Увеличение момента, и как следствие экономичности и мощности, серийных двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском

Увеличение момента, и как следствие экономичности и мощности, серийных двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском

Увеличение момента, и как следствие экономичности и мощности, серийных двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском

В последнее время в адрес изобретателей, предпринимающих усилие по разработке устройств по экономии топлива, очень часто звучат реплики, что современные ДВС уже работают на пределе экономичности и искать что-то в этой области равносильно поискам вечного двигателя. Действительно, современные двигатели стали очень экономичными. Никто уже не удивляется, что двигатель с объемом 1,6л может выдавать более 100 л.с., при этом потребляя 5-7л бензина в зависимости от цикла езды. А что говорит теория? А теория говорит, что автомобилю типа ВАЗа для пробега 100 км пути при скорости до 90 км/ч необходимо 36 МДж энергии. 1 литр бензина при сгорании выделяет 44 МДж тепловой энергии. Вот поэтому искать пути увеличения экономичности можно и нужно.

Самый распространенный способ увеличение мощности двигателя это форсирование, но при этом, не о какой экономичности даже и говорить не приходится. Поэтому данный способ мы не будем рассматривать.

Второй способ, это увеличение степени сжатия. Но и здесь современные двигатели работают на приделе. Причина всему детонация рабочей смеси. Т.е. если смотреть со стороны экономии, то получается замкнутый круг. Увеличивая степень сжатия, автоматически увеличиваем мощность, при таком же расходе топлива. Но при этом мы должны использовать топливо с более высоким октановым числом, которое стоит больше ровно на столько, на сколько мы сэкономили.

Предлагаю Вам третий способ. Данный способ очень напоминает решение В.И. Червякова, но все-таки будем считать и его способ и мой "похожими", но не аналогичными. Общее в обоих способах, это увеличение момента двигателя за счет сдвига пика максимального давления как можно дальше за ВМТ, а вот способы его получения разные.

Что бы понять его необходимо вспомнить, следующее. Если выставить угол зажигания с большим запозданием, то двигатель становится намного "тяговитестее", но при этом он начинает сильно дымить, что говорит о неполном сгорании топливной смеси. Происходит это из-за того, что в момент достижения горящей топливной смесью максимального давления в камере сгорания, коленчатый вал уже успел провернуться на некоторый угол, а значит, выросло плечо, которым шатун стремиться провернуть коленвал (КВ). Отсюда и увеличение момента. Но так как поршень уже значительно покинул верхнюю мертвую точку (ВМТ), то объем камеры сгорания увеличился, а значит, уменьшилась степень сжатия, что и привело к неполному сгоранию топлива. К примеру: при повороте коленвала на угол близкий 30 градусов, давление падает в два с лишним раза. Напрашивается резонный вопрос, а можно ли сдвинуть пик максимального давления на угол, при котором плечо шатуна будит максимальным, т.е. равным радиусу коленвала и при этом сохранив на данном углу необходимую степень сжатия? Вот мы и попытаемся совместить два, на первый взгляд, несовместимых условия.

Сразу скажу, что все, что дальше будет написано применимо только к бензиновым двигателям с непосредственным впрыском и дизелям.

Итак, почему бы нам изначально не повысить степень сжатия до максимального значения давления, которое может выдержать двигатель? Тогда после прохода ВМТ давление начнет понижаться и достигнет нормальной степени сжатия, на которую рассчитан двигатель, уже при значительном угле поворота КВ, а следовательно при более высоком плече шатуна. В этом момент мы и подаем топливную смесь и производим ее поджег. При этом мы выполняем оба условия: сдвигаем пик максимального давления в цилиндрах на угол, когда шатун имеет более высокое плечо и сохраняем необходимую степень сжатия, для нормального сгорания топливной смеси.

А на каком угле плечо шатуна будет иметь максимальное значение, т.е. будет равно радиусу вращения? Для этого обратимся к рисунку 1.

На рисунке 1.а поршень находится в ВМТ и плечо шатуна соответственно равно 0. Очевидно, что максимальное плечо будет в тот момент, когда шатун будет располагаться по касательной к окружности его вращения (рис.1.б.). Т.к. в стандартном двигателе отношение длинны шатуна к диаметру вращения КВ принято в среднем 1,72-1,78 (в зависимости от марки мотора), следовательно, угол, при котором шатун расположиться по касательной к КВ будет в среднем 74 градуса.

Но здесь нас ждет неприятный сюрприз. Что бы повысить степень сжатия, нам необходимо уменьшить объем камеры сгорания. Даже если мы полностью заберем весть объем камеры сгорания, что практически не возможно, то и в этом случаи при повороте КВ на угол в 74 градуса объем в цилиндрах вырастет в несколько раз больше, чем изначальна была камера сгорания. Пропуская череду вычислений, сразу скажу, что теоретически пик давления можно сдвинуть к 35-40 градусам. А это не так мало. Дело в том, что на данном угле поворота КВ, плечо шатуна будет более 80% от максимума (рис.1.в).

Мы также можем выиграть еще несколько градусов, применив топливо с малым октановым числом. Если бензин А-95 работает при степени сжатия 10-11, то А-80 только 7,5-8,5. При этом, мы вырываемся из замкнутого круга экономии. Применяя более дешевое топливо с малым октановым числом, мы сдвигаем пик давления на больший угол, увеличиваем моментные характеристики двигателя, а значит и общую мощность при примерно том же расходе топлива.

Что бы было более понятно, какие процессы происходят в данном двигателе, взглянем на рисунок 2.

На рис. 2.а диаграмма распределения давления типового ДВС, а на рис. 2.б. диаграмма давления моего ДВС. Обе диаграммы очень близки, но имеют принципиальные отличия. В моем двигатели, на такте сжатия, давление сжатого воздуха может достигать такого максимального значения (в ВМТ), на которое рассчитана конструкция данного двигателя. При этом степень сжатия, для разных двигателей, может достигать значения 26-40. Далее, при повороте КВ от ВМТ до 35-40 градусов, давление спадает до значения, соответствующего нормальной для данного двигателя степени сжатия. Назовет этот процесс областью обратного расширения (синяя полоса на графике). В точке близкой к 40 градусам производится впрыск топлива и его поджег. При сгорании топливной смеси, давление в цилиндрах снова поднимается до своего максимального рабочего давления. Далее цикл рабочего хода проходит по обычному сценарию. Как видно из диаграммы, при повороте КВ от ВМТ до угла 35-40 градусов, никакой полезной работы не совершается. Вся работа на области обратного расширения идет на компенсацию работы затраченной по сжатию воздуха от углов -35-40 градусов до ВМТ. Причем компенсация эта не полная, а с потерями, т.к. в реальном двигателе, всегда будут проходить утечки воздушной массы через поршневые кольца и отдача теплоты сжатого воздуха стенкам цилиндра. Также не маловажным фактом является то, что максимальное давление в реальном двигателе достигается в районе 16 градусов поворота КВ и не когда не бывает максимальным расчетным. Происходит это из-за того, что топливо сгорает не мгновенно, а за некоторое время поворота КВ. К примеру: двигатель ВАЗ со степенью сжатия 10. Если бы все топливо сгорало в ВМТ, то давление в цилиндре достигало бы 96 атм. В реальности максимум давления достигается в 16-18 градусах поворота КВ, когда сгорает примерно 30% топливной смеси и максимум давления составляет не более 56 атм., т.е. в точке, где степень сжатия уже значительно меньше 10. Но расчет двигателя на прочность всегда ведется именно на максимальное возможное давление в ВМТ.

Тогда возникает законный вопрос, а в чем мы выигрываем в таком случаи? А выигрываем мы в развиваемом моменте на КВ.

Посмотрим, как изменяется давление в цилиндрах и момент на валу при линейном движении поршня от ВМТ к НМТ на цикле рабочего хода, для ДВС стандартной схемы и моего.

На рис. 3.а. показан график распределения давления и момента для типового ДВС со степенью сжатия 10-11, а на рис. 3.б. для моего ДВС, со степенью сжатия близкой к 30. Rкв. - это то самое плечо, с которым шатун давит на КВ, измеряется в % от максимального значения, т.е. от 1, когда плечо равно радиусу. Как видно из рисунков, мы в обоих случаях не выходим за пределы максимального давления, на которое рассчитан двигатель. Зеленая кривая - это тот самый момент, который развивает двигатель. Что бы примерно оценить эффективность моего двигателя, поделите площадь, ограниченную зеленой кривой от точки 40 градусов до НМТ на рис. 3.б., на площадь ограниченную зеленой кривой на рис. 3.а. График распределения момента (зеленая кривая) на рис. 3.б. позволяет сделать важный вывод, что сдвигая пик максимального давления далее 40 градусов поворота КВ, площадь ограниченная зеленой кривой не будет расти. В тоже время, сдвигая пик максимального давления менее 40 градусов поворота КВ, площадь ограниченная зеленой кривой также будет уменьшаться незначительно. Т.е. наибольший эффект достигается в интервале 35-40 градусов поворота КВ.

Снова повторюсь, что реализовать все вышесказанное можно только на бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива, а значит "счастливые" обладатели отечественных авто никогда не смогут поэкспериментировать в этом направлении. Выпускает наш, отечественный, автопром только бензиновые ДВС с распределенным впрыском.

Но если кому-то очень захочется реализовать эту идею, то смею предложить вариант доработки дизеля. Дело в том, что доработка дизеля в данном направлении несет в себе массу плюсов. Возьмем, к примеру, наш дизель для ВАЗ-2104,2121. Степень сжатия 23, камеры сгорания как таковой нет, её роль выполняет углубление в поршне. Первое, что можно сделать, это поднять степень сжатия путем уменьшения углубления в поршне и сдвинуть момент впрыска топлива на больший угол. Но слишком увлекаться не стоит, так как быстро наступит момент, когда компрессия достигнет такого значения, что стандартный стартер просто не сможет провернуть КВ. Второе, что можно предложить в дополнение к первому, поставить турбокомпрессор (нагнетатель). Если на входе давление будет составлять 1,5 от атмосферного, то общая компрессия в цилиндрах возрастет также в 1,5 раза. Но при этом система впрыска топлива должна уметь менять угол подачи топлива в зависимости от входного давления.

Если у кого-то есть необходимая база, то могу осмелиться порекомендовать кардинальную переделку дизеля, которая позволит сделать на его базе бензиновый ДВС с непосредственным впрыском. Основная трудность, это врезать свечи зажигания и установить саму систему зажигания. При этом мы уже изначально имеем двигатель со степенью сжатия 23 и в купе с турбокомпрессором запросто можем получить степень сжатия 8-11 при 36-40 градусах поворота КВ. Не возникнет трудностей и со стартером. двигатель дизель внутренний сгорание

Послесловие или то, почему я выложил это на общее обозрение. Конечно, все вышесказанное можно оформить патентом, рацпредложением или создать опытный образец на базе серийного ДВС, а далее искать инвесторов. Но мы живем с вами в капиталистическом обществе. И ни одному инвестору и производителю удешевление, как самой продукции, так и издержек на ее содержание (в данном случаи это топливо) не выгодно. Если вы изобретаете принципиально новый двигатель, который экономит всего 10% топлива, но при этом будет стоить на рынке в несколько раз больше, то у вас 90% шанс найти инвестора. Если вы изобретаете двигатель, который будет всего на 10% дороже, но при этом будет экономить топливо в два и более раз, то вы автоматически становитесь потенциальным врагом, как производителей, так и инвесторов. Показателен опыт изобретателя Ибадуллаева Г.А. Это человек, который смог реализовать идею работать бензиновый ДВС с распределенным впрыском со степенями сжатия свыше 20, при отсутствии детонации. При этом реализовал он эту идею на стандартном двигателе ВАЗовской десятки. Уже несколько лет он безуспешно пытается внедрить свой двигатель. И все дело в том что, кроме конечного потребителя такие разработки не кому не нужны, а для кого-то и принципиально опасны. Поэтому данную статью я попытался выложить в максимально доступной форме, без привязок к конкретным моделям двигателей и формулам. Люди, которые имеют руки, и базу думаю, смогут реализовать эту идею. Чем больше простых людей смогут доработать свои двигатели, тем скорее на это обратят внимание инвесторы.

Для тех инвесторов, которых все-таки заинтересовали вышеизложенные доводы и у вас есть конкретные предложения или вы ищите новые схемы двигателей с еще более высокими характеристиками, или вы хотите, например, организовать производство kit-наборов для самостоятельной доработки двигателей, контакты ниже.