Сопоставление математических моделей расчета эффективной мощности поршневых ДВС, роторно-поршневого двигателя Ванкеля и нового двухвершинного роторного двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сопоставление математических моделей расчета эффективной мощности поршневых ДВС, роторно-поршневого двигателя Ванкеля и нового двухвершинного роторного двигателя внутреннего сгорания

И.В.Симуков

Разработана математическая модель расчета эффективной мощности нового двухвершинного роторного двигателя внутреннего сгорания. Сопоставлены математические модели расчета мощности для различных двигателей (двухтактного ДВС, четырехтактного ДВС, РПД Ванкеля, нового двухвершинного роторного двигателя). Выявлена аналогия нового двухвершинного роторного двигателя, сохранившего конструктивные преимущества роторных двигателей, с четырехтактным поршневым ДВС.

Ключевые слова: математическая модель; эффективная мощность; двигатель; новая конструкция.

Особое внимание при разработке математической модели роторного двигателя (РД) новой конструкции уделялось определению индикаторной мощности - параметра, характеризующего рабочий цикл двигателя.

Исходя из определения давления , индикаторную работу (Дж), совершаемую за цикл в одном отсеке (камере), можно представить в следующем виде:

,

,

где - рабочий объем отсека (камеры), разность между наибольшим и наименьшим объемами отсека, дм³ (л); - текущее значение давления в отсеке (камере), МПа.

Аналогично определяется эффективная работа (Дж) за цикл в одном отсеке (камере):

.

Следовательно, индикаторная мощность (кВт) может быть определена по формуле

,

где - число рабочих циклов, совершаемых в отсеках (камерах) в минуту, мин^-1; z_ц - число рабочих циклов, совершаемых за один оборот вала отбора мощности.

Аналогично этому эффективная мощность (кВт) может быть определена по формуле

,

а литровая мощность (кВт/л) - по формуле

.

Число рабочих циклов, совершаемых за один оборот вала отбора мощности, определяется для роторных двигателей (РПД Ванкеля и РД новой конструкции) [1] по формуле

,

где z₀ - число циклов изменения объема отсеков за один оборот ведущего ротора; ф - число тактов цикла; i_в - передаточное отношение привода от ведущего ротора (сопряженного с валом отбора мощности посредством передаточного механизма) к валу отбора мощности.

,

где n_р - число оборотов ротора, мин^-1; n_в - число оборотов вала отбора мощности, мин^-1.

Результаты сопоставления двигателей сведены в табл. 1.

Таблица 1 Теоретическое сопоставление ДВС по параметру эффективной мощности

Формулы расчета эффективной мощности [1; 2] доказывают, что РД новой конструкции эквивалентен четырехтактному поршневому двигателю (ПД), в то время как РПД Ванкеля - двухтактному.

При графическом анализе работы ПД и РПД (рисунок), принципов образования изменяющихся объемов, в которых происходят газовые процессы (впуск - сжатие - воспламенение - расширение - выпуск), выявлено:

- в ПД четыре такта совершаются внутри одного цилиндра;

- РПД трехвершинным ротором постоянно разделен на три рабочие камеры, положение и объем которых изменяются при вращении ротора, обеспечивая выполнение четырехтактного рабочего цикла (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов);

- в РД новой конструкции [3] четыре такта совершаются в паре двухкамерных блоков («впуск-сжатие» и «рабочий ход-выпуск»); весь четырехтактный цикл происходит единовременно.

Таким образом, за время выполнения четырех тактов одного полного рабочего цикла:

- коленвал четырехтактного ПД совершает 2 оборота;

- коленвал двухтактного ПД - 1 оборот;

- эксцентриковый вал РПД - 3 оборота, а с учетом наличия трех камер (изменяющихся объемов) - 1 оборот;

- шестерня отбора мощности нового РД - 1 оборот.

По данным показателям наихудшим вариантом является четырехтактный ПД, поскольку поршень совершает 3 холостых хода, при этом один оборот вала используется не для получения полезной работы, а для привода механизмов самого двигателя. Остальные варианты исключают этот недостаток.

Рис. Периодичность рабочего цикла при изменении угла поворота ведущего вала (ведущей шестерни)

Рисунок демонстрирует периодичность рабочего цикла при изменении угла поворота ведущего вала (ведущей шестерни). Очевидно, что период:

- четырехтактного одноцилиндрового ПД составит ;

- двухтактного одноцилиндрового ПД - ;

- односекционного РПД Ванкеля - ;

- РД новой конструкции (для одной пары двухкамерных блоков) - .

Аналитический (табл. 1) и графический (рисунок) методы анализа работы ДВС позволяют провести аналогию между двухтактным ПД и РПД Ванкеля, четырехтактным ПД и РД новой конструкции. При этом опыт эксплуатации РПД Ванкеля выявляет не только теоретическое, но и практическое сходство его достоинств и недостатков с достоинствами и недостатками двухтактного ПД, за исключением массы и габаритов, меньших ввиду конструктивных особенностей двигателя (табл. 2).

Новая конструкция РД, помимо принципиальных преимуществ роторного двигателя над поршневым (меньшее количество движущихся деталей; отсутствие возвратно-поступательного движения; отсутствие газораспределительного механизма; уравновешенность и др.), включает преимущества четырехтактных двигателей (полнота сгорания топлива больше на 10…20%; высокая топливная экономичность; низкая токсичность; низкий уровень шума; рабочий ресурс больше на 20…40%; снижены динамические нагрузки; сохраняет работоспособность при износе дольше и т.д.) [4; 5].

Косвенными признаками аналогии являются особенности работы двигателей. В двухтактном двигателе за один такт выполняется несколько действий четырехтактного двигателя. Особенностью двухтактного ПД (и РПД Ванкеля) является то, что, приближаясь к концу рабочего хода, поршень (ротор-поршень) открывает выпускное окно. Отработанные газы удаляются под собственным давлением и под напором свежей смеси, вталкиваемой через передаточное окно. Даже при самой хорошей регулировке двигателя часть свежей смеси неизбежно теряется через выпускное окно. При этом двухтактный двигатель более чувствителен к сопротивлениям на впуске и выпуске. Из-за отсутствия выталкивающего действия поршня (ротора-поршня) при выпуске он не может работать при высоких противодавлениях.

двухвершинный роторный двигатель мощность

Таблица 2 Сопоставление некоторых эксплуатационных показателей эквивалентных по мощности и литражу ДВС

Мощность двухтактного двигателя (и РПД Ванкеля) при одинаковых размерах цилиндра (рабочей камеры) и частоте вращения вала теоретически в два раза больше мощности четырехтактного (и РД новой конструкции) ввиду большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня (ротора-поршня) для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70% при снижении выходных показателей моторесурса и экономичности агрегата в целом.

РД новой конструкции, обладая достоинствами четырехтактных ДВС, сохраняет преимущества роторных двигателей: отсутствие возвратно-поступательного движения поршней, малые вес и габариты, что и определяет теоретический и практический интерес к новому роторному двигателю. При этом математическая модель расчета эффективной мощности двигателя аналогична модели расчета данного параметра для четырехтактного ДВС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бениович, В.С. Ротопоршневые двигатели / В.С. Бениович, Г.Д. Апазиди, А.М. Бойко. -М.: Машиностроение, 1968. - 151 с.

2. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - М.:Высш.шк., 2002. - 496 с.

3. Симуков, И.В. Роторный двигатель внутреннего сгорания: реальность и перспективы / И.В.Симуков // Вестн. БГТУ. - 2006. - №4. - С.49-52.

4. Симуков, И.В. Эффективность уплотняющих элементов в усовершенствованном роторном двигателе внутреннего сгорания / И.В.Симуков // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: сб. науч. тр.:в 2 т. - БГИТА, 2008. - Т.2. - С. 226-232.

5. Симуков, И.В. Окружность как оптимальная форма рабочей поверхности в роторном двигателе внутреннего сгорания / И.В.Симуков // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: сб. науч. тр.:в 2 т. - БГИТА, 2008. - Т.2. - С. 232-238.

Размещено на Allbest.ru