автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Формирование облика и создание демонстрационного двигателя внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами

УДК 621.432

На правах рукописи

ЛЕФЁРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА И СОЗДАНИЕ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

05.07.05

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

XРО£А

УДК 621.432

На правах рукописи

ЛЕФЁРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА И СОЗДАНИЕ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

05.07.05

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Гилевич Дмитрий Дмитриевич

- доктор технических наук, профессор Шейпак Анатолий Александрович, Московский Государственный Индустриальный Университет. 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16

- кандидат технических наук, доцент, Девянин Сергей Николаевич, Московский Государственный Агроинже-нерный Университет имени В.П. Горячкина 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 58

Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова. 111250, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 2

Защита состоится «

2005 г. в

часов на заседании

Диссертационного совета Д212.125.08 Московского Авиационного Института (Государственного Технического Университета) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГПС-З, Волоколамское шоссе, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института (Государственного Технического Университета).

Г

Автореферат разослан «/

Ученый секретарь Диссертационного 7

Совета Д212.125.08, доцент, к.т.н.

РОС НАЦИОНАЛЬНА»[ БИБЛИОТЕКА СП«

Никипорец Э.Н.

лнотекА \ íltmvtofrQQt »

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) достигли высокого уровня совершенства. Дальнейшее совершенствование ведется за счет систем двигателя и внедрения новых технологических процессов. Тема диссертационной работы открывает возможность совершенствования ПДВС путем замены кривошипно-шатунного механизма (КШМ) на механизм с качающимся рабочим органом (КРО).

Принципиальное отличие ДВС с КРО от поршневого двигателя с классическим КШМ в том, что поршень совершает возвратно-вращательное движение и функционально исключен из кинематической цепи механизма. Поясню фразу «функциональное исключение поршня из кинематической цепи»: в ДВС с КШМ поршень является звеном механизма - ползуном, т.е. без него механизм не будет существовать, а в ДВС с КРО механизм будет существовать и без поршня. Поршень в ДВС с КРО является конструктивным элементом, воспринимающим давление газа, а для преобразования его в механическую работу поршень жестко связан с качающимся звеном преобразующего механизма.

Актуальность рассмотрения альтернативного КШМ механизма с КРО характеризуется тремя теисами:

1. Свобода в проектировании рабочего цикла двигателя с КРО позволяет повысить наполнение и приблизить процесс сгорания к подводу тепла при постоянном объеме. Тем самым получить максимальные мощность, экономичность и к.п.д. рабочего цикла.

2. Функциональное исключение поршня из кинематической цепи преобразующего механизма позволяет создать конструкцию с высоким механическим к.п.д.

3. В сравнении с двигателями, использующими КШМ с возвратно-поступательным движением поршня, схема ДВС с КРО позволяет применять решения, более эффективно использующие объем и массу конструкции, т.е. снижающие удельную массу двигателя.

Тезис №1. Одним из основных результатов данной работы является разработанное автором универсальное аналитическое описание кинематики механизма ДВС с КРО. На основе разработанного аналитического описания механизма выполнено сравнение законов изменения объема двигателя с КШМ

Рис 1 Сравнение законов изменения объема двигателей с КШМ и с КРО при степени сжатия 9 5 Залитая область под кривыми изменения объема демонстрирует различие в длительности одинакового изменения объема

Как известно наибольшие экономичность и к.п.д. достигаются при подводе тепла при постоянном объеме. Сравнение наглядно демонстрирует, что ДВС с КРО обеспечивает замедление изменения объема рабочей полости приходящееся на момент протекания процесса сгорания и, следовательно, обеспечивает большую термодинамическую эффективность двигателя. Как видно из рисунка в ДВС с КРО большей длительностью такта расширения достигается лучшее наполнение.

Тезис №2. Для всего многообразия запатентованных конструкций двигателей с КРО основным конструктивным решением, обусловливающим потенциальное снижение уровня механических потерь, является исключение поршня из силовой кинематической цепи механизма, которое обеспечивает движение поршня с гарантированным зазором, так как поршень не является кинематическим звеном. Кинематическую цепь в двигателе с КРО, по средствам вращательной пары, замыкает рычаг рабочего органа - качающееся звено. Вращательная пара обеспечивает возможность перехода к трению качения и возможность применения принудительной смазки недоступные в паре поршень-цилиндр в ДВС с КШМ.

Тезис№3. В двигателе с КРО геометрические параметры аналогичные длине шатуна и радиусу кривошипа можно уменьшать до конструктивно возможного минимума без изменения геометрии рабочего объема. Данное свойство будет доказано в первой главе.

Целью работы является решение первоочередных технических проблем препятствующих развитию двигателей с КРО: систематизации информации по ДВС с КРО, разработки методики расчета механизма, экспериментального подтверждения работоспособности, определения перспективности и формирования облика ДВС с КРО.

Задачи исследования, в соответствии с целью диссертации:

1) рассмотреть конструкции ДВС с КРО на основе международных патентов, существующих конструкций и НИР, проведенных в НТЦ им. А. Люльки;

2) классифицировать ДВС с КРО;

3) разработать математическую модель и методику расчета кинематики;

4) выявить характерные свойства кинематической схемы;

5) применить расчет кинематической схемы при проектировании демонстрационного модельного двигателя;

6) экспериментально подтвердить работоспособность ДВС с КРО;

7) выявить перспективные свойства конструкции ДВС с КРО;

8) выявить направления проведения дальнейших исследований;

9) обосновать перспективность развития ДВС с КРО;

10) разработать рекомендации по конструированию ДВС с КРО. Методологической основой исследования является концепция демонстрационных моделей роторно-турбинного двигателя с качающимися рабочими органами, разрабатываемая в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн» в соответствии с евразийским патентом № 001184.

Для исследования механизма ДВС с КРО применяется метод математического моделирования. При описании условий существования механизма применяются аксиоматический метод и метод формализации, использующий язык математической логики. Численные методы обеспечивают работу с производ-

ными первого и второго порядка. Методом исследования объекта является конструкционное моделирование двигателя с КРО. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом. Логический итог исследования - синтез аргументов обосновывающих перспективность ДВС с КРО на основе анализа результатов работы и аналогий с существующими конструкциями двигателей.

Научная новизна. Систематизирована информация по двигателям с КРО. Обоснована перспективность развития ДВС с КРО. Разработана методика расчета, способная рассматривать любые возможные комбинации механизма и описывающая закон движения, скорость и ускорение поршня. Модельным экспериментом подтверждена работоспособность. Определены характерные свойства схемы. Определены проблемы конструирования и их приоритетность.

Теоретическая значимость. На основе анализа запатентованных и существующих схем синтезирована классификация, позволяющая описывать и проводить сравнение ДВС с КРО. Выявленные характерные особенности и свойства обосновывают перспективность схемы. Разработанное аналитическое описание механизма универсальное - позволяет рассчитывать любые схемы ДВС с КРО.

Практическое значение. Продемонстрирована работоспособность схемы, определены направления развития конструкции и разработаны рекомендации по конструированию ДВС с КРО.

Реализация результатов. На основе разработанного математического описания механизма при непосредственном участии автора спроектирован модельный демонстрационный двигатель продемонстрировавший работоспособность схемы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на второй научно-практической конференции молодых специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» ОАО «ОКБ Сухого» г. Москва 2004, на третьей международной конференции «Авиация и космонавтика-2004» МАИ г. Москва 2004, на заседаниях кафедры конст-

рукции двигателей летательных аппаратов МАИ. Опубликованы в тезисах, статьях и материалах докладов конференций и депонированы в ВИНИТИ. Модельный двигатель демонстрировался в работе на международном авиакосмическом салоне «МАКС-2003». На защиту выносятся:

1. Классификация ДВС с КРО;

2. Методика расчета кинематической схемы механизма ДВС с КРО;

3. Выявленные характерные свойства механизма;

4. Экспериментальное подтверждение работоспособности;

5. Аргументы, обосновывающие перспективность развития ДВС с КРО.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения включающего общие выводы по результатам исследований. Объем работы 138 страниц машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков, 8 таблиц и библиографический список, включающий 46 отечественных и иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложен методологический аппарат исследования.

В первой главе проведен анализ собранной информации по ДВС с КРО и синтезирована общая для всего многообразия схем ДВС с КРО классификация, включающая девять направлений, а также выявлены общие конструктивные особенности двигателей с КРО.

Основные направления классификации: по схеме механизма (одноплоско-стная или параллельная), по схеме двигателя (стандартная или роторная), по вариантам механизма (кривошипно-коромысловый, с кольцевой направляющей, с направляющей сложной формы, с планетарным движением кривошипа, механизм с эллиптической зубчатой передачей с переменным передаточным числом), по организации рабочего объема (общий или разделенный), по сечению рабочего объема (окружность или прямоугольник), по движению линии уплотнений поршня (однонаправленное или двунаправленное) и классификация

механизма по симметричности ходов (симметричные хода, положительная асимметричность или отрицательная асимметричность). Для роторной схемы определены дополнительные направления классификации: классификация по организации камеры сгорания (подвижная или неподвижная) и по организации газового стыка (подвижный или неподвижный). Для каждого направления классификации определены преимущества и недостатки.

Основные конструктивные особенности: ^функциональное разделение поршня и преобразующего механизма, 2)возвратно-вращательный характер движения поршня, 3)движение поршня с гарантированным зазором (вместо боковой силы реакция в шарнире), 4)возможность применения трения качения и принудительной смазки в паре «рабочий орган - корпус».

Выявлено первое свойство механизма ДВС с КРО - свойство маштабируе-мости: на величину рабочего объема влияет только один характеризующий движение механизма параметр, это угловой ход поршня, который определяется соотношением длин звеньев кинематической цепи, но не их величиной.

Охарактеризовано современное состояние проблемы: 1)основное отличие двигателей с КРО состоит в конструкции преобразующего механизма, поршня и рабочего объема; 2)существуют единичные экземпляры воплощения ДВС с КРО в металле; 3)отсутствует информация о подтверждении работоспособности этих конструкций; 4)отсутствует теоретическая база для изучения и проектирования ДВС с КРО. Наряду с этим существует большое множество запатентованных решений в данной области.

Во второй главе в соответствии с правилами теории машин и механизмов выполнен структурный анализ механизмов ДВС с КРО, на основе кинематических схем базовых механизмов с КРО сформирована расчетная схема рис. 2, выявлены свойства кинематической схемы, а также с целью обеспечения кинематического анализа любого механизма ДВС с КРО разработано аналитическое описание механизма.

Для формирования расчетной схемы разработаны терминология и обозначения, их список и описание приводятся в представленной ниже табл. 1.

Таблица I

Используемые термины и обозначения

Термин Обозначение Описание для варианта механизма

криво шипно-коро мы еловый с кольцевой направляющей с направляющей сложной формы

Ось вращения О Ось кривошипа или ось вращения ротора Ось вращения направляющей или ось вращения ротора

О, Тяговая шейка кривошипа Центр окружности направляющей Мгновенный центр кривизны направляющей

Качающаяся ось рычага о2 Ось вращательной пары, в которую входят тяга и рычаг Ось круглого ролика обкатывающего направляющую

Ось качания Оз Точка, относительно которой рычаг рабочего органа совершает возвратно-вращательное движение

Частота вращения (0 Частота вращения кривошипа Частота вращения направляющей

О Частота вращения ротора (роторная схема)

Угол поворота вала Ф Угол поворота выходного звена от нулевого положения

Эксцентриситет R Радиус кривошипа Расстояние от оси вращения вала до центра окружности направляющей Расстояние от оси вращения до мгновенного центра кривизны направляющей

Рычаг или коромысло г Радиус рычага рабочего органа (коромысло)

Радиус направляющей или тяга L Длинатяги Радиус, описываемый центром ролика при обкатывании направляющей Расстояние от центра ролика до мгновенного центра кривизны направляющей

Радиус осей рычагов или ротор R' Расстояние от оси вращения до оси качания

Угол качания рычага или угловой ход У Угол между положениями рычага в верхней и нижней мертвых точках

Угол поворота рычага 3 Угол поворота рычага от нулевого положения механизма

Координаты оси качания рычага х>У Координаты оси рычага входящей в пару с корпусом Координаты оси рычага входящей в пару с ротором

На рис. 2 представлена общая расчетная схема, полученная для ДВС с КРО

в ходе структурного анализа. Из рис. 2 видно, что положение мертвой точки будет соответствовать нахождению на одной прямой тяги L и кривошипа R. Следовательно, одинаковая длительность тактов (180°) возможна только при нахождении звеньев R и L на одной прямой в обеих мертвых точках. Тогда аналогично дезаксиальному КШМ механизм с КРО позволяет проектировать такты разной длительности (это второе свойство механизма с КРО), но при этом за

счет конструктивных особенностей механические потери не увеличиваются как в ДВС с КШМ. Третьим свойством механизма с КРО является несимметричность закона изменения объема относительно мертвых точек. Четвертым свойством механизма с КРО является воспроизведение четырех ва-Рис 2 Общая расчетная схема.

х,У, О,

Ог**

риантов закона изменения объема при постоянных длинах звеньев кинематической цепи, за счет выбора из двух направлений вращения звена Я и двух вариантов расположения мертвых точек. Первое, третье и четвертое свойства обусловлены возвратно-вращательным движением звена г.

Рассмотренные свойства позволяют приблизить процесс сгорания в ДВС с КРО к подводу тепла при постоянном объеме и, следовательно, получить высокий к.п.д. цикла. Автором опубликован сравнительный тепловой расчет ДВС с различными преобразующими механизмами по методике И.И. Вибе. Расчет идентифицировался по экспериментальным значениям индикаторного к.п.д. для ДВС с КШМ ~ 0,37...0,38 и бесшатунного двигателя С.С. Баландина 0,444. На первом этапе расчета продолжительность сгорания принята одинаковой: к.п.д. бесшатунника получен заниженный 0,389, при этом к.п.д. ДВС с КРО 0,41. На втором этапе при введении относительной зависимости длительности сгорания от изменения объема расчет был идентифицирован. Результаты второго этапа сравнительного теплового расчета приведены в табл. 2. Полученная высокая эффективность рабочего цикла, наряду

\Двигатель Параметр4^ КШМ 1 х=- 3,5 Бесшатунный двигатель С С Баландина Двигатель с качающимся поршнем

Ч> 0,376 0,444 0,452

Ч1 / Цмшм 1 1,180 1,203

К, 18,7 22,1 22,8

и./ы,Ю1Ш 1 1,180 1,219

с конструктивными особенностями способными обеспечить высокую механическую эффективность однозначно характеризует потенциал схемы в возможности создания ДВС с характеристиками нового, не достижимого ранее уровня. При этом схема ДВС с КРО позволяет применять все новейшие решения, касающиеся систем двигателя.

На основе полученной И.И. Артоболевским, в соответствии со схемой рис. 3 функции движения шарнирного четырехзвенного механизма:

Фг (ф) = агссоБ

Ь2 - г2 - Я'2 -Л2 + 2 • Я-Я • сов(ф)

+ апЛап-

- Л • $т(ф)

-, где ве-

2■ г• л/я'Чя2 -2• Я-Я• соб(ф) -Я-соз(ф) + Я'

личина фг является углом между рычагом г и радиусом осей рычагов IV, а ос-

тальные величины соответствуют указанным в табл. 1, в общем виде сформулирована функция хода поршня в ДВС с КРО: Р(ф) = фг(ф0 + Ф) + Р0 • Которая в отличии от функции И.И. Артоболевского отвечает следующим необходимым требо-Рис 3 Расчетная схема для

функции И И Артоболевского ваниям: 1)учитывает наличие четырёх вариантов

закона изменения объема;

2)при аргументе Ф = 0 функция дает положение механизма в мертвой точке;

3)выражает величину углового хода поршня от 0 в в.м.т. и до

максимального значения у в

Ч*./!

Рис 5 Вариант №2

у!

К' \ --— ->

[О. \ Ог\

Рис 6 Вариант №3

Рис 7 Вариант №4

н.м.т.; 4)при аргументе ф = 0 для четырехтактного цикла дает положение в в.м.т., а для двухтактного в н.м.т. Угол ф0 приводит аргумент ф к величине обеспечивающей получение значения функции <рг соответствующего мертвой точке. Угол ро обеспечивает приведение функции р(ф) к диапазону углового хода поршня от 0 до у, а также при ф = 0 к 0 при расчете двухтактного рабочего цикла и у при расчете четырехтактного. В соответствии с четырьмя вариантами закона изменения объема сформулированы варианты расчетной схемы рис. 4,5,6 и 7.

Если А = (Ь + Я)2, В = (Ь - Я)2 и С = Я'2-г2, то в соответствии со схемами рис. 4, 5, 6 и 7 для пар вариантов расчетной схемы получены искомые величи-

ны: ф0|; =arctanJ/A -1, ф0м = arctan ———г -1 + п, Р0,2 =ФГ(Ф0,2),

4-AR'2 , 4-B-R'2

-г--1, ф„ = arctan,-:

(А + С)2 \(В + С)2

р = фг(ф0з4) - Для двухтактного цикла угол Р0 должен соответствовать противоположной мертвой точке. То есть поправочные углы Р0<[ и Р0;т соотносятся: В„ =В0 иР0 =Р0 .

Сопоставляя расчетные схемы на рис. 4, 5, 6 и 7 с расчетной схемой функции И.И. Артоболевского (рис. 3), для каждого варианта расчетной схемы механизма ДВС с КРО, для четырехтактного и двухтактного рабочих циклов получена сформулированная ранее в общем виде функцию р(ф):

Р,„(ф) = Ф,(Фо, -Ф) + Ро,2„> Р,гт(ф) = Ро,2,2Т -Фг(Фо, +Ф).

Р мт (Ф) = Фг (Фо, - Ф) + Ро,,4Т , Р 2.2Т (Ф) = Ро,„т - Фг (фо2 - Ф) .

Р мт (ф) = Ром,4Т - Ф, (фо3 - Ф) . Р з.2Т (ф) = Фг (фо, - Ф) + PoJ4,2T .

Р. 4Т (ф) = PoJ4.4T - фг(фо4 + Ф) > Р4,2Т (ф) = фг(фо4 + Ф) + К 2Т •

Аналоги угловых скорости и ускорения рычага определяются численным дифференцированием - методом конечных разностей, для аналога угловой скорости —^ центрально-разностное приближение первой производ-¿Ф Ф,+1~Фм

d2p. р^-г-р^ + р,^

ной, и для аналога углового ускорения —= ----—центрально-

cUp Аф

разностное приближение второй производной.

Угловой ход рычага для всех вариантов расчетной схемы определяет абсолютное значение разности: у = |ро^ - P0jJ. Для четырехтактного цикла разность ходов определяется как: Дф1<4т = Фом ~ Фо,, -ли ДфИ4Т =71-Фо34 + Фо12> а ДЛ" двухтактного цикла из выражения Дф2т + Дф4Т =0. Углы поворота кривошипа на ходах расширения и сжатия: фрасш = и + Дф и фсж = л - Дф. Тогда коэффициент симметричности ходов: кф = фрасш/фс>11.

При выборе геометрических параметров можно воспроизвести бесконечное множество вариантов механизма. Однако существует ряд частных случаев, которые следует рассмотреть отдельно.

1. Механизм с коэффициентом симметричности ходов равным единице

описывают выражения: R'2= L2 + r2-R2, R'2= L2+r2 cos2(у/2), R'2= L2 + R2/tg2 (у/2) и R = г • sin(y/2).

2. Механизм, в котором существуют положение, когда рычаг и эксцентриситет перпендикулярны тяге, R'2= L2 +(r + R)2 и R'2=L2 +(r-R)2.

3. Механизм, в котором в мертвой точке рычаг перпендикулярен тяге R'2= (L - R)2 + г2 и R'2= (L + R)2 + г2.

Разработанное описание механизма позволяет в зависимости от длин звеньев кинематической цепи вычислять угловой ход поршня, длительность ходов сжатия и расширения по углу поворота вала, коэффициент симметричности ходов, позволяет получить графики описывающие зависимость углового хода поршня, аналогов угловых скорости и ускорения.

В третьей главе подробно рассмотрены назначение и конструкция демонстрационного модельного роторно-турбинного двигателя.

Для подтверждения работоспособности в НТЦ им. А. Люльки было принято решение о создании модельного роторно-турбинного двигателя. По разработанной классификации данный модельный двигатель выполнен по роторной схеме, имеет параллельную схему механизма с кольцевой направляющей и симметричными ходами, разделенный рабочий объем прямоугольного сечения, двунаправленное движение линии уплотнений, подвижные камеры сгорания и неподвижный газовый стык. Рабочий цикл: двухтактный. Тип применяемого топлива - смесь бензина с моторным маслом 40:1. Суммарный рабочий объем: 519 см3. Поршневых полостей: 3. Степень сжатия геометрическая / действительная: 9,16 / 7,48. Действительная степень сжатия продувочной полости: 1,5.

Модель должна обеспечивать короткие запуски в режимах холостого хода и ограниченной нагрузки для демонстрации работоспособности.

Рис 11 Демонстрационный модельный роторно-турбинный двигатель

Двигатель (рис. 11) имеет левое вращение вала. Основными составляющими двигателя являются корпус и расположенный внутри него ротор.

Корпус цилиндрической формы. В передней части двигателя выполнены элементы системы зажигания и органы газораспределения. В задней части двигателя выполнен преобразующий механизм, обеспечиваются установка электростартера, отбор полезной мощности либо раскрутка двигателя приводом испытательного стенда.

Ротор двухопорной схемы. В опорах применены шариковые подшипники, передняя по схеме «дуплекс», задняя имеет осевую свободу. В роторе три полости, разделяемые поршнями на рабочие и продувочные. В передней стенке ротора органы газообмена, а в задней опоры осей качания поршней. Ротор охватывают три секторных головки образующих камеры сгорания.

Тело поршня выполнено из алюминиевого сплава АК4-1. Донышко имеет форму образующей цилиндра соосного оси ротора при положении в в.м.т. Поршень имеет развитые боковые поверхности для перекрытия выхлопного окна. Донышко поршня со стороны продувочного объема оребренное. Поршень спроектирован автором данной работы.

Система охлаждения воздушного типа в виде оребрения ротора. В корпусе, в зоне оребрения ротора вентиляционные отверстия. Система смазки имеет две составляющие. Во-первых, моторное масло входит в состав топлива, в

соотношении 1:40, чем обеспечивается смазка уплотнений поршней и золотника газораспределения. Во-вторых, масло заправляется в центральную полость ротора, откуда под действием центробежных сил поступает к опорам осей качания поршней и по зазору в полость кинематики. Запас масла на = 40 с работы.

Система зажигания от ВАЗ 2108-2109 с доработками. Малогабаритные свечи вращаются совместно с рабочими объемами. Неподвижный контакт зажигания имеет протяженность по дуге с радиусом, описываемым свечами зажигания. Подача высокого напряжения на свечу осуществляется посредствам пробоя воздушного зазора в момент прохождения сектора неподвижного контакта.

Для обеспечения приготовления топливовоздушной смеси применена электромагнитная форсунка фирмы BOSCH на входе во впускной патрубок. Давление топлива перед форсункой регулируется наддувом топливного бака.

Исходные данные проектирования: рабочий объем, тип рабочего процесса, предполагаемые нагрузки в механизме и принятая в соответствии с патентом компоновочная схема. Используя разработаную расчетную методику, подобраны длины звеньев кинематической цепи таким образом, чтобы обеспечить размещение выбранных подшипников и органов газораспределения. Заключительным этапом совместной проработки, являлась организация двухтактного цикла. Для чего было необходимо согласовать

0 30 60 Н 120 1S0 100 210 240 270 300 330 300 Угол поворота ротора

Рис 12 Угловой ход поршня

Утл поворота ротора

угап поворота ротора

Рис 13 Аналог угловой скорости поршня

Рис 14 Аналог углового ускорения поршня

полученные размеры деталей ротора и размещение в них, а также в статоре органов газообмена, обеспечивая требуемые фазы и проходные сечения. Задача проектирования и согласования органов газораспределения, деталей преобразующего механизма и ротора выполнена автором работы.

Геометрия кинематической схемы: г = 40,82 мм, Ь = 80,83 мм, Я = 21,33 мм, Я = 88 мм, у = 63°. С помощью расчета по разработанному аналитическому описанию механизма получены зависимости углового хода и аналогов угловых скорости и ускорения поршня, которые представлены на рис. 12, 13 и 14.

Кинематическая схема механизма модельного двигателя соответствует варианту №3 расчетной схемы.

Другой задачей выполненной автором настоящей работы, было формирование схемы очистки и наполнения модельного двигателя и проектирование органов газораспределения. Исходя из формы рабочего объема и решения об организации газооб-

Направление вращения ротора

Рис 15 Схема очистки и наполнения ( бочего объема

1 - ось ротора,

2 - впускной канал во вкладыше,

3 - впускное окно в передней стенке,

4 - выпускной скос на поршне,

5 - кромка выпускного окна,

6 - продувочные каналы в звезде,

7 - выпускной канал в стенке ротора,

8 - доработка вкладыша (продувка),

9 - доработка поршня (продувка),

10 - доработка выпускного окна

фаза впуска Вйай&Я фаза продувки Г."'<* 1 фаза выпуска

Iх/ /Л фаза датчика давления продувочной полости Рис 16 Фазы органов газораспределения

мена между ротором и статором по передней стенке ротора, выработана схема очистки и наполнения рабочего объема рис. 15. Предложенная для модельного двигателя схема газообмена рис. 15 и 16 принята на основе статистических данных о газообмене классических ДВС с КШМ с кривошипно-камерной продувкой и умозрительных заключений о возможности реализации выработанной схемы очистки и наполнения.

В четвертой главе описаны испытания модельного двигателя, анализ результатов испытаний, проведенные доработки, а также проблемы и особенности, выявленные при испытаниях.

Испытания модельного роторно-турбинного двигателя проводились на электрическом приводном стенде мощностью 30 кВт и максимальным крутящим моментом до 50 Н м, рис. 17. Стенд был оснащен системами записи параметров на персональные компьютеры с частотами опроса 1 кГц и 38 кГц.

В декабре 2001 г. Модельный двигатель испытан впервые. Далее проводились испытания для отработки конструкции в целях достижения герметичности рабочей полости, снижения механических потерь, доводки расходной системы смазки, улучшения процессов очистки и наполнения, обеспечения надежной работы вновь спроектированной системы зажигания, улучшения процессов смесеобразования и определения условий запуска.

12-го декабря 2002 года на стендовых испытаниях сборки №10, на 2-м запуске двигатель перешел на режим устойчивой самостоятельной работы. Изменения основных параметров характеризующих работу двигателя во время первого запуска подтвердившего работоспособность запатентованной идеи представлены на рис. 18. В соответствии с графиком изменения тока привода режим самостоятельной работы начинается с 28-й секунды (от- „

4 Рис 17 Модельный двигатель на стенде

х 1300 %

I 1200

с 1100

1000

25 26 27 26 29 30 31 32

34 35 36 37 36 39 40

О

.4

25 26 27 26 29

34 35 36 37

ключение привода), а на 40-й секунде остановка модели последовательным отключением подачи топлива и зажигания.

Проведенные испытания выявили ряд проблем требующих решения.

1. Выявлена низкая стабильность системы зажигания вследствие недостаточной протяженности неподвижного контакта зажигания, а также пробоев высокого напряжения на корпус модельного двигателя. Автором работы спроектированы новые неподвижный контакт зажигания и его изолятор.

2. Выявлена низкая стабильность системы смесеобразования по обеспечению испарения топлива для предотвращения его сепарации на входе в ротор, за счет низкой способности деталей корпуса сохранять высокую температуру. По указанию автора работы спроектирован и изготовлен впускной патрубок, подогреваемый внешней водяной рубашкой с температурой = 80.. .90 °С.

3. Зафиксирован обратный заброс отработавших газов в подлопаточную полость в начале процесса продувки вследствие недостаточного значения времени-сечения фазы свободного выпуска. Выполнено увеличение площади и интенсивности открытия выпускных окон в рабочих полостях ротора.

4. Получен низкий коэффициент наполнения модельного двигателя. Изменена геометрия впускных каналов в передней стенке ротора. Коэффициент наполнения увеличен с = 0,38 до я 0,52.

26 26 27 26 2& 30 31 32 33 34 35 36 37

Время с момента запуска, сак

Рис 18 Результаты испытаний

Доработка модели обеспечила в июле 2003 года проведение испытаний 12-й сборки с запуском от стартера рис. 19. Штатные параметры стартера автомобиля ЗИЛ 53-01 «Бычок»: напряжение 24 В, мощность 5 кВт и частота холостого хода 5000 об/мин. Стартер связан с валом двигателя передачей 2:1. Для проведения горячих запусков напряжение питания стартера было снижено до 12 В, при этом стартер выводил модельный двигатель на режим 650 об/мин. соответствующий моменту начала роста температуры отработавших газов. Результаты горячего запуска на рис. 20.

Модель вышла на рабочий режим (стартер отключен на 10-й секунде), работала уверено, остановлена снижением наддува топливного бака. В результате последующей отработки запуска время от включения стартера до момента выхода на рабочий режим и отключения стартера составило 3...4 с.

Испытания модельного двигателя сборки №12 показали правильность выполненых доработок и позволили перейти к этапу демонстрации работы в составе транспортного средства. Обеспечение данного этапа было полностью поручено автору работы. Модельный двигатель был установлен на транспортное средство ТС-350 рис.21.

Рис 19 Модельный двигатель со стартером

•8 ,мо С 1000

S 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

17 16 19 20 21 22

5 в 7 в Й 10 11 12 13 14 15

17 18 19 20 21 22

9 10 11 12 13 14 15 16 17 16

Время с начала запуска, с

Рис 20 Результаты испытаний 12-й сборки

Рис. 21 Модельный двигатель на транспортном средстве ТС-350 в компоновке со стартером

14 августа 2003 г. на территории НТЦ им. А. Люльки, на открытой площадке, проведены ходовые испытания модельного роторно-турбинного двигателя в составе транспортного средства ТС-350. Выполнены запуск двигателя и осуществлено движение транспортного средства с водителем. ТС-350 прошла примерно 25 м и была остановлена выключением замка зажигания. Как статический экспонат и периодически как рабочая модель, приводящая в движение ТС-350, модельный двигатель демонстрировался на международном авиакосмическом салоне в г. Жуковском «МАКС-2003».

Выполнено более 300 запусков модельного двигателя 12-й сборки, порядка 70 запусков с приведением в движение ТС-350. Запуски успешно проводились в помещениях с температурой воздуха +15...+20 °С и на открытых площадках при температуре окружающей среды -3...+25 °С.

Общая для всех ДВС с КРО проблема это обеспечение герметичности качающегося поршня, т.е. организация компрессионного и если необходимо мас-лосъемного поясов уплотнений и обеспечение герметичности рабочего объема по неподвижным и при наличии по подвижным стыкам. Для роторных ДВС с КРО с неподвижным газовым стыком и вращающимися камерами сгорания характерны проблемы: передачи высокого напряжения от неподвижной системы зажигания, сепарация топлива из топливовоздушной смеси при входе в ротор. Для данного конкретного модельного исполнения двигателя с КРО параллельная схема механизма показала высокий уровень механических потерь.

Выявлены факты, косвенно указывающие на расслоение свежего заряда в роторе под действием поля центробежных сил. Выявлен низкий уровень вибра-

ций двигателя, не превышающий 2 g на максимальных режимах. Подтверждено наличие благоприятных условий для обеспечения воздушного охлаждения.

В заключении с необходимыми комментариями изложены основные результаты выполненной работы, приведена схема причинно-следственных связей теоретически обосновывающая перспективность ДВС с КРО см. рис. 22, в целях формирования облика ДВС с КРО выделены рекомендуемые и нецелесообразные конструктивные решения, а также сформулированы выводы по результатам работы.

Конструктивные решения не являющиеся целесообразными:

1. Параллельная схема механизма с консольной опорой качающегося поршня. Недостаток: высокие изгибающие нагрузки в оси качания поршня, увеличивающие потери трения.

2. Подвижный газовый стык в роторной схеме двигателя. Недостатки: сложность организация уплотнения, воздействие газовой силы на опоры рото-

ч

3 с

3

3

► тре ммао—ка гауу шудш^-цучус |

Нет расхода маси через рй6оч)ю па

Ншс якрвмансп

I ■ ц |

С—«||мгтук I

-»I II* 1Д р— м*

Рис 22 Причинно-следственные связи определяющие перспективность ДВС с КРО

ра, сложность организации горения, большая поверхность теплоотвода при подвижной стенке камеры сгорания.

3. Двунаправленное движение линии уплотнений поршня. Недостатки: перекос элементов уплотнения в канавке, увеличенные уплотняемый периметр, поверхность теплоотвода и масса поршня.

Рекомендуемые конструктивные решения:

1. Кривошипно-коромысловый механизм для стандартной схемы двигателя и двухкривошипный для роторной, основанные на низших вращательных парах. Преимущества: высокий механический к.п.д. вращательных пар, большой опыт проектирования и изготовления вращательных пар.

2. Одноплоскостная схема механизма. Преимущества: минимальные изгибающие моменты силовой схемы механизма, высокие конструктивная и технологическая преемственность с классическими ДВС с КШМ.

3. Разделенный рабочий объем. Преимущества: надежная герметизация газового стыка, постоянный по длине периметр компрессионного контура простой формы, минимальная поверхность теплоотвода, лучшие по сравнению с общим объемом условия сгорания.

ОСНОВНЫЕ РЗУЛЬТАТЫ

1. Решена проблема систематизации информации по ДВС с КРО:

- разработаны охватывающие все многообразие схем двигателей с КРО классификация и необходимая терминология, которые формализуют описание двигателей с КРО и обеспечивают возможность корректного сравнения по формальным признакам;

- выявлены конструктивные особенности схемы и свойства механизма принадлежащие всему семейству двигателей с качающимися рабочими органами.

2. Выявлена и теоретически обоснована перспективность развития данного направления в моторостроении (см. рис. 22):

- способность получить больший индикаторный к.п.д. (до 20% по отношению к ДВС с КШМ) и соответствующее снижение удельного расхода за счет приближения процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме;

•а

- при равных условиях (рабочем объеме, степени сжатия, типе рабочего цикла, скоростном режиме) способность получить большую мощность (до 22% по отношению к ДВС с КШМ) за счет высокой эффективности цикла и лучшего наполнения;

- возможность создавать компактные преобразующие механизмы обладающие меньшей массой и большей жесткостью, за счет свойства масштабируемости;

- возможность получения высокого механического к.п.д., за счет оптимальных условий смазки пар трения кинематической схемы и меньшего коэффициента трения пары «рабочий орган - корпус»;

- отсутствие механического износа поршня, за счет движения с гарантированным зазором;

- возможность обеспечить минимальный расход масла через уплотнения поршня, так как при движении поршня с гарантированным зазором потребность поверхностей рабочего объема в смазке минимальна;

- пониженные механические шум и вибрации, за счет отсутствия перекладок поршня и отсутствия соударений поршня с корпусом.

3. Разработана, применена и проверена при создании модельного демонстрационного двигателя методика расчета кинематики механизма с КРО. Расчет универсальный и позволяет описывать движение поршня в любых двигателях выполненных по схеме с КРО.

4. Модельным роторно-турбинным двигателем, разработанным при непосредственном личном участии автора в НТЦ им. А. Люльки, работа ДВС с КРО продемонстрирована, в том числе публично на международном авиакосмическом салоне в г. Жуковском «МАКС-2003».

5. Решена проблема формирования обобщенного облика ДВС с КРО: определены рекомендуемые и не целесообразные конструктивные решения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лефёров A.A. ДВС с качающимся поршнем: классификация, расчет кинематики, подтверждение работоспособности, перспективность и проблемы

конструирования// 3-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2004»: Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2004. - С.75

2. Лефёров A.A. Математическая модель двигателя внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами// Вторая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»: Статьи и материалы конференции. - М. Изд-во МАИ, 2004. - С.113-117.

3. Сравнение рабочих циклов ДВС с различными преобразующими механизмами с учетом закона изменения объема при расчете процесса сгорания. / Лефёров A.A.; МАИ (ГТУ). - М.:, 2005. - 46 с. - 32 ил. Библиогр.: 9 назв. Рус. -Деп. в ВИНИТИ. 27.05.05, №753-В2005

гообА

№-5945

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

КОНСТРУИРОВАНИЯ ДВС С КАЧАЮЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ.

1.1. Существующие и предлагаемые конструкции ДВС с КРО.

1.2. Классификация двигателей с КРО.

1.3. Конструктивные особенности двигателей с КРО.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДВС С КАЧАЮЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

2.1. Структурный анализ механизмов ДВС с КРО. Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма.

2.2. Свойства кинематической схемы ДВС с КРО.

2.3. Кинематический анализ ДВС с КРО. Характерные параметры математической модели. Частные случаи кинематической схемы механизма.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ ДВС С

КАЧАЮЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ.

3.1. Назначение и основные параметры.

3.2. Конструкция.

3.3. Кинематическая схема.

3.4. Газораспределение.

ГЛАВА 4. ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

4.1. Испытания и полученные экспериментальные данные.

4.2. Проблемы и особенности, выявленные при испытаниях.

Исследование посвящено схеме ДВС, с альтернативным криво-шипно-шатунному1 механизму (КШМ), механизмом преобразования энергии газов в работу на валу. Данная тема предлагает сформировать облик ДВС, в котором используется кинематическая схема с качающимися рабочими органами (КРО), и такое решение требует подробного пояснения.

Принципиальное отличие ДВС с КРО от поршневого двигателя с классическим КШМ в том, что поршень совершает возвратно-вращательное движение и функционально исключен из кинематической цепи механизма. Поясню фразу «функциональное исключение поршня из кинематической цепи»: в ДВС с КШМ поршень является звеном механизма - ползуном, т.е. без него механизм не будет существовать, а в ДВС с КРО механизм будет существовать и без поршня. Поршень в ДВС с КРО является конструктивным элементом, воспринимающим давление газа, а для преобразования его в механическую работу поршень жестко связан с качающимся звеном преобразующего механизма.

Как будет показано ниже, возвратно-вращательное движение поршня и снятие с него функции звена механизма дает конструктору большую по сравнению с КШМ свободу в проектировании двигателя и его рабочего цикла.

Актуальность темы определена тремя основными тезисами:

1. Свобода в проектировании рабочего цикла двигателя с КРО позволяет повысить наполнение и приблизить процесс сго

1 Обозначение механизма применяемое двигателистами. В терминологии РАН установлено наименование «кривошипно-ползунный механизм».

2 Обозначение в соответствии с международной патентной классификацией. рания к подводу тепла при постоянном объеме и тем самым получить максимальные мощность, экономичность и к.п.д. рабочего цикла.

2. Функциональное исключение поршня из кинематической цепи преобразующего механизма позволяет создать конструкцию с высоким механическим к.п.д.

3. В сравнении с двигателями, использующими кривошипно-шатунный механизм с возвратно-поступательным движением ведущего звена, схема ДВС с КРО позволяет применять решения, более эффективно использующие объем и массу конструкции, т.е. снижающие удельную массу двигателя.

Тезис №1 Подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров и ряд других изделий в качестве механизма преобразующего движение поршня во вращение выходного вала использует кривошипно-шатунный механизм. Известны альтернативные механизмы: механизм П.Л. Чебышева [42, С. 19], механизм С.С. Баландина [42, С.22], крейцкопфный механизм, двигатель Ф. Ванкеля [4] и другие механизмы, использующие различные комбинации шатунов, рычагов, кривошипов, ползунов и зубчатых передач. На базе этих механизмов создано и создается вновь небольшое, по сравнению с двигателями с КШМ, количество ДВС и других изделий. Закон движения поршня в центральном КШМ, для упрощения получения законов скорости и ускорения поршня, описывается разложением его точной, полученной из геометрических соотношений, функции в сокращенный до двух членов биномиальный ряд [8]. Разложение реальных функций по биному Ньютона при расчетах без использования быстродействующих персональных компьютеров обеспечило простоту вычислений при допустимой потере точности.

Простота расчета и конструкции центрального КШМ предопределили конструктивный облик современного двигателя внутреннего сгорания.

Для двигателей с возвратно-вращательным движением поршня нет такого как для ДВС с КШМ приспособленного к расчету цикла и отработанного на практике описания механизма.

Двигатель с качающимися рабочими органами имеет сложную по сравнению с применяемой для описания КШМ математическую модель кинематической схемы. Сложность заключается в том, что алгоритм определения закона движения рабочего органа описывается рядом промежуточных функций и имеет логические ветвления.

Одним из основных результатов данной работы является разработанное автором универсальное аналитическое описание кинематики

Рис. 1. Сравнение законов изменения объема двигателей с КШМ и с КРО при степени сжатия 9.5. Залитая область под кривыми изменения объема демонстрирует различие в длительности одинакового изменения объема. механизма ДВС с КРО. На основе разработанного аналитического описания механизма выполнено сравнение законов изменения объема двигателей с КШМ и с КРО (рис. 1).

На рисунке представлены КШМ с кинематическим соотношением X = 1/3,5 и вариант механизма с КРО с одинаковыми рабочими объемами и площадью поршня. Из представленных на тактах сжатия и расширения законов изменения объема видна большая для механизма с КРО продолжительность изменения объема от 2'УС (Уа — полный объем рабочей полости) до объема камеры сгорания Ус в в.м.т. и обратно к 2'УС, а также видна несимметричность закона механизма с КРО относительно в.м.т. Причем в указанном диапазоне изменения объема 2'УС~-Ус—-2'УС соотношение углов поворота вала составило для КШМ и механизма с КРО соответственно 69 : 94 = 1:1,362.

Как известно наибольшие экономичность и к.п.д. достигаются при теоретическом цикле с подводом тепла при постоянном объеме. Сравнение наглядно демонстрирует в ДВС с КРО замедление изменения объема рабочей полости приходящееся на момент протекания процесса сгорания. Значит, подобный механизм при такой же степени сжатия обеспечивает приближение процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме и, следовательно, обеспечивает большую термодинамическую эффективность двигателя. Результаты расчетного термодинамического сравнения четырехтактных двигателей с электрическим зажиганием, равными рабочим объемом, степенью сжатия и площадью поршня представлены во 2-й главе. Методику и подробные результаты сравнения можно найти в депонированной в ВИНИТИ статье автора [17]. Также в статье [17] приведен пример расчета термического к.п.д. теоретических циклов при постоянных степени сжатия и количестве подводимого тепла к единице массы рабочего тела, но при изменении доли тепла подводимой при постоянном объеме по отношению к доли подводимой при постоянном давлении. Расчет демонстрирует достижение максимального термического к.п.д. в цикле с подводом всего тепла при У=соп51

В мировой практике совершенствование ДВС ведется по нескольким направлениям [12]. Рассматриваемая в настоящей работе схема двигателя из известного ряда направлений совершенствования поршневых ДВС, кроме указанного выше повышения термодинамической эффективности, ориентирована на снижение уровня механических потерь и снижение удельной массы двигателя. Эти параметры взаимосвязаны, но их величина зависит от различных факторов.

В основном, в данной работе ДВС с КРО сравнивается с ДВС с КШМ и периодически приводятся сравнения с другими преобразующими механизмами.

Тезис №2 можно аргументировать следующим. В кинематической схеме ДВС с кривошипно-шатунным механизмом цилиндр и поршень являются поступательной кинематической парой замыкающей кинематическую цепь механизма. В кривошипно-шатунном механизме, при движении поршня, шатун отклоняется от оси цилиндра, при этом от нормального давления боковой поверхности поршня на стенку цилиндра возникает боковая сила. Известно, что подавляющую долю 40. .50 % от общих затрат механической энергии составляют механические потери в цилиндропоршневой группе, а в современных гоночных двигателях эти потери трения поршня и колец достигают более 60 %. В трудах Б.С. Стечкина [38] используются следующие данные: из всей индикаторной работы полученной в цикле 1,5.2 % расходуется на насосные ходы, 2. .3 % на привод агрегатов, 5. .6 % на трение поршня и в подшипниках и пр., всего 9.13 %. Важные данные по распределению механических потерь приведенные в [6], для двигателя автомобиля «Москвич» отображены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что на режимах близких к холостому ходу потери от трения поршневых колец составляют 53 % и от трения юбки поршня 13 %. Однако на режимах > 3500 об/мин трение юбки поршня уже превышает трение колец и на 3800 об/мин составляет 23 % и 21 % соответственно. Вероятно, это можно объяснить близким к граничному характером трения поршня, как на основе опытных данных показано в [34]. Суммарно потери трения поршня и колец составляют основную долю механических потерь, и в приведенном примере изменяются от 66 % на низких оборотах до 44 % на среднем скоростном режиме.

Создание большей части механического сопротивления трением поршня и его уплотнений обусловлено неблагоприятными условиями смазки и трения: реверсивным характером движения поршня и колец в цилиндре, высокими температурами и дефицитом смазочного материала в зазорах, высокими силовыми нагрузками, приложенными к деталям [23].

На рис. 2 представлено снижение доли терния вносимой уплотнениями и рост долей вносимых другими источниками трения. Сила трения уплотнений зависит от усилия поджатая и газовой нагрузки дающей дополнительной прижатие. С увеличением частоты вращения сила прижатия не меняется, а газовая нагрузка в зависимости от фаз газораспределения может уменьшаться пропорционально квадрату скорости прохождения свежей смеси через сечение впускных клапанов. Следовательно, сила трения уплотнений при повышении час 50

Ш) 30 го ю 3

1 ■-5

6 -- 6 тн

Рис. 2. Доля основных составляющих (в процентах) механических потерь двигателя работающего с полной нагрузкой:

1 - насосные потери; 2 - юбки поршней;

3 - поршневые кольца; 4 - коренные подшипники; 5 - шатунные подшипники; 6 - привод водяного насоса. тоты вращения остается постоянной или незначительно снижается. Сила трения юбки поршня - боковая сила зависит от угла качания шатуна (т.е. кинематического соотношения X = Я /Ь) и суммы газовой и инерционной сил действующих на поршень. Изменение газовой силы при повышении частоты вращения при неизменном положении дроссельной заслонки мало, а инерционная сила и, следовательно, сила трения юбки поршня прямо пропорциональна квадрату частоты вращения кривошипа. Доли механических потерь других источников терния с увеличением частоты вращения также увеличиваются, но остаются меньше доли трения юбки поршня.

Следовательно, любые меры, обеспечивающие снижение или исключение трения поршня будут оказывать максимальное влияние на механический к.п.д. ДВС. В связи с этим, одним из принятых в мировой практике комплексным параметром, характеризующим конструкцию ДВС, является средняя скорость поршня. Механическая составляющая этого параметра демонстрирует способность конструкции воспринимать боковую нагрузку и косвенно характеризует работу трения в кинематической паре поршень-цилиндр. Современный уровень моторостроения позволяет серийно выпускать двигатели со средней скоростью поршня равной 14.22 м/с (автомобильные двигатели) [13, 33] и штучно, с ограниченным ресурсом двигатели со средней скоростью поршня 28-30 м/с при 18 ООО.20 ООО об/мин (двигатели автомобилей гонок «Формула 1»). В дальнейшем снижение механических потерь в паре поршень-цилиндр кривошипно-шатунного механизма возможно за счет применения специальных новейших конструкционных материалов и триботехнических технологий. В паре поршень-цилиндр в КШМ не может быть применено трение качения, а только трение скольжения, которое при прочих равных условиях имеет на порядок больший коэффициент трения.

В механизмах крейцкопфного двигателя, двигателя с качающимся поршнем, двигателя Ф. Ванкеля пара поршень-цилиндр функционально исключена из кинематических пар составляющих замкнутую кинематическую цепь механизма ДВС. Функциональное исключение поршня из кинематической цепи обеспечивает его движение с гарантированным зазором. При этом реакция звена механизма жестко связанного с поршнем реализуется в приспособленных для этого парах трения, а трение и механический износ самого поршня полностью исключаются.

В крейцкопфных двигателях кинематическая цепь замыкается поступательной кинематической парой образуемой крейцкопфом и его направляющей. В двигателе Ф. Ванкеля жестко связанное с поршнем зубчатое колесо образует внутреннее зацепление - высшую кинематическую пару, замыкающую кинематическую цепь механизма.

Кинематическую цепь в двигателе с КРО по средствам вращательной кинематической пары, замыкает рычаг рабочего органа - качающееся звено. Вращательная пара обеспечивает возможность перехода к трению качения и возможность применения принудительной смазки. Вращательная пара по сравнению с поступательной парой поршень-цилиндр, безусловно, имеет более выгодные условия смазки, что однозначно снижает механическое сопротивление преобразующего механизма и соответственно повышает механический к.п.д. двигателя. Причем такое конструктивное решение не влечет увеличения размеров двигателя. При движении поршня с гарантированным зазором за счет минимальной потребности в смазке поверхностей рабочего объема ДВС с КРО имеет пониженный расход масла через уплотнения поршня, что в свою очередь благоприятно скажется на экологических параметрах двигателя.

Для крейцкопфного механизма характерно увеличение габаритов двигателя как минимум на длину хода поршня. Крейцкопф увеличивает поступательно движущуюся массу кривошипно-шатунного механизма и, следовательно, увеличивает инерционные нагрузки и потери трения во вращающихся парах механизма. Крейцкопфные двигатели нашли применение в тихоходных судовых и наземных силовых установках.

На рубеже XIX-го и ХХ-го веков появились конструкции роторно-поршневых машин [4]. По двигателю Феликса Ванкеля не прекращаются НИОКР (фирма «Mazda», двигатель «Renesis» от английского rotary engine genesis), его схема обладает рядом преимуществ: небольшим количеством деталей, низкой удельной массой, высокой уравновешенностью и др. [4, 20]. Но характерные конструктивные особенности, даже при современном развитии техники, не открывают перспектив массового использования, характерных для ДВС с КШМ. Эпитрохоида - кривая, описываемая угловыми кромками вращающегося поршня, имеет так называемую «талию» т.е. участки, при прохождении которых радиальные уплотнения испытывают инерционную нагрузку, направленную от контактной поверхности к центру поршня. Достижение необходимой герметичности обеспечивается повышенным усилием поджатая радиальных уплотнений, что ускоряет износ эпитрохоиды. Другим недостатком двигателя Ф. Ванкеля является неоптимальная форма камеры сгорания. Конструктивно преодолеть этот недостаток нельзя, так как поршень имеет специфическую форму, определяемую характером его движения. В двигателе с КРО инерционные силы уплотнений поршня девствующие нормально к рабочей поверхности не изменяют свой знак, а форма камеры сгорания полностью определяется конструктором.

Для всего многообразия запатентованных конструкций двигателей с КРО основным конструктивным решением, обусловливающим потенциальное снижение уровня механических потерь, является исключение поршня из силовой кинематической цепи механизма, которое обеспечивает движение поршня с гарантированным зазором, так как поршень не является кинематическим звеном.

Тезис №2 характеризует актуальность выбранной темы наличием у схемы ДВС с качающимися рабочими органами потенциала по снижению уровня механических потерь.

Тезис №3 предполагает что, конструкция ДВС с КРО потенциально имеет более низкую удельную массу по сравнению с ДВС с классическим КШМ. Кривошипно-шатунный механизм характеризуется параметром X - отношением радиуса кривошипа к длине шатуна. Теоретически длина шатуна должна быть больше радиуса кривошипа. По статистическим данным X меняется в диапазоне 1/3,2- 1/4,5 [39]. Уменьшение габаритов за счет уменьшения длины шатуна увеличивает соотношение X. При большем соотношении X рост боковой силы заметно снижает эффективность механизма. Выполненный на основе КШМ двигатель с крейцкопфным механизмом имеет звено воспринимающее боковую нагрузку предназначенное для разгрузки поршня от боковой силы. Но такое решение ведет к увеличению массы двигателя, как за счет увеличения габаритов, так и за счет роста требующей уравновешивания поступательно движущейся массы механизма. Как будет показано ниже, в двигателе с КРО геометрические параметры аналогичные длине шатуна и радиусу кривошипа можно уменьшать до конструктивно возможного минимума. С другой стороны роторное исполнение ДВС с КРО позволяет отказаться от маховика, функция которого переходит к массе ротора. Причем аналогичное звездообразному расположению цилиндров в двигателях с КШМ, расположение рабочих полостей в двигателе с КРО обеспечивает высокую равномерность крутящего момента. Это позволяет при конструировании не заострять внимание на функции ротора - маховике и не наращивать его массу дополнительно.

Формированию задач исследования послужили несколько противоречий.

Для двигателей с классическим КШМ давно получены аналитические зависимости, описывающие перемещение, скорость и ускорение звеньев кинематической схемы, разработаны и успешно применяются методики выбора геометрии кинематической схемы и конструкции двигателя. Для крейцкопфных двигателей полностью применима расчетная методика классического КШМ. Двигатель Ф. Ванкеля также имеет полное математическое описание. Что касается двигателей с качающимися рабочими органами, то на данный момент не разработана общая, универсальная в применении математическая модель, описывающая кинематическую схему механизма. Расчеты двигателя с КРО имеют частный, направленный на описание конкретной конструкции, характер и не раскрывают потенциальных возможностей при выборе геометрии кинематической схемы.

На данный момент существует множество запатентованных схем ДВС с КРО, но отсутствует систематизация этой информации. Не выявлены характерные свойства кинематической схемы. Двигатели внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами находятся на стадии патентования и изготовления демонстрационных моделей. На основании проведенного патентного поиска видно, что данное направление исследований в области моторостроения имеет развитие и за рубежом [43, 44, 45,46]. Однако нет данных о экспериментальном подтверждении работоспособности ДВС с КРО. Не выявлены проблемы конструирования ДВС с КРО требующие специальной научно-исследовательской и опытно-конструкторской проработки, а также не определена приоритетность этих проблем. Не определена перспективность развития схемы ДВС с КРО.

Объектом исследования является схема двигателя с качающимися рабочими органами, а именно кинематическая схема механизма и демонстрационный модельный роторно-турбинный двигатель с кольцевой направляющей.

Предметом исследования являются математическая модель кинематической схемы, конструкция и рабочий процесс демонстрационного двигателя.

Для обеспечения развития ДВС с КРО как отдельного, перспективного направления в моторостроении необходимо:

1. Систематизировать существующую информацию.

2. Разработать методику расчета кинематической схемы.

3. Получить экспериментальное подтверждение работоспособности.

4. Определить перспективность и выявить проблемы конструирования и развития двигателей с качающимися рабочими органами.

Целью диссертационного исследования является решение первоочередных технических проблем препятствующих развитию двигателей с КРО.

В рамках темы исследования выдвигается ряд гипотез. 1. Рычаг - ведущее звено кинематической схемы совершает возвратно-вращательное движение. Исходя, из характера движения рабочего органа предполагается, что кинематическая схема двигателя с КРО обладает следующими характерными свойствами:

1.1. Геометрия кинематической схемы не определяет величину рабочего объема двигателя;

1.2. Такты сжатия и расширения рабочего объема могут быть несимметричны по угловой длительности относительно поворота выходного вала;

1.3. Такты сжатия и расширения рабочего объема всегда несимметричны по закону изменения объема относительно поворота выходного вала;

1.4. Закон изменения объема при постоянных длинах звеньев кинематической цепи может быть различным. 182. Схема с КРО обладает всеми признаками двигателя внутреннего сгорания, однако экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность ДВС с КРО отсутствуют. Предполагается, что схема роторного двигателя с качающимися рабочими органами с кольцевой направляющей работоспособна. 3. Предполагается существование ряда основных проблем конструирования роторных ДВС с КРО, требующих всестороннего специального исследования:

3.1. Организация газообмена между неподвижными впускной и выпускной системами и вращающимся ротором;

3.2. Передача высокого напряжения на свечи зажигания расположенные в роторе;

3.3. Герметизация компрессионного контура качающегося поршня и органов газораспределения;

3.4. Организация смазки подвижных силовых элементов кинематической схемы механизма;

3.5. Организация охлаждения ротора.

Не ставится под сомнение существование проблемы организации рабочего процесса в рабочих полостях ротора (геометрия рабочей полости, выбор и расположение органов газообмена, форма и расположение камеры сгорания). Рациональная организация рабочего процесса двигателя с КРО требует отдельных всесторонних исследований.

Задачами исследования являются: 1. Рассмотреть конструкции двигателей внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами на основе международных патентов, существующих конструкций и научно-исследовательских работ, проведенных в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн»;

- 192. Классифицировать двигатели с КРО с целью разделения на соответствующие классы и последующего корректного сравнения;

3. Разработать математическую модель и методику расчета кинематической схемы;

4. Выявить характерные свойства кинематической схемы;

5. Применить математическую модель кинематической схемы при проектировании демонстрационного модельного роторного двигателя;

6. Экспериментально подтвердить работоспособность предложенной конструкции ДВС с КРО;

7. Выявить перспективные свойства конструкции двигателей с качающимися рабочими органами;

8. Выявить основные проблемы конструирования, требующие проведения всесторонних специальных исследований;

9. Обосновать перспективность развития ДВС с КРО;

10. Разработать рекомендации по конструированию ДВС с КРО.

Методологической основой исследования является концепция демонстрационных моделей роторного двигателя с качающимися рабочими органами, разрабатываемая в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн» в соответствии с евразийским патентом № 001184 [28].

Решение задач исследования обеспечивается различными методами. Для исследования механизма ДВС с КРО применяется математическое моделирование кинематической схемы механизма двигателя. При описании условий существования механизма применяются аксиоматический метод и метод формализации, использующий язык математической логики [15]. Численные методы обеспечивают работу с производными первого и второго порядка функции закона движения рабочего органа. Необходимым методом исследования объекта является конструкционное моделирование двигателя с КРО, так как непосредственное оперирование с опытным или серийным двигателем с КРО невозможно в виду того, что они не существуют. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом. Логическим итогом исследования является синтез аргументов обосновывающих перспективность ДВС с КРО проведенный на основе анализа результатов решения задач поставленных в данной работе и аналогий с существующими конструкциями двигателей.

В настоящем исследовании используется комплексный подход, рассматривающий совокупность явлений и процессов, протекающих в двигателе с качающимися рабочими органами с кольцевой направляющей.

На защиту выносятся:

1. Классификация двигателей с КРО;

2. Методика расчета кинематической схемы механизма двигателя с КРО;

3. Выявленные характерные свойства механизма;

4. Экспериментальное подтверждение работоспособности демонстрационного модельного роторно-турбинного двигателя;

5. Аргументы, обосновывающие перспективность развития ДВС с КРО.

Новизна исследования. Систематизирована информация по двигателям с КРО. Разработана методика расчета, способная рассматривать любые возможные комбинации механизма и описывающая закон движения, скорость и ускорение ведущего звена кинематической схемы. Модельным экспериментом подтверждена работоспособность. Определены характерные свойства схемы. Определены проблемы конструирования и их приоритетность. Обоснована перспективность развития ДВС с КРО. 21 ~

Теоретическая значимость. Модель кинематической схемы обеспечивает математическим аппаратом теоретические исследования и задачи проектирования двигателей с качающимися рабочими органами, а также служит исходным материалом для разработки теоретической модели двигателя с КРО. Подтвержденная работоспособность схемы и результаты испытаний дают информацию для разработки гипотез и в дальнейшем моделей описывающих процессы, протекающие в двигателях данной схемы.

Практическое значение исследования в том, что определены направления развития конструкции ДВС с КРО и разработаны рекомендации по конструированию, разработана методика расчета кинематической схемы облегчающая задачу выбора геометрии механизма, определены некоторые конструктивные решения, использование которых не является целесообразным. Этапы исследования.

1 Изучение современного состояния проблемы конструирования поршневых двигателей с качающимися рабочими органами.

1.1. Проведение библиографического поиска.

1.2. Изучение конструкции моделей разработанных в научно-техническом центре им. А. Люльки.

1.3. Классификация двигателей с КРО.

1.4. Определение конструктивных особенностей двигателей с КРО.

2 Разработка математической модели кинематической схемы с кольцевой направляющей.

2.1 Описание кинематической схемы механизма и принципа работы двигателя с качающимися рабочими органами.

2.2 Сравнение механизма двигателя с КРО с кривошипно-шатунным механизмом.

2.3 Определение вариантов и схем исполнения механизма.

2.4 Определение условий работоспособности кинематической схемы.

2.5 Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма ДВС с КРО.

2.6 Проверка предположений о несимметричности хода сжатия и расширения рабочего объема относительно поворота выходного вала, как по угловой длительности, так и по закону изменения объема.

2.7 Проверка предположений о том, что закон изменения объема при неизменных размерах звеньев кинематической цепи может быть различным.

2.8 Определение характерных параметров математической модели.

2.9 Определение закона движения, аналогов скорости и ускорения рабочего элемента.

2.10 Определение зависимостей геометрических параметров кинематической схемы для отдельных частных случаев.

2.11 Формулирование выводов по итогам разработки методики расчета кинематической схемы.

3 Проектирование кинематической схемы, ротора и органов газораспределения демонстрационного модельного роторного двигателя.

3.1 Выбор геометрии рабочего объема.

3.2 Выбор геометрии кинематической схемы.

3.3 Выбор геометрии органов газораспределения.

4 Испытания и доработка демонстрационного модельного роторного двигателя.

4.1 Проведение испытаний.

4.2 Анализ результатов испытаний.

4.3 Проведение доработок по результатам испытаний и разборок.

4.4 Анализ проблем и особенностей, выявленных при испытаниях.

4.5 Выявление проблем требующих дополнительных исследований.

5 Анализ результатов исследования.

6 Формулирование выводов по итогам диссертационного исследования.

Содержание глав диссертации

В первой главе представлена собранная информация по ДВС с КРО, проведен анализ собранной информации и синтезированы общие для всего многообразия схем ДВС с КРО классификация включающая девять направлений, а также конструктивные особенности двигателей с КРО.

Во второй главе в соответствии с правилами теории машин и механизмов выполнен структурный анализ механизмов ДВС с КРО, сформирована расчетная схема, выявлены свойства кинематической схемы, а также с целью обеспечения кинематического анализа любого механизма ДВС с КРО разработано аналитическое описание механизма.

В третьей главе подробно рассмотрены назначение и конструкция демонстрационного модельного роторно-турбинного двигателя.

В четвертой главе описаны испытания модельного двигателя, анализ результатов испытаний, проведенные доработки, а также проблемы и особенности, выявленные при испытаниях.

В заключении с необходимыми комментариями изложены основные результаты выполненной работы и сформулированы выводы.

Выводы

1. Решена проблема систематизации существующей информации по ДВС с КРО:

- разработаны охватывающие все многообразие схем двигателей с КРО классификация и необходимая терминология, которые формализуют описание двигателей с КРО и обеспечивают возможность корректного сравнения по формальным признакам;

- выявлены конструктивные особенности схемы и свойства механизма принадлежащие всему семейству двигателей с качающимися рабочими органами.

2. Выявлена и теоретически обоснована перспективность развития данного направления в моторостроении (см. рис. 68):

- способность получить больший индикаторный к.п.д. (до 20% по отношению к ДВС с КШМ) и соответствующее снижение удельного расхода за счет приближения процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме;

- при равных условиях (рабочем объеме, степени сжатия, типе рабочего цикла, скоростном режиме) способность получить большую мощность (до 22% по отношению к ДВС с КШМ) за счет высокой эффективности цикла и лучшего наполнения;

- возможность создавать компактные преобразующие механизмы обладающие меньшей массой и большей жесткостью, за счет свойства масштабируемости;

- возможность получения высокого механического к.п.д., за счет оптимальных условий смазки пар трения кинематической схемы и меньшего коэффициента трения пары «рабочий орган - корпус»;

- отсутствие механического износа поршня, за счет движения с гарантированным зазором; 133 ~

- возможность обеспечить минимальный расход масла через уплотнения поршня, так как при движении поршня с гарантированным зазором потребность поверхностей рабочего объема в смазке минимальна;

- пониженные механические шум и вибрации, за счет отсутствия перекладок поршня и отсутствия соударений поршня с корпусом.

3. Разработана, применена и проверена при создании модельного демонстрационного двигателя методика расчета кинематики механизма с КРО. Расчет универсальный и позволяет описывать движение поршня в любых двигателях выполненных по схеме с КРО.

4. Модельным роторно-турбинным двигателем, разработанным при непосредственном личном участии автора, работа ДВС с КРО продемонстрирована, в том числе публично на международном авиакосмическом салоне в г. Жуковском «МАКС-2003».

5. Решена проблема формирования обобщенного облика ДВС с КРО: определены рекомендуемые и не целесообразные конструктивные решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе настоящего диссертационного исследования получены различные результаты, имеющие теоретическое и практическое значение.

В начале работы выполнены сбор анализ и систематизация информации по современному состоянию проблемы конструирования двигателей с КРО. При сборе информации проведены патентный поиск среди отечественных и зарубежных патентов, библиографический поиск, рассмотрены модели двигателей подобной схемы, разработанные ранее в СССР и модели, созданные в НТЦ им. А. Люльки.

Выполненный сбор информации показал наличие большого количества запатентованных схем ДВС с КРО, наличие нескольких выполненных моделей ДВС с КРО. Анализ собранной информации выявил, что не решен ряд проблем, которые препятствуют развитию ДВС с КРО как направления моторостроения. Во-первых, не систематизирована обширная информация по схемам ДВС с КРО. Во-вторых, не сформулированы положения характеризующие перспективность схемы ДВС с КРО. В-третьих, нет отработанного универсального расчета кинематики механизма. В-четвертых, нет данных о подтверждении работоспособности схемы. И в-пятых, не сформирован облик двигателя с КРО.

Результатом решения проблемы систематизации информации стали синтез девяти специальных для ДВС с КРО направлений классификации, семи основных и двух дополнительных для роторной схемы двигателя, выявленные конструктивные особенности, свойства кинематической схемы и основные направления оптимизации конструкции ДВС с КРО.

Основные направления классификации: по схеме механизма, по схеме двигателя, по вариантам механизма, по организации рабоче 124го объема, по сечению рабочего объема, по движению линии уплотнений поршня и классификация механизма по симметричности ходов. Для роторной схемы определены дополнительные направления классификации: классификация по организации камеры сгорания и по организации газового стыка.

Основные конструктивные особенности: ^функциональное разделение поршня и преобразующего механизма, 2)возвратно-вращательный характер движения поршня, 3)движение поршня с гарантированным зазором (вместо боковой силы реакция в шарнире), 4)возможность применения трения качения и принудительной смазки в паре «рабочий орган - корпус».

Основные направления оптимизации: оптимизация геометрии кинематической схемы для повышения эффективности цикла, выбор геометрии поршня и отношения его характерного размера к ходу, минимизация возвратно-вращательно движущейся массы, минимизация поверхности теплообмена в рабочем объеме, обеспечение гарантированного зазора между поршнем и поверхностью рабочего объема, повышение герметичности уплотнительного контура поршня.

Свойства механизма двигателей с КРО. Тремя из них обладает только механизм П.Л. Чебышева, в котором, в отличие от ДВС с КРО поршень является звеном, входящим в поступательную пару присоединенной кинематической цепи, увеличивающей габариты, массу и инерционные нагрузки преобразующего механизма. Первое - возможность воспроизведения четырех вариантов изменения объема при неизменных звеньях кинематической цепи. Второе свойство масштабируемость - возможность задавать требуемые длины звеньев механизма при неизменной геометрии рабочего объема. Следствием этого свойства является возможность при неизменной геометрии кинематической схемы изменять соотношение S/D при неизменной величине рабочего объема. И третье свойство - хода расширения и сжатия не 125симметричны по закону изменения объема. Данные уникальные свойства механизма, как показано в работе, есть следствия криволинейного движения поршня, имеющего возвратно-вращательный характер. В исследовании показано, что другие свойства механизма имеют несколько аналогов среди прочих преобразующих механизмов ДВС. Аналогами, использующими функциональное исключение поршня из кинематической цепи, являются: крейцкопфный механизм и механизм С.С. Баландина, при этом имеющие нагруженные поступательные пары, а также двигатель Ф. Ванкеля с планетарным движением поршня. Возможность применять несимметричные по углу поворота выходного вала хода расширения и сжатия имеют механизм П.Л. Чебышева и дезаксиальный КШМ, однако введение значительного дезаксиала ведет к повышению механических потерь. Основной вклад выявленные свойства вносят в возможность проектировать закон изменения объема обеспечивающий больший к.п.д. цикла за счет приближения процесса сгорания к подводу тепла при постоянном объеме и лучшее наполнение за счет большей длительности впуска.

Результаты решения первой проблемы - систематизации информации позволили четко сформулировать положения характеризующие перспективность схемы ДВС с КРО.

Свойства механизма позволяют:

1) обеспечить в 1,08. 1,2 раза больший индикаторный к.п.д.;

2) обеспечить больший коэффициент наполнения;

3) создать компактный преобразующий механизм.

Конструктивные особенности позволяют:

4) получить высокий механический к.п.д.;

5) добиться отсутствия механического износа поршня;

6) минимизировать расход масла;

7) снизить механический шум и вибрации. ю сл

Рис. 68. Причинно-следственные связи определяющие перспективность ДВС с КРО. 127 ~

На рис. 68 приведены причинно-следственные связи определяющие перспективность ДВС с КРО.

В целях решения третьей указанной выше проблемы разработано универсальное аналитическое описание кинематики механизма ДВС с КРО являющееся теоретической базой, обеспечивающей проектирование двигателей с поршнем, совершающим возвратно-вращательное движение. Аналитическое описание механизма позволяет, без каких либо доработок полученных зависимостей применять их для расчетов как четырех, так и двухтактного рабочих циклов для любого из четырех вариантов расчетной схемы.

Четвертой проблемой препятствующей развитию направления ДВС с КРО было отсутствие экспериментального подтверждения работоспособности. В ходе исследования модельным роторно-турбинным двигателем, разработанным при непосредственном личном участии автора, работа ДВС с КРО продемонстрирована, в том числе публично на международном авиакосмическом салоне «МАКС-2003».

Решением пятой обозначенной проблемы стали сформулированные по итогам работы рекомендуемые и нецелесообразные конструктивные решения.

Изучение опыта создания моделей ДВС с КРО на предприятии, рассмотрение патентной документации, проведение стендовых и ходовых в составе транспортного средства, испытаний модельного двигателя выявили конструктивные решения не являющиеся целесообразными. Первое - пргшенение параллельной схемы механизма с консольной опорой качающегося поршня, которая была реализована в модельном двигателе и встречается в ряде патентов. Такая схема потребовала внесения целого набора корректировок в геометрию лопатки (поршня), при этом изгибающие ось лопатки нагрузки не позволили обеспечить гарантированный зазор между лопаткой и поверхно 128 ~ стями рабочей полости. Дополнительно к трению лопатки изгиб оси увеличивал потери трения в опоре лопатки. Изгиб оси лопатки приводил к некоторой непараллельности осей роликов и направляющей, что ухудшало условия работы подшипников и повышало механическое сопротивление. Консольное крепление лопатки при двунаправленном движении линии уплотнений не позволяет выполнить замкнутый компрессионный периметр простой конфигурации, что усложнило задачу обеспечения достаточного уровня компрессии. Второе -подвижный газовый стык. Применялся в четырехтактной модели разработанной на предприятии и широко распространен в конструкциях представленных в патентной литературе. Основную сложность при реализации подвижного газового стыка вызывает организация уплотнения. Другими минусами подвижного газового стыка являются воздействие газовой силы непосредственно на опоры ротора, сложность организации горения и большая поверхность теплоотвода при подвижной стенке камеры сгорания. Третье - сложный или незамкнутый компрессионный контур. Значительная часть патентов посвященных двигателям с качающимися рабочими органами имеет сложный компрессионный контур с переменным периметром или с линией уплотнения перемещающейся по обеим деталям образующим уплотняемый стык. Изначально лопатка модельного двигателя имела незамкнутый компрессионный контур, в который пришлось вводить дополнительные контактные поверхности. Доработка позволила достичь герметичности достаточной для демонстрационных запусков, но не соответствующей поршням цилиндрической формы. Четвертое -другой причиной невысоких значений компрессии было примененное в модельном двигателе и нередко встречающееся в патентной документации двунаправленное движение линии уплотнений поршня, которое вызывает перекос элементов уплотнения в канавке и тем самым обусловливает утечки рабочего тела. 129

На основе анализа патентной литературы и изученных конструкций ДВС с КРО, опыта проектирования, доработки и испытаний модельного роторно-турбинного двигателя, в целях раскрытия темы диссертации определены рекомендуемые конструктивные решения. Первое - в качестве варианта преобразующего механизма, для достижения наименьшего механического сопротивления рекомендуется применять кривошипно-коромысловый механизм для стандартной схемы двигателя и в роторной схеме двухкривошипный. Звенья данных механизмов входят в низшие вращательные кинематические пары. Современная промышленность имеет большой опыт проектирования и отработанную технологию изготовления обеспечивающие достижение низкого коэффициента трения вращательных пар. Второе - применение одноплоскостной схемы механизма минимизирует изгибающие моменты силовой схемы механизма, обеспечивая минимальные механические потери энергии при преобразовании движения поршня. Механизмы, построенные на вращательных парах по одно-плоскостной схеме, обеспечат для двигателя с КРО частичные конструктивную и технологическую преемственность с классическими ДВС с КШМ. Третье - разделенный рабочий объем. Конструктивное разделение общего объема на объемы с одной подвижной стенкой -поршнем, обеспечивает надежную герметизацию неподвижного газового стыка, постоянный по длине периметр компрессионного контура простой формы, минимизацию поверхностей теплоотвода. Кроме того, отдельные для каждого объема камеры сгорания обеспечивают лучшие по сравнению с объединенным объемом условия сгорания. Четвертое рекомендуемое решение - прямоугольное сечение поршня. Прямоугольное сечение (в патентной литературе и среди рассмотренных конструкций нередко встречаются поршни торообразной формы) имеет более высокую технологичность, т.е. не требует разработки уникального оборудования, для изготовления самого поршня и дета ИОлей корпуса организующих рабочий объем. Технологичность, в свою очередь, упрощает подготовку массового производства. Прямоугольная конфигурация поршня позволяет применить уплотнения состоящие из нескольких компонентов спроектированных в соответствии с условиями работы. Это важно, так как вследствие возвратно-вращательного характера движения поршня, уплотнительный периметр, по длине, имеет различную скорость движения и по разному подвержен действию поля центробежных сил. Пятое решение касается движения линии уплотнений, целесообразным предполагается применение однонаправленного двиэюения. При однонаправленном движении обеспечивается четкое прилегание уплотнения к поверхности уплотнительной канавки. Конструкция поршня, реализующая однонаправленное движение линии уплотнений минимизирует площадь поверхности теплоотвода и массу поршня. Шестым решением является рекомендация о применении материалов и опыта организации компрессионного контура на двигателях Ф. Ванкеля. Компрессионный контур поршня двигателя Ф. Ванкеля является многокомпонентным и имеет пространственную схему с криволинейными уплотнениями, однако современный уровень производства позволяет серийно выпускать двигатели Ф. Ванкеля. Компрессионный контур поршня ДВС с КРО реализуется в одной плоскости, имеет сходные условия работы, но сравнительно простую конфигурацию. Таким образом, компрессионные элементы ДВС с КРО имеют преемственность с двигателем Ф. Ванкеля, но при этом более технологичны.

В завершении необходимо обозначить и прокомментировать проблемы требующие проведения дополнительных исследований для обеспечения развития ДВС с КРО как отдельного направления двига-телестроения.

Наиболее приоритетная задача следующего этапа - получить экспериментальное подтверждение перспективных свойств механизма

-131выявленных в настоящем исследовании теоретическими методами. Выявленные особенности и свойства механизма ДВС с КРО предполагают, что механизм ДВС с КРО имеет относительно КШМ наиболее распространенного в ДВС, более выгодную позицию по ряду параметров. Это повышенный индикаторный к.п.д., низкие механическое сопротивление, уровень вибрации и уровень механического шума, лучшие литровая мощность, удельная масса и удельный расход. Данные заключения синтезированы теоретически на основе анализа результатов исследования и проведения аналогии с КШМ. Таким образом, приоритетной задачей последующих исследований является экспериментальное подтверждение выявленных теоретическим путем перспективных свойств ДВС с КРО.

Следующей по приоритетности задачей является проведение отдельных исследований для оптимизации параметров характеризующих рабочий процесс и параметров характеризующих геометрию деталей двигателя. Необходима оптимизация процесса в рабочей полости формы сектора кольца: выбор геометрии полости, размещение и выбор органов газообмена, выбор формы и расположения камеры сгорания. Также требуется оптимизация геометрических параметров характеризующих рабочий объем с точки зрения минимизации инерционных нагрузок и поверхности теплообмена. Отдельный вопрос -оптимизация привязки поршня к качающемуся рычагу с целью обеспечения гарантированного минимального зазора между поршнем и поверхностями рабочего объема. Необходимы исследования по выбору оптимальных материала, геометрии и схемы уплотнений компрессионного пояса поршня. Для оптимизации рабочего процесса требуется исследование влияния различной симметричности ходов сжатия и расширения на параметры двигателя.

В качестве суммы выявленных фактов и полученных эмпирических данных сформулированы выводы.

1. Акимов C.B., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов./ М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2003. -384 е.: ил.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: Учеб. Для втузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1988. - 640 с.

3. Басс Б.А. Свечи зажигания. Краткий справочник. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2002. - 120 с.

4. Бениович B.C., Апазиди Г.Д., Бойко A.M. Ротопоршневые двигатели./-М., «Машиностроение». 1968. 151 е.: ил.

5. Борзе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях/ М.: Машиностроение, 1969. - 248 с.

6. Васильев Б.Н. К вопросу о механических потерях в автомобильных двигателях// Академия наук СССР лаборатория двигателей. Поршневые двигатели внутреннего сгорания. Труды конференции по поршневым двигателям/ М.: Изд-во академии наук СССР, 1956. - С.229-236.

7. Вибе И:И. Новое в рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя/ Свердловск.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962. - 272 с.

8. A.C. Орлина./-М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1955. 536 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». /

10. B.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, М.Г. Круглова./ 4-е изд., перераб. и доп./- М.: Машиностроение, 1990. - 28 с.

11. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания / В.М.Кондрашов, Ю.С.Григорьев, В.В.Тупов и др. М.: Машиностроение, 1990.-272 с.

12. Каталог легковых автомобилей 2004 г: Автожурнал XXI век. -М.: ООО Изд-во «Премьера», 2004. 368 с.

13. Лефёров A.A. Сравнение рабочих циклов ДВС с различными преобразующими механизмами с учетом закона изменения объема при расчете процесса сгорания. М.:, 2005. - Деп. в ВИНИТИ. 27.05.05, №753-B200S.

14. Мишин И.А. Долговечность двигателей/ М.: Машиностоение, 1968.-260 с.

15. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания (теория, конструкция и расчет)/ М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1959. - 344 с.

16. Мотоцикл теория, конструкция, расчет / С.Ю.Иваницкий, Б.С.Карманов, В.В.Рогожин, А.Т.Волков. -М.: Машиностроение, 1971.-408 с.

17. Объемная роторная машина: A.C. SU 1255718 AI / Е.Г.Гребень и В.В.Геращенко, Могилевский машиностроительный институт.-№3864139/25-06; Заявл. 05.03.85; Опубл. 07.09.86.-Бюл. №33. 3 с.

18. Орлин A.C. Двухтактные легкие двигатели. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1950. - 320 с.

19. Росс Твег. Системы зажигания легковых автомобилей. Устройство, обслуживание и ремонт./ М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2002. - 96 с.

20. Ротоно-поршневой двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2033542 С1 / Булулуков Владимир Алексеевич. -№5014279/06; Заявл. 14.11.1991; Опубл. 20.04.1995 Бюл. №11 -9 с.

21. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2030606 С1 / Ю.М.Дюрягин и А.А.Домарацкий. -№4330194/23; Заявл. 16.10.1987; Опубл. 10.03.1995 Бюл. №7 -Зс.

22. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2109966 С1 / Борик Амбрацунович Айрапетян. -№94044474/06; Заявл. 21.12.94; Опубл. 27.04.98 Бюл. №12 -4 с.

23. Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания Ю.М. Лужкова: Евразийский патент №001184 / Лужков Ю.М. -№200000636; Заявл. 01.03.2000; Per. 13.09.2000. Опубл. 2000.10.30 Бюл. №5.

24. Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания Ю.М. Лужкова: Евразийский патент №003841 / Лужков Ю.М. -№200100510; Заявл. 02.28. 2001; Per. 06.17.2003. Опубл. 10.30.2003 Бюл. №5.

25. Роторный двигатель: Патент РФ RU 2063526 С1 / А.В.Староверов и В.В.Староверов. -№94006058/06; Заявл. 22.02.94; Опубл. 22.02.94 Бюл. № 19 6 с.

26. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту автомобилей BMW серии 7 выпуска 1977-1986 г. И 1986-1994 г. М.: Фолио, 2003. - 216 с.

27. Рык Г.М. Эффективность анодирования поршней тракторных двигателей/-М.: Машиностроение, 1965 №5.

28. Синтез плоских механизмов / И.И.Артоболевский, Н.И.Левитинский и С.А.Чекркудинов./ М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. -1084 с.

29. Системы поршневых и комбинированных двигателей / A.C. Орлин, В.П. Алексеев, Д.Н. Выбурнов и др. Под ред. A.C. Ор-лина./ 4-е изд., перераб. И доп./ - М.: Машиностроение, 1973.

30. Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2076218 С1 / Сергеев Михаил Григорьевич. №92007693/06; Заявл. 24.11.92; Опубл. 27.03.97 Бюл. № 9 - 6 с.

31. Стечкин Б.С. Избранные труды: Теория тепловых двигателей. -М.: Физмат, 2001. 432 с.

32. Ховах М.С. и Маслов Г.С. Автомобильные двигатели/ 2-е изд., перераб. и доп./ - М.: Машиностроение, 1971. - 456 с.139 ~

33. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2038494 Cl / В.В.Прибылов и Д.В.Прибылов. -№4936816/06; Заявл. 16.05.1991; Опубл. 27.06.1995 Бюл. №18 -4 с.

34. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ RU 2101520 Cl / Седунов Игорь Петрович. -№96107340/06; Завл. 12.04.96; Опубл. 10.01.98 Бюл. № 1 6 с.

35. Яманин А.И., Жаров А.В. Динамика поршневых двигателей: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 2003. - 464 с.

36. Moteur a piston rotatif: Brevet d'ivnention Republique Française 2.121,906/Karl Woywode. №71.00649; Заявл. 11.01.1971 ; Опубл. 25.08.1972 B.O.P.I. - «Listes» n. 34 - 7 c.

37. Opposed piston power unit: United States Patent 3,910,239/Richard James. -№ 478,173; Заявл. 10.06.1974; Опубл. 07.10.1975 12 с.

38. Rotary internal combustion engine: United States Patent 3,789,809/Emil Georg Schubert. -№248,863; Заявл. 01.05.1972; Опубл. 05.02.1974-7 с.

39. Rotary internal combustion engine: United States Patent 5,261,365/Daniel J. Edwards. №32,622; Заявл. 17.03.1993; Опубл. 16.11.1993.-9 с.