Оптимизация
ДВС


Сравнение поршневого ДВС, РПД Ванкеля и рото-мотора. Этапы 15 - 16

 

15 этап.

Сравнение характеристик вращающего момента рото-мотора, поршневого ДВС и РПД Ванкеля

 
Для продолжения сравнения выбранных нами секций трёх ДВС их характеристики вращающих моментов М приведём к обороту силового вала Q1.
Отобразим характеристики их моментов М на одном графике в масштабе двух полных оборотов вала, так как, в частности, в поршневой секции четырёхтактного двигателя один такт рабочего хода происходит только лишь за два оборота её силового вала (фиг.80).
 
 
После этого приведения характеристики момента силы вала секции рото-мотора МРМ вала сожмутся, или, если сказать точнее, сконцентрируются вдоль оси Q1 в пять раз по сравнению с графиком на фиг.79, а характеристики моментов МПД и МРПД силы секций ПД и РПД просто скопируются туда из графика фиг.79 без изменений, в связи с синхронностью вращения вала и эксцентрика в каждой из них.
На графике фиг.80 для одиночных секций сравниваемых ДВС со всей очевидностью просматривается необходимость проведения корректного сравнения их возможностей, когда за общую для всех фиксированную величину оборота силового вала Q1 в каждом из этих тепловых двигателей такт рабочего хода совершает одинаковое количество массы рабочего тела. То есть для корректного сравнения необходимо, чтобы за одинаковый угол поворота вала в общей рабочей полости каждого из сравниваемых ДВС должно находиться одинаковое количество работающих (расширяющихся в полостях расширения) нагретых зарядов рабочего тела. Выберем фиксированную величину угла Q1, равную одному полному обороту вала в 360 градусов.
И рабочим инструментом для приведения к этим условиям сравнения может служить только один способ – это увеличение (концентрация) для ПД и РПД количества секций, работающих на свой один общий вал. Поэтому в ПД поршневых секций (по фиг.80) должно быть больше в 10 раз, чем секций рото-мотора с пятигранным ротором, а роторно-поршневых секций в РПД – соответственно, больше в 5 раз (фиг.81).
 
 
Приведём графики на фиг.81 к виду, удобному для сравнения. То есть для каждого из двигателей произведём сложение текущих значений на графике фиг.81 моментов сил всех секций, одновременно вращающих свой общий силовой вал при конкретном текущем значении угла Q1 его поворота (фиг.82).
 
 
По получившимся в результате этого сложения характеристикам вращающих моментов на фиг.82 отметим преимущество 10-цилиндрового поршневого мотора по суммарной мощности импульсов момента за оборот вала перед 5-секционным роторно-поршневым двигателем и 1-секционным рото-мотором, которые имеют за один оборот вала практически одинаковый усреднённый вращающий момент.
 
Но если учитывать, что для эксплуатации наиболее удобным будет именно 2-секционный рото-мотор, то получается, что его можно сравнивать только с 20-цилиндровым ПД и 10-секционным РПД (фиг.83).
 
 
По характеристикам момента силы на фиг.83 в своём 20-цилиндровом исполнении поршневой двигатель выглядит ещё солиднее, чем 10-секционный РПД и 2-секционный рото-мотор.
Однако современная практика и логика изготовления ДВС объёмного вытеснения, пожалуй, уже не стремится использовать больше 16-ти цилиндров в крупных поршневых двигателях и 4-х секций в роторно-поршневых двигателях Ванкеля.
 

16 этап.

Сравнение мощности двухсекционного рото-мотора и четырёхцилиндрового поршневого ДВС  

 
Наиболее распространёнными четырёхтактными поршневыми ДВС является 4-цилиндровый двигатель. Поэтому практический интерес представляет сравнение рото-мотора, прежде всего, с этим двигателем.
 
В качестве примера сравним рото-мотор, например, с 4-цилинровым поршневым ДВС с популярным сейчас общим рабочим объёмом 4 х 400 = 1600 кубических сантиметров.
За один оборот его вала в этом ПД работают два заряда рабочего тела 2 х 400 = 800 куб.см.
В 20-цилиндровом ПД того же объёма 1600 куб. см за один оборот его вала работают 10 зарядов по 80 куб.см в 10 цилиндрах из 20 располагаемых: 10  х 80 =  800 куб.см.
В рото-моторе, который корректно может быть сравним с поршневым 20-цилиндровым ПД, также работают 10 зарядов, но только одновременно в двух его располагаемых секциях: (80 х 5) + (80 х 5) = 800 куб.см. Таким образом, сравниваемый рото-мотор должен содержать две секции по 80 куб.см.
 
В связи с тем, что в каждой секции 4-цилинрового ПД (ПД) за один такт рабочего хода работает пятикратно большая масса заряда рабочего тела: 400 : 80 = 5, то в одной секции 4-цилинрового поршневого мотора должно вырабатываться вращающее вал усилие, в 5 раз большее, чем в каждой секции в 80 куб.см 20-цилндрового ПД и в каждой секции сравниваемого 2-секционного рото-мотора (фиг.84).
 
 
Но при этом поршневая секция в 400 куб.см на свой один рабочий ход тратит в 5 раз большее количество топлива, чем одна рото-секция объёмом 80 куб.см. Количество работы, которая за один оборот эксцентриситета может быть выполнена зарядом рабочего тела в одной данной секции 4-цилиндрового поршневого двигателя, в 5 раз превосходит количество работы одной секции 20-цилинрового ПД, в 3,24 раза – работу одной секции 10-секционного РПД.
И всего лишь в 1,57 раза она больше, чем работа, производимая пятикратно меньшим зарядом в одной секции 2-секционного рото-мотора. Из этого должно следовать, что при одинаковом числе оборотов в минуту 2-секционный рото-мотор двумя своими роторами способен воспроизвести количество механической работы по перемещению своего силового вала почти в 3 раза больше, чем 4 поршня 4-цилиндрового поршневого двигателя, имеющего пятикратно больший рабочий объём каждой секции (10х1 : 2х1,57 = 3,18).
 
При этом длина рычага эксцентриситета в секции 4-цилиндрового двигателя в 1,71 превышает длину рычага эксцентриситета в секции 20-цилинрового ПД с таким же общим объёмом рабочей полости. Это увеличивает значение пика момента силы 4-цилиндрового ПД (М5ПДпо сравнению с величиной вращающего момента (МПД) 20-цилиндрового ПД (фиг.85).
 
 
По характеристикам моментов на фиг.85 за один оборот вала от величины мощности 10 импульсов моментов 20-цилинрового ПД, равной 100%, значение мощности двух импульсов моментов 4-цилиндрового ПД того же общего рабочего объёма, равное 61,9%, совсем ненамного опередило мощность десяти импульсов моментов 2-секционного рото-мотора – 55,3% и 10-секционного РПД Ванкеля – 54,6%.
 
Таким образом, если максимальную мощность 4-цилиндрового ПД общим объёмом секций 4 х 400 = 1600 куб.см принять равной 100 л.с., то мощность 2-секционного рото-мотора объёмом 2 х 80 = 160 куб. см может составлять 100 х 0,553 : 0,619 = 89,3 л.с., при таком же количестве оборотов его силового вала.
Точно также можно определить максимальную мощность и объём рабочей полости рото-мотора, по отношению к величине максимальной мощности и объёма любого известного 4-цилиндрового ПД. Например, если требуется определить какой должен быть рабочий объём рабочей полости 2-секционного рото-мотора максимальной мощностью, например, 180 л.с.. То максимальной мощностью 180 : 0,553 х 0,619 = 201,5 л.с. примерно обладает атмосферный 4-цилинровый поршневой ДВС с рабочим объёмом 2,6 литра. Отсюда рабочий объём каждой из двух секций рото-мотора должен составлять, примерно, 2,6 : 20 = 0,13 литра.
 
Рабочий объём 2-секционного рото-секции в 10 раз меньше рабочего объёма обычного 4-цилиндрового поршневого ДВС, от которого можно рассчитать мощность и рабочий объём рото-мотора. Поэтому из-за относительно меньшего усилия от меньшей массы нагретого заряда рабочего тела и пониженных от этого нагрузок на детали механизма за каждый такт рабочего хода применяется небольшая, но достаточная по прочности толщина дисков ротора как для силовой, так и для программной цевочной передачи механизма секции рото-мотора. Как видно на примерах, при изменении у 4-цилиндрового ПД мощности от 90 л.с. до 180 л.с. объём рабочей полости секций, эквивалентных им рото-моторов, меняется всего на 130 – 80 = 50 куб.см. Отсюда толщина дисков цевочных передач механизмов рото-секций и, соответственно, высота призм их роторов по мере увеличения или уменьшения объёма секции меняется весьма незначительно. В связи с этим, основным конструкционным параметром изменения рабочего объёма рото-секции является длина эксцентриситета её механизма, пропорционально влияющая в большей  степени только на изменение геометрической площади профиля рото-секции.
В то же время рото-секция обладает и собственным дополнительным полезным свойством, которое, в отличие от секций классических механизмов, всегда в ней присутствует, что называется, по умолчанию. В связи со ступенчатым сжатием рабочего тела в полости сжатия рото-секции, в ней фактически производится внутренний наддув рабочего тела. За счёт него, в зависимости от режимов работы двигателя и возможностей для утечек из объёма второй ступени сжатия рабочего тела в буфер этой полости против хода ротора, до 40% может увеличиваться объём рабочего тела, поступающего в камеру сгорания, по сравнению с объёмом рабочего тела, которого фактически эжекторно можно затянуть через впускное окно статора из атмосферы одной гранью её ротора перед самым началом процесса сжатия. Этот эффект становится особенно заметен при повышенных оборотах вала.   
 
В традиционных 4-цилиндровых поршневых ДВС устойчивый холостой ход происходит примерно при 800 оборотах в минуту силового вала, то есть при исполнении мотором за одну минуту 1600 тактов рабочего хода (26 тактов и 13 оборотов вала в секунду). В 2-секционном рото-моторе эти 1600 тактов рабочего хода выполняются всего за 160 оборотов его силового вала. Но если учитывать, что рото-мотор, по сравнению с поршневым двигателем, имеет существенно меньшие затраты собственных нужд на функционирование своего механизма, причём в каждой рото-секции в секторах верхней и нижней мёртвых точек вращения его вала нет провалов в выработке его валом вращающего момента, и в 2-секционном рото-моторе также нет пауз между тактами рабочего хода соседних секций, которые имеются в традиционных двигателях с эксцентриковым валом, а также, что в конструкции этого рото-мотора отсутствует главный провокатор завышенных оборотов вала – маховик, то скорость вращения вала рото-мотора на холостом ходу может не превысить 50 - 60 оборотов в минуту (10 тактов и 1 оборот вала в секунду). Тем самым, по сравнению с традиционными ДВС с эксцентриковым валом, в рото-моторе может быть почти предельно расширен в направлении нуля рабочий диапазон эффективной мощности в зоне низких оборотов вала.
При этом в силу высокой эффективности собственного механизма рото-мотор способен обладать существенно расширенным диапазоном его мощности в зоне высоких и, возможно, даже сверхвысоких оборотов, когда на их довольно протяжённом участке сопротивление элементов собственного механизма двигателя не является столь серьёзным препятствием против эффективного наращивания мощности мотора за счёт продолжения повышения расхода топлива и за счёт этого дальнейшего существенного увеличения оборотов своего силового вала (пределом может быть число максимально-допустимых оборотов коренных шарикоподшипников вала). А это означает, что верхний предел эффективного диапазона мощности рото-мотора может серьёзно превышать рамки того максимального значения его мощности, которое для него может быть приблизительно изначально рассчитано от мощности реального 4-цилиндрового поршневого ДВС.
 
Далее: Этапы 17 - 18.