Робочий цикл і двотактний тронковий дизель для його здійснення (цикл сєвцова)

1. Робочий цикл двотактного тронкового дизеля, що полягає в розширенні робочих газів після згоряння, підході поршня (поршнів, що протилежно рухаються, при прямоточній схемі газообміну) до НМТ із випуском газів, що відробили, продувці й заповненні свіжим повітрям циліндра, зворотному русі поршня (поршнів, що протилежно рухаються ) від НМТ до ВМТ, закінченні процесів газообміну на C2 2 (19) 1 3 89380 4 Інакше кажучи, ідеальний (теоретичний) цикл Бажане, щоб новостворений двигун забезпеСтірлінга характеризується вистоями поршнів - їх чував вистої поршня без витрат кінетичної енергії тривалими зупинками в крайніх точках циліндра за маховика на процес утримання поршня. Тобто, поумови безперервного обертання вала двигуна [2]. перше - при підході поршня до мертвих точок сила Подібними ознаками циклу-аналогу (циклу від тиску газів на голівку поршня повинна сприяти Стірлінга - ідеалізованого) з істотними ознаками установці до вистою поршня по мертвій точці. заявленого реально здійсненного (робочого) циклу Природно в кривошипно-шатунному механізмі з є наявність ізохорних процесів підводу й відводу більшим дезаксажем, як у двигуні Стірлінга, частитеплоти й вистої поршнів. на енергії маховика витрачається на подолання Однак очікуваний технічний результат по цикпротитиску газів при підході поршнів до мертвих лу - підвищення термічного ККД двотактних тронточок - що принципово неприпустимо. Насправді, кових дизелів - при використанні принципів провенавіщо добиватися підвищення термічного ККД дення циклу Стірлінга не може бути досягнутий. двигуна, щоб отриманий виграш втратити в реДві характерні ознаки циклу Стірлінга - підвід та зультаті збільшення механічних втрат. По-друге, відвід теплоти по ізохорі й ідеалізовані вистої поновостворений двигун повинен забезпечувати виршня не пов'язані між собою, вистої поршня потрістої поршня в мертвих точках по характеру, як при бні у двигуні Стірлінга для ізотермічних процесів стійкій рівновазі механічної системи - тобто збільстиску й розширення. шення тиску газів на поршень при його вистої не Уже відомий двигун для здійснення циклу Стіповинен перешкоджати обертанню колінчастого рлінга . Пристрій становить собою тепловий поршвала двигуна. На жаль, у ромбічному механізмі з невий двигун, який має в механічній основі ромбійого незмінним дезаксажем немає можливості чний механізм, що задає рух поршнів двигуна міняти епюри сил і відповідно забезпечувати байСтірлінга . Для ромбічного механізму характерні дужий до тиску газів вистій поршня. плавні рухи поршня в циліндрі - тобто періоди триПо сукупності ознак найбільш близьким до ісвалих зупинок поршня при роботі механізму відсутотних ознак способу, що заявляється, є робочий тні [1]. цикл двотактного тронкового дизеля з будь-якою Взагалі ромбічний механізм ідентичний мехасхемою газообміну, який і береться за прототип. нізму виключення бокового тиску поршня в поршДаний робочий цикл складається з двох тактів з невому двигуні внутрішнього згоряння. Механізм наступними процесами. Перший такт відповідає зібраний з двох кривошипно-шатунних механізмів, зрушуванню поршня (зустрічних поршнів при прявали яких поєднані через надягнуті на їхні кінці моточній схемі газообміну) із ВМТ під дією тиску шестірні, а верхні голівки шатунів обох кривошипзгорілої частини суміші при умовно прийнятому но-шатунних механізмів пов'язані з одним поршпостійному об'ємі камери згоряння, руху поршня нем. Для даного механізму характерна велика до НМТ із догоранням робочої суміші (процес підвідстань зсуву центрів обертання валів від вертиведення теплоти при P=const.) на початку ходу й кальної осі циліндра(поршня) [3]. наступному розширенню продуктів згоряння, підТаким чином, використовуючи термінологію, ходу поршня до НМТ із випуском газів, що відроприйняту в теорії двигунів внутрішнього згоряння, били, продувкою циліндра і його наповнення свіможна сказати, що кривошипно-шатунні механізми жим повітрям продувним агрегатом. Другий такт ромбічного механізму двигуна Стірлінга мають відповідає зворотному руху поршня (або сходженвеликий дезаксаж. Причому величина дезаксажа ню зустрічних поршнів) у циліндрі із зони продувки постійна по величині й напрямку зсуву [4]. й наповнення в зону утворення камери згоряння Подібною ознакою пристрою-аналогу з істотіз НМТ до ВМТ. При цьому на початку зворотного ною ознакою пристрою, що заявляється, є наявпершому такту руху поршня (поршнів) відбуваєтьність можливості забезпечення значного дезаксася закінчення випуску, продувка й наповнення цижа. ліндра свіжим повітрям. Далі перекриваються всі Але ромбічний механізм не може бути викориканали, що подають повітря й відводять газ для станий для досягнення технічного результату розакінчення газообміну, і відбувається стиск свіжого боти пристрою, що заявляється, - забезпечення повітря при подальшому ході поршня (поршнів). вистоїв поршня у верхній і нижній мертвих точках Коли поршень (поршні) не доходить на 10...30° по без витрат кінетичної енергії маховика на процес куту повороту колінчастого вала до ВМТ, безпосеутримання. Справа полягає в тому, що графік передньо в циліндр через форсунку впорскується реміщення поршня в кривошипно-шатунному мерідке паливо. Наприкінці другого такту відбуваютьханізмі має вигляд синусоїди. Причому вершина ся сумішоутворення, самозапалювання й згоряння синусоїди відповідає розміщенню поршня в мертпалива (процес підведення теплоти при V=const.) і вих точках циліндра. А для вистою, як відомо, нециклічно починається перший такт [6]. обхідно, щоб графік переміщення поршня мав у З істотними ознаками винаходу, що заявлямертвих точках прямолінійні ділянки, паралельні ється, збігаються наступні виділені ознаки протоосі відліку оборотів двигуна (і відповідно - перпентипу: дикулярні осі відліку переміщення поршня) [2]. - робочий цикл двотактного тронкового дизеНе рятує ситуацію більша величина дезаксажа ля; кривошипно-шатунних механізмів у двигуні Стірлі- цикл складається з розширення робочих газів нга . Суть у тому, що у двигуні Стірлінга величина після згоряння, підходу поршня (поршнів, що продезаксажа хоч і велика, але постійна. При цьому тилежно рухаються, при прямоточній схемі газовідбувається зсув синусоїди в один бік без утвообміну) до НМТ із випуском відпрацьованих газів, рення прямих ділянок на графіку [5]. продувкою й заповненням свіжим повітрям цилін 5 89380 6 дра за допомогою будь-якої схеми газообміну прозалежно від кута повороту колінчатого вала двигудувним агрегатом; на-прототипу. Як наслідок - незмінний графік руху - далі цикл включає при зворотному русі побез поличок для вистою - природно не забезпершня (поршнів, що протилежно рухаються) від чить можливості зміни робочого циклу-прототипу. НМТ до ВМТ закінчення процесів газообміну на Технічне завдання, на розв'язок якої спрямопочатку ходу й стиск свіжого повітря при підході до вано створення робочого циклу, що заявляється, ВМТ із наступним упорскуванням рідкого палива технологічно забезпечити підведення теплоти у безпосередньо в циліндр, сумішоутворення, самодвотактних тронкових дизелях тільки при постійзапалювання й згоряння. ному об'ємі й збільшити час на газообмін при тихДосягти очікуваний технічний результат по циже як і раніше оборотах колінчастого вала двигуклу, що заявляється, тобто підвищення термічного на. ККД двотактних тронкових дизелів, використовуюТехнічне завдання, на вирішення якого спрячи прототип, проблематично. моване створення двигуна, що заявляється, поляПо-перше, робочий цикл усіх сучасних дизелів гає в тому, щоб конструктивно змінити синусоїдає циклом зі змішаним підведенням теплоти - на льний графік положення поршня від кута повороту початку при постійному об'ємі, далі - при постійноколінчастого вала на графік із прямими майданчиму тиску. А як відомо з курсу технічної термодинаками - вистоями поршня - у ВМТ і НМТ за рахунок міки для поліпшення економічності робочого циклу коливальної зміни напрямку й величини дезаксажа у двигунах внутрішнього згоряння бажане викорикривошипно-шатунного механізму в більших местовувати процес згоряння палива з підведенням жах. При цьому новостворений пристрій повинен теплоти при постійному об'ємі. сприяти установці вистоїв поршня за рахунок тиску Інша причина, що перешкоджає росту еконой забезпечувати байдужне до тиску газів у циліндмічності конкретно двотактних тронкових дизелів рі втримання при вистої поршня в обох мертвих нестача часу, що відводиться на процес газообміточках. ну. Технічний результат, очікуваний при здійсненПо сукупності подібних ознак як прототипу ні новоствореного циклу, - підвищення термічного пристрою для здійснення робочого циклу, що заККД двигуна. являється, обраний двотактний тронковий дизель Технічний результат, очікуваний від створення із будь-якою схемою газообміну з одним (або двонового двигуна, - забезпечення вистоїв поршня ма протилежними) на циліндр дезаксійним кривобез витрат кінетичної енергії маховика на процеси шипно-шатунним механізмом (механізмами) [6]. формування й безпосередньо втримання поршня Подібні ознаки двигуна-прототипу з пристроєм, в нерухомому стані при обертанні вала двигуна, що заявляється: тобто конструктивно здійснити новостворений - пристрій являє собою двотактний тронковий цикл без додаткових витрат механічної енергії. дизель; Технічне завдання відносно циклу, що заявля- двигун може мати будь-яку схему газообміну ється, вирішується додаванням до співпадаючих (у тому числі й прямоточну з протилежнохарактерних ознак циклу-прототипу наступних відрухомими поршнями); мінних ознак: - двигун оснащено на циліндр одним (двома - процеси сумішоутворення, самозапалювання при прямоточній схемі газообміну) дезаксійним й згоряння паливно-повітряної суміші відбуваютькривошипно-шатунним механізмом (механізмами). ся тільки при постійному об'ємі камери згоряння; Застосування двигуна - прототипу в класично- час на процеси газообміну в циліндрі збільму його вигляді не дозволить досягти очікуваного шено при незмінних оборотах двигуна; від пристрою технічного результату - забезпечен- обидва ефекти забезпечуються за рахунок ня вистоїв поршня без витрат кінетичної енергії вистоїв поршня у ВМТ і НМТ. маховика на процеси формування й утримання Технічне завдання, поставлене перед двигувистою. ном, що заявляється, вирішується додаванням до Здійснити робочий цикл, що заявляється, двиспівпадаючих характерних ознак двигунагун-прототип не зможе; по-перше, через жорстко прототипу наступних відмінних ознак: задане положення осі хитання верхньої голівки - верхня частина кожного шатуна, вставлена в шатуна відносно діаметральних поверхонь поршня порожнину поршня, має в перетині по площині й циліндра. Насправді в класичному кривошипнохитання шатуна Т-образний оголовок із криволішатунному механізмі шатун пов'язаний з поршнем нійними кінцями полиці; через поршневий палець - зміна дезаксажа під час - кожний поршень поєднаний з верхньою голіциклу виключена. вкою шатуна через незамкнуту - одна мала основа Другою причиною, що перешкоджає застосуі дві бокові сторони - трапецію з листової ресори з ванню дизеля-прототипу для здійснення циклу, що відігнутими назовні із трапеції гачками на кінцях заявляється, є мала величина дезаксажа. Більшу бокових сторін і чотирма криволінійними кутами величину дезаксажа в дизелях застосувати не відповідно; можна, оскільки росте бічний тиск на поршень, а - при цьому стовщена мала основа трапеції малі значення дезаксажа на характер руху поршня приклепана до полиці Т-образного оголовка шатуістотної ролі не відіграють. на; В результаті, мале значення дезаксажа й від- гачки на кінцях бокових сторін трапеції своїсутність зміни положення дезаксажа щодо центрами вигинами підхоплюють два випрямлених буртільної вертикальної осі циліндра не дозволяє піти ка ободка спідниці (тронка) поршня й далі приклевід синусоїдального графіка положення поршня 7 89380 8 пані симетрично своїми стовщеними хвостиками стрічкової передачі прийняті за основу для вирідо щік тронка. шення технічного завдання пристрою. Можливість технічної реалізації циклу, що заВ запропонованім пристрої Т-образний оголоявляється, обумовлюється трьома причинами. вок шатуна 6 при його хитанні під час обертання По-перше, у розробленому циклі запалення колінчастого вала намотується то на одну, то на від стиску залишається - тобто можливі більш виіншу бічні сторони стрічкової трапеції 4. Шатун 6 є сокі ступені стиску як у дизелі, а не у двигуні із зопершим твердим елементом стрічкової передачі. внішнім сумішоутворенням - двигуні Отто. Поршень 1 є другим твердим елементом стрічкоПо-друге, згоряння при постійному об'ємі взавої передачі. Це означає, що відповідно зазначегалі відомо - так працює двигун Отто. Але в них ній першій властивості стрічкової передачі коливазапалюється миттєво вся суміш від зовнішньої льний рух оголовка шатуна 6 може бути іскри за рахунок того, що суміш раніше приготовперетворений в коливальний прямолінійний рух лена і вже готова стискується поршнем. У дизелях полюса оголовка шатуна 6. Згідно із другою власстискується чисте повітря, а паливо подається тивістю стрічкової передачі можна так підібрати наприкінці стиску - тому потрібен додатковий час скруглення Т-образної полиці шатуна 6, що полюс на розпил і сумішоутворення. Крім того в дизелях оголовка буде рухатися то в один, то в інший бік паливо згоряє не єдиним фронтом, як у двигунах по лінії, перпендикулярній вертикальній осі поршОтто, а фрагментарно - біля кожної краплі палива, ня без торкання шатуна 6 поршня 1 - зі зміною що випарилась. Це горіння також вимагає додатвеличини й напрямку дезаксажа без ходу поршня кового часу в порівнянні з бензиновими двигунами в циліндрі. Це і є потрібний вистій поршня. ПитанОтто. У циклі, що заявляється, зазначені додаткові ня збільшення часу газообміну вирішується автопроміжки часу, забезпечені вистоями поршня у матично. Технічним завданням розпилення, суміВМТ. шоутворення з повітрям, самозапалювання й По-третє, малий час на газообмін у двотактних згоряння палива тільки на час отриманого вистоя дизелях компенсується вистоями поршня в НМТ. вирішується питання забезпечення ізохорного підВаріант можливого здійснення двигуна, що заведення теплоти. являється, показаний на доданому кресленні. Згідно із другою властивістю стрічкової переНа кресленні зображені наступні елементи: дачі можна підібрати таку форму оголовка шатуна 1. поршень із жаростійкої сталі; 6, що вона буде кататися по стрічці трапеції 4 під 2. компресійні кільця, час вистою поршня 1 без впливу тиску газів у ци3. оливо-знімні кільця; ліндрі - байдужне катання. Із креслення видно, що 4. незамкнута трапеція із пружинної сталі; на стадії формування вистоя при нахилі шатуна 6 5. оливо-підводящий канал для охолодження рукава(вітки) трапеції 4 будуть мати різний нахил. поршня; Цікаво, що завжди - поблизу ВМТ і НМТ - ру6. шатун; кав(вітка) трапеції 4, яка впливає через ту сторону 7. заклепки холодної клепки. Т-образного оголовка, що сприяє хитанню нижньоТочка «О» на кресленні відповідає центру го оголовка шатуна 6 убік обертання колінчастого обертання колінчастого вала. вала, більш прямовисно звисає, а другий рукав Вісь «ОЦ» є вертикальною віссю циліндра. більш полого. Тобто тиск циліндрових газів сприяє Відстань між осями - обертання колінчастого прокручуванню колінчастого вала під час процесу вала й центральної осі стрижня шатуна 6 при поформування вистоя. Одержуємо подвійне обгрунложенні поршня 1 у ВМТ - на кресленні «О-а» - є тування відсутності витрат кінетичної енергії махомиттєвим дезаксажем кривошипно-шатунного мевика на процеси формування й утримання вистоїв. ханізму (як вказувалося раніше й буде показано Щоб забезпечити пуск двигуна, що заявляєтьдалі, величина й напрямок дезаксажа у двигуні, що ся, стрічка трапеції 4 виконана пружинною. Вихозаявляється, змінюються). дить свого роду пружний поступально-напрямний Стрілкою nДВ - показаний напрямок обертання механізм [8]. Якщо поршень 1 під час пуску передвигуна. буває поблизу ВМТ, то за рахунок пружності стрічПринцип роботи механізму для здійснення ноки трапеції 4 шатун 6 зрушить поршень 1 убік до вого циклу полягає в наступному. НМТ. Як відомо, під час роботи будь-якого двотактНютове з'єднання елементів застосоване ченого двигуна (і дизеля в тому числі) його шатун рез високу вібростійкість з'єднання (мости на завипробовує лише напругу стиску. Тобто, у пропоклепках, літаки на заклепках) і можливості з'єднованому механізмі бокові сторони трапеції 5 завнання різнорідних матеріалів - легкосплавного жди натягнуті. поршня із пружинною трапецією й сталевим шатуВраховуючи вищевикладені обґрунтування ном. одержуємо висновок, що кінематична схема нагаСтрічкові хвости трапеції 4 загнуті навколо дує стрічкову передачу - механізм із гнучким зв'язспрямлених ободків тронка поршня 1 для додаком (стрічкою) між твердими ланками, що забезпевання сил тертя при зрушенні скріплених заклепчує передачу руху при обгинанні ланок стрічкою ками 7 елементів - поршня 1 і трапеції 4. Цей захід без відносного руху [7]. дозволить певною мірою розвантажити заклепки Стрічковий механізм уже використовується на тронці поршня. для перетворення коливального руху в поступальОцінимо реальність компонівної схеми. ний. Також залежно від профілю твердих (жорстПриймемо тиск згоряння нового циклу: ких) ланок можна одержувати різні закони зміни Р1=14,0МПа, що більше, ніж у максимально наванпередатного відношення. Обидві ці властивості тажених сучасних транспортних двигунах - мало 9 89380 10 обертових крейцкопфних двотактних суднових И.А. Кокшнов и др.; Под ред.В.И. Крутова. - 3-е дизелях - близько 9,0МПа [8]. изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 384с., Згідно з основами конструювання маємо випаил. Стр. 285-287. док динамічного навантаження необмеженої три2. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизвалості пружних рукавів трапеції 4. Розрахункова мам. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 560с., ил. Стр. 65. напруга [s] при такому виді навантаження для 3. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизпружинної сталі становить близько 700МПа - це мам. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроеблизько 7000Атм. [9]. ние, 1987. - 560с., ил. Стр. 33. Довільно приймемо діаметр поршня - 100мм. 4. Буров А.Л. Тепловые двигатели: Учебное посоПо формулі площі кола одержуємо площу побие. - :МГИУ, 2003. - 136с. Стр.117-119. ршня - 78,5см2. 5. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизСила тиску газів на поршень F дорівнює добумам. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроетку тиску згоряння (14,0МПа) на площу поршня ние, 1987. - 560с., ил. Стр. 183. (78,5см2), що становить 10990н. 6. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и Вирахуємо потрібну ширину стрічки В трапеції работа поршневых и комбинированных двигатепри її товщині, наприклад d=0,4см. лей: Учебник для студентов вузов по специальноРозрахункова формула допустимого напрусти «Двигатели внутреннего сгорания» / ження для стрічки трапеції, що працює на розтяВ.П.Алексеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов и др.; гання: Под общ. ред. А.С. Орлина, М.В. Круглова. 4-е s=F/2S£[s], де S - площа поперечного прямоизд., перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1990. кутного перетину стрічки. 288с., ил. Стр. 18-23. Відповідно: 7. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизS=dВ=0,4В мам. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: МашиностроеПідставимо дані в розрахункову формулу доние, 1987. - 560с., ил. Стр. 198. пустного напруження: 8. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и 10990/2´0,4´Β£7000 работа поршневых и комбинированных двигатеПісля підрахунку одержуємо числове значення лей: Учебник для студентов вузов по специальноширини стрічки: сти «Двигатели внутреннего сгорания» / В.П. АлеВ=1.96см ксеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов и др.; Под общ. Як видно ширина стрічки (»2см) менше діамеред. А.С. Орлина, М.В. Круглова. 4-е изд., перетра поршня (10см) в п'ять разів. Навіть враховуюраб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 288с., чи товщину стінок поршня видно, що труднощі ил. Стр. 248. відносно кінематичного розміщення пропоновано9. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочго механізму нової прив'язки шатуна в порожнині но-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.2 Под ред. поршня взагалі будуть відсутні. П.И. Учаева. - 3-е изд., исправл. - М.: МашиностСписок використаної літератури (російською роение, 1988. - 544с., ил. Стр. 492. мовою) 1. Техническая термодинамика: Учеб. для машиностроит. спец. вузов / В.И. Крутов, С.И. Исаев, 11 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 89380 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601