ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КЛАССИФИКАЦИИ ДВС И ЕЁ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКОНА СООТВЕТСТВИЯ МЕЖДУ ФУНКЦИЕЙ И СТРУКТУРОЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

 

Фокин А.Ю. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

Научный руководитель работы – д.и.н., профессор Трифанков Ю.Т.

 

In article existing classifications of internal combustion engines, their history of occurrence and development are considered, their lacks are specified. New classification on which basis the scheme of the electric generator with a drive from a piston internal combustion engine is developed is offered.

 

Классификация (от лат. classis — разряд, класс и facio — делаю, раскладываю) - это система соподчиненных понятий какой-либо области знания или деятельности человека, используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для точной ориентировки в многообразии понятий или соответствующих объектов. Обилие и плохая упорядоченность новых понятий и терминов, печатных и неопубликованных материалов затрудняют поиск и использование нужных данных, что вызывает информационный дефицит, тормозящий общественный прогресс. Разработка оптимальной классификации становится, поэтому, не только научной, но и экономически важной задачей.

Уже в начале XX века появилась необходимость упорядочить и систематизировать имеющиеся данные по видам двигателей внутреннего сгорания. Первой попыткой создания подобной классификации можно считать работу Н.Р. Брилинга 1924 года, многократно переиздававшуюся [2]. С конструктивной стороны классификация двигателей была разнообразна, но не учитывала множество признаков. В целом, предложенная классификация может считаться отвечающей требованиям начала XX века.

Позднее, уже в 60-е годы XX века, В.А. Ваншейдтом [3] предложена следующая классификация ДВС, затрагивающая только ряд основных признаков: способ осуществления рабочего цикла, способ действия, род рабочего цикла, род применяемого топлива, способ наполнения цилиндров , способ смесеобразования, конструкция камеры сгорания, способ воспламенения топлива, конструктивное исполнение (тронковые, крейцкопфные, реверсивные), частоту вращения и назначение.

Только через три десятилетия ещё более детальная классификация конструктивного расположения цилиндров, связанная с ещё большим увеличением разнообразия поршневых ДВС, осуществлена А.Э. Симсоном [7].

Однако существующие классификации не учитывают всего многообразия возможных конструкций поршневых ДВС, в том числе двигателей необычных схем – барабанных, роторно-поршневых, бесшатунных, реечно-зубчатых.

Отечественный учёный проф. А.И. Половинкин [5] предпринял попытку системного изложения и обобщения законов строения и развития техники. При этом данные законы формулируются по аналогии с законами природы и с учётом существующих в естествознании требований. Для совершенствовании классификации поршневых ДВС представляет интерес закон соответствия между функцией и структурой технического объекта (ТО).

При создании новых ТО человек стремится добиться достаточно полного соответствия между выполняемыми ТО функциями, его структурой и внешними факторами, влияющими на структуру. Нарушение указанного соответствия возникает при исключении любого элемента  или признака, изменении требований к функциям и критериям эффективности или изменения внешних факторов, влияющих на структуру ТО.

Рассмотрим подробнее этапы преобразования химической энергии топлива в поршневом ДВС в другие виды энергии на основе закона соответствия между функцией и структурой ТО.

Энергетическая система, определяющая физическую сущность поршневого ДВС, преобразует энергию в несколько этапов. На первом этапе происходит преобразование химической энергии топлива в энергию преобразователя, которой в большинстве случаев является механическая энергия возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре двигателя. В зависимости от траектории движения поршня реализуются следующие разновидности механического движения: возвратно-поступательное (двигатели традиционных кинематических схем и барабанные); вращательное (роторные двигатели); возвратно-вращательное (тороидальный цилиндр с шаровыми поршнями в нём); возвратно-качательное (ДВС с качающимися органами).

Кроме механического вида энергии, на первом этапе в качестве энергии преобразователя могут быть потенциальная и кинетическая энергии выхлопных газов.

На рис. 1 представлена схема преобразования энергии в поршневых ДВС, составленная на основе закона соответствия между функцией и структурой ТО.

Для преобразования первичной энергии (преобразователя) в энергию потребителя (конечный вид энергии) используются различные кинематические схемы передачи: тронковая, крейцкопфная, бесшатунная, роторная, реечно-зубчатая. В отдельных случаях кинематическая передача отсутствует. Например, в дизель-молотах и дизель-трамбовках механическая возвратно-поступательная энергия присуща и преобразователю, и потребителю. Аналогичная картина наблюдается в свободно-поршневых генераторах газа (СПГГ), свободно-поршневых дизель-компрессорах (СПДК), где потенциальная и кинетическая энергии выхлопных газов характерны и для преобразователя, и для потребителя. В большинстве существующих поршневых ДВС возвратно-поступательная механическая энергия преобразуется во вращательную и используется для привода транспортных средств, сельскохозяйственных машин и электрогенераторов. В таких двигателях применяются тронковые, крейцкопфные, бесшатунные, барабанные и реечно-зубчатые кинематические схемы передачи. Роторные двигатели характерны тем, что благодаря наличию в них выполняющего роль поршня вращающегося ротора кинематическая схема очень проста и представляет собой внутреннее зубчатое зацепление.

Разновидности механической энергии преобразователя после кинематической передачи могут быть превращены в потенциальную и кинетическую энергии сжатого газа или жидкости соответственно в компрессорах и жидкостных насосах (рис. 1).

 Рисунок 1 – Схема преобразования энергии в поршневых ДВС

 

Электрическая энергия потребителя в электрическом генераторе может быть получена по традиционной схеме: механическая возвратно-поступательная энергия – кинематическая передача – электрический генератор. Однако анализ рис. 1 показывает и другой, более простой путь. Получают всё большее распространение линейные тяговые электрические двигатели и линейные электрические генераторы [1]. Поэтому целесообразно в электрических генераторах непосредственное преобразование возвратно-поступательной механической энергии поршня ДВС в электрическую.

При участии автора разработан электрический генератор переменного тока, позволивший отказаться от традиционной схемы. В качестве базового поршневого ДВС принят малооборотный главный судовой крейцкопфный двигатель. Особенностью такого двигателя является жёсткое соединение поршня со штоком, наличие крейцкопфного узла и обеспечение уплотнения между подпоршневой полостью и кривошипно-шатунным механизмом. На рис. 2 представлена конструктивная схема предлагаемого электрического генератора при расположении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ).

Генератор содержит цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания, снабжённый клапаном 2 и электрической обмоткой 3. Внутри цилиндра 1 расположен поршень 4, с образованием одной камеры сгорания. Поршень 4 жёстко соединён со штоком 5, электрическая обмотка 3 расположена внутри нижней части цилиндра 1. На штоке 5 закреплён ряд кольцевых магнитов 6, обращённых друг к другу разноимёнными полюсами. При работе двигателя поршень 4 со штоком 5 и кольцевыми магнитами 6 перемещается между ВМТ и НМТ и вследствие этого перемещения в электрической обмотке 3 генерируется электродвижущая сила.

Во время работы описываемый ДВС может обеспечить не только привод генератора, но и привод гребного винта на судне. В этом случае нет необходимости иметь на судне дополнительный дизель-генератор. На конструкцию предложенного электрического генератора переменного тока с ДВС получено положительное решение по заявке на полезную модель [6].

Рисунок 2 – Конструктивная схема электрического генератора переменного тока с ДВС

 

Литература

1.    Бабикова Н.Л., Саттаров Р.Р., Полихач Е.А. К вопросу о классификации линейных электрических генераторов // Вестник УГАТУ. -Уфа, 2009. Т12, №1(30). -С 144-149.

2.    Брилинг Н.Р. Двигатели внутреннего сгорания. Изд. 3, перераб. и доп. -М. Л.: ОНТИ НКТП, 1935. -412 с.

3.    Дизели: Справочник / Под общ. ред. В.А. Ваншейдта, Б.П. Байкова, С.М. Баранова. -Л.: Машиностроение, 1964. 600 с.

4.    Дизели: Справочник / Под общ. ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. -Л.: Машиностроение, 1977. 480 с.

5.    Половинкин А.И. Законы строения и развития техники. Учебное пособие. -Волгоград.: ВоПИ, 1985. -202 с.

6.    Полож. решение по заявке на полезную модель №2010140622/28 (058207) от 04.10.2010. Электрический генератор переменного тока. А.Ю. Фокин, Ю.И. Фокин.

7.    Тепловозные ДВС. Учебник для вузов / А.Э. Симсон и др. -М.: Транспорт, 1987. -536 с.