Підвищення потужності ДВС через підвищення його ефективності

Підвищення потужності ДВС через підвищення його ефективності

Матеріал підготував: Володимир Мейліцев

Чи можна значно підвищити потужність і ККД звичайного двигуна своєї машини? І зробити це без складної механічної обробки, а лише змінивши деякі настройки циклу, з мінімальними втручаннями в конструкцію? І не кустарно, як це часто буває, не шляхом проб і помилок, а нормальним інженерним шляхом, попередньо провівши необхідні розрахунки і знаючи, який повинен вийти результат і чому саме такий?
Схоже, можна. У всякому разі, Володимир Червяков, інженер з Тольятті, не тільки концептуально обґрунтовує шлях значного підвищення характеристик ДВС, а й пропонує методику розрахунку, яку він перевірив сам і яку може перевірити «на собі» кожен читач.
Це не стаття в звичному розумінні. Це скоріше історія, що почалася для редакції у квітні минулого року, коли до нас прийшло це лист (надалі всі тексти, які прийшли від В. Червякова, я буду давати з мінімальними редакторськими правками, щоб не спотворити випадковим нерозумінням сенс, вкладений автором).

Прочитав в вашому журналі ( «ТМ» №10, 2006) статтю «Аеродинаміка - криза класичної теорії». Пропоную іншу, не менш цікаву тему - про двигун внутрішнього згоряння.
Я інженер-механік, і мене зацікавило, чому такий низький ККД в двигунах внутрішнього згоряння? Вирішивши цю задачу як інженер, я потім познайомився з загальноприйнятою теорією. Виявилося, що сучасні розрахунки ДВС грунтуються тільки на законах термодинаміки, без урахування законів механіки. Свої думки я виклав у статті, яку вам і висилаю. З нею я виступав на конференції в МВТУ ім. Баумана, яка проходила у вересні 2007 року.
Цікаво ще й те, що на конференції був і винахідник з Дагестану, який їздить на машині зі ступенем стиснення 25 (двигун бензиновий); у мене - 13. Наша відмінність в тому, що я спочатку розрахував, а потім зробив; а він зробив «інтуїтивно».
Хотілося б цю тему обговорити на сторінках вашого журналу.
З повагою
Володимир Червяков.

Нижче я привожу перший варіант статті, надісланий автором разом з цим листом. Згодом текст був доопрацьований, і ми плануємо розмістити його в одному з найближчих номерів нашого журналу.
А поки - читайте варіант від квітня 2008 року:

Автор: Червяков В.І., м Тольятті

ПІДВИЩЕННЯ ПОТУЖНОСТІ двигунів внутрішнього згоряння ЧЕРЕЗ ПІДВИЩЕННЯ ЙОГО ЕФЕКТИВНОГО ККД.

Сучасна теорія розглядає тільки тепловий розрахунок двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), хоча будь-який двигун - це не тільки теплова машина, але і механізм зі своїми методами перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертання валу; найбільш поширений - кривошипно-шатунний механізм (КШМ).

Мал. 1

Індикаторна діаграма реального зміни тиску в поршневому двигуні з кривошипно-шатунним механізмом дуже наочно зображується в так званій P, V-діаграмі (Рис. 1). Як бачимо, в реальному двигуні тиск змінне. За прийнятою методикою діаграма тиску в циліндрі двигуна перетворюється в середнє індикаторне тиск Pi, і далі розглядається процес при p = const - як переміщення поршня під дією постійної сили.

Найбільш близьке до такого теоретичного процесу перетворення теплової енергії в механічну відбувалося б в парових двигунах з рейковою передачею крутного моменту на вал (якби такі двигуни існували). В цьому випадку пар в циліндр подається при постійному тиску (постійна сила, діюча на поршень), і постійна довжина плеча забезпечує постійний опір, обумовлене обертанням вала під навантаженням.

Знаходження роботи як твори сили на переміщення можливо тільки при поступальному русі, тому що в цьому випадку сила постійна, і, відповідно, постійна швидкість переміщення.

У поршневому двигуні з КШМ робота знаходиться як добуток крутного моменту на оберти двигуна, тобто ми розглядаємо не сили, прикладені до поршня, а крутний момент, діючий на вал.

Крутний момент є найважливішою характеристикою будь-якого двигуна. Якби для перетворення теплової енергії в механічну можна було використовувати рейковий механізм (Рис. 2), кінематично пов'язаний з поршнем, то при незмінній довжині плеча (L) на величину крутного моменту впливала б тільки змінна величина сили, що виникає від тиску газів на поршень.

Мал. 2

Сучасна методика розрахунку ДВС на основі середнього індикаторного тиску досить добре відповідає саме цьому варіанту, адже в цьому випадку не треба враховувати зміну плеча - воно постійне. Тоді крутний момент залежить тільки від сили, яка додається до поршня, яка в свою чергу залежить від зміни тиску в циліндрі і від площі поршня. Але рейка разом з поршнем рухається по зворотно-поступальному принципом, і зв'язати безперервне обертання валу зі зворотно-поступальним рухом рейки поки нікому не вдалося. Вирішивши цю задачу, можна різко підняти механічний ККД двигуна.

Якщо ж ми говоримо про реальний ДВС, в якому застосовується КШМ, то сучасна методика не зовсім точно відображає відбуваються в ньому процеси - з двох основних причин:

- тиск в циліндрі зменшується при видаленні поршня від верхньої мертвої точки (ВМТ);

- відбувається зміна довжини плеча, через яке сила прикладена до валу.

Залишивши поки осторонь першу особливість, зосередимося на другий.

Плече в КШМ визначається як перпендикуляр, опущений з осі обертання коленвала на шатун (або на вісь шатуна, якщо шатун і кривошип утворюють тупий кут). Воно змінюється від нуля в ВМТ до максимального значення в той момент, коли кривошип і шатун складають прямий кут, і потім знову до нуля в НМТ (нижній мертвій точці).

До речі, ВМТ і НМТ тому і називаються «мертвими», що в цих точках не здійснюється ніяка робота. В ВМТ сила, прикладена до поршня, максимальна, так як в цей момент в циліндрі якраз створюється максимальний тиск (Рис. 1). Оскільки в ВМТ ця максимальна сила не здійснює роботу, то все навантаження від неї передається на опорні шийки коленвала, що призводить до перевантаження кривошипно-шатунного механізму і різкого зниження ресурсу двигуна. Також в ВМТ самі максимальні теплові втрати: так як теплова енергія не перетворюється в механічну, то вся теплота віддається через систему охолодження в навколишнє середовище. Доповнює картину тепловий удар по поршню і голівці циліндрів.

Тепер про першу із зазначених вище особливостей ДВС.

Як уже сказано, сучасний розрахунок ДВС відбувається через знаходження середнього індикаторного тиску. Середнім індикаторним тиском називають таке умовне, однаковий за величиною тиск - Pi, Рис. 1, - яке, діючи на поршень, за один його хід від ВМТ до НМТ здійснює роботу, рівну корисної праці газів за робочий цикл. Як бачимо з визначення, в розрахунку ДВС не враховується нерівномірність тиску по ходу поршня. Але ж насправді гази розширюються, тиск падає. Картину ускладнює ще той, що передбачається обертання колінчастого вала з постійною кутовою швидкістю. Це означає, що швидкість зміни обсягу в циліндрі (швидкість переміщення поршня) не постійної - в ВМТ і НМТ (нижня мертва точка) вона взагалі дорівнює нулю.

Виходить, що усереднення тиску, зручне для спрощення розрахунків, по суті справи в корені не вірно, воно призводить до помилки в розумінні ДВС. Фактично ми через умовну величину проводимо розрахунок реального двигуна. Треба визнати, що, внаслідок використання великої кількості емпіричних залежностей, розрахунок виходить досить точним; але не дає справжнього розуміння роботи ДВС.

Для того щоб врахувати кінематику ДВС і наблизити розрахункову методику до реальної картини його функціонування, пропонується покласти в основу такої методики крутний момент.

Для знаходження його побудуємо діаграму індикаторного тиску в залежності від кута повороту колінчастого вала (Рис. 3) і діаграму зміни довжини плеча в залежності від кута повороту кривошипа (Рис. 4). Місце знаходження максимальної довжини плеча по куту повороту коленвала залежить від відношення довжини шатуна до кривошипа. Чим довше шатун, тим ближче максимальне плече до 90º після ВМТ; чим коротше шатун, тим ближче максимальне плече до ВМТ.

У реальному двигуні максимальне плече лежить в діапазоні від 70º до 85º. Чим ближче максимальний тиск і максимальне плече один до одного по куту повороту коленвала, тим більше крутний момент. Пунктирною лінією на Рис. 4 показано, як змінюється довжина плеча від кута повороту кривошипа реального двигуна ВАЗ-2106.

Мал. 5. Діаграма крутного моменту.

C урахуванням цих двох діаграм побудуємо індикаторну діаграму крутного моменту (Рис. 5). Як бачимо з діаграми, максимальний крутний момент знаходиться близько 35º градусів від ВМТ по ходу обертання колінчастого вала при робочому такті в двигуні з зовнішнім сумішоутворенням, і в 35º до ВМТ в момент стиснення робочої суміші. Індикаторну діаграму крутного моменту найзручніше будувати без урахування площі поршнів. Всі постійні величини (площа поршня, кількість поршнів і т.д.) зручно підставляти вже при остаточних розрахунках. Корисний крутний момент за один цикл, який чинять газами, визначається різницею площ F1 і F2 (Рис. 5).

За загальноприйнятими методиками розрахунки ДВС ведуться для ВМТ. Вважається, що вона оптимальна, хоча, як ми вже з'ясували, насправді вона «мертва». Виходячи з вищесказаного, максимальний крутний момент для кожного двигуна буде індивідуальним, він залежить від геометричного розташування (по куту повороту коленвала від ВМТ), довжини шатуна, довжини кривошипа і ряду інших параметрів. Хочеться підкреслити, що підвищення ефективності роботи двигуна можна досягти, навіть тільки ЗМІНЮЮЧИ СТАВЛЕННЯ довжини шатуна і радіус кривошипа, тобто ЧИСТО геометричних параметрів.

Мал. 6. Цикл при підводі тепла на розширенні.

Якщо побудувати діаграму циклу, виходячи з усього вище сказаного, то виходить, що оптимальним для поршневого двигуна з КШМ, є цикл зі зміщеним підведенням тепла, тобто на розширенні. Підвищення тиску повинно бути теж на розширенні (рис. 6). Цей універсальний цикл прийнятний для двигунів з будь-яким типом сумішоутворення - як зовнішнім, так внутрішнім.

Тут можна відзначити перевагу дизельного двигуна. Його відмінна риса полягає в тому, що уприскування палива розтягнутий за часом (по куту повороту), і процес згоряння, а значить, і максимальний тиск, знаходяться в найбільш сприятливому становищі по довжині плеча - тим самим створюється високий крутний момент. Тобто чим далі максимальний тиск від ВМТ по ходу обертання коленвала, а значить, ближче до максимуму по плечу, тим вище ККД двигуна. Звідси висновок: у будь-якого сучасного двигуна є резерви по підвищенню потужності і по зменшенню витрати палива. Показовим в цьому випадку є помітна відмінність ефективного ККД у бензинового і дизельного двигунів.

Розрахунок ДВС на прикладі двигуна ВАЗ-2106.

Виклавши теоретичні передумови, ми тепер можемо запропонувати методику для визначення найкращих параметрів бензинового двигуна. Нашою метою буде отримання максимального значення крутного моменту шляхом вибору місця (по куту повороту коленвала), в якому слід розташувати розрахункову ступінь стиснення.

Як приклад візьмемо перерахунок двигуна внутрішнього згоряння ВАЗ-2106 з об'ємом 1600 см3 і ступенем стиснення 8,5 одиниць.

Побудуємо порівняльні індикаторні діаграми крутного моменту для такту стиснення (нижня крива) і такту розширення (верхня крива). Розрахункова ступінь стиснення для базового двигуна розташована в ВМТ (Рис. 7), відповідно отримаємо, що площа, обмежена двома кривими (корисний крутний момент), становить 31 умовну одиницю. Якщо винести максимальний тиск за ВМТ на 20º (Рис. 8), то площа діаграми становитиме 38 одиниць, тобто приріст крутного моменту складе 25%. Якщо винести максимальний тиск за ВМТ на 34º (Рис. 9), то площа діаграми становитиме 44 одиниці, і приріст крутного моменту складе 40% по відношенню до базового розрахунку.

Знаходження оптимального крутного моменту для двигуна розглядається при одних і тих же параметрах по тиску і по довжині плеча, тобто для одного двигуна. Приріст потужності вийшов за рахунок оптімітізаціі зняття крутного моменту коленвалом, тим самим ми забезпечили підвищення термічного ККД двигуна в порівнянні з базовою моделлю.

* * *

Для практичної перевірки цього методу розрахунку був обраний другий варіант збільшенні потужності. Максимальний тиск було встановлено в 20º від ВМТ на двигуні ВАЗ-2106. Це дало у верхній мертвій точці ступінь стиснення 13 одиниць. Потужність двигуна зросла до 98 к.с. замість 75 к.с. по паспорту, приріст склав більш ніж 30%. Витрата палива знизився на 24% і становить 5,5 літрів на 100 км.

Автор: Володимир Мейліцев