Степень сжатия является характеристическим параметром, определяющим КПД тепловых машин.

С тем, что приведенные положения содержат новизну и позволяют уточнить положения термодинамики, согласились несколько теоретиков. Другая часть объявила их бессмысленными. По их утверждениям в массовом двигателестроении последних лет наметилась тенденция ухода от высоких степеней сжатия. Так, наиболее оптимальными степенями сжатия для дизелей считаются величины ε =13,5-17. По их мнению, такие величины степеней сжатия при нормальных скоростях нарастания давления в цилиндре позволяют при относительно неплохих величинах эффективного КПД, обеспечить стабильную работу и большой ресурс двигателей. Поэтому «выпячивание» роли и значения степени сжатия, придание ему «термодинамического» статуса не оправдано.

Комментарий:

По данному поводу между нами и Н.А. Иващенко прошла следующая дискуссия (ответы Н.А. Иващенко даются курсивом):

«Всем известно, что термический КПД цикла Стирлинга равен термическому КПД цикла Карно. Есть и другие циклы, обладающие тем же свойством, невзирая на то, что они состоят из других процессов».

ИГА: «Не важно из каких других процессов состоит цикл. Важен принимаемый нами постулат термодинамики -все процессы идеального газа равновесны. Этот постулат делает вывод о равенстве термического КПД идеальных циклов аксиомой».

«Для Вас – это аксиома. Остальные, даже двоечники-студенты, видят разницу в величинах термического КПД цикла Карно и, например, цикла с подводом теплоты при P=Const. И все понимают, почему это так. Потому что циклы состоят из разных процессов».

«Умница», идеальные циклы все обратимые! И Карно, и V=Const, и P=Const и многие другие, в том числе и Ваш любимый «ущербный».

(Примечание: Разный результат, потому что процессы разные. Странно. Куда в таком случае деть постулат термодинамики о том, что изменение внутренней энергии не зависит от вида совершаемого процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы?).

ИГА: «К термодинамическим процессам идеального газа применяется одно допущение- они равновесны. Согласно «Теплотехнике» (стр. 25-26), равновесность- это отсутствие разности между одноименными интенсивными величинами параметров состояния (потенциалов). Равновесность означает, что при условии ε=const, соотношение между количеством теплоты Q₁, превращаемой в работу, и количеством теплоты Q₂, отводимой холодному источнику, будет одинаковым независимо от вида процесса.

Если это так, то как термический КПД одного идеального цикла может быть меньше или больше чем у другого идеального цикла?».

«А потому, что в разных процессах в работу превращается разное количество теплоты и разное количество теплоты отводится. Не видеть этого – надо уметь или не хотеть. В «ущербном» смешанном цикле в районе ВМТ вырезается целый прямоугольник. Поэтому по сравнению с нормальным смешанным циклом «ущербный» всегда имеет меньшую работу цикла и меньшую величину термического КПД (при равных степенях сжатия и максимальных давлениях цикла). А Вы туда зовете все человечество. Спасибо!».

Дискуссия на эту тему не была доведена до конца. После некоторых наших дополнительных вопросов Н.А. Иващенко ответил: «В термодинамике Вы величина, близкая к нулю. Да и я недалеко ушел. Не Вам и мне наводить порядок в термодинамике. Наведите сначала порядок в своей голове. В ней дикий, непроглядный туман. И самое главное, на термодинамике идеальных циклов далеко не уедешь».

После наведения порядка в голове, считаем, что можно дать следующие пояснения: 1. Если авторитетнейший специалист теории ДВС не видит разницы между идеальным (И Карно, и V=Const) и теоретическим циклом (P=Const), то это говорит о том, что вопрос классификации циклов давно назрел. 2. «И самое главное, на термодинамике идеальных циклов далеко не уедешь»- правильно. Поэтому надо изучать и анализировать термодинамические, теоретические и остальные циклы. Но то, что без термодинамики идеальных циклов вообще никуда не уедешь - факт бесспорный. 3. «В «ущербном» смешанном цикле в районе ВМТ вырезается целый прямоугольник» - точно так же считают многие теоретики, с которыми приходилось обсуждать данный вопрос. Но можно ли в термодинамике просто так «вырезать» кусок от площади SТ -диаграммы? Разумеется, можно. Но только должно быть объяснено, куда и в каком виде ушла энергия, заключенная в вырезанной площади. И тогда окажется, что: а) на основе первого закона термодинамики энергия, заключенная в вырезанной площади, из цикла не исчезла; б) на основе второго закона термодинамики энергия «вырезанного прямоугольника» будеттоже частью превращена в работу, а частью отведена холодному источнику; в) на основе постулата о равновесности «вырезанная» часть энергии в результате перехода к другому термодинамическому процессу идеального газа будет преобразована в работу и отведена холодному источнику точно в тех же соотношениях, что и остальная часть энергии цикла. То есть, «вырезанный» из одного участка диаграммы «прямоугольник» не выбрасывается из работы цикла (не уменьшает площадь), а входит в нее, сдвинув линию расширения вправо от вертикальной оси координат.

Согласно «Теплотехнике» (стр. 27) «Процесс называется обратимым, если после его совершения сначала в прямом, а затем в обратном направлении все участвующие в нем объекты возвращаются к своему исходному состоянию.

Изменения, произошедшие с объектами, участвующими в прямом неравновесном процессе, не могут быть полностью устранены при совершении процесса противоположного направления. Поэтому такие изменения называют необратимыми, а сам прямой процесс- необратимым».

«Разомкнув» замкнутый цикл, термодинамика решила вопрос о том, как увеличить разность используемых в циклах интенсивных величин (увеличение термодинамического потенциала циклов). В результате «размыкания» из-за невозможности совершения обратного процесса система теряет свойство равновесности и обратимости. Но процессы идеального газа в таком цикле не теряют свойства равновесности. Удаление из системы рабочего тела лишает систему возможности совершить обратный процесс. Но удаление из системы рабочего тела на завершающем этапе цикла не может лишить предшествовавшие ему процессы идеального газа признака равновесности.

В термодинамике существует общепринятая формулировка: в заданном интервале температур термический КПД цикла Карно является наивысшим. В подоплеке формулировки присутствует мысль, что подвод теплоты по изотерме обеспечит наивысший КПД цикла. Но КПД цикла не может зависеть от вида процесса идеального газа. Т=const является условием, при котором подводится теплота и совершается работа расширения. Точно так же в других циклах Р=const, V=const являются условиями, которыми может обставляться процесс подвода теплоты и преобразования свободной энергии в работу. Если рабочее тело является идеальным газом, условия процесса становятся равновесными и при одинаковом количестве работы сжатия результаты процессов будут одинаковыми. Основным и единственным фактором, определяющим конечный результат процессов с идеальным рабочим телом, является количество работы сжатия, которая, создавая интервал температур, давлений и объемов наделяет рабочее тело дополнительной способностью к расширению. Поэтому, если количество работы сжатия сравниваемых идеальных процессов равно, равным будет и результат преобразования. Из этого вытекают следующие аксиомы термодинамики:

 

1. Термический КПД циклов не зависит от вида термодинамического процесса идеального газа.

2. Величина степени сжатия цикла зависит от используемого в нем вида термодинамического процесса газа.

 

Приведенные положения имеют не только теоретическое, но и важное практическое значение:

1. Приписывание одному из термодинамических процессов газа (V=const) или одному из циклов каких-то особых, выходящих за рамки законов термодинамики свойств, завела теорию и практику двигателестроения в тупик. Это наглядно проявляется в следующем: с одной стороны теория ДВС, в согласование с классической термодинамикой, утверждает, что «цикл» Карно с изотермным подводом теплоты, имеет наивысший термический КПД. С другой стороны та же теория утверждает, что наивысший термический КПД будет иметь цикл с подводом всей теплоты по процессу V=const. То есть, теория ДВС формально (на словах) придерживаясь положения классической термодинамики относительно КПД «цикла» Карно, фактически доказывает нам, что наивысший КПД имеет цикл с V=const.

2. Как уже выше говорилось, термодинамические процессы идеального газа в силу их равновесности никаких преимуществ друг перед другом не имеют. Но в реальном процессе от вида термодинамического процесса газа зависит величина степени сжатия цикла (двигателя).

3. Тупик, в котором оказались современные теория и практика двигателестроения по нашему мнению заключается в том, что, считая цикл с подводом теплоты по V=const наилучшим, теория диктует практикам строительство двигателей, работающих по данному циклу. Практики с целью увеличения экономичности двигателей делают попытки увеличить степень сжатия. Это приводит к тому, что: «Возникновению детонации во всех без исключения случаях способствует увеличение степени сжатия» (А.Н.Воинов, стр. 184, подчеркнуто мной).

Утверждение о том, что увеличение степени сжатия двигателя способствует возникновению детонации, является принципиально ошибочным. Приведенная цитата будет соответствовать действительности в следующей формулировке: В двигателях, в которых основная фаза сгорания протекает в зоне ВМТ, во всех без исключения случаях увеличение степени сжатия способствует возникновению детонации. Детонация в бензиновом двигателе и фактор динамичности в дизельном двигателе есть проявление свойства цикла с подводом теплоты по V=const. Поэтому единственным способом исключения указанных явлений из работы двигателей является увеличение степени сжатия до высоких и сверхвысоких величин с последовательным переходом на процессы подвода теплоты по Р=const и Т=const.

Подтверждением изложенным выводам служат имеющиеся у нас на данный момент 4 обкатанных бензиновых двигателя со степенями сжатия от 17 до 23. Пробег одного из них составляет 45 тыс. км. Второй был обкатан на 5 тыс. км и после этого отработал на стенде, примерно, 200 часов. Пробег двух остальных составляет по 10 тыс. км.

Наши исследования и эксперименты показывают, что причины возникновения детонации в бензиновых двигателях и высоких скоростей нарастания давления в дизельных двигателях имеют один корень: это недостаточная величина степени сжатия (или работы сжатия), из-за которой приходится обеспечивать интенсивное тепловыделение в зоне малого изменения объема камеры сгорания для обеспечения нормального сгорания на линии расширения. Эксперименты с бензиновыми двигателями с высокими степенями сжатия показывают, что выявленные возможности регулирования скорости нарастания давления, путем увеличения степени сжатия и смещения основного периода тепловыделения на линию расширения могут быть использованы и при организации процесса сгорания в дизельных двигателях, что позволит устранить перечисленные недостатки. Что при этом важно, увеличение степени сжатия дизельных двигателей до сверхвысоких величин (до 51-55), приведет к существенному уменьшению максимальных давлений и температур цикла и соответственно к уменьшению массогабаритных показателей и увеличению ресурса таких двигателей по сравнению с двигателями с обычными степенями сжатия.

С точки зрения выдвигаемых нами положений нормальным может считаться только тот двигатель, в котором при протекании процесса тепловыделения давление уменьшается, а не растет.

 

Фактор давления.

 

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, тем не менее, оказались неправильными. Почему так могло произойти?

Двигатели того времени имели чрезвычайно низкую удельную мощность. Первый одноцилиндровый двигатель Дизеля при объеме в 144 литра имел эффективную мощность всего 20 л/с. 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 индикаторную мощность.

Хотя и не в том виде, каким он первоначально задумывался, но дизельный двигатель состоялся. Оказалось, что фактор давления в цикле превращения теплоты 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 с позиций внутренней энергии рабочего тела они эквиваленты. То есть, если с точки зрения математики и первого закона термодинамики, например, 10х10=1х100, то с точки зрения цикла превращения теплоты в механическую работу такое равенство не допустимо.

Дальнейшая практика двигателестроения показала: 1. При превышении определенных пределов давления сжатия эффективность обоих видов ДВС падает. В бензиновом двигателе появляется детонация, в дизельном - фактор динамичности превышает допустимые пределы. Из-за этого снижается КПД, уменьшается ресурс. 2. При сверхкритических величинах давления сжатия дизельный ДВС приобретает отрицательный КПД, а бензиновый- взрывается.

Поэтому рассмотрим, что происходит в действительных циклах бензинового и дизельного ДВС с обычными степенями сжатия с точки зрения протекания давлений.

1. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε <5. Из рисунка 80 (Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) по кривой № 1 видно, что в двигателе (ε =3,2) максимальное давление цикла величиной Рz =19 кг/см² может быть достигнуто за 10⁰ до ВМТ. Фаза активного тепловыделения в таком двигателе приходится на период малого изменения состояния рабочего тела. Если фазу активного тепловыделения сместить по углам ПКВ дальше от ВМТ, плотность компонентов (давление) уменьшится, интенсивность тепловыделения снизится. Это приведет к нарушению нормального процесса сгорания (кривая № 4).

2. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε =10. В таком двигателе максимальное давление цикла Рz уже не может быть достигнуто не только до ВМТ, но и в ВМТ. Если фазу активного тепловыделения сместить в ВМТ, то как видно из таблицы расчета И.М. Ленина (стр.16-17 т.1) максимальное давление цикла составит Рz =96 кг/см², что вызовет нарушение нормального протекания процесса.

 

Из рис. 59 (И.М. Ленина стр.96 т.1) следует, что максимальное давление цикла в двигателе с ε =10 Рz =54 кг/см² достигнуто при 22⁰ ПКВ после ВМТ. Температура Тz будет достигнута в 32-33⁰ ПКВ. Если фазу активного тепловыделения сместить дальше 33⁰ ПКВ после ВМТ плотность компонентов (давление) уменьшится, процесс сгорания нарушится. Применительно к камере сгорания двигателя ВАЗ 2110 это означает, что в момент давления Рz объем камеры сгорания составляет V_Рz =7,98мм + 3,33=11,31 мм. В момент максимальной температуры: V_Тz =7,98мм + 7,31=15,29 мм. В двигателях со степенями сжатия 25 и 51 такие величины давления и температуры, учитывая, что в них потери теплоты в стенки кратно меньше, могут быть достигнуты не ранее объемов V_Рz =35⁰, V_Тz =44⁰ и V_Рz =39⁰, V_Тz =47⁰ ПКВ после ВМТ.

3. Дизельный двигатель со степенью сжатия ε >17: Несмотря на то, что в дизельном двигателе с α >1,3 количество располагаемой теплоты существенно меньше, из-за высокой скорости нарастания давления, обеспечить в нем процесс с условным V=const становится невозможным. Из-за высокой степени сжатия давление на начало расширения обеспечивает такую плотность компонентов, что становится необходимым вводить часть теплоты на линии расширения при условном Р=const.

Для наглядности сказанного продолжим расчет приведенной выше таблицы (k =1,4) И.М.Ленина:

 

Степень сжатия: 5 10 25 40 51

В конце сжатия:

Давление, кг/см² 9,9 25 91 175 246

Температура, К 665 880 1268 1531 1687

 

Макс.давление, кг/см² 45,3 96 349 672 944

Макс. температура, К 3165 3380 3768 4031 4186

 

Как, видно из таблицы, если ввести всю теплоту по процессу V=const в двигателе со степенью сжатия 25, 40 и 51 максимальное давление Рz составит соответственно 349, 672 и 944 кг/см². Т.е. абсолютно не приемлемые для ДВС величины. Но в то же время нашими многолетними экспериментами установлено, что бензиновый двигатель со степенью сжатия до 25 может работать без нарушения нормального процесса сгорания. При этом максимальное давление цикла в нем предположительно доходит до 80 кг/см².

Чем это можно объяснить?

1. Увеличение степени сжатия из-за уменьшения объема камеры сгорания приводит к большей турбулентности смеси, что ускоряет процесс распространения пламени по камере сгорания.

2. Увеличение степени сжатия из-за увеличения плотности горючей смеси ускоряет процесс сгорания согласно формуле ω_отн=К∙р_о^n-1.

То есть, увеличение степени сжатия приводит к ускорению процесса тепловыделения. Но увеличение степени сжатия требует и все большего смещения периода активного тепловыделения на линию расширения. В результате этого возрастающая скорость тепловыделения и увеличения давления компенсируется возрастающей скоростью увеличения объема надпоршневой полости.

Целью регулирования процессов, которые происходят в ДВС, является обеспечение нормального процесса сгорания. Согласно приведенной формуле для этого необходимо обеспечить в цилиндре определенное давление р_о.

Данные таблицы 16 (И.М.Ленин, стр. 115 т.1) наглядно показывают, в какой степени давление влияет на горючие свойства топлив. Если при давлении 3 кг/см², температура самовоспламенения бензина равна 425⁰С, то при 30 кг/см² она уменьшается до 260⁰С, а при 60 кг/см² составит всего 95⁰С.

 

 

В действительных циклах нынешних ДВС процессы тепловыделения с целью увеличения давления и температуры смеси начинаются еще до достижения поршнем ВМТ. После ВМТ процесс интенсивного выделения теплоты продолжается. В конце периода малого изменения состояния рабочего тела давление доходит до величины Рz. Далее на линии расширения происходит процесс наиболее интенсивного тепловыделения с достижением температуры Тz.

Теория ДВС считает, что максимальное давление цикла обязательно должно быть выше давления конца сжатия: Рz > Рс. Эта необходимость обусловлена низкими значениями используемых в них степеней сжатия (10-12 в бензиновых и 17-23 в дизельных) и соответственно низкими значениями давлений и температур конца сжатия. Для обеспечения нормальных условий протекания предпламенных реакций, формирования очага, распространения пламени по камере сгорания и сгорания величины давлений и температур конца сжатия приходится увеличивать искусственным путем. В нынешних серийных бензиновых двигателях максимальное давление цикла составляет, примерно, 60 кг/см². В дизельных двигателях максимальное давление цикла должно быть, примерно, 80 кг/см². Если давление выше 100 кг/см², работа дизеля становится излишне жесткой и шумной. Причем жесткость и шумность работы обуславливаются высокой интенсивностью тепловыделения и нарастания давления в зоне малого изменения объема камеры сгорания.

То есть, для нормального протекания наиболее активной фазы сгорания в бензиновом двигателе необходимо обеспечить минимум давления 60 кг/см², а в дизельном-80 кг/см². Из этого следует, что независимо от положения кривошипа и объема надпоршневой полости, если в цилиндре будут обеспечены приведенные величины давлений, процесс сгорания будет протекать нормально.

При степени сжатия ε =40 давление конца сжатия (при k =1,35) составит 145 кг/см², а при степени сжатия ε =51 Рс составит 202 кг/см². В двигателях с такими степенями сжатия необходимости в увеличении давления и температуры смеси при завершении сжатия не возникнет. Нет необходимости и в высокой интенсивности тепловыделения в зоне малого изменения объема камеры сгорания. В указанном периоде до 15-18⁰ ПКВ после ВМТ возникает необходимость только поддержания заданной величины давления путем впрыскивания небольшой части от располагаемого количества топлива. При этом температура рабочего тела от величины Тс вырастет до величины Тz. Рост температуры при этом будет относительно не большой (примерно на 200-300⁰ С). После 15-18⁰ ПКВ после ВМТ при давлении 145 кг/см² впрыскивается следующая порция топлива. Впрыск топлива должен завершиться до момента снижения давлений до 60 и 80 кг/см² соответственно.

Изложенное можно подытожить формулойЗакона «Перехода термодинамических процессов газов», согласно которому:

 

В циклах тепловых машин по мере увеличения степени сжатия термодинамические процессы газов переходят из одного вида в другой и завершаются изотермным процессом подвода теплоты.

 

При этом: 1. В теоретических циклах тихоходных (малооборотных) двигателей со сверхнизкой (до 5) степенью сжатия подвод теплоты к рабочему телу осуществляется по условному изохорному процессу с V=const. 2. Дальнейшее увеличение степени сжатия (до низких 10-12) влечет за собой необходимость смещения периода активного сгорания дальше от ВМТ. В теоретических циклах с такими степенями сжатия период подвода основного количества теплоты является смешанным с преобладанием процесса Р=const. 3. Дальнейшее увеличение степени сжатия до средних величин (17-23) приводит к тому, что процесс подвода теплоты приобретает полные признаки условно-изобарного. 4. Увеличение степени сжатия до высоких (до 30) величин превращает процесс в смешанный с признаками изобарного и изотермного. 5. При дальнейшем увеличении степени сжатия до сверхвысоких величин (ε >30) происходит замена условно-изобарного процесса подвода теплоты с Р=const на условно-изотермный процесс с Т=const.

Это позволяет дать следующую формулировку Закона «Перехода циклов»: