О новых методах управления аксиально-поршневыми двигателями. Принцип разделения движений

Погуляев Ю.Д., д.т.н. / Южно-Уральский ГУ

УДК 629.113

Известно, что любое разделение движений в сложном механизме ведет к упрощению конструкции механизма.

В ДВС имеется сложное движение — это возвратно-поступательное движение поршней в цилиндре.

Сложность этого движения заключается в множестве функций противоположного характера, которые должны быть выполнены при движении поршней к верхней мертвой точке (ВМТ) и обратно к нижней мертвой точке (НМТ).

При движении поршней к ВМТ должно быть выполнено условие сжатия воздуха или гомогенной рабочей смеси до определенной степени.

Степень сжатия определяется при постоянном полном объеме объемом камеры сгорания, который и обусловлен малыми перемещениями поршней вблизи ВМТ.

Рабочий объем ДВС также определяется движением поршней, но между ВМТ и НМТ.

Необходимо отметить, что процесс изменения объема камеры сгорания и рабочего объема по своей сути разные процессы, хотя они реализуют один термодинамический цикл.

До сих пор их не удавалось разделить с точки зрения управления ими и даже не было попытки сделать это, несмотря на то, что разделение этих движений сулит большие выигрыши с точки зрения оптимизации термодинамического цикла.

Поэтому, хотя в управлении ДВС и имеется два направления: регулирование степени сжатия и регулирование рабочего объема [1], по сути дела оба эти процесса рассматриваются отдельно.

При этом совершенно ясно, что независимая реализация изменения рабочего объема и изменения объема камеры сгорания невозможна для современных ДВС с их кинематикой.

Поэтому изменение рабочего объема рассматривается при определенной степени сжатия и, наоборот, изменение объема камеры сгорания рассматривается при определенном рабочем объеме.

Получить объективную картину управления рабочим процессом, по оптимизации термодинамического цикла при кинематически зависимых друг от друга процессах изменения объема камеры сгорания и рабочего объема в настоящее время не представляется возможным.

Поэтому рассмотрим процесс регулирования объема камеры сгорания и рабочего объема, как два направления, актуальные как для искрового двигателя, так и для дизеля на основе существующей кинематики ДВС.

Управление рабочим объемом для искровых двигателей за счет уменьшения хода поршней позволяет достичь снижения механических потерь и повышения индикаторного к.п.д. при работе без дросселирования на режимах частичных нагрузок. Для дизелей также управлением рабочим объемом весьма эффективно.

Большой рабочий объем существующих двигателей автомобилю нужен только для движения с максимальной скоростью, т. е. на режиме, время которого не превышает 10% общего времени движения автомобиля. Основную же часть времени (например, при движении в городе) автомобилю требуется экономичный двигатель с маленьким объемом [2].

Регулирование степени сжатия в искровых двигателях повышает рост эффективного КПД на частичных нагрузках за счет роста индикаторного КПД.

Регулирование степени сжатия в двигателях осуществляется плоскостными траверсными механизмами [2] или пространственными механизмами в аксиально-поршневых двигателях (АПД) [3].

Проблема синтеза траверсного механизма весьма трудоемка, связана с большим объемом расчетных исследований.

Принципы проектирования таких механизмов пока не сформулированы. Это связано отчасти и с тем, что механизмы реализуют сложные движения по изменению рабочего объема и степени сжатия без их разделения.

Мало того, траверсные механизмы не позволяют разделить движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема и не позволят это сделать в силу заложенной в них кинематики.

Это означает, что взаимнооднозначное соответствие между объемом камеры сгорания и рабочим объемом остается при любом траверсном механизме.

Это означает резкое сужение возможностей управления термодинамическим циклом при сжигании топлива, ограничение возможностей электронного управления ДВС в зависимости от изменяющихся внешних условий, ограничение возможностей мониторинга сжигания топлива и его оптимизации.

Невозможно разделение движений и в аксиально-поршневых машинах при существующей кинематике.

В Австралии Дж. Скальцо [4] разработал двигатель с качающейся шайбой и переменным рабочим объемом, названный СVS, что означает «двигатель с бесступенчато изменяющимся ходом поршня» (Continuously Variable Stroke). Уменьшение рабочего объема в 2 раза (с 2.5 до 1,25 л) происходит при работе двигателя без нагрузки. Именно благодаря этому и достигается указанное снижение расхода топлива, так как при полной нагрузке с максимальным рабочим объёмом (2,5 л) экономическая характеристика CVS не лучше, чем у обычного силового агрегата того же рабочего объема. Степень сжатия у двигателя CVS изменяется от 9,0 при максимальном ходе поршня до 10.0 при минимальном, то есть практически не меняется.

При этом существует жесткое взаимнооднозначное соответствие между объемом камеры сгорания и рабочим объемом. Двигатель Дж. Скальцо не позволяет независимо изменять объем камеры сгорания и рабочий объем аксиально-поршневого двигателя.

Известен способ регулирования рабочего объема и степени сжатия [5] в аксиально-поршневой машине.

Главным недостатком способа является то, что он реализован в такой конструкции, которая не позволяет ни при каких её изменениях, не нарушающих принцип её функционирования (преобразование движения через выпукло-вогнутые поверхности при постоянном угле наклона шейки коленчатого вала) разделить движения по регулированию рабочего объема и по регулированию объема камеры сгорания.

Это разные движения, которые необходимо реализовать и регулировать в разных по высоте цилиндра частях, а для этого их необходимо разделить.

При этом конструкция, которая реализует этот способ, не может быть изменена таким образом, (возможности развития конструкции исчерпаны), чтобы реализовать раздельное регулирование рабочего объема и степени сжатия.

Этот способ и другие способы для регулирования АПД не позволяет изменять степень сжатия независимо от изменения рабочего объема и в широком диапазоне и в зависимости от изменяющихся внешних многообразных условий.

Предлагаемый АПД реализует новый принцип управления рабочим объемом и объемом камеры сгорания.

Суть этого принципа в том, что кинематически разделяют движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема и управляют каждым движением в отдельности.

Необходимо поэтому по новому классифицировать движения по изменению объема камеры сгорания и по изменению рабочего объема с точки зрения возможностей раздельного управления ими.

Первое. Эти движения реализуются в разное время термодинамического цикла. Изменение объема камеры сгорания во время движения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) до начала процесса воспламенения топлива или в начальной стадии процесса горения топлива.

Изменение рабочего объема происходит после того, как закончилось изменение объема камеры сгорания и когда поршень начинает двигаться вниз к НМТ. Из сказанного следует, что процессы изменения объема камеры сгорания и процессы изменения рабочего объема не только разделены во времени, но противоположны по самому направлению движений.

Второе. Первое движение или движение по изменению объема камеры сгорания — это движение малых перемещений.

Реализация движения малых перемещений осуществляется в области ВМТ и позволяет осуществлять регулирование степени сжатия.

Второе движение — это движение больших перемещений в области между ВМТ и НМТ, реализация которого позволяет осуществлять регулирование рабочего объема.

Третье. Совершенно очевидно, что управление этими движениями должно осуществляться независимо и на новых принципах.

Четвертое. Для реализации различных движений нужна новая кинематика ДВС и новая конструкция ДВС.

Такие ДВС и предлагаются на основе новых АПД, которые позволяют реализовать принцип разделения движений как базовый принцип управления новыми ДВС.

В свою очередь принцип разделения движений реализует принцип двухканальности управления термодинамическим циклом ДВС, когда один канал управления реализует независимое управление изменением объема камеры сгорания, а другой канал реализует независимое управление рабочим объемом.

Преимущества реализации принципа разделения движений на основе принципа двухканальности управления термодинамическим циклом в следующем.

1. Реализация движений осуществляется простыми внешними следящими САУ с электрической обратной связью по положению силового исполнительного механизма.

2. Реализация движений осуществляется независимо и одновременно или в любой последовательности и в разное время.

3. Управление движениями осуществляется от электронного блока управления и может быть при этом реализовано исчерпывающее многообразие управлений в зависимости от самых разнообразных условий.

Такими условиями могут быть: многотопливность; условия эксплуатации и изменение режимов работы; пуск двигателя; оптимизация сжигания топлива; увеличение угла опережения зажигания с сохранением параметров рабочего тела; управление наддувом в зависимости от величины рабочего объема и степени сжатия наддува; режимы работы; экологические требования.

Самым существенным моментом, который позволяет перейти к новым ДВС с возможностью реализации принципа разделения движений является то, что предлагаемые АПД реализуются по совершенно новой и более простой кинематической схеме.

Новые АПД позволят реализовать совершенно новые возможности для ДВС, которые составляют основу новой концепции ДВС.

Эти новые возможности позволят создать простые, дешевые, технологичные двигатели, конкурентные на отечественном и мировом рынке.

В новых АПД применена новая концепция преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное движение (ВПД), которая требует отдельного рассмотрения.

Список литературы:

1. Кутенев В.Ф., ЗленкоМ.А.,Тер-Мкртчьян Г.Г. Управление движением поршней — неиспользованный резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля. // Автомобильная промышленность. — 1998 — №11. — с.25-29.

2. Тер-Мкртчьян Г.Г. Двигатели ВАЗ: современный технический уровень и перспективы развития за счет регулирования степени сжатия.// Автомобильная промышленность. — 2008. — №10 — с.17-19.

3. Зленко И.А., Кутенев В.Ф., Романчев Ю.А. Аксиальные двигатели. Особенности конструкции. // Автомобильная промышленность. — 1993. — №5 — с.6-9

4. Илей.Л. Двигатель с переменным рабочим объемом.//Автомобильная промышленность США. — №8. — 1986. — с.8.

5. Патент RU20732436C1, МПК F02B75/26 — Аксиально-поршневая машина F02B75/26, авторы Зленко М.А., Кутенев В.Ф., Романчев Ю.А., Бродягин Ю.В.

О новых методах управления аксиально-поршневыми двигателями. Принцип разделения движений

Погуляев Ю.Д., д.т.н., Южно-Уральский ГУ

Статья посвящена новой концепции управления аксиально-поршневыми двигателями на основе принципа разделения движений.

About new methods of control axial-piston engine. Principle of the motionseparation

Pogulyaev Y., Doctor of technical sciences, professor of the electromechanic and electromechanical systems department of South Ural State University, Chelyabinsk

Article is devoted to the new concept of the axial-piston engine control on the base of principle of the motions separation.