ПОРШНЕВОЙ ДВС НОВОГО ТИПА: СИНТЕЗ КИНЕМАТИКИ И КИНЕТИКИ

( Аналитический обзор )

- «…мы диалектику учили не по Гегелю»
- а жаль…

Введение

В знаменитой философской гегелевской триаде «тезис, антитезис,синтез» обобщен процесс развития - появления материального ( или нематериального) качественно нового объекта, превосходящего исходный ( исходные). Однако в практике социумов неразрывность триады часто не соблюдается и ограничивается диалектикой: «анализ-синтез» или «тезис-антитезис».
В предлагаемом обзоре на примере эволюции поршневого двигателя внутреннего сгорания показано это противоречие и рассмотрен гипотетический путь его преодоления.
Обзор фактов (постановка задачи)
Несмотря на свою «архаичность» поршневые ДВС остаются основной «тягловой силой» наземного (за исключением электротяги) транспорта, водного транспорта, а также в легкомоторной авиации, не говоря уже о сонме стационарных или полустационарных технологических машин-орудий с механическим приводом от ДВС.
Естественно, что такое массовое применение ДВС требует непрерывного усовершенствования его эффективности,как устройства, преобразующего тепловую( химическую) энергию горения топлива в механическую работу. Согласно статистике, у поршневых двигателей механический КПД равен 0,70-0,90. Это значит, что механические потери составляют 10-30% индикаторной мощности двигателя. Из этих потерь добрая половина приходится на преодоление трения между поршнем и гильзой цилиндра и шеек коленвала в подшипниках. Наиболее высокий КПД имеют мощные многоцилиндровые (как правило крейцкопфные) тихоходные двигатели /1,р.20/. Другим средством, также уменьшающим боковые усилия (трения), передаваемые поршнями на стенки цилиндров, служит дезаксирование кривошипно-шатунного механизма(КШМ), когда ось цилиндра смещена относительно оси вала /1,р.256/.
Оба цитированных примера являются прологом к существованию проблемы аксиального ДВС/2/, одним из упрощенных решений которой является отказ от КШМ. Практически реализовано только несколько специальных устройств такого типа с достаточно узким применением, как-то: дизель-компрессоры, генераторы газа со свободно-движущимися поршнями, роторно-поршневые двигатели (Ванкеля). Однако подход «нет механизма-и нет проблемы» имеет свои недостатки. Например, в двигателе Ванкеля поршневые уплотнения ротора имеют «пробег» в 1,57 раз больший, чем поршни в цилиндре обычного двигателя, а работа пластинчатых уплотнений с переменными и знакопеременными нагрузками тоже не способствует надежности и долговечности мотора.

Выводы

Автор обзора предлагает использовать идею «фрактальности» (построение кинематической схемы параксиального ДВС с ПДП из вспомогательных механизмов двигателя, как-то: коромыслового механизма газораспределения), в общих чертах изложенную в работе/2/, но сохранить при этом КШМ. Диалектический (в смысле триады) подход, по мнению автора, в итоге достигает двух целей: 1)увеличение механического КПД цилиндро-поршневых пар,
2)увеличение индикаторного КПД за счет возникновения рекуперации максвелловского газа в одном из цилиндров с ПДП ( см. Приложения 1 и 2 соответственно).

Список литературы:
1.к.т.н. Ю.Б.Моргулис «Двигатели внутреннего сгорания» теория,конструкция и расчет. М. Машиностроение» 1972г. 336стр.,илл.,табл.
2.М.А.Зленко, д.т.н.Кутенев,НАМИ, «Аксиальный ДВС:новый взгляд на старую идею», Автомобильная Промышленность 6/1992 М.К-12,пр.Сапунова,13, 4-й эт. К. 424,427
3.А.К.Тимирязев «Кинетическая теория материи» издание третье. Гос.Уч.Пед. Издательство Мин.Просв.РСФСР,М.1956г. 224стр., илл.
4.Ф.Морс «Теплофизика» Пер. с англ.Е.Б.Чудновской . Под. Ред. Проф.А.Ф.Чудновского М. «Наука» Гл. ред. Физико-Математической литературы 1968г., 416стр.,илл.
5.А.П.Знаменский «Справочник металлиста», ОНТИ НКТП СССР. Гл. ред. Литературы по машиностроению и металлообработке, Л-М, 1937г., 976стр.,илл.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Чтобы увеличить механический КПД цилиндро-поршневых пар, применяем:
а) глубокое дезаксирование КШМ за счет коромысла (траверсы)
б)ось качания коромысла размещаем на поперечине крейцкопфа (показана заштрихованной на рис.1).
Как видно из рис.1, схема представляет шарнирно-стержневую систему из трех стержней одинаковой длины, соединенную с двухкривошипным валом посредством крейцкопфа.

Из рассмотренной кинематической схемы (рис.1) компонуем двухвальный ДВС с интересующими нас свойствами (рис.2), где изображены:
ЛЦ-левый цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями (ВМТ);
ПЦ-правый цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями(НМТ);
s – дистанционные (дополнительные) шарниры (углы отклонения от вертикали +- 1,9 град.);
Пунктир-линии - вильчатые главные шатуны двигателя, пальцы вилок которых входят в продувочные окна цилиндров (показано на ЛЦ);
S – разнос валов по вертикали;
Пунктир-окружности - оборачивающий двухшестеренный редуктор , соединяющий коленвалы двигателя. Соединение валов может быть произведено другим способом: посредством вертикального вала и конической передачи, как это сделано в двигателе «Д100» для тепловоза /1/;
О1О2 - общий шток верхнего и нижнего крейцкопфов, играющий роль стабилизатора боковой нагрузки крейцкопфов. (При разобщенных крейцкопфах боковая нагрузка до 3F, F-вертикальное усилие дистанционного шарнира поршня).

На рис.2 не показаны верхний (ВЦ) и нижний (НЦ) цилиндры со своими поршнями, непосредственно через свои дистанционные шарниры присоединенные к точкам О1 и О2 соответственно. Нижний цилиндр, естественно, « перевернут» (его ВМТ - при положении поршня «снизу»).
Нас будут интересовать некоторые кинематические и кинетические особенности цилиндра ЛЦ, что и отражено в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Порядок вспышек в полученном четырехцилиндровом шестипоршневом ДВС следующий:
Ө =0 ВМТ ВЦ, нагруженного на шток крейцкопфа О1;
Ө =90˚ ВМТ ЛЦ, нагруженного на левые ветви траверс и общий шток крейцкопфов;
Ө = 180˚ ВМТ НЦ, нагруженного на шток крейцкопфа О2;
Ө = 270˚ ВМТ ПЦ, нагруженного на правые ветви траверс и общий шток крейцкопфов,
где Ө – угол поворота в системе коленвалов.
В силу параксиальности цилиндро-поршневых пар здесь могут применяться безтронковые (облегченные) поршни без направляющих(пружинящих) юбок.
В силу того, что поршни ЛЦ и ПЦ в любой момент движения находятся «внутри» неинерциальной системы, связанной с ходом штока крейцкопфа, возникает интересная особенность поведения центра тяжести объема(массы) газа, заключенного в межпоршневом пространстве в течение рабочего хода (РХ) для ЛЦ. Просчитаем положение указанного ЦТ в ряде точек в течение одного цикла для ЛЦ. Получим график движения ЦТ , показанный на рис.3.
Рассматривая точку 180˚ как излом графика (точка переброса скорости ЦТ объема(массы) газа, заключенного в межпоршневом пространстве) в середине РХ, мы имеем право ожидать отклонений в части кинетической теории покоящихся (неподвижных) газов, с которыми существующая кинетическая теория имеет дело по-умолчанию. В частности, возможно изменение свойств максвелловского распределения, отправным пунктом которого является так называемое «каноническое распределение фаз», введенное Гиббсом /3,р.137/, из которого следовала знаменитая «теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы»/3,р.140/.
Ввиду актуальности для нашего случая, процитируем абзац/3,р.141/:
«…оперируя функцией Гиббса…, мы фактически применяли частный случай вместо общего выражения для плотности распределения фаз. Так, в 1924 году Г.Яффе удалось показать, что если плотность распределения фаз выразить как функцию не одного только интеграла энергии, но и интеграла, выражающего принцип сохранения движения центра тяжести, то энергия не будет распределяться уже равномерно по степеням свободы. Однако эта работа , несмотря на ее капитальное значение, прошла совершенно незамеченной…
(G.Jaffe, Ann. d. Phys., 1924, 74, 528 и 76, 1925, 680)».
Произведем ориентировочную оценку энергетического эффекта как результата отражения от воображаемой стенки скорости дрейфа (см. /4, р.155, ф-ла 12.3/:
Vдр.х = <Px/m> :=Supʃ Px/m dPxʃdPyʃdPz f(P) = ʃ02πdβʃ0π/22sinα cosαdα ʃ0+inf. (P/m) f(P)P2dP = (2kT/πm)1/2, что составляет ½ от средней скорости частиц газа <v> =(8kT/πm)1/2.
Тогда пиковое значение энергетического эффекта, как отношение квадратов вышеуказанных скоростей, равно 1/4 или 25%.
В действительности бесконечных скоростей в указанной точке (Ө =180˚) не наблюдается (отношение ускорений j(180˚)/j(0) составляет 13,2), и, принимая, что временной профиль эффекта - пилообразный; при объеме ЛЦ примерно 1/3 от литрового объема всего двигателя, получим величину полезного эффекта на уровне 4%.
Тот факт, что ускорение в НМТ крейцкопфа значительно превосходит по абсолютной величине ускорение в ВМТ, возможно, потребует введения в подсистему крейцкопфов упругого элемента в виде спиральных пружин, регламент подбора которых является нормалью в машиноведении ( например /5/).