ДВС и цикл Карно

Цикл Карно является общим или универсальным законом для всех тепловых двигателей. Он поясняет суть явлений, но не имеет конкретного отношения к работе ДВС.

Сутью цикла Карно является превращение теплоты в механическую работу. Последовательность рабочих процессов при этом такова: 1. Рабочее тело, имеющее температуру Т₂, сжимается в цилиндре двигателя до достижения им величины температуры Т₁. 2. В сжатое рабочее тело вводится тепло. Его объем начинает увеличиваться. Увеличиваясь в объеме, рабочее тело перемещает поршень и совершает работу. Чтобы увеличение объема не привело к падению температуры Т₁ процесс расширения сопровождается вводом тепла. 3. При достижении поршнем определенного положения ввод тепла прекращается. Дальнейшее расширение происходит без ввода тепла. В результате этого температура рабочего тела падает от величины Т₁ до величины Т₂.

Изотермные процессы расширения и сжатия протекают при постоянных температурах Т₁ и Т₂ и, соответственно, они константы. Адиабатные процессы расширения и сжатия протекают без ввода и отвода тепла. Причем, поскольку адиабатное расширение совершается в положительной зоне работы, а адиабатное сжатие в отрицательной зоне работы цикла, они в сумме уравновешивают друг друга и влияния на результат работы и термический КПД цикла не оказывают (т.е не должны оказывать). Работа цикла есть разница между работой изотермного расширения и изотермного сжатия. Причем критерием оценки является количество введенного на расширении и отведенного на сжатии тепла. Цикл Карно имеет максимально возможный термический КПД в заданном интервале температур Т₁-Т₂ и любой другой цикл в этом же интервале температур и энтропий приведет к уменьшению площади цикла и, следовательно, к уменьшению теплоты преобразованной в работу.

Таким образом, по циклу Карно способом превращения теплоты в механическую работу являются сжатие рабочего тела без ввода тепла и его последующее расширение с вводом тепла при постоянной температуре Т₁. Особым признаком цикла Карно является регулирование количества вводимого тепла для обеспечения постоянства температуры Т₁ в процессе расширения.

Изобретение дизельного двигателя показало и ученым и практикам того времени, что более сильное сжатие рабочего тела в ДВС приводит к увеличению его КПД. Сейчас это обстоятельство кажется бесспорным, но если обратиться к историческим фактам и вернуться во времена Р.Дизеля, то увидим, что до момента демонстрации работы дизельного двигателя никто не верил в возможность его реального осуществления. Отдельные ученые, допуская возможность работы такого двигателя, на основе законов термодинамики доказывали, что он будет иметь отрицательный КПД. В лучшем случае более низкий КПД, чем бензиновый двигатель того времени. Их расчеты с точки зрения формул и математики были правильными, но тем не менее оказались неправильными. Почему так могло произойти?

По второму закону термодинамики температура (как тепло) и давление (как механическая работа) эквиваленты. Двигатели того времени имели чревычайно низкую удельную мощность. Повышение давления увеличивало механические потери. Исходя из этого получалось, что увеличение давления сжатия при прочих равных условиях повлечет за собой снижение, а то и вовсе отрицательный КПД. Поскольку механические потери должны были поглотить мощность.

Хотя и не в том виде, каким он первоначально задумывался, но дизельный двигатель состоялся. Оказалось, что фактор давления в цикле превращения тепла в механическую работу имеет такое же важное и самостоятельное значение, как и фактор температуры. В этом цикле как температура не может заменить собой давление, так и давление не может заменить температуру, хотя они эквиваленты. То есть, если с точки зрения математики и второго закона термодинамики, например, 10х10=1х100, то с точки зрения цикла превращения тепла в механическую работу такое равенство не допустимо.

Дальнейшая практика двигателестроения показала: 1. При превышении определенных пределов давления сжатия эффективность обоих видов ДВС падает. Снижается КПД, уменьшается ресурс. 2. При сверхкритических величинах давления сжатия дизельный ДВС приобретает отрицательный КПД, а бензиновый-взрывается.

Рассмотрим, как в современном бензиновом двигателе осуществляется процесс превращения теплоты в механическую работу и почему в нем могут возникать такие отрицательные явления.

На такте сжатия по достижении в цилиндре определенного давления подается искра. Происходит формирование очага пламени, затем пламя начинает распространяться по фронту. Повышение температуры и давления топливно-воздушной смеси с момента формирования очага пламени происходит под воздействием 2-х факторов: сжатия и ввода тепла. Ввод тепла на сжатии является нарушением условия цикла Карно.

На такте расширения процесс ввода тепла становится более интенсивным. В результате этого в процессе горения давление увеличивается от величины Р_с до Рz, температура от величины Т_с до Тz. Увеличение давления и температуры на расширении также нарушают условия цикла Карно. У Карно температура Т₁ постоянна, а давление уменьшается пропорционально объему камеры сгорания.

Если попытаться устранить эти нарушения путем переноса угла тепловыделения с такта сжатия на такт расширения, произойдет падение температуры и давления топливно-воздушной смеси, ухудшатся условия горения и топливо не успеет сгореть.

Если совместить перенос угла тепловыделения на такт расширения с увеличением степени сжатия, то при переходе к фазе активного горения температура и давление смеси резко возрастут. При работе под нагрузкой такой двигатель разрушается меньше чем за 1 минуту.

Почему так происходит? После формирования очага пламени в камере сгорания двигателя возникают две области чрезвычайно контрастных физических состояний. Очаг пламени - это область высокой температуры, давления и источник ударных волн. Остальная часть камеры сгорания это область низкого давления и температуры. Скорость ударных волн кратно выше скорости самого пламени. Область низкого давления и температуры в камере сгорания обычного двигателя с высокой степенью сжатия после возникновения очага пламени претерпевает следующие изменения: 1. В нем растет давление за счет воздействия области высокого давления. 2. За счет ударных волн происходит волнообразное сжатие периферийных газов. Наложение этих двух факторов приводит к такому волнообразному и неоднородному росту давления и температуры области низкого давления, что там происходит взрыв.

Этого не произойдет, если увеличение объема камеры сгорания будет происходить с большей интенсивностью и будет соответствовать скорости расширения рабочего тела.

При соблюдении этого условия вводимое в рабочее тело тепло в то же мгновение превратится в работу расширения. В противном случае в рабочем теле окажется избыток не превратившегося в работу тепла, который: 1. Под влиянием высоких давления и температуры превратится в работу иного вида (местный взрыв). 2. Под влиянием сверхвысоких давления и температуры местный взрыв станет детонатором объемного взрыва.

В цикле Карно равномерность процессов горения обеспечивается постоянством температуры Т₁, которая создает устойчивую зависимость между объемами рабочего тела и камеры сгорания. В ДВС же процессы горения происходят таким образом, что обеспечить в нем постоянство температуры горения невозможно. Но оказалось, что это обстоятельство является положительным, а не отрицательным фактором.

Главная ошибка Р.Дизеля была в том, что он пытался найти решение ДВС, работающего по циклу Карно. Но такого решения просто не существует. К тому же ДВС по циклу Карно, может иметь высокий индикаторный КПД, низкую удельную мощность и низкий (сравнительно) эффективный КПД. Это проистекает из следующего: 1. В реальном двигателе даже при сверхвысоких степенях сжатия не может быть достигнута достаточно эффективная величина Т₁. Из учебников следует, что при давлении сжатия Р_с=200 кг/см² температура рабочего тела Т_с составит около 1500 С^о. 2. На рабочем такте тепло создает температуру, температура создает давление, давление совершает работу. Поэтому, если температура и давление будут низкими, количество совершаемой удельной работы будет маленьким. 3. При движении поршня от точки а до точки в диаграммы цикла Карно при постоянной температуре Т₁ давление в цилиндре уменьшится пропорционально объему камеры сгорания. То есть, если в точке а оно было 100 кг/см², то в точке в оно составит, примерно, 20 кг/см². 4. Эффективный КПД двигателя определяется как отношение мощности механических потерь к индикаторной мощности двигателя. Чем ниже давление в цилиндре двигателя, тем больше доля механических потерь в объеме совершаемой работы и тем ниже эффективный КПД. Чтобы получить высокий эффективный КПД, при расширении рабочего тела давление в ДВС должно оставаться высоким. Для этого температура должна расти, а не быть постоянной величиной.

Проведенные мной эксперименты показали, что в ДВС в процессе горения можно обеспечить постоянную величину давления. Для этого необходимо, чтобы увеличение объема рабочего тела вследствие нагревания компенсировалась бы таким же увеличением объема камеры сгорания. В этом случае как бы велика не была величина давления в камере сгорания, вводимое тепло в то же мгновение превращается в работу расширения и ни каких других побочных явлений там происходить не будет. Можно пояснить на таком примере: В бензиновом двигателе можно создать давление сжатия 100 кг/см² и начать ввод тепла. Если в процессе ввода тепла скорость увеличения объема камеры сгорания будет соответствовать скорости расширения рабочего тела, давление не увеличится. Процесс пройдет без отклонений, т.е. без взрыва и без детонаций.

Следует учесть еще одно обстоятельство: правило равенства скорости расширения рабочего тела и скорости увеличения объема камеры сгорания распространяется не на весь период тепловыделения, а только на первую ее половину. Эта половина должна иметь 2 признака: 1. Процесс тепловыделения стал устойчивым, 2. Процессом тепловыделения охвачено все рабочее тело.

После того, как вся топливно-воздушная смесь в камере сгорания будет вовлечена в процесс горения давление Р₁ увеличится до значения Рz без отрицательных последствий. При этом, чем выше будет степень сжатия двигателя, тем больше будет величина давления на линии расширения.

В отличие от Карно в моем цикле превращения тепла в механическую работу в ДВС принудительно регулируется прямой эквивалент работы в виде давления Р₁ вместо опосредствованного эквивалента в виде температуры Т₁.

Цикл превращения тепла в механическую работу в моем двигателе выглядит следующим образом:

В ДВС давление рабочего тела путем сжатия доводится до величины Р₁. После этого начинается одновременный процесс ввода тепла, увеличения объема рабочего тела и его расширения. На отрезке от начала ввода тепла до начала процесса полного тепловыделения скорости процессов увеличения объема рабочего тела и его расширения должны совпадать, давление Р₁ должно оставаться неизменным. По завершении процесса ввода тепла величина давления в результате дальнейшего расширения уменьшится до Р₂.

В таком цикле превращения тепла в механическую работу устанавливается прямая зависимость между степенью сжатия рабочего тела и КПД ДВС. Чем выше степень сжатия рабочего тела в ДВС, тем выше поднимается линия Р₁, чем больше степень расширения рабочего тела, тем ниже линия Р₂ опускается относительно линии Р₁. И соответственно этому тем больше разница между Р₁ и Р₂ и тем больше количество совершаемой работы. По моему циклу превращения тепла в механическую работу работа ДВС должна строиться следующим образом:

На четвертом цикле рабочее тело сжимается до величины Р₁. На первом цикле в рабочее тело вводится тепло. Вследствие нагревания оно увеличивается в объеме и с такой же скоростью расширяется. В результате этого величина Р₁ остается неизменной. После начала процесса полного тепловыделения величина Р₁ увеличится до Рz. На третьем цикле расширение происходит без ввода тепла. Давление в цилиндре снижается до величины Р ₂. После этого происходит удаление отработавших газов и всасывание свежего заряда.

Таким образом, по предлагаемому к рассмотрению циклу способом превращения теплоты в механическую работу является сжатие рабочего тела без ввода тепла и его последующее расширение с вводом тепла при постоянном давлении Р₁. Особым признаком цикла является синхронизация скорости увеличения объема рабочего тела и его расширения с целью обеспечения постоянства Р₁ в процессе расширения.

Каковы эффективные пределы Р₁ и Р₂? Нижняя граница величины Р₂ теорией установлена. Для эффективной работы индикаторная мощность при указанном давлении должна быть не ниже мощности механических потерь.

Точно вывести эффективную величину Р₁ можно экспериментальным путем, определяя оптимальное соотношение между индикаторной мощностью цикла и мощностью механических потерь. По моим расчетам наиболее эффективная степень сжатия для обоих видов двигателей располагается в районе 51-80.

Особенности кругового процесса превращения тепла в работу в ДВС с Е=25 и Е=80 при наложении на цикл Карно

а Р₁ b b₁

Т₁

в

d

Т₂ c

Р₂

Рис. 1 V

Особенности работы ДВС Е=10 при наложении на цикл Карно

а Рz

в

Рс

		d
		c
		T2

Рис. 2 V

Индикаторная работа ДВС при степенях сжатия (Е=10, ---- Е=51)

Vc

Рb

Р Рz₁

120кг/см²

Рс₁

Рz

60кг/см²

Рс

Ра

Рис. 3

Комментарии к диаграммам:

Рис. 1. При расчетах КПД двигателя при условии их постоянства можно использовать как температуры Т₁ и Т₂, так и давления Р₁ и Р₂. Наложение диаграмм дает точную картину КПД обоих циклов. При расширении по циклу Карно давление падает, поэтому линия ав в координатах давления идет на понижение. Дальнейшее повышение степени сжатия (до 80) увеличит длину линии аb до аb₁

Рис. 2. Наложение цикла стандартного двигателя со степенью сжатия 10 на диаграмму Карно может носить только условный характер.

Расчеты

(КПД бензиновых двигателей)

1. По формуле Карно КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по циклу Карно должен быть следующий:

Номинальное значение Т₁ -1200 С.

Номинальное значение Т₂ – 400 С.

Индикаторный КПД составит (1-400/1200)х100=66,7%

Механический КПД двигателей БМВ равен 80 %

Эффективный КПД составит 66,7х80/100=53,36%

2. По формуле Карно КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по моему циклу следующий (результат условный, т.к. в моем двигателе температура- величина переменная):

Номинальное значение Т_z -2700 С.

Номинальное значение Т_b – 400 С.

Индикаторный КПД составит (1-400/2700)х100=85,2%

Эффективный КПД составит 85,2х80/100=68,16%

3. При расчете по давлениям КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по моему циклу должен быть следующий:

Номинальное значение Р₁ -120 кг/см².

Номинальное значение Р₂ – 10 кг/см².

Индикаторный КПД составит (1-10/120)х100=91,7%

Эффективный КПД составит 91,7х80/100=73,36%

Расчет КПД ДВС по разности температур Т_z и Т_b может носить только условный характер, поскольку в нем невозможно обеспечить постоянство Т₁. Методика выведения среднего значения Т_ср. отсутствует. Расчет КПД моего двигателя по разности давлений точен, поскольку в нем величина Р₁ постоянна.

Г.А.Ибадуллаев

Заключение по результатам стендовых испытаний