Техника - молодёжи 2003-08, страница 14
м и новый РУССКИМ две Львиная доля энергии на ветер Если не считать двигателей Баландина и Ванкеля, которые так и не прижились, современный ДВС, в сущности, поршневая машина XVIII в. Это произошло потому, что основные законы термодинамики были сформулированы почти на сто лет позже изобретения первой паровой машины. Не имея представления о началах термодинамики, основах двигателестроения и смежных науках, авторы машин загнали рабочее тело в большой цилиндр, шток поршня соединили кривошипом с колесами и... по-шел-поехал паровоз. Львиная доля тепловой энергии улетучивалась в окружающее пространство через стенки цилиндра. Прямой ход поршня — полезная работа. Обратный — лишь не тормозит вращение кривошипа. Когда дело дошло до автомобилей, в двигатель поставили цилиндры размером меньше, но числом больше. Кривошипы заменили коленчатым валом. Расположенные в один, а то и в два ряда цилиндры поочередно взялись за работу (потому что их соединили параллельно) с КПД менее 20%. На усовершенствование ДВС (дополнительные клапаны, новые системы впрыска топлива, форкамеры, электронное зажигание, полуавтоматы и, наконец, шести-скоростные секвентальные коробки передач) ведущие автомобилестроительные фирмы тратят огромные средства. А результат — лишь небольшое повышение КПД, который сегодня едва превышает КПД паровоза, умершего полвека назад. И в мощном моторе современного джипа или болида Формулы-1 происходит то же самое, что и в паровой машине XVIII в. Парадоксы современных ДВС О четырех тактах ДВС знают уже школьники. В первые моменты расширения при рабочем ходе поршень находится около «верхней мертвой точки» и движется крайне медленно, а в это время горячие газы интенсивно отдают тепло стенкам цилиндра. В результате через громоздкую систему охлаждения энергия уходит в атмосферу. Если бы поршень при рабочем ходе мог двигаться в несколько раз быстрее, эта энергия шла бы на полезную работу. Но кривошипно-шатунный механизм коленчатого вала не позволяет провести рабочий такт быстрее остальных. Как ни странно, это противоречие до сих пор не осознавалось учеными и конструкторами. Согласно теоретическим основам, разработанным русским ученым Гриневецким и его последователями, ДВС должен работать по индикаторной диаграмме, построенной Гриневецким и Мазингом. Это, по сути дела, идеальная диаграмма работы четырехтактного ДВС, в которой содержатся два скоростных (сжатие и рабочий такт) и два затяжных (выпуск продуктов сгорания и ; и о наполнение) тактов в цикле. Схематически это будет выглядеть так: 2с х 2з х 2с х 2з... Однако коленчатый вал при вращении преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное движение поршня по диаграмме, построенной по способу Брик-са, которая имеет другое чередование тактов в четырехтактном двигателе. Схематически они выглядят так: один скоростной (1с); один затяжной (1 з), т.е. 1сх 1зх 1сх 1з... Таким образом, в термодинамическом цикле четырехтактного ДВС содержится четыре такта, а в механическом цикле — восемь тактов. Вот поэтому процессы управляющего механизма не скоординированы с процессами, совершающимися в цилиндрах ДВС. Кроме того, в одно и то же время в разных цилиндрах при параллельном соединении последних должны совершаться разные процессы (такты) — скоростные или затяжные. Однако коленчатый вал вращается с одной скоростью, поэтому на малых оборотах вспомогательные такты совершаются эффективно. Процессы же сжатия, сгорания и расширения протекают вяло. На больших оборотах коленвала в цилиндре ДВС скоростные процессы протекают быстро, выдавая при этом малую мощность потому, что процессы выпуска и наполнения совершались быстро, по аналогии скоростных тактов. В настоящее время двигателисты классифицируют мощности ДВС транспортных средств по диаметру (Д) или объему (V) цилиндров. Они считают, что диаметр цилиндра — это единственный основной параметр, определяющий мощность. Это заблуждение породило много недостатков. Например, при создании двигателей большой мощности диаметры цилиндров довели до циклопических размеров (более 1 м на судах). Одновременно мощности двигателей возросли до катастрофических величин. Так, для «Жигулей» массой около тонны цилиндровая эффективная мощность (1Чэц) достигла 60 кВт, а общая мощность ДВС составила 240 кВт. А часто ли водителю такого автомобиля приходится вдавливать педаль акселератора до упора? Несложный расчет, проведенный учеными НАМИ, показывает, что для езды по городу со скоростью 60 км/ч нужно всего-навсего 6 кВт — в сорок раз меньше! Даже при крейсерской скорости по трассе (90 км/ч) достаточно мощности 10—12 кВт. А теперь представьте себе, какое количество вредных загрязнителей выбрасывают все транспортные средства из-за ошибочно завышенной мощности. В связи с этим напрашивается вопрос: для чего же такой огромный запас? Здесь уместно напомнить, что расход топлива зависит от степени загруженности двигателя. Когда он работает на холостом ходу, то потребляет ничтожную мощность, способную разве только прокрутить его самого. Удельный рас- ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 8 ' 2 0 0 3 Н К А ход топлива огромен — полезной работы нет. а горючее сгорает. Кроме того, на холостом ходу выхлопные газы особенно вредны. Эти безобразия происходят потому, что цилиндры соединяются только параллельно. Естественно, работают они поочередно и выдают наименьшую мощность. Между тем в энергетике, на железнодорожном транспорте более века используют эффективный способ повышения и получения мощности путем соединения нескольких источников последовательно, параллельно или смешанно. Двигатель Печкина Учитывая пионерный характер разработки, Российское Агентство по патентам и товарным знакам сочло возможным присвоить изобретению имя автора — «Двигатель Печкина». А такой чести удостаивается далеко не каждый. Для достижения основной цели изобретения — повышение КПД двигателей — автор пришел к идее согласования термодинамического и механического процессов ДВС по аналогии с электрическими источниками. Соединяя, например, два генератора в параллельную работу, мы обязаны их подготовить, а затем синхронизировать. Иначе вместо их работы мы получим катастрофу. Но в двигателях этого до сих пор не делают. Идея нового способа состоит в том, чтобы дать газам возможность быстро расшириться и выполнить свою работу без лишних тепловых потерь и чтобы механическая часть двигателя помогала, а не мешала ему в этом. ДВС Печкина (рис. 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, шток 3 и кулачковый вал 4 с кулачком 5. Шток и поршень жестко соединены друг с другом. Конец штока со стороны кулачкового вала снабжен роликом 6 и коромыслом с возможностью качания коромысла относительно своей оси 8. Постоянный подвижный контакт ролика с профилированной поверхностью кулачка обеспечивает пружина 9. Качание коромысла относительно своей оси между штоком 3 и кулачком кулачкового вала обеспечивает пружина 10. Особенностью работы двигателя по сравнению с ДВС с кривошипно-шатун-ным механизмом является оригинальный рабочий ход. При воспламенении сжатой топливно-газовой смеси ролик 6 штока 3 со-скальзывает с вершины кулачка 5 и поршень 2 вместе с жестко закрепленным с ним штоком 3 резко движется вниз. Коромысло 7 в начальный момент движения штока 3 вниз контактирует с вершиной кулачка 5 и по мере продвижения штока 3 12 |
