Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren. Wärmekraftmaschine

In Wirklichkeit ist die Arbeit, die mit Hilfe eines Geräts geleistet wird, immer nützlichere Arbeit, da ein Teil der Arbeit gegen die Reibungskräfte verrichtet wird, die im Inneren des Mechanismus und beim Bewegen wirken separate Teile... Mit einem beweglichen Block führen sie also Zusätzliche Arbeit Anheben des Blocks selbst und des Seils und Überwinden der Reibungskräfte im Block.

Führen wir folgende Notation ein: Wir bezeichnen nützliche Arbeit mit $ A_p $, Voller Job- $ A_ (Poln) $. In diesem Fall haben wir:

Definition

Koeffizient nützliche Aktion(Effizienz) wird das Verhältnis von nützlicher Arbeit zu abgeschlossener Arbeit genannt. Bezeichnen wir Effizienz mit dem Buchstaben $ \ eta $, dann:

\ [\ eta = \ frac (A_p) (A_ (poln)) \ \ links (2 \ rechts). \]

Am häufigsten wird die Effizienz in Prozent ausgedrückt, dann ist ihre Definition die Formel:

\ [\ eta = \ frac (A_p) (A_ (poln)) \ cdot 100 \% \ \ links (2 \ rechts). \]

Bei der Schaffung von Mechanismen versuchen sie, ihre Effizienz zu steigern, aber Mechanismen mit einer Effizienz von eins (und noch mehr mehr als eins) existieren nicht.

Der Wirkungsgrad ist also eine physikalische Größe, die den Anteil der Nutzarbeit an der geleisteten Arbeit angibt. Mit Hilfe des Wirkungsgrades wird der Wirkungsgrad eines Gerätes (Mechanismus, System) bewertet, das Energie umwandelt oder überträgt und Arbeit verrichtet.

Um die Effizienz von Mechanismen zu erhöhen, kann man versuchen, die Reibung in ihren Achsen, ihre Masse zu reduzieren. Wenn die Reibung vernachlässigt werden kann, ist die Masse des Mechanismus deutlich geringer als die Masse beispielsweise der Last, die der Mechanismus hebt, dann ist der Wirkungsgrad etwas kleiner als Eins. Dann ist die geleistete Arbeit ungefähr gleich der Nutzarbeit:

Die goldene Regel der Mechanik

Es muss daran erinnert werden, dass es unmöglich ist, mit einem einfachen Mechanismus einen Arbeitsgewinn zu erzielen.

Drücken wir jede der Arbeiten in der Formel (3) als Produkt der entsprechenden Kraft durch den unter dem Einfluss dieser Kraft zurückgelegten Weg aus, dann transformieren wir die Formel (3) in die Form:

Ausdruck (4) zeigt, dass wir mit einem einfachen Mechanismus genauso viel an Kraft gewinnen wie wir auf dem Weg verlieren. Dieses Gesetz wird die "goldene Regel" der Mechanik genannt. Diese Regel wurde im antiken Griechenland von Heron von Alexandria formuliert.

Diese Regel berücksichtigt nicht die Arbeit zur Überwindung von Reibungskräften, daher ist sie ungefähr.

Leistungsübertragungseffizienz

Der Wirkungsgrad kann als Verhältnis der Nutzarbeit zu der für ihre Ausführung aufgewendeten Energie definiert werden ($ Q $):

\ [\ eta = \ frac (A_p) (Q) \ cdot 100 \% \ \ links (5 \ rechts). \]

Um den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu berechnen, wird die folgende Formel verwendet:

\ [\ eta = \ frac (Q_n-Q_ (ch)) (Q_n) \ left (6 \ right), \]

wobei $ Q_n $ die von der Heizung empfangene Wärmemenge ist; $ Q_ (ch) $ - die Wärmemenge, die an den Kühlschrank übertragen wird.

Der Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine, die nach dem Carnot-Zyklus arbeitet, ist gleich:

\ [\ eta = \ frac (T_n-T_ (ch)) (T_n) \ left (7 \ right), \]

wobei $ T_n $ die Heizungstemperatur ist; $ T_ (ch) $ - Kühlschranktemperatur.

Beispiele für Effizienzaufgaben

Beispiel 1

Übung. Der Kranmotor hat eine Leistung von $ N $. Für eine Zeit von $ \ Delta t $ hob er eine Last von $ m $ auf eine Höhe von $ h $. Wie hoch ist die Effizienz eines Krans? \ Textit ()

Lösung. Die nützliche Arbeit im betrachteten Problem ist gleich der Arbeit, einen Körper auf eine Höhe $ h $ einer Masse $ m $ anzuheben, dies ist die Arbeit zur Überwindung der Schwerkraft. Es ist gleich:

Die gesamte Arbeit, die beim Heben einer Last verrichtet wird, finden wir mit der Definition von Leistung:

Verwenden wir die Definition der Effizienz, um sie zu finden:

\ [\ eta = \ frac (A_p) (A_ (poln)) \ cdot 100 \% \ left (1.3 \ right). \]

Formel (1.3) wird mit den Ausdrücken (1.1) und (1.2) transformiert:

\ [\ eta = \ frac (mgh) (N \ Delta t) \ cdot 100 \%.\]

Antworten.$ \ eta = \ frac (mgh) (N \ Delta t) \ cdot 100 \% $

Beispiel 2

Übung. Ein ideales Gas führt den Carnot-Zyklus durch, während Zykluseffizienz ist gleich $ \ eta $. Was ist die Aufgabe eines Gaskompressionszyklus mit konstanter Temperatur? Gasarbeit während der Expansion ist gleich $ A_0 $

Lösung. Die Effizienz des Zyklus ist definiert als:

\ [\ eta = \ frac (A_p) (Q) \ links (2.1 \ rechts). \]

Betrachten Sie den Carnot-Zyklus, bestimmen Sie, bei welchen Prozessen Wärme zugeführt wird (dies ist $ Q $).

Da der Carnot-Zyklus aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten besteht, kann man sofort sagen, dass bei adiabatischen Prozessen (Prozesse 2-3 und 4-1) kein Wärmeübergang stattfindet. Bei einem isothermen Prozess wird 1-2 Wärme zugeführt (Abb. 1 $ Q_1 $), bei einem isothermen Prozess wird 3-4 Wärme abgeführt ($ Q_2 $). Es stellt sich heraus, dass im Ausdruck (2.1) $ Q = Q_1 $ ist. Wir wissen, dass die dem System während des isothermen Prozesses zugeführte Wärmemenge (der erste Hauptsatz der Thermodynamik) vollständig an das Gas geht, um Arbeit zu verrichten, was bedeutet:

Gas verrichtet nützliche Arbeit, die gleich ist:

Die Wärmemenge, die bei einem isothermen Prozess 3-4 abgeführt wird, ist gleich der Kompressionsarbeit (Arbeit ist negativ) (da T = const, dann $ Q_2 = -A_ (34) $). Als Ergebnis haben wir:

Wir transformieren Formel (2.1) unter Berücksichtigung der Ergebnisse (2.2) - (2.4):

\ [\ eta = \ frac (A_ (12) + A_ (34)) (A_ (12)) \ bis A_ (12) \ eta = A_ (12) + A_ (34) \ bis A_ (34) = ( \ eta -1) A_ (12) \ links (2.4 \ rechts). \]

Da durch die Bedingung $ A_ (12) = A_0, \ $ erhalten wir schließlich:

Antworten.$ A_ (34) = \ links (\ eta -1 \ rechts) A_0 $

Der Leistungskoeffizient (COP) ist ein Begriff, der vielleicht auf jedes System und jedes Gerät angewendet werden kann. Sogar eine Person hat Effizienz, obwohl es wahrscheinlich noch keine objektive Formel gibt, um sie zu finden. In diesem Artikel erklären wir im Detail, was Effizienz ist und wie sie für verschiedene Systeme berechnet werden kann.

Effizienz-Definition

Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz eines Systems in Bezug auf Energieabgabe oder -umwandlung. Der Wirkungsgrad ist ein nicht messbarer Wert und wird entweder als Zahlenwert im Bereich von 0 bis 1 oder in Prozent angegeben.

Allgemeine Formel

Die Effizienz wird durch das Symbol Ƞ angezeigt.

Die allgemeine mathematische Formel zur Ermittlung des Wirkungsgrades lautet wie folgt:

Ƞ = A / Q, wobei A die vom System geleistete Nutzenergie / Arbeit ist und Q die von diesem System verbrauchte Energie ist, um den Prozess zur Erzielung einer Nutzleistung zu organisieren.

Der Wirkungsgrad ist leider immer kleiner als eins oder gleich, da wir nach dem Energieerhaltungssatz nicht mehr Arbeit leisten können als die aufgewendete Energie. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad in der Tat äußerst selten gleich Eins, da die Nutzarbeit immer von Verlusten begleitet wird, beispielsweise für die Erwärmung des Mechanismus.

Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Bei einer Wärmekraftmaschine wird die Arbeit durch die Differenz zwischen der vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge und der an den Kühler abgegebenen Wärmemenge bestimmt, und daher wird der Wirkungsgrad durch die Formel bestimmt:

• Ƞ = Qн-Qх / Qн, wobei Qн - die von der Heizung empfangene Wärmemenge und Qх - die an den Kühler abgegebene Wärmemenge.

Es wird angenommen, dass die höchste Effizienz von Motoren erreicht wird, die nach dem Carnot-Zyklus arbeiten. V dieser Fall Die Effizienz wird durch die Formel bestimmt:

• Ƞ = T1-T2 / T1, wobei T1 die Temperatur der heißen Quelle ist, T2 die Temperatur der kalten Quelle ist.

Wirkungsgrad des Elektromotors

Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, daher ist der Wirkungsgrad in diesem Fall der Wirkungsgrad des Geräts in Bezug auf die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Die Formel zur Ermittlung des Wirkungsgrades eines Elektromotors sieht wie folgt aus:

• Ƞ = P2 / P1, wobei P1 die zugeführte elektrische Leistung ist, P2 die nützliche mechanische Kraft vom Motor erzeugt.

Elektrische Leistung ergibt sich als Produkt aus Strom und Spannung des Systems (P = UI) und mechanischer Leistung - als Verhältnis von Arbeit zu einer Zeiteinheit (P = A / t)

Transformator-Wirkungsgrad

Ein Transformator ist ein Gerät, das umwandelt Wechselstrom eine Spannung in Wechselstrom einer anderen Spannung, wobei die Frequenz beibehalten wird. Darüber hinaus können Transformatoren auch Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.

Der Wirkungsgrad des Transformators ergibt sich aus der Formel:

• Ƞ = 1/1 + (P0 + PL * n2) / (P2 * n), wobei P0 der Modenverlust ist Leerlauf bewegen, PL - Lastverluste, P2 - an die Last abgegebene Wirkleistung, n - relativer Belastungsgrad.

Effizienz oder nicht Effizienz?

Es ist erwähnenswert, dass es neben der Effizienz eine Reihe von Indikatoren gibt, die die Effizienz von Energieprozessen charakterisieren, und manchmal können wir Beschreibungen des Typs finden - die Effizienz beträgt etwa 130%, aber in diesem Fall müssen Sie verstehen dass der Begriff nicht ganz korrekt verwendet wird und der Autor bzw. der Hersteller unter dieser Abkürzung höchstwahrscheinlich ein etwas anderes Merkmal versteht.

Wärmepumpen unterscheiden sich beispielsweise dadurch, dass sie mehr Wärme abgeben können als sie verbrauchen. Somit kann eine Kältemaschine dem zu kühlenden Gegenstand mehr Wärme entziehen, als für die Organisation der Entnahme an Energieäquivalent aufgewendet wird. Leistungsindikator Kältemaschine wird als Leistungszahl bezeichnet, bezeichnet mit dem Buchstaben Ɛ und wird durch die Formel bestimmt: Ɛ = Qx / A, wobei Qx die vom kalten Ende abgeführte Wärme ist, A die für den Entfernungsprozess aufgewendete Arbeit ist. Manchmal wird die Leistungszahl aber auch als Wirkungsgrad der Kältemaschine bezeichnet.

Interessant ist auch, dass die Effizienz von Kesseln, die auf fossile Brennstoffe, wird in der Regel auf Basis des Nettoheizwertes berechnet, wobei es sich auch um mehr als eins handeln kann. Trotzdem wird es traditionell immer noch als Effizienz bezeichnet. Es ist möglich, den Wirkungsgrad des Kessels durch den höchsten Heizwert zu bestimmen, und dann wird er immer kleiner als eins sein, aber in diesem Fall ist es unpraktisch, die Indikatoren der Kessel mit den Daten anderer Anlagen zu vergleichen.

Wirkungsgrad (Effizienz) ist der Wirkungsgrad der Nutzung von Kraftstoffenergie im Motor, je höher er ist, desto mehr Wärmeenergie aus der Kraftstoffverbrennung wird im Motor in mechanische Rotationsenergie der Hauptwelle umgewandelt. Je weniger Kraftstoff der Motor pro Einheit der Ausgangsleistung verbraucht.

ARTIKEL 1

MOTORENEFFIZIENZ - TUNING GLOBALER IDEEN,
Gibt es Perspektiven für die Verbesserung der Motoren?

Moderne Verbrennungsmotoren sind noch viele Jahrzehnte her - mit dem Aufkommen von direkte Injektion und Aufladesysteme für die in die Zylinder eintretende Luft haben die heutigen Effizienz- und Kraftstoffeffizienzwerte erreicht. Daher investieren die Weltkonzerne - Hersteller von Motoren für Autos und andere Geräte - heute viel Geld und jahrelange Bemühungen, um den Wirkungsgrad auf Kosten hoher Kosten und einer erheblichen Komplikation der Motorkonstruktion um nur 2 - 3% zu steigern. Aufwand und Kosten erweisen sich als völlig unvergleichbar mit den erzielten Ergebnissen. Das Ergebnis all dessen - wie im berühmten Sprichwort - "der Berg hat eine Maus geboren".
Übrigens deshalb überhaupt große Länder Es gibt eine ganze Branche des "Motortunings", dh. eine große Anzahl kleiner Firmen, halbhandwerklicher Werkstätten und einzelner Spezialisten, die sich verpflichten, irgendwie zu bringen Standardmotoren Massenmarken von Autos bis hin zu höheren Indikatoren für Leistung, Traktion usw. unterziehen Sie den Motor einer Feinabstimmung, Überarbeitung, Erzwingung usw. Tricks, die im Volksmund als Motortuning bezeichnet werden.

Aber all diese Maßnahmen und technischen Aktionen an Motoren sind sehr Standard, und all diese Tunings sind Ideen für mindestens ein halbes Jahrhundert. Lassen Sie mich daran erinnern, dass die Turboaufladung der in den Motor eintretenden Luft bereits in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts erfolgreich angewendet wurde und das erste Patent in den USA für ein solches Gerät bereits 1905 vom Schweizer Ingenieur Alfred Büchi erteilt wurde ... Und schon in der Anfangszeit des Zweiten Weltkriegs wurden Direkteinspritzsysteme in Zylinder massiv in Kolbenmotoren der militärischen Luftfahrt eingesetzt. Jene. alle modernen "fortgeschrittenen" technischen Systeme des Kampfes um die Verbesserung der Effizienz und Kraftstoffeffizienz von Motoren sind bereits weniger als hundert Jahre alt oder sogar noch älter. Mit all diesen Tricks überschreitet der Gesamtwirkungsgrad der besten Benzinmotoren (mit Fremdzündung) nicht 25-30% und der Wirkungsgrad der besten Dieselmotoren in ihren sparsamsten Großversionen (mit vielen komplexen Zusatzgeräten) ) darf für viele Jahrzehnte 40 nicht überschreiten. -45%. Kleine Diesel haben einen um 10 Prozent geringeren Wirkungsgrad.

In diesem Artikel werden wir versuchen, kurz und in allgemeiner Sprache die Hauptaufgaben zu skizzieren und die theoretischen Möglichkeiten zu ermitteln, einen Verbrennungsmotor mit einem sicheren Wirkungsgrad von über 50% zu schaffen.

* * * So - Motoreffizienz, nach Lehrbüchern für technische Hochschulen zu urteilen, setzt sich aus zwei Werten zusammen: thermodynamischer Wirkungsgrad und mechanischer Wirkungsgrad .

Der erste Wert gibt an, wie viel der im Motor erzeugten Wärme in Nutzarbeit umgewandelt wird und wie viel an die Umgebung verloren geht. Der mechanische Wirkungsgrad gibt an, welcher Teil aktive Arbeit Es ist sinnlos, Geld für die Überwindung verschiedener mechanischer Widerstände und den Antrieb zusätzlicher Geräte im Motor selbst auszugeben.

Aber aus irgendeinem Grund wird das Konzept der "Kraftstoffeffizienz" in allen Lehrbüchern nicht in das Konzept der allgemeinen Effizienz aufgenommen. Das heißt, ein Wert, der anzeigt, wie viel Kraftstoff vorteilhaft verbrannt wird und in Wärme umgewandelt wird, und das Volumen an Arbeitsgasen, und wie viel Kraftstoff nicht verbrennt und in Form von Kraftstoffdampf oder Produkten seiner unvollständigen Verbrennung in den Auspuff gelangt. Es ist dieser unverbrannte Teil des Kraftstoffs, der in modernen "hocheffizienten" Autos in Katalysatoren ausgebrannt wird, die in die Auspuffrohre eingebaut sind. Jene. der Auspuff durch die Verwendung dieser Systeme erweist sich als recht sauber, aber dieses System erhöht in keiner Weise die Kraftstoffeffizienz und die Motoreffizienz. Im Gegenteil, sie reduziert – denn um einen Teil der Abgase durch das „dichte Gitter“ der katalytischen Oberflächen zu „pumpen“, muss der Motor wie eine solide Pumpe arbeiten und dafür einen erheblichen Teil seiner Leistung aufwenden. Natürlich ist diese Kategorie in den Formeln zur Berechnung der Effizienz irgendwie vorhanden, aber sie ist nicht explizit und zaghaft vorhanden. Beispielsweise gibt es in einer solchen Form wie beispielsweise in einer der Formeln für die allgemeine Wärmebilanz eine Komponente „Q n.s. - Wärme, die durch unvollständige Verbrennung gewonnen wird." Aber all diese Ansätze leiden an einer gewissen Unbestimmtheit, daher werde ich versuchen, alles so klar und systemisch wie möglich darzustellen.

Der Gesamtwirkungsgrad des Motors wird also in 3 Hauptteile zerlegt:

• Kraftstoffeffizienz;
• thermischen Wirkungsgrad;
• mechanische Effizienz;

Die Essenz dieser Werte ist wie folgt:

Kraftstoffeffizienz- zeigt an, wie viel Kraftstoff effektiv im Motor verbrannt und in ein Volumen von Hochtemperatur-Arbeitsgasen umgewandelt wird und hoher Druck, und welcher Teil des Kraftstoffs wurde nie verbrannt, und in Form von unvollständigen Verbrennungsprodukten, verkohlten Partikeln (in Form von Rauch, Ruß und Ruß) oder im Allgemeinen praktisch in Form von reinen Kraftstoffdämpfen, gelangten sie direkt in den Motor und flog ins Auspuffrohr. Wenn Sie neben einem alten, funktionierenden Haushaltswagen, insbesondere einem Lastwagen, stehen und einen starken Benzingeruch riechen - dieses Ergebnis führt zu einer so ineffizienten Art der teilweisen Verbrennung von Kraftstoffen;
Thermischen Wirkungsgrad - zeigt an, wie viel Wärme aus der Verbrennung von Brennstoffen in Nutzarbeit umgewandelt wird und welche Menge nutzlos an den umgebenden Raum abgegeben wird;
Mechanischer Wirkungsgrad - zeigt wie viel mechanische Arbeit verwandelt sich in eine Drehmomentkraft auf die Hauptwelle und wird auf den Verbraucher übertragen, und die nutzlos für Reibung oder für den Antrieb der Stützmechanismen aufgewendet wird;

Betrachten wir kurz alle diese Positionen:
Kraftstoffeffizienz - zu diesem Thema verständliche Daten, noch in den alten sowjetischen Lehrbüchern über Theorie und Berechnung von Verbrennungsmotoren, noch in den endlosen Ressourcen des modernen Internets nicht gefunden werden konnte.
In diesen Daten konnten verständliche und aussagekräftige Daten zur Berechnung von Katalysatoren aus unverbranntem Kraftstoff für moderne Autos gefunden werden. Schließlich müssen sie auch die Leistung ihrer Nachbrenner für eine bestimmte Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Motoren klar berechnen. Aus diesen Daten folgt also, dass Kolbenmotoren (auch Diesel) im Durchschnitt nicht mehr als 75 % des Kraftstoffs verbrennen, aber 25 % der Kraftstoffdämpfe und Produkte seiner unvollständigen Verbrennung in das Abgasrohr gelangen und die Dienste eines Nachbrenners benötigen (um die Umwelt nicht zu vergiften). Jene. bei heute existierenden Motoren werden nicht mehr als 75 % des Kraftstoffs vollständig verbrannt und in Wärme umgewandelt. Bei 2-Takt-Motoren ist dieser Wert noch niedriger.

Thermischen Wirkungsgrad- Im Durchschnitt haben Kolbenmotoren diesen Wirkungsgrad in Höhe von 35-40%. Jene. ca. 65 % der erzeugten Wärme werden über das Kühlsystem an die Umgebung abgegeben und Abgase.

Mechanischer Wirkungsgrad - Im Durchschnitt werden 10 % der Motorarbeit für die Reibung zwischen seinen Teilen und für den Antrieb der Hilfsmechanismen des Motors aufgewendet.

Infolgedessen haben moderne Kolbenmotoren kleiner Baugröße und Leistung in Bezug auf die Summe der thermischen und mechanischen Verluste einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 30%.
Große Motoren, wie Schiffsdieselmotoren oder große Motoren von Eisenbahnlokomotiven und Lastwagen, sind einfacher, Energie zu sparen, aber wir werden nicht darüber sprechen.

Aber - Effizienzwert 30% berücksichtigt nicht den Anteil an unverbranntem Brennstoff, d.h. berücksichtigt nicht die Nützlichkeit der Verbrennung von Kraftstoffdämpfen im Motor. Ich glaube, dass unter Berücksichtigung dieses Parameters der Wert des tatsächlichen Wirkungsgrads von Kolben-Benzinmotoren nicht höher als 20% und von Dieselmotoren - etwas mehr, um etwa 5-7% - sein wird.

Das Ergebnis ist besser als Dampfmaschinen auf Kohle mit ihrem Wirkungsgrad von 7-8%, aber immer noch sehr wenig.
Denken wir mal nach – warum ist die angegebene „Kraftstoffeffizienz“ nicht im Begriff der Effizienz enthalten? Warum übersieht der Effizienzbegriff eindeutig den Anteil des Brennstoffs, der seinen Teil nicht zum Verbrennungs- und Wärmeerzeugungsprozess beisteuert? Jene. die meisten Verluste moderner Motoren fallen aus dem Effizienzbegriff heraus und sind die Zahlen moderner Effizienzwerte ohne Berücksichtigung dieser Verluste deutlich überschätzt?

Die Wahrheit liegt in der Bedeutung des Begriffs "Effizienz". Jene. es ist eine Bestimmung des Anteils an nützlicher Arbeit - "Aktion" und des Anteils an nutzloser Arbeit. Manche Arbeit oder Energiefreisetzung ist von Vorteil, und manches (zum Beispiel um Reibung zu überwinden oder Wärmeenergie, die durch Abgase verloren geht) ist nutzlos, aber es ist da und diese Energie ist greifbar und wird berücksichtigt. Aber die Verluste durch unverbrannten Kraftstoff äußern sich weder in nutzloser Hitze noch in unangemessener Arbeit. Diese „Saldo-Minus“ sind keine Arbeitsplatzverluste oder Wärmeverluste. Es ist eine Verschwendung, Kraftstoff in reiner Form... Jene. das sind Verluste weder in Joule noch in Atmosphären, sondern in Gramm und Litern. Und für solche Verluste kann man keine Messung oder Abrechnung unter der Kategorie Druckverlust oder Verlustwärme, nutzloses Handeln oder unnötig aufgewendete Arbeit anwenden.

Daher sollte der NÜTZLICHE WIRKUNGSKOEFFIZIENT rein nach den Regeln der formalen Logik diese Verluste nicht berücksichtigen. Zu diesem Zweck sollte es einen anderen Indikator und eine andere Determinante geben, aber es gibt keinen so klaren und verständlichen Parameter, der weit verbreitet ist. Wir bekommen also einen bewusst gekürzten und allzu glückseligen Indikator für die Effizienz moderner Motoren - einen Effizienzindikator, der nur einen Teil der Verluste berücksichtigt ...

Tatsächlich fällt der Gesamtwirkungsgrad moderner Verbrennungsmotoren jedoch deutlich geringer aus als der allgemein postulierte Wirkungsgrad von 35-40% Wirkungsgrad. Berücksichtigt werden schließlich nur die wohltuende Wirkung und die umsonst verlorene Energie und die Mehrarbeit durch den verbrannten Teil des Brennstoffs. Der Verlust des unverbrannten Teils des Kraftstoffs aus der Gesamtbilanz des dem Motor zugeführten Kraftstoffs ist jedoch nicht vollständig bestimmt ...

INSPEKTION UND INVENTAR VON VERLUSTE IM KOLBENEIS Wir werden versuchen, alle im Kraftstoff enthaltenen Energieverluste kurz zu betrachten und zu analysieren, einer nach dem anderen gemäß den oben genannten Positionen. Und dann - über die Möglichkeiten nachzudenken, diese Verluste loszuwerden. Jene. Wir werden versuchen, das Konzept zu formulieren und die allgemeinen Merkmale eines perfekten Motors zu skizzieren.

* * *
Erste Verluststufe- unvollständige Verbrennung von Kraftstoff in den Brennräumen des Motors. Alle Experten wissen, dass Kraftstoff in modernen Motoren unvollständig verbrennt und ein Teil davon mit den Abgasen in den Auspuff gelangt. Aus diesem Grund vergiften moderne Verbrennungsmotoren die Luft mit Produkten der unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und um "saubere Abgase" im Auspuff moderner Autos zu erhalten, setzen sie einen katalytischen Nachbrenner ein, der den Kraftstoff auf seinen Oberflächen "verbrennt". aktive Elemente... Dadurch wird in den Zylindern nicht erhitzter Kraftstoff in diesen Katalysatoren nutzlos oxidiert. Aber der Auspuff wird sauberer. Der Preis dieser Katalysatoren mit Rhodium- und Platinoberfläche ist jedoch sehr hoch und sie funktionieren nur für eine begrenzte Zeit.

Aufgabe- einen Motor zu erhalten, der den Kraftstoff VOLLSTÄNDIG in seinen Brennkammern verbrennt und die Energie der chemischen Bindungen des Kraftstoffs vollständig in Wärme und eine große Menge einfacher Verbrennungsgase wie Wasserdampf und CO2 umwandelt.

Überlegen Sie zunächst, warum herkömmliche Kolbenmotoren Kraftstoff nicht vollständig verbrennen. Was verhindert die Umsetzung des vollständigen Verbrennungsprozesses?

Die Hauptschwierigkeit bei Kolbenmotoren zu diesem Thema ist der Sauerstoffmangel für die Verbrennung sowie die Umsetzung des Verbrennungsprozesses in einem technologischen Takt mit der Expansion von Verbrennungsgasen. Die letzte Situation kann mit anderen Worten beschrieben werden - das Arbeitsgemisch hat nicht genug Zeit für eine vollständige Verbrennung. Diese " Geburtskrankheiten»Kolbenmotoren sind praktisch unheilbar, daher hat die Ingenieurskunst, die mehr als 120 Jahre lang versucht hat, sie loszuwerden, nie einen Weg gefunden, dies zu tun.

Schauen wir uns diesen Nachteil genauer an: Wenn sich der Kolben also am oberen Totpunkt (TDC) befindet, wird das komprimierte Arbeitsgemisch (PCm) gezündet. Der Verbrennungsprozess beginnt, der für einige Zeit fließt. Eine ungefähre Verbrennung des Arbeitsgemisches in einem modernen Hochgeschwindigkeitsmotor dauert etwa eine Millisekunde - 0,001 Sekunden. Im Allgemeinen finden alle 4 Schritte in 0,02 bis 0,04 Sekunden statt.

Es ist bekannt, dass eine hohe Temperatur und ein hoher Druck für eine vollständige und vollständige Verbrennung von Kraftstoffdämpfen wünschenswert sind. Aber unmittelbar nachdem der Kolben den OT passiert hat, beginnt er sich nach unten zu bewegen, wobei das Volumen des Raums über dem Kolben erheblich vergrößert wird. Jene. Wenn sich die Verbrennungsfront des Arbeitsgemisches (PCm) in der Brennkammer ausbreitet, verbrennen die ersten Anteile des verbrannten PCm bei hoher Temperatur und hohem Druck. Aber die letzten Teile des brennenden PCM befinden sich unter Bedingungen stark abnehmenden Drucks und fallender Temperatur. Dementsprechend sinkt der Nutzen der Verbrennung stark oder hört sogar ganz auf. Aus diesem Grund hat ein Teil des PCM keine Zeit zum Brennen oder brennt unvollständig aus. Daher gelangt ein Teil des Kraftstoffdampfs in das Auspuffrohr und die Abgase enthalten sicherlich Produkte unvollständiger Verbrennung von Kraftstoffkohlenwasserstoffen. Dadurch verbrennt ein Teil des Kraftstoffs nicht und wandelt seine Energie nicht in Wärme und dann in die Rotation der Hauptwelle des Motors um, sondern verschmutzt und vergiftet nur die Umgebungsluft.

Dieser Nachteil ist praktisch nicht zu beseitigen, da die Grundkonstruktion eines Kolbenmotors das wichtigste Prinzip der Kombination zweier unterschiedlicher Prozesse in einem technologischen Zyklus "Verbrennung - Expansion" voraussetzt: Verbrennung und Expansion von Verbrennungsprodukten. Diese Prozesse sind schwer zu kombinieren, da jeder von ihnen unter sich gegenseitig ausschließenden Bedingungen optimal abläuft optimale Bedingungen für einen anderen Prozess.

Tatsächlich findet der Verbrennungsprozess des PCM mit komprimierter Ladung am besten in einer verschlossenen Kammer mit konstantem Volumen statt. In der Thermodynamik wird dieser Prozess als „isochorer“ Prozess bezeichnet. Jene. die PCM-Ladung verbrennt vollständig und wandelt die gesamte Energie chemischer Bindungen von Kraftstoffkohlenwasserstoffen in einer geschlossenen Kammer unter Bedingungen stark ansteigendem Druck und Temperatur in Wärme und Druck um.
Und der Expansionsprozess findet am besten unter niedrigen Temperaturbedingungen statt (um die Schmierung der Gleit- und Reibflächen der Motorarbeitselemente zu gewährleisten) mit einer leichten Bewegung des Hauptarbeitskörpers (Kolben).
Wie Sie sehen, können beide Bedingungen bei Kolbenmotoren nicht vollständig erfüllt werden, daher folgt das kombinierte Brenn-Expansions-Verfahren einem „Kompromissszenario“, in dem für jeden der Prozesse wenig geeignete Bedingungen geschaffen werden, aber am Ende immer noch irgendwie lassen sich im Verlauf dieser gemeinsamen Prozesse mindestens 50% Wirkungsgrad realisieren. Daher ist der Betrieb eines modernen Kolbenmotors eine Technologie mit ständig schwierigen Kompromissen und erheblichen Verlusten.

Als Ergebnis einer solchen „Kompromissehe“ mit Verlusten für beide Fallbeteiligten erhalten wir folgendes Ergebnis:
— Brennen tritt auf unter Bedingungen einer starken Ausdehnung des Brennraums und sogar bei einer deutlich niedrigen Temperatur der Zylinderwände. Dadurch verbrennt der Kraftstoff unvollständig und wirkungslos und beim Aufheizen der kalten Wände des gekühlten Zylinders geht sogar ein Teil der Wärme des verbrannten Kraftstoffs verloren. Jene. die Verbrennung findet unter extrem ineffektiven Bedingungen statt.
— Erweiterung findet statt bei hohen Temperaturen aus dem Verbrennungsprozess in Kombination mit der Expansion. Deshalb müssen die Wände des Zylinders gekühlt werden, da Öl zum Schmieren der Reibflächen von Kolben und Zylinder bei einer Temperatur von mehr als 220 C ° seine "Gleiteigenschaften" verliert und die Reibung "trocken" beginnt und die verkohlt Öl wird zu festen Partikeln gesintert, die diesen Prozess noch mehr stören.

Teilweise wird ein Ausweg aus der Sackgasse des "Verbrennungs-Ausdehnungs"-Prozesses gefunden, indem " frühe Zündung»Damit ein möglichst kleiner Teil der PCM-Verbrennung auf der Linie der schnellen Expansion und einer starken Vergrößerung des Brennraumvolumens stattfindet. Aber dies ist ein erzwungener Plan, der mit anderen Nebenproblemen behaftet ist. Da die "frühere Zündung" die Zündung des PCM und die Erzeugung der Anfangsstufe des Arbeitsdrucks der Verbrennungsgase voraussetzt, noch bevor der Kolben den OT erreicht, d.h. in der Endphase der "Kompressions"-Maßnahme. Folglich muss die Trägheit des Kurbeltriebs (KShM) diesen entstehenden Druck des brennenden PCM überwinden und aufgrund der Rotationsträgheit des KShM oder der Arbeit anderer Kolben komprimieren, wodurch das brennende PCM zu expandieren begann. Das Ergebnis dieses Kompromisses ist ein starker Anstieg der Belastungen von Kurbelwelle, Kolben, Pleuel und KShM-Pins sowie eine Verringerung des Wirkungsgrades. Jene. der Motor entpuppt sich als Arena für die Konfrontation multidirektionaler Kräfte.

Ein weiteres schwieriges Thema für Hubkolbenmotoren ist der Sauerstoffmangel. Es ist zwar nur für Benzinmotoren typisch (Motoren mit Fremdzündung), Dieselmotoren (Motoren mit Selbstzündung) haben diesen Nachteil nicht. Aber Diesel bekamen stattdessen viele andere Schwierigkeiten - hohes Gewicht, Sperrigkeit und beeindruckende Abmessungen. Tatsächlich ist es niemandem gelungen, einen effizienten Dieselmotor mit akzeptablen Abmessungen mit einem Volumen von weniger als 1,2 Litern zu schaffen ... Dies ist der Motor des kleinsten Dieselautos Audi-A2. Und Diesel in sehr kleinen Dimensionen zu belassen, hat ein trauriges Ergebnis. Also - kleiner Diesel Vladimirsky Traktorenwerk D-120 (sie sind auf Minitraktoren installiert) mit einer Leistung von 25-30 PS. ein Gewicht von 280-300 kg haben. Jene. Eine PS Leistung macht 10 kg Gewicht aus. Andere Hersteller weltweit haben eine ähnliche Situation.
Der Kraftstoff verbrennt also nicht vollständig, wenn das PCM "fett" ist, d.h. es enthält viele Kraftstoffdämpfe und wenig Luft (Sauerstoff). Ein solches PCM hat keine Chance, vollständig auszubrennen, es fehlt einfach an Sauerstoff, um die Kraftstoffkohlenwasserstoffe zu oxidieren. Die Folge ist, dass Kraftstoffdämpfe, die aus diesem Grund nicht verbrannt werden, in den Auspuff gelangen. Andererseits brennt ein solches PCM aber schnell durch, obwohl es defekt ist. Dies bedeutet, dass die meisten Kraftstoffdämpfe noch brennen und nachgeben der richtige druck und Temperatur.

Sie können den anderen Weg gehen - tun Sie " mageres Gemisch", d.h. Im PCM befindet sich viel Luft (Sauerstoff) und wenig Kraftstoffdampf. Dadurch kann ein solches PCM im Idealfall vollständig verbrennen - alle Kraftstoffdämpfe verbrennen zu 100% mit vollem Wirkungsgrad. Aber ein solches PCM hat einen großen Nachteil - es verbrennt viel langsamer als das "fette Gemisch" und unter den Bedingungen eines wirklich funktionierenden Kolbenmotors, bei dem die Verbrennung auf der Linie einer schnellen Volumenzunahme ist, tut ein solches PCM einfach keine Zeit haben, vollständig auszubrennen. Da ein erheblicher Teil der Verbrennung eines solchen PCMs durch langsame Geschwindigkeit unter Bedingungen einer starken Zunahme des Brennraumvolumens und eines Temperaturabfalls. Fazit - PCm verbrennt auch in der "mageren Mischung"-Version nicht vollständig und ein spürbarer Teil davon wird nicht bis zum Auspuff verbrannt.

Auch hier fällt die Kraftstoffeffizienz dieser Betriebsart des Kolbenmotors als sehr gering aus.
Auch die Methode der Ansteuerung von Vergasermotoren, die „quantitative Methode“, spielt eine Rolle bei der geringen Sauerstoffzufuhr zum Verbrennungsprozess des PCM. Um die Motordrehzahl zu verlangsamen und den „Schub“ zu reduzieren, deckt der Fahrer die Drosselklappe ab und schränkt so den Luftstrom in den Vergaser ein. Infolgedessen herrscht erneut Luftmangel für die Kraftstoffverbrennung und erneut eine schlechte Kraftstoffeffizienz ... Einspritzmotoren haben einen solchen Nachteil teilweise nicht, aber der Rest der Probleme eines Kolbenmotors manifestiert sich in ihnen "vollständig. "

Es ist notwendig, zwei äußerst widersprüchliche technologische Arbeitsprozesse zu trennen - "Verbrennung - Bildung von Arbeitsgasen mit hohem Druck und hoher Temperatur" und "Ausdehnung von Arbeitsgasen mit hohem Druck und hoher Temperatur". Dann können diese beiden Prozesse höchstens in spezialisierten Kammern und Geräten gestartet werden optimale Parameter... Jene. die Verbrennung erfolgt "isochor" - in einem geschlossenen Volumen, mit steigendem Druck und steigender Temperatur. Und die Expansion kann bei niedrigen Temperaturen erfolgen.

Im Prinzip wurde die Idee, eine solche „große Abteilung“ zu machen, lange Zeit von verschiedenen Erfindern und Ingenieuren aus verschiedenen Ländern formuliert. Zum Beispiel die Entwicklung der deutschen Firma DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG “ zum Thema Kolbenmotor mit separatem Brennraum. Aber bisher ist es noch keinem gelungen, eine theoretisch schöne und technisch effiziente Schaltung für die Umsetzung in Metall vorzuschlagen. Die gleiche deutsche Firma DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG “begann vor etwa 15 Jahren, Patente für seine Entwicklungen zu erhalten, aber von wirklichen Erfolgen bei der Entwicklung eines wirklich funktionierenden Motors hat sie noch nichts gehört.

Es ist also notwendig, einen langen Brennvorgang der PCm-Ladung in einem gesperrten Volumen zu gewährleisten - "isochorischer Prozess". Unter diesen Bedingungen wird es möglich sein, eine bewusst "magere Mischung" zu verbrennen, mit großer KoeffizientÜberschüssige Luft, wenn Kraftstoffdämpfe vollständig verbrennen, geben die maximal mögliche Menge an Wärme und Verbrennungsgasen ab, während nur minimal giftige Verbrennungsprodukte in den Auspuff gelangen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, indem eine ausreichend lange Brenndauer der "schlechten" PCM-Ladung in einem abgeschlossenen Volumen bei steigendem Druck und signifikanter Temperatur bereitgestellt wird. Das ist bei einem Kolbenmotor praktisch unmöglich.

* * *
Zweite Schadensstufe- erhebliche Wärmeverluste aus der Verbrennung des "vom Motor aufgenommenen Kraftstoffs".
Wärmebilanz Benzinmotor entwickelt sich so:
1) - in Nutzarbeit umgewandelte Wärme: 35%;
2) - Wärmeverlust mit Abgasen: 35%;
3) - Wärmeverlust durch Verluste durch das Kühlsystem: 30%;

Aufgabe- einen Motor mit minimalem Wärmeverlust an die Umgebung zu erhalten. Idealerweise könnte das Ziel sein, einen Motor mit einem thermischen Wirkungsgrad von 80 % zu schaffen. Aber selbst wenn wir es schaffen, diese Zahl von 65-70 % statt heute 35 % zu erreichen, ist dies ein großer Sprung nach vorn. Jene. ein Motor der gleichen Leistung bei dieser Effizienz wird 2 mal verbrauchen weniger Treibstoff als vorher.

Analyse des heutigen Nachteils:Überlegen wir zunächst, warum traditionelle Kolbenmotoren so große Wärmeverluste "zur Seite" haben? Was führt zu solch einer traurigen Situation?

Die erste Kategorie von Wärmeverlusten- Wärmeverluste bei Abfuhr durch die Wände von Zylindern mit Kühlsystem. Generell sollte der Motor zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades überhaupt nicht gekühlt werden. Dadurch steigt die Temperatur der Motorteile sofort an - und dies verkohlt das Öl (was einen Film zum leichten Gleiten auf den Reibflächen erzeugt), und der Kolben bewegt sich leicht im Zylinder und der Motor blockiert bald. Hier stoßen wir wieder auf die Widersprüche der Kombination zweier Prozesse in einem Zyklus - Verbrennung und Expansion. Die Temperatur während eines Verbrennungsblitzes in der Anfangsphase der Zündung PCm - erreicht 3000 C °. EIN GrenztemperaturÖl, wenn es noch schmiert und vor Reibung schützt, sind es 200 - 220 Grad. Bei Überschreiten dieser Temperaturschwelle beginnt das Öl zu „brennen“ und zu verkohlen. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, ist es nicht sinnvoll, den Motor zu kühlen, aber um die Bewegungsmöglichkeit des Hauptarbeitskörpers - des Kolbens - zu gewährleisten, ist die Schmierung von entscheidender Bedeutung ... ein Kühlsystem, das es dem Kolben ermöglicht, sich im Zylinder zu bewegen - reduziert die thermische Effizienz des Motors drastisch. Dies ist eine bewusste und notwendige Verringerung der Effizienz.

Die zweite Kategorie von Wärmeverlusten- Wärmeverlust mit Abgasen. Die Abgastemperatur am Auslass der Zylinder für verschiedene Größen und Motoren reicht von 800 bis 1100 C °. Daher bei der Arbeit an hohe Drehzahlen Motorauspuffkrümmer beginnen sich manchmal zu einem purpurroten Glühen zu erhitzen ... Das bedeutet nur eines - die Energie der Kraftstoffverbrennung, die in Form ihrer hohen Temperatur in die innere Energie der Verbrennungsgase umgewandelt wurde, geht unwiderruflich und vollständig verloren nutzlos. Durch diesen Kanal der "Wärmeverluste" verlieren moderne Verbrennungsmotoren etwa 35 % der Energie der Kraftstoffverbrennung. Und diese Energie in Nutzarbeit umzuwandeln, ist äußerst schwierig, maximal wurde eine Turbine in den Abgastrakt eingeschoben, die den Turbolader-Kompressor antreibt. Dies erhöht den Druck der in die Zylinder eintretenden Luft. Und das erhöht leicht die Effizienz. Aber - es ist notwendig zu verstehen, dass die Turbine nicht die erhöhte Temperatur "fängt", sondern den Überdruck der Gase, die den Zylinder verlassen. Jene. das ist ein etwas anderes thema und eine andere wirtschaft.

So stellt sich heraus, dass der Kolbenmotor nicht nur die Temperatur, sondern auch den hohen Druck der Arbeitsgase schlecht "verarbeitet". Tatsächlich gelangen Arbeitsgase mit einem Überdruck von 8 - 10 Atmosphären in den Auspuff. Das ist viel, man muss sich nur erinnern, dass die ersten Dampfmaschinen Anfang des 19. .

Es ist alles gleich geometrische Abmessungen Kompressionsvolumen und Expansionsvolumen. In einem Kolbenmotor sind sie gleich, und daran kann man nichts ändern. Idealerweise sollten diese Volumina unterschiedlich sein. Ein Gimmick wie der Atkinson-Zyklus, bei dem das Kompressionsvolumen bei Kolbenmotoren kleiner als das Expansionsvolumen ist, ist wirkungslos, da sie das Motordrehmoment stark reduzieren.

Eine Vergrößerung des Volumens der Expansionskammer ermöglicht es jedoch nur, den gesamten Überschuss in nützliche Arbeit umzuwandeln. Überdruck, aber die erhöhte Temperatur der glühenden Gase der Brennstoffverbrennung kann durch dieses Verfahren nicht beseitigt werden. Das einzige, was den Ingenieuren in den Sinn kam, war, Wasser in die Zylinder zu spritzen, um Wärme in Arbeit zu verwandeln. Theoretisch: Wasser, das sich in Hochdruckdampf verwandelt, erhöht den Druck des gebildeten Dampf-Gas-Gemischs stark und senkt gleichzeitig seine Temperatur erheblich. Aber in einem Kolbenmotor für mehr als 80 Jahre Bemühungen in diese Richtung wurde nichts Wirksames und Effizientes geschaffen. Das Kolbenschema eines Verbrennungsmotors erwies sich dieser Idee als sehr feindlich und erlaubte nicht die Einführung eines Dampfhubs oder einer Dampfphase in den Motorbetriebszyklus.

Es muss gesagt werden, dass nach dem Grundgesetz der Thermodynamik, das vor fast 200 Jahren von S. Carnot formuliert wurde, eine Wärmekraftmaschine mit dem maximal möglichen Wirkungsgrad die maximale Temperatur der Arbeitsgase zu Beginn des Arbeitszyklus und die minimale haben muss Temperatur der Arbeitsgase am Ende des Zyklus.
Aber in einem Kolben-Verbrennungsmotor ist das Maximum hohe Temperatur In der ersten Phase des Zyklus stört das Kühlsystem den Erhalt, und die minimale Übertemperatur der Gase am Ende des Zyklus wird durch die Unmöglichkeit der Integration der Dampfkomponente in den Motorkreislauf behindert. Daher verwenden wir heute Motoren mit einem thermischen Wirkungsgrad von ca. 35 %, nicht viel besser als vor 60 oder 70 Jahren ...

So beheben Sie dieses Manko: es ist eine Motorkonstruktion zu schaffen, die es erlaubt, den Verbrennungsprozess in einer thermisch isolierten Brennkammer durchzuführen (um die maximale Temperatur zu Beginn des Betriebszyklus zu erreichen) sowie das Einschalten der Dampfphase bei die letzte Stufe des Betriebs mit heißen Verbrennungsgasen (um die Mindesttemperatur am Ende des Betriebszyklus zu erreichen). Außerdem kann durch eine solche Konstruktion des Motors auf ein separates und sperriges Kühlsystem verzichtet werden, das Wärme in die äußere Umgebung "werfen" würde.

Gleichzeitig benötigt der Motor kein sperriges und schweres Auspuffrohr, das bei herkömmlichen Kolbenmotoren das Dröhnen der Abgase dämpft, die von "Schüssen" mit einem Überdruck von 8-10 Atmosphären abgegeben werden. Denn bei der vorgeschlagenen Konstruktion wird der Überdruck der Abgase minimal sein.

* * *
Die dritte Verlustebene- spürbare Leistungsverluste zur Überwindung von Reibungskräften sowie Trägheitskräften von hin- und hergehenden Massen sowie Verluste an Antriebshilfsmechanismen. Diese Verluste werden als mechanische Verluste definiert. Sie hängen vom kinematischen Schema des Motors ab. Neben den eigentlichen mechanischen Verlusten beeinflusst das kinematische Diagramm und seine Auslegung aber noch eine weitere wichtige Kennzahl, die nicht direkt mit dem Wirkungsgrad zu tun hat: Das ist die Art und Höhe des Drehmoments.

Die Aufgabe besteht darin, einen Motor mit minimalen mechanischen Verlusten zu erhalten. Und hat auch ein konstantes Drehmoment von hohem Wert bei der geringen Größe des Motors selbst. Hohes und stabiles Drehmoment macht ein so sperriges und komplexes System überflüssig Fahrzeug wie ein Getriebe. Ein Beispiel ist der Transport mit Elektromotoren und Dampfmaschinen.

Analyse des heutigen Nachteils: bei einem Standard-Kolbenmotor drückt die Reaktion des Pleuels (die Querkomponente dieser Reaktion relativ zur Zylinderachse) auf den Druck der Arbeitsgase den Kolben ständig entweder auf eine Seite des Zylinders oder auf die andere . Dieses System des Motorbetriebs erfordert eine ständige Schmierung stark reibender Oberflächen und die Kosten für die Überwindung dieser Reibungskräfte. Wenn sich die KShM-Kurbel dreht, ändert sich außerdem die Projektion des Arms, der das Drehmoment auf den Vektor der Kolbenbewegung erzeugt, von "Null" auf "Maximum" und bei jedem Arbeitshub zurück. Solch ein ständig pulsierender Drehmomentmodus nützt einem Antrieb wenig Exekutive Mechanismen... Und erst bei hohen Drehzahlen von Kolbenmotoren steigt das Drehmoment spürbar an. Hohe Drehzahlen (ca. 3-4 Tausend U/min) werden jedoch von den meisten Verbrauchern nicht benötigt. Daher ist es notwendig, ein komplexes und umständliches Getriebe herzustellen, das ein wesentlicher Bestandteil von Autos, Motorrädern usw. ist.
& nbsp Darüber hinaus wird der mechanische Wirkungsgrad durch den Nebenabtrieb des Motors zum Antrieb seiner Nebenaggregate - Kühlsystempumpe, Kühlgebläse, Nockenwellen und Gasverteilerventile, ein elektrischer Generator usw. - merklich reduziert, je höher diese Verluste. Darüber hinaus können merkliche Leistungsverluste durch unnötig frühe Zündung verursacht werden, wenn der Motor am Ende des 2. "Verdichtungstaktes" gezwungen wird, die sich auszudehnenden Verbrennungsprodukte zu verdichten.

So beheben Sie dieses Manko: es ist notwendig, eine Motorkonstruktion zu schaffen, bei der der Druck der Arbeitsgase den beweglichen Hauptarbeitskörper nicht gegen den stationären Körper drückt. In diesem Fall sollte sich der Motor durch eine solche Konstruktion auszeichnen, die eine konstante Drehmomentstütze entlang der gesamten Bewegungsbahn des Hauptarbeitskörpers des Motors ermöglicht. Gleichzeitig sollte auf diesem Weg der Druck der Arbeitsgase so lange wie möglich durchgeführt werden, idealerweise - um 100% anzustreben. Lassen Sie mich daran erinnern, dass 4-Takt-Motoren von voller Zyklus Motor ab 2 Wellenumdrehungen wirkt der Druck auf den Kolben nur für eine halbe Umdrehung, und selbst dann im Übertragungsmodus dieser Druck bei instabiler Drehmomentstütze.

GESAMT:

ITAK - wir werden die Bedingungen des wissenschaftlichen Ansatzes formulieren, um einen Motor mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen:
1) Die wichtigsten technologischen Prozesse des Motors "Verbrennung" und "Expansion" müssen für die Implementierung in verschiedenen Technologiekammern getrennt und beabstandet sein. In diesem Fall sollte die Verbrennung in einer geschlossenen Kammer bei steigender Temperatur und steigendem Druck erfolgen.
2) Der Verbrennungsprozess muss ausreichend lange und unter Luftüberschuss stattfinden. Dies ermöglicht eine 100%ige Verbrennung des Arbeitsgemisches.
3) Das Volumen der Expansionskammer sollte deutlich größer sein als die Kompressionskammer, um mindestens 50%. Dies ist für die vollständige Übertragung des Drucks der Arbeitsgase erforderlich, um auf den Hauptarbeitskörper zu arbeiten.
4) Es muss ein Mechanismus geschaffen werden, um die hohe Temperatur der Abgase auf den Hauptarbeitskörper zu übertragen. Dafür gibt es nur eine reale Möglichkeit - die Zufuhr von Wasser, um die hohe Temperatur der Verbrennungsgase in den Druck des entstehenden Dampfes umzuwandeln.
5) Der Arbeitskörper und die gesamte Kinematik des Motors müssen so angeordnet sein, dass der Arbeitskörper den Druck der Arbeitsgase möglichst lange während des Motorzyklus wahrnimmt und der Arm der Übertragung der Kraft dieses Drucks ist immer die maximal mögliche.

Nachdem man sich sorgfältig mit diesen Anforderungen der theoretischen Ansätze der Physik und Mechanik zum Thema Motor mit hohem Wirkungsgrad auseinandergesetzt hat, stellt sich heraus, dass es für solche Aufgaben absolut unmöglich ist, einen Kolbenmotor zu bauen. Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine erfüllt keine dieser Anforderungen. Aus dieser Tatsache folgt die folgende Schlussfolgerung - es ist notwendig, nach effizienteren, alternativen Motorkonstruktionen zum Kolbenschema zu suchen. Und den notwendigen Anforderungen am nächsten kommt das Schema eines Wankelmotors.

Bei meiner Arbeit zum Konzept eines perfekten Wankelmotors bin ich gerade von dem Versuch ausgegangen, bei der Erstellung eines konzeptionellen Motordiagramms die Notwendigkeit zu berücksichtigen, alle oben genannten theoretischen Voraussetzungen zu implementieren. Ich hoffe, es ist mir gelungen.

ARTIKEL Nr. 2-1

ÜBER DEN KOMPRESSIONSGRAD NACHDENKEN:
IN MASSNAHME IST ALLES GUT

Wir sind alle daran gewöhnt, dass ein sparsamer und leistungsstarker Motor ein hohes Verdichtungsverhältnis haben muss. Deshalb auf Sportwagen Motoren haben immer ein hohes Verdichtungsverhältnis und Motortuning (Boost) zur Leistungssteigerung Standardmotoren Massenserie beinhaltet in erster Linie eine Erhöhung ihres Verdichtungsverhältnisses.
Daher wurde in der weit verbreiteten Volksmeinung die Idee festgelegt - je höher das Verdichtungsverhältnis des Motors, desto besser, da dies zu einer Steigerung der Motorleistung und einer Steigerung des Wirkungsgrades führt. Aber - leider ist diese Position nur teilweise richtig, oder besser gesagt, sie stimmt nicht mehr als 50%.
Die Geschichte der Technik sagt uns, dass, als der erste Lenoir ICE in den 1860er Jahren auftauchte (der ohne Kompression arbeitete), er Dampfmaschinen in der Effizienz nur knapp übertraf und als (15 Jahre später) 4 Hub-Verbrennungsmotor Otto, mit Kompression arbeitend, übertraf die Effizienz eines solchen Modells sofort alle damals existierenden Motoren in Bezug auf die Effizienz.
Aber die Komprimierung ist kein so einfacher und unkomplizierter Prozess. Außerdem macht es keinen Sinn, sehr hohe Verdichtungsverhältnisse zu erreichen, und selbst dies ist technisch sehr schwierig.
Erstens: Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto größer ist der Arbeitshub des Kolbens im Zylinder. Folglich ist die lineare Geschwindigkeit der Kolbenbewegung bei hohen Drehzahlen größer. Folglich sind die auf alle Elemente des Kurbeltriebs wirkenden Trägheitswechselbelastungen umso größer. Gleichzeitig steigt auch das Druckniveau im Zylinder. Daher müssen bei einem Motor mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und einem langen Arbeitshub alle Elemente und Teile des Motors von erhöhter Festigkeit sein, d.h. dick und schwer. Deshalb sind Diesel nie klein und leicht. Daher wurden keine kleinen Dieselmotoren für Motorräder, Außenbordbootsmotoren, Leichtflugzeuge usw. geschaffen. Deshalb haben die ernsthaft getunten - "geklemmten" Standard-Automotoren eine so geringe Lebensdauer.
Zweitens: Je höher das Kompressionsverhältnis, desto größer die Gefahr einer Detonation mit allen daraus resultierenden destruktiven Folgen. Das Tanken mit minderwertigem Benzin kann einen solchen Motor einfach zerstören. Über Detonation - lesen Sie in einem speziellen ARTIKEL. Jene. bei einem bestimmten Kompressionsgrad ist es notwendig, immer teureres und spezielles Benzin oder spezielle Additive zu verwenden. In den fünfziger und sechziger Jahren war die Hauptlinie des Motorenbaus, insbesondere in den Vereinigten Staaten, eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses, das Anfang der siebziger Jahre bei amerikanischen Motoren oft 11-13:1 erreichte. Dies erforderte jedoch das entsprechende Benzin mit hoher Oktanzahl, das in jenen Jahren nur durch Zugabe von giftigem Tetraethylblei gewonnen werden konnte. Die Einführung von Umweltstandards Anfang der 70er Jahre in den meisten Ländern führte zu einer Stagnation des Wachstums und sogar zu einem Rückgang des Verdichtungsverhältnisses bei Serienmotoren.
Es macht jedoch keinen Sinn, die maximal möglichen Verdichtungsverhältnisse zu erreichen. Tatsache ist, dass der thermische Wirkungsgrad des Motors mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis steigt, jedoch nicht linear, sondern mit einer allmählichen Verzögerung. Wenn das Verdichtungsverhältnis von 5 auf 10 erhöht wird, erhöht es sich um das 1,265-fache, dann von 10 auf 20 - nur um das 1,157-fache. Jene. nach Erreichen einer bestimmten Schwelle des Kompressionsgrades ist eine weitere Erhöhung nicht sinnvoll, da die Verstärkung minimal und die wachsenden Schwierigkeiten enorm sein werden.

* * * Eine sorgfältige Analyse der Leistungsfähigkeit verschiedener Motorentypen und die Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer Effizienz können andere Möglichkeiten finden, als das Verdichtungsverhältnis ständig zu erhöhen. Und sie werden viel effizienter und besser sein als hohe Kompressionsraten.
Lassen Sie uns es zuerst herausfinden - und was gibt es eigentlich hochgradig Kompression. Und sie gibt folgendes an:
- ergibt eine hohe Länge des Arbeitshubes, weil bei einem Kolbenmotor ist der Kompressionshub gleich dem Expansionshub;
- starker Druck in der Ladung des Arbeitsgemisches, bei dem eine Konvergenz von Sauerstoff- und Kraftstoffmolekülen auftritt. Dadurch wird der Verbrennungsprozess besser vorbereitet und
geht schneller.

Zur ersten Position lässt sich folgendes sagen: Tatsächlich beruht die Effizienz von Dieselmotoren zu einem großen Teil auf der Tatsache, dass sie einen großen Hub haben. Jene. Eine Erhöhung der Länge des Expansionshubs hat eine viel schwerwiegendere Auswirkung auf die Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Motors als eine Erhöhung der Länge des Kompressionshubs. Dadurch ist es möglich, Arbeitsgase aus dem Druck zu entfernen mehr nutzen- Gase sorgen für eine größere Kolbenbewegung. Und wenn bei "Benzin" -Motoren der Durchmesser des Kolbens ungefähr der Länge des Arbeitshubs entspricht, mit dem entsprechenden "Verdichtungsverhältnis" und "Ausdehnungsverhältnis", die an die Länge des Kolbenhubs gebunden sind, dann beim Diesel Motoren ist dieser Parameter viel größer. Bei klassischen langsam laufenden Dieselmotoren ist der Kolbenhub 15-30% länger als der Kolbendurchmesser. Bei Schiffsdieselmotoren wird dieser Unterschied im Allgemeinen eklatant. Zum Beispiel ein riesiger 14-Zylinder Dieselmotor für einen Supertanker der finnischen Firma Wartsila mit einem Arbeitsvolumen von 25 480 Litern und einer Leistung von 108 920 PS. bei 102 U/min beträgt der Zylinderdurchmesser 960 mm, mit dem Kolbenhub - 2500 mm.

Gleichzeitig möchte ich daran erinnern, dass solche Schiffsdieselmotoren mit Rohöl betrieben werden, das bei einem so großen Kolbenhub ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis aushält.

Aber eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses hat auch ihre unangenehmen Seiten - sie erfordert den Einsatz teurer Benzinsorten mit hoher Oktanzahl, eine Erhöhung des Motorgewichts sowie einen erheblichen Kraftaufwand für den Vorgang der starken Verdichtung.
Versuchen wir herauszufinden, ob es möglich sein wird, auf andere Weise eine enge und noch größere Wirkung bei der Steigerung der Leistung und der Effizienz des Motors zu erzielen, d. ohne eine übermäßige Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses mit einer Erhöhung des Negativs, das einem solchen Verfahren innewohnt. Es stellt sich heraus, dass ein solcher Weg möglich ist. Jene. alle beiden positiven Aspekte des Aufbaus des Verdichtungsverhältnisses können auf andere Weise und ohne die inhärenten Schwierigkeiten des Aufbauens des Verdichtungsverhältnisses erreicht werden.

Berücksichtigung der ersten Position - große Länge des Arbeitshubes. Entscheidend für die Effizienz ist eine lange Hublänge, damit alle Arbeitsgase den Druck maximal auf den Kolben übertragen. Und bei einem Kolbenmotor ist der Arbeitshub gleich der Länge des Kompressionshubs. Irgendwie hat sich also die Meinung gefestigt, dass das wichtigste das Kompressionsverhältnis ist und nicht das Expansionsverhältnis. Bei einem Kolbenmotor sind diese Werte zwar gleich. Daher macht es wenig Sinn, sie zu trennen.

Idealerweise ist es jedoch besser, diese Hublängen unterschiedlich zu gestalten. Da eine Erhöhung des Kompressionshubs zu vielen unangenehmen Folgen führt, sollte dies in Maßen erfolgen. Aber der Expansionskurs als maximal verantwortlich für Wirtschaftlichkeit und Effizienz sollte so groß wie möglich gemacht werden. Aber bei einem Kolbenmotor ist dies fast unmöglich (oder es ist sehr schwierig und schwierig - zum Beispiel beim Kushul-Motor). Aber es gibt viele Schemata Rotationsmotoren die es Ihnen ermöglichen, dieses Dilemma leicht zu lösen. Jene. die Fähigkeit des Motors, ein moderates Verdichtungsverhältnis und gleichzeitig eine signifikante Länge des Arbeitshubs zu haben.

Berücksichtigung der zweiten Position - Aktivierung und hohe Effizienz des Brennstoffverbrennungsprozesses. Seine schnelle Geschwindigkeit und Vollständigkeit. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Motorbetriebs. Aber es stellt sich heraus, dass das Verdichtungsverhältnis (Hochdruck) nicht das einzige ist, und nicht einmal das größte die beste Weise ein solches Ergebnis zu erzielen.

Hier erlaube ich mir ein Zitat aus einem wissenschaftlichen Buch über die Theorie der Motoren für Universitäten der Sowjetzeit: „ Automobilmotoren“, Ed. M. S. Khovaha. Moskau, "Maschinenbau", 1967.
Wie Sie dem obigen Zitat entnehmen können, hängt die Qualität und Geschwindigkeit der Verbrennung mehr von der Verbrennungstemperatur und weniger vom Druck ab. Jene. Wenn es möglich ist, eine extrem hohe Temperatur des Verbrennungsmediums sicherzustellen, ist der Nutzen der Verbrennung maximal und die Notwendigkeit eines extrem hohen Drucks vor dem Verbrennungsprozess (im Verdichtungsverhältnis) wird verschwinden.

Von allen oben beschriebenen theoretischen Ansätzen lässt sich eine Schlussfolgerung ziehen: Ein leistungsstarker Motor mit hohem Wirkungsgrad kann auf ein hohes Verdichtungsverhältnis mit all seinen inhärenten Schwierigkeiten verzichten. Dazu sollte das Expansionsverhältnis im Motor deutlich höher als das Verdichtungsverhältnis sein und die Verbrennung der Ladung des frischen Arbeitsgemisches im stark erhitzten Brennraum erfolgen. In diesem Fall sollten während des Verbrennungsprozesses Druck und Temperatur aufgrund ihres natürlichen Anstiegs aufgrund der Energie des Verbrennungsprozesses ansteigen. Jene. die Brennkammer muss hermetisch abgeschlossen sein und darf ihr Volumen während der Verbrennung nicht verändern. Deshalb: Es darf nicht zu einer schnellen Vergrößerung des Brennraumvolumens mit entsprechendem Druck- und Temperaturabfall kommen (wie es bei einem Kolbenmotor der Fall ist).
Übrigens steigt während der Verbrennung des Kraftstoffgemisches der Druck in der verriegelten Brennkammer mit konstantem Volumen, dh Kraftstoffanteile, die in der "zweiten Reihe" verbrennen (mehr als 60% der Masse des Ladung) verbrennt mit einem sehr hohen Verdichtungsverhältnis (Druck von etwa 100 atm), dessen Druck durch die Verbrennung des ersten Teils des Kraftstoffs erzeugt wird. Dabei ist zu beachten, dass der Druck am Ende des Verdichtungstaktes selbst bei Dieselmotoren (diesen aktuellen Effizienzführern) nicht mehr als 45-50 atm beträgt.
Aber diese beiden vorgenannten Bedingungen können bei einem Kolbenmotor mit Kurbeltrieb nicht erfüllt und gewährleistet werden. Daher arbeiten Kolbenmotoren bei hohen Verdichtungsverhältnissen mit allen sich daraus ergebenden Schwierigkeiten und können den Wirkungsgrad von 40 % fast 100 Jahre lang nicht überwinden.

Der BOTTOM dieses Artikels ist wie folgt - hocheffizienter Motor hohe Energie bei hohem Wirkungsgrad kann es ein moderates Verdichtungsverhältnis haben, wenn es einen Expansionshub hat, der merklich größer ist als ein Kompressionshub. Und die Verbrennung des Arbeitsgemisches findet in einer Kammer statt, die für die Dauer der Verbrennung verschlossen und nicht gekühlt wird (isochorer adiabatischer Prozess) bei steigender Temperatur und steigendem Druck aus der Energie des Verbrennungsprozesses selbst.
Es ist unmöglich, ein solches Design im Rahmen der Idee eines Kolbenmotors zu erstellen, aber im Bereich der Ideen für Rotationsmotoren ist es durchaus möglich, solche Designs zu erstellen. Dies ist, was der Autor dieses Textes und dieser Site tut.

ARTIKEL Nr. 2-2

REFLEXION ÜBER KOMPRESSIONSGRAD-2:
EIN BLICK IN DIE GESCHICHTE

26.01.13

Im ersten Teil des Artikels habe ich gezeigt, dass eine kontinuierliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei einem Kolbenmotor mit Kurbeltrieb die einzige Möglichkeit ist, den Wirkungsgrad des Motors geringfügig zu steigern, er hat klare Grenzen seiner Möglichkeiten. Bei Verdichtungsverhältnissen nahe 16 ist das Arbeitsgemisch mit Benzindämpfen sogar Oktanzahl 100 beginnt im Detonationsmodus zu brennen, und die Teile und der Motorkörper werden sehr voluminös und dickwandig (wie bei einem Dieselmotor), um hohen Drücken und hohen Trägheitsbelastungen standzuhalten. Aber die enormen Kräfte der Detonationsverbrennung zerstören selbst so sperrige und massive Teile sehr schnell.

Es gibt jedoch noch andere Möglichkeiten, die Motoreffizienz zu verbessern - diese sind:
A) - eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur des Arbeitsgemisches (Temperatur in der Brennkammer), um eine vollständige und schnelle Verbrennung der Benzindämpfe zu erreichen. Zur selben Zeit, Höchstbetrag Hitze und Arbeitsgremium drückt stärker auf den Kolben - d.h. machen tolle Arbeit.
Kolbenmotoren mit Kurbeltrieb und kombiniertem Verbrennungs-Expansionsverfahren (3. Zyklus) können diesen Weg nicht gehen, da das Öl (Schmierung der Wände der Kolben-Zylinder-Kinematik) bereits bei einer Temperatur von 220 Grad anfängt zu verkohlen und aufhört schmieren. Aus diesem Grund müssen Zylinder und Kolben des Motors gekühlt werden, was zu einer starken Abnahme des thermischen Wirkungsgrads des Motors führt.
B) - eine Vergrößerung des Volumens (Ausdehnungsgrad) des Arbeitskörpers (Länge des Expansionshubs) für die vollständige Expansion der Gase des Arbeitskörpers. Dadurch kann ihr Überdruck voll genutzt werden. Bei modernen Kolbenmotoren gelangen Gase mit einem Druck von 5-8 Atmosphären in den Auspuff, was ein erheblicher Verlust ist. Und das, obwohl der durchschnittliche effektive Druck des Kolbenmotors nur 10 Atmosphären beträgt. Die geringe Länge des Arbeitshubes des Kolbenmotors mit KShM (Kurbelmechanismus) stört die Erhöhung des Wertes der "Betätigung" dieses Drucks.
Wenn Sie das Expansionsverhältnis der Arbeitskörpergase im Motor erhöhen, erhöht sich der Wirkungsgrad erheblich, ohne dass das Verdichtungsverhältnis erhöht werden muss.

Der erste Verbrennungsmotor überhaupt ist der Lenoir-Motor. 1860g

Das Thema dieses Artikels: Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist es möglich und notwendig, das Expansionsverhältnis des Arbeitskörpers (Arbeitsgase) zu erhöhen, ohne das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen. Dies sollte zu einer deutlichen Steigerung der Motoreffizienz führen, also lassen Sie uns eine solche Möglichkeit in diesem Artikel begründen.

Im Optimum sollte man haben: das Verdichtungsverhältnis kann recht klein sein - etwa das 3-fache, dies entspricht dem Druck in der Ladung des komprimierten Arbeitsgemisches von 4 Atmosphären, aber das Expansionsverhältnis (Länge der Arbeitshubleitung) sollte dieses kleine Kompressionsverhältnis einmal um etwa 6-8 überschreiten.
Eine solche Fragestellung mag allen Kennern traditioneller Motorschemata, die an hohe Verdichtungsverhältnisse bei Kolbenmotoren gewöhnt sind, befremdlich und unvernünftig erscheinen. Aber genau dieser paradoxe Sachverhalt in der Realität wird durch eine sorgfältige Untersuchung der Konstruktionen von Verbrennungsmotoren belegt, die zu Beginn des Erscheinens solcher Motoren entwickelt und bearbeitet wurden, d.h. in der Zeit der Entstehung des ersten ICE.

Das erste Missverständnis, das den Mythos über die Notwendigkeit, ein hohes Verdichtungsverhältnis im Motor zu schaffen, verstärkt wird, ist also damit begründet, dass die ersten Verbrennungsmotoren, die vor 150 Jahren entwickelt wurden, die Arbeitsmischung vor der Zündung und hatte daher einen völlig geringen Wirkungsgrad - fast der gleiche wie bei primitiven Dampfmaschinen.
Tatsächlich die erste funktionierender Motor Verbrennungskonzept von Jean Lenoir (Patent von 1859) hatte keine Vorverdichtung des Arbeitsgemisches und arbeitete mit einem Wirkungsgrad von 4%. Nur 4% sind wie die gefräßigen und sperrigen Dampfmaschinen der damaligen Zeit.
Aber das erste Muster eines 4-Takt-Motors von Nikolaus Otto aus dem Jahr 1877 arbeitete mit einer Vorverdichtung des Arbeitsgemisches und zeigte im Betrieb einen Wirkungsgrad von 22 Prozent, was für die damalige Zeit eine phänomenale Leistung war. Gleichzeitig werden das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis (wie alle aktuellen Kolben-Verbrennungsmotoren mit KShM) waren einander gleich.
Basierend auf diesen Daten:
- Wirkungsgrad des Lenoir-Motors ohne Kompression - 4%;
- Wirkungsgrad des Ottomotors mit Kompression - 22%;
Es werden einfache und klare Schlussfolgerungen gezogen - der Motor, der mit der Vorverdichtung des Arbeitsgemisches arbeitet, arbeitet nach einem grundsätzlich effizienteren Modus und - je höher das Verdichtungsverhältnis, desto besser. Diese Auszahlung für 140 den letzten Jahren hat den Charakter einer gemeinsamen Wahrheit angenommen und seit 100 Jahren geht der Motorenbau den Weg der Wertsteigerung des Verdichtungsverhältnisses, das bereits seine Grenzen erreicht hat.

ABER in der Präsentation dieser Informationen gibt es ein großes ABER ...
Es stellt sich heraus, dass derselbe Nikolaus Otto, bevor er 1877 seinen berühmten 4-Takt-Motor mit Verdichtung schuf, etwas früher - im Jahr 1864 - viele Hunderte seiner anderen Erfindung - einen atmosphärischen Verbrennungsmotor, der ohne Vorarbeit funktionierte - schuf, produzierte und erfolgreich verkaufte Kompression. Der Wirkungsgrad dieses Motors lag bei 15% ... Ein so hoher Wirkungsgrad passt überhaupt nicht in die Theorie, dass eine starke Vorverdichtung des Arbeitsgemisches unbedingt erforderlich ist, um signifikante Indikatoren für den Motorwirkungsgrad zu erreichen.
Etwas in diesem Thema stimmte nicht, etwas fehlte, um sehr wichtige Fakten zu verstehen, und ich beschloss, diese Situation zu studieren. Und hier sind die Schlussfolgerungen, zu denen ich gekommen bin:
- absolut schrecklich - spärlich - die Effizienz des Lenoir-Motors wurde erreicht, weil er absolut hatte inakzeptabel kleine EXPANSIONSRATE Arbeitsgase;
- und einem sehr ordentlichen Wirkungsgrad von 15% hatte der Otto-Saugmotor, der ohne Verdichtung arbeitet, was er hatte sehr großer ERWEITERUNGSGRAD Arbeitsgase;
Dieser Ottomotor hatte zwar ein sehr schlechtes Drehmoment und eine sehr ungleichmäßige Drehung der Hauptwelle, daher wurde er dann schnell durch 4-Takt-Motoren ersetzt. Aber mit dem Wert der Effizienz war es sehr anständig.

Schauen wir uns die Abmessungen der Arbeitskörper des Lenoir-Motors genau an und stellen wir einige grobe Berechnungen an. Der Kolbendurchmesser beträgt 120 mm und der Kolbenhub 100 mm. In den damaligen Beschreibungen des Triebwerks blieben die Angaben erhalten, dass eine Strecke von etwa der halben Länge der „Ausdehnungsleitung“ zum Ansaugen von Gas und Luft umgeleitet wurde. Dann wurde das Versorgungsventil geschlossen und die elektrische Kerze gab einen Funken ab. Jene. weniger als die Hälfte des Arbeitshubes blieb für den Expansionsvorgang bzw. für den kombinierten Verbrennungs-Expansions-Prozess übrig ... Der Funke zündete ein Gas-Luft-Gemisch, es trat ein Blitz auf, Temperatur und Druck der Gase im Zylinder stark angehoben und der Arbeitsdruck trieb den Kolben mühsam weiter. Die maximale Spitze des Arbeitsdrucks von Gasen auf dem Kolben war 5 Atmosphären... Sie müssen jedoch verstehen, dass das Arbeitsgemisch unter Bedingungen eines immer tieferen Druckabfalls gezündet wurde - schließlich bewegte sich der Kolben weiter und erzeugte ein Vakuum unter dem Atmosphärendruck ... Unter solchen Bedingungen ist nur ein sehr "fettes" Gemisch, mit Gas übersättigt, könnte sich entzünden. Dementsprechend war die Verbrennung in diesem Modus äußerst unvollständig und selbst die Verbrennungsprodukte konnten sich kaum vollständig ausdehnen – schließlich war die Länge des Arbeitshubs äußerst gering. Jene. für einen Kolben mit einem Durchmesser von 120 mm. die Länge des Arbeitshubes betrug weniger als 50 mm. Wir können mit Sicherheit davon ausgehen, dass Gase mit sehr hohem Druck in den Auspuff gelangten und sogar mit unverbranntem Lampengas übersättigt waren. Dementsprechend hatte der Motor mit solchen Parametern eine Leistung von nur 0,5 Pferdestärken bei einer Wellendrehzahl von 120-140 U/min. Also - wir schauen uns den Lenoir-Motor an. Dieser Motor lief im 2-Takt-Zyklus. Zunächst saugte der Kolben auf der Linie des Arbeitshubes das Leuchtgas und die Luft (Arbeitsgemisch) an. Dann wurde das Zulaufventil geschlossen. Eine elektrische Kerze gab einen Funken ab – und die Arbeitsmischung flammte auf, und das heiße Gas mit erhöhtem Druck drückte den Kolben weiter. Dann drückte der Kolben beim Rückhub die Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder, und dann wiederholte sich alles noch einmal.
Jene. in einem Arbeitsgang - auf der "Erweiterungslinie" - wurden DREI Arbeitsprozesse kombiniert:
- Arbeitsgemischeinlass;
- Verbrennung des Arbeitsgemisches;
- Erweiterung des Arbeitsgremiums;

AUSGANG- Der Motor von Lenoir hatte einen so geringen Wirkungsgrad und eine so geringe Leistung, vor allem aufgrund des sehr kurzen Hubs (wenn die Arbeitsgase einfach nicht arbeiten konnten) und der sehr ineffektiven Organisation der Arbeitsabläufe, wenn das extrem "fette" Arbeitsgemisch gezündet wurde bei einem deutlich niedrigeren Druck als Atmosphärendruck unter Bedingungen aktiver Volumenexpansion. Jene. dieser Motor hätte als ein Motor bezeichnet werden müssen, der mit einer VORLÄUFIGER EXPANSION (Verdünnung) des Arbeitsgemisches betrieben wird….

WEITERE - Betrachten Sie das Betriebsschema eines anderen Motors, der ohne vorherige Verdichtung des Arbeitsgemisches arbeitete, aber einen Wirkungsgrad von 15% hatte. Dies ist ein atmosphärischer Ottomotor von 1864. Es war ein sehr ungewöhnlicher Motor. In seiner Kinematik schien er etwas völlig Hässliches und nicht Arbeitstaugliches zu sein, aber mit einem "ungeschickten" kinematischen Schema handelte er nach einem sehr rationalen Schema der Organisation von Arbeitsabläufen und hatte daher eine Effizienz von 15%.
Der Zylinder dieses Motors wurde vertikal eingebaut und der Kolben des Motors bewegte sich auf und ab. Gleichzeitig gab es bei diesem Motor kein KShM, und der Kolben hatte eine sehr lange nach oben gerichtete Zahnstange, die mit ihren Zähnen in Eingriff mit dem Zahnrad kam und dieses drehte.

Otto-Atmosphärenmotor, Probe 1864. Rechts im Foto befindet sich ein Kolben mit langer Zahnstange, der eine Vorstellung von der Länge des Arbeitshubes gibt. Zur gleichen Zeit, als das Arbeitsgemisch unter dem Kolben explodierte und der Kolben sofort nach oben flog, drehte sich das Zahnrad im Leerlauf, weil ein spezieller Mechanismus es vom Schwungrad der Maschine trennte. Als dann der Kolben und die Zahnstange den äußersten oberen Punkt erreichten und der Druck der Arbeitsgase im Kolben aufhörte zu wirken, begannen der Kolben und die Zahnstange unter ihrem eigenen Gewicht ihren Weg nach unten. An diesem Punkt wurde das Zahnrad an der Schwungradwelle befestigt und der Arbeitshub begann. Somit handelte der Motor mit ruckartigen Impulsen und hatte ein sehr schlechtes Siededrehmoment. Der Motor hatte auch eine geringe Leistung, da die Kraft nur durch das Gewicht des Kolbens und der Zahnstange (dh die Schwerkraft wirkte) sowie den Druck der Atmosphärenluft erzeugt wurde, wenn im Zylinder ein Unterdruck erzeugt wurde die Kühlgase und den angehobenen Kolben. Deshalb wurde der Motor atmosphärisch genannt, weil in ihm neben der Schwerkraft auch die Kraft des Atmosphärendrucks wirkte.

Aber andererseits - bei dieser Motorenkonstruktion waren die Arbeitsabläufe extrem gut organisiert.
Überlegen Sie, wie die Arbeitsprozesse in dieser Engine organisiert und betrieben wurden.
Zunächst hob ein spezieller Mechanismus den Kolben um 1/10 der Zylinderhöhe an, wodurch sich unter dem Kolben ein verdünnter Raum bildete und dort ein Luft-Gas-Gemisch angesaugt wurde. Dann blieb der Kolben stehen. Dann wurde die Mischung mit einer offenen Flamme durch ein spezielles Rohr gezündet. Als ein brennbares Gas explodierte, stieg der Druck unter dem Kolben schlagartig auf 4 atm an. Diese Aktion schleuderte den Kolben nach oben, das Gasvolumen im Zylinder nahm zu und der Druck darunter ab, da das Innenvolumen des Kolbens keine Verbindung zur Atmosphäre hatte und in diesem Moment hermetisch abgedichtet war. Als der Kolben durch die Explosion geschleudert wurde, trennte ein spezieller Mechanismus die Schiene von der Welle. Der Kolben, zuerst unter Gasdruck und dann durch Trägheit, stieg an, bis unter ihm ein erhebliches Vakuum entstand. In diesem Fall erwies sich der Arbeitshub als die maximale Länge und wurde fortgesetzt, bis die gesamte Energie des verbrannten Kraftstoffs (in Form des Überdrucks des Arbeitskörpers) vollständig verbraucht war, um den Kolben anzuheben. Beachten Sie, dass Sie auf dem Foto des Motors sehen können - die Länge des Arbeitshubs (Zylinderhöhe) beträgt ein Vielfaches - das 6-8-fache des Kolbendurchmessers. So lang war sein Schlaganfall. Während bei modernen Kolbenmotoren der Kolbendurchmesser etwa gleich dem Arbeitshub ist. Nur bei Dieseln – diesen modernen Effizienz-Champions – beträgt der Arbeitshub etwa 20-30 Prozent mehr als der Zylinderdurchmesser. Und hier - 6 oder sogar 8 mal mehr….
Außerdem stürzte der Kolben nach unten und der Arbeitshub des Kolbens begann unter der Last seines Eigengewichts und unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks. Nachdem der Druck des im Zylinder komprimierten Gases auf dem Abwärtsweg des Kolbens Atmosphärendruck erreicht hatte, wurde das Auslassventil geöffnet und der Kolben verdrängte mit seiner Masse die Abgase. Die ganze Zeit drehte eine lange Zahnstange ein Zahnrad, das über eine Welle mit einem Schwungrad verbunden war. So entstand die Motorleistung. Nach dem Zurücksetzen des Kolbens in unterster Punkt der Bewegungsbahn, alles wurde noch einmal wiederholt - ein spezieller Mechanismus hob es sanft an und eine frische Portion des Working Mix wurde angesaugt.

Es gibt noch ein Feature - das auf eine spürbare Effizienzsteigerung spielte. Dieses Merkmal war weder beim Lenoir-Motor noch bei modernen 2- und 4-Takt-Motoren vorhanden. Bei einem so ungewöhnlichen Motorschema war der Wirkungsgrad dieses Motors aufgrund der extrem vollständigen Expansion des beheizten Arbeitskörpers deutlich höher als der Wirkungsgrad des Lenoir-Motors und erreichte damit 15 %. Außerdem erfolgte die Zündung des Arbeitsgemisches beim atmosphärischen Ottomotor bei Atmosphärendruck, während dieser Vorgang beim Lenoir-Motor unter zunehmendem Vakuum, d.h. unter Bedingungen eines zunehmenden Abfalls der Druckkräfte, wenn sich herausstellte, dass der Druck merklich unter dem Atmosphärendruck lag.
Es ist auch notwendig zu sagen, dass nach dem Prinzipschema, das dem Schema dieses Motors nahe kommt, heute die Rammgeräte arbeiten - Dieselhämmer. Die Zufuhr und Zündung von Kraftstoff in ihnen ist zwar anders angeordnet, aber das allgemeine schematische Diagramm der Bewegung des Arbeitskörpers ist dasselbe.

Bei Ottos atmosphärischem Motor stand im Moment der Zündung des Arbeitsgemisches der Kolben, und während der Verbrennung der ersten Kraftstoffportionen entstand ein zunehmender Druck im Verbrennungsvolumen, d.h. Kraftstoffanteile, die in der zweiten, dritten und nachfolgenden Stufe verbrannt wurden - sie verbrannten unter Bedingungen steigenden Drucks, d.h. die Verdichtung des Arbeitsgemisches erfolgte aufgrund des Druckaufbaus durch den Flash und der Wärmeabgabe aus den ersten Teilen der brennenden Charge. Gleichzeitig erzeugte die Trägheit des Systems, das von oben auf das brennende Gas drückte - ein Kolben, eine lange Schiene und atmosphärischer Druck, einen starken Widerstand gegen den ersten Impuls der Aufwärtsbewegung, was zu einem spürbaren Druckanstieg im brennende Gasumgebung. Jene. In einem atmosphärischen Ottomotor erfolgte die Verbrennung des Arbeitsgemisches unter Bedingungen einer starken Verdichtung des Hauptvolumens des noch nicht zu brennenden Teils der brennbaren Gasladung. Zwar gab es keine Vorkompression durch den Kolben. Es ist diese tatsächliche Verdichtung einer erheblichen Menge der meisten Kraftstoffdämpfe (zusammen mit einem langen Hub), die während der Verbrennung der Arbeitsgemischladung auftritt, die auf die erhebliche Effizienz des atmosphärischen Ottomotors von 1864 spielte.

Aber moderne Kolbenmotoren, wie der Lenoir-Motor vor 150 Jahren, sind gezwungen, unter Bedingungen eines stark expandierenden Volumens eine neue Ladung des Arbeitsgemisches zu zünden, wenn der Kolben (und er wird von Pleuel und Kurbelwelle sehr kraftvoll angetrieben) verzweifelt läuft vom Boden des Zylinders weg und erweitert das Volumen der "Brennkammer" ... Als Referenz beträgt die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in modernen Motoren 10-20 Meter pro Sekunde, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront in einer stark komprimierten Ladung von Kraftstoffdampf beträgt 20-35 Meter pro Sekunde. Um diese unangenehme Situation bei modernen Motoren zu beseitigen, können Sie jedoch versuchen, die Ladung des Arbeitsgemisches "früh" - d.h. bis der bewegliche Kolben das Ende des vorherigen Hubs auf der Linie des oberen . erreicht Toter Punkt(TDC) oder an einer Position in der Nähe dieses Punktes. Beim Lenoir-Motor war dies jedoch unmöglich, da nach Erreichen des OT des Kolbens der Vorgang des Ansaugens einer frischen Portion brennbaren Gases und Luft begann und seine Zündung nur unter Bedingungen eines stark anwachsenden Volumens der "Brennkammer" möglich ist und ein starker Druckabfall im frischen Teil der Arbeitsmischung unter Atmosphärendruck. Deshalb hatte der Lenoir-Motor einen so extrem niedrigen Wirkungsgrad.

Es kann davon ausgegangen werden, dass, wenn Ottos atmosphärischer Motor einen Funken hätte elektrische Zündung(wie beim früheren Lenoir-Motor), dann könnte sein Wirkungsgrad ziemlich nahe bei 20% liegen. Tatsache ist, dass, wenn eine Ladung des Arbeitsgemisches im Zylinder mit einer offenen Flamme durch ein spezielles Rohr während eines Blitzes gezündet wurde, ein Teil der brennenden Ladung durch dieses Rohr in die Atmosphäre flog und dies waren spürbare Verluste ... Wenn könnten solche Verluste eliminiert werden, dann wäre der Wirkungsgrad dieses Motors sicherlich höher ...
Aber Otto hatte keine Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektrotechnik (wie Lenoir), also installierte er eine so primitive und effizienzmindernde Zündanlage an seinem Saugmotor.

Die SCHLUSSFOLGERUNGEN aus diesem Artikel lauten wie folgt:

1) - die fundierte Meinung über die Möglichkeit, einen extrem hohen Motorwirkungsgrad vor allem durch das Maximum zu erreichen mögliches Ausmaß Vorkompression Arbeitsmischung nur gültig für Kolbenmotorausführungen , wo sich der Kolben (aufgrund des Zwangsantriebs von der Kurbelwelle) mit hoher Geschwindigkeit vom "Boden" des Zylinders in Richtung Kurbelwelle schnell bewegt, das Volumen der "Brennkammer" erweitert und den Druck des gezündeten (und brennenden - auch) Ladung des Arbeitsgemisches. Bei der Lenoir-Kolbenmaschine, die ohne Vorverdichtung des Arbeitsgemisches arbeitet, war dieser Nachteil der Kolbenmaschinen besonders ausgeprägt. Was zu seiner extrem niedrigen Effizienz führte.
Um genau diesen konstruktiven "generischen" Fehler in der Arbeitsorganisation zu beseitigen, wird bei modernen Kolbenmotoren aller Art eine extrem hohe Vorverdichtung eingesetzt, um gerade eine frische Ladung des Arbeitsgemisches zum Verbrennen zu zwingen ausreichend hohe Drücke und Temperaturen (trotz einer schnellen Volumenzunahme der Brennkammer und des entsprechenden Druckabfalls in dieser Kammer), was eine relativ vollständige Verbrennung der Ladung des Arbeitsgemisches und die Bildung eines Arbeitsgemisches garantiert Körper mit hohem Druck und hoher Temperatur.
2) - in der Technikgeschichte gibt es Motorkonstruktionen anderer kinematischer Schemata und eine andere Art der Organisation von Arbeitsabläufen, bei denen auch ohne vorherige starke Verdichtung der Frischladung des Arbeitsgemisches auch mit a . gute Wirkungsgradwerte erreicht werden können sehr primitives Design. Ein Beispiel ist ein atmosphärischer Ottomotor von 1864 mit einem Wirkungsgrad von 15 %.
3) - es ist möglich, einen hocheffizienten Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die Verbrennungsprozesse einer frischen Ladung des Arbeitsgemisches und die Bildung eines Arbeitskörpers mit hohen Parametern durch die natürliche Kompression der brennenden Ladung erfolgen aufgrund der Verbrennungskräfte selbst in einer Brennkammer mit konstantem Volumen. Darüber hinaus erfordert der für moderne Kolbenmotoren charakteristische Prozess der Vorverdichtung auf hohe Werte (20-30 Atmosphären) einen erheblichen Aufwand an Motorenergie und den Einsatz massiver, sperriger und schwerer Teile.
Gleichzeitig wird der Hauptbeitrag zur Erzielung einer hohen Effizienz durch großer Parameter Expansionsvolumen (langer Hub), das deutlich größer ist als das Kompressionsvolumen.

GENAU SOLCHER Motor, das keine kostspielige und umständliche Vorverdichtung einer frischen Ladung der hochwertigen Arbeitsmischung erfordert, erstellt der Autor dieses Artikels derzeit. Bei diesem Motor wird die Vorverdichtung auf niedrige Werte durchgeführt, und die Hauptverdichtung der Ladung des Arbeitsgemisches in der Brennkammer mit konstantem Volumen erfolgt aufgrund der Kräfte der ersten Verbrennungsstufe selbst. Im Idealfall ist dies eine Detonationsverbrennung: Blitz - Explosion. Darüber hinaus wird das Hochdruckarbeitsgremium bis zum Ende seiner Kapazitäten im Bereich der Volumenexpansion expandieren.

Wirksam spezifischer Verbrauch Kraftstoff

Mechanischer Wirkungsgrad des Motors

Die vom Motor entwickelte Wirkleistung N e ist immer kleiner als seine angezeigte Leistung N i , da ein Teil davon für die Überwindung mechanischer Verluste und für den Antrieb des Kompressors aufgewendet wird. Je geringer die mechanischen Verluste im Motor sind, desto mehr der angezeigten Leistung kann auf die Motorwelle übertragen werden.

Mechanischer Wirkungsgrad des Motors(η М) ist das Verhältnis der effektiven Motorleistung zur angegebenen:

Aus dieser Formel können wir die Wirkleistung durch die angegebene Leistung und den mechanischen Wirkungsgrad wie folgt ausdrücken: Ne = η M N i .

Aus den obigen Formeln ist ersichtlich, dass der mechanische Wirkungsgrad ein Bruchteil der effektiven Motorleistung von der angegebenen ist. Um die effektive Leistung des Motors zu ermitteln, müssen Sie seine angegebene Leistung N i mit dem mechanischen Wirkungsgrad η M multiplizieren.

Bei Motoren ohne Kompressor beträgt der mechanische Wirkungsgrad ca. 0,85 ÷ 0,90. Das bedeutet, dass die Überwindung mechanischer Verluste im Motor 10 bis 15 Prozent seiner angegebenen Leistung in Anspruch nimmt. Bei Motoren mit mechanisch angetriebenen kurbelwellengetriebenen Kompressoren wird zusätzlich ein erheblicher Teil der angegebenen Leistung für die Rotation des Kompressors aufgewendet. Dadurch ist der mechanische Wirkungsgrad solcher Motoren entsprechend geringer und liegt im Mittel bei etwa 0,70 ÷ 0,90.

Beim ASH-62IR-Motor mit Niederdruck-Kompressor beträgt der mechanische Wirkungsgrad 0,80 ÷ 0,90.

Effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch(C e) oder kurz der effektive Kraftstoffverbrauch ist der Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit (C h), bezogen auf die Einheit der vom Motor entwickelten effektiven Leistung (N e).

Wenn der Motor die Wirkleistung Ne entwickelt und Kraftstoff pro Zeiteinheit С h verbraucht, dann ist sein Wirkverbrauch С e Wille: Erblicken= CH· N e

Der effektive spezifische Verbrauch gibt an, wie viel Kraftstoff pro Stunde der Motor verbrauchen muss, um eine Leistungseinheit (ein PS) zu entwickeln. Beim ASH-62IR-Motor hängt der effektive Kraftstoffverbrauch von der Betriebsart ab und beträgt 200 ÷ 300 g / PS h.

Der Grad der Nutzung der durch den Kraftstoff in den Motor eingebrachten Wärme zur Erzielung eines effizienten Betriebs ist durch einen effizienten Wirkungsgrad gekennzeichnet.

Effektive Effizienz(η e) ist das Verhältnis der vom Motor in effektive Arbeit (L e) umgewandelten Wärme zu der vom Kraftstoff dem Motor zugeführten Wärme (Q).

Somit berücksichtigt der effektive Wirkungsgrad alle Energieverluste im Motor und charakterisiert ihn als Ganzes als Wärmekraftmaschine und als System von Mechanismen.

Für moderne Flugzeugkolbenmotoren beträgt der Wert von ηе 0,2 ÷ 0,3. Das bedeutet, dass nur 20–30% des verbrauchten Brennstoffs zur Erzeugung von Nutzstrom verwendet werden, die restlichen 70–80% gehen unwiederbringlich verloren. Für den Motor Ash-62IR е≈0.20.

Die vom Motor geleistete Arbeit ist gleich:

Dieser Vorgang wurde erstmals 1824 von dem französischen Ingenieur und Wissenschaftler N. LS Carnot in dem Buch "Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können" betrachtet.

Das Ziel von Carnots Forschung war es, die Gründe für die Unvollkommenheit der damaligen Wärmekraftmaschinen (sie hatten einen Wirkungsgrad von ≤ 5%) herauszufinden und nach Möglichkeiten zu ihrer Verbesserung zu suchen.

Der Carnot-Zyklus ist der effizienteste, der möglich ist. Seine Effizienz ist maximal.

Die Abbildung zeigt die thermodynamischen Prozesse des Kreislaufs. Bei der isothermen Expansion (1-2) bei einer Temperatur T 1 , die Arbeit wird verrichtet, indem die innere Energie der Heizung verändert wird, d. h. indem dem Gas die Wärmemenge zugeführt wird Q:

EIN 12 = Q 1 ,

Die Gaskühlung vor der Kompression (3-4) erfolgt während der adiabatischen Expansion (2-3). Veränderung der inneren Energie U 23 im adiabatischen Prozess ( Q = 0) wird vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt:

EIN 23 = -ΔU 23 ,

Die Gastemperatur infolge der adiabatischen Expansion (2-3) sinkt auf die Temperatur des Kühlschranks T 2 < T 1 ... Im Prozess (3-4) wird das Gas isotherm verdichtet und die Wärmemenge an den Kühlschrank übertragen Q2:

A34 = Q2,

Der Kreislauf endet mit dem adiabatischen Kompressionsprozess (4-1), bei dem das Gas auf eine Temperatur T 1.

Der maximale Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen, die mit idealem Gas betrieben werden, nach dem Carnot-Zyklus:

.

Die Essenz der Formel drückt sich in der bewährten MIT. Satz von Carnot dass die Effizienz einer Wärmekraftmaschine die Effizienz des Carnot-Zyklus bei gleicher Temperatur von Heizgerät und Kühlschrank nicht übersteigen kann.