Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы конструирования двс с качающимися рабочими органами 24
1.1. Существующие и предлагаемые конструкции ДВССКРО 24
1.2. Классификация двигателей с кро 28
1.3. Конструктивные особенности
Двигателей с кро 39
Глава 2. Математическая модель кинематической схемы двс с качающимися рабочими органами 45
2.1. Структурный анализ механизмов двс с кро. Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма 45
2.2. Свойства кинематической схемы двс с кро... 57
2.3. Кинематический анализ двс с кро. Характерные параметры математической модели. Частные случаи кинематической
Схемы механизма 68
2.4. Выводы 81
Глава 3. Демонстрационный модельный двс с качающимися рабочими органами 82
3.1. Назначение и основные параметры 82
3.2. Конструкция 83
3.3. Кинематическая схема 90
3.4. Газораспределение 96
Глава 4. Модельного двигателя 105
4.1. Испытания и полученные экспериментальные данные 105
4.2. Проблемы и особенности, выявленные при испытаниях 118
Заключение 123
Выводы 132
Библиографический список
Использованной литературы
- Существующие и предлагаемые конструкции ДВССКРО
- Классификация двигателей с кро
- Структурный анализ механизмов двс с кро. Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма
- Проблемы и особенности, выявленные при испытаниях
Введение к работе
Исследование посвящено схеме ДВС, с альтернативным кривошипно-шатунному1 механизму (КШМ), механизмом преобразования энергии газов в работу на валу. Данная тема предлагает сформировать облик ДВС, в котором используется кинематическая схема с ка-чающимися 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 .
рання 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
0J
»—«- _ 326-4 393.6 """"«s 0.2 1 1 1 1 1 1— —( 1 1 1 1 1 1 1
320.4
180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 5
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 VC (Va- полный объем рабочей полости) до объема камеры сгорания Vc в в.м.т. и обратно к 2 VC, а также видна несимметричность закона механизма с КРО относительно в.м.т. Причем в указанном диапазоне изменения объема 2 VC— VC—2 VC 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 дав лении. Расчет демонстрирует достижение максимального термического к.п.д. в цикле с подводом всего тепла при V=const.
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
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.
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 поджатия 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 тоты вращения остается постоянной или незначительно снижается. Сила трения юбки поршня - боковая сила зависит от угла качания шатуна (т.е. кинематического соотношения A=R /L) 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 18 000...20 000 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 услови-ях 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 увеличи вает 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 Х1Х-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, кото рое 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.
2. 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»;
2. 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.
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.
Существующие и предлагаемые конструкции двсскро
С целью получения объективной картины о современном состоянии проблемы конструирования ДВС с КРО рассматриваются известные автору существующие конструкции двигателей с КРО, а также конструктивные решения опубликованные в открытой печати. Как будет показано ниже путем сравнения существующих и предлагаемых конструкций выявлены характерные признаки, в соответствии с которыми выполнена классификация конструкций ДВС с КРО.
Исходными данными и методологической основой исследования ДВС с КРО послужили конструкции моделей разработанных в научно-техническом центре им. А. Люльки филиале ОАО «НПО «Сатурн» (далее: предприятие), другие реализованные отечественные решения, а также отечественные и международные патенты.
Для начала подробно рассмотрим конструкцию моделей двигателей с КРО разработанных на предприятии. Конструктивные решения, разработанные и исследуемые на предприятии, в данной области моторостроения основаны на применении роторной схемы. Основными конструктивными элементами моделей являются: ротор с размещенными в нем качающимися поршнями (лопатками) и статор - неподвижный корпус с органами газообмена и направляющей воспринимающей крутящий момент с оси качания рабочего органа. Лопатки установлены внутри ротора на осях качания, а на внешней части ротора на осях качания лопаток установлены кривошипы (рычаги), которые через подшипники качения, по средствам обкатывания направляющей, обеспечивают кинематическую связь ротора и корпуса и преобразуют ротора. Механизм преобразования энергии сгорания газа во вращение выходного вала имеет разнесенную в пространстве плоскую кинематическую схему, т.е. преобразование крутящего момента на оси поршня во вращение ротора происходит в плоскости параллельной плоскости качания поршней. а) б) в) Рис. 3. Кинематика роторных моделей двигателей с КРО разрабатываемых в НТЦ им. А. Люльки. а) и б) вариант с четырехтактным рабочим циклом, совершаемым за один оборот; в) и г) вариант с двухтактным рабочим циклом. 1 - ротор; 2 - качающийся рычаг; 3 - качающийся поршень; 4 - корпус; 5 - ролик; 6 - направляющая.
На предприятии разрабатывались четырех и двухтактные модели рис. 3. В моделях с четырехтактным циклом применялась направляющая сложной траектории с двумя противолежащими максимально удаленными, относительно оси вращения ротора и двумя минимально удаленными точками. С такой направляющей механизм совершает четыре такта за один оборот ротора. Подобная конструкция позволяет последовательно, по окружности разместить органы газообмена и камеру сгорания на неподвижном корпусе модели. На всех моделях двигателей с КРО разрабатываемых на предприятии исполь зовались органы газообмена золотникового и оконного типа. Параллельно с настоящим исследованием и с использованием его промежуточных результатов, на предприятии, разрабатывалась двухтактная демонстрационная модель роторного двигателя внутреннего сгорания с КРО, предназначенная для демонстрации работоспособности данной схемы. В двухтактной модели применена, аналогичная предыдущей четырехтактной модели, разнесенная в пространстве плоская схема механизма. Направляющая выполнена кольцевой, имеет одну максимально и одну минимально удаленные от оси вращения точки, при этом механизм совершает два такта за один оборот ротора, аналогично КТПМ.
Четырехтактная и двухтактная модели имеют различные по конструкции роторы, рис. 4. Ротор четырехтактной модели имеет внутренние рабочие полости, в которых размещаются качающиеся рабочие органы. Верхняя мертвая точка механизма соответствует положению поршня максимально удаленному от оси вращения. Поверхность донышка поршня имеет форму образующей цилиндра с диаметром равным диаметру ротора. Функцию, аналогичную головке цилиндра в классических ДВС с КШМ, выполняет неподвижный корпус. Таким образом, газовый стык выполнен подвижным. Двухтактная модель имеет аналогичное расположение рабочих полостей и рабочих органов, однако газовый стык выполнен неподвижным, ротор охватывают секторные головки - детали функционально аналогичные головке цилиндра ДВС с КШМ.
Рабочими органами разработанных на предприятии моделей являются качающиеся поршни - лопатки. Конструктивно лопатка состоит из втулки и рабочей части выполненной в виде сектора кольца прямоугольного сечения, на рис. 5 показан вид с торца лопатки. В конструкциях поршней-лопаток используемых в моделях предприятия ось качания поршня запрессована во втулку лопатки, тем самым обеспечивается связь поршня и рычага-кривошипа взаимодействующего с направляющей.
Теперь рассмотрим другие отечественные решения, примененные при конструировании ДВС с КРО. В музее авиации в г. Монино представлены два варианта моделей роторных двигателей с качающимися рабочими органами, разработанные в советской России в 30-40х гг. XX века.
Классификация двигателей с кро
Хорошо известны общие направления классификации двигателей внутреннего сгорания [9, 19]. В их числе сравнение и разделение двигателей: по количеству тактов рабочего цикла, по типу применяемого топлива, по наличию и способу наддува, по системам газораспределения, охлаждения, смазки, топливопитания, зажигания и управления двигателем, по разделению рабочего объема (количеству цилиндров), по частоте рабочих циклов, по удельным характеристикам и по назначению двигателя. Все перечисленные направления классификации ДВС применимы для двигателей с качающимися рабочими органами. Основным отличием ДВС с КРО является конструкция поршня и После рассмотрения предложенных в патентах схем, на основании изучения конструкций предприятия и отечественного опыта создания двигателей с КРО, с целью систематизации полученной информации синтезирован ряд направлений классификации конструкции двигателей внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами. Ха 30 рактерные конструктивные решения ДВС с КРО представлены выше на рисунках 4, 5, 6, 7, 8 и 9.
1. Классификация по схеме механизма. Одноплоскостная схема механизма. Рис. 7 и 8. Патенты [25, 37, 40, 44]. Механизм реализован в плоскости движения центра поршня или поршней. Преимущества: 1) минимальный изгиб силовых элементов кинематической схемы и соответственно меньшие потери трения; 2) для схем аналогичных изображенной на рис. 6 преемственность с конструкцией ДВС с КШМ. Недостаток: большая по сравнению с параллельной схемой площадь поперечного сечения. Параллельная схема механизма. Рис. 4, 6 и 9. Патенты [21, 26, 28, 31, 32,43, 46]. Механизм реализован в плоскости параллельной плоскости движения центра поршня или поршней. Преимущество: компактность в поперечном сечении. Недостатки: 1) наличие изгибающих моментов в деталях меха низма, соответственно большее механическое сопротивление и 2) увеличение веса деталей для обеспечения жесткости.
2. Классификация по схеме двигателя. Стандартная схема. Рис. 8. Патент [44]. Поршень совершает воз вратно-вращательное движение в ограниченном углом качания неподвижном относительно корпуса секторе.
Преимущество: полная совместимость с современными и пер спективными системами ДВС, т.е. возможно их прямое использова ние без проведения дополнительных разработок. Недостаток: необходимо уравновешивание возвратно-вращательно движущихся масс.
Роторная схема. Рис. 3, 4, 6, 7 и 9. Патенты [25, 26, 27, 28, 31, 32, 37, 40, 41, 43,44,46]. Поршень совершает возвратно-вращательное движение в ограниченном углом качания секторе, который, в сою очередь вращается относительно неподвижной оси. Преимущество: высокая, либо полная уравновешенность по дей ствующим силам. Недостаток: необходима специальная разработка всех вращающихся систем двигателя.
3. Классификация по вариантам механизма. Кривошипно-коромысловый механизм. Рис. 8. Патенты [21,31,37, 44]. Частное решение для шарнирного четырехзвенного механиз ма. Кривошип, наименьшее звено, вращается вокруг одной из сво их осей относительно неподвижного звена и с помощью тяги за крепленной за его вторую ось обеспечивает возвратно вращательное движение коромысла, являющегося рычагом порш ня. Для роторной схемы данный вариант будет называться двух кривошипным, здесь неподвижным звеном является наименьшее по длине.
Преимущества: 1) высокая преемственность с механизмом современных ДВС; 2) простые и давно отработанные вращательные кинематические пары; 3) соответственно высокая надежность конструкции, основное применение - одноплоскостная схема двигателя.
Недостаток: проектирование требует разработки математической модели механизма (решено в настоящем исследовании). Механизм с направляющей сложной формы. Рис. 3 а), 3 б) и 7. Па тенты [25, 40,45, 46]. Ролик на коромысле взаимодействует с на правляющей, которая имеет несколько пар максимально удален ных и максимально приближенных точек.
Структурный анализ механизмов двс с кро. Формирование расчетной схемы математической модели кинематики механизма
В механизме двигателя внутреннего сгорания закон движения выходного звена - вращение выходного вала, должен однозначно определять закон движения входного звена - поршня. Такой механизм обязан иметь замкнутою кинематическую цепь с одной степенью свободы [2].
В приведенной выше классификации определены три основных варианта механизма и две основные схемы двигателя с КРО. Рис. 13. Механизм ДВС с КРО варианта №1: 1 - корпус (звено не показано); 2 - рычаг рабочего органа (коромысло); 3 - тяга; 4 - кривошип.
Механизмы различаются по способу преобразования во вращение выходного вала возвратно-вращательного движения рабочего органа - поршня, жестко связанного с рычагом. Положительную работу таких механизмов характеризует крутящий момент на рычаге рабочего органа. Нарис. 13 представлен механизм ДВС с КРО варианта №1. В этом механизме рычаг рабочего органа 2, тяга 3, кривошип 4 и рабочий объем в корпусе 46 1 - корпус (звено не показано); 2 - рычаг рабочего органа (коромысло); 3 - круглый ролик; 4 - кольцевая направляющая. (стойка) образуют замкнутую кинематическую цепь, так как звенья 2 и 4 входят в кинематические пары со стойкой. Механизм выполнен в одной плоскости. Принцип работы такого механизма: на рычаге рабочего органа поршень создает крутящий момент, который через коромысло преобразуется во вращение кривошипа. Такой механизм у И.И. Артоболевского [35, С.47] имеет название - кривошипно-коромысловый.
В механизме варианта №2 выходное звено - кольцевая направляющая 4, эксцентрично смещенная относительно оси вращения.
В механизме варианта №3 направляющая имеет сложную траекторию и может обеспечивать необходимое количество тактов механизма за один полный оборот выходного звена. На рис. 15 изображена направляющая, являющаяся выходным зве s,_
MfcL JLAJ изображенном на рис. 14 крутящий момент на рычаге 2, с помощью круглого ролика 3, воспринимает
Рис. 15. Механизм ДВС с КРО варианта №3. Направляющая со сложной траекторией (звено корпус не показано).
ном и обеспечивающая выполнение механизмом четырех тактов за один полный оборот, что соответствует возможности реализовать четырехтактный цикл за один оборот вала.
Нарис. 16, 17 и 18 изображены кинематические схемы вариантов механизма ДВС с КРО. Рассматриваемые механизмы являются плоскими, т.е. механизмами, точки звеньев которых описывают траектории лежащие в параллельных плоскостях. Для изучения движения таких механизмов достаточно изучить движение двух точек каждого звена.
Структурная формула для плоских механизмов общего вида -формула П.Л. Чебышева [2, С.38], определяющая число степеней свободы механизма имеет вид: W=3n-2p5-p4, (2) где W- число степеней свободы механизма, п - число подвижных звеньев кинематической цепи,/?5 - число пар V класса мр4 - число пар IV класса.
Механизм варианта №1 (рис. 16) имеет замкнутую кинематиче Рис. 16. Кинематиче- Рис. 17. Кинематическая Рис. 18. Кинематиче ская схема механизма схема механизма вариан- екая схема механизма варианта №1. Шарнир- та №2 с кольцевой на- варианта №3 с направ ный четырехзвенник. правляющей. ляющей сложной тра екториискую цепь и образован четырьмя звеньями, входящими в четыре низших вращательных пары V класса. Механизмы вариантов №2 и №3 (рис. 19 и 20) образованы четырьмя звеньями, входящими в четыре кинематические пары V класса: три низшие вращательные пары и одну высшую пару, состоящую из двух криволинейных звеньев -ролика рычага и направляющей. Звенья 2 и 4 в механизмах всех вариантов входят в кинематические пары А и D, в которые входит неподвижное звено корпус, следовательно, кинематические цепи этих механизмов замкнутые.
При структурном анализе плоских механизмов необходимо определять и удалять лишние степени свободы и пассивные условия связи [2]. Рассмотрим круглый ролик 3 входящий в высшую кинематическую пару V класса С со звеном 4 соприкасающимся с ним по криволинейному профилю. Видно, что при произвольном повороте ролика вокруг точки В, характер движения механизма не изменяется. Следовательно, вращение ролика является лишней степенью свободы.
Проблемы и особенности, выявленные при испытаниях
Во введении в ряду выдвинутых в рамках исследования гипотез предполагается наличие различных проблем конструирования двигателей с КРО.
Созданный модельный роторно-турбинный двигатель характерен отсутствием конструктивной и технологической преемственности, за исключением некоторых элементов систем двигателя. Вследствие чего, решение задачи демонстрации работоспособности потребовало выполнения ряда доработок и изменений конструкции модельного двигателя в процессе испытаний. В ходе доработок проводимых по результатам испытаний выявлены и в требуемой степени устранены проблемы препятствующие решению поставленной задачи. Основными среди выявленных проблем являются: обеспечение герметичности, сепарация топлива из топливовоздушной смеси, снижение уровня механических потерь, организация газообмена и передача вы сокого напряжения на вращающиеся свечи зажигания. Выявленные проблемы можно разделить на три группы.
Первая группа - проблемы общие для двигателей с поршнями совершающими возвратно-вращательное движение. Принципиальным отличием ДВС с КРО от классических ДВС с КШМ является характер движение поршня. Соответственно основная, общая для всех ДВС с КРО проблема это обеспечение герметичности качающегося поршня, т.е. организация компрессионного и если необходимо маслосъем-ного поясов уплотнений и обеспечение герметичности рабочего объема по неподвижным и при наличии по подвижным стыкам. Для поршня суть проблемы, во-первых, заключается в наличии дополнительных условий работы уплотнений и, во-вторых, в конфигурации поршня. А именно уплотнения имеют переменную по длине скорость движения и подвержены действию центробежных нагрузок от возвратно-вращательного движения поршня. Касательно конфигурации поршня, торообразная или в виде сектора кольца прямоугольного сечения форма поршня, при проектировании требует применения специальных конструктивных решений. Для двигателей с двухтактным рабочим циклом, каким является испытанный модельный двигатель, конфигурация рабочего объема в виде сектора кольца, вследствие отсутствия статистических данных, вводит дополнительные сложности и неопределенность при проектировании процессов очистки и наполнения рабочего объема.
Вторая группа - проблемы характерные для ДВС с вращающимися рабочими полостями и вращающимися элементами систем двигателя. Модельный двигатель выполнен по роторной схеме и имеет подвижные камеры сгорания. Реализация в подобном исполнении позволила выявить ряд специфичных проблем. Подвижные камеры сгорания характерны наличием вращающихся свечей зажигания, для которых возникает проблема передачи высокого напряжения от непод вижной системы зажигания. Сущность этой проблемы и меры принятые для её решения описаны выше. Другой принципиальной проблемой оказывающей влияние на работоспособность модели является сепарация топлива из топливовоздушной смеси, возникающая при входе смеси в ротор и проявляющаяся далее, за счет действия поля центробежных сил при газообмене в полостях ротора. Причем наиболее вредной является сепарация на входе в ротор, при которой топливо из свежего заряда не проходит в ротор и выбрасывается в неподвижный корпус двигателя. Незначительной доводки потребовала выполненная по расходному принципу маслосистема двигателя, однако реализация замкнутой маслосистемы при роторной схеме двигателя, при переходе от модельного к экспериментальным и опытным образцам потребует разработки специальных конструктивных решений.
Третья группа - проблемы характерные для данного конкретного модельного исполнения двигателя с КРО. Вопреки исходным предположениям проблемой стала герметизация компрессионного пояса лопатки вблизи оси лопатки. Такая конструкция имеет незамкнутый уплотнительный контур, и потребовала введения дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих необходимую герметичность. Примененная в модельном двигателе реализация параллельной схемы механизма, обеспечивающая компактное размещение поршневых полостей в роторе, оказалась не оптимальной по уровню механических потерь. В процессе доработок механическое сопротивление было снижено в среднем в 1,5 раза.
Наряду с описанными выше проблемами испытания выявили некоторые особенности характерные для данного исполнения двигателя внутреннего сгорания с КРО.
