Закон синхронизации процессов.

Количество теплоты, которая может быть отведена в стенки, при положении поршня в данной точке диаграммы зависит от температуры рабочего тела, площади контакта рабочего тела со стенками, массы и плотности рабочего тела. Количество теплоты, которая реально будет отведена в стенки, определяется временем нахождения поршня в данной точке. Совокупность перечисленных параметров состояния рабочего тела называется удельной поверхностью охлаждения. Для определения влияния тепловых потерь в данной точке на экономичность и эффективность работы двигателя необходимо соотнести величину тепловых потерь в стенки в данной точке к величине работы, которую поршень в данной точке способен произвести. Полученная данным способом величина потерь выразит собой удельные затраты теплоты в стенки на единицу работы.

Величина тепловых потерь на механические трения зависит от давления над поршнем в данной точке. Величина удельных потерь теплоты на механические трения зависит от соотношения величины механических потерь в данной точке к количеству работы, которую поршень способен произвести в данной точке. Поэтому одновременные процессы тепловыделения и расширения должны протекать на основе принципов:

Чем большее количество от выделяющейся в каждый момент теплоты в тот же момент будет превращаться в работу, тем меньше будет разрыв между величинами Тс и Тz и тем меньше будет величина тепловых потерь двигателя в систему охлаждения. При подводе теплоты по изотерме Тс = Тz мы получаем математически наивыгодный вариант наименьших удельных потерь теплоты в стенки.

Чем большее количество от выделяющейся в каждый момент теплоты в тот же момент будет превращаться в работу, тем меньше будет разрыв между величинами Рс и Рz и тем меньше будет величина механических потерь двигателя на трение. При подводе теплоты по изотерме давление Рс будет максимальным давлением цикла Рс = Рz. С началом процесса тепловыделения и расширения давление будет уменьшаться согласно соотношению Р / e при n = 1, что также обеспечивает наилучшее соотношение между работой цикла и затратами теплоты на механические потери.

Таким образом, чем меньше будет разрыв между интенсивностью расширения газов и интенсивностью тепловыделения, тем меньше будут и тепловые и механические потери.

В виду перечисленных моментов главным фактором, определяющим экономичность и эффективность любого участка тепловыделения-расширения действительного цикла поршневого ДВС, является отношение скорости тепловыделения к скорости поршня.

Расчет зависимости удельных потерь теплоты в стенки от положения поршня по углам ПКВ был дан в разделе «теоретические циклы». Согласно данному расчету в 82⁰ ПКВ по сравнению с зоной ВМТ от 0 до 12⁰ ПКВ удельные потери теплоты в стенки цилиндра меньше в 480 раз. Т.е. практически все потери теплоты в стенки происходят в зоне ВМТ до 25⁰ ПКВ. Рассмотрим, какова зависимость удельных потерь теплоты на механические трения в зависимости от положения поршня.

Согласно таблице положения поршня в функции от угла поворота кривошипа:

 

φ ПКВ 0-1 3-4 7-811-12 24-25 39-40 54-55 81-82

Р 38 42 47 54 45 30 23 9.6

 

Ме н/м 0.07 1.9 9.7 26.2 96.8 160.9 221.4 178

 

Сравним величины давлений и крутящих моментов участков зоны ВМТ (0-1⁰, 3-4⁰, 7-8⁰, 11-12⁰) с участками линии расширения (24-25⁰, 39-40⁰, 54-55⁰, 81-82⁰):

1. Участок 0-1⁰ ПКВ по давлению: меньше, чем в 24-25⁰ в 1.184 раз, больше чем в 39-40⁰ в 1.267, больше чем в 54-55⁰ в 1.652, больше чем в 81-82⁰ в 3.958 раз. По крутящему моменту меньше соответственно: в 1382, 2298, 3162, 2542 раза.

Удельные затраты механических потерь данного участка больше соответственно в: 1167, 2911, 5223, 10061 раза.

2. Участок 3-4⁰ ПКВ по давлению: меньше, чем в 24-25 ⁰ в 1.071 раз, больше чем в 39-40⁰ в 1.4, больше чем в 54-55⁰ в 1.827, больше чем в 81-82⁰ в 4.375 раз. По крутящему моменту меньше соответственно: в 50.1, 84.7, 116.5, 93.7 раза.

Удельные затраты механических потерь данного участка больше соответственно в: 46.8, 118.6, 212.7, 410 раз.

3. Участок 7-8 ⁰ ПКВ по давлению: больше, чем в 24-25⁰ в 1.044, больше, чем в 39-40⁰ в 1.567, больше, чем в 54-55⁰ в 2.043, больше, чем в 81-82⁰ в 4.896 раз. По крутящему моменту меньше соответственно: 9.98, 16.59, 22.8, 18.4 раза.

Удельные затраты механических потерь данного участка больше соответственно в: 10.4, 26, 46.6, 90 раз.

4. Участок 11-12⁰ ПКВ по давлению: больше, чем в 24-25⁰ в 1.2, больше, чем в 39-40⁰ в 1.8, больше, чем в 54-55⁰ в 2.35, больше, чем в в 81-82⁰ в 5.625 раз. По крутящему моменту меньше соответственно: 3.4, 6.14, 8.45, 6.8 раза.

Удельные затраты механических потерь данного участка больше соответственно в: 4.1, 11.1, 19.9, 38 раз.

Согласно приведенному расчету, наивыгодным участком получения максимального количества работы при минимальных потерях теплоты на отвод в стенки и механические потери является участок между 20 и 82⁰ после ВМТ на расширении. Рассмотрим, какие условия для этого необходимы.

 

Как следует из диаграммы на рис. 227 (И.М. Ленин, стр.8, т.2) скорость движения поршня есть синусоида. Формирование очага пламени, распространение фронта пламени, сгорание смеси по времени, если нанести их на диаграмму в функции от угла поворота коленчатого вала, также примут вид синусоиды.

«В самом начале своего распространения от свечи скорость пламени близка к скорости ламинарного горения (с учетом расширения продуктов сгорания). Затем скорость распространения пламени постепенно увеличивается».(А.Н.Воинов, стр. 161)

«Интенсивность турбулентного заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения, поэтому с ростом n длительность второй фазы во времени уменьшается пропорционально изменению длительности всего цикла, т.е. θ ₂ (в градусах ПКВ) практически не изменяется». (Уч. МАДИ (ГТУ), стр. 120, т.1).

Еще лучше указанная зависимость определена И.М. Лениным (стр. 103 т.1). «Большая турбулентность смеси и более интенсивное нагревание ускоряют процесс сгорания. По мере роста числа оборотов: а) задержка воспламенения (период индукции по времени t_φ1 сокращается, однако в градусах поворота φ₁ коленчатого вала увеличивается:

n, об/мин......................1100 2000

t_{φ 1}, мсек......................2,73 1,67

φ ₁°.......................18 23

б) период видимого сгорания по времени t_φ2 сокращается, а в градусах поворота φ₂ коленчатого вала почти не меняется:

n, об/мин......................1100 2000

t_{φ 2}, мсек......................3,63 2,08

φ ₂°.......................24 25

Таким образом, общая продолжительность сгорания по времени сокращается с 6,36 до 3,75 м/сек, но удлиняется с 42 до 48° поворота вала.».

Приведенные цитаты показывают синусоидный характер всех периодов процесса сгорания и зависимость формы синусоиды от частоты вращения коленчатого вала, т.е. времени. В двигателе со степенью сжатия 23 период задержки воспламенения при одинаковой частоте вращения существенно меньше, чем в двигателе с ε =10. Но в то же время при изменении частоты вращения подчиняется тем же закономерностям, что и в двигателе с ε =10.

Поэтому необходимым условием обеспечения наибольшей экономичности и эффективности является наложение и относительное совпадение синусоид движения поршня и протекания процессов сжатия и сгорания. Главным средством такого «наложения» становится «дросселирование» (берем в кавычки, поскольку термин устаревший).

«Дросселированием называется процесс понижения давления газа при преодолении потоком местного гидравлического сопротивления, например диафрагмы». («Теплотехника», стр. 72).

Приведенное определение дросселирования нельзя применить к двигателю, в котором наполнение регулируется путем изменения фаз закрытия впускного клапана или выпускного клапана. В таком двигателе производится не понижение давления воздуха на впуске, а выталкивание его избытка из цилиндра во впускной или выпускной коллектор.

Следующим условием наибольшей экономичности и эффективности является нормальное протекание процессов сжатия и сгорания. Для этого:

1. Двигатель не должен детонировать.

«Горючая смесь нагревается сжатием до температуры, как правило, более чем достаточной для ее самовоспламенения, и если последнее не возникает, то только потому, что для этого не хватает времени, рабочий заряд в камере сжатия успевает сгореть в процессе распространения по нему фронта пламени раньше, чем наступит самовоспламенение». (А.Н. Воинов, стр. 138.).

«Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается в результате поджатия (увеличения давления от сгорания) до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. Несмотря на это, при нормальном сгорании самовоспламенение последней порции смеси не происходит, так как для его развития не хватает времени. Если же период задержки самовоспламенения по сравнению с временем распространения пламени окажется настолько коротким, что в последней порции заряда возникнут очаги самовоспламенения от поджатия, то такое самовоспламенение может приобретать взрывной характер». (учебник МАДИ (ГТУ), т.1, стр.122.).

Приведенные цитаты необходимо уточнить: Чтобы не возникло детонационного сгорания, интенсивность протекания предпламенных реакций в любом участке свежей смеси должна быть исключающей возможность их саморазгона и самовоспламенения. Инициирование развития цепной реакции в свежей смеси должно произойти от фронта пламени, а не от поджатия в результате повышения давления в камере сгорания. Если цепная реакция началась «нормальным» способом, т.е. от фронта пламени, дальнейшее увеличение температуры реагирующих компонентов не может повлечь их детонационного горения.

«При постепенном взрыве источник радикалов находится в сгорающей газовой смеси, где реакция развилась значительно и, как следствие, температура очень высока (на практике доходит до 1500-2500⁰С). Поэтому легко понять, что эти радикалы отличаются по природе от тех, которые являются причиной развития одновременного взрыва, так как при столь высоких температурах в наличии оказываются только очень простые части первоначально существовавших сложных молекул. Поэтому исходная структура углеводородов не является более решающим фактором. Более важен в данном случае элементарный состав или, еще проще, отношение содержания углерода к содержанию водорода». (Д.Д.Брозе, стр. 31).

Но в то же время дальнейшее увеличение давления в процессе активного сгорания согласно формуле ω_отн=К∙р_о^n-1 может увеличить скорость реакции горения до недопустимых величин.

2. Поэтому в двигателях со сверхвысокой степенью сжатия и принудительным зажиганием в период быстрого сгорания взаимосвязанные интенсивности тепловыделения и нарастания давления не должны быть такими, что может возрасти жесткость работы двигателя.

Для правильного теоретического освещения, а затем и практического решения изложенных задач необходимо ввести понятие и термины «зоны равновесия процессов» и «точки равновесия процессов» в ДВС. Примерные их определения таковы:

1. Зона равновесия процессов-некоторый пространственный и временной период в диаграмме двигателя с принудительным зажиганием и низкой степенью сжатия, расположенный возле точки наилучшего прохождения процессов, в пределах которого приближение и удаление точки ввода основного количества теплоты относительно ВМТ не отражается на количестве совершаемой двигателем работы.

2. Точка равновесия процессов- расположенная на любом участке диаграммы двигателя (предположительный диапазон углов возможного положения точки от 0 до 45-60⁰ ПКВ после ВМТ) с принудительным зажиганием со сверхвысокой степенью сжатия точка ввода теплоты, в которой с учетом величины степени сжатия, наполнения цилиндра рабочим телом и частоты вращения обеспечиваются наилучшие условия прохождения процессов сгорания, причем выход за пределы точки без изменения наполнения, частоты и угла опережения зажигания существенным образом отражается на количестве совершаемой двигателем работы.

 

gi

Pz

Pi

hi

Рис.58-а

θ опт.

 

На рис. 58 (Д.Н. Вырубов, стр. 184) зависимости индикаторных показателей двигателя от угла опережения зажигания штриховая линия есть середина зоны равновесия процессов. Отклонение угла зажигания вправо или влево на некоторое количество градусов не отражается на показателях работы двигателя. За центр зоны принимается точка Рz. Наивыгоднейшее расположение Рz в середине зоны равновесия процессов дает некоторое количество работы цикла. При этом такие показатели как индикаторные и механические потери, эффективные КПД и давление, УОЗ, Рс, Тс, Рz, Тz имеют для периода средние показатели, а удельный расход топлива, мощность и состав выхлопных газов в совокупности имеют наилучшие значения.

При увеличении значений Рс, Тс, Рz, Тz выше оптимальных (допустим увеличением угла зажигания на 5⁰) индикаторный КПД цикла несколько увеличивается за счет уменьшения площади теплообмена со стенками цилиндра и возрастания интенсивности сгорания. Но за счет увеличения значения Рс и приближения Рz к ВМТ растут механические потери. Эти потери поглощают прирост индикаторного КПД и количество работы цикла не изменяется. При уменьшении значений Рс, Тс, Рz, Тz ниже оптимальных (допустим уменьшением угла зажигания на 5⁰) индикаторный КПД цикла несколько уменьшается за счет увеличения площади теплообмена со стенками цилиндра и уменьшения интенсивности процесса сгорания. Но за счет уменьшения значения Рс и удаления Рz от ВМТ уменьшаются механические потери. Уменьшение этих потерь компенсирует уменьшение индикаторного КПД и количество работы цикла тоже не изменяется. Такое происходит из-за несбалансированности объема надпоршневой полости, количества горючей смеси и времени протекания сгорания.

Из рис. 80 (Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) видно, что в двигателе с низкой степенью сжатия ε=3,2 давление Рz может быть достигнуто значительно ранее точки ВМТ.

Поэтому чем ниже степень сжатия двигателя, тем больше по протяженности зона равновесия процессов. Чем выше, тем меньше. При определенной величине степени сжатия она превращается в точку. В этом случае отрезок диаграммы двигателя, на котором осуществляется ввод теплоты, будет состоять из множества таких точек. Отклонение (без изменения наполнения, частоты и УОЗ) от точки влево вызовет детонацию, отклонение вправо- сильное уменьшение эффективности цикла. Когда зона равновесия процессов превратится в точку, цикл будет иметь максимальные КПД и среднее давление (см. выше рис. 58-а).

1. За основу построения цикла необходимо взять эталонный двигатель. Аппаратурные условия эталонного двигателя: ε =10, Ра - 1 кг/см², k =1,36, Та = 50⁰С, используемый бензин АИ-98, режим работы- полная нагрузка (100% дросселя), частота вращения-800 об/мин.

При работе эталонного двигателя на указанной частоте Рс =25 кг/см², Тс =580⁰С, УОЗ θ =2-3⁰ до ВМТ. Точка начала тепловыделения 0⁰ ВМТ. Рz =56 кг/см², достигается, примерно, в 7-8⁰ ПКВ после ВМТ, Тz =2400⁰С, достигается в 16-18⁰ ПКВ после ВМТ. При работе на этой частоте процессы формирования очага пламени, развития в смеси предпламенных реакций, распространения фронта пламени, сгорания, увеличения объема камеры сгорания, нарастания давления будут полностью сбалансированы и сведены в точку равновесия процессов. Уменьшение оборотов без дросселирования вызовет детонацию, увеличение оборотов без коррекции УОЗ- резкое падение эффективности. Чтобы этого не произошло, придется повышать УОЗ. При, допустим, частоте вращения 3000 об/мин оптимальный УОЗ будет, примерно, θ=35⁰ до ВМТ и диаграмма двигателя будет иметь такой вид, как на рис. 58. То есть, процессы будут происходить в зоне равновесия. Отклонение УОЗ на несколько градусов, или изменение октанового числа на несколько единиц останутся практически не замеченными.

2. Расчетный двигатель. Аппаратурные условия: ε =20, Ра - от 0,425 до 1 кг/см², k =1,36, Та = 50⁰С, используемый бензин АИ-98, режим работы- полная нагрузка (42,5-100% дросселя), минимальная частота вращения 800 об/мин, максимальная 6000 об/мин.

При работе двигателя на частоте n =800 об/мин с полной нагрузкой мы должны выдержать условия формирования очага пламени, распространения фронта и пр. эталонного двигателя на полной нагрузке. Поэтому ограничиваем наполнение путем дросселирования до 42,5%, Ра =0,425, (в ВАЗ-2110 с ε =20 фактически доходит до 0,6) Рс =25 кг/см², Тс =580⁰С, УОЗ θ =2-3⁰ до ВМТ. Точка начала тепловыделения 0⁰ ВМТ. Рz =56 кг/см², достигается, примерно, в 8-9⁰ ПКВ после ВМТ, Тz =2200⁰С, достигается, примерно, в 18-19⁰ ПКВ после ВМТ. При работе на этой частоте процессы формирования очага пламени, развития в смеси предпламенных реакций, распространения фронта пламени, сгорания, увеличения объема камеры сгорания, нарастания давления, как и в эталонном двигателе, будут полностью сбалансированы и сведены в точку равновесия процессов. Уменьшение оборотов без уменьшения Ра вызовет детонацию, увеличение оборотов без увеличения Ра или УОЗ- резкое падение эффективности. При увеличении оборотов до 1600 время прохождения указанных процессов уменьшается вдвое. Соответственно, в нашем распоряжении имеется вдвое большее количество времени задержки самовоспламенения. Поэтому есть возможность по мере увеличения оборотов пропорционально увеличивать Ра до величины 1 кг/см². До этого числа оборотов процессы формирования очага пламени, развития в смеси предпламенных реакций, распространения фронта пламени, сгорания, увеличения объема камеры сгорания, нарастания давления будут полностью сбалансированы и сведены в точку равновесия процессов. При этом Рс =59 кг/см², Тс =670⁰С, УОЗ θ =5-6⁰ до ВМТ. Точка начала тепловыделения 0⁰ ВМТ. Рz >80 кг/см², достигается, примерно, в 20⁰ ПКВ после ВМТ, Тz»2000⁰С, достигается в 30⁰ ПКВ после ВМТ. При частоте вращения 1800 об/мин и выше время задержки самовоспламенения начинает отставать от скорости формирования и протекания процессов. Поэтому увеличиваем УОЗ. При, допустим, частоте вращения 3000 об/мин оптимальный УОЗ будет, примерно, θ=15⁰ до ВМТ и диаграмма двигателя будет иметь такой вид, как на приведенном выше рис. 58-а. То есть, процессы будут происходить в сильно суженной зоне равновесия. Отклонение УОЗ на 2-3 градуса, или изменение октанового числа на несколько единиц станут довольно заметными либо в виде детонации, либо в виде падения эффективности.

Период между частотами от n =800 до n =1600 оборотов в минуту и наполнением от Ра =0,425 до Ра =1 для двигателя со степенью сжатия ε =20 является периодом синхронизации процессов.

Закон синхронизации процессов может быть сформулирован следующим образом:

 

Любой величине частоты в заданном интервале частот соответствует только одно количество рабочей смеси. Любому количеству смеси в заданном интервале количеств смеси соответствует только одна величина частоты.

 

С позиций наименьших потерь теплоты в стенки условие подвода теплоты к рабочему телу при Т=const является наиболее выгодным, а цикл с подводом теплоты при V=const наименее выгодным. Если применить правило процесса Т=const к поршневому ДВС, то на рабочем такте от 0 до 50 градусов поворота коленчатого вала при движении поршня от ВМТ теплота, требующаяся для совершения работы, должна будет подводиться по мере ее необходимости (путем многостадийного впрыска), а не заранее.

Но в ДВС, во-первых, обеспечить безусловно точное постоянство температуры расширяющихся газов не возможно, во-вторых, в этом нет необходимости. Как в цикле со смешанным подводом теплоты нет необходимости производить расширение при безусловно точном постоянном давлении. На рис. 47 индикаторной диаграммы дизельного двигателя отображен процесс изменения давления между точками 3 и 4. По кривым видно, что динамика уменьшения давления между указанными точками примерно такая же, как динамика увеличения температуры между точками 3' и 4'. В теории делается допущение, что между точками 3 и 4 давление не изменяется и это каким-то отрицательным образом на результатах цикла не отражается. Соответственно, можно принять, как допущение, что и температура между точками 3'-4'-5' является постоянной величиной. При таком допущении указанный участок расширения можно считать изотермическим.

Сказанное можно подытожить следующим образом:

1. ВМТ есть «мертвая точка», а зона, прилежащая к ней, «мертвая зона».

2. Увеличение степени сжатия ДВС позволяет начинать относительно низкотемпературные процессы предпламенных реакций со значительно меньшей удельной площадью охлаждения в «мертвой» зоне малого изменения объема рабочего тела, а высокотемпературные процессы горения и изменения состояния рабочего тела переносить в «живую» зону большей активности поршня.

3. Чем выше степень сжатия, тем в меньшем объеме и дальше от ВМТ будут происходить процессы горения и тем больше будут пределы изменения состояния рабочего тела. Так, в двигателе со степенью сжатия ε =30 объем надпоршневой полости при повороте коленчатого вала на 28,5⁰ после ВМТ будет равен минимальному объему Vс двигателя со степенью сжатия ε =10.

4. Чем выше степень сжатия, тем больше будет длина «изотермического» участка расширения действительного цикла и тем больше работа двигателя будет соответствовать идеальным условиям. Как видно из приведенной выше сравнительной таблицы 23 (И.М.Ленин) по мере увеличения степени сжатия экономичность и эффективность двигателя неуклонно растут. Такие же пропорции в увеличении удельной мощности, в уменьшении удельного расхода топлива, уменьшении мощности механических потерь и теплоотдачи в стенки камеры сгорания сохраняются и при увеличении степени сжатия бензинового двигателя до 22 и выше.

«Для проверки этого метода расчета был выбран второй вариант увеличения мощности. Расчетная степень сжатия 8,5 была установлена в 20 градусах от ВМТ на двигателе ВАЗ 2106. Это дало в верхней мертвой точке степень сжатия 13 единиц. Мощность двигателя возросла до 98 л.с. вместо 75 л.с. по паспорту, прирост составил более чем 30%. Расход топлива снизился на 24 % и составляет 5,5 литров на 100 км». (Сборник МГТУ, стр. 112).

Еще один положительный аспект увеличения степени сжатия: «Наибольший возможный объем тела V_maх достигается при продолжении расширения рабочего тела до минимального давления цикла р _min. При этом возрастают и термический КПД и работа цикла. Однако с увеличением объема V_maх соответственно уменьшается удельная работа, т.е. среднее давление цикла. При осуществлении цикла с продолженным расширением в поршневом двигателе потери от теплообмена и трения в действительных процессах быстро возрастают с увеличением разности V_maх - V_min, и некоторое, относительно небольшое увеличение работы цикла не компенсируют этих потерь. Вместе с тем уменьшение среднего давления цикла приводит к необходимости увеличения размеров цилиндра для получения заданной мощности двигателя» (Д.Н. Вырубов, стр. 11).

 

Таблица 1. (Д.Н.Вырубов. стр. 19)

 

Цель продолжения расширения в обычных или комбинированных двигателях- увеличить в первом случае экономичность, во втором случае эффективность. Эта задача возникает потому, что при завершении цикла нормального двигателя в удаляемых газах сохраняется такой большой избыток теплоты, что его еще можно использовать со значительной пользой. Но как указано у Д.Н.Вырубова: 1.Если использовать принцип продолжения расширения за счет увеличения рабочего хода поршня (показатель Vb), падает среднее давление цикла, что уменьшает эффективность. При этом двигатель становится более громоздким. Так, если в двигателе ВАЗ-2110 увеличить реальное расширение с 7,68 до 13 за счет увеличения хода поршня, то ход поршня вместо 71 мм, станет 127 мм. 2. Если же продолжить расширение в комбинированном двигателе, возрастает эффективность, но уменьшается экономичность.

Если же ход поршня оставить прежним и получить продолженное расширение путем уменьшения первоначального объема рабочего тела (показатель Vz), т.е. увеличением степени сжатия от 9,9 до 22, то недостатки исчезнут. По сравнению с обычным бензиновым, дизельный двигатель фактически является не просто двигателем с высокой степенью сжатия, а двигателем с продолженным в поршневой части расширением.

Из таблицы 1 видно, что двигатель с ε =20 при практически равных показателях сжатия-расширения имеет больший КПД, чем двигатель с ε =9,11 с продолженным в турбокомпрессоре расширением. А если вывести h_е приведенных в таблице двигателей, то окажется, что экономичность двигателя с ε =9,11 за счет потерь на привод турбокомпрессора значительно ниже.

Другим положительным фактором увеличения степени сжатия двигателя является увеличение возможностей его форсировки. Если даже считать, что приведенные выше Д.Д. Брозе цифры соотношения времени распространения фронта пламени и скорости протекания реакции сгорания 10:1 являются завышенными (для приведенного случая более верно соотношение 7:1), теоретические возможности форсировки и увеличения удельной мощности ДВС чрезвычайно высоки.

Об этом свидетельствует и диаграмма на рис. 93 (А.Н.Воинов, стр.196) из которой следует, что увеличение степени сжатия и увеличение оборотов двигателя способствуют увеличению степени турбулентности смеси и уменьшению основной фазы сгорания смеси. Это касается не только бензиновых двигателей, но и дизельных. По нашим расчетам при увеличении степени сжатия дизельного ДВС с 17 до 55 наиболее эффективные с точки зрения удельного расхода топлива и среднего давления цикла показатели будут получены при 2500-5000 оборотов в минуту.

Еще одним положительным фактором увеличения степени сжатия до максимально возможных и оправданных с точки зрения экономичности и эффективности величин степеней сжатия является то, что такое увеличение позволяет, снижая потери на насосный ход выпуска продуктов сгорания (из-за уменьшения объема за счет более низких температур выпуска), смещать момент предварения выпуска в сторону НМТ. В результате этого появляется возможность дополнительно увеличить величину показателя последующего расширения δ. В виду этого при степенях сжатия выше 14-15 более экономичными и эффективными будут бензиновые двигатели, в которых диаметр поршня будет меньше его хода.

 

 

Степень сжатия.

 

В теории 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.

В какой степени сжимается рабочее тело при ограничении наполнения цилиндра (то есть при дросселировании) в теории не анализируется. Так, при работе бензинового ДВС на холостых оборотах количество воздуха, поступающего в цилиндр, меньше примерно в 5 раз, чем при работе без ограничения наполнения. Фактическое сжатие воздуха при этом в 5 раз меньше.

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 (арифметическая) -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 воздуха или горючей смеси в состоянии соответствующем давлению окружающей среды к объему камеры сгорания. Реальный объем воздуха или горючей смеси 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, 80%- приблизительно 14.4. При расходе 100% воздуха действительная степень сжатия может быть больше, меньше или равна геометрической степени сжатия.

При работе двигателя со степенью сжатия 20.5 на стенде при частоте 2000 об/мин на внешней скоростной характеристике наполнение цилиндра составляло в среднем 384 мг смеси, или 343 см³. Это составляет 87% от полного объема цилиндра. При работе двигателя с частотой 3200 об/мин. наполнение составляло около 470 мг смеси, или 420 см³. Это составляет 105% от полного объема цилиндра.

То есть, при частоте 2000 об/мин действительная степень сжатия смеси в двигателе составляет около 17.8, а при частоте в 3200 об/мин- 21.5.

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

1.Двигатель со степенью сжатия 10.

При расходе 40% смеси от максимального наполнения для данных оборотов в цилиндре оказывается в 2.5 раза меньше воздуха, чем при полностью открытой дроссельной заслонке. В момент закрытия впускного клапана давление в цилиндре составит 0.4 от давления окружающей среды (степень максимального наполнения цилиндра для данных оборотов считается равной 1). То есть, 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 оставшиеся 0.36 величины хода поршня. Действительная степень сжатия смеси при этом составит 4.6.

2.Для двигателя со степенью сжатия 25 действительная степень сжатия воздуха или горючей смеси при тех же условиях составит 10.6. То есть, 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.

Как утверждает теория, если происходит процесс уменьшения объема рабочего тела, находящегося в состоянии разрежения, такой процесс все равно называется сжатием. В частности, в двигателе со степенью сжатия ε =25 при наполнении цилиндра на 0.4 его объема процесс сжатия якобы начинается в НМТ. Все расчеты параметров рабочего тела производятся исходя из величины степени сжатия 25. При этом выходит следующая картина: Рс = 25^1.4 ∙ 0.4 = 36.24 кг/см². Тс = Та ∙ε ^{k -1}= 320∙ 25^0.4= 1159 ⁰К. Реальная картина параметров рабочего тела в конце сжатия при действительной степени сжатия ε_д =10.6 следующая: Рс = 10.6^1.4 ∙ 1= 27.25 кг/см² (меньше на 8.99 кг/см²). Тс = Та ∙ε ^{k -1}= 320∙ 10.6^0.4= 822⁰К (меньше на 337⁰ С). То есть, принятая в теории методика расчета параметров рабочего тела при частичном наполнении цилиндра не дает представления о том, что реально происходит в цилиндре двигателя.

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 в 15^о ПКВ после ВМТ.

В двигателе со степенью сжатия 25 равнозначное максимальное давление цикла Рz будет достигнуто 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 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 протекать с ограничением количества вводимой в рабочее тело теплоты. В виду этого по мере повышения степени сжатия до сверхвысоких величин длина линии изотермного расширения будет увеличиваться до 50-55⁰ ПКВ.

Действительная степень сжатия в предложенном варианте будет реально отражать характер процессов, происходящих в цилиндре при каждом рабочем цикле.

В теории ДВС есть ни чем не обоснованные предположения о том, что допустимые пределы степени сжатия бензиновых двигателей находятся в районе 13-14, а дизельных двигателей в районе 23-25. Также имеются предположения о том, что при превышении некоей величины степени сжатия количество отрицательной работы цикла начнет превышать количество положительной работы. Но формулы, которая позволила бы рассчитать величину наивыгодной степени сжатия, в теории ДВС нет.

Согласно второму закону термодинамики КПД термодинамической системы будет равен нулю, если при протекании цикла количество отдаваемой на компенсацию теплоты будет равно количеству теплоты подводимой к рабочему телу. «Цикл» Карно является моделью точно демонстрирующей данное положение. В действительных циклах суммарная мощность механических и других видов тепловых потерь могут уравновесить индикаторную мощность двигателя. В результате этого эффективная работа может стать равной нулю.

Помимо этого формула h_t =1- 1/ ε^{k -1} не запрещает считать, что теоретически степень сжатия циклов тепловых машин может быть сколь угодно большой, допустим, ε → ∞. При таком условии получается, что КПД цикла будет стремиться к h_t →1. На основании этого может возникнуть предположение о том, что количество отводимой холодному источнику теплоты будет стремиться Q₂ → 0 (к нулю) и второй закон термодинамики при ε → ∞ перестает действовать. Но разграничение и расчет теплоты компенсации в теплоте, отводимой холодному источнику и удаляемой во внешнюю среду, показывает, что теоретически степень сжатия может быть доведена только до определенного идеального предела, при котором подведенная теплота полностью будет преобразована в работу и теплоту компен