Цикл Севцова

Еще в 1900 году Дизель продемонстрировал двигатель, работающий на арахисовом масле. В настоящее времени во всем мире широким фронтом развернулись работы по производству биодизеля. А значит, вопрос, на чем двигаться транспорту после истощения запасов нефти и газа при применении дизелей, в будущем не стоит.

Что касается дня сегодняшнего, то рассматриваемые в статье двухтактные дизели имеют широкое применение. Они популярны на магистральных тепловозах, на гражданских судах и военных кораблях, подводных лодках. Харьковские танки тоже оснащаются двухтактными дизелями, которые по сравнению с четырехтактными при работе не требуют двух дополнительных тактов (ходов поршня) на продувку, наполнение, очистку цилиндра и поэтому компактнее четырехтактных примерно в 1,5 раза. Для снижения веса и размеров бронированной машины это немаловажно. Двухтактные дизели со встречными поршнями имеют большую теплонапряженность, чем обычные двухтактные и тем более четырехтактные дизели, что упрощает создание многотопливного двигателя. Для танка это также важно. Неудивительно, что свой новый танк «Оплот» харьковчане также планируют оснастить двухтактным дизелем.

Хорошие результаты дает применение двухтактных дизелей и в автомобилестроении. Так, к примеру, двухтактный дизельный двигатель мощностью 61 л.с. пятиместного японского городского автомобиля «Дайхатсу-Сториа 2СД», известного в Европе под названием «Сирион», потребляет около 3 литров топлива на 100 км пробега авто. Перечисленные обстоятельства делают разработку новых рабочих процессов (циклов) дизелей актуальными. Наша идея предполагает повышение топливной экономичности двухтактных тронковых дизелей с любой схемой газообмена путем их перевода на новый рабочий цикл.

Из курса термодинамики известны три цикла работы ДВС по признаку подвода теплоты:

1. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении — цикл Дизеля.

Именно так работали первые дизели с подачей топлива за счет воздуха от внешнего компрессора высокого давления. Из-за больших энергозатрат на привод компрессора в настоящее время такие двигатели не строят.

2. Цикл со смешанным подводом теплоты в двигателе с воспламенением от сжатия при постоянном объеме и при постоянном давлении — так называемый цикл Г.Тринклера. По данному циклу работают все современные четырехтактные и двухтактные дизели.

3. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, но только для двигателей с принудительным воспламенением — цикл Отто. Так работают современные карбюраторные двигатели.

Согласно термодинамике, наиболее экономичный цикл для ДВС — с подводом теплоты при постоянном объеме. Однако экономичность цикла Отто ограничена относительно малой степенью предварительного сжатия рабочей смеси из-за возможного возникновения детонации. Поэтому логично было бы предложить работу дизелей, у которых степень сжатия ограничивается только прочностью деталей, с подводом теплоты только при постоянном объеме. К сожалению, в любых дизельных двигателях невозможно мгновенное воспламенение смеси при нахождении поршня в ВМТ классического кривошипно-шатунного механизма, как в бензинових двигателях Отто. Для дизелей необходимо время на впрыск топлива, его смешивание с нагретым воздухом в камере сгорания и воспламенение от контакта с воздухом. Поэтому часть топлива в классическом дизеле догорает при отходе поршня от ВМТ — при постоянном давлении, что, как известно, термодинамически не рационально.

Предположим, что ситуацию можно исправить, если обеспечить выстой поршня в его верхней мертвой точке заменой кривошипно-шатунного механизма другим устройством. Анализ известных автору идеи механизмов показывает наличие у них следующего неустранимого принципиального недостатка: рост газовых давлений и механических сил при выстое поршня приводит к росту затрат кинетической энергии маховика на прокручивание вала двигателя для проскока зоны выстоя. Таким образом, возникло техническое противоречие: поршень должен покоиться при сгорании топлива для повышения экономичности, но при существующей схеме кривошипно-шатунного механизма такое удержание поршня потребует дополнительной затраты кинетической энергии маховика двигателя.

Нам видится такое решение описанного технического противоречия рабочего цикла двухтактных дизелей:

На рисунке изображены следующие элементы: 1. Поршень; 2. Компрессионные кольца; 3. Маслосьемные кольца; 4. Незамкнутая трапеция из рессорной стали; 5. Маслоподводящий канал (для охлаждения поршня 1); 6. Шатун; 7. Заклепки холодной ковки.

Точка «О» соответствует центру вращения кривошипного вала двигателя. Ось «ОЦ» является вертикальной осью рабочего цилиндра двигателя. Расстояние между осями — вращения коленчатого вала и центральной осью стержня шатуна 6 при положении поршня 1 в ВМТ на рисунке «О-а» составляет дезаксаж кривошипно-шатунного механизма. Стрелкой n дв. указано направление вращения коленчатого вала.

Принцип осуществления нового рабочего цикла двухтактного дизеля понятен из приведенной схемы. Кстати, если использовать известную функциональную инверсию, то предложенный механизм похож на качающий нефть скважинный насос с его усеченным шкивом и лентой, связаной со скважинным штоком. В обоих случаях в общем виде имеем ленточно-шкивовый механизм.

На схеме видно, что при вращении коленчатого вала шатун будет своим профильным Т-образным оголовком навиваться то на одну, то на другую ветвь упругой трапеции. При этом будет изменяться дезаксаж двигателя — то есть полюс шатуна помимо обычных перемещений вдоль рабочего цилиндра будет иметь возможность перемещений поперек цилиндра. Переброс полюса шатуна по прямой, перпендикулярной стенке цилиндра, от одной стороны стенки рабочего цилиндра к другой и обратно, и станет выстоями поршня в его обеих мертвых точках. Выстой в верхней мертвой точке позволит уйти от цикла Г.Тринклера и задать топливосберегающий подвод тепла при постоянном объеме камеры сгорания.

Выстой поршня будет наблюдаться и в нижней мертвой точке. Данное обстоятельство позволит нивелировать недостаток двухтактных дизелей — малое время на очистку и продувку рабочего цилиндр. Из схемы следует, что газовое давление поршня действует на две ветви трапеции. Но так как левая ветвь трапеции более отвесная, чем правая, то вертикальная сила газового давления будет стремиться повернуть шатун в сторону вращения коленчатого вала через более нагруженное левое плечо Т-образного оголовка шатуна. Таким обоазом, техническое противоречие устранено: при росте давлений в верхней мертвой точке этот рост сам стремится протолкнуть шатун через верхнюю мертвую точку.

Оценим технологическую осуществимость идеи. В одном из наиболее нагруженных дизелей — судовом двухтактном крейцкопфном двигателе RND90M фирмы «Зульцер» давление сгорания составляет 92 атм. Так как в новом цикле давление, согласно термодинамике, будет больше, примем его ориентировочно за 140 атм. При произвольном диаметре поршня 100 мм получаем силу газового давления, равной около 11 тонн. Согласно основам конструирования принимаем максимально тяжелые условия работы пружинной ленты и имеем для недефицитной пружинной стали допускаемое напряжение — 700 МПа. Тогда в результате простых расчетов получим необходимое сечение ленты трапеции — 4?20 мм. Как видим, трудностей по кинематическому размещению предлагаемого механизма не будет.

Саму трапецию предполагается изготавливать из рессорной стали — из-за своей упругости боковые ветви трапеции позволят сдвинуть поршень вниз при запуске двигателя.

Идея награждена серебряной медалью на III международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время», который проходил в сентябре 2007 года в Севастополе.

В настоящее время разработка проходит стадию патентования (заявка а 2007 02614 в Укрпатент, приоритет от 12 марта 2007 г.).