 154 тыс. км. Степень влияния факторов при изменении их в пределах шага варьирования (0,01 мм или 0,01 мм на 100 мм длины) на послеремонтную наработку агрегата образует ряд х4 ^ х3 ^ х5 ^ х1 ^ х2 ^ х6 ^ х8 ^ х7. Даже при таком небольшом изменении значений факторов в худшую сторону наработка агрегатов существенно снижается. Степень влияния изучаемых факторов (отношение максимальной наработки агрегата к минимальной) при изменении их в пределах области определения на ресурс агрегатов показана в табл. 2.

Степень влияния изменения геометрических параметров двигателя

на его долговечность

Наименование параметров Степень влияния

Несоосность коренных опор блока цилиндров 2,63

Несоосность коренных шеек коленчатого вала х2 1,96

Зазор в коренных подшипниках коленчатого вала х3 2,50

Зазор в шатунных подшипниках коленчатого вала х4 3,21

Зазор между гильзой и поршнем х5 3,25

Наименование параметров Степень влияния

Нецилиндричность трущейся поверхности гильзы цилиндра х6 1,83

Непараллельность осей отверстий шатуна х7 2,25

Неперпендикулярность осей юбки поршня и отверстия под палец х8 2,07

Повышенная несоосность коренных опор блока цилиндров и коренных шеек коленчатого вала приводит к касанию трущихся поверхностей шеек и вкладышей и нарушению гидродинамического трения. В местах касания образуются условия полусухого и сухого трения с элементами схватывания и заедания, что приводит к повышенному изнашиванию поверхностей.

Увеличение зазоров в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала при постоянных значениях вязкости масла и режима работы двигателя требует роста оптимальной толщины масляного слоя. Однако при превышении зазоров в подшипниках оптимальная толщина масляного слоя уменьшается и возрастает влияние ударных нагрузок. При достижении зазора 0,25-0,30 мм наблюдается деформирование антифрикционного слоя, появляются наплывы и очаги локального разрушения.

В практике наблюдается износ гильз цилиндров до 0,4 мм в зоне остановки верхнего поршневого кольца. На основании гидродинамической теории смазки трудно установить допустимый износ отверстия цилиндра, так как детали работают в условиях между сухим и жидкостным трением и вибраций из-за периодического воздействия переменных по значению и направлению сил и недостаточной жесткости деталей. Износы трущихся поверхностей гильз и юбок поршней, а также торцовых поверхностей поршневых канавок коррелированы между собой. Износ этих элементов приводит к повышенному расходу масла, граничное значение которого определяет предельное состояние агрегата. Большой начальный зазор между гильзой и поршнем существенно снижает остаточную долговечность соединения.

Наименее изучено влияние непараллельности осей отверстий шатуна и непер-пендикулярности осей юбки поршня и отверстия под поршневой палец на долговечность двигателей. Эти параметры в сумме при прочих равных условиях обусловливают перекос оси поршня относительно оси цилиндра. Даже при непродолжительной работе отремонтированного двигателя с «перекошенными» поршнями на их юбках

видны смещенные следы касания с гильзами. Площадь этих участков тем меньше, чем больше перекос, она составляет часть номинальной площади касания деталей, поэтому участки контакта интенсивно изнашиваются до тех пор, пока их площадь не станет равной площади касания деталей, собранных без погрешности (перекоса).

Таким образом, геометрические параметры восстановленных деталей не должны уступать соответствующим параметрам новых деталей, заданных заводами-изготовителями. Технический уровень производственных участков ремонтного производства, которые проходят реконструкцию или техническое перевооружение, должен обеспечить неукоснительное выполнение нормативных значений геометрических параметров восстанавливаемых деталей. Полученная регрессионная зависимость применима для двигателей конкретной модели. Использование аналогичных зависимостей, найденных для двигателей других моделей, собранных из деталей с заданными отклонениями параметров от номинальных значений, позволяет прогнозировать их послеремонтный ресурс с высокой точностью. Мероприятия по достижению отремонтированными изделиями нормативной долговечности связаны с повышением точности базирования и обработки резанием ремонтных заготовок при восстановлении деталей.

Источник

Исследование возможности использования водорода в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности « Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Новоселов Сергей Владимирович

Представлены результаты исследования вариантного замещения дизельного топлива водородом, которые позволяют рассматривать возможности его использования в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания ДВС. Показаны энергоэкологические преимущества водорода в сравнении с традиционным топливом. Для оценки мощностно экономических и экологических показателей дизель водородного двигателя приведены основные математические зависимости, которые позволяют на стадии проектирования определить основные параметры двигателя и системы подачи водорода непосредственно в цилиндр ДВС. Представлены основные сравнительные показатели двигателя с вариантной долей водорода в рабочей смеси, преимущества водородного ДВС. Рассмотрены результаты оценки эколого экономической эффективности дизель водородного двигателя в сравнении с традиционным дизелем, которые отражают его эффективность

Текст научной работы на тему «Исследование возможности использования водорода в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ ДВС

Исследования третьего этапа позволили систематизировать способы использования водорода для ДВС и описать динамичное повышение доли водорода к дизельному топливу, бензину, газотопливу.

При оправданной практической значимости водородного

— подача водорода в дизельное топливо в количестве до 0,1 % по массе, что определено пределами растворимости водорода;

— подача водорода на впуск в количестве до 10 % (тах до 15%) без снижения мощности для дизелей и бензиновых ДВС;

— подача, впрыск водорода непосредственно в цилиндр дизеля (внутреннее смесеобразование) в количестве 40-60 %, т. е. замещение дизельного топлива водородом. С целью повышения доли водорода в смеси рассматривалась разделенная камера сгорания, что позволяло снизить ёР/ёф (жесткость рабочего процесса) и обеспечить воспламенение смеси от запальной порции дизельного топлива (10%);

— немного работ было посвящено работе ДВС на жестком водороде, они характеризуются нарушениями нормальной работы ДВС, в частности наличием «стуков», обратных вспышек на впуск, жесткостью процесса сгорания, эмиссия окислов азота.

ной смеси. Эти трудности определяют исследования, требующие создания новых или использования не характерных ранее для ДВС материалов, масел, дополнительных систем.

Пригодность топлива для ДВС определяется его энергоэкологическими показателями, моторными свойствами. Водород обладает рядом особенностей, которые отличают его от других традиционных и альтернативных видов топлива для ДВС. Водород является одним из самых энергоемких топлив, и составляет 120-103 кДж/кг, что в 2,87 раза выше дизельного топлива, однако для сжигания водорода необходимо в 2,3 раза больше воздуха. С учетом низкой плотности водорода (0,089 кг/м3) теплотворность водородовоздушной смеси стехиометрического состава ниже, чем топливовоздушных смесей традиционных топлив, что влечет снижение мощности. При внутреннем процессе смесеобразования энергоемкость выше на 12 % и более. Величина мощности водородного двигателя зависеть от возможности использования области стехиометрического состава смесей в связи со склонностью к самовоспламенению на впуске, склонностью к детонации и высокой эмиссией оксидов азота. Моторные свойства водорода обеспечивают возможность формирования гомогенной смеси, исключают образование жидкой пленки во впуском тракте. При внутреннем процессе смесеобразования формирование гомогенной смеси более сложное.

стью, большей скоростью сгорания широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше чем у углеводородных топлив. Водородо-

Исследования, направленные на использование водорода в качестве топлива для ДВС, строятся так, что осуществляется постепенное замещение традиционных топлив водородом. В этой последовательности можно выделить три основных этапа: применение водорода к традиционному топливу в виде присадок; частичное замещение традиционных топлив водородом и применение водорода в чистом виде, что наиболее интересно.

Проблема использования водорода в качестве топлива для ДВС включает обширный круг вопросов: возможность

перевода на водород двигателей с внутренним процессом смесеобразования и внешним с искровым зажиганием; особенности организации рабочего процесса, параметров рабочего процесса двигателей при работе на водороде; оптимальные способы регулирования

рабочего процесса; разработка систем топливоподачи и ряд других.

О решении этих проблем свидетельствует обширный перечень научных работ отечественных и зарубежных авторов, где водород применяется в качестве добавки (присадки), частичного замещения традиционных и альтернативных топлив на базе двигателей с искровым зажиганием, и для двигателей с воспламенением от сжатия.

Результаты исследований параметров рабочего процесса двигателей с использованием водорода в качестве топлива для ДВС с внешним процессом смесеобразования, с искровым зажиганием показывают, что при определенных достоинствах имеются трудности организации нормальной работы двигателя. Всеми авторами отмечается наличие обратных вспышек в систему впуска, что нарушает нормальную работу двигателя. Применение внешнего процесса смесеобразования водородного двигателя приводит к уменьшению наполнения

цилиндра свежим зарядом, что обуславливает снижение

мощности в сравнении с базовым до 40 %. Для кардинального исключения обратных вспышек на впуск, с целью сохранения уровня мощности водородного ДВС, рекомендуется организация рабочего процесса с применением внутреннего процесса смесеобразования характерного для дизелей.

слов азота за чет подачи воды на впуск. В среднем даже по первой системе концентрация сажи при работе дизеля на водородонасыщенном топливе снизилась на 10-15 %.

Уменьшение на 5-7 % температуры пламени, определенной методом оптического инди-цирования цилиндра дизеля, связано с уменьшением относительной доли излучения высокотемпературных частиц в общем излучении сажи вследствие общего уменьшения концентрации излучателя. Объяснение полученного характера изменения излучательных характеристик дизельного пламени заключается в присутствии избыточного водорода в топливе, участвующем в термическом крекинге, и соответственном снижении выхода низкомолекулярных углеводородов и ацетилена, являющегося основным источником для последующего образования сажистых частиц.

Добавка водорода к дизельному топливу в количестве до 10 % привела к резкому снижению концентрации сажи и некоторому уменьшению температуры излучателя. Так, на номинальном режиме работы дизеля максимальные значения концентрации сажи снизились более чем в 2 раза, причем положительный эффект наблюдается как на стадии образования, так и выгорания сажи. Результаты расчета теплового состояния дизеля Д-461 показывают, что если радиационный тепловой поток вследствие уменьшения концентрации сажи и температуры излучателя снижается, то интенсивность конвективного теплообмена цк при работе дизеля по второй схеме подачи водорода возрастает, что является следствием роста температур и давлений в цилиндре.

Анализ влияния присадки водорода (0,1% от цикловой массы топлива) к дизельному топливу на индикаторный КПД показывает, что вместе с интенсификацией процесса сгорания происходит увеличение полноты сгорания, уменьшается кон-

Иная картина наблюдается при добавке водорода к дизельному топливу в количестве до 10 % от цикловой массы топлива. Результатом увеличения конвективного и уменьшения радиационного тепловых потоков является соответственное изменение суммарного коэффициента неиспользования теплоты от теплообмена. Этот факт является одной из причин увеличения индикаторного КПД дизеля Д-461 при работе с присадкой водорода.

Организация рабочего процесса дизеля с частичным замещением основного топлива до 40-60 %, т.е. работа двигателя с внутренним процессом смесеобразования, при подаче водорода непосредственно в цилиндр, характеризуется более высокой жесткостью

((ёр/ё^)тах) рабочего процесса. Анализ показывает улучшение топливной экономичности при сохранении мощности двигателя, снижение ВВ с ОГ, сажи. При этом жесткость рабочего процесса и максимальное давление сгорания существенно повышаются. Так, при 50 % замещении дизельного топлива водородом на 1Ч 13/14, жесткость рабочего процесса ((ёр/йф)тах) возрастает более чем на 100 %, а максимальное давление Рг на 30 %. Данные значения объясняются тем, что моторные свойства водорода и высокая скорость сгорания водорода определяет первую фазу тепловыделения X], которая увеличивается на 75 %. Она

определяется из уравнения описывающее двухфазный процесс тепловыделения

В зависимости от доли водорода к дизельному топливу по массе в рабочей смеси г = Gн/Gт величина х1 определяется

Применение водорода для ДВС целесообразно с целью достижения минимально уровня ВВ с ОГ. За счет снижения количества дизельного топлива подаваемого в цилиндр существенно снижаются ВВ СО2, СхНу и другие содержащие углерод. Однако высокая максимальная температура сгорания смеси определяет высокий уровень содержания в ОГ ЛОх. Снижение эмиссии окислов азота возможно за счет обеднения рабочей смеси. Так, при а>1,8 эмиссия Л Ох практически отсутствует. При подаче воды на впуск по массе в 8 раз больше чем водорода, эмиссия ЛОх снижается в 8-10 раз.

Преимущества двигателя, работающего с применением в качестве топлива водорода, в

снижении оксидов углерода и углеводородов примерно пропорционально доле замещения дизельного топлива водородом. Снижение сажи определяется водородным торможением процесса сажеобразования. Повышение максимальной температуры цикла по сравнению с базовым ДВС характеризуется увеличенным образованием ЛЮх, г/м3.

а удельное количество выбросов (г/кВт*ч.) ЛОх

п _ Оог • 6ЛОх &елох

Применение водорода в качестве топлива для ДВС в первую очередь должно быть направлено на снижение уровня ВВ с ОГ. В продуктах сгорания водородного двигателя значимым ВВ компонентом являются ЛОх, Снизить выбросы ЛОх водородного двигателя можно одним из известных способов: частичной рекуперацией ОГ, подачей воды на впуск, снижением температуры топливовоздушной смеси на впуске, подачей воды впуск и др. Это известные способы: применения нейтрализации ОГ; пути снижения температуры заряда и

подача воды на впуск и др. Представляет интерес комбинирование этих способов. В ОГ водородного ДВС содержаться оксид углерода и углеводороды вследствие частичного сгорания моторного масла, попадающего в камеру сгорания, однако, их количество незначительно.

Решение проблемы снижения (ёр/ёф)тах и одновременно Рг включает обширные исследования и поиск вариантных конструкторских решений, которые необходимы и объясняются стремлением достигнуть одновременно максимально возможной топливной экономичности и «мягкого» процесса сгорания при снижении количества ВВ с ОГ. Для дизелей с разделенной камерой сгорания, для вихрекамерных дизелей, характерно то, что параметры рабочего процесса при использовании водорода имеют отличия. Если отмечается для таких дизелей ухудшение топливной экономичности в сравнении с дизелями при неразделенной камере сгорания, то снижается максимальное давление цикла, жесткость сгорания и уменьшается эмиссии окислов азота за счет более низкой максимальной температуре сгорания Т, что важно для водородного ДВС.

На основании изученных особенностей водородного ДВС целесообразно рассмотреть возможность использования водорода для дизеля с разделенной камерой сгорания и при этом учитывается ряд основных рекомендаций, таких как:

садки или при его малых величинах подачи в цилиндр);

— снижение жесткости рабочего процесса дизеля за счет использования в его конструкции разделенной, вихревой камеры сгорания, непосредственно в которую осуществляется подача водорода;

— для обеспечения стабильного и своевременного воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания, при частичном замещении традиционного топлива водородом воспламенение осуществляется за счет самовоспламенения от сжатия запальной порции традиционного топлива.

Требования по расходной характеристике системы подачи водорода устанавливают расход его по нагрузочной характеристике двигателя в сравнении с базовым. Если известно значение г, которое отражает долю массы водорода по отношению к массе дизельного топлива в составе рабочей смеси газожидкостного цикла, то при известном расходе дизельного топлива базового двигателя Ото количество подаваемого водорода Он определяется выражением

Из этого формируются требования к расходной характеристике системы топливоподачи водорода при заданном значении г и известных параметрах базового дизеля. Площадь расходного сечения ^ для системы топливоподачи водорода

плотности потока массы, которая при докритическом истечении меньше единицы.

Связь параметров газотопливной магистрали системы топливоподачи водорода опре-

качественного образования смеси водорода с воздухом рассматривается динамикой

движения струи в цилиндре двигателя. Развитие струи

водорода в цилиндре дизеля с разделенной камерой сгорания менее жесткое и определяется выражением

8 _ 6ТНОТ + 6Н НиН _

водорода в соотношении по теплоте 1:1 к дизельному топливу для дизеля с неразделенной камерой

сгорания, при сохранении уровня мощности равного базовому, индикаторный расход

топлива уменьшается на 0,25 МДж/кВт-ч. Коэффициент а избытка воздуха возрастает от 1,5 до 1,7.

Новоселов Сергей Владимирович

— канд.техн.наук, доц. каф. «Двигатели внутреннего сгорания» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Источник