Тема повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания остаётся исключительно актуальной. В свете этого факта любая новая идея, способная потенциально поднять эффективность двигателя внутреннего сгорания, как бензинового, так и дизельного, должна быть подвергнута тщательному профессиональному и структурному анализу

В своё время, кандидат технических наук Владимир Георгиевич Федосеев опубликовал статью о своей инновационной разработке, - двигателе внутреннего сгорания с составным поршнем

Статья сопровождалась достаточно подробными и ясными иллюстративными материалами, изучив и проанализировав которые, мы думаем, что достаточно глубоко поняли эту концептуальную разработку и её основные преимущества и недостатки

В ответ на наши статьи Владимир Георгиевич опубликовал разъяснения, ознакомившись с которыми, мы сочли необходимым и чрезвычайно интересным продолжить наш профессиональный диалог с ним на страницах сайта Ярослава Ващука

Анализ аргументов автора идеи

Автор идеи утверждает, что составной поршень позволяет в 2.8 раза увеличить степень сжатия воздуха в цилиндре перед впрыском , что означает, что в 2.8 раза увеличится противодавление воздуха и его сопротивление развитию факела пламени при горении

Не будем спорить с этим утверждением

Возьмём во внимание тот факт, что для обеспечения требуемой стехиометрической пропорции между топливной смесью и окисляющим агентом, воздуха в цилиндре должно быть при впрыске в 14.7 раза больше чем топливной смеси и он является сжимаемым материалом; Так как торец внутреннего поршня выдвинут вперёд гораздо больше, чем торец наружного поршня, то однородное давление и наверняка однородную плотность сжатого воздуха за те несколько микро-секунд впрыска получить не удастся;

С давлением воздуха напрямую связана его температура, то есть в центре цилиндра температура будет выше, а на периферии –ниже

При таких условиях получить однородное равномерное горение не представляется возможным, что снизит скорость отбора энергии от сгоревшего топлива, и, практически тот выигрыш, который теоретически можно получить за счёт отсутствия кривошипно – шатунного механизма будет потерян от дефектов цикла горения

Как мы уже указывали ранее, неравномерный режим горения приведёт к локальной эррозии факела пламени и повышению концентрации сажи и окислов азота в выхлопных газах

Процесс впрыска совремённого двигателя внутреннего сгорания

Топливный насос высокого давления современного двигателя внутреннего сгорания развивает давление в 2000 бар и более; Затем это давление стабилизируется в инжекторах и впрыск осуществляется при давлении в струе топлива в 2000 бар

Для чего применяется такое высокое давление впрыска?

Такое высокое давление необходимо для обеспечения высокой дисперсности распыла топливной смеси; Чем больше разница между давлением впрыска и давлением сжатого воздуха в цилиндре в момент впрыска, тем процесс адиабатического расширения факела впрыска будет более интенсивным и размер капелек топлива будет меньше

То есть от повышения давления воздуха в цилиндре процесс сгорания только проиграет, так как разница между давлением внутри цилиндра и впрыском будет в 2.8 раза меньше, что позволяет предположить, что размер капель топлива будет в 2.8 раза больше и уровень эффективности сгорания будет отброшен как минимум на 30 лет назад

Но и это ещё не всё.

Впрыск в современном двигателе внутреннего сгорания осуществляется за несколько пульсов; Как правило таких пульсов применяется 7 – 12 за один впрыск для того, что бы обеспечить наилучшие локальные условия горения и повысить уровень отбора энергии от процесса горения, при снижении концентрации сажи и окислов азота в выхлопных газах

Как обеспечить эквивалентные условия для всех пульсаций впрыска при составном поршне необходимо промоделировать, что с учётом того, что программирование процессора, управляющего впрыском и подбор режимов впрыска продолжалось несколько лет, можно предположить что перепрограммирование и тестирование на всех стадиях также может занять такое же время, что по затратам сопоставимо с затратами на оригинальный проект в компании старт-ап

Процесс сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания при использовании обычной цилиндро – поршневой группы и цилиндро – поршневой группы с составными поршнями

Процесс горения в камере сгорания современного двигателя с конвенциональным поршнем осуществляется по термодинамическому циклу Отто; Этот термодинамический цикл доработан до почти полного совершенства и степень извлечения энергии от сгорания топливной смеси по такому циклу равна 98%

При использовании составного поршня условия горения существенно меняются и это заставляет предположить, что соответствие циклу Отто будет в каких то пределах нарушено

При нарушении цикла, логично предположить и определённое снижение степени извлечения энергии от сгорания

Оценка уровня надёжности цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания

В составном поршне количество деталей как минимум в два раза больше, чем в обычном, конвенциональном поршне

Исходя из базовых понятий рассчёта надёжности системы, надёжность это величина пропорциональная количеству подвижных деталей системы, то есть в системе с составным поршнем количество деталей в кинематических сопряжениях и узлах в два раза больше чем в системе с обычным поршнем, что должно в этой же пропорции снизить надёжность системы с составным поршнем по сравнению с обычным поршнем

Оценка степени сложности изготовления цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, сравнение сложности изготовления обычной цилиндро- поршневой группы и цилиндро- поршневой группы с составными поршнями

В составном поршне, как это предложено автором, имеется как бы поршень в поршне, то есть внутреннее отверстие наружного поршня является рубашкой цилиндра для внутреннего поршня

Таким образом вместо одного сопряжения в обычном поршне мы получаем два соосных сопряжения, которые находятся в состоянии взаимного скольжения постоянно и можно предположить, что все допуски на изготовление сопрягаемых поверхностей должны находиться в постоянной зависимости друг от друга и в совокупности

Значит при изготовлении этот фактор должен постоянно учитываться, что в условиях массового производства сделать исключительно трудно

По предварительной оценке, трудоёмкость изготовления составного поршня ( при равном объёме цилиндра) выше трудоёмкости изготовления обычного поршня как минимум в два раза

Анализ и сравнение степени износа цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания с обычным поршнем и с составным

Ввиду того, что степень сжатия в цилиндре с составным поршнем увеличивается в 2.8 раза, необходимо обеспечить соответствующую прочность всей конструкции и, возможно это потребует замены конструкционных материалов на более прочные

Кроме того увеличение степени сжатия в цилиндре при применении составного поршня приводит к повышению температуры в области сжатия, а это в свою очередь отрицательно влияет на степень износа и снижает долговечность двигателя

Анализ и сравнение сложности сборки цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания с обычным поршнем и с составным

Увеличение количества размерных сопряжений в конструкции цилиндра с составным поршнем в два раза и особенно , ввиду того что эти сопряжения соосны или коаксиальны, заставляет предположить, что в условиях массового производства сборочный процесс будет всё больше склоняться в сторону селективности

Это легко доказать тем фактом, что в сборке есть два соосных сопряжения и у каждого из них абсолютно разные поля допусков, - поле допуска наружного ( охватывающего) сопряжения приблизительно в два раза шире поля допуска внутреннего ( охватываемого) сопряжения

Такое сочетание значительно усложняет процесс сборки

Требуемые материалы и защитные покрытия у цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания с обычным поршнем и с составным

Как было отмечено выше, применение составного поршня заставит применить новые не традиционные для этой группы узлов и деталей материалы и, возможно, композиты

Вполне возможно, что материалы останутся прежними, но на поверхностях сопряжений возникнет необходимость выполнить защитные и упрочняющие покрытия , что усложнит конструкцию и усугубит проблемы изготовления и сборки

Предполагаемая стоимость цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания с обычным поршнем и с составным

Все усложнения конструкции цилиндро – поршневой группы, увеличение количества деталей и прецизионных сопряжений в конструкции двигателя с составными поршнями, естественно существенно увеличат стоимость двигателя, что в сочетании с снижением надёжности и долговечности не прибавит привлекательности идее составного поршня для автомобилестроителей и инвесторов

Современные тенденции развития цилиндро – поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и их сравнительный анализ по сравнению с цилиндро- поршневой группой с составными поршнями

Условия массового производства и жесточайшая конкуренция между автопроизволдителями накладывают определённые ограничения на свободу выбора наиболее оптимального пути дальнейшего развития конструкции двигателей внутреннего сгорания

В этих условиях характерной чертой развития становится предельная осторожность, что выражается в крайне малом количестве изобретений в этой области

Так за последний год подано всего около 2000 заявок по этой тематике и их беглый анализ показывает, что пока нет идеи или разработки, которая могла бы относительно устроить всех участников инновационного процесса в двигателестроении

Кроме уже изложенных вопросов и проблем. для перехода к более конкретному анализу, было бы важно и интересно рассмотреть и такие вопросы:

• Альтернативные идеи в модификации цилиндро – поршневой группы двигателей внутреннего сгорания;
• Влияние выполнения цилиндро – поршневой группы с составными поршнями на процесс сжигания топлива и эффективного и быстрого извлечения энергии, содержащейся в топливной смеси;
• Какие преимущества может получить двигатель внутреннего сгорания при использовании составных поршней;
• Какие принципиальные изменения в конструкции двигателя внутреннего сгорания необходимо произвести, для перевода цилиндро – поршневой группы двигателя с обычного поршня на составной;
• Какие явные недостатки имеет перевод цилиндро – поршневой группы двигателя внутреннего сгорания с обычного поршня на составной;
• Какие изменения в составе технологического оборудования двигателестроительных заводов необходимо произвести для перевода двигателя с обычного поршня на составной;
• Анализ степени вероятности прихода к решению о замене в двигателях внутреннего сгорания обычного поршня на составной;

-Какие перспективы есть у двигателей внутреннего сгорания с составным поршнем;

При продолжении обсуждения, мы предполагаем ответить и на эти вопросы