Особенности работы ДВС по циклу Карно

(размышления и выводы)

Первые 80 лет (с 1824 года) своего возникновения и развития теория теплового, а затем двигателя внутреннего сгорания базировалась на положениях о том, что правильно устроенный и правильно работающий двигатель должен иметь КПД в районе 70-80%. Так считали Карно, Отто и Дизель.

В работе «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» Р.Дизель дал описание устройства и принципа работы ДВС построенного по «циклу Карно». Первоначально Дизель исходил из того, что на цикле адиабатного сжатия воздух сжимается до давления 90 кг/см² и температуры 900* С, затем на цикле изотермного расширения плавно вводится тепло и при указанной температуре должно произойти изотермное, затем адиабатное расширение. При этих условиях КПД ДВС должен был составить 73%.

Однако построенный двигатель показал, что он допустил ошибки в расчетах. Затраты тепла на сжатие воздуха были столь велики, что превышали мощность двигателя. Но после снижения давления сжатия до 35 кг/см² двигатель показал результаты, которые на тот момент считались фантастическими.

С моих позиций Р.Дизель при разработке идеи и конструкции своего двигателя допустил ошибки частного характера, но сама идея была правильной. К тому же создание «идеального» двигателя на тот момент было невозможно по объективным причинам, поскольку: а) Отсутствовали достаточные знания о характере термодинамических процессов, происходящих в ДВС. б) Не было соответствующей технической базы для построения такого двигателя.

В течение последующих 70 лет эти недостатки в теории и практике двигателестроения постепенно устранялись. Совершенствовалась техническая база двигателестроения, использовались все более совершенные материалы и технологии, улучшались детали, узлы, механизмы ДВС, были внедрены компьютерные программы управления работой ДВС. Все это в совокупности позволило довести механическую составляющую ДВС, практически, до совершенства. Механический КПД лучших ДВС составляет, примерно, 80% и дальнейшие работы по совершенствованию его конструкции сколько-нибудь заметных результатов не дадут.

Все известные автомобильные концерны и институты, специализирующиеся на проблемах ДВС, проводили работы с целью выявления зависимости между степенью сжатия ДВС и эффективностью его работы и исследования характера термодинамических процессов, происходящих в ДВС.

Проводились и многочисленные опыты по повышению степени сжатия ДВС. Но эти работы имели отрицательный результат. Опираясь на этот отрицательный результат, теория ДВС приняла, как аксиомы, утверждения о том, что степень сжатия бензинового двигателя не может быть выше 14. Что наиболее эффективная степень сжатия дизельного ДВС находится в районе 17-23, а при степени сжатия 40 он становится равным нулю. Специалисты и теоретики настолько утвердились в правильности этих положений, что на данном этапе малейшие попытки усомниться в них вызывает резко отрицательную реакцию.

Тем не менее, к 80-м годам 20-го столетия были созданы все технические и технологические предпосылки для создания нового типа ДВС со сверхвысокой степенью сжатия, который работал бы на основе принципов заложенных в теорию первоначально.

Парадокс ситуации заключается в том, что приведенные выше положения по поводу предельных степеней сжатия ДВС не имеют под собой теоретической аргументации в виде формул и расчетов, они возникли и существуют на основе отрицательной практики. Кто не согласен с этим, пусть представит формулу, из которой следовало бы, что степень сжатия бензинового или дизельного двигателей может быть ограничена конкретным числом.

Если какие-то положения теории являются правильными (т.е. соответствующими законам термодинамики), то построить работающий двигатель вопреки этим положениям не возможно. Но если такой двигатель построен и работает, значит, положения теории не соответствуют действительности и, следовательно, их надо менять.

Ознакомление с положениями современной теории ДВС приводит к следующим выводам:

1. Аргументировано излагаются законы термодинамики, теплотехники и позиции основоположников теории.

2. Абстрактно излагаются принципы работы современного ДВС. Вопросы зависимости характера термодинамических процессов, протекающих в ДВС, от степени сжатия, взаимосвязи между КПД двигателя и степенью сжатия освещаются столь туманно, что никто, никогда не поймет, что надо сделать для того, чтобы повысить КПД ДВС.

3. Абстрактность и отвлеченность освещения проблемы столь далеки от реальных процессов, которые в ДВС происходят, что современная теория ДВС оказалась не в состоянии правильно оценить сложившиеся в последние годы в практике двигателестроения тенденции и дать правильное решение вопроса. По этой причине индикаторный КПД ДВС со времен Р. Дизеля, практически, не изменился. Сомнения в этом возникают, в частности, из-за следующих вопросов:

1. В теории вообще не рассматривается вопрос о том, можно или нельзя ставить знак равенства между воздухом, который в ДВС используется в качестве рабочего тела и рабочим телом, которое участвует в цикле Карно или в цикле Стирлинга. Если следовать логике указанных циклов рабочее тело является субъектом процесса, в котором он принимает в себя тепло, и в ходе расширения преобразует его в механическую работу. При этом рабочее тело ни в целом, ни своими составными частями в создании тепла не участвует, количество и химический его состав не меняются. Поэтому в него можно вводить столько тепла и в такой последовательности, что создается возможность поддержания температуры Т₁ в заданном интервале отрезка расширения и установления наиболее эффективного соотношения между изотермным и адиабатным частями расширения.

Воздух содержит примерно 20.5% кислорода. В ДВС он окисляет углеводород, т.е. является одним из двух участников процесса создания тепла. После завершения процесса создания тепла рабочее тело имеет другой химический состав и другое количество. Из 3-х молекул кислорода при окислении углеводорода образуется 1 молекула двуокиси углерода СО₂ (газ) и 1 молекула воды (жидкость). При равных массах объем водяного пара в 6.5 раз меньше, чем газа, предельная его температура ограничена. Присутствуя в продуктах горения в виде пара, вода влияет и на температуру и на объем рабочего тела.

Помимо этого, количество поступившего в цилиндр кислорода определяет и количество топлива, которое он может окислить. Т.е. в ДВС в рабочее тело не возможно ввести больше топлива, чем кислород в состоянии окислить. Для наглядности того, что сказано такой пример:

ДВС, в котором в качестве топлива используется водород, имеет худшие эффективные характеристики, чем бензиновый. Возникает вопрос, почему?

Ответ: для окисления 1 молекулы кислорода требуется 2 молекулы водорода. Т.е. при наполнении цилиндра смесью воздуха и водорода, последний, т.е. водород, занимает 41% объема цилиндра. Иначе говоря, водород в цилиндре двигателя на 41% уменьшает объем рабочего тела, а соответственно и количество тепла, которое в него можно ввести.

Кроме этого, при окислении 3 молекул газа (2 молекулы водорода и одна молекула кислорода) образуется 1 молекула жидкости. Бензин поступает в цилиндр, частично, в газообразном, частично, в жидком состоянии. Разница между объемами водорода и бензина при их поступлении в цилиндр образует разницу между объемами рабочих тел, которые цилиндр может принять, разницу между количеством тепла, которое в эти рабочие тела можно ввести и, в итоге, разницу между эффективными характеристиками двигателей (к указанной разнице необходимо добавить и уменьшение объемов кислорода и водорода вследствие превращения в водяной пар).

Теоретически «чистым» рабочим телом в ДВС можно считать только 79,5% нейтрального газа, содержащегося в воздухе. Отсюда следует, что:

В первом варианте: цикл Карно в чистом виде применим к двигателю с подводом тепла от внешнего источника. В этом случае рабочее тело не участвует в процессе создания тепла.

Или второй вариант: цикл Карно в чистом виде может быть применен к традиционным ДВС при условии дополнительного ввода окислителя и окисляемого вещества в ходе изотермного расширения.

Из этого следует, что: количество тепла, которое можно ввести в рабочее тело в традиционном ДВС, ограничивается количеством содержащегося в нем кислорода. Следовательно, расстояние и время периода тепловыделения в ДВС также ограничены. В виду этого, в традиционном ДВС длина линии изотермного расширения меньше чем в цикле Карно.

2. В теории нет ясности в понимании вопроса о продолжительности процесса тепловыделения и о том, какие факторы на него влияют.

С одной стороны утверждается, что с момента начала тепловыделения скорость распространения пламени- величина постоянная. Также утверждается, что процесс основной фазы тепловыделения имеет одинаковую скорость, т.е. и эта величина является константой.

С другой стороны при рассмотрении рабочего цикла бензинового ДВС продолжительность тепловыделения, почему-то, принимается за 50-55 градусов ПКВ. Если сопоставить первое и второе, получается полный абсурд.

Если рассмотреть рабочий цикл ДВС при частоте вращения 900 об/мин (15 об/сек) и принять за продолжительность тепловыделения 50*ПКВ, то по времени она составит 1/15:50/360=1/108 секунды. Если эта величина константа, то при частоте вращения в 6300 об/мин (105 об/сек) продолжительность тепловыделения по углам ПКВ должна составить 105/15х50*=350*ПКВ. Т.е. получается абсурд.

Если же допустить, что продолжительность тепловыделения составляет 50*ПКВ при 6300 об/мин, то получится, что при 900 об/мин она составляет 7*ПКВ, что также абсурдно (эти цифры становятся совершенно глупыми для двигателя с частотой в 18 тысяч оборотов в минуту).

3. Применительно к ДВС в теории считается, что чем выше степень расширения, тем меньше температура выхлопа и выше КПД.

Есть понятия геометрической и действительной степеней сжатия.

Геометрическая степень сжатия есть отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

Действительная степень сжатия есть отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

Степень сжатия рабочего тела при ограничении наполнения цилиндра в теории никак не обозначена. Так, при работе бензинового ДВС на холостых оборотах количество воздуха, поступающего в цилиндр, меньше, примерно, в 5 раз, чем при работе без ограничения наполнения, т.е. при работе на внешней скоростной характеристике. Фактическая степень сжатия рабочего тела при этом в 5 раз меньше. Но степень расширения остается такой же, как и при полном наполнении цилиндра. Т.е. разница между фактической степенью сжатия рабочего тела и его расширением увеличивается в 5 раз. Но пусть кто-то объяснит мне, почему температура выхлопа при этом не уменьшается в 5 раз.

Объяснение такое: При поступлении в цилиндр рабочее тело имеет свою температуру. При сжатии температура возрастает. При расширении она снова падает. Если процесс адиабатный, температура упадет до первоначальной величины. Если же процесс расширения сначала изотермный, затем адиабатный, температура созданная на части отрезка сжатия будет потеряна. Длина этого отрезка сжатия будет соответствовать длине отрезка изотермного расширения. Т.е., если длина отрезка изотермного расширения равна 50* по углу ПКВ, температура созданная работой сжатия на участке в 50* по углу ПКВ (поворота коленчатого вала) до ВМТ (верхней мертвой точки) поршня неизбежно уйдет с выхлопом.

Вывод: Если даже построить работу ДВС таким образом, что газы на рабочем такте будут расширяться до давления окружающей среды, их температура на выходе будет больше, чем на входе, на указанную выше разницу.

Однако указанная потеря незначительна по сравнению с выигрышем, который дает полный перевод отрезка изотермного расширения на рабочий такт ДВС путем повышения степени его сжатия. Это подтверждается следующими экспериментами:

За период с сентября 2002 года для проверки правильности своих представлений об устройстве ДВС мной были построены несколько экземпляров бензинового ДВС со степенями сжатия от 16 до 19,5. Первоначально эксперименты проводились на двигателе М-20 В-25 БМВ-525. В дальнейщем на ВАЗ-2111. В данный момент в наличии имеются построенные на базе двигателя ВАЗ-2111 четыре экземпляра бензинового двигателя объемом 1.6 литра (диаметр цилиндра 82.4 мм, ход поршня 74.8 мм, инжектор, распредвал стандартный, 8 клапанов, поршня и шатуны не заводские, использована сточенная стандартная ГБЦ с еще выполненными в ней выемками под поршня) с давлением сжатия при 420 об/мин от 23 до 28 кг/см².

Один двигатель с 03 октября 2003 года работает на стенде кафедры «Теплотехники и автотракторных двигателей» МАДИ, второй и третий на автомашинах ВАЗ-2110. Двигатель на стенде предварительно были обкатан на автомашине (5000 км). Пробег другого на данный момент составляет 32 000 км. Практически весь пробег (кроме обкатки) совершен на максимальных нагрузках. За время работы двигатели неоднократно разбирались для обследования их состояния. И каждый раз состояние гильз, поршней, колец оценивалось, как идеальное. Двигатели строились с использованием обычных материалов, в кустарных условиях, с использованием переделанных серийных деталей. Никакие специальные материалы и технологии не использовались. По мере совершенствования свечей, блока и катушек зажигания, электронной программы управления эффективные характеристики двигателей становятся все лучше.

Комментарий:

Из-за конструктивных особенностей головки блока цилиндров ВАЗ-2111 возможности увеличения его степени сжатия ограничены. Так, расчеты показывают, что при степени сжатия 25 величина расточки ГБЦ должна составить 3 мм, что на 1/3 уменьшает толщину ее стенки. Давление сжатия в нем составит 36-40 кг/см². В ближайщее время, надеюсь, такой двигатель будет построен. Хотя есть опасения, что из-за сильного уменьшения толщины стенки головки блока ее может прорвать даже при замере давления сжатия.

Вместе с тем, расчеты показывают, что если бы у меня были соответствующие условия, не составит никаких проблем построить «идеальный» ДВС со степенью сжатия 51 (бензиновый или дизельный нет никакой разницы).

Для объяснения, почему для меня это стало возможным необходимо вернуться к истокам теории. В работе «Размышления о движущей силе огня» С. Карно описывает принцип работы гипотетического теплового двигателя. Цикл Карно состоит из термодинамических процессов, обеспечивающих наиболее полное превращение теплоты в работу. 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.

Следует сразу отметить, что сравнение работы ДВС с циклом Карно может носить только условный характер. Для соблюдения в работе ДВС «принципа Карно» необходимо на такте изотермного расширения подавать в цилиндр не только топливо, но и дополнительные порции кислорода. А поскольку этого не делается, разница между величинами температур начала расширения, максимальной температурой цикла и на момент окончания тепловыделения в реальном ДВС столь велика, что о величинах Т₁ и Т₂ в работе ДВС можно говорить лишь, как о неких средних, условных величинах.

Вместе с тем, осмысление процессов происходящих в цикле Карно дает возможность установить основополагающие принципы работы ДВС.

Для оценки характера происходящих в конкретном ДВС рабочих процессов необходимо брать за основу его рабочий цикл. При рассмотрении конкретного рабочего цикла ДВС следует исходить из того, что цикл совершается за определенный промежуток времени, масса рабочего тела составляет конкретную величину и в это рабочее тело можно ввести только конкретное количество тепла.

Т.е. при рассмотрении рабочего цикла ДВС применительно к циклу Карно константами следует считать массу рабочего тела и количество вводимого тепла.

Современная теория ДВС проводит подробный анализ индикаторной работы ДВС по его внешней скоростной характеристике. Анализ индикаторной работы ДВС в режиме частичных нагрузочных характеристик практически отсутствует. Между тем, ответ на вопрос о том, как повысить КПД ДВС и что сделать, чтобы он работал, дает анализ его работы именно в указанных режимах.

По циклу Карно путем адиабатного сжатия температура рабочего тела доводится до величины Т₁, после этого в рабочее тело вводится тепло и при сохранении температуры Т₁ совершается процесс расширения. Во второй части расширения ввод тепла прекращается, процесс становится адиабатным. Температура рабочего тела от величины Т₁ доходит до величины Т₂.

При использовании в качестве источника тепла углеводородного топлива до выделения тепла оно должно пройти стадию предварительной подготовки, которая включает в себя период формирования очага пламени (период задержки воспламенения) и стадию распространения пламени по фронту, т.е. указанный процесс занимает определенный промежуток времени.

Для обеспечения нормального прохождения рабочего цикла современного ДВС часть тепла в количестве Q₂ для доведения температуры (соответственно и давления) до величины Т₁ вводится при движении поршня к ВМТ. Угол начала ввода и количество необходимого тепла Q₂ определяется массой участвующего в цикле рабочего тела. Остальная часть тепла (поскольку величины Q и Q₂ для данного рабочего цикла становятся константами) в количестве Q-Q₂ вводится на такте расширения.

На такте сжатия в бензиновом ДВС 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. Примерное соотношение воздействия этих факторов видно по данным, полученным с помощью программы расчетного моделирования для бензинового ДВС со степенью сжатия Е=10 (условно: ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 10 мм).

1. При угле начала тепловыделения в 15* до ВМТ температура смеси в конце такта всасывания 65* С, на момент начала тепловыделения температура 355* С, давление 15.5 кг/см², на момент ВМТ поршня температура 834* С, давление 33.2 кг/см².

2. При тех же вводных данных, но при угле начала тепловыделения в 0 градусов температура смеси в конце такта всасывания 65* С, на момент ВМТ поршня в конце такта сжатия температура смеси 385* С, давление 19.5 кг/см².

Т.е. увеличение температуры рабочего тела на 449* С и давления на 13.7 кг/см² на такте сжатия получено за счет ввода тепла.

В виду этого такт сжатия в современном ДВС можно отнести к адиабатному лишь условно, поскольку увеличение температуры и давления рабочего тела совершается и путем сжатия и путем ввода тепла. А это приводит к нарушению следующих условий цикла Карно:

1. Условие равенства адиабатных циклов расширения и сжатия. Поскольку на завершающем отрезке такта сжатия в рабочее тело вводится тепло в количестве Q₂, цикл становится больше на количество отрицательной работы эквивалентной теплу Q₂.

2. Сокращается продолжительность и протяженность цикла изотермного расширения по углам ПКВ. Поскольку количество тепла Q, которое можно ввести в рабочее тело в ДВС является константой, то ввод части этого тепла в количестве Q₂ на такте сжатия уменьшает его количество на цикле изотермного расширения до величины Q-Q₂. При этом для нейтрализации отрицательной работы, совершаемой теплом Q₂ на такте сжатия, из оставшегося количества тепла Q-Q₂ на такте расширения расходуется еще одно количество тепла Q₂, что существенным образом снижает КПД двигателя.

Применительно к работе современного ДВС в диаграмме цикла Карно отрезок такта адиабатного сжатия, на котором тепло в количестве Q₂ вводится в рабочее тело, должен быть выделен в особый переходный сектор. Отрезок такта изотермного расширения по углам ПКВ должен быть уменьшен на величину Q₂. Соответственно этому либо величина Т₁ должна быть уменьшена, либо величина Т₂ должна быть увеличена на количество тепла 2Q₂ и величину потерянной температуры Т. С учетом изложенного работа современного ДВС по циклу Карно может быть отображена в виде штриховой диаграммы на рисунке 1.

Признание массы m рабочего тела константой означает, что в него не возможно ввести тепла больше, чем Q. А это означает, что в рабочем цикле современного ДВС без изменения массы рабочего тела не возможно удлинить протяженность цикла изотермного расширения.

В виду не совершенства устройства и принципа работы современного ДВС простое уменьшение угла тепловыделения приводит к ухудшению эффективных характеристик двигателя. Происходит падение температуры и давления топливно-воздушной смеси на сжатии, что отрицательно влияет на формирование и подготовку смеси к горению. При переходе к фазе активного горения на линии расширения объем камеры сгорания и, соответственно, расстояние на которое пламя должно распространиться оказывается слишком большим и топливо не успевает сгореть.

Попытки уменьшить угол тепловыделения, совмещая это с увеличением степени сжатия при сохранении устройства и принципа работы современного ДВС, также приводят к отрицательным результатам. При работе под нагрузкой такой двигатель разрушается меньше чем за 1 минуту.

Но если найти правильное решение вопроса, исключив ввод тепла в рабочее тело на такте сжатия, можно увеличить степень сжатия ДВС и существенно повысить его эффективность.

Суть равенства циклов адиабатного сжатия и расширения заключается в том, чтобы отрицательную работу, затраченную на сжатие рабочего тела, получить в виде положительной работы адиабатного расширения. Если исключить ввод тепла на такте сжатия и получить требуемые температуру и давление рабочего тела путем сжатия, то тепловая протяженность циклов адиабатного сжатия и расширения становится, примерно, одинаковой и влияния на КПД двигателя не оказывают.

Если расчитывать линии расширения бензиновых двигателей со степенями сжатия 10 и 25, сравнение происходящих в них процессов на такте расширения дает следующую картину.

Двигатель № 1 с Е=10 (Д₁): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 10 мм, угол начала тепловыделения 15* до ВМТ, величина Рz достигается при 15* ПКВ после ВМТ.

Двигатель № 2 с Е=25 (Д₂): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 3.75 мм, угол начала тепловыделения 0* по углу ПКВ, величина Рz достигается при 0* ПКВ.

В обоих двигателях продолжительность тепловыделения 50* по углу ПКВ.

В Д1 при нахождении поршня в 15* после ВМТ (высота камеры сгорания при этом 11.53 мм) значительная часть тепла уже введена, но интенсивный процесс ввода тепла еще продолжается. При дальнейшем движении поршня от ВМТ температура газов растет, но давление из-за быстрого увеличения объема камеры сгорания падает. Примерно к 35* ПКВ (отрезок а-b₁ рис. 1) процесс ввода тепла завершен, объем камеры сгорания в этой точке равен 18.14 мм. Далее происходит процесс адиабатного расширения.

В Д2 увеличение степени сжатия рабочего тела (соответственно, создание благоприятных условий для сгорания смеси) позволяет начать ввод в него тепла при нахождении поршня в ВМТ. При указанном положении поршня давление Рс= Рz, но температура (примерно на 300*С) меньше, чем в Д₁. Начало распространения пламени по фронту совпадает с началом движения поршня от ВМТ. Увеличение фронта пламени сопровождается увеличением количества выделяемого тепла, ростом температуры и объема газов. Вместе с тем, увеличивается и объем камеры сгорания. Взаимодействие указанных факторов поддерживает величину давления на одном уровне.

При этом двигатель работает без детонаций. Детонация, это пристеночное (взрывное) сгорание части топливно-воздушной смеси в результате самовоспламенения из-за местного повышения температуры и давления. При нормальном протекании процесса сгорания (т.е. без детонаций) скорость распространения пламени величина постоянная. Переменными могут быть расстояние, на которое пламени необходимо распространиться и время, за которое оно должно пройти это расстояние. Если расстояние короткое, то уменьшится время, за которое пламя его пройдет и, будут детонации, если расстояние большое, пламя не успеет его пройти и смесь не успеет сгореть. Как видно из приведенных цифр, в Д₁ на начало тепловыделения объем камеры сгорания составляет (15* до ВМТ) 11.53 мм. На момент полного распространения пламени по фронту (15* после ВМТ) объем камеры сгорания такой же. Т.е. для данного режима работы Д₁ это оптимальное соотношение между скоростью распространения пламени, временем и расстоянием.

В Д₂ эта зависимость выглядит следующим образом: на начало тепловыделения (0* ПКВ) объем камеры сгорания 3.75 мм. В 30* ПКВ, когда пламенем охвачена вся смесь, объем камеры сгорания и температура газов меньше, чем в Д1 при положении поршня в 15* после ВМТ. До объема камеры сгорания в 11.53 мм (34.5* ПКВ) интенсивный ввод тепла позволяет поддерживать величину давления газов равным Рz.

Но только в Д₁ при 35* ПКВ объем камеры сгорания (18.14 мм) больше, а давление газов в 1.57 раз меньше чем в Д₂ (11.53 мм). Помимо этого, при нахождении поршней в точках Рz (15* и 35*) расширение в Д₁ составляет 1.153, а в Д₂-3.17, крутящий момент в Д₂ будет в 2.127 раз больше.

К 48*ПКВ, когда в Д2 объем камеры сгорания становится 18.14 мм, т.е. столько же, сколько в Д₁ в 35* ПКВ, процесс ввода тепла идет к завершению. При указанном положении поршня объем камеры сгорания в Д₁ (24.4 мм против 18.14 мм) больше, а давление газов меньше в 1.35 раз. На момент завершения тепловыделения (соответственно 35* и 50* ПКВ) расширение в Д₁ составляет 1.81, а в Д₂- 4.84, крутящий момент в Д₂ в 1.27 раз больше.

Таким образом, в Д2 максимальная величина давления Рz достигается к 0* ПКВ (когда объем камеры сгорания равен 3.75 мм) и не меняется до 35* ПКВ, тепловыделение продолжается до 50* ПКВ. В виду этого среднее индикаторное давление цикла существенно выше.

Т.е. чем выше степень сжатия ДВС, тем выше его среднее индикаторное давление.

Таким образом, повышение степени сжатия бензинового ДВС с 10 до 25 исключает потери тепла в количестве 2Q₂ и удлиняет протяженность цикла изотермного расширения, примерно, на 20 градусов по углам ПКВ.

Для бензинового ДВС с внешним смесеобразованием наиболее эффективная степень сжатия составляет примерно 25-30.

Согласно циклу Карно на всем протяжении цикла изотермного расширения температура рабочего тела составляет величину Т₁, что должно обеспечить наиболее высокий термический КПД теплового двигателя.

Однако в современных ДВС, даже дизельных, если исключить ввод тепла на такте сжатия, температура начала расширения на порядок (кратно) ниже той температуры, которую условно можно принять за среднюю температуру (Т₁) цикла изотермного расширения.

Положение теории о том, что мере повышения степени сжатия ДВС, потери тепла на сжатие рабочего тела будут расти, снижая его термический КПД, противоречат закону термодинамики об эквивалентности теплоты и механической работы.

Противоречит и принципу цикла Карно. Как бы велика не была степень сжатия рабочего тела, тепло, затраченное на совершение отрицательной работы адиабатного сжатия, будет получено за минусом индикаторных и механических потерь в виде положительной работы цикла адиабатного расширения.

Одной из ошибок Р.Дизеля при расчете своего двигателя было то, что он не соотнес величину индикаторных и механических потерь с удельной мощностью двигателя. При очень низкой удельной мощности повышение степени сжатия до определенной величины действительно приводит к тому, что потери тепла на сжатии и расширении могут превысить положительную работу расширения.

Использование рециркуляции отработавших газов для повышения КПД двигателя фактически представляет собой скрытую форму повышения его степени сжатия. При рециркуляции к свежему заряду для повышения его температуры добавляются отработавшие газы. При этом из-за увеличения температуры увеличивается и объем рабочего тела. Коэффициент увеличения объема рабочего тела вследствие рециркуляции фактически является коэффициентом увеличения степени сжатия.

Однако рециркуляция не может дать существенного повышения КПД т.к. при этом уменьшается масса рабочего тела и количество тепла, которое в него можно ввести.

Аналогично, скрытой формой повышения степени сжатия является использование наддува.

Если работа ДВС будет соответствовать законам термодинамики, в конкретных условиях потери тепла на сжатие в ДВС со степенью сжатия 51 в значительном диапазоне нагрузок будут кратно меньше, а при нагрузках близких к максимальным будут, примерно, вдвое меньше, чем в современном дизельном ДВС со степенью сжатия 17.

Изложенное можно подытожить следующим образом:

Современная теория ДВС дает такую трактовку степени сжатия, которая не отражает реального характера рабочих процессов, которые происходят в ДВС. Для устранения этого недостатка степень сжатия должна подразделяться на следующие категории: 1. Степень сжатия двигателя -это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 2. Геометрическая степень сжатия двигателя -это отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 3. Действительная или текущая степень сжатия -это отношение находящегося в замкнутом цилиндре двигателя объема рабочего тела в состоянии атмосферного давления к объему камеры сгорания. Объем рабочего тела должен определяться при давлении равном давлению окружающей среды. Действительная степень сжатия в рабочем процессе двигателя величина переменная, регулируемая. Но при рассмотрении отдельного рабочего цикла эта величина должна рассматриваться, как константа. Например: степень сжатия двигателя 20, геометрическая степень сжатия 18. Действительная степень сжатия при расходе 50% воздуха составит приблизительно 9, при расходе воздуха, допустим, в 80%- приблизительно 14.4. При расходе 100% воздуха действительная сжатия может быть больше, меньше или равна геометрической степени сжатия.

Также необходимо ввести понятие степени наполнения цилиндра, которая определяется, как отношение давления в цилиндре в момент закрытия впускного клапана к давлению окружающей среды. Давление окружающей среды независимо от его величины, должно приниматься за единицу.

Рассмотрение индикаторной работы конкретного рабочего цикла бензинового двигателя с точки зрения действительной степени сжатия рабочего тела показывает следующую картину:

1.Двигатель со степенью сжатия 10.

При расходе воздуха в 40% от максимального его расхода на данных оборотах в цилиндре оказывается в 2.5 раза меньше рабочего тела, чем при максимальном наполнении. В момент закрытия впускного клапана в цилиндре имеется разрежение, величина которого составит 0.4 от атмосферного (степень максимального наполнения цилиндра на данных оборотах равна 1). Т.е. величина 0.4 составит степень наполнения цилиндра для данного рабочего цикла. Такт сжатия при этих условиях состоит из 2-х этапов: первый- это доведение давления в цилиндре до давления окружающей среды. Для этого поршень должен совершить 0.54 длины своего хода от НМТ в сторону ВМТ. Второй этап- это непосредственно сам процесс сжатия. Он будет совершаться в оставщиеся 0.36 величины хода поршня. Действительная степень сжатия рабочего тела при этом составит 4.6.

2.Для двигателя со степенью сжатия 25 действительная степень сжатия рабочего тела при тех же условиях составит 10.6. Т.е. рабочий процесс в нем будет иметь такой же характер, как в двигателе со степенью сжатия 10, но только при степени наполнения последнего в 1.04.

В двигателе со степенью сжатия 10 при степени наполнения 1 и угле опережения зажигания 25^о максимальное давление цикла Рz при 3500 оборотах в минуту достигается при 15^о ПКВ после ВМТ.

В двигателе со степенью сжатия 25 при том же угле опережения зажигания и оборотах максимальное давление цикла Рz достигается в 15^о ПКВ после ВМТ при степени наполнения в 0.385. При дальнейшем увеличении наполнения снижается угол опережения зажигания. При этом точка, в которой достигается максимальное давление цикла Рz преобразуется в линию, начало которой по мере увеличения действительной степени сжатия будет смещаться в сторону ВМТ, а конец в сторону НМТ. Так, при степени наполнения в 0.385, действительной степени сжатия в 10,6, угле опережения зажигания 25^о, Рz достигается при 15^о ПКВ и является в координатах диаграммы цикла точкой. При степени наполнения в 1, действительной степени сжатия 25, угле начала тепловыделения 0^о, Рz будет достигнут в 0^о ПКВ и в координатах диаграммы цикла преобразуется в линию от 0 до 35^о ПКВ после ВМТ.

В двигателе, в котором Рс= Рz, первая фаза тепловыделения должна проистекать с ограничением количества вводимого в рабочее тело тепла. В виду этого по мере повышения степени сжатия длина линии изотермного расширения будет увеличиваться до 65-70⁰ ПКВ.

Действительная степень сжатия в предложенном варианте будет реально отражать характер рабочего процесса, происходящего в цилиндре при каждом рабочем цикле.

Для получения представления о том, как изменяются потери тепла в зависимости от степени сжатия двигателя, в июне 2004 года в Подольском районе Московской области неоднократно проводился такой эксперимент:

В серийном двигателе ВАЗ-2111 со степенью сжатия 9.9 и в моем со степенью сжатия 19.5 убирались термостаты для свободной циркуляции охлаждающей жидкости. Автомашины двигались на скоростях от 120 до 150 км/час. Если эксперимент проводился утром в прохладное время, температура охлаждающей жидкости в моем двигателе составляла 55*С, в обеденное, теплое время 65*С. В серийном двигателе температура составляла соответственно 95 и 100*С. Т.е. при увеличении степени сжатия отвод тепла в систему охлаждения уменьшается.

Особенность ДВС такова, что без предварительного, до ввода тепла, сжатия рабочее тело не будет совершать работу. При строительстве современного ДВС исходят из того, что необходимо получить максимальную величину давления Рz, как можно ближе к ВМТ. Но крутящий момент, т.е. величина работы, которую совершает двигатель, зависит не столько от давления над поршнем, сколько от длины плеча кривошипа на момент этого давления. Длина плеча кривошипа зависит от угла его поворота. Т.е. для повышения КПД конструкция и принцип работы ДВС должны быть таковы, чтобы величина Рz при работе двигателя сохраняла бы свое значение, как можно дольше по углу поворота кривошипа, и была бы не точкой, а линией. В виду этого при оценке работы ДВС имеет значение не столько величина максимального давления цикла, сколько положение кривой давления расширения в координатах диаграммы цикла, т.е. величина среднего индикаторного давления.

Чем выше по давлениям и дальше по углам ПКВ кривая расширения будет располагаться от ВМТ, тем больше крутящий момент.

Для получения указанного эффекта, т.е. повышения КПД ДВС, по циклу Карно необходимо путем повышения степени сжатия уменьшать разницу между величиной Т1 и температурой начала цикла изотермного расширения.

Т.е. чем меньше разница между Т₁ и температурой начала цикла изотермного расширения, тем КПД ДВС выше.

Для ДВС с внутренним смесеобразованием не зависимо от вида используемого топлива наиболее эффективная степень сжатия составляет, примерно 51.

Практике двигателестроения известны следующие способы увеличения мощности двигателя:

1. Увеличение литрового объема двигателя.

2. При сохранении объема двигателя увеличение расхода воздуха путем наддува.

3. При сохранении объема увеличение расхода воздуха путем увеличения оборотов двигателя.

4. При сохранении объема двигателя увеличение расхода воздуха путем изменения длины впускного коллектора (резонансный наддув), фаз газораспределения и установки дополнительного количества клапанов.

В традиционной теории ДВС все эти способы сведены к одной аксиоме: для увеличения мощности необходимо увеличить расход воздуха и топлива двигателем. Т.е. установлена прямая пропорциональная количественная зависимость между мощностью двигателя и расходом воздуха и топлива, согласно которой чем больше мощность двигателя, тем больше воздуха и топлива он расходует.

В моем двигателе зависимость обратно пропорциональная, качественная, согласно которой для увеличения мощности двигателя необходимо увеличить степень сжатия. При этом для получения искомой мощности необходимо уменьшить расход воздуха и топлива во столько же раз, во сколько была увеличена степень сжатия.

С учетом свойств бензина, в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия (при внутреннем смесеобразовании) тепло должно вводиться частями на такте расширения.

В дизельном ДВС ввод части тепла должно происходить при положении поршня в ВМТ с последующей подачей остальной части тепла на такте расширения. Расчеты показывают, что в дизельном двигателе степенью сжатия 51, в котором тепло вводится в 0*ПКВ, максимальные температуры и сжатия и расширения, примерно, соответствуют аналогичным показателям современного дизельного двигателя со степенью сжатия 17, но при этом термический КПД первого будет значительно выше.

Специалисты и теоретики, которым демонстрировался мой двигатель, убедившись в том, что это не фокус, а действительно работающий двигатель, заявляли, что «запредельная» степень сжатия должна создать в нем якобы сверхкритические давления и температуры. Следовательно, по их мнению, двигатель не будет иметь ресурс и быстро разрушится.

Однако и расчеты и работа двигателя показывают, что они заблуждаются.

1. Работа двигателя и расчеты показывают, что величины максимальных температур и давлений сжатия и расширения в нем такие же, что и в стандартном двигателе. Природу бензина изменить нельзя и, соответственно, при превышении допустимых пределов температур и давлений детонации неизбежны. А детонаций в моем двигателе нет.

2. Приведенные выше цифры говорят о том, что протяженность отрезка линии изотермного расширения, на котором действуют температуры и давления близкие к максимальным, в моем двигателе существенно больше. С этой точки зрения фактор их отрицательного воздействия на ресурс двигателя имеет место.

3. С другой стороны увеличение количества тепла, преобразуемого в механическую работу, приводит к существенному снижению температуры рабочего тела в конце расширения (примерно на 400*С меньше по сравнению со стандартным ДВС), что приводит к значительному снижению тепловой нагрузки на детали двигателя.

4. При суммировании приведенных факторов складывается положительный баланс, т.е. ресурс двигателя со сверхвысокой степенью сжатия будет больше, чем у стандартного.

Риск возникновения детонаций в двигателе с повышенной (до 25) или сверхвысокой степенью сжатия (51 и выше) по сравнению со стандартным двигателем меньше, т.к. в нем скорость нарастания объема камеры сгорания на расширении больше. Так, при одинаковых углах ПКВ прирост объема камеры сгорания от ВМТ поршня до точки Рz в двигателе со степенью сжатия 20 в 2.3 раз больше, чем у стандартного двигателя со степенью сжатия 10.

Трехлетняя (с августа 2002 года) практика эксплуатации двигателей со сверхвысокой степенью сжатия также показала, что воздействие детонаций в них на механизмы двигателя совершенно иное, чем у стандартного двигателя. Однако вопрос этот подлежит дальнейшему исследованию.

Изложенное можно подытожить следующим образом:

1. Первоначальные представления Р.Дизеля о работе ДВС соответствовали действительности. Его отказ от этих преставлений на последующие 110 лет дал неправильное направление развитию теории и практики ДВС.

2. Многочисленные опыты и эксперименты, которые до сих пор проводились с двигателями с повышенной степенью сжатия не могли иметь положительный результат, поскольку эти работы проводились на основе традиционной теории ДВС с использованием известных практике принципов работы ДВС.

3. Двигатели со сверхвысокой степенью сжатия в 25 и 51 являются двигателями нового типа с присущими только им особенностями работы и они могут работать только при использовании собственных принципов работы.

4. Для ДВС со степенью сжатия 51 ни вид топлива, ни способ его воспламенения не имеют значения. Такой двигатель будет иметь КПД, примерно, 70-73%.

Особенности работы ДВС (Е=10) по циклу Карно

		c
			V
		Рис.1

Индикаторная работа ДВС со степенями сжатия (Е=10, ---- Е=20) при 50% дросселя

Vc

Рb

Р Рz₁

Рс₁ Рz

Рс

Ра

Особенности работы ДВС (Е=51) по циклу Карно

Q

а b₁

Р

b

		V
		Рис.3