А вместо сердца - пламенный мотор 3

   В прошлой статье мы остановились на том, что обычные поршневые ДВС имеют «врождённую болезнь», связанную с тем, что кривошипно-шатунный механизм (КШМ) не позволяет радикально изменять характер нагружения рабочего тела (сжатого газа), что могло бы дать возможность получения от него большей полезной механической работы.

   Если решать задачу в лоб, то нужно было бы изобрести КШМ с мгновенно изменяемым радиусом кривошипа, что вряд ли осуществимо на практике, особенно с учётом нагруженности этого узла. Однако, существует и другой путь, и более того — это путь, не требующий значительной перестройки существующей технологии ДВС и всей «экосистемы», связанной с их применением.

   Как вы уже, наверное, догадались, этот путь лежит через противопоршневую схему. Но прежде, чем продолжить, сделаем небольшую ремарку. Радует, что на сайте определённо (как показало обсуждение первой статьи цикла) есть люди, для которых чтение этой ремарки — излишне, но все люди разные.

    Будем полагать, что давление в цилиндре ДВС нарастает мгновенно, а происходит это, когда объём рабочего тела минимален. Как правило, это состояние совпадает с верхней мёртвой точкой (ВМТ) КШМ.

    Однако, существующие противопоршневые двигатели нарушают это самое «как правило». Так, у танкового 5ТДФ, вследствие того, что коленвалы разведены меж собой на 10 градусов минимальный объём между поршнями (представляющий собой камеру сгорания) получается, когда один из коленвалов прошёл свою ВМТ на 5 градусов, а другой, соответственно, не дошёл до своей ВМТ на 5 градусов. Аналогично и с максимальным общим объёмом (рабочий объём плюс объём «камеры сгорания») цилиндра, который у обычных ДВС совпадает с положением коленвала в нижней мёртвой точке (НМТ). Это также потребовало ввести в теорию ДВС дополнительные понятия — верхняя (нижняя) объёмная мёртвая точка (ВОМТ, НОМТ).
    Как следует из описаний к 5ТДФ сдвиг по фазе коленвалов был осуществлён из соображений обеспечения требуемых фаз газораспределения, а вовсе не ради того, чтобы как-то повлиять на характер нагружения рабочего тела. Действительно, сам характер кривой изменения объёма остаётся тем же, что и у обычного ДВС, даже если сопряжение коленвалов сдвинуть сразу на 30 градусов. Сравнение кинематические параметры обычного и противопоршневого ДВС с таким "сдвигом фазом".

    Это значит, что характер изменение давления в цилиндре останется таким же, как и у обычного ДВС. Однако изменяется расклад, так сказать, восприятия этого давления деталями КШМ - как по ходу вращения каждого коленвала, так и суммарно для каждого из них (у 5ТДФ суммарные крутящие моменты распределялись по валам в соотношении 70/30). 

    Учитывая, что попытка внесения неравенства между радиусами кривошипов (а им совсем необязательно быть одинаковыми, если не цепляться за унификацию деталей) и/или длин шатунов также ничего принципиально не меняла в форме кривой. На этом можно было бы и остановится, чтобы перейти от кинематики к анализу динамики КШМ, но вдруг мне попался ещё один вариант внесения неравенства в противопоршневую схему. 

    Это, так называемый, двигатель M4+2. Цифры в данной маркировке означают, что один коленвал вращается в два раза быстрее другого, будто бы четырёхтактный и двухтактный двигатели объединили в одном цилиндре. Иногда ещё такую схему называют шеститактной, что лишь вносит дополнительную путаницу, поскольку такие обозначения являются механистическими, а с точки зрения индикаторной PV-диаграммы цикла этого двигателя —он обычный двухтактный (одна «петля» на индикаторной диаграмме, а никак не три).
    На предыдущем рисунке не показаны и никак не обозначены ни шестерни маховиков, ни согласующая шестерня, но надо иметь ввиду, что на быстром валу шестерня будет ровно в два раза меньшего диаметра, чем шестерня медленного вала.
    Вполне рационально при этом делать меньший ход быстрого поршня, уменьшая радиус кривошипа на его коленвалу. Это нужно, чтобы значения линейных скоростей поршней,  определяющие износ цилиндров и поршневых колец, были более близкими друг другу, а не отличались в два раза, будучи унифицированными.

    Весьма вероятно существует и другая причина, желающая изменять соотношение кривошипов. Данному "разнотактному" двигателю присущ один недостаток — когда быстрый поршень идёт в ту же сторону, что и медленный, в механизме, замыкающем силовой контур, особенно на согласующей шестерне, становится возможным появление перетоков паразитной мощности (в чём-то аналогичной реактивной мощности в электричестве). Передаточное число шестерён ограничивает уровень паразитной в 50% от полезной мощности (общая мощность нагрузки будет складываться из номинальной полезной и паразитной составляющей). В принципе — ничего страшного, но коэффициенты запаса прочности всего железа нужно будет увеличить соответственно — в 1,5 раза. Уменьшение хода-радиуса быстрого поршне-кривошипа позволяет кратным образом уменьшать уровень паразитной мощности в контуре. Но это априорные суждения о возможности появления мощностных перетоков, ещё толком не проверенные. Вообще же, паразитная мощность имеет и полезные применения. Одно из них — повышенная проходимость у мостов автомобиля ГАЗ-66. Другим применением является энергосберегающий способ ресурсных испытаний редукторов и других механизмов. Это-то что я успел почерпнуть в своей альма-матер. Других источников информации об этой проблеме мне не попадалось.

     Проверка кинематики М4+2 показывает — кривая изменения объёма такого двигателя весьма характерно отличается от кривой обычного ДВС. На следующем рисунке показан вариант с одинаковыми (нерациональными) кривошипами, без смещения (все последующие варианты буудут иметь одинаковый показатель лямбда или R/S равным 0,25. Ось ординат в относительных единицах длины и объёма, ось абцисс "привязана" к медленному валу).

    Получается, как будто два больших такта и два маленьких, но за 1 оборот! Четыре! Нафига? Может быть в каких-то специальных компрессорах это будет фичей, но для двигателя - это однозначный баг.
    Посмотрим, как дело в случае рациональных (различающихся в два раза) радиусов кривошипов.

Тоже какая-то фигня — маленькие по объёму такты будто бы сливаются в один — третий такт, расположенный между двумя НОМТ! 

    Попробуем раздвинуть угловой ход валов, и сразу на 45 градусов. Почему именно на 45? Здесь фиксируется знаковая координата — в цилиндре не остаётся пространства, где бы не проходил какой-либо поршень, но при этом камера сгорания в ВОМТ остаётся — поршни никогда не сходятся вплотную (если только согласующую шестерню не сорвёт). 

ВОМТ ожидаемо ушли с точки ВМТ 360 (720) на 330 (690) градусов поворота медленного коленвала. А НОМТ - оказались в районе 205 (565) градусов. Это чем-то походит на двухтактную попытку воплощения целей классического Аткинсона - увеличить ход расширения и уменьшить ход сжатия. 

В варианте конфигурации на предыдущем графике быстрый кривошип был сделан меньше медленного в 2,5 раза, а не в 2 раза, как в примере до того (на всякий случай повторяю — радиусы кривошипа ограничиваются только конструктивными соображениями, разница в тактности всегда остаётся равной двум, что определяется наружными шестернями). Этот небольшой уход от рационального соотношения был сделан, чтобы сгладить переход посередине.

Можно развернуть запаздывание фаз на опережение.

   Что-то у меня от такой кинематики голова закружилась, а я же ещё о динамике не думал.

   Пора переходить к конфигурации, которая мне кажется перспективной и отвечающей правилу Лейтеса, обозначенному в прошлой статье и рассмотреть её более подробно.

   Этим мы займёмся в следующей части.