В настоящей статье проведен анализ существующих конструктивных решений, используемых при создании транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Определена оптимальная кинематическая схема энергоустановки, наиболее эффективная конструкция теплового двигателя и нагружающего устройства, а также предъявлены требования к вспомогательным системам и агрегатам.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, свободнопоршневой двигатель, энергоустановка, линейный генератор
Введение
Основным источником энергии как на автомобильном транспорте, так и в малой энергетики в настоящее время остаются тепловые двигатели, основным конструктивным узлом в которых является кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Устойчивую позицию этим двигателям обеспечивают распространенность используемого топлива, преимущественно нефтяного происхождения, высокая технологичность конструкции и, как следствие, доступная стоимость изготовления, относительно не высокие эксплуатационные расходы, ресурсные параметры, а также относительно неплохие показатели энергоэффективности и экологичности. Однако, для достижения высоких удельных мощностных показателей, хорошей топливной экономичности и низкого уровня выбросов вредных веществ с отработавшими газами все современные тепловые двигатели, основанные на кинематике КШМ, вынуждены использовать в своем составе большое количество сложных и дорогостоящих систем, в основе которых лежат как механические узлы и агрегаты, так и мехатронные и микропроцессорные системы, действия которых направлены на повышение эффективности термодинамического цикла двигателя [1, 2, 3, 4]. Стоит отметить, что чем более совершенными и отточенными являются рабочие процессы в конкретном двигателе, т. е. чем выше показатели его топливной экономичности и ниже концентрация вредных веществ в отработавших газах, тем выше его себестоимость и, следовательно, дороже его обслуживание и ремонт, причем это вызвано не только более высокой стоимостью запасных частей и расходных материалов, но и необходимостью привлечения высококвалифицированного персонала для проведения регламентных работ.
Современные тепловые двигатели вплотную приближаются к границе своего технического совершенства, а применяемые конструктивные и прочие мероприятия, становясь все более изощреннее, в конструктивном смысле, и дороже, приносят все менее ощутимый эффект. Вполне обоснованно можно предположить, что в ближайшие десятилетия дальнейшее совершенствование традиционных тепловых двигателей будет уже экономически нецелесообразно, т. к. будет пройден тот рубеж, при переходе через который стоимость изготовления, а также дальнейшей эксплуатации и обслуживания превысят экономическую выгоду от снижения расхода топлива, которую смогут обеспечить внедряемые технические решения, а единственным стимулом, оправдывающим усложнение конструкции двигателей и энергоустановок в целом, будет снижение эмиссии вредных веществ.
Все это предопределяет необходимость поиска свежих идей в области создания альтернативных конструкторских решений и новых типов двигателей, которые позволят поднять показатели тепловых двигателей на новую ступень, при этом сохранив рациональность их использования в автотранспортных средствах и малой энергетике.
Одним из таких решений, набирающим популярность в последнее десятилетие, является использование свободнопоршневых кинематических схем в тепловых двигателях, позволяющих получать механическую энергию, произведенную в результате сжигания топлива, непосредственно с рабочего поршня. Причины возобновления интереса научной общественности к данному направлению кроются в ряде преимуществ, которыми обладают свободнопоршневые (СП) тепловые двигатели в сравнении с традиционными двигателями, у которых тепловая энергия передается от поршня через кривошипно-шатунный механизм на вращающийся коленчатый вал двигателя. В частности, можно отметить, что свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) превосходят кривошипно-шатунные аналоги по материалоемкости, технологичности и стоимости изготовления, массогабаритным параметрам, ресурсу, показателям удельного эффективного расхода топлива при низких требованиях, предъявляемых к используемому топливу, а также по уровню эмиссии вредных веществ [5]. Все эти преимущества в основном объясняются более высоким эффективным КПД таких двигателей, в частности, вследствие меньших механических потерь, а также простотой конструкции, потенциально лучшей уравновешенностью двигателя и возможностью обеспечения изменяемой степени сжатия.
В ходе проведения исследований одной из поставленных задач являлось формирование технического облика автотранспортной энергоустановки на базе СП ДВС.
Обзор ианализ существующих конструктивных решений
Очевидно, что на транспорте СП ДВС целесообразнее использовать в составе гибридной энергоустановки [6], а также в роли основной составляющей «увеличителя пробега» (в переводе с англ. «range extender») электромобилей [7] совместно с линейным генератором для выработки электроэнергии, которая в последствии должна использоваться для привода автомобиля и питания бортовых систем, а не в качестве движителя транспортного средства. В ходе сравнения существующих видов и концепций энергоустановок на базе СП ДВС, основанного на анализе современных научно-технических источников, были сделаны следующие выводы:
1) Наиболее предпочтительным по энергетическим показателям для СП ДВС является двухтактный рабочий процесс. Применение четырехтактного рабочего процесса для СП ДВС нецелесообразно в виду значительного снижения эффективности за счет большего числа преобразований энергии для реализации четырех рабочих тактов, а так же в связи с проблемами, связанными с неравномерностью работы установки, усложнения конструкции двигателя и потенциального увеличения его стоимости.
2) Важным вопросом при создании СП ДВС является выбор кинематической схемы с точки зрения количества, вида связи и взаимного направления перемещения рабочих поршней.
Применение компоновок с отдельной камерой сгорания для каждого рабочего поршня, в т. ч. одноцилиндровых или двух цилиндровых конструкций, но с жестко связанными поршнями, осложняется за счет неуравновешенности сил инерции, вследствие чего при работе двигателя будут возникать повышенные вибрации. Использование данных кинематических схем возможно при модульном подходе в создании энергоустановок, предусматривающим наличие четного числа СП ДВС, работающих в противофазе, и тем самым обеспечивающих взаимное уравновешивание, однако в данном случае могут возникнуть сложности с обеспечением их синхронизации.
Наиболее оптимальной кинематической схемой для СП ДВС, представленной на рисунке 1, является конструкция с двумя противоположно движущимися поршнями, объединенными общим цилиндром.
Рис. 1. Кинематическая схема СП ДВС с противоположно движущимися поршнями
Применение такого технического решения позволяет избавиться от вибраций за счет компенсации инерционных нагрузок при сохранении приемлемых массогабаритных показателей.
3) В качестве нагружающего устройства для СП ДВС в транспортной энергоустановке наиболее подходят асинхронные линейные машины на постоянных магнитах из редкоземельных металлов [8] за счет простоты конструкции, высокой эффективности, низкого уровня тепловых потерь, хороших динамических показателей и высокой точности позиционирования. Учитывая вышеописанную схему СП ДВС, основанную на двух противоположно движущихся поршнях, очевидно, что конструкция энергоустановки должна включать в себя две линейные электромашины, подвижные части которых жестко связаны с рабочими поршнями.
4) Результаты динамического анализа [9] показали, что для оптимизации энергоэффективных и массогабаритных показателей в состав энергоустановки на базе СП ДВС целесообразно ввести пневматические пружины, поршни которых жестко связаны с рабочими поршнями СП ДВС и подвижными частями электромашин (см. рисунок 2), выполняющие роль, во-первых, накопителей кинетической энергии, необходимой для возврата поршней в верхнюю мертвую точку для сжатия свежего заряда на каждом последующем такте, а во-вторых, дополнительного источника механической энергии для обеспечения работы линейных электрических машин в режиме генератора на всех тактах работы СП ДВС. Такой подход позволяет существенно минимизировать размеры подвижных частей линейных электромашин при значительном снижении инерционных нагрузок в системе.
Рис. 2. Схема энергоустановки на базе СП ДВС
Стоит отметить, что при выборе геометрических параметров пневмопружин необходимо искать компромисс между диаметром поршней и рабочим давлением. Увеличение диаметра, безусловно, позволяет понизить величину рабочего давления внутри пневмопружин, тем самым снижая требования к конструкционным параметрам их деталям, однако негативно сказывается на габаритных показателях энергоустановки в целом. Применение дополнительного жидкостного охлаждения позволяет нивелировать негативное влияние повышенного давления за счет понижения рабочей температуры в пневмопружинах.
5) Особое внимание при создании энергоустановок с СП ДВС необходимо уделить вопросу организации газообмена в двигателе. Процесс газообмена в свободнопоршневом двигателе целесообразнее осуществлять по двухтактной схеме через впускные и выпускные окна, поэтому рассмотрим подробнее различные методы организации продувки для данного типа двигателей и определим оптимальный из них.
Для свободнопоршневого двигателя аналогом кривошипно-камерной продувки является запоршневое пространство. Применение продувки посредством запоршневого пространства осложняется тем, что в нём должна осуществляться смазка цилиндропоршневой группы, при этом часть масла неизбежно будет попадать в рабочий цилиндр двигателя вместе с продувочным воздухом и сгорать вместе с топливовоздушной смесью, что негативно повлияет на экологические показатели СП ДВС. Другим вариантом газообмена является установка дополнительной продувочной камеры, которая будет обеспечивать продувку, но ее наличие будет увеличивать габаритные размеры двигателя. Оба указанные варианты имеют недостаток, свойственный всем классическим двухтактным двигателям, который заключается в том, что при газообмене кривошипно-камерной продувкой возникают проблемы с высоким процентом остаточных газов, кроме того, такая продувка не позволяет эффективно применять наддув.
Улучшение процесса газообмена может быть обеспечено за счет применения выпускных клапанов в системе газообмена двигателя по аналогу прямоточно-клапанной продувки цилиндра. Применение такой схемы позволяет управлять моментом закрытия выпускного клапана, что позволяет избежать выброса топливовоздушной смеси в выпускной коллектор, тем самым снизить расход топлива, а также позволяет эффективно использовать системы наддува и повысить мощность. Однако, применение клапанов в системе газообмена свободнопоршневого двигателя затруднено отсутствием вращающихся узлов, необходимых для привода кулачкового механизма, и невозможно без использования отдельных приводных агрегатов. Современный уровень развития электротехники и систем управления позволяет применить индивидуальный электромагнитный привод клапанов, но стоит учитывать, что его интеграция в двигатель принесет и ряд недостатков, к которым, например, можно отнести большие энергозатраты на электропривод и проблему обеспечения безударной посадки клапана в седло.
Учитывая тот факт, что концепция свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания не предусматривает наличие вращающихся элементов, которые могли бы обеспечить привод механизма газораспределения аналогично традиционным двигателям с КШМ, наиболее технологичным способом организации газообмена остается использование прямоточно-щелевой продувкой, схема которой представлена на рисунке 3. В данной схеме один поршень перекрывает выпускные окна, а второй продувочные.
Рис. 3. Прямоточно-щелевая схема газообмена в СП ДВС с противоположно движущимися поршнями
Применение прямоточно-щелевой продувки, предусматривающей наличие системы наддува, компрессора или продувочного насоса, позволяет производить качественную продувку цилиндра, за счет чего снижается коэффициент остаточных газов и повышается эффективность двигателя. Естественно, такая схема не лишена недостатков. Одним из них является снижение действительной степени сжатия за счет расположения окон возле НМТ, что обязательно должно учитываться при моделировании процессов в СП ДВС. Также стоит отметить, что данная концепция газообмена существенно ограничит возможность регулирования процесса наполнения свежим зарядом и отвода отработавших газов в ходе работы двигателя, однако, учитывая специфику применения СП ДВС для работы в составе автомобильной энергоустановки, которой характерны квазистационарные режимы, это техническое решение позволит достичь требуемых энергоэффективных показателей двигателя при значительном упрощении его конструкции и повышении надежности. Для повышения эффективных показателей СП ДВС целесообразно организовать продувку посредством турбокомпрессора, приводимого кинетической энергией отработавших газов.
6) Рассматривая проблему организации смазки в СП ДВС, можно отметить, что применение в свободнопоршневых двигателях смазки путем разбавления топлива маслом, характерной для двухтактных двигателей, неэффективно, так как это возможно только при использовании продувки запоршневым пространством, кроме того такая организация смазки приводит к росту концентрации вредных веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу. Стоит также отметить снижение потребительских и эксплуатационных показателей ДВС с описанной организацией системы смазки вследствие необходимости подготовки бензо-масляной смеси в процессе каждой заправки топливом.
Применение классической комбинированной системы смазки, характерной для четырехтактных двигателей, в свободнопоршневом двигателе осложнено наличием в зоне хода компрессионных и маслосъемных (в некоторых случаях) колец органов газообмена, поэтому разработка системы смазки требует особого внимания. Одним из перспективных на сегодняшний день технических решений, позволяющих повысить экономические, экологические и ресурсные показатели ДВС, является совместное использование комбинированной системы смазки пониженной производительности и твердых смазочных покрытий, наносимых на детали трения [10, 11].
7) При создании энергоустановок на базе СП ДВС, учитывая характер тепловыделения в таких двигателях, которым свойственны большая скорость и величина тепловыделения в сравнении с кривошипно-шатунными ДВС (см. рисунок 4), вопрос правильной организации охлаждения деталей двигателя играет важное место. Ситуацию усугубляет также необходимость минимизации массы всех подвижных частей двигателя, в т. ч. рабочих поршней, в угоду снижения инерционных нагрузок, что предъявляет повышенные требования к отводу тепла от нагревающихся деталей, учитывая повышенную теплонапряженность двухтактного двигателя.
Для свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в составе энергоустановки предпочтительно использование жидкостной системы охлаждения с регулируемой производительностью и независимым электроприводом, которая позволит точно регулировать температурный режим двигателя вне зависимости от параметров окружающей среды, а также даст возможность в перспективе повысить энергоэффективность энергоустановки в целом путем реализации различных мероприятий по утилизации тепловой энергии, в том числе отводимой в систему охлаждения [13, 14, 15] и с отработавшими газами [16, 17, 18], в том числе, используемыми в системе рециркуляции отработавших газов.
Рис. 4. График скорости тепловыделения [12]: 1 — свободнопоршневой двигатель; 2 — обычный дизельный двигатель
8) Учитывая целесообразность реализации двухтактного рабочего цикла в СП ДВС, для обеспечения в нем лучшей топливной экономичности и высоких экологических показателей необходимо использовать систему непосредственного впрыска топлива, которая позволит обеспечить точное дозирование цикловой подачи топлива и исключить выброс топлива в выпускной коллектор в процессе продувки цилиндра.
Выводы
В настоящей статье проведен сравнительный анализ конструктивных параметров основных элементов и сформирован технический облик транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Объединение предложенных технических решений позволит обеспечить оптимальное сочетание экологических, энергоэффективных и многих эксплуатационных показателей при интеграции свободнопоршневого двигателя в состав транспортного средства.
Статья подготовлена в рамках проведения НИР по теме «Разработка научных основ и практических способов совершенствования показателей свободнопоршневых тепловых двигателей для транспортных и стационарных энергоустановок» в рамках стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, регистрационный номер СП-264.2015.1 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература:
1. Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П., Тингаев Н. В. Анализ конструкций, обеспечивающих максимальную термодинамическую эффективность поршневых двигателей//Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. -М.: МГТУ «МАМИ», 2012. — № 2 (14). -Т. 1 -С. 360–367.
2. Петриченко Д. А., Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П. Использование многопараметрической нейросетевой модели управления энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2012. Т. 1. № 1. — 81 с.
3. Лежнев Л. Ю. Улучшение топливно-экономических и экологических показателей ДВС в составе комбинированных энергетических установок автотранспортных средств. Дисс. на соиск. Ученой степени канд. техн. наук — М: НАМИ, (2005) — 134с.
4. Лежнев Л. Ю., Иванов Д. А. Способы повышения энергоэффективных показателей двигателей с внешним подводом теплоты, работающих в составе установок автономного энергоснабжения//Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5; URL: www.science-education.ru/111–10139.
5. Шустров Ф. А. и др. Оценка эффективности использования свободнопоршневых тепловых двигателей в составе транспортных и стационарных энергоустановок. / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10–3. С. 449–453.
6. Лежнев Л. Ю., Минкин И. М. АТС с комбинированной энергетической установкой//Автомобильная промышленность. 2003. — № 11 — С. 15–17.
7. Эйдинов А. А., Каменев В. Ф., Лежнев Л. Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ//Автомобильная промышленность. 2002, № 11.
8. Goncharov V. I., Ezhov E. V., Chirkin V. G., Shirinsky S. V., Petrichenko D. A. Linear Alternator with Reciprocating Mover: Review of Designs and Machine Types. Biosciences Biotechnology Research Asia, 2015, Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 409–418.
9. Petrichenko D., Tatarnikov A., Papkin I. Approach to Electromagnetic Control of the Extreme Positions of a Piston in a Free Piston Generator. Modern Applied Science. Vol. 9, No. 1, 2015, pp. 119–128.
10. Nikolay Khripach, Leonid Lesnevskiy, Maxim Lyahovetskiy, Alexander Troshin. Potential of Microarc Oxidation for Implementation of Dry Friction and Boundary Lubrication Modes in Free-piston Internal Combustion Engines. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 10, Number 20 (2015), pp 40956–40964.
11. L. N. Lesnevskiy, L. Yu. Lezhnev, M. A. Lyakhovetskiy,A. E. Troshin, P. V. Gavrilov, and A. M. Ushakov. Inorganic Solid Lubricating Coatings for Heat Engines and Power Plants. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2015, Vol. 44, No. 5, pp. 455–463.
12. R. Mikalsen, A. P. Roskilly «A Review of Free-Piston Engine History and Applications», Applied Thermal Engineering, Vol. 27, № 14–15, 2007.
13. Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeyevich Korotkov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric cooling system for internal combustion engine. Part 1: development of the technical aspects. International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973–4562, Volume 11, Number 15 (2016), pp 8547–8552.
14. Nikolay Anatolyevich Khripach, Denis Alekseevich Ivanov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric Cooling System for Internal Combustion Engine Part 2: Experimental Studies. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8540–8546.
15. Boris Arkadyevich Papkin, Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeevich Korotkov and Denis Alekseevich Ivanov. Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8557–8564.
16. Khripach N., Papkin B., Korotkov V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Sci J 2014;11(12):503–507.
17. Nikolay Anatolyevich Khripach, Boris Arkadyevich Papkin, Viktor Sergeevich Korotkov and Dmitriy Vladimirovich Zaletov. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 677–689.
18. NikolayAnatolyevichKhripach, BorisArkadyevichPapkin, ViktorSergeevichKorotkov, AlexanderSergeevichNekrasovandDmitriyVladimirovichZaletov. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 375–386.
