Wie lautet die Formel zur Bestimmung des Wirkungsgrades des Motors. Das Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen

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 Wege zu ihrer Verbesserung zu finden.

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 des Erhitzers 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... Carnots Theorem, dass die Effizienz jeder Wärmekraftmaschine die Effizienz des Carnot-Zyklus, der bei gleicher Temperatur von Heizgerät und Kühlschrank durchgeführt wird, nicht überschreiten kann.

Wahrscheinlich hat sich jeder über den Wirkungsgrad (Coefficient of Efficiency) eines Verbrennungsmotors gewundert. Denn je höher dieser Indikator ist, desto effizienter arbeitet das Aggregat. Das derzeit effektivste wird betrachtet elektrischer Typ, sein Wirkungsgrad kann bis zu 90 - 95% erreichen, aber für Verbrennungsmotoren, ob Diesel oder Benzin, um es milde auszudrücken, ist es alles andere als ideal ...

Um ehrlich zu sein, sind moderne Versionen von Motoren viel effizienter als ihre Pendants, die vor 10 Jahren auf den Markt kamen, und dafür gibt es viele Gründe. Überlegen Sie selbst, bevor die 1,6-Liter-Version nur 60 - 70 PS leistete. Und jetzt kann dieser Wert 130 - 150 PS erreichen. Dies ist eine mühsame Arbeit zur Effizienzsteigerung, bei der jeder "kleine Schritt" durch Versuch und Irrtum gegeben ist. Beginnen wir jedoch mit einer Definition.

Ist der Wert des Verhältnisses zweier Größen, die zugeführte Leistung Kurbelwelle Motor auf die vom Kolben aufgenommene Leistung aufgrund des Drucks der Gase, die bei der Zündung des Kraftstoffs gebildet werden.

Einfach ausgedrückt ist dies die Umwandlung von thermischer oder thermischer Energie, die bei der Verbrennung entsteht Kraftstoffgemisch(Luft und Benzin) in mechanische. Es ist zu beachten, dass dies beispielsweise bei Dampfkraftwerken bereits passiert ist - auch Kraftstoff drückte unter Temperatureinfluss die Kolben der Aggregate. Allerdings waren die Anlagen dort um ein Vielfaches größer und der Brennstoff selbst war fest (meist Kohle oder Brennholz), was den Transport und den Betrieb erschwerte. Verbrennungsmotoren sind viel kompakter und leichter als Dampfmaschinen, und Kraftstoff ist viel einfacher zu lagern und zu transportieren.

Mehr über Verluste

Mit Blick auf die Zukunft können wir mit Zuversicht sagen, dass die Effizienz Benzinmotor liegt im Bereich von 20 bis 25 %. Und dafür gibt es viele Gründe. Wenn wir den eingehenden Kraftstoff nehmen und ihn in Prozent umrechnen, dann erhalten wir sozusagen „100% der Energie“, die auf den Motor übertragen wird, und dann folgen die Verluste:

1)Kraftstoffeffizienz ... Nicht jeder Kraftstoff verbrennt, ein kleiner Teil davon geht mit Abgasen weg, auf diesem Niveau verlieren wir bereits bis zu 25 % Wirkungsgrad. Natürlich jetzt Kraftstoffsysteme verbessern, ist ein Injektor erschienen, aber er ist alles andere als ideal.

2) Der zweite ist der Wärmeverlust.und ... Der Motor erwärmt sich selbst und viele andere Elemente wie Kühler, seinen Körper, die darin zirkulierende Flüssigkeit. Außerdem geht ein Teil der Hitze weg von Abgase... Bei all dem bleiben immer noch bis zu 35 % Wirkungsgradverlust.

3) Der dritte sind mechanische Verluste ... AUF allen Arten von Kolben, Pleueln, Ringen - überall dort, wo Reibung herrscht. Dazu können auch Verluste aus der Generatorlast gehören, zum Beispiel: Je mehr Strom der Generator erzeugt, desto mehr verlangsamt er die Drehung der Kurbelwelle. Natürlich sind auch Schmierstoffe vorangekommen, aber auch hier konnte noch niemand die Reibung vollständig besiegen - weitere 20% Verlust

Unterm Strich liegt der Wirkungsgrad also bei ca. 20 %! Natürlich gibt es unter den Benzinoptionen hervorragende Optionen, bei denen dieser Indikator auf 25% erhöht wird, aber es gibt nicht so viele davon.

Das heißt, wenn Ihr Auto 10 Liter Kraftstoff pro 100 km verbraucht, gehen nur 2 Liter davon direkt zur Arbeit und der Rest sind Verluste!

Natürlich können Sie die Leistung erhöhen, indem Sie beispielsweise den Kopf aufbohren, sehen Sie sich ein kurzes Video an.

Wenn Sie sich an die Formel erinnern, stellt sich heraus:

Welcher Motor hat den höchsten Wirkungsgrad?

Jetzt möchte ich über Benzin- und Dieseloptionen sprechen und herausfinden, welche davon am effizientesten ist.

Um es einfach auszudrücken und nicht in den Dschungel der Fachbegriffe zu gehen, dann - wenn man die beiden Effizienz vergleicht - effizienter davon natürlich Diesel und hier der Grund:

1) Ein Benzinmotor wandelt nur 25 % der Energie in mechanische Energie um, ein Dieselmotor etwa 40 %.

2) Wenn Sie den Dieseltyp mit einem Turbolader ausstatten, können Sie einen Wirkungsgrad von 50-53% erreichen, was sehr wichtig ist.

Warum ist es dann so effektiv? Ganz einfach: Trotz ähnlicher Arbeitsweise (beide sind Verbrennungsmotoren) verrichtet der Diesel seine Arbeit deutlich effizienter. Es hat eine höhere Verdichtung und der Kraftstoff entzündet sich nach einem anderen Prinzip. Er heizt weniger auf, wodurch Kühlung eingespart wird, er hat weniger Ventile (Reibungsersparnis), er verzichtet auch auf die üblichen Zündspulen und Kerzen, wodurch zusätzliche Energiekosten vom Generator entfallen. Es funktioniert mit niedrigeren Drehzahlen, Sie müssen die Kurbelwelle nicht wie verrückt durchdrehen - das geht alles Dieseloption Meister in der Effizienz.

Über Dieselkraftstoffeffizienz

Aus einem höheren Wert des Wirkungsgrades folgt auch die Kraftstoffeffizienz. So kann beispielsweise ein 1,6-Liter-Motor in der Stadt nur 3-5 Liter verbrauchen, im Gegensatz zu Benzintyp, wobei die Durchflussmenge 7 - 12 Liter beträgt. Ein Dieselmotor hat viel, der Motor selbst ist in letzter Zeit oft kompakter und leichter, sowie in letzter Zeit auch umweltfreundlicher. All diese positiven Punkte werden durch den größeren Wert erreicht, es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Effizienz und Verdichtung, siehe ein kleines Schild.

Bei allen Vorteilen hat es aber auch viele Nachteile.

Wie deutlich wird, ist die Effizienz eines Verbrennungsmotors alles andere als ideal, daher liegt die Zukunft definitiv in elektrischen Optionen - es bleibt nur noch zu finden effiziente Batterien die keine Angst vor Frost haben und lange halten.

Leistungszahl (COP) ist eine Kenngröße für die Leistung eines Systems in Bezug auf die Energieumwandlung oder -übertragung, die durch das Verhältnis der eingesetzten Nutzenergie zur vom System aufgenommenen Gesamtenergie bestimmt wird.

Effizienz- die Menge ist dimensionslos, sie wird normalerweise in Prozent ausgedrückt:

Die Leistungszahl (Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine wird durch die Formel bestimmt: mit A = Q1Q2. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist immer kleiner als 1.

Carnot-Zyklus ist ein reversibler zirkulärer Gasprozess, der aus zwei aufeinanderfolgenden isothermen und zwei adiabatischen Prozessen besteht, die mit einem Arbeitsmedium durchgeführt werden.

Der Kreiskreislauf mit zwei Isothermen und zwei Adiabaten entspricht dem maximalen Wirkungsgrad.

Der französische Ingenieur Sadi Carnot leitete 1824 eine Formel für den maximalen Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ab, bei der das Arbeitsmedium ideales Gas, dessen Zyklus aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten bestand, also dem Carnot-Zyklus. Der Carnot-Zyklus ist ein echter Arbeitszyklus einer Wärmekraftmaschine, der aufgrund der dem Arbeitsmedium zugeführten Wärme in einem isothermen Prozess Arbeit verrichtet.

Die Formel für den Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, also den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, hat die Form: , wobei T1 die absolute Temperatur der Heizung, T2 die absolute Temperatur des Kühlschranks ist.

Wärmekraftmaschinen- das sind Strukturen, in denen thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.

Wärmekraftmaschinen sind sowohl im Design als auch im Zweck vielfältig. Diese beinhalten Dampfmaschinen, Dampfturbine, Verbrennungsmotoren, Strahltriebwerke.

Trotz der Vielfalt gibt es jedoch Gemeinsamkeiten im Funktionsprinzip verschiedener Wärmekraftmaschinen. Die Hauptkomponenten jeder Wärmekraftmaschine sind:

• Heizung;
• Arbeitsorgan;
• Kühlschrank.

Die Heizung gibt Wärmeenergie ab, während sie das Arbeitsfluid erwärmt, das sich in der Arbeitskammer des Motors befindet. Das Arbeitsmedium kann Dampf oder Gas sein.

Nachdem die Wärmemenge aufgenommen wurde, dehnt sich das Gas aus, weil sein Druck ist größer als der äußere Druck und bewegt den Kolben, wodurch positive Arbeit entsteht. Gleichzeitig sinkt sein Druck und das Volumen nimmt zu.

Wenn Sie ein Gas komprimieren, das die gleichen Zustände durchläuft, aber in umgekehrte Richtung, dann werden wir das gleiche in absoluten Werten tun, aber negative Arbeit. Als Ergebnis wird die gesamte Arbeit pro Zyklus null sein.

Damit die Arbeit der Wärmekraftmaschine von Null verschieden ist, muss die Arbeit der Gaskompression geringer sein als die Arbeit der Expansion.

Damit die Kompressionsarbeit geringer wird als die Expansionsarbeit, ist es notwendig, dass der Kompressionsvorgang bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet, dazu muss das Arbeitsmedium gekühlt werden, daher wird ein Kühlschrank in die Auslegung der Wärme einbezogen Motor. Das Arbeitsmedium gibt bei Kontakt mit ihm die Wärmemenge an den Kühlschrank ab.

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 Aussichten, Motoren zu verbessern?

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 Kraftstoffeffizienzniveaus 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 bekannten Sprichwort - "der Berg hat eine Maus geboren".
Übrigens deshalb überhaupt große Länder Es gibt eine ganze Branche des "Motortunings", dh. eine Vielzahl von kleinen Firmen, halbfertigen Werkstätten und einzelnen Spezialisten, die es sich zur Aufgabe machen, die Serienmotoren der Massenautomarken irgendwie zu mehr Hochleistung Leistung, Drehmoment usw. Dh. 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 den Motoren sind in ihrem Wesen 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 1920er Jahren erfolgreich angewendet wurde und das erste Patent in den Vereinigten Staaten für ein solches Gerät bereits 1905 vom Schweizer Ingenieur Alfred Büchi erteilt wurde ... Kolbenmotoren Militärluftfahrt bereits in der Anfangszeit des Zweiten Weltkriegs. Jene. alles moderne "fortgeschritten" technische Systeme Der Kampf um die Verbesserung der Effizienz und Kraftstoffeffizienz von Motoren ist bereits weniger als hundert Jahre alt oder sogar noch länger. Mit all diesen Tricks ist der General Effizienz der Besten Benzinmotoren (mit Fremdzündung) nicht mehr als 25-30% und die Effizienz der besten Dieselmotoren in ihren wirtschaftlichsten Großversionen (mit vielen komplexen Zusatzgeräten) kann sie über viele Jahrzehnte 40-45% nicht überschreiten. 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.

* * * Also - die Effizienz des Motors, nach den Lehrbüchern für Technische Universitäten besteht aus zwei Werten: 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, wie viel von der aktiven Arbeit des Motors nutzlos für die Überwindung verschiedener mechanischer Widerstände und den Antrieb zusätzlicher Geräte im Motor selbst aufgewendet wird.

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 den Katalysatoren in den Auspuffrohren moderner "hocheffizienter" Autos ausgebrannt wird. 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 der allgemeinen 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 wurde und hoher Druck und welcher Teil des Kraftstoffs nie verbrannt wurde und in Form von unvollständigen Verbrennungsprodukten, verkohlten Partikeln (in Form von Rauch, Ruß und Ruß) oder allgemein in Form von reinen Kraftstoffdämpfen den Motor direkt passierte und herausflog in das Auspuffrohr. Wenn Sie neben einem alten, funktionierenden Haushaltsauto, 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, weder in den alten sowjetischen Lehrbüchern zur Theorie und Berechnung von Verbrennungsmotoren noch in endlose Ressourcen das moderne Internet konnte nicht gefunden werden.
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 genau berechnen. Aus diesen Daten folgt also, dass Kolbenmotoren (auch Dieselmotoren) im Durchschnitt nicht mehr als 75 % des Kraftstoffs verbrennen, jedoch 25 % der Kraftstoffdämpfe und Produkte seiner unvollständigen Verbrennung in das Abgasrohr gelangen und die Dienste eines Nachbrenners benötigen (um nicht zu vergiften Umgebung). Jene. bei heute existierenden Motoren verbrennen nicht mehr als 75 % des Kraftstoffs vollständig und werden 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 und über die Abgase an die Umgebung abgegeben.

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%.
In Großmotoren wie Schiffsdiesel oder große Motoren Lokomotiven und Lastwagen ist es einfacher, Energie zu sparen, aber wir werden nicht darüber sprechen.

Aber - der Wirkungsgrad von 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 bei kohlebefeuerten Dampfmaschinen mit 7-8% Wirkungsgrad, aber immer noch sehr gering.
Überlegen wir, 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 (z. B. 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 Brennstoff 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 verschwendete 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 IN 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" zu erhalten, wird im Auspuff moderner Autos ein katalytischer Nachbrenner installiert, der den Kraftstoff auf den Oberflächen seiner aktiven Elemente "nachbrennt". . 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 Platinoberflächen ist jedoch sehr hoch und sie funktionieren nur für eine begrenzte Zeit.

Aufgabe- einen Motor zu bekommen, 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 - Arbeitsmischung Es ist nicht genug Zeit für eine vollständige Verbrennung. Diese " Geburtskrankheiten» Kolbenmotoren sind praktisch unheilbar, so dass die Ingenieurskunst seit mehr als 120 Jahren versucht, sie loszuwerden, nie einen Weg gefunden hat, 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 es für die vollständige und vollständige Verbrennung von Kraftstoffdämpfen wünschenswert ist hohe Temperatur und Hochdruck. 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 einer hohen Temperatur und hoher 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 Kraftstoffdampfes 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 nicht vollständig 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 "Combustion-Expansion"-Prozesses gefunden, indem eine "frühe Zündung" so angeordnet wird, dass möglichst wenig der PCM-Verbrennung auf der Linie der schnellen Expansion und einer starken Zunahme des Volumens von die Brennkammer. Aber dies ist ein erzwungener Plan, der mit anderen Nebenproblemen behaftet ist. Da die "frühe 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 eine stark ansteigende Belastung 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 andererseits haben Dieselmotoren im Gegenzug viele andere Schwierigkeiten bekommen - schweres Gewicht, Sperrigkeit und beeindruckende Dimensionen. Tatsächlich hat es niemand geschafft, 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 zu verbrennen, 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 der größte Teil des Kraftstoffdampfs noch verbrennt und den erforderlichen Druck und die erforderliche Temperatur liefert.

Sie können den anderen Weg gehen - machen Sie eine "magere Mischung", dh. 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 PCM aufgrund einer niedrigen Geschwindigkeit unter die Bedingungen einer starken Zunahme des Brennkammervolumens und eines Temperaturabfalls fällt. 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 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. In der Folge fehlt wieder Luft für die Kraftstoffverbrennung und wiederum eine schlechte Kraftstoffeffizienz ... Einspritzmotoren teilweise ohne einen solchen Nachteil, aber der Rest der Probleme des Kolbenmotors manifestiert sich "in vollem Umfang".

Es ist notwendig, zwei äußerst widersprüchliche technologische Arbeitsprozesse zu trennen - "Verbrennung - Bildung von Arbeitsgasen mit hohem Druck und hoher Temperatur" und "Expansion von Arbeitsgasen mit hohem Druck und hoher Temperatur". Dann können beide Prozesse in spezialisierten Kammern und Geräten mit den optimalsten Parametern gestartet werden. 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 Brennprozess 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, die maximal mögliche Menge an Wärme und Verbrennungsgasen abgeben und gleichzeitig minimal giftige Verbrennungsprodukte in den Auspuff gelangen. Dies kann jedoch nur durch Bereitstellung einer ausreichend langen Brenndauer der Charge des "armen" PCM in einem abgeschlossenen Volumen bei steigendem Druck und signifikanter Temperatur erfolgen. Das ist bei einem Kolbenmotor praktisch unmöglich.

* * *
Zweite Schadensstufe- erhebliche Wärmeverluste aus der Verbrennung des "vom Motor aufgenommenen Kraftstoffs".
Die Wärmebilanz eines Ottomotors lässt sich wie folgt zusammenfassen:
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 mit der gleichen Leistung bei dieser Effizienz beginnt 2 mal zu 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, sondern 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. Betriebsdruck in 3 oder 3,5 Atmosphären und arbeitete erfolgreich in Kohlebergwerken und in Hüttenwerken, wie die Motoren der ersten Dampflokomotiven.

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 jedoch nur, den gesamten Überdrucküberschuss in Nutzarbeit umzuwandeln, aber die erhöhte Temperatur der glühenden Gase der Brennstoffverbrennung kann durch dieses Verfahren nicht ausgenutzt 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-Gemisches 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.
Bei einer Kolben-Brennkraftmaschine wird jedoch die maximale Temperatur der Gase in der ersten Stufe des Zyklus durch das Kühlsystem verhindert, und die minimale Übertemperatur der Gase am Ende des Zyklus wird durch die Unmöglichkeit der Integration der Dampfkomponente behindert in den Motorkreislauf. 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 braucht der Motor kein sperriges und schweres Auspuff, das bei herkömmlichen Kolbenmotoren das Dröhnen der Abgase durch "Schüsse" mit einem Überdruck von 8-10 Atmosphären löscht. Denn bei der vorgeschlagenen Konstruktion wird der Überdruck der Abgase minimal sein.

* * *
Die dritte Verlustebene- spürbare Leistungsverluste zur Überwindung von Reibungskräften sowie Trägheitskräften hin- und herbewegter Massen sowie Verluste an Antriebshilfsmechanismen. Diese Verluste werden als mechanische Verluste definiert. Sie hängen vom kinematischen Schema des Motors ab. Doch neben den eigentlichen mechanischen Verlusten beeinflusst das kinematische Diagramm und seine Auslegung noch eine weitere wichtige Kennzahl, die nicht direkt mit dem Wirkungsgrad zu tun hat: 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 der Pleuelstange (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. Ein derart abrupt pulsierender Drehmomentmodus ist für den Antrieb von Aktuatoren von geringem Nutzen. Und erst bei hohen Drehzahlen von Kolbenmotoren steigt die Drehmomentkraft 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 die Abnahme der Motorleistung 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 komprimieren.

So beheben Sie dieses Manko: es ist notwendig, eine Konstruktion des Motors 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 möglichst lange gehalten werden, idealerweise 100 % anstreben. 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) Grundlegend technologische Prozesse Motor "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 einen echte Chance- Wasserversorgung zur Umwandlung der hohen Temperatur der Verbrennungsgase in den Druck des entstehenden Dampfes.
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 effektiveren, alternativen zu suchen Kolbenschema, Motorkonstruktion. Und den notwendigen Anforderungen am nächsten kommt das Schema eines Wankelmotors.

Bei meiner Arbeit zum Konzept eines perfekten Wankelmotors bin ich nur 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 alle sind daran gewöhnt, dass sparsam und leistungsstarker Motor muss ein hohes Kompressionsverhältnis haben. Motoren haben daher in Sportwagen immer ein hohes Verdichtungsverhältnis, und beim Motortuning (Boosten) zur Leistungssteigerung von Serienmotoren wird zunächst deren Verdichtungsverhältnis erhöht.
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 in den 1860er Jahren der erste Lenoir ICE auftauchte (der ohne Kompression arbeitete), er Dampfmaschinen in der Effizienz nur knapp übertraf und als (15 Jahre später) der 4-Takt Otto ICE erschien, der mit Kompression arbeitete , 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 Kompressionsraten 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. Deshalb gibt es keine kleinen Dieselmotoren für Motorräder, Außenbordmotoren, Leichtflugzeuge usw. Deshalb haben die Standard-Automotoren, die einer ernsthaften Abstimmung unterzogen - "geklemmt" - eine so geringe Lebensdauer.
Zweitens: Je höher das Kompressionsverhältnis, desto stärkeres Risiko Detonation mit allen daraus resultierenden destruktiven Folgen. Das Betanken mit minderwertigem Benzin kann einen solchen Motor einfach zerstören. Über Detonation - lesen Sie in einem speziellen ARTIKEL. Jene. bei einem gewissen Kompressionsgrad müssen immer teurere und Spezialbenzin oder spezielle Zusätze dazu. 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. Einführung in den frühen siebziger Jahren Umweltstandards führte in den meisten Ländern 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.

* * * Nach sorgfältiger Analyse der Stellenangebote verschiedene Typen Motoren und suchen nach Wegen, deren Effizienz zu verbessern, finden Sie andere Möglichkeiten, 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 kann der Druck der Arbeitsgase besser ausgenutzt werden - die Gase arbeiten 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 Hubraum von 25.480 Litern und einer Leistung von 108.920 PS. bei 102 U/min., der Zylinderdurchmesser beträgt 960 mm, mit dem Kolbenhub - 2500 mm.

Gleichzeitig möchte ich Sie daran erinnern, dass solche Schiffsdiesel mit Rohöl betrieben werden, das sehr hohe Verdichtungsverhältnisse für einen so großen Kolbenhub 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. alles beides positive Aspekte aus dem Aufbau des Verdichtungsverhältnisses auf andere Weise und ohne die mit dem Aufbau des Verdichtungsverhältnisses inhärenten Schwierigkeiten erhalten werden.

Berücksichtigung der ersten Position - große Länge des Arbeitshubes. Entscheidend für die Effizienz ist ein langer Hub, 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.

Im Idealfall 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. Bei einem Kolbenmotor ist dies jedoch fast unmöglich (oder es ist sehr schwierig und schwierig - zum Beispiel beim Kushul-Motor). Aber es gibt viele Kreiselmotor-Schaltkreise, mit denen Sie dieses Dilemma leicht lösen können. 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 hohe Geschwindigkeit und Fülle. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Motors. Es stellt sich jedoch heraus, dass das Verdichtungsverhältnis (Hochdruck) nicht der einzige und nicht einmal der beste Weg ist, um 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 verschlossenen Brennkammer mit konstantem Volumen, dh die Kraftstoffanteile, die in der "zweiten Reihe" verbrennen (mehr als 60% der Masse von die Ladung) wird mit einem sehr hohen Verdichtungsverhältnis (Druck von etwa 100 atm.) verbrennen, 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 beide oben genannten Bedingungen bei einem Kolbenmotor mit Kurbelmechanismus es ist unmöglich zu beobachten und sicherzustellen. Daher arbeiten Kolbenmotoren mit erhöhten Verdichtungsverhältnissen mit allen sich daraus ergebenden Schwierigkeiten und können die 40-%-Effizienzgrenze fast 100 Jahre lang nicht überwinden.

Der BOTTOM dieses Artikels ist wie folgt - ein hocheffizienter Hochleistungsmotor mit hohem Wirkungsgrad kann ein moderates Verdichtungsverhältnis haben, wenn er 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 Motorteile und die Karosserie werden sehr sperrig und dickwandig (wie bei einem Diesel), um standzuhalten hohe Drücke und große Trägheitslasten. 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-Expansions-Verfahren (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 einem starken Rückgang der thermischen Wirkungsgrad Motor.
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 zum 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 Optimalfall müssen Sie 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 Arbeitshublinie) sollte dieses kleine Kompressionsverhältnis einmal um etwa 6-8 überschreiten.
Eine solche Fragestellung mag allen Kennern traditioneller Motorschaltungen, 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 betrieben wurden, d.h. in der Zeit der Entstehung der ersten Verbrennungsmotoren.

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 waren Verdichtungsverhältnis und Expansionsverhältnis (wie bei allen aktuellen Kolben-Verbrennungsmotoren mit KShM) 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 heute schon seine Grenzwerte erreicht.

ABER in der Präsentation dieser Informationen gibt es ein großes ABER ...
Es stellt sich heraus, dass derselbe Nikolaus Otto, bevor er seine berühmten 4 Hubmotor mit Kompression im Jahr 1877, etwas früher - 1864 schuf, produzierte und verkaufte er erfolgreich viele Hundert seiner anderen Erfindungen - atmosphärischer Motor Verbrennungsmotor, der ohne Vorverdichtung arbeitet. 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 geringe 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 Zufuhrventil geschlossen. Eine elektrische Kerze gab einen Funken ab – und das Arbeitsgemisch blitzte 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 "Expansionslinie" - 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 keine Möglichkeit hatten zu arbeiten) und der sehr ineffektiven Organisation der Arbeitsabläufe, wenn die extrem "fetten" " Die Arbeitsmischung wurde bei einem Druck gezündet, der merklich unter dem atmosphärischen Druck unter Bedingungen aktiver Volumenexpansion lag. Jene. dieser Motor hätte als Motor bezeichnet werden müssen, der mit einer VORLÄUFIGEN EXPANSION (Verdünnung) des Arbeitsgemischs betrieben wird….

WEITERE - Betrachten Sie das Betriebsschema eines anderen Motors, der ohne vorherige Kompression des Arbeitsgemisches arbeitete, aber einen Wirkungsgrad von 15% hatte. Dies ist ein atmosphärischer Ottomotor von 1864. Es war ein sehr ungewöhnlicher Motor. Er schien seiner Kinematik nach etwas völlig Hässliches und nicht Arbeitstaugliches zu sein, aber mit einem "ungeschickten" kinematischen Schema handelte er nach einem sehr rationalen Schema zur Organisation von Arbeitsabläufen und hatte somit 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. Dann, als der Kolben und die Zahnstange das Äußerste erreichten Spitzenpunkt, und der Druck der Arbeitsgase im Kolben hörte auf zu wirken, der Kolben und die Zahnstange begannen sich unter ihrem eigenen Gewicht nach unten zu bewegen. 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 Siededrehmomentregime. 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 waren bei dieser Motorenkonstruktion die Arbeitsabläufe sehr 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. V dieser Fall der Arbeitshub erwies sich als die maximale Länge und dauerte an, 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 Hub etwa 20-30 Prozent mehr als die Zylinderbohrung. 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 die Bewegungsbahn, alles wiederholte sich noch einmal - ein spezieller Mechanismus hob es sanft an und eine frische Portion der Arbeitsmischung 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 Unterdruck, 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. Zwar ist die Zufuhr und Zündung von Kraftstoff in ihnen 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 der Arbeitsmischung erfolgte aufgrund des Druckaufbaus durch den Flash und der Wärmeabgabe aus den ersten Teilen der brennenden Charge. In diesem Fall 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 in der Verbrennung führte 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 Arbeitsmischungsladung auftritt, die auf die erhebliche Effizienz des Otto-Atmosphärenmotors 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 zu beseitigen, können Sie bei modernen Motoren jedoch versuchen, die Ladung des Arbeitsgemisches "früh" - d.h. bevor der sich bewegende Kolben auf der Abschlusslinie des vorherigen Hubs des oberen Totpunkts (TDC) oder in einer Position in der Nähe dieses Punktes erreicht wird. 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 ansteigenden 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 ... Verluste eliminiert werden könnten, 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 , bei dem 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 diesen besonderen konstruktiven „generischen“ Fehler in der Arbeitsorganisation zu beseitigen, wird bei modernen Kolbenmotoren aller Art eine extrem hohe Vorverdichtung eingesetzt – gerade um eine frische Ladung des Arbeitsgemisches zum Verbrennen zu zwingen bei ausreichend hohen Drücken 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 von a Arbeitskörper von hohem Druck und hoher Temperatur.
2) - in der Technikgeschichte gibt es noch andere Motorenkonstruktionen kinematische Diagramme und eine andere Möglichkeit, Arbeitsabläufe zu organisieren, bei der auch ohne vorherige starke Verdichtung der frischen Ladung des Arbeitsgemisches auch mit einer sehr primitiven Konstruktion gute Wirkungsgrade erzielt werden können. 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.

Die Leistungszahl (COP) ist ein Wert, der die Effizienz eines bestimmten Mechanismus (Motor, System) in Bezug auf die Umwandlung der aufgenommenen Energie in Nutzarbeit in Prozent ausdrückt.

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Warum Dieseleffizienz höher ist

Der Wirkungsgrad bei verschiedenen Motoren kann stark variieren und hängt von mehreren Faktoren ab. haben einen relativ geringen Wirkungsgrad aufgrund der Vielzahl von mechanischen und Wärmeverlusten, die beim Betrieb eines derartigen Aggregats entstehen.

Der zweite Faktor ist die Reibung, die durch das Zusammenwirken von zusammenpassenden Teilen entsteht. Der größte Teil des Verbrauchs an Nutzenergie entfällt auf den Antrieb der Motorkolben sowie die Rotation von Teilen im Inneren des Motors, die strukturell auf Lagern befestigt sind. Etwa 60 % der Energie der Benzinverbrennung wird nur für den Betrieb dieser Aggregate verbraucht.

Zusätzliche Verluste entstehen durch den Betrieb anderer Mechanismen, Systeme und Anhänge... Es berücksichtigt auch den Prozentsatz der Verluste aufgrund des Widerstands zum Zeitpunkt der Aufnahme der nächsten Kraftstoff- und Luftladung und dann der Freisetzung von Abgasen aus dem Zylinder des Verbrennungsmotors.

Wenn du vergleichst Dieselinstallation und ein Benziner Dieselmotor hat einen spürbar höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu Benzineinheit... Benzinbetriebene Aggregate haben einen Wirkungsgrad von ca. 25-30% der gesamten aufgenommenen Energiemenge.

Mit anderen Worten, von 10 Litern Benzin, die für den Motorbetrieb ausgegeben werden, werden nur 3 Liter für nützliche Arbeiten ausgegeben. Der Rest der Energie aus der Brennstoffverbrennung wurde für Verluste aufgewendet.

Bei gleichem Arbeitsvolumen ist die Leistung des atmosphärischen Benzinmotors höher, wird aber bei höheren Drehzahlen erreicht. Der Motor muss "gedreht" werden, Verluste steigen, Kraftstoffverbrauch steigt. Erwähnenswert ist auch das Drehmoment, das wörtlich die Kraft bedeutet, die vom Motor auf die Räder übertragen wird und das Auto antreibt. Benzin-Verbrennungsmotoren das maximale Drehmoment bei höheren Drehzahlen erreichen.

Ein ähnlicher Saugdiesel erreicht sein maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und verbraucht weniger Dieselkraftstoff, um nützliche Arbeit zu leisten, was eine höhere Effizienz und einen höheren Kraftstoffverbrauch bedeutet.

Dieselkraftstoff erzeugt mehr Wärme als Benzin, die Verbrennungstemperatur von Dieselkraftstoff ist höher und die Detonationsfestigkeit ist höher. Es stellt sich heraus, dass ein Diesel-ICE produziert wurde nützliche Arbeit ab einer bestimmten Kraftstoffmenge mehr.

Energiewert von Dieselkraftstoff und Benzin

Dieselkraftstoff besteht aus schwereren Kohlenwasserstoffen als Benzin. Der geringere Wirkungsgrad einer Benzinanlage im Vergleich zu einem Dieselmotor liegt auch im Energieanteil des Benzins und den Besonderheiten seiner Verbrennung. Vollständige Verbrennung eine gleiche Menge Dieselkraftstoff und Benzin wird im ersten Fall mehr Wärme abgeben. Wärme ein Diesel-Verbrennungsmotor vollständiger in nutzbare mechanische Energie umgewandelt. Es stellt sich heraus, dass bei der Verbrennung der gleichen Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit der Diesel mehr Arbeit leistet.

Es lohnt sich auch, die Merkmale der Einspritzung und die Schaffung geeigneter Bedingungen für die vollständige Verbrennung des Gemischs zu berücksichtigen. Der Diesel wird getrennt von der Luft mit Kraftstoff versorgt, er wird nicht in den Ansaugkrümmer, sondern direkt am Ende des Kompressionshubs in den Zylinder. Das Ergebnis ist eine höhere Temperatur und die vollständigste Verbrennung eines Teils des Arbeitskraftstoff-Luft-Gemisches.

Ergebnisse

Konstrukteure sind ständig bestrebt, die Effizienz von Diesel- und Benzinmotoren zu verbessern. Erhöhung der Anzahl der Ein- und Auslassventile pro Zylinder, aktive Nutzung, elektronische Steuerung Kraftstoffeinspritzung, Gaspedal und andere Lösungen können die Effizienz deutlich steigern. Dies gilt in stärkerem Maße für den Dieselmotor.

Dank dieser Eigenschaften ist ein moderner Dieselmotor in der Lage, einen Teil des mit Kohlenwasserstoffen gesättigten Dieselkraftstoffs in einem Zylinder vollständig zu verbrennen und bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Niedrige Drehzahl bedeuten weniger Reibungsverluste und Reibungswiderstand. Aus diesem Grund gehört ein Dieselmotor heute zu den produktivsten und wirtschaftlichsten Arten von Verbrennungsmotoren, deren Wirkungsgrad oft über 50 % liegt.

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