О конструировании ДВС высокой удельной мощности.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в современной технике занимают столь большое место, что их совершенствование, повышение энергетических, экономических и многих других параметров составляет целые направления в научно-техническом прогрессе.

Мы не собираемся решать какую-то из этих проблем в целом: наша задача - рассмотреть довольно узкий аспект, касающийся повышения удельной мощности ДВС. Эта задача имеет смысл при использовании ДВС в устройствах, общая масса которых соизмерима с массой собственно двигателя. Это могут быть легкие летательные аппараты, различные портативные и переносные мотоблоки, ранцевые двигатели и т.п.

Проблема уменьшения веса ДВС - повышения удельной мощности обычно решается либо одним из трех указанных далее путей, либо их комбинацией:

  • энергетически - повышением энергосодержания цикла за счет повышения термодинамических показателей или увеличением количества циклов в единицу времени;
  • конструктивно - снижением размеров элементов конструкции, например, расположением цилиндров под углом друг к другу или по кругу звездообразно;
  • технологически - применением везде, где это возможно, легких сплавов.
  • Однако даже в лучших конструкциях наиболее распространенных четырехтактных двигателей (ЧДВС) удельная мощность не превышает 1 кВт/кг.Несколько большей удельной мощности достигают двухтактные двигатели (ДДВС), затем - роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПДВС).Наибольшей удельной мощностью обладают газотурбинные двигатели (ГТД).

    Анализируя эту цепочку, легко увидеть, что основным принципиальным различием перечисленных выше ДВС является способ конструктивной реализации термодинамического цикла:

  • в ЧДВС все составляющие цикла совмещены в пространстве и протекают последовательно во времени;
  • в ДДВС составляющие цикла попарно разнесены в пространстве и также попарно параллельны во времени;
  • в РПДВС пространственное разделение осуществлено по трем рабочим зонам, что позволило Ванкелю обеспечить частичное временное перекрытие составляющих цикла, хотя процесс попрежнему остался прерывным (см. "Двигатели внутреннего сгорания", под редакцией А. С. Орлова и М. Т. Круглова, Машиностроение, 1984, т.3, с. 261);
  • в ГТД все составляющие цикла разнесены в пространстве и совмещены во времени (непрерывны).
  • Это означает, что рабочий объем ЧДВС только четверть времени использует для извлечения энергии из топлива, а остальное время занято вспомогательными процессами. Даже частичное изменение этого способа в ДДВС - попарное разнесение составляющих цикла в пространстве и их совмещение во времени дает существенный выигрыш в удельной мощности.

    Наиболее полно пространственное разнесение составляющих термодинамического цикла и их совмещение во времени реализуется в газотурбинных двигателях (ГТД). Эти двигатели (без дополнительных агрегатов, прежде всего - редукторов) достигают удельной мощности в несколько кВт/кГ, лучшие образцы реализуют значения удельной мощности до 6 кВт/кг.

    На основе изложенного очевиден 1-й принцип повышения удельной мощности ДВС: осущесвление непрерывного сгорания топлива путем пространственного разделения составляющих термодинамического цикла ДВС.

    Полная реализация этого принципа в ГТД должна была бы обеспечить им подавляющее преимущество перед всеми остальными ДВС. Однако, принципиальной особенностью газотурбинных двигателей является необходимость преобразования внутренней энергии рабочего тела в макрокинетическую энергию газового потока, преобразуемую потом средствами газовой динамики в выходную механическую энергию.

    Вследствие этого повышение энергосодержания рабочего тела означает при прочих равных условиях увеличение скорости газового потока, следовательно, увеличения угловой скорости ротора. В устройствах же, о которых мы здесь говорим, требуется прежде всего крутящий момент, а это в свою очередь приводит к необходимости редукции скорости вращения выходного вала.

    Масса редуктора порой превышает массу самого двигателя и существенно ухудшает суммарные характеристики. Именно в этих случаях ДВС дискретного горения, несмотря на низкую удельную мощность самого двигателя, в целом оказываются выгоднее ГТД. Их преимущество в данном случае заключено в более короткой цепи преобразований энергии: внутренняя энергия рабочего тела, одной из форм проявления которой является давление, совершает внешнюю механическую работу именно за счет давления, без промежуточных преобразований.

    Таким образом появляется возможность сформулировать второй принцип (который, вообще говоря, и без того очевиден): минимизация преобразований энергии.

    Удачной иллюстрацией реализации второго принципа является конструкция дизель-молота: внутренняя энергия рабочего тела превращается непосредственно в кинетическую энергию молота (разумеется, применительно к дизель-молоту не следует говорить об удельной мощности - здесь масса диктуется другими соображениями).

    Изложенные выше соображения достаточно тривиальны и вряд ли заслуживали бы обсуждения сами по себе, без иллюстрации их применения. Именно к демонстрации работоспособности изложенных принципов мы и намерены перейти.

    1. Роторный двигатель непрерывного горения.

    В соответствии с изложенными принципами автором разработан роторный двигатель непрерывного горения (типа РДК), патентное право на который принадлежит Академии Технического Творчества (приоритет от 27.11.97). В патентных материалах указано, что роторный двигатель содержит раздельные камеру сжатия, демпферную камеру, камеру сжигания и камеру расширения.

    Иначе говоря, в предлагаемом ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что обеспечивает непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС.

    Коструктивно в РДК обеспечены: политропность процессов сжатия и расширения, изотермическое дросселирование между демпферной камерой и камерой сжигания и изобарический процесс сжигания топлива, что хорошо видно на приведенном ниже рисунке.

    Рис. 1. Термодинамический цикл РДК (сплошная линия),цикл ГТД (прерывистая линия) в сравнении с идеальным (пунктир )

    Сравнивая термодинамический цикл РДК (рис. 1) с циклом ГТД, легко видеть их близость между собой. Однако РДК, непосредственно использующий давление рабочего тела, способен работать в режиме малых (до единиц в секунду) угловых скоростей и, соответственно, больших вращающих моментов.

    Поскольку камера сжатия и камера сгорания отделены друг от друга демпферной камерой, а камера расширения размещается в другой относительно камеры сжатия полости, отсутствует возможность прорыва горящей смеси к сжимаемой, что снижает требования к уплотнениям и повышает моторесурс ДВС.

    Кроме того, профили полостей корпуса и ротора более просты (прямые круговые цилиндры), и, соответственно, ДВС более технологичен (чем, например, двигатель Ванкеля). Еще одной особенностью конструкции является унификация узлов РДК, что дает возможность выбора мощности двигателя в пределах некоторой серии изменением осевых длин деталей двигателя, без изменения каких-либо других размеров.

    Рис. 2. Общий вид РДК (аксонометрия).

    На основе базовой модели разработаны модификации:

  • РДК-Ф - роторный двигатель непрерывного горения форсированного режима,
  • РДК-С - роторный двигатель непрерывного горения с внутренней стабилизацией угловой скорости и
  • ОРДК - обращенный роторный двигатель непрерывного горения.
  • Последняя из моделей предназначена для установки в ступице колеса и рассчитана на угловые скорости в единицы оборотов в секунду.

    Конструктивно проработаны 4 серии РДК (рис. 2), рассчитанные на различные выходные мощности при 3000 об/мин (табл.1). В каждой серии остаются неизменными радиальные размеры, мощность же изменяется за счет продольных размеров.

    Это позволяет получать заготовки для двигателей различной (в пределах серии) мощности высокопроизводительными технологиями - прокатом, нерерывным литьем и т.п.

    Данные серий роторных двигателей типа РДК.

    Общие функциональные данные серий:

    (В последней колонке таблицы указан расход рабочего тела: смеси воздуха с горючим).

    В настоящее время Инновационная научно-производственная фирма "Турботехника" по договору с АТТ организует опытное производство РДК-10 мощностью 20 кВт.

    Предварительная оценка показывает, что при использовании обычных конструкционных материалов масса двигателя не превысит 4 кг.

    2. Портативный водометный двигатель.

    Если в РДК, описанию которого посвящен предыдущий раздел, применен главным образом первый из сформулированных принципов, то следующая разработка эксплуатирует второй принцип. В основу разработки положена конструкция дизель-молота.

    Два спаренных дизель-молота, противофазность работы которых обеспечена соединяющей поршни кулисой, обеспечивают передачу энергии от рабочего тела (через поршень) ускоряемой порции воды.

    Рис. 3. Внешний вид водометного двигателя типа ПВДК-4.

    Разработка (автор ее - автор настоящей статьи) является собственностью АТТ и по договору право на ее опытное производство передано МЦВТ. В настоящее время готовится конструкторская документация на опытный образец, внешний вид которого представлен выше.

    Двигатель, показанный на рис.3, при указанных размерах имеет следующие параметры:

    Указанная модель - лодочный двигатель для надувных и маломерных лодок, удобный для применения на малых глубинах, особенно с каменистым дном. Однако, заложенные в нее возможности позволяют использовать ее так же, как и РДК, в качестве базовой, на ее основе разрабатываются вариант трюмной водоотливной мотопомпы и вариант индивидуального ранцевого пожарного водомета.