Тепловые ДВС нетрадиционной конструкции

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова
Министерство образования и науки РФ
Кафедра ОБД
Статья
Тема: Тепловые двигатели внутреннего сгорания
нетрадиционной конструкции.
Выполнил: Аспирант
Нешатаев В.В.
Проверил: к.т.н., профессор
Токарев А.Н.
Барнаул 2007
История создания двигателей внутреннего сгорания
В 1899 году французский инженер Филипп Лебон открыл
светильный газ. В 1799 году он получил патент на
использование и способ получения светильного газа путем
сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело
огромное значение, прежде всего для развития техники
освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других
странах Европы газовые лампы стали успешно
конкурировать с дорогостоящими свечами.
Рис. 1
Однако светильный газ годился не только для освещения.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя.
Принцип действия этой машины (рис. 1) основывался на известном свойстве
открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с
выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно
расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав
соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в
интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два
компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в
камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ из газогенератора.
Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где
воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно
действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По
существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания,
однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение.
В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались
создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти
попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы
успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески
успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому
инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар
пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно
воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель
на основе этой идеи.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось
изготовить все детали и собрать машину, она проработала
совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева
поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар
усовершенствовал свой двигатель, продумав систему
водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска
также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня.
Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки.
Только тогда двигатель начал работать.
Рис. 2
В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей (рис. 2)
разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над
2
усовершенствованием своей машины, и это предопределило ее судьбу - она
была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным
немецким изобретателем Августом Отто.
В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в
том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для
эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и
Компания".
На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по
сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый
вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была
прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим
образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в
результате чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и
происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась.
Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области
электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение
они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление
под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления
поршень поднимался, объем газа увеличивался и давление падало. При
подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень
сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока
под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего
топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом
заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий
ход поршня вниз начинался под действием атмосферного
давления, и после того, как давление в цилиндре достигало
атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень
своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более
полного расширения продуктов сгорания КПД этого
двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя
Рис. 3
Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых
лучших паровых машин того времени.
Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей
Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие
годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над
усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила
кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений
было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с
четырехтактным циклом (рис. 3). Этот цикл по сей день лежит в основе
работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году
новые двигатели уже были запущены в производство.
Четырехтактный цикл был самым большим техническим достижением
Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения
точно такой же принцип работы двигателя был описан французским
инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в
3
суде патент Отто. Суд счел их доводы убедительными. Права Отто,
вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было
аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл.
Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей,
отработанная многолетним производством модель Отто все равно была
лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около
42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что
в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область
применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество
светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их
вообще было только два - в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя
внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в
качестве газа, пары жидкого топлива. Еще в 1872 году
американец Брайтон пытался использовать в этом качестве
керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон
перешел к более легкому нефтепродукту- бензину. Но для
того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно
конкурировать с газовым, необходимо было создать
специальное устройство для испарения бензина и
получения горючей смеси его с воздухом.
Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых
так называемых "испарительных" карбюраторов, но он
действовал неудовлетворительно.
Работоспособный
бензиновый
двигатель
(рис.4)
появился только десятью годами позже.
Рис. 4
Изобретателем его был немецкий инженер Юлиус Даймлер. Много лет он
работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80-х годов он
предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя,
который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнесся к
предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом
Вильгельмом Майбахом принял смелое решение- 1882 году они ушли из
фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали
работать
над
своим
проектом.
Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких: они
решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы
очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать
экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет
увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было
обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан
первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки,
открытой в цилиндр.
Первая
модель
бензинового
двигателя
предназначалась
для
промышленной стационарной установки.
4
Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях,
заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в
двигателестроении произвело изобретение карбюратора (рис. 5). Создателем
его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на
карбюратор с жиклером, который был прообразом всех современных
карбюраторов. В отличие от своих предшественников
Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его
в воздухе. Это обеспечивало его равномерное
распределение по цилиндру, а само испарение происходило
уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для
обеспечения распыления всасывание бензина происходило
потоком воздуха через дозирующий жиклер, а постоянство
состава смеси достигалась за счет поддержания
постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклер
выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в
трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха.
Рис. 5
Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок
с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что
количество всасываемого бензина было пропорционально количеству
поступающего воздуха.
Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для
того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объем
цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX
столетия стали распространяться четырехцилиндровые.
Уже более ста лет двигатели внутреннего сгорания исправно служат
человечеству в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте.
Транспорт вообще немыслим без двигателей внутреннего сгорания (д. в. с.):
они тянут железнодорожные составы, движут автомобили; флот состоит в
основном из теплоходов – судов, силовыми установками которых являются
дизели большой мощности. Мы не будем рассматривать здесь особую ветвь
д.в.с. – газотурбинные двигатели, которые также получили распространение
на транспорте на транспорте, главным образом в авиации. У них есть свои
достоинства и недостатки. Остановимся на наиболее распространенных
двигателях внутреннего сгорания – поршневых.
Почему поршневые д. в. с., победив в свое время и электродвигатели, и
двигатели паровые, сейчас «заполнили» мир транспорта? Этому
способствовали их многие положительные качества, такие, как
экономичность, автономность, сравнительно малый удельный вес,
постоянная готовность к действию (быстрый запуск) и др. Однако давно
известно, что в мире нет ничего абсолютно совершенного, нет полного
совершенства и в двигателях внутреннего сгорания.
Любой самый лучший современный двигатель дымит, в его отработавших
газах содержится много различных вредных для человека веществ. В городах
5
с большим количеством автомобилей часто образуется смог – ядовитый,
удушливый туман. ”Чистое дыхание” автомобильных двигателей – одна из
важнейших проблем современной техники.
Процессы сгорания, происходящие в ДВС, позволяют выделить примерно
половину энергии, заключенной в топливе, однако, проходя через все
механизмы двигателя, эта половина уменьшается еще вдвое – сказываются
механические потери. Энергия механических потерь не просто теряется,
уходя, скажем, в атмосферу, но тратится также и на износ двигателя:
истирает, изнашивает его детали. Устранением или значительным
уменьшением механических потерь можно почти вдвое сократить расход
топлива и увеличить долговечность двигателей.
И всё-же в настоящее время поршневые ДВС представляют собой
наиболее распространённый источник механической энергии. За многие
десятилетия своего развития поршневой двигатель достиг высокой степени
совершенства.
Однако поршневой двигатель обладает существенным недостатком –
необходимостью преобразования поступательного движения поршней во
вращательное движение вала. В связи с этим по некоторым показателям
(простоте конструкции, габаритным размерам и массе, числу оборотов и
вибрациям) поршневой двигатель значительно уступает двигателям, в
которых осуществляется только вращательное движение, например,
турбинам, рото – поршневым двигателям.
Газовая турбина быстро вытеснила поршневой двигатель в авиации и заняла
ведущее положение в области лёгких двигателей большой мощности.
Но при малых мощностях и переменных режимах работы, характерных для
автомобилей и тракторов, топливная экономичность турбины оказывается
слишком низкой.
Недостатки схемы двигателя, в котором поступательное движение
преобразуется во вращательное, были очевидны давно. Ещё Джеймс Уатт в
1782 г. Пытался спроектировать паровую машину роторного типа, т.е. такую
машину, в которой ротор (поршень), воспринимающий давление рабочего
тела, совершает не поступательное, а вращательное движение.
В 1799 г. Мердок построил роторную паровую машину, которая
использовалась для привода станков и водокачек. Гэлоуэй в 1846 г.
Сконструировал биротативную машину мощностью 16 л.с. при 480 об/мин,
эта машина бала установлена на судне. Созданием паровых машин роторного
типа занимались и другие изобретатели.
Роторные паровые машины не оказали заметной конкуренции поршневым
паровым машинам главным образом из-за несовершенства уплотнений
рабочих отсеков между ротором и корпусом. Ещё более острой проблема
надёжных уплотнений оказалась в двигателях внутреннего сгорания с
вращающимся поршнем – ротопоршневых двигателях.
Развитие поршневых двигателей сопровождалось бесчисленными попытками
создания ротопоршневого двигателя (РПД). Предлагались схемы двигателей
коловратного типа с радиальными уплотнениями, расположенными в роторе
6
или в корпусе; двигателей с поворачивающимися или утапливаемыми
заслонками, аналогичных роторной машине Уатта (см. рис 6);
двигателей с двумя роторами, работающих по
принципу шестерёнчатого насоса; двигателей,
подобных компрессорам Рут; двигателей с
тороидальными
цилиндрами
круглого
и
прямоугольного сечения, в которых несколько
групп поршней
совершают неравномерное
вращение,
преобразуемое
различными
механизмами в равномерное вращение вала;
двигателей с планетарным движением ротора;
двигателей
с
рабочими
полостями,
уплотняемыми слоем вращающейся жидкости.
Рис. 6
Многие из предложенных схем РПД имели серьёзные
недостатки: неравномерное движение рабочих органов, вызывающее
значительные инерционные нагрузки и требующее сложного механизма
преобразования этого движения, в равномерное вращение вала;
неблагоприятные условия работы деталей системы уплотнений, вследствие
чего эти детали подвергаются высоким тепловым и механическим нагрузкам;
сложную конфигурацию зазоров, между поверхностями рабочих камер,
затрудняющую их герметизацию; наличие механизмов газораспределения со
специальными приводами, усложняющих конструкцию двигателя; неудачные
в термодинамическом отношении форму и характер изменения объёма
рабочих камер и др.
К наиболее удачным схемам РПД относятся схемы с циклоидальными
формами роторов и рабочих полостей. В этих схемах использованы свойства
эпи- и гипотрохоид ( укороченных эпи- и гипоциклоид ). Обычно такие
кривые получают при движении точки, лежащей внутри окружности, которая
катится без скольжения по внешней или внутренней стороне неподвижной
шестерни внешнегозацепления, а гипотрохоиды – с обкатыванием шестерней
внешнего зацепления неподвижной шестерни внутреннего зацепления. В
обоих случаях производящая точка должна лежать вне движущейся
окружности (рис. 7).
рис.7 а) эпитрохоида, б) гипотрохоида.
7
Обкатывая, построенную кривую вместе с неподвижной окружностью вокруг
подвижной окружности, получаем семейство кривых, имеющее внешнюю и
внутреннюю огибающие (рис. 8).
Если контуром рабочей полости РПД
служит трохоида, то контур ротора
образуется внутренней огибающей. Если за
контур рабочей полости принять внешнюю
огибающую, то контуром ротора будет
трохоида. Между поверхностями рабочей
полости и ротора образуются пространства
переменного объёма – рабочие камеры, в
которых могут осуществляться различные
термодинамические циклы.
Рис. 8 Внутренняя и внешняя
огибающая семейства эпитро хоид r: R=2:3
Преимущество эпи- и гипотрохоид заключается в том, что их образование
связано только с вращательными движениями, вследствие этого,
кинематическая схема циклоидальных РПД чрезвычайно проста. Среди
различных схем циклоидальных РПД наиболее простой является схема с
неподвижным
корпусом,
вращающимся
ротором
и
внутренней огибающей.
С начала прошлого столетия
различные
варианты
РПД
циклоидального
типа
проектировались
многими
изобретателями. В 1902 г. Кули
(США) взял патент на некоторые
циклоидальные схемы для роторных
паровых машин. В 1908 г.
Англичанин Амплебай преобразовал
паровую машину Кули в двигатель
внутреннего сгорания.
Рис. 9
Двигатель Амплебая (рис. 9) биротативный - в нём вращаются: ротор,
образованный двухдуговой эпитрохоидой, и корпус, рабочая поверхность
которого очерчена внешней огибающей.
В двигателе Грея и Драммонда (Англия, 1909 г.) ротор и рабочая полость
образованы теми же кривыми, но корпус неподвижен, а ротор совершает
планетарное движение. Двигатель имеет золотниковое газораспределение
(рис. 10). О работе РПД Амплебая и Грея – Драммонда сведений нет.
В 1923 г. Валлиндер и Скоог (Швеция) получили патент на схему РПД,
контуром рабочей полости которого является шестиугольная гипотрохоида, а
пятиконечный ротор выполнен по внутренней огибающей. Корпус двигателя
8
неподвижен, ротор вращается планетарно. Эта же схема была применена в
1938 г. известным французским конструктором Сансо де Лаво, построившим
авиационный РПД, схематический разрез которого показан на (рис. 11).
Двигатель работает по четырёхтактному циклу. За один оборот ротора в
каждой камере совершаются три полных цикла, поэтому двигатель имеет три
пары газораспределительных окон и три свечи.
Рис. 10
Рис. 11
Радиальные уплотнения осуществляются пластинами, установленными в
вершинах ротора. Торцовые уплотнения состоят из пластин, которые
примыкают к радиальным пластинам, и колец, изолирующих рабочие камеры
от эксцентрикового вала и его подшипников. Несмотря на трёхлетнюю
доводку, двигатель не развил расчётной мощности, и в начале 1941 г. работа
была прекращена. Основная причина неудачи заключалась в недостаточной
герметичности системы уплотнений.
В конце 1959 г. в технической литературе появились первые сообщения о
том, что инженеру Феликсу Ванкелю, работавшему с фирмой НСУ (ФРГ),
удалось спроектирвать надёжную систему уплотнений и построить
работоспособный РПД. В 1964 г. началось серийное производство РПД
Ванкеля.
Но на этом поиски оптимальной конструкции РПД не прекратились. Учёные
разных стран мира пытаются создать такой двигатель, который удовлетворял
бы следующим требованиям:
- простота конструкции,
- технологичность изготовления,
- экономичность,
- долговечность,
- высокий КПД,
9
- экологическая чистота,
- высокая удельная мощность.
Одним из таких двигателей является ТКД “Алтай”, изобретённый в
АГТУ им. Ползунова И. И.. Изобретение защищено патентами: № 2193676 от
21.02.2001г., № 2271457 от 16.08.2004 г.
В конструкции предлагаемого турбокомпрессорного двигателя (ТКД)
см. рис. 12 авторы попытались на основе конструкций вышеописанных
двигателей создать новый тип двигателя. По конструктивной схеме он
напоминает газотурбинный двигатель, т.к. имеет компрессор, турбину и
камеру сгорания, расположенную между компрессором и турбиной, а по
принципу работы – поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Принцип работы турбинно-компрессорного двигателя «Алтай» состоит
в том, что, как и у газовой турбины, на одном валу установлен компрессор и
турбина, между которым имеется камера сгорания. Внутри камеры сгорания
имеется газораспределительный механизм, позволяющий в нужный момент
впускать в камеру сгорания сжатую компрессором рабочую смесь и
выпускать ее в момент, когда в камере сгорания воспламенится рабочая
смесь. Газ, выходя из камеры сгорания, воздействует на рабочий ротор
турбины, заставляя его вращаться. Избыточная мощность, получаемая на
валу двигателя, может быть использована потребителем.
Рис.12 Принципиальная схема ТКД Алтай.
К-компрессор, КС-камера сгорания, ГРМ – газораспределительный
механизм; Т - турбина, Б – бак с топливом, Н - насос, П – потребитель.
Разработанный турбокомпрессорный двигатель внутреннего сгорания
обладает, на наш взгляд, целым рядом преимуществ:
- все четыре такта работы двигателя происходят одновременно на угле
поворота вала двигателя равном 360º, что дает право говорить о меньших
«бесполезных» затратах у данного двигателя;
- возвратно-поступательное движение в двигателе совершают только две
детали (заслонки), а все остальные – вращательное движение;
- конструкция двигателя позволяет иметь различные рабочие объемы у
компрессора и у турбины, что повышает эффективность работы двигателя;
10
- конструкция двигателя позволяет иметь на одном валу несколько пар
компрессор-турбина, что дает возможность создания двигателя практически
«любой» мощности.
Перечисленные выше достоинства дают право говорить о
перспективности турбокомпрессорного двигателя внутреннего сгорания
«Алтай».
В заключении следует отметить, что человеческая мысль не стоит на
месте, а ищет варианты новых конструкций перспективных двигателей.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания уже более 100 лет всё доводится
до совершенства и дальнейшее его реконструкция уже не даёт таких
существенных результатов, как раньше. Поэтому, на наш взгляд, необходимо
больше уделять внимание новым разработкам, новым идеям.
11