ПЯТИТАКТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Почти 140 лет прошло с тех пор, как немецкий инженер Н.Отто создал 4-х тактный поршневой двигатель. В принципе он ничего революционного не создал: просто усовершенствовал 2-х тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания Э. Ленуара, который к тому времени уже активно использовался почти 20 лет.
С тех пор, за столь долгий срок – более 130 лет, особых революций в конструкции и принципах действия небольших тепловых двигателей не было, и все мы привыкли, что все двигатели вокруг нас – это поршневые ДВС преимущественно 4-х тактного цикла. Есть, конечно, еще 2-х тактные двигатели, но они, обладая чуть большей мощностью, отличаются резко меньшим моторесурсом и повышенным расходом топлива с грязным выхлопом.
Но вот, автор этой статьи решил изменить более чем столетнюю традицию, и создать двигатель с новым типом технологического цикла – 5-ти такный.
Но, прежде чем, описывать эту диковину – 5-ти тактный двигатель, стоит немного критически рассмотреть достоинства и недостатки традиционных 4-х тактных двигателей. 2-х тактные двигатели не берем во внимание, т.к. они еще более не совершенные, чем 4-х тактные.
По 4-х тактному циклу работают и карбюраторные двигатели и дизеля, и даже экзотический циклоидный роторный двигатель Ванкеля, тоже работает по 4-х тактному циклу.
Рассмотрим такты традиционного 4-х тактного поршневого мотора.
Первый такт - впуск (всасывание);
Второй такт – сжатие;
Третий такт – горение – расширение;
Четвертый такт – выпуск (выталкивание);
Работая по такому циклу карбюраторные двигатели (с принудительным искровым воспламенением) заметно отличаются по эффективности и образу организации внутренних процессов от дизелей (с воспламенением от сжатия).
Двигатель с принудительным воспламенением (искровым зажиганием) имеет количественное регулирование заряда рабочей смеси и достаточное время на смесеобразование топлива с воздухом. Так как он в первом такте «впуск» всасывает из карбюратора уже готовую рабочую смесь – пары бензина с воздухом.
Двигатели с воспламенением от сжатия (типа «дизель») имеют качественное регулирование заряда и почти вовсе не имеют времени на смесеобразование. Дизель в первом такте «впуск» всасывает только воздух, и в нем порция топлива впрыскивается в рабочее пространство в тот момент, когда поршень подошел почти к ВМТ, свободное пространство в цилиндре минимально. От этого давление в нем достигло величины, при которой воздух разогрелся до значительно большей, чем необходимо для воспламенения топлива, температуры, ведь это - гарантия надежности работы двигателя.
А теперь подробно рассматриваем процесс, происходящий во время самого «интересного» такта – третьего. В двигателе с искровым зажиганием в этом третьем такте совмещены два процесса – процесс «горение – получение рабочего тела» и процесс «расширение рабочего тела».
А в дизеле – во время третьего такта совмещены даже 4 процесса – завершение процесса впрыска топлива, процесс смесеобразования (испарения топлива в сжатом горячем воздухе), горения получившейся рабочей смеси и процесс расширения получившихся газов горения – «рабочего тела». Из-за сложности одновременного осуществления таких множественных процессов в слишком малое время и в одном объеме, проистекают все основные недостатки дизелей.
Именно из-за этих трудностей дизельному двигателю сложнее развивать высокие обороты — смесь просто не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Этот факт послужил причиной малого распространения дизелей в авиации первой половины 20-го века, когда вся авиация летала на поршневых моторах с винтами.
Но и в поршневом двигателе с искровым зажиганием так же не всё обстоит хорошо. С овмещение в нем двух процессов в одном объеме и в одном пространстве так же имеет большие отрицательные последствия. Действительно – в 3-м такте сжатая и подожженная рабочая смесь горит и вырабатывает «рабочее тело» - газы горения высокого давления, и одновременно это же «рабочее тело» расширяется, совершая работу – толкая поршень в сторону НМТ.
Как и в дизеле – часть рабочей смеси, до которой фронт горения добирается в последнюю очередь, не успевает сгореть, так как к этому моменту поршень уже отошел от ВМТ на значительное расстояние и давление в цилиндре резко упало. Горение не успевшей сгореть к этому моменту части рабочей смеси прекращается и она в последствие идет на выхлоп, отравляя собой выхлопные газы и значительно уменьшая топливную эффективность двигателя. Особенно этот процесс заметен – когда двигатель пытается работать на обедненной смеси при большом избытке воздуха.
В принципе – работа двигателя на обедненной смеси при большом коэффициенте избытка воздуха – это самый экономичный тип работы мотора. Но при этом режиме смесь в цилиндрах горит значительно медленнее, отсюда- она не успевает сгореть на линии скоростного расширения объема цилиндра, и идет не сгоревшей на выхлоп. Экономичной работы на бедной смеси не получается и не сгоревшие и токсичные продукты неполного сгорания идут на выхлоп.
Чтобы избавиться от этого недостатка и в дизелях и в двигателях с искровым зажиганием применяют «ранее зажигание». Т.е. это поджиг раб смеси в искровых моторах или впрыск топлива в дизелях еще до того момента, когда процесс «сжатия» завершен полностью, и поршень еще не достиг ВМТ. Этим удлиняется процесс горения паров топлива в малом объеме, и меньшая часть времени горения остается на линию активного расширения пространства поршня, тем самым обеспечивается большая экономичность работы мотора. Но в этой технологической уловке есть несколько больших «НО».
Дело в том, что когда горение паров топлива начинается до приближения поршня к ВМТ, то в этот момент начинается активное нарастание давления газов горения. Давление нарастает, но поршень еще движется вверх, а горящие газы давят вниз… Т.е. при раннем зажигании в моторе начинается противоборство двух сил – силы инерции КШМ движут поршень вверх и продолжают сжимать рабочую смесь, а какая-то часть сгоревшей рабочей смеси своими газами высокого давления уже давит в противоположную сторону…
Именно этим страшна детонация в поршневых моторах, когда удары – взрывы от детонационного режима горения бьют по поршню- шатуну- коленвалу – когда они еще движется вверх. От таких нагрузок эти детали быстро рассыпаются. Особенно это характерно для форсированных, пережатых моторов с насильно увеличенной степенью сжатия. При этом надо понять, что мотор затрачивает значительную часть своей мощности на то, чтобы за счет сил инерции КШМ и работы других поршней, совершающих рабочий ход, все - таки преодолеть силы обратного давления уже горящей рабочей смеси при раннем зажигании.
В принципе 3-й такт в современных 4-х тактных двигателях есть попытка соединить в одно время и в одном месте два очень трудно совместимых процесса. Действительно - процесс горения лучше всего должен происходить достаточно длительное время, в идеале в замкнутом объеме, где будет нарастать температура и давление, которые бы содействовали быстрому и полному сгоранию паров топлива.
А процесс расширения лучше всего происходил бы при умеренных температурах в условиях хорошей смазки активно трущихся поверхностей.
Но соединение этих двух процессов в одно время и в одном технологическом объеме приводит к тому, что горение происходит на линии скоростного увеличения объема и активного падения давления, а расширение происходит в условиях высоких температур, что грозит сильным разрушающим термическим воздействием на конструкционные материалы двигателя и выгоранием смазывающего масла. В итоге - горение паров топлива совершается не полностью, а расширение осуществляется в тяжелых услловиях.
Итак, можно четко сделать однозначный вывод: совмещение в одном рабочем такте (в 3-м такте) одновременно двух технологических процессов – процесса «горение рабочей смеси – создание рабочего тела» и процесса «расширение рабочего тела высокого давления» (а в дизеле – еще большего количества) ведет к большим потерям КПД, и малой топливной эффективности поршневых 4-х тактных двигателей.
ВЫВОДЫ: Я достаточно много времени уделил изучению этого положения дел в современной технике, и вижу возможность резкого исправления ситуации в возможности и необходимости разделить соединенный в поршневых 4-х тактниках процесс «горение – расширение» на два отдельных процесса.
Т.е. вместо одного совмещенного 3-го такта появятся два обособленных технологических процесса:
- «горение рабочее смеси – создание рабочего тела (газов горения)»;
- «расширение рабочего тела»;
Т.е. вместо 4-х тактного двигателя мы получим 5-ти тактный двигатель. При этом новые 3-й и 4- й такты должны проходить в различных технологических объемах двигателя и желательно быть совмещенными по времени.
Такая постановка вопроса кажется крайне необычной. Но в действительности тут ничего невероятного нет. Ибо всем известные нам паровые машины работали по близкому в своей идеологии принципу. В паровых двигателя два такта – «расширение рабочего тела» и «выпуск отработавшего рабочего тела» совершался в расширительной поршневой машине, а вот технологические процессы горения топлива и подготовки «рабочего тела высокого давления» совершались в это же время в обособленной части двигателя – в топке и в паровом котле.
Автор пришел к пониманию необходимости применить примерно такую же идеологию и к двигателю внутреннего сгорания. Тем более что в паровых машинах она работала очень хорошо. Вспомните, какой поршневая машина паровоза имела огромный крутящий момент. Так паровоз без всякой коробки передач трогал с места состав из десятков груженых вагонов. Такой мощный крутящий момент с самых низких оборотов парового двигателя позволяла иметь именно система организации раздельных технологических процессов (тактов) – «горение топлива», «создание рабочего тела высокого давления» и "расширение рабочего тела". Если удастся «встроить» похожую идеологию в конструкцию ДВС, то возможно будет получить маленький двигатель небывалых возможностей – с очень высоким КПД, мощным крутящим моментом и малых размеров.
Но вот беда – в поршневой двигатель, эту идеологию почти невозможно встроить. Тем более, что сам по себе кривошипно – шатунный механизм, превращающий возвратно-поступательное движение поршня во вращение главного вала, имеет очень большие и многочисленные недостатки.
В современных поршневых ДВС имеет место соединение двух «родовых проклятий»:
- совмещение в одном 3-м такте двух разных по задачам процессов: «горения» и «расширения»;
- недостатки возвратно поступательного движения поршня и работы связанного с ним КШМ;
Это сращивание отрицательных черт приводит к тому, что прогресс современного двигателестроения в области моторов малой и средней мощности топчется практически на месте уже без малого 60 лет.
Автор настоящей статьи, в результате определенной проделанной теоретической и практической работы, сейчас создает 5-ти тактный роторный двигатель новой компоновки, который будет лишен всех указанных недостатков 4-х тактных поршневых двигателей.
Главными отличительными чертами этого двигателя будет следующие:
- в области кинематической схемы, все движущиеся части двигателя будут совершать простые и равномерные вращательные движения. В двигателе не будет ни одной части совершающей возвратно-поступательные, колебательные или качательно -пульсирующие движения;
- в области организации технологических процессов – все технологические процессы будут осуществляться в раздельных (обособленных) технических камерах, при этом одномоментно во времени;
Такой способ организации процессов позволит сделать уникальный двигатель со сферическими, запираемыми на заметное время керамическими камерами сгорания практически оптимальной сферической формы, которые не будут иметь движущихся частей. Предварительно сжатая в другой технологической камере рабочая смесь будет сгорать здесь полностью в условиях неизменного объема, нарастающего давления и увеличивающейся температуры (изохорный процесс). В итоге я рассчитываю получить адиабатный (без охлаждения), детонационный (режим сгорания паров топлива –взрывной), роторный двигатель с простым и непрерывным вращением главного рабочего элемента. В настоящее время такой двигатель уже изготавливается.
Игорь Исаев."Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее...."