Модульный роторный ДВС.

[Kanonier]

4. ТЕРМОДИНАМИКА, КАМЕРА СГОРАНИЯ И АДИАБАТИЗАЦИЯ СИЛОВОГО БЛОКА

Цикл расширения: Геометрическое расширение 24:1 (Цикл Аткинсона).

Адиабатный контур: Модуль расширения частично адиабатный. Поверхность обода ротора и нагруженная грань лопатки покрыты жаропрочным экраном (керамика) на теплоизолирующей прокладке. Рабочая температура поверхности экрана в цикле удерживается на уровне 800°C. Внутренний каркас ротора и узлы суппорта привода принудительно охлаждаются маслом до 100…150°C для исключения термических деформаций.

Уплотнение статора и десмодромный микролифт: За выхлопным окном статора установлена прижимная пластина с принудительным кулачковым приводом (микролифт ход 0,1 мм). Пластина утапливается на 0,1 мм строго в момент прохождения сквозного поперечного канала лопатки. При прохождении камеры сгорания пластина опирается на боковые 30-мм дорожки обода ротора, образуя микронный газодинамический затвор.

Камера сгорания (Лунка): Изолированная полость в монолите ротора, пространственно разнесенная с пазом лопатки (лопасть в утопленном состоянии воспринимает только давление сжатия ~2,37 МПа, но не пик вспышки газов).

Бензиновая модификация: Лунка представляет собой идеальную гладкую сферу диаметром до 65 мм (минимизация \(S/V\), предотвращение детонационных очагов). По краям — плавные скошенные фаски. Зажигание — форсированное, объемное многоточечное, интегрированное в статоре.

Дизельная модификация: Внутри лунки спроектированы 3D-вихреобразователи (центральный конус-вытеснитель и спиральные каналы типа «двойной тор») для создания сверхвысокой микротурбулентности, а также пассивный калильный элемент (керамический штифт), раскаляющийся от вспышек до 1100–1300°C и обеспечивающий объемный HCCI-эффект гомогенного сгорания за время 2,22 мс без электрических систем поджига на рабочих режимах.

---

​

 

[Kanonier]

5. НАВЕСНОЙ МОДУЛЬ ПРЕДКАМЕРЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПУСКОМ/ДЕТОНАЦИЕЙ

Конструкция предкамеры: Сменный навесной узел, оснащенный качающейся лопастью и простым синхронизированным золотником распределения потоков.

В бензиновом режиме: Работает как транзитный канал. Геометрический дожим лопастью отсутствует (эффективное сжатие 14:1).

В дизельном режиме: Лопасть предкамеры осуществляет механический дожим охлажденного воздуха в 1,45 раза (суммарная степень сжатия на выходе достигает 19:1…20:1, давление перед «выстрелом» золотника — 3,84 МПа). Высокоскоростной «выстрел» воздуха в раскаленную неохлаждаемую лунку (800°C) обеспечивает мгновенный прогрев заряда выше точки самовоспламенения дизельного топлива.

Антидетонационный пусковой байпас (Управление ЭБУ): Вне золотника спроектирован один возвратный байпасный канал из зоны сжатия предкамеры на впуск/в ресивер, оснащенный электромагнитным клапаном, управляемым ЭБУ. Направление потока в байпасе строго однонаправленное.

Режим пуска бензина: Для холодного старта формируется богатая стехиометрическая смесь (alpha = 0,95). Во избежание детонации при сжатии 14:1, ЭБУ открывает клапан байпаса в обход золотника, стравливая часть воздуха и искусственно снижая эффективную степень сжатия до безопасных 10:1 (под АИ-92) или 12:1 (под АИ-98). После прогрева адиабатной лунки смесь обедняется до рабочих (alpha = 2,5), клапан байпаса намертво закрывается, и двигатель переходит на честные 14:1, где детонация физически невозможна.

Режим пуска дизеля: Клапан байпаса заперт. Включается дежурная пусковая свеча накаливания/плазмы в статоре. После первых вспышек и прогрева пассивного керамического калильного штифта в лунке до 1100°C (3–5 секунд), пусковая свеча статора полностью обесточивается.

Режим останова: Клапан байпаса намертво закрывается. Золотник перекрывает окна. Вся пневмосистема ДВС и ресивер полностью герметизируются, сохраняя пусковое давление для следующего старта.

 

[Kanonier]

После общения с ИИ, тот посоветовал (с обоснованием) изменить компрессор на зеркальный детандеру. Хотя у меня и предполагалось в качестве компрессора использовать любой тип, но тот настоял именно на этом (и с расчетами). Меньшего размера и с большими оборотами (2,45 раза). У нас не нужна синхронность в работе модулей (достаточна производительность компрессора. А после попадания в предкамеру воздуха или ТВС, колебания в ресивере не влияют на заряд находящийся там (при прямом наполнении лунки КС было бы падение давления, за счет увеличения объема). Короче должно быть так.

 

[Kanonier]

Конфигурация модулей: 2 тождественные секции на едином валу со строгим угловым смещением на 90° (полная взаимная компенсация радиальных и динамических сил).


Базовый эталон: Наружный диаметр ротора D = 330 мм, ширина полости – 150 мм.

Кинематика: Частота вращения МР — 900 об/мин. Ограничение скорости: Линейная скорость апекса лопатки — не более 15 м/с. Обороты сателлитов — 1800 об/мин.

Общее число рабочих ходов — 8 за 1 оборот общего вала ( 4 такта за 1 оборот вала на модуль). Полный рабочий цикл в одной секции совершается ровно за пол-оборота ротора (180°). Лопатки в секции работают строго в фазе (синхронно).

Полный рабочий цикл в одной секции совершается ровно за пол-оборота ротора (180°). Лопатки в секции работают строго в фазе (синхронно).

Объемные показатели: Чистый объем одной полости (рабочего хода) составляет ~3.6 литра (3600 куб.см). Полный рабочий объем двигателя за 1 оборот общего вала — ~30 литр.

Энергетические показатели (Расчетные без Аткинсона, форсаж):

Среднее эффективное давление (Pe = 0,95 МПа (при СС-14 и коэффициенте избытка воздуха (alpha = 1,5).

Полная расчетная мощность двигателя: 410 кВт (560 л.с.) (суммарно , для двух модулей).

Номинальный крутящий момент на главном валу: 4355 Н·м при 900 об/мин.

Геометрия двигателя: Общий диаметр секции( МР с МС) (расположенного с боков контура элипса МР до 600мм (0,6 м) ну и соответственно двигателя. Длина одной секции 350 мм (0,35 м). Длина двигателя –до 0,7 м.



И при этом бензиновый с СС-14, Использование сверхбедных смесей – базовая ТВС- альфа -2,5 .Качественное регулирование. КПД до 50 %,

 

[Kanonier]

А теперь адаптируем его к АН-2. Увеличиваем до 400мм ширину ротора (полости), при этом мощность и крутящий пропорционально возрастут в 2,66 раза. Но такое нам не надо, хватит и в 2 раза. Т.е. мощность 840 кВт (1120 л/с.), и крутящий-8710 Н·м. Все узлы и вылет лопатки уменьшаем (это не так значительно) поэтому в габаритах увеличиваем только длину 0,25м Х 2 =0,5 м (за счет увеличения ширины раб.полости и ротора). Итак диаметр остается почти прежним, а длина 1,2 м.

Увеличение ширины до 0,4 м позволяет иметь 6 лунок КС (0,086 л) на полость. То есть у нас 24 маленьких сферических КС, без единого клапана (сравнивать с 9 цилиндровой звездой, с 4 клапанами на цилиндр) с единым золотником на полость.

Почему кратность –три. Да потому, что мы можем отключить одну из трех лунок (в нашем случае 2), и получим Аткинсон с расширением в 1,5 раза большим сжатия. А для этого надо только ЭБУ дать сигнал УФС (устройству формирования смеси). И последнее будет пропускать только воздух в предкамеру- режим «Воздушной пружины»: Отключенная лунка (в нашем случае одна из трех) наполняется чистым сжатым воздухом. В такте сжатия она аккумулирует энергию, а в такте расширения возвращает ее как газовая пружина, вылезая обратно в полость и снижая тепловую нагрузку на керамический экран лопатки (Классический Аткинсон-Миллер).



Или можно организовать еще один хитропопый цикл-Режим «Эко-форсаж»: В две лунки подается базовая ТВС ((alpha = 1,5), и регулирование, в третью — ультраобедненная смесь (alpha = 3,5 -5). Под воздействием вспышки в основных лунках в третьей лунке происходит многозонное объемное самовоспламенение (HCCI-процесс) с полным дожиганием углеводородов.

Чтобы избавится от гироскопичности (роторы такие, тут маховиков не надо), секции не на одном валу, а в зацепление (пусть и через демпфер) при вращении секций в разные стороны.

Итак, мощность – 1120 кобыл, крутящий- 8710 Н·м.

А старый еврей Мидель совсем тощий. И Ан-2 на бензинке может летать весьма экономично.

А на соседней ветке в цилиндры балуются, циклы разделяя.

 

[Kanonier]

Некоторые изменения, которым поспособствовало общение с ИИ. Вывод и передача возвратно-поступательного усилия идет от КШМ к боковым торцевым штырям (цилиндрический стержень) d шт = 16 – 18 мм, расположенных на боковом торце строго на расстоянии 22 - 25 мм от, не выдвигаемого в рабочую полость, конца лопатки. Это было.

А вот, широкая грань, нагруженной стороны в зоне заднего короткого торца лопатки у глухого конца канала, жестко связывается с независимой направляющей кареткой, не соединенной напрямую с шатунами КШМ. Каретка компенсирует опрокидывающие моменты, полностью исключает перекос лопатки в канале, перенося паразитный износ на внешние регулируемые направляющие имеющие игольчатые подшипники.

Получаем гарантируемый заданный зазор нагруженной стороны лопатки с каналом. А регулирование и ремонт при износе переносится из канала лопатки (уже не нужно туда залезать), в более доступное место-полость ротора, с технологическим окном.

 

[Kanonier]

Активная предкамера осуществляет принудительное, дозированное наполнение камеры сгорания (лунки на роторе). А также может является второй ступенью сжатия.
Объем предкамеры: Геометрический объем рабочей полости предкамеры конструктивно больше, чем объем сферической лунки ротора, для создания избыточного градиента давления и обеспечения гарантированного наполнения КС четко дозированным зарядом за соответствующее время. Для вытеснения лопастью предкамеры нужный объем с максимальной скоростью в строго заданный промежуток времени, объем хода лопасти предкамеры должен быть примерно в 1 / 0.298 = 3.35 раза больше, чем объем лунки. Бензиновый вариант - 130 куб.см. х 3.35 = 435 куб.см. (ширина 70 мм, радиус лопасти 63 мм.) Дизельный вариант 90 куб.см х 3,35 = 300 куб.см. (ширина 70 мм, радиус лопасти 5,3 мм.) И когда более 500 лошадей, этот узел (их на полость пока 2 шт, на двигатель 8), по объему выглядит как дополнительное устройство у поршневого с такими параметрами.
Хотя можно схитрить, но тогда предкамера из транзитного варианта (бензиновый вариант) превращается в вторую степень сжатия. как в дизельном варианте. Если степень поджатия будет как в дизельном варианте, объем можно уменьшить до 300 куб.см. А можно и промежуточное поджатие 1,2 , тогда объем 360 куб.см.

 

[Kanonier]

Некоторые расчеты: Лопатка

• Максимальный изгибающий момент (M max).
• Так как давление распределено равномерно по всему вылету консоли L = 45 мм = 4,5 см сила давления (F = 3030 кгс образует распределенную нагрузку. Для консольной балки максимальный момент возникает в месте заделки:
  M max = F х L / 2 = 3030 кгс х 4,5 см / 2 = 6817,5 кгс. см – 682 Н.м
• . Максимальное напряжение изгиба ( Ϭ изг. max)
• Напряжение находится делением изгибающего момента на момент сопротивления сечения:
  Ϭ изг. max =M max / Wz = 6817,5 кгс.см. / 20,13 см^3= 338,6 кгс.см^2 -- 33,2 Мпа.
• Итоговый вердикт по запасу прочности конструкции:
• Для стандартной конструкционной стали (например, Ст3 с пределом текучести 245 Мпа) . коэффициенты запаса прочности составляют:
• С металлическими пластинами (полная сборка) К = 7,2.

.Определив прочность лопатки с 7-кратным запасом. Отсюда с учетом того что вес полностью металлической пластины 290 мм х 150мм х30 мм будет около ~ 10 кг. А Сотовая лопатка (наш рассчитанный вариант) ~7,5 кг. И с семикратным запасом. Отсюда можно вес лопатки можно снизить до 6 кг. А это, для сравнения с поршневым вариантом, меньше даже веса двух поршней, в 2-х цилиндрах (по 1,8 л каждый). Что сумарно соответствует нашему объему (3,6 л).

 

[Kanonier]

Некоторые уточнения.

Главные результаты расчета - прочность.

Момент сопротивления Wz: 20133,8 мм³ ~ 20,13см³

Максимальный изгибающий момент M max = 8353 кгс см ~ 832 Н.м

Максимальное напряжение изгиба(Ϭ изг. Max)=414,95 кгс.см² ~ 40,7

Мпа.

Итоговый вердикт по запасу прочности конструкции:

Для стандартной конструкционной стали (например, Ст3 с пределом текучести 245 Мпа) . коэффициенты запаса прочности составляют:

С металлическими пластинами (полная сборка) К = 6.



Запас прочности конструкции: 6

Определив прочность лопатки с 6-кратным запасом. Отсюда с учетом того что вес полностью металической пластины 290 мм х 150мм х 30 мм будет около ~ 10 кг. А Сотовая лопатка (наш рассчитанный вариант) ~ 7,5 кг. с шестикратным запасом.

И учетом применения оптимизированных H-образных двутавров (с уменьшением площади сечения вдвое). И при снижении запаса прочности до 3-х,масса лопатки будет 3,7 кг, и с учетом веса каретки (до 1 кг) общая масса перемещаемая КШМ будет до 4,7 кг..

 

[Kanonier]

Интегрирование и расчет работы сил трения (A тр.)

Механическую работу, затраченную на преодоление трения при одном полном выдвижении лопатки, проинтегрируем мгновенную силу трения F тр по пути вылета (S = 10 см = 0,1 м). [1]

Применим метод численного интегрирования (метод трапеций) по полученным точкам:

Итоги расчета трения при выдвижении (35° - 180°) : Пиковая нормальная нагрузка на подшипники паза составляет 3923,7 кгс (на угле 82° кривошипа). Пиковое мгновенное трение —192,4 Н. Средняя сила трения на ходу — 111,2 Н. Чистая работа трения за один ход одной лопатки — 11,12 Дж.

Механические потери на трение: Потери в 11,12 Дж на один ход (вылет-задвигание) выдвижения одной пластины с использованием каретки и роликовых направляющих. Суммарная паразитная мощность трения ВУ во всех режимах расширения ничтожно мала по сравнению с работой газов за такт в одной полости.

При Pe = 0,95 Мпа и объеме 3,6 площади лопатки 15х10 см (F = 1425 кгс) , и ходе 0,24 м, полезная работа расширения газов за один такт составляет около 3353,5 Дж.

Полезная работа: 3353,5 Дж

Потери на трение в подшипниках: 11,12 Дж

Процент потерь на трение в этом узле: ~0,33 % Потери мощности ничтожны.

• Механика трения: Вдоль краев паза ротора интегрированы кассеты с игольчатыми роликоподшипниками качения d ролика = 4 ммμ + гидростатический подпор. Трение скольжения заменено трением качения в масляной ванне μ пр = 0,005. • Итоги расчета трения при выдвижении (35° - 180° : Пиковая нормальная нагрузка на подшипники паза составляет 3923,7 кгс (на угле 82° кривошипа). Пиковое мгновенное трение — 192,4 Н. Средняя сила трения на ходу — 111,2 Н. Чистая работа трения за один ход одной лопатки — 11,12 Дж. Потери мощности ничтожны, клин исключен.

 

[Kanonier]

ИНЕРЦИОННЫЕ НАГРУЗКИ ЛОПАТКИ.



С учетом применения оптимизированных H-образных двутавров (с уменьшением площади сечения вдвое) Общая масса подвижной сборки до 4,5 кг. И при снижении запаса прочности до 3-х, масса лопатки будет 3,7 кг, и с учетом веса каретки (до 1 кг) общая масса перемещаемая КШМ будет до 4,7 кг.

Исходные данные для расчета

Масса группы: m: 4,7 кг

Радиус кривошипа R: 57 мм (0,057 м), ход поршня S = 114 мм

Коэффициент шатуна λ = 0,396

Обороты n = 900 об/мин.

Средняя скорость лопатки v ср = 6,84 м/с



Пошаговый расчет

Угловая скорость ω:
ω = 2π х n /60 = 94,25 рад/с

Базовая сила инерции 1-го порядка Fб = m х R х ω²
4,7 х 0,057 х 94,25² ≈ 2379,77 Н (~ 243 кгс)



Итоговые силы в мертвых точках

В верхней мертвой точке (ВМТ):
F и вмт = 2,38 х (1 + 0,396) ~ - 3,32 кН) ~338,7 кгс

В нижней мертвой точке (НМТ):
F и нмт = 2,38 х (1 - 0,396) ~ +1,44 кН) ~ 147 кгс

Разница сил:
Составляет ~1,88 кН. Переменная сила второго порядка (равная (2 λ х m х R х ω²) является главным источником вибраций в двигателе.

 

[Kanonier]

ВЛИЯНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ

С учетом применения оптимизированных H-образных двутавров (с уменьшением площади сечения вдвое). И при снижении запаса прочности до 3-х,масса лопатки будет 3,7 кг, и с учетом веса каретки (до 1 кг) общая масса перемещаемая КШМ будет до 4,7 кг. Но при максимальном вылете центр масс каретки будет близок к оси вращения и не учитывается.

Так как лопатка массой 3,7 кг — это протяженное тело с равномерно распределенной массой, для расчета центробежной силы берется расстояние от оси вращения до его центра масс. При вращении лопатка вытягивается вдоль радиуса тем самым увеличивая массу. Наиболее большая масса при максимальном вылете лопатки h =10 см (0,1 м).

1. Угловая скорость ω:
   ω =2 π х n =2 х3,1416 х15об/с =94,25 рад/с.

Находим расстояние до центра масс R cm:
Центр масс лопатки находится ровно посередине суммарной длины радиуса ротора и полном вылете h . R р + h = 0,175 + 0,1 =0,275 м.
R цm = 0,275/2 =0,1375 м

Приведенная масса m:

Определяется как разница масс частей лопатки от оси ротора при полном вылете h . Длина лопатки L =0,29 м. L ∆ = L – (R р + h) = 0,29 – ( 0,175 + 0,1) = 0,015 м. тогда 0,29 /0,015 = 19,33, что составляет 1/19 часть однородной массы лопатки /12 =0,191 кг. Отсюда m: 3,7- 0,191 = 3,51кг.

Рассчитываем силу в Ньютонах:
Fцб мах = m х ω² х R цm= 3,51 х 94,25 ² х 0,1375 = 4209,24 Н (429,5 кгс)