Jaki jest wzór na sprawność silnika. Zasada działania silników cieplnych

Praca wykonana przez silnik jest równa:

Po raz pierwszy ten proces został rozważony przez francuskiego inżyniera i naukowca N. LS Carnota w 1824 roku w książce „Refleksje na temat siły napędowej ognia i maszyn zdolnych do rozwijania tej siły”.

Celem badań Carnota było poznanie przyczyn niedoskonałości ówczesnych silników cieplnych (miały sprawność ≤ 5%) i znalezienie sposobów ich ulepszenia.

Cykl Carnota jest najbardziej wydajnym z możliwych. Jego wydajność jest maksymalna.

Rysunek przedstawia procesy termodynamiczne cyklu. W procesie ekspansji izotermicznej (1-2) w temperaturze T 1 praca wykonywana jest ze względu na zmianę energii wewnętrznej nagrzewnicy, czyli na skutek doprowadzenia ilości ciepła do gazu Q:

ZA 12 = Q 1 ,

Chłodzenie gazu przed kompresją (3-4) następuje podczas rozszerzania adiabatycznego (2-3). Zmiana energii wewnętrznej ΔU 23 w procesie adiabatycznym ( Q \u003d 0) jest całkowicie przekształcona w pracę mechaniczną:

ZA 23 \u003d -ΔU 23 ,

Temperatura gazu w wyniku rozszerzania adiabatycznego (2-3) spada do temperatury lodówki T 2 < T 1 ... W procesie (3-4) gaz jest sprężany izotermicznie, przenosząc ciepło do lodówki Pytanie 2:

A 34 \u003d Q 2,

Cykl kończy się adiabatycznym procesem sprężania (4-1), w którym gaz jest podgrzewany do określonej temperatury T 1.

Maksymalna wartość sprawności silników cieplnych pracujących na gazie idealnym wg cyklu Carnota:

.

Istota formuły jest wyrażona w sprawdzonym Z... Twierdzenie Carnota, że \u200b\u200bsprawność żadnego silnika cieplnego nie może przekroczyć sprawności cyklu Carnota przeprowadzonego w tej samej temperaturze grzejnika i lodówki.

Zapewne wszyscy zastanawiali się nad sprawnością (współczynnikiem sprawności) silnika spalinowego. W końcu im wyższy ten wskaźnik, tym wydajniej działa jednostka napędowa. Typ elektryczny jest obecnie uważany za najbardziej wydajny, jego sprawność może sięgać nawet 90 - 95%, ale w przypadku silników spalinowych, czy to diesla, czy benzyny, daleki jest od ideału ...

Szczerze mówiąc, nowoczesne wersje silników są znacznie bardziej wydajne niż ich odpowiedniki, które zostały wypuszczone 10 lat temu, a powodów jest wiele. Pomyśl o sobie, zanim wersja o pojemności 1,6 litra produkowała tylko 60 - 70 KM. A teraz ta wartość może osiągnąć 130 - 150 KM. To żmudna praca nad zwiększeniem wydajności, w której każdy „mały krok” jest wykonywany metodą prób i błędów. Zacznijmy jednak od definicji.

Jest wartością stosunku dwóch wielkości, mocy, która jest dostarczana na wał korbowy silnika do mocy odbieranej przez tłok, z powodu ciśnienia gazów, które powstały w wyniku zapłonu paliwa.

Mówiąc najprościej, jest to zamiana energii cieplnej lub cieplnej, która pojawia się podczas spalania mieszanki paliwowej (powietrza i benzyny) na energię mechaniczną. Należy zaznaczyć, że zdarzyło się to już np. W elektrowniach parowych - także paliwo pod wpływem temperatury popychało tłoki bloków. Jednak instalacje tam były wielokrotnie większe, a samo paliwo było stałe (najczęściej węgiel lub drewno opałowe), co utrudniało transport i eksploatację, konieczne było ciągłe „podawanie” do pieca łopatami. Silniki spalinowe są dużo bardziej kompaktowe i lżejsze niż silniki parowe, a paliwo jest dużo łatwiejsze do przechowywania i transportu.

Więcej o stratach

Patrząc w przyszłość, możemy śmiało powiedzieć, że sprawność silnika benzynowego mieści się w przedziale od 20 do 25%. Istnieje wiele powodów. Jeśli weźmiemy dopływające paliwo i przeliczymy je w procentach, to w pewnym sensie otrzymujemy „100% energii”, która jest przekazywana do silnika, a potem straty poszły:

1) Oszczędność paliwa ... Nie całe paliwo spala się, niewielka jego część wydostaje się ze spalinami, na tym poziomie tracimy już do 25% sprawności. Oczywiście teraz poprawiają się układy paliwowe, pojawił się wtryskiwacz, ale jest daleki od ideału.

2) Drugi to utrata ciepła.i ... Silnik nagrzewa się sam i wiele innych elementów, jak chłodnice, jego korpus, płyn, który w nim krąży. Ponadto część ciepła jest odprowadzana wraz ze spalinami. To wszystko nadal do 35% utraty wydajności.

3) Trzeci to straty mechaniczne ... NA wszelkiego rodzaju tłoki, korbowody, pierścienie - wszędzie tam, gdzie występuje tarcie. Może to również obejmować straty wynikające z obciążenia generatora, na przykład im więcej energii elektrycznej generuje generator, tym bardziej spowalnia on obroty wału korbowego. Oczywiście smary również się posunęły, ale znowu nikt nie był w stanie całkowicie pokonać tarcia - kolejne 20% straty

Podsumowując, wydajność wynosi około 20%! Oczywiście z opcji benzyny są wybitne opcje, w których liczba ta jest zwiększona do 25%, ale nie ma ich tak wiele.

Oznacza to, że jeśli Twój samochód spala 10 litrów paliwa na 100 km, to tylko 2 litry z nich trafią bezpośrednio do pracy, a reszta to straty!

Oczywiście możesz zwiększyć moc, na przykład wytaczając głowę, obejrzyj krótki film.

Jeśli przypomnisz sobie formułę, okaże się:

Który silnik ma najwyższą wydajność?

Teraz chcę porozmawiać o opcjach benzyny i oleju napędowego i dowiedzieć się, która z nich jest najbardziej wydajna.

Mówiąc prościej i nie wchodząc w dżunglę terminów technicznych, to - jeśli porównamy dwa współczynniki wydajności - olej napędowy jest oczywiście bardziej wydajny, a oto dlaczego:

1) Silnik benzynowy przekształca tylko 25% energii w energię mechaniczną, podczas gdy silnik wysokoprężny przekształca około 40%.

2) Jeśli wyposażysz typ oleju napędowego w turbosprężarkę, możesz osiągnąć sprawność 50-53%, a to jest bardzo znaczące.

Dlaczego więc jest tak skuteczny? Wszystko jest proste - pomimo podobnego rodzaju pracy (obie jednostki spalinowe), diesel wykonuje swoją pracę znacznie wydajniej. Ma większą kompresję, a paliwo zapala się na innej zasadzie. Mniej się nagrzewa, co oznacza oszczędność na chłodzeniu, ma mniej zaworów (oszczędność na tarciu), nie ma też zwykłych cewek zapłonowych i świec, co oznacza, że \u200b\u200bnie są wymagane dodatkowe koszty energii z generatora. Działa przy niższych obrotach, nie trzeba szaleńczo kręcić wałem korbowym - wszystko to sprawia, że \u200b\u200bwersja z silnikiem Diesla jest mistrzem wydajności.

Wydajność oleju napędowego

Z wyższej wartości sprawności wynika również oszczędność paliwa. Na przykład silnik o pojemności 1,6 litra może spalić w mieście tylko 3-5 litrów, w przeciwieństwie do benzyny, w której zużycie wynosi 7-12 litrów. Silnik wysokoprężny ma dużo, sam silnik jest często bardziej kompaktowy i lżejszy, a ostatnio także bardziej przyjazny dla środowiska. Wszystkie te pozytywne punkty uzyskuje się dzięki większej wartości, istnieje bezpośredni związek między wydajnością a kompresją, patrzymy na małą płytkę.

Jednak pomimo wszystkich plusów ma też wiele minusów.

Jak się okazuje, sprawność silnika spalinowego jest daleka od ideału, dlatego przyszłość jest zdecydowanie w opcjach elektrycznych - pozostaje tylko znaleźć wydajne akumulatory, które nie boją się mrozu i długo utrzymują ładunek.

Współczynnik wydajności (COP) jest cechą charakterystyczną działania systemu pod względem konwersji lub transferu energii, która jest określona stosunkiem użytej energii użytej do całkowitej energii odebranej przez system.

Wydajność - ilość jest bezwymiarowa, zwykle wyrażana w procentach:

Współczynnik osiągów (sprawność) silnika cieplnego określa wzór :, gdzie A \u003d Q1Q2. Sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż 1.

Cykl Carnota jest odwracalnym obiegowym procesem gazowym, na który składają się dwa następujące po sobie procesy izotermiczne i dwa adiabatyczne, wykonywane za pomocą płynu roboczego.

Cykl kołowy, który obejmuje dwie izotermy i dwie adiabaty, odpowiada maksymalnej wydajności.

Francuski inżynier Sadi Carnot w 1824 roku wyprowadził wzór na maksymalną wydajność idealnego silnika cieplnego, w którym płynem roboczym jest gaz idealny, którego cykl składał się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów, czyli cyklu Carnota. Cykl Carnota to rzeczywisty cykl pracy silnika cieplnego, który wykonuje pracę z powodu ciepła dostarczanego do płynu roboczego w procesie izotermicznym.

Wzór na sprawność cyklu Carnota, czyli maksymalną sprawność silnika cieplnego, ma postać: , gdzie T1 to temperatura bezwzględna grzejnika, T2 to temperatura bezwzględna lodówki.

Silniki cieplne - są to konstrukcje, w których energia cieplna zamieniana jest na energię mechaniczną.

Silniki cieplne są zróżnicowane zarówno pod względem konstrukcji, jak i przeznaczenia. Należą do nich silniki parowe, turbiny parowe, silniki spalinowe, silniki odrzutowe.

Jednak pomimo różnorodności istnieją wspólne cechy w zasadzie działania różnych silników cieplnych. Główne elementy każdego silnika cieplnego to:

• podgrzewacz;
• ciało robocze;
• lodówka.

Nagrzewnica uwalnia energię cieplną, podgrzewając płyn roboczy, który znajduje się w komorze roboczej silnika. Czynnikiem roboczym może być para lub gaz.

Po otrzymaniu ciepła gaz rozszerza się, ponieważ jego ciśnienie jest większe niż ciśnienie zewnętrzne i porusza tłokiem, powodując pozytywną pracę. W tym samym czasie jego ciśnienie spada, a jego objętość rośnie.

Jeśli sprężamy gaz, przechodząc przez te same stany, ale w przeciwnym kierunku, zrobimy to samo w wartości bezwzględnej, ale ujemnej. W rezultacie cała praca na cykl będzie wynosić zero.

Aby praca silnika cieplnego była niezerowa, praca sprężania gazu musi być mniejsza niż praca rozprężania.

Aby praca sprężania była mniejsza niż praca rozprężania, konieczne jest, aby proces sprężania odbywał się w niższej temperaturze, w tym celu płyn roboczy musi być schłodzony, dlatego w konstrukcji silnika cieplnego uwzględniono lodówkę. Płyn roboczy oddaje ciepło w kontakcie z lodówką.

Sprawność (sprawność) to stopień sprawności zużycia energii paliwa w silniku, im jest wyższy, tym więcej energii cieplnej ze spalania paliwa jest zamieniane w silniku na energię mechaniczną obrotu wału głównego. Im mniej paliwa zużywa silnik na jednostkę mocy wyjściowej.

ARTYKUŁ 1

WYDAJNOŚĆ SILNIKA - DOSTRAJANIE GLOBALNYCH POMYSŁÓW,
Czy są perspektywy na ulepszenie silników?

Nowoczesne silniki spalinowe wiele dziesięcioleci temu - wraz z pojawieniem się układów wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania powietrza wpływającego do cylindrów, osiągnęły dzisiejsze wartości wydajności i oszczędności paliwa. Dlatego dziś światowe korporacje - producenci silników do samochodów i innego sprzętu wydają dużo pieniędzy i wieloletnich wysiłków, aby zwiększyć wydajność tylko o 2 - 3% kosztem wysokich kosztów i znacznej komplikacji konstrukcji silnika. Wysiłki i koszty okazują się całkowicie nieporównywalne z uzyskanymi wynikami. Rezultat tego wszystkiego - jak w słynnym przysłowie - „urodziła mysz”.
Nawiasem mówiąc, dlatego we wszystkich dużych krajach istnieje cała branża „tuningu silników”, tj. ogromna liczba małych firm, warsztatów pół-rzemieślniczych i indywidualnych specjalistów, którzy zobowiązują się w jakiś sposób doprowadzić standardowe silniki masowo produkowanych marek samochodów do wyższych wskaźników mocy, momentu obrotowego itp. poddawać silnik dostrajaniu, rewizji, wymuszaniu itp. sztuczki, które są popularnie określane jako tuning silnika.

Ale wszystkie te środki i działania techniczne dotyczące silników mają bardzo standardowy charakter, a wszystkie te strojenie są pomysłami na co najmniej pół wieku. Przypomnę, że turbodoładowanie powietrza wchodzącego do silnika z powodzeniem zastosowano już w latach 20.ubiegłego wieku, a pierwszy patent w USA na takie urządzenie otrzymał szwajcarski inżynier Alfred Büchi już w 1905 roku ... A systemy bezpośredniego wtrysku paliwa do cylindrów były masowo stosowane w silnikach tłokowych lotnictwo wojskowe już w początkowym okresie II wojny światowej. Te. Wszystkie nowoczesne „zaawansowane” systemy techniczne walczące o poprawę sprawności i oszczędności paliwa silników mają już niecałe sto lat, a nawet więcej. Przy tych wszystkich trikach ogólna sprawność najlepszych silników benzynowych (z wymuszonym zapłonem iskrowym) nie przekracza 25-30%, a sprawność najlepszych silników Diesla w ich najbardziej ekonomicznych wielkogabarytowych wersjach (posiadających wiele skomplikowanych urządzeń dodatkowych) nie może przekraczać 40 przez wiele dziesięcioleci. -45%. Małe diesle mają o 10 procent mniejszą wydajność.

W tym artykule postaramy się pokrótce iw popularnym języku nakreślić główne zadania i określić teoretyczne możliwości stworzenia silnika spalinowego o pewnej sprawności powyżej 50%.

* * * A więc - sprawność silnika, sądząc po podręcznikach dla politechnik, składa się z dwóch wartości: sprawność termodynamiczna i sprawność mechaniczna .

Pierwsza wartość wskazuje, ile ciepła wytworzonego w silniku jest zamieniane na użyteczną pracę, a ile jest tracone w otaczającej przestrzeni. Sprawność mechaniczna wskazuje, ile aktywnej pracy silnika poświęcamy na pokonywanie różnych oporów mechanicznych i napędzanie dodatkowego wyposażenia w samym silniku.

Jednak z jakiegoś powodu we wszystkich podręcznikach pojęcie „efektywności paliwowej” nie jest wprowadzane do pojęcia ogólnej wydajności. Czyli wartość, która pokaże, ile paliwa jest spalane korzystnie i zamienia się w ciepło oraz objętość gazów roboczych, a ile paliwa nie spala się i trafia do spalin w postaci par paliwa lub produktów jego niepełnego spalania. To właśnie ta niespalona część paliwa jest spalana w katalizatorach zainstalowanych w rurach wydechowych nowoczesnych „wysoce wydajnych” samochodów. Te. wydech dzięki zastosowaniu tych układów okazuje się być dość czysty, ale układ ten nie zwiększa efektywności paliwowej i sprawności silnika. Wręcz przeciwnie, zmniejsza - bo aby „przepompować” część spalin przez „gęstą siatkę” powierzchni katalitycznych, silnik musi pracować jak solidna pompa i przeznaczać na to znaczną część swojej mocy. Oczywiście we wzorach do obliczania sprawności ta kategoria jest jakoś obecna, ale nie jest obecna jawnie i nieśmiało. Na przykład w takiej postaci jak np. W jednym ze wzorów ogólnego bilansu cieplnego występuje składnik „Q n.s. - ciepło uzyskane w wyniku niepełnego spalania. ” Ale wszystkie te podejścia są niejasne, dlatego postaram się przedstawić wszystko tak jasno i systemowo, jak to tylko możliwe.

Tak więc ogólna wydajność silnika zostanie rozłożona na 3 główne części:

• efektywność paliwowa;
• wydajność termiczna;
• sprawność mechaniczna;

Istota tych wartości jest następująca:

Oszczędność paliwa- pokazuje ile paliwa skutecznie spalono w silniku i zamieniło się w objętość gazów roboczych o wysokiej temperaturze i ciśnieniu oraz jaka część paliwa nigdy nie została spalona w postaci produktów niecałkowitego spalania, zwęglonych cząstek (w postaci dymu, sadzy i sadzy), lub praktycznie w postaci czystej oparów paliwa, przeszedł bezpośrednio przez silnik i wleciał do rury wydechowej. Kiedy stoisz obok starego, pracującego samochodu domowego, zwłaszcza ciężarówki, i czujesz silny zapach benzyny - ten wynik daje po prostu tak nieefektywny rodzaj częściowego spalania paliw;
Wydajność termiczna - pokazuje, ile ciepła otrzymanego ze spalania paliwa zamienia się na użyteczną pracę, a jaka ilość jest bezużytecznie rozpraszana w otaczającej przestrzeni;
Sprawność mechaniczna - pokazuje, ile pracy mechanicznej zamienia się w siłę momentu obrotowego na wale głównym i jest przenoszone na konsumenta, a ile bezużytecznie wydaje się na tarcie lub na napędzanie mechanizmów wsporczych;

Rozważmy pokrótce wszystkie te pozycje:
Oszczędność paliwa - nie można było znaleźć zrozumiałych danych na ten temat ani w starych radzieckich podręcznikach z teorii i obliczania silników spalinowych, ani w niekończących się zasobach współczesnego Internetu.
W tych danych dotyczących obliczania katalizatorów niespalonego paliwa do nowoczesnych samochodów można było znaleźć zrozumiałe i znaczące dane. W końcu muszą również dokładnie obliczyć wydajność swoich dopalaczy dla określonej ilości niespalonych węglowodorów wchodzących do silników. Tak więc z tych danych wynika, że \u200b\u200bsilniki tłokowe (również silniki Diesla) spalają średnio nie więcej niż 75% paliwa, ale 25% oparów paliwa i produktów jego niecałkowitego spalania trafia do rury wydechowej i potrzebuje usług dopalacza (aby nie zatruwać środowiska) ). Te. w istniejących obecnie silnikach nie więcej niż 75% paliwa jest całkowicie spalane i przekształcane w ciepło. W przypadku silników dwusuwowych ta wartość jest jeszcze niższa.

Wydajność termiczna - średnio silniki tłokowe mają tę sprawność na poziomie 35-40%. Te. Około 65% wytworzonego ciepła jest odprowadzane do otoczenia poprzez układ chłodzenia i spaliny.

Sprawność mechaniczna - średnio 10% pracy silnika przypada na tarcie między jego częściami oraz na napęd mechanizmów pomocniczych silnika.

W rezultacie, biorąc pod uwagę sumę strat cieplnych i mechanicznych, nowoczesne silniki tłokowe o niewielkich rozmiarach i mocy mają sprawność nie większą niż 30%.
Duże silniki, takie jak okrętowe silniki wysokoprężne czy duże silniki lokomotyw i ciężarówek kolejowych, łatwiej oszczędzać energię, ale nie będziemy o nich rozmawiać.

Ale - wartość sprawności 30% nie uwzględnia proporcji niespalonego paliwa tj. nie uwzględnia użyteczności spalania par paliwa w silniku. Uważam, że biorąc pod uwagę ten parametr, wartość rzeczywistej sprawności tłokowych silników benzynowych nie będzie wyższa niż 20%, a diesla - nieco więcej, o około 5-7%.

Wynik jest lepszy niż w przypadku silników parowych opalanych węglem o sprawności 7-8%, ale wciąż bardzo niewielkiej.
Zastanówmy się - dlaczego określona „oszczędność paliwa” nie mieści się w pojęciu efektywności? Dlaczego pojęcie sprawności wyraźnie pomija udział paliwa, które nie wnosi „wkładu” swojej części w proces spalania i wytwarzania ciepła? Te. większość strat w nowoczesnych silnikach pomija pojęcie sprawności i czy dane dotyczące współczesnych wartości sprawności bez uwzględnienia tych strat są wyraźnie zawyżone?

Prawda tkwi w samym znaczeniu terminu „efektywność”. Te. jest to określenie udziału pracy pożytecznej - „działania” i udziału pracy bezużytecznej. Część pracy lub uwolnienie energii jest pożyteczna, a część (np. Do przezwyciężenia tarcia lub energii cieplnej traconej wraz ze spalinami) jest bezużyteczna, ale jest i ta energia jest namacalna i brana pod uwagę. Ale straty z niespalonego paliwa nie przejawiają się ani w postaci bezużytecznego ciepła, ani w niedocelowej pracy. Te „minusy bilansu” nie oznaczają utraty miejsc pracy ani strat ciepła. To są straty, czyste paliwo. Te. nie są to straty w dżulach ani w atmosferach, ale w gramach i litrach. W przypadku takich strat pomiar lub rozliczanie nie może być zastosowane do kategorii utraty ciśnienia lub utraty ciepła, bezużytecznych działań lub zmarnowanej pracy.

Dlatego też, wyłącznie zgodnie z regułami logiki formalnej, WSPÓŁCZYNNIK UŻYTECZNEGO DZIAŁANIA nie powinien uwzględniać tych strat. W tym celu powinien istnieć inny wskaźnik i wyznacznik, ale nie ma tak jasnego i zrozumiałego parametru w szerokim zastosowaniu. Otrzymujemy więc celowo obcięty i nadmiernie błogi wskaźnik sprawności nowoczesnych silników - wskaźnik sprawności, który uwzględnia tylko część strat ...

W rzeczywistości łączna sprawność nowoczesnych silników spalinowych okazuje się zauważalnie niższa niż ogólnie postulowana sprawność 35-40% sprawności. Przecież brane są pod uwagę tylko dobroczynne działanie i marnowana na próżno energia oraz dodatkowa praca wytwarzana przez spaloną część paliwa. Ale straty niespalonej części paliwa z całkowitego bilansu paliwa dostarczanego do silnika nie są w pełni określone ...

KONTROLA I WYKAZ STRAT W LODZIE TŁOKOWYM Postaramy się pokrótce rozważyć i przeanalizować wszystkie straty energii zawartej w paliwie, pojedynczo, zgodnie z pozycjami przedstawionymi powyżej. A potem - rozważyć możliwości pozbycia się tych strat. Te. postaramy się sformułować koncepcję i zarysować ogólne cechy doskonałego silnika.

* * *
Pierwszy poziom strat - niepełne spalanie paliwa w komorach spalania silnika. Wszyscy specjaliści wiedzą, że paliwo w nowoczesnych silnikach spala się niecałkowicie i część z niego trafia wraz ze spalinami do spalin. Dlatego nowoczesne silniki spalinowe zatruwają powietrze produktami niecałkowitego spalania węglowodorów iw celu uzyskania „czystego spalin” w rurze wydechowej nowoczesnych samochodów montuje się dopalacz katalityczny, który „dopala” paliwo na powierzchniach jego elementów aktywnych. W rezultacie paliwo, które nie jest podgrzewane w cylindrach, jest bezużytecznie utleniane w tych katalizatorach. Ale spaliny stają się czystsze. Ale cena tych katalizatorów z powierzchniami rodu i platyny jest bardzo wysoka i działają one przez ograniczony czas.

Zadanie - uzyskać silnik, który W PEŁNI spala paliwo w swoich komorach spalania i całkowicie zamienia energię wiązań chemicznych paliwa na ciepło oraz dużą ilość prostych spalin, takich jak para wodna i CO2.

Po pierwsze, zastanów się, dlaczego tradycyjne silniki tłokowe nie spalają całkowicie paliwa. Co uniemożliwia realizację pełnego procesu spalania?

Główną trudnością w silnikach tłokowych na ten temat jest brak tlenu do spalania, a także realizacja procesu spalania w jednym cyklu technologicznym z rozprężaniem spalin. Ostatnią sytuację można opisać innymi słowy - mieszanina robocza nie ma wystarczająco dużo czasu na pełne spalenie. Te „ogólne choroby” silników tłokowych są praktycznie nieuleczalne, więc myśl inżynierów przez ponad 120 lat prób ich pozbycia się nie znalazła sposobu, aby to zrobić.

Przyjrzyjmy się bliżej tej wadzie: kiedy tłok znajduje się w górnym martwym punkcie (GMP), następuje zapłon sprężonej mieszaniny roboczej (PCm). Rozpoczyna się proces spalania, który płynie przez jakiś czas. Przybliżone spalanie mieszaniny roboczej w nowoczesnym silniku szybkoobrotowym trwa około milisekundy - 0,001 sek. Ogólnie wszystkie 4 kroki odbywają się w 0,02-0,04 sekundy.

Wiadomo, że dla pełnego i całkowitego spalania oparów paliwa pożądana jest wysoka temperatura i wysokie ciśnienie. Ale natychmiast po minięciu GMP tłok zaczyna się poruszać w dół ze znacznym wzrostem objętości przestrzeni nad tłokiem. Te. W miarę jak czoło spalania mieszaniny roboczej (PCm) rozprzestrzenia się w komorze spalania, pierwsze części spalonego PCm będą się palić w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Ale ostatnie fragmenty spalania PCM znajdują się w warunkach gwałtownie spadającego ciśnienia i spadającej temperatury. W związku z tym użyteczność spalania gwałtownie spada, a nawet całkowicie się zatrzymuje. Z tego powodu część PCM nie ma czasu na spalenie lub nie wypala się całkowicie. Dlatego część oparów paliwa trafia do rury wydechowej, a spaliny z pewnością zawierają produkty niecałkowitego spalania węglowodorów paliwowych. W efekcie część paliwa nie spala się i nie zamienia swojej energii na ciepło, a następnie na obrót wału głównego silnika, a jedynie zanieczyszcza i zatruwa otaczające powietrze.

Praktycznie niemożliwe jest wyeliminowanie tej wady, ponieważ już podstawowa konstrukcja silnika tłokowego zakłada najważniejszą zasadę łączenia dwóch różnych procesów w jednym cyklu technologicznym „spalanie - rozprężanie”: spalanie i rozprężanie produktów spalania. Procesy te są trudne do połączenia, ponieważ każdy z nich przebiega optymalnie w warunkach wzajemnie wykluczających się optymalnych warunków dla innego procesu.

Rzeczywiście, proces spalania sprężonego wsadu PCM najlepiej będzie odbywać się w zamkniętej komorze o stałej objętości. W termodynamice proces ten określa się jako proces „izochoryczny”. Te. ładunek PCM spali się całkowicie i zamieni na ciepło i ciśnienie całą energię wiązań chemicznych węglowodorów paliwowych w zamkniętej komorze w warunkach szybko rosnącego ciśnienia i temperatury.
A proces rozprężania najlepiej przebiegać będzie w warunkach niskiej temperatury (aby zapewnić smarowanie powierzchni ślizgowych i trących elementów roboczych silnika), przy niewielkim ruchu korpusu głównego (tłoka).
Jak widać, oba te warunki nie mogą być w pełni spełnione w silnikach tłokowych, dlatego połączony proces rozszerzania spalania przebiega zgodnie z „scenariuszem kompromisowym”, gdy dla każdego z procesów powstaje mało odpowiednich warunków, ale ostatecznie nadal w jakiś sposób pozwalają realizować przebieg tych wspólnych procesów co najmniej 50% wydajności. W efekcie proces eksploatacji nowoczesnego silnika tłokowego to technologia ciągłych trudnych kompromisów i znacznych strat.

W wyniku takiego „kompromisowego małżeństwa” ze stratami dla obu stron zaangażowanych w sprawę otrzymujemy następujący wynik:
— następuje spalanie w warunkach gwałtownego rozszerzania się komory spalania, a nawet przy znacznie niskiej temperaturze ścian cylindra. W efekcie paliwo nie spala się w pełni i jest nieefektywne, a nawet część ciepła ze spalonego paliwa jest tracona podczas podgrzewania zimnych ścianek chłodzonego cylindra. Te. spalanie odbywa się w skrajnie nieefektywnych warunkach.
— następuje ekspansja w warunkach wysokich temperatur z procesu spalania połączonych z rozszerzaniem. Dlatego ścianki cylindra muszą być schłodzone, ponieważ olej do smarowania powierzchni trących tłoka i cylindra w temperaturze powyżej 220 C ° traci swoje „śliskie właściwości”, a tarcie zaczyna się „wysychać”, a zwęglony olej spieka się na stałe cząstki, które zaczynają jeszcze bardziej przeszkadzać ten proces.

Częściowo wyjście z impasu procesu „spalanie - ekspansja” znajduje się poprzez takie zorganizowanie „wczesnego zapłonu”, aby jak najmniej spalania PCM zachodziło na linii szybkiego rozprężania i dużego przyrostu objętości komory spalania. Ale to wymuszony plan, najeżony innymi problemami bocznymi. Ponieważ „wcześniejszy zapłon” zakłada zapłon PCM i wytworzenie początkowego etapu roboczego ciśnienia spalin jeszcze przed dotarciem tłoka do GMP, tj. na końcowym etapie pomiaru „kompresji”. W konsekwencji bezwładność mechanizmu korbowego (KShM) musi pokonać to powstające ciśnienie płonącego PCM i kompresować z powodu bezwładności obrotu KShM lub pracy innych tłoków, które zaczęły rozszerzać płonący PCM. Rezultatem tego kompromisu jest gwałtowny wzrost obciążenia wału korbowego, tłoków, korbowodów i sworzni KShM, a także spadek wydajności. Te. lokomotywa okazuje się areną konfrontacji sił wielokierunkowych.

Innym trudnym tematem dla silników tłokowych jest brak tlenu. To prawda, że \u200b\u200bjest to typowe tylko dla silników benzynowych (silniki pracujące z wymuszonym zapłonem iskrowym), silniki wysokoprężne (silniki pracujące z zapłonem samoczynnym) pozbawione są tej wady. Ale z drugiej strony silniki wysokoprężne mają w zamian wiele innych trudności - dużą wagę, masywność i imponujące wymiary. Rzeczywiście, nikomu nie udało się stworzyć wydajnego silnika wysokoprężnego o akceptowalnych wymiarach i pojemności poniżej 1,2 litra ... To właśnie silnik najmniejszego diesla Audi-A2. A odejście diesli o bardzo małych wymiarach ma smutny skutek. A więc - małe silniki wysokoprężne fabryki ciągników Vladimir D-120 (są instalowane na minitraktorze) o mocy 25-30 KM. mają wagę 280-300 kg. Te. jeden koń mechaniczny odpowiada 10 kg masy. Inni producenci na całym świecie mają podobną sytuację.
Tak więc paliwo nie spala się całkowicie, gdy PCM jest „bogaty”, tj. zawiera dużo oparów paliwa i mało powietrza (tlenu). Taki PCM nie ma szans na całkowite spalenie, po prostu brakuje tlenu do utlenienia węglowodorów w paliwie. W rezultacie opary paliwa, które nie zostały spalone z tego powodu, trafiają do wydechu. Ale z drugiej strony taki PCM szybko się pali, chociaż jest uszkodzony. Oznacza to, że większość oparów paliwa nadal się pali i wytwarza wymagane ciśnienie i temperaturę.

Można iść w drugą stronę - zrobić „ubogą mieszankę”, tj. w PCM będzie dużo powietrza (tlenu) i mało oparów paliwa. Dzięki temu w idealnym przypadku taki PCM będzie w stanie spalić się całkowicie - wszystkie opary paliwa spalą się w 100% z pełną wydajnością. Ale taki PCM ma sporą wadę - spala się znacznie wolniej niż „bogata mieszanka” iw warunkach naprawdę pracującego silnika tłokowego, gdzie spalanie odbywa się na linii szybkiego przyrostu objętości taki PCm po prostu nie ma czasu na całkowite wypalenie. Ponieważ znaczna część spalania takiego PCM spada z powodu niskiej prędkości w warunkach gwałtownego wzrostu objętości komory spalania i spadku temperatury. Najważniejsze jest to, że PCM nie wypala się ponownie całkowicie, nawet w wariancie „uboga mieszanka”, a zauważalna jego część nie jest spalana w spalinach.

I znowu wydajność paliwowa takiego trybu pracy silnika tłokowego jest bardzo niska.
Istotną rolę w niskim dopływie tlenu do procesu spalania PCM odgrywa także metoda sterowania silnikami gaźnikowymi „metoda ilościowa”. W celu spowolnienia obrotów silnika i zmniejszenia jego „ciągu” kierowca zakrywa przepustnicę, ograniczając tym samym dopływ powietrza do gaźnika. W efekcie znowu brakuje powietrza do spalania paliwa i znowu słaba efektywność paliwowa… Silniki wtryskowe są częściowo pozbawione takiej wady, ale reszta kłopotów z silnikiem tłokowym pojawia się w nich „w całości”.

Konieczne jest rozdzielenie dwóch skrajnie przeciwstawnych roboczych procesów technologicznych - „spalanie - powstawanie gazów roboczych o wysokim ciśnieniu i temperaturze” oraz „rozprężanie gazów roboczych o wysokim ciśnieniu i temperaturze”. Wtedy oba te procesy można uruchomić w wyspecjalizowanych komorach i urządzeniach o najbardziej optymalnych parametrach. Te. spalanie będzie odbywać się „izochorycznie” - w zamkniętej objętości, przy wzroście ciśnienia i wzroście temperatury. A ekspansję można przeprowadzić w warunkach niskiej temperatury.

W zasadzie pomysł dokonania takiego „wielkiego podziału” był formułowany przez różnych wynalazców i inżynierów z różnych krajów przez długi czas. Na przykład rozwój niemieckiej firmy DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG ”na temat silnika tłokowego z oddzielną komorą spalania. Ale jak dotąd nikomu nie udało się zaproponować teoretycznie pięknego i sprawnego technicznie obwodu do zastosowania w metalu. Ta sama niemiecka firma DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG ”zaczęła otrzymywać patenty na swoje rozwiązania około 15 lat temu, ale nie słyszała o prawdziwym sukcesie w tworzeniu naprawdę działającego silnika.

Dlatego konieczne jest zapewnienie długiego procesu spalania ładunku PCm w zamkniętej objętości - „proces izochoryczny”. W tych warunkach możliwe będzie spalenie świadomie „ubogiej mieszanki”, przy dużym współczynniku nadmiaru powietrza, gdy opary paliwa spalą się całkowicie, dając maksymalną możliwą ilość ciepła i spalin, a minimalnie toksyczne produkty spalania trafią do spalin. Ale można to zrobić tylko przez zapewnienie wystarczająco długiego czasu spalania wsadu „słabego” PCM w zamkniętej objętości przy rosnącym ciśnieniu i znacznej temperaturze. Czego praktycznie nie da się zapewnić w silniku tłokowym.

* * *
Drugi poziom strat - znaczne straty ciepła uzyskiwanego ze spalania „paliwa zasymilowanego przez silnik”.
Bilans cieplny silnika benzynowego można podsumować w następujący sposób:
1) - ciepło przekazane do pracy użytkowej: 35%;
2) - utrata ciepła ze spalinami: 35%;
3) - utrata ciepła ze strat przez układ chłodzenia: 30%;

Zadanie - uzyskać silnik z minimalną utratą ciepła do otoczenia. Idealnym celem byłoby stworzenie silnika o sprawności cieplnej na poziomie 80%. Ale nawet jeśli uda nam się osiągnąć ten wskaźnik 65-70%, zamiast 35% dzisiaj, będzie to ogromny krok naprzód. Te. silnik o tej samej mocy przy tej sprawności zacznie zużywać 2 razy mniej paliwa niż wcześniej.

Analiza dzisiejszej wady: Najpierw zastanówmy się, dlaczego tradycyjne silniki tłokowe mają tak duże straty ciepła „na boki”? Co prowadzi do tak smutnej sytuacji?

Pierwsza kategoria strat ciepła - straty ciepła z odprowadzaniem przez ściany cylindrów z układem chłodzenia. Generalnie, aby zwiększyć sprawność cieplną, silnik w ogóle nie powinien być chłodzony. Z tego powodu temperatura części silnika natychmiast wzrośnie - a to zwęgli olej (co utworzy film ułatwiający ślizganie się po powierzchniach ciernych), a tłok przestanie łatwo się poruszać w cylindrze i silnik wkrótce się zablokuje. Tutaj ponownie napotykamy na sprzeczności łączenia dwóch procesów w jednym skoku - spalania i rozprężania. Temperatura podczas wybuchu spalania w początkowym okresie zapłonu PCm - dochodzi do 3000 C °. A graniczna temperatura oleju, gdy nadal smaruje i chroni przed tarciem, wynosi 200 - 220 stopni. Po przekroczeniu tego progu temperatury olej zaczyna się „palić” i zwęglać. Aby zapewnić wysoką wydajność, nie jest uzasadnione chłodzenie silnika, ale zapewnienie ruchu głównego korpusu roboczego - tłoka, smarowanie jest niezbędne ... układ chłodzenia, który umożliwia ruch tłoka w cylindrze - radykalnie zmniejsza sprawność cieplną silnika. To celowy i konieczny spadek wydajności.

Druga kategoria strat ciepła- straty ciepła ze spalinami. Temperatura spalin na wylocie z cylindrów dla różnych rozmiarów i silników wynosi od 800 do 1100 ° C. Dlatego w silniku pracującym na wysokich obrotach kolektory wydechowe czasami zaczynają się nagrzewać do szkarłatnego żaru ... Oznacza to tylko jedno - energia spalania paliwa, która zamieniła się w energię wewnętrzną spalin w postaci ich wysokiej temperatury, jest tracona nieodwracalnie i całkowicie bezużyteczna. To właśnie przez ten kanał „strat ciepła” nowoczesne silniki spalinowe tracą około 35% energii spalania paliwa. A niezmiernie trudno jest zamienić tę energię w pożyteczną pracę, maksimum, które zrobiono, to włożenie turbiny do układu wydechowego, która obraca sprężarkę turbosprężarki. Zwiększa to ciśnienie powietrza wpływającego do cylindrów. A to nieznacznie zwiększa wydajność. Ale - trzeba zrozumieć, że turbina „wychwytuje” nie podwyższoną temperaturę, lecz nadciśnienie gazów opuszczających cylinder. Te. to trochę inny temat i inny rodzaj ekonomii.

Okazuje się więc, że silnik tłoka słabo „przetwarza” nie tylko temperaturę, ale także wysokie ciśnienie gazów roboczych. W rzeczywistości gazy robocze o nadciśnieniu 8-10 atmosfer trafiają do wydechu. To dużo, trzeba tylko pamiętać, że pierwsze maszyny parowe na początku XIX wieku miały ciśnienie robocze 3 lub 3,5 atmosfery iz powodzeniem pracowały w kopalniach i zakładach hutniczych, podobnie jak silniki pierwszych lokomotyw parowych.

Chodzi tutaj o te same geometryczne wymiary objętości sprężania i objętości rozszerzania. W silniku tłokowym są równe i nic nie można na to poradzić. Idealnie byłoby, gdyby te wielkości były inne. Sztuczka taka jak cykl Atkinsona, kiedy w silnikach tłokowych objętość sprężania jest mniejsza niż objętość rozprężania, jest nieskuteczna, ponieważ gwałtownie zmniejszają moment obrotowy silnika.

Jednak zwiększenie objętości komory rozprężnej umożliwi jedynie przekształcenie w użyteczną pracę całego nadciśnienia, ale podwyższona temperatura żarzących się spalin paliwa nie może być wykorzystana tą metodą. Inżynierom przyszło tylko do głowy, że wtryskiwanie wody do cylindrów zamienia ciepło w pracę. W teorii: woda, zamieniając się w parę wysokociśnieniową, gwałtownie zwiększy ciśnienie powstałej mieszaniny parowo-gazowej i jednocześnie znacznie obniży jej temperaturę. Ale w silniku tłokowym przez ponad 80 lat wysiłków w tym kierunku nie powstało nic efektywnego i wydajnego. Obwód tłokowy silnika spalinowego okazał się bardzo wrogi temu pomysłowi i nie pozwalał na wprowadzenie do cyklu pracy silnika suwu pary lub fazy parowej.

Trzeba powiedzieć, że zgodnie z fundamentalną zasadą termodynamiki, sformułowaną prawie 200 lat temu przez S. Carnota, silnik cieplny o maksymalnej możliwej wydajności musi mieć maksymalną temperaturę gazów roboczych na początku cyklu roboczego i minimalną temperaturę gazów roboczych na końcu cyklu.
Ale w tłokowym silniku spalinowym maksymalna temperatura gazów na pierwszym etapie cyklu zapobiega uzyskaniu się układu chłodzenia, a minimalna nadwyżka temperatury gazów na końcu cyklu jest utrudniona przez brak możliwości włączenia składnika parowego do obwodu silnika. W efekcie dziś używamy silników o sprawności cieplnej około 35%, niewiele lepszej niż 60 czy 70 lat temu ...

Sposób na pozbycie się tej wady: konieczne jest stworzenie takiej konstrukcji silnika, która pozwoli na spalanie paliwa w izolowanej termicznie komorze spalania (do osiągnięcia maksymalnej temperatury na początku cyklu pracy), a także pozwoli na włączenie fazy parowej na końcowym etapie gorących spalin (osiągnięcie minimalnej temperatury na końcu cyklu pracy). Taka konstrukcja silnika pozwoli też obejść się bez oddzielnego i nieporęcznego układu chłodzenia, który „wyrzucałby” ciepło do otoczenia.

Jednocześnie silnik nie będzie potrzebował masywnej i ciężkiej rury wydechowej, która w tradycyjnych silnikach tłokowych tłumi ryk spalin emitowanych „strzałami” o nadciśnieniu 8-10 atmosfer. W proponowanym projekcie nadciśnienie spalin będzie bowiem minimalne.

* * *
Trzeci poziom strat - zauważalne straty mocy do pokonywania sił tarcia, a także siły bezwładności poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym, a także straty do napędu mechanizmów pomocniczych. Straty te określa się jako straty mechaniczne. Zależą od schematu kinematycznego silnika. Ale oprócz faktycznych strat mechanicznych, wykres kinematyczny i jego konstrukcja wpływają również na inny ważny wskaźnik wydajności, który nie jest bezpośrednio związany z wydajnością: jest to tryb i wielkość momentu obrotowego.

Zadanie polega na uzyskaniu silnika o minimalnych stratach mechanicznych. Ma również stały moment obrotowy o wysokiej wartości przy niewielkich rozmiarach samego silnika. Wysoki i stabilny moment obrotowy pozwala zrezygnować z tak nieporęcznego i złożonego systemu pojazdu, jak skrzynia biegów. Przykładem jest transport za pomocą silników elektrycznych i maszyn parowych.

Analiza dzisiejszej wady: W standardowym silniku tłokowym (pnia) reakcja korbowodu (składowej poprzecznej tej reakcji względem osi cylindra) na ciśnienie gazów roboczych powoduje ciągłe dociskanie tłoka do jednej strony cylindra, a następnie do drugiej. Taki system pracy silnika wymaga stałego smarowania silnie ocierających się powierzchni i kosztu pokonania tych sił tarcia. Ponadto, gdy korba KShM obraca się, rzut ramienia wytwarzającego moment obrotowy na wektor ruchu tłoka stale zmienia się od „zera” do „maksimum” i cofa się przy każdym skoku roboczym. Taki przez cały czas gwałtownie pulsujący tryb momentu obrotowego jest mało przydatny do napędzania siłowników. I tylko przy wysokich obrotach silników tłokowych moment obrotowy znacznie wzrasta. Jednak większość konsumentów nie potrzebuje dużej prędkości (około 3-4 tysięcy obrotów na minutę). Dlatego konieczne jest wykonanie złożonej i nieporęcznej skrzyni biegów, która jest integralną częścią samochodów, motocykli itp.
& nbsp Dodatkowo sprawność mechaniczna jest zauważalnie obniżona ze względu na przystawkę odbioru mocy od silnika do napędzania jego mechanizmów pomocniczych - pompy układu chłodzenia, wentylatora chłodnicy, wałków rozrządu i zaworów rozdzielczych gazu, prądnicy itp. A także zauważalna utrata mocy powoduje konieczność sprężania mieszanki roboczej, a wyższy stopień sprężania , tym większe straty. Ponadto zauważalne straty mocy mogą być spowodowane niepotrzebnie wczesnym zapłonem, kiedy silnik jest zmuszony pod koniec drugiego suwu „sprężania” do sprężania produktów spalania, które zaczynają się rozszerzać.

Sposób na pozbycie się tej wady: konieczne jest stworzenie takiej konstrukcji silnika, w której ciśnienie gazów roboczych nie dociska głównego ruchomego korpusu roboczego do nieruchomego korpusu. W takim przypadku silnik powinien wyróżniać się taką konstrukcją, która pozwoliłaby na utrzymanie ramienia ze stałym momentem obrotowym na całej drodze ruchu głównego korpusu roboczego silnika. Jednocześnie na tej ścieżce ciśnienie gazów roboczych powinno być utrzymywane jak najdłużej, najlepiej dążyć do 100%. Przypomnę, że w silnikach czterosuwowych z pełnego cyklu silnika przy 2 obrotach wału ciśnienie na tłoku działa tylko przez pół obrotu, a nawet wtedy w trybie przenoszenia tego ciśnienia z niestabilnym ramieniem reakcyjnym.

CAŁKOWITY:

ITAK - sformułujemy warunki postawione przez podejście naukowe, aby stworzyć silnik o wysokiej wydajności:
1) Główne procesy technologiczne „spalania” i „rozprężania” silnika muszą być rozdzielone i rozstawione do realizacji w różnych komorach technologicznych. W takim przypadku spalanie musi odbywać się w zamkniętej komorze, w warunkach rosnącej temperatury i rosnącego ciśnienia.
2) Proces spalania musi trwać przez dostateczny czas i przy nadmiarze powietrza. Pozwoli to na 100% spalenie roboczej mieszanki.
3) Objętość komory rozprężnej powinna być znacznie większa od komory sprężania, co najmniej o 50%, Jest to konieczne do pełnego przeniesienia ciśnienia gazów roboczych do pracy na główny korpus roboczy.
4) Należy stworzyć mechanizm przenoszenia wysokiej temperatury spalin do pracy na głównym korpusie roboczym. Jest na to tylko jedna realna możliwość - dostarczenie wody w celu przekształcenia wysokiej temperatury spalin w ciśnienie powstającej pary.
5) Korpus roboczy i cała kinematyka silnika muszą być ustawione w taki sposób, aby korpus roboczy odbierał ciśnienie gazów roboczych przez jak najdłuższy okres cyklu silnika, a ramię przenoszenia siły tego ciśnienia było maksymalnie możliwe.

Po dokładnym przestudiowaniu tych wymagań teoretycznych podejść fizyki i mechaniki w temacie stworzenia silnika o dużej wydajności okazuje się, że stworzenie silnika tłokowego do takich zadań jest absolutnie niemożliwe. ICE tłokowe nie spełnia żadnego z tych wymagań. Z tego faktu wynika następujący wniosek - należy szukać bardziej wydajnych, alternatywnych dla schematu tłoków konstrukcji silników. A najbliżej niezbędnych wymagań jest schemat silnika obrotowego.

W swojej pracy nad koncepcją idealnego silnika wirującego wyszedłem właśnie od próby uwzględnienia przy tworzeniu koncepcyjnego schematu silnika konieczności realizacji wszystkich powyższych przesłanek teoretycznych. Mam nadzieję, że udało mi się to zrobić.

ARTYKUŁ NR 2-1

MYŚLENIE O STOPNIU SPRĘŻANIA:
WSZYSTKO JEST DOBRE W UMIARKOWANIU

Wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że ekonomiczny i mocny silnik musi mieć wysoki stopień sprężania. Dlatego w samochodach sportowych silniki zawsze mają wysoki stopień sprężania, a strojenie silnika (doładowanie) w celu zwiększenia mocy standardowych silników serii masowej polega przede wszystkim na zwiększeniu ich stopnia sprężania.
Dlatego w powszechnej powszechnej opinii pomysł został naprawiony - im wyższy stopień sprężania silnika, tym lepiej, ponieważ prowadzi to do wzrostu mocy silnika i wzrostu jego wydajności. Ale - niestety, to stanowisko jest tylko częściowo prawdziwe, a raczej nie więcej niż w 50%.
Historia technologii mówi nam, że kiedy pierwszy Lenoir ICE pojawił się w latach sześćdziesiątych XIX wieku (który działał bez kompresji), ledwo przewyższał wydajność silników parowych, a kiedy (15 lat później) pojawił się czterosuwowy Otto ICE, działający przy kompresji sprawność takiego modelu natychmiast przewyższyła wszystkie istniejące wówczas silniki pod względem wydajności.
Jednak kompresja nie jest tak prostym i prostym procesem. Co więcej, nie ma sensu osiąganie bardzo wysokich współczynników kompresji, a nawet to jest bardzo trudne technicznie.
Po pierwsze: im wyższy stopień sprężania, tym większy skok roboczy tłoka w cylindrze. W konsekwencji prędkość liniowa ruchu tłoka przy wysokich obrotach jest większa. W konsekwencji bardziej bezwładnościowe obciążenia przemienne działające na wszystkie elementy mechanizmu korbowego. Jednocześnie wzrasta również poziom ciśnienia w cylindrze. Dlatego w przypadku silnika o wysokim stopniu sprężania i długim skoku roboczym wszystkie elementy i części silnika muszą mieć zwiększoną wytrzymałość, tj. gruby i ciężki. Dlatego diesle nigdy nie są małe i lekkie. Dlatego nie powstały małe silniki diesla do motocykli, silniki zaburtowe do łodzi, lekkie samoloty itp. Dlatego też standardowe silniki samochodowe poddane poważnemu tuningowi - „zaciśnięte” - mają tak małą żywotność.
Po drugie: im wyższy stopień sprężania, tym większe ryzyko detonacji ze wszystkimi wynikającymi z niej destrukcyjnymi konsekwencjami. Tankowanie niskiej jakości benzyny może po prostu zniszczyć taki silnik. O detonacji - przeczytaj w specjalnym ARTYKULE. Te. przy pewnym stopniu kompresji konieczne jest stosowanie coraz droższej i specjalnej benzyny lub specjalnych dodatków do niej. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych główną linią budowy silników, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, był wzrost stopnia sprężania, który na początku lat siedemdziesiątych w silnikach amerykańskich często osiągał 11-13: 1. Wymagało to jednak odpowiedniej benzyny wysokooktanowej, którą w tamtych latach można było uzyskać jedynie poprzez dodanie trującego tetraetylo ołowiu. Wprowadzenie we wczesnych latach siedemdziesiątych norm środowiskowych w większości krajów doprowadziło do stagnacji wzrostu, a nawet do spadku stopnia sprężania silników produkcyjnych.
Jednak nie ma sensu osiąganie maksymalnych możliwych współczynników kompresji. Faktem jest, że sprawność cieplna silnika wzrasta wraz ze wzrostem stopnia sprężania, ale nie liniowo, ale ze stopniowym zwalnianiem. Jeśli wraz ze wzrostem stopnia kompresji z 5 do 10 wzrośnie o 1,265 razy, a następnie z 10 do 20 - tylko o 1,157 razy. Te. po osiągnięciu pewnego progu stopnia kompresji dalszy jej wzrost nie ma sensu, bo wzmocnienie będzie minimalne, a narastające trudności ogromne.

* * * Dokładna analiza możliwości różnych typów silników i poszukiwanie sposobów na poprawę ich wydajności może znaleźć inne możliwości niż ciągłe zwiększanie stopnia sprężania. Będą znacznie wydajniejsze i lepsze niż wysokie współczynniki kompresji.
Na początek zastanówmy się, co w rzeczywistości daje wysoki współczynnik kompresji. I podaje co następuje:
- daje długi skok roboczy, ponieważ w silniku tłokowym suw sprężania jest równy suwowi rozprężania;
- silne ciśnienie w ładunku mieszanki roboczej, przy którym występuje zbieżność cząsteczek tlenu i paliwa. Dzięki temu proces spalania jest lepiej przygotowany i
idzie szybciej.

Na pierwszym miejscu można poczynić następujące uwagi: w istocie sprawność silników wysokoprężnych w dużej mierze wynika z faktu, że mają one dużą długość skoku. Te. zwiększenie długości suwu rozprężania ma znacznie poważniejszy wpływ na sprawność i ekonomiczność silnika niż zwiększenie długości suwu sprężania. Dzięki temu można usunąć więcej korzyści z ciśnienia gazów roboczych - gazy te działają na większy ruch tłoka. A jeśli w silnikach „benzynowych” średnica tłoka jest w przybliżeniu równa długości suwu roboczego, przy odpowiednim „stopniu sprężania” i „współczynniku rozprężania”, które są powiązane z długością skoku tłoka, to w silnikach wysokoprężnych parametr ten jest znacznie większy. W klasycznych wolnoobrotowych silnikach wysokoprężnych skok tłoka jest o 15-30% dłuższy niż średnica tłoka. W okrętowych silnikach wysokoprężnych ta różnica staje się ogólnie rażąca. Na przykład ogromny 14-cylindrowy silnik wysokoprężny do supertankowca fińskiej firmy Wartsila o pojemności skokowej 25 480 litrów i mocy 108 920 KM. przy 102 obr / min średnica cylindra wynosi 960 mm, a skok tłoka - 2500 mm.

Jednocześnie przypomnę, że takie okrętowe silniki diesla zasilane są ropą naftową, która przy tak dużym skoku tłoka wytrzymuje bardzo wysoki stopień sprężania.

Ale wzrost stopnia sprężania ma też swoje nieprzyjemne strony - wymaga stosowania drogich wysokooktanowych gatunków benzyny, zwiększenia masy silnika, a także znacznego wydatku mocy silnika na proces mocnego sprężania.
Spróbujmy dowiedzieć się, czy możliwe będzie osiągnięcie bliskiego, a jeszcze większego efektu w zwiększaniu mocy i zwiększaniu sprawności silnika innymi drogami, tj. bez nadmiernego wzrostu stopnia sprężania ze zwiększeniem wartości ujemnej właściwej dla takiego procesu. Okazuje się, że taka droga jest możliwa. Te. wszystkie pozytywne aspekty budowania stopnia sprężania można uzyskać innymi sposobami i bez nieodłącznych problemów związanych z budowaniem stopnia sprężania.

Rozważenie pierwszej pozycji - długa długość skoku roboczego. Najważniejsze dla wydajności jest duża długość skoku, dzięki czemu wszystkie gazy robocze przenoszą ciśnienie na tłok do maksimum. W silniku tłokowym skok roboczy jest równy długości suwu sprężania. Jakoś więc opinia została ustalona, \u200b\u200bże \u200b\u200bnajważniejszy jest współczynnik kompresji, a nie współczynnik ekspansji. Chociaż w silniku tłokowym wartości te są równe. Dlatego nie ma sensu ich rozdzielać.

Ale najlepiej byłoby, gdyby te długości skoku były inne. Ponieważ zwiększenie skoku kompresji prowadzi do wielu nieprzyjemnych konsekwencji, należy go umiarkować. Jednak przebieg ekspansji, jako najbardziej odpowiedzialny za ekonomiczność i wydajność, powinien być jak najszerszy. Ale w silniku tłokowym jest to prawie niemożliwe (lub jest to bardzo trudne i trudne - na przykład silnik Kushul). Ale istnieje wiele obwodów silnika obrotowego, które pozwalają łatwo rozwiązać ten dylemat. Te. zdolność silnika do umiarkowanego stopnia sprężania i jednocześnie znacznej długości suwu roboczego.

Rozważenie drugiej pozycji - aktywacja i wysoka sprawność procesu spalania paliwa. Jego duża prędkość i pełnia. Jest to ważny warunek jakości i ekonomiczności silnika. Okazuje się jednak, że stopień sprężania (wysokie ciśnienie) nie jest jedynym, a nawet najlepszym sposobem na osiągnięcie takiego wyniku.

W tym miejscu pozwolę sobie zacytować z książki naukowej o teorii silników dla uniwersytetów okresu radzieckiego: "Silniki samochodowe", red. M.S. Khovaha. Moskwa, „Inżynieria mechaniczna”, 1967.
Jak widać z powyższego cytatu, jakość i szybkość spalania zależy bardziej od temperatury spalania, a w mniejszym stopniu od ciśnienia. Te. jeśli możliwe jest zapewnienie ekstremalnie wysokiej temperatury środowiska spalania, to użyteczność spalania będzie maksymalna, a potrzeba bardzo wysokiego ciśnienia przed procesem spalania (w stopniu sprężania) zniknie.

Ze wszystkich opisanych powyżej podejść teoretycznych można wyciągnąć jeden wniosek - potężny silnik o wysokiej wydajności może obejść się bez wysokiego stopnia sprężania, ze wszystkimi jego nieodłącznymi trudnościami. W tym celu stopień rozszerzalności w silniku powinien być znacznie wyższy niż stopień sprężania, a spalanie wsadu świeżej mieszanki roboczej powinno odbywać się w skrajnie nagrzanej komorze spalania. W takim przypadku w trakcie procesu spalania ciśnienie i temperatura powinny wzrosnąć w wyniku ich naturalnego wzrostu na skutek energii procesu spalania. Te. komora spalania musi być hermetycznie zamknięta i nie zmieniać swojej objętości podczas spalania. Dlatego: nie powinno być gwałtownego wzrostu objętości komory spalania z odpowiednim spadkiem ciśnienia i temperatury (jak to ma miejsce w silniku tłokowym).
Nawiasem mówiąc, podczas spalania mieszanki paliwowej ciśnienie w zamkniętej komorze spalania o stałej objętości wzrośnie, tj. Porcje paliwa spalające się w „drugiej serii” (ponad 60% masy ładunku) będą spalać się przy bardzo wysokim stopniu sprężania (ciśnienie około 100 atm). którego ciśnienie powstanie w wyniku spalania pierwszej części paliwa. W tym miejscu należy zauważyć, że ciśnienie na końcu suwu sprężania nawet w przypadku silników wysokoprężnych (tych obecnych liderów wydajności) nie przekracza 45-50 atm.
Jednak oba te warunki nie mogą być spełnione i zapewnione w silniku tłokowym z mechanizmem korbowym. Dlatego silniki tłokowe pracują przy zwiększonym stopniu sprężania, ze wszystkimi wynikającymi z tego trudnościami i nie mogą pokonać 40% paska sprawności przez prawie 100 lat.

PODSUMOWANIE tego artykułu jest następujące - wysokowydajny, mocny i wydajny silnik może mieć umiarkowany stopień sprężania, jeśli jego skok rozprężania jest zauważalnie większy niż suw sprężania. A spalanie mieszanki roboczej będzie odbywać się w komorze zamkniętej na czas spalania i nie chłodzonej (izochoryczny proces adiabatyczny) przy wzrastającej temperaturze i ciśnieniu z energii samego procesu spalania.
Niemożliwe jest stworzenie takiego projektu w ramach idei silnika tłokowego, ale w dziedzinie pomysłów na silniki obrotowe całkiem możliwe jest stworzenie takich projektów. To właśnie robi autor tego tekstu i tej strony.

ARTYKUŁ NR 2-2

ODBICIE NA STOPNIA KOMPRESJI-2:
SPOJRZENIE W HISTORIĘ

26.01.13

W pierwszej części artykułu pokazałem, że ciągły wzrost stopnia sprężania w silniku tłokowym z mechanizmem korbowym to jedyny sposób na nieznaczne zwiększenie sprawności silnika, ma on wyraźne granice swoich możliwości. Przy stopniach sprężania zbliżonych do 16, mieszanina robocza z oparami benzyny, nawet o liczbie oktanowej 100, zaczyna palić się w trybie detonacji, a części i korpus silnika stają się bardzo masywne i grubościenne (jak w silniku Diesla), aby wytrzymać wysokie ciśnienie i duże obciążenia bezwładnościowe. Ale ogromne siły spalania detonacyjnego bardzo szybko niszczą nawet takie nieporęczne i masywne części.

Ale są inne sposoby na poprawę wydajności silnika - są to:
A) - wzrost temperatury spalania Mieszaniny Roboczej (temperatura w komorze spalania) w celu uzyskania pełnego i szybkiego spalania oparów benzyny. W takim przypadku maksymalna ilość ciepła jest uwalniana, a Korpus Roboczy będzie mocniej naciskać na tłok - tj. wykonuj świetną robotę.
Silniki tłokowe z mechanizmem korbowym i połączonym procesem rozszerzania spalania (trzeci cykl) nie mogą poruszać się po tej ścieżce, ponieważ olej (smarujący ściany pary kinematycznej tłok-cylinder) w temperaturze 220 stopni zaczyna już zwęglać i przestaje się smarować. Dlatego cylinder i tłok silnika muszą być schłodzone, co prowadzi do gwałtownego spadku sprawności cieplnej silnika.
B) - zwiększenie objętości (stopnia) rozszerzenia korpusu roboczego (długość suwu rozprężania) w celu pełnego rozprężenia gazów korpusu roboczego. Umożliwi to pełne wykorzystanie ich nadciśnienia. W nowoczesnych silnikach tłokowych do wydechu trafiają gazy o ciśnieniu 5-8 atmosfer, co powoduje znaczne straty. I to pomimo tego, że średnie efektywne ciśnienie silnika tłokowego wynosi tylko 10 atmosfer. Mała długość skoku roboczego silnika tłokowego z KShM (mechanizm korbowy) przeszkadza w zwiększaniu wartości „zadziałania” tego ciśnienia.
Jeśli zwiększysz stopień rozprężania gazów ciała roboczego w silniku, to jego sprawność znacznie wzrośnie bez konieczności zwiększania stopnia sprężania.

Pierwszym w historii silnikiem spalinowym jest silnik Lenoir. 1860g

Tak więc temat tego artykułu: aby zwiększyć wydajność, możliwe i konieczne jest zwiększenie stopnia rozszerzalności Ciała Roboczego (gazy robocze) bez zwiększania stopnia sprężania. Powinno to doprowadzić do znacznego wzrostu wydajności silnika, więc uzasadnijmy taką możliwość w tym artykule.

W optymalnym przypadku należy mieć: stopień sprężania może być dość mały - około 3-krotny, co odpowiada ciśnieniu we wsadzie sprężonej mieszaniny roboczej 4 atmosfer, ale współczynnik rozprężania (długość linii skoku roboczego) powinien przekraczać ten mały stopień sprężania o około 6-8 czas.
Takie sformułowanie pytania może wydawać się dziwne i nierozsądne dla wszystkich koneserów tradycyjnych schematów silników, które są przyzwyczajone do wysokich stopni sprężania w silnikach tłokowych. Ale właśnie o tym paradoksalnym stanie rzeczy w rzeczywistości świadczy dokładne badanie projektów silników spalinowych, które powstały i pracowały u zarania pojawienia się takich silników, tj. w dobie powstania pierwszego ICE.

Tak więc pierwsze błędne przekonanie, które działa na rzecz wzmocnienia mitu o potrzebie stworzenia wysokiego stopnia sprężania w silniku, jest uzasadnione tym, że pierwsze silniki spalinowe, które powstały 150 lat temu, nie sprężały wstępnie mieszaniny roboczej przed jej zapaleniem, a zatem miały całkowicie skąpą wydajność - prawie taki sam jak w prymitywnych silnikach parowych.
Rzeczywiście, pierwszy pracujący silnik spalinowy zaprojektowany przez Jeana Lenoira (patent z 1859 roku) nie miał wstępnego sprężania mieszaniny roboczej i pracował z wydajnością 4%. Tylko 4% przypomina żarłoczne i nieporęczne maszyny parowe z tamtych czasów.
Ale pierwsza próbka czterosuwowego silnika Nikolausa Otto, stworzona w 1877 roku, pracowała ze wstępną kompresją mieszaniny roboczej i wykazała wydajność 22 procent podczas pracy, co było fenomenalnym osiągnięciem na tamte czasy. Jednocześnie stopień sprężania i stopień rozprężania (jak we wszystkich obecnych tłokowych silnikach spalinowych z KShM) były sobie równe.
Na podstawie tych danych:
- Sprawność silnika Lenoir bez kompresji - 4%;
- Sprawność silnika Otto ze sprężaniem - 22%;
wyciągnięto proste i jasne wnioski - silnik pracujący ze wstępnym sprężaniem mieszaniny roboczej pracuje w trybie zasadniczo bardziej wydajnym, oraz - im wyższy stopień sprężania, tym lepiej. W ciągu minionych 140 lat ten wniosek stał się powszechną prawdą, a od 100 lat budowa silników jest na drodze do zwiększania wartości stopnia sprężania, który dziś osiągnął już swoje wartości graniczne.

ALE w prezentacji tych informacji jest jedno duże ALE ...
Okazuje się, że ten sam Nikolaus Otto, przed stworzeniem swojego słynnego czterosuwowego silnika z kompresją w 1877 roku, nieco wcześniej - w 1864 roku stworzył, wyprodukował i sprzedał z sukcesem wiele setek swojego innego wynalazku - atmosferycznego silnika spalinowego pracującego bez wstępnego sprężania. Sprawność tego silnika wynosiła 15% ... Tak wysoka sprawność nie pasuje w ogóle do teorii, że silne wstępne sprężenie mieszaniny roboczej jest absolutnie konieczne do uzyskania znaczących wskaźników sprawności silnika.
Coś w tym temacie było nie tak, czegoś brakowało do zrozumienia bardzo ważnych faktów i postanowiłem przestudiować tę sytuację. A oto wnioski, do których doszedłem:
- absolutnie straszne - skąpe - sprawność silnika Lenoira uzyskano, bo miał absolutnie niedopuszczalnie mały SZYBKOŚĆ ROZSZERZENIAgazy robocze;
- i bardzo przyzwoitą sprawnością 15%, silnik wolnossący Otto pracujący bez kompresji posiadał to, co miał bardzo duży STOPIEŃ ROZSZERZENIAgazy robocze;
To prawda, że \u200b\u200bten silnik Otto miał bardzo słaby moment obrotowy i bardzo nierównomierny obrót wału głównego, dlatego został szybko zastąpiony silnikami czterosuwowymi. Ale z wartością wydajności była bardzo przyzwoita.

Przyjrzyjmy się bliżej wymiarom ciał roboczych silnika Lenoir i dokonajmy przybliżonych obliczeń. Średnica tłoka wynosi 120 mm, a skok tłoka 100 mm. W opisach silnika z tamtych czasów zachowano informację, że odległość około połowy długości „przewodu rozprężania” została skierowana na zasysany gaz i powietrze. Następnie zawór zasilający został zamknięty, a świeca elektryczna zapaliła się. Te. mniej niż połowa długości suwu roboczego pozostała dla procesu rozprężania, a raczej dla połączonego procesu rozszerzania spalania ... Iskra zapaliła mieszaninę gazu i powietrza, nastąpił błysk, temperatura i ciśnienie gazów w cylindrze gwałtownie wzrosły, a ciśnienie robocze wymusiło dalsze działanie tłoka. Maksymalny szczyt ciśnienia roboczego gazów na tłoku wynosił 5 atmosfer... Trzeba jednak zrozumieć, że mieszanina robocza zapalała się w warunkach coraz większego spadku ciśnienia - w końcu tłok nadal się poruszał tworząc podciśnienie poniżej ciśnienia atmosferycznego… W takich warunkach można było zapalić tylko bardzo „bogatą” mieszankę przesyconą gazem. W związku z tym spalanie w tym trybie było skrajnie niepełne, a nawet produkty spalania nie mogły się w pełni rozszerzyć - w końcu długość suwu roboczego była niezwykle krótka. Te. dla tłoka o średnicy 120 mm. długość skoku roboczego była mniejsza niż 50 mm. Można śmiało założyć, że do wydechu trafiały gazy o bardzo wysokim ciśnieniu, a nawet przesycone niespalonym gazem lampowym. W związku z tym silnik o takich parametrach miał moc zaledwie 0,5 KM przy prędkości wału 120-140 obr / min, spójrzmy więc na silnik Lenoira. Silnik ten pracował w cyklu dwusuwowym. Początkowo na linii skoku roboczego tłok zasysał lekki gaz i powietrze (mieszanina robocza). Następnie zawór zasilający został zamknięty. Elektryczna świeca dała iskrę - i mieszanina robocza zapłonęła, a gorący gaz o zwiększonym ciśnieniu pchnął tłok dalej. Następnie podczas suwu powrotnego tłok wypchnął produkty spalania z cylindra, po czym wszystko powtórzyło się.
Te. w jednym cyklu roboczym - na „linii ekspansji” - połączono TRZY procesy robocze:
- wlot mieszaniny roboczej;
- Spalanie mieszaniny roboczej;
- rozbudowa Ciała Roboczego;

WYNIK- Silnik Lenoira charakteryzował się tak niską sprawnością i tak małą mocą, przede wszystkim ze względu na bardzo małą długość skoku (kiedy gazy robocze po prostu nie miały możliwości pracy) oraz bardzo nieefektywną organizację procesów roboczych, kiedy niezwykle „bogata” Mieszanina Robocza była zapalana pod ciśnieniem zauważalnie poniżej atmosferycznego w warunkach aktywnego zwiększania objętości. Te. ten silnik powinien być oznaczony jako silnik pracujący z WSTĘPNĄ EKSPANSJĄ (rozrzedzeniem) mieszaniny roboczej….

NASTĘPNY - rozważmy schemat działania innego silnika, który pracował bez wstępnego sprężania mieszaniny roboczej, ale miał sprawność 15%. To jest silnik atmosferyczny Otto z 1864 roku. To był bardzo nietypowy silnik. W swojej kinematyce wydawał się być czymś zupełnie brzydkim i nie nadającym się do pracy, ale z „niezgrabnym” schematem kinematycznym działał według bardzo racjonalnego schematu organizacji procesów pracy i dlatego miał wydajność 15%.
Cylinder tego silnika został zamontowany pionowo, a tłok silnika poruszał się w górę iw dół. W tym samym czasie silnik ten nie posiadał KShM, a tłok miał bardzo długą zębatkę skierowaną do góry, która wchodziła zębami w sprzężenie z przekładnią i obracała nią.

Silnik atmosferyczny Otto, próbka 1864. Po prawej na zdjęciu tłok z długą listwą zębatą, co daje wyobrażenie o długości skoku roboczego. W tym samym czasie, gdy mieszanina robocza eksplodowała pod tłokiem, a tłok natychmiast wzbił się w górę, to przekładnia obróciła się na biegu jałowym, ponieważ specjalny mechanizm odłączył ją od koła zamachowego maszyny. Następnie, gdy tłok i zębatka osiągnęły skrajny górny punkt i ciśnienie gazów roboczych w tłoku przestało działać, tłok i zębatka, pod własnym ciężarem, zaczęły opadać. W tym momencie koło zębate zostało przymocowane do wału koła zamachowego i rozpoczął się skok roboczy. Tak więc silnik działał z gwałtownymi impulsami i miał bardzo zły reżim momentu wrzenia. Ponadto silnik miał małą moc, ponieważ siłę tworzył tylko ciężar tłoka i zębatki (czyli działająca siła grawitacji), a także ciśnienie powietrza atmosferycznego, gdy w cylindrze wytwarzane było podciśnienie przez gazy chłodzące i podniesiony tłok. Dlatego silnik nazwano atmosferycznym, ponieważ działała w nim siła ciśnienia atmosferycznego wraz z siłą grawitacji.

Ale z drugiej strony - w tej konstrukcji silnika procesy pracy były wyjątkowo dobrze zorganizowane.
Zastanów się, jak procesy robocze były zorganizowane i obsługiwane w tym silniku.
Początkowo specjalny mechanizm podnosił tłok o 1/10 wysokości cylindra, w wyniku czego pod tłokiem powstała rozrzedzona przestrzeń i zasysana była tam mieszanka powietrza i gazu. Potem tłok się zatrzymał. Następnie mieszaninę zapalano otwartym płomieniem przez specjalną rurkę. Gdy wybuchł palny gaz, ciśnienie pod tłokiem wzrosło do 4 atm. Ta akcja wyrzuciła tłok do góry, objętość gazu w cylindrze wzrosła, a ciśnienie pod nim spadło, ponieważ wewnętrzna objętość tłoka nie miała połączenia z atmosferą i była w tym momencie hermetycznie zamknięta. Kiedy tłok został podrzucony przez eksplozję, specjalny mechanizm odłączył szynę od wału. Tłok, najpierw pod ciśnieniem gazu, a następnie przez bezwładność, podnosił się, aż pod nim utworzyła się znaczna próżnia. W tym przypadku skok roboczy okazał się maksymalną długością i trwał aż do całkowitego zużycia energii spalonego paliwa (w postaci nadciśnienia Korpusu Roboczego) w celu uniesienia tłoka. Zauważ, że na zdjęciu silnika widać - długość suwu roboczego (wysokość cylindra) jest wielokrotnie - 6-8 razy większa od średnicy tłoka. Tak długo trwał jego udar. Podczas gdy w nowoczesnych silnikach tłokowych średnica tłoka jest w przybliżeniu równa skokowi roboczemu. Tylko w silnikach wysokoprężnych - tych nowoczesnych mistrzów wydajności - skok jest o około 20-30 procent większy niż średnica cylindra. A tutaj - 6, a nawet 8 razy więcej….
Następnie tłok opadł i rozpoczął się skok roboczy tłoka pod własnym ciężarem i pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Gdy ciśnienie gazu sprężonego w cylindrze osiągnęło ciśnienie atmosferyczne na dolnym torze tłoka, otwierano zawór wydechowy, a tłok przemieszczał masą spaliny. Przez cały ten czas długa zębatka obracała koło zębate, połączone wałem z kołem zamachowym. Tak powstała moc silnika. Po powrocie tłoka do dolnego punktu trajektorii wszystko powtórzyło się ponownie - specjalny mechanizm płynnie go podniósł i zassano świeżą porcję Mieszanki Roboczej.

Jest jeszcze jedna cecha - która grała na zauważalnym wzroście wydajności. Tej cechy nie było ani w silniku Lenoira, ani w nowoczesnych silnikach 2- i 4-suwowych.W tak nietypowym układzie silnika, ze względu na ekstremalnie całkowitą rozbudowę nagrzanego korpusu roboczego, sprawność tego silnika była znacznie wyższa niż sprawność silnika Lenoira, a zatem osiągnął 15%. Dodatkowo zapłon mieszanki roboczej w silniku atmosferycznym Otto odbywał się pod ciśnieniem atmosferycznym, natomiast w silniku Lenoira proces ten odbywał się w warunkach rosnącej próżni tj. w warunkach rosnącego spadku sił nacisku, gdy ciśnienie było znacznie niższe od atmosferycznego.
Należy również powiedzieć, że zgodnie z podstawowym schematem zbliżonym do schematu tego silnika, dziś pracują kafary - młoty wysokoprężne. To prawda, że \u200b\u200bdopływ i zapłon paliwa w nich jest ułożony inaczej, ale ogólna zasada ruchu ciała roboczego jest taka sama.

W silniku atmosferycznym Otto w momencie zapłonu Mieszaniny Roboczej tłok stał w miejscu, a podczas spalania pierwszych porcji paliwa w objętości spalania powstało rosnące ciśnienie, tj. porcje paliwa, które zostały spalone w drugim, trzecim i kolejnych etapach - spalały się w warunkach rosnącego ciśnienia tj. kompresja mieszaniny roboczej nastąpiła z powodu wzrostu ciśnienia z wypływu i uwolnienia ciepła z pierwszych części paleniska. Jednocześnie bezwładność układu dociskającego od góry do palącego się gazu - tłoka, długiej szyny i ciśnienia atmosferycznego, wytworzyła silny opór na pierwszy impuls skierowany w górę, co doprowadziło do zauważalnego wzrostu ciśnienia w środowisku spalającego się gazu. Te. W atmosferycznym silniku Otto spalanie mieszaniny roboczej odbyło się w warunkach gwałtownego ściskania głównej objętości części ładunku gazu palnego, która jeszcze nie zaczęła się palić. Chociaż nie było wstępnego ściskania przez tłok. To właśnie faktyczne sprężanie znacznej ilości większości oparów paliwa (wraz z długim skokiem), pojawiające się podczas spalania wsadu mieszanki roboczej, wpłynęło na znaczną sprawność silnika atmosferycznego Otto z 1864 roku.

Ale nowoczesne silniki tłokowe, takie jak silnik Lenoira sprzed 150 lat, są zmuszone do zapłonu nowego ładunku mieszanki roboczej w warunkach gwałtownie zwiększającej się objętości, gdy tłok (i jest bardzo silnie napędzany przez korbowód i wał korbowy) rozpaczliwie ucieka z dna cylindra i zwiększa objętość „komory spalania” ... Dla porównania prędkość ruchu tłoka w nowoczesnych silnikach wynosi 10-20 metrów na sekundę, a prędkość propagacji czoła płomienia w silnie sprężonym ładunku oparów paliwa wynosi 20-35 metrów na sekundę. Ale w nowoczesnych silnikach, aby wyeliminować tę nieprzyjemną sytuację, można spróbować „wcześnie” zapalić ładunek mieszanki roboczej - czyli przed dotarciem do ruchomego tłoka na linii zakończenia poprzedniego skoku w górnym martwym punkcie (GMP) lub w miejscu w pobliżu tego punktu. Ale w silniku Lenoira było to niemożliwe, ponieważ po osiągnięciu przez tłok GMP rozpoczął się proces zasysania świeżej porcji palnego gazu i powietrza, a jego zapłon jest możliwy tylko w warunkach gwałtownie zwiększającej się objętości „komory spalania” i gwałtownego spadku ciśnienia w świeżej części mieszaniny roboczej poniżej atmosferycznego. Dlatego silnik Lenoir miał tak wyjątkowo niską wydajność.

Można założyć, że gdyby silnik atmosferyczny Otto miał zapłon iskrowy (podobnie jak wcześniejszy silnik Lenoira), to jego sprawność mogłaby sięgać prawie 20%. Faktem jest, że gdy ładunek Mieszaniny Roboczej zapalał się w cylindrze otwartym płomieniem przez specjalną rurkę, to podczas błysku pewna część płonącego ładunku wleciała do atmosfery tą rurą i były to zauważalne straty ... Gdyby takie straty można było wyeliminować, to sprawność tego silnika na pewno byłaby większa ...
Ale Otto nie miał wiedzy z zakresu elektrotechniki (podobnie jak Lenoir), więc zainstalował tak prymitywny i zmniejszający wydajność układ zapłonowy w swoim silniku wolnossącym.

WNIOSKI z tego artykułu są następujące:

1) - ugruntowana opinia o możliwości uzyskania wyjątkowo wysokiej sprawności silnika głównie ze względu na maksymalny możliwy stopień kompresja wstępna Mix roboczy dotyczy tylko konstrukcji silników tłokowych , gdzie tłok gwałtownie przemieszczając się od „dna” cylindra w kierunku wału korbowego (na skutek wymuszonego napędu z wału korbowego) z dużą prędkością rozszerza objętość „komory spalania” i obniża ciśnienie zapalanego (i palącego się - również) ładunku Mieszanki Roboczej. W silniku tłokowym Lenoir, pracującym bez wstępnego sprężania mieszaniny roboczej, ta wada silników tłokowych ujawniła się szczególnie wyraźnie. Co doprowadziło do jego wyjątkowo niskiej wydajności.
W nowoczesnych silnikach tłokowych wszystkich typów, w celu precyzyjnego wyeliminowania tej konstruktywnej „generycznej” wady organizacji procesów pracy, stosuje się wyjątkowo wysoki stopień sprężania wstępnego właśnie w celu spowodowania spalania świeżego wsadu Mieszaniny Roboczej przy dostatecznie wysokich ciśnieniach i temperaturach (pomimo szybki wzrost objętości komory spalania i odpowiadający temu spadek ciśnienia w tej komorze), co jest gwarancją stosunkowo całkowitego spalenia wsadu Mieszanki Roboczej i powstania korpusu roboczego o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.
2) - w historii techniki istnieją konstrukcje silników o innych schematach kinematycznych i inny sposób organizacji procesów pracy, gdzie nawet bez wstępnego silnego sprężenia świeżego wsadu mieszaniny roboczej dobre wartości sprawności można osiągnąć nawet przy bardzo prymitywnym projekcie. Przykładem jest silnik atmosferyczny Otto 1864 o sprawności 15%.
3) - istnieje możliwość stworzenia wysokowydajnego silnika spalinowego, w którym procesy spalania świeżego wsadu Mieszanki Roboczej i wytworzenie korpusu roboczego o wysokich parametrach będą zachodzić poprzez naturalne sprężanie palącego się wsadu ze względu na same siły spalania w komorze spalania o stałej objętości. Co więcej, proces wstępnego sprężania do wysokich wartości (20-30 atmosfer), który jest charakterystyczny dla nowoczesnych silników tłokowych, wymaga wydatkowania znacznej ilości energii silnika oraz zastosowania masywnych, masywnych i ciężkich części.
W tym przypadku główny wkład w osiągnięcie wysokiej sprawności będzie miał duży parametr objętości rozprężania (długi skok), który będzie znacznie większy niż objętość sprężania.

DOKŁADNIE TAKI SILNIK, która nie wymaga kosztownej i kłopotliwej wstępnej kompresji nowego wsadu o dużej wartości mieszaniny roboczej, autor tego artykułu obecnie tworzy. W tym silniku sprężanie wstępne zostanie przeprowadzone do niskich wartości, a główne sprężanie wsadu mieszanki roboczej w komorze spalania o stałej objętości nastąpi pod wpływem sił samego pierwszego etapu spalania. Idealnie będzie to spalanie detonacyjne: błysk - wybuch. Co więcej, Zespół Roboczy Wysokiego Ciśnienia rozszerzy się do końca swoich możliwości w sektorze ekspansji dużych ilości.

Współczynnik wydajności (COP) to wartość wyrażająca procentowo sprawność danego mechanizmu (silnika, układu) w zakresie zamiany otrzymanej energii na pracę użyteczną.

Przeczytaj w tym artykule

Dlaczego wydajność oleju napędowego jest wyższa

Współczynnik sprawności dla różnych silników może się znacznie różnić i zależy od wielu czynników. mają stosunkowo niską sprawność ze względu na dużą liczbę strat mechanicznych i cieplnych, które powstają podczas pracy tego typu bloku energetycznego.

Drugim czynnikiem jest tarcie wynikające z wzajemnego oddziaływania współpracujących części. Większość zużywanej energii użytecznej to napędzanie tłoków silnika, a także obrót części wewnątrz silnika, które są konstrukcyjnie zamocowane na łożyskach. Około 60% energii spalania benzyny zużywa się tylko w celu zapewnienia pracy tych jednostek.

Dodatkowe straty są spowodowane działaniem innych mechanizmów, systemów i załączników. Uwzględnia również procent strat spowodowanych oporem w momencie wpuszczenia kolejnego ładunku paliwa i powietrza, a następnie uwolnienia spalin z cylindra silnika spalinowego.

Jeśli porównamy silnik wysokoprężny i silnik benzynowy, silnik wysokoprężny ma zauważalnie wyższą wydajność w porównaniu z silnikiem benzynowym. Układy napędowe napędzane benzyną mają sprawność około 25-30% całkowitej ilości otrzymanej energii.

Innymi słowy, z 10 litrów benzyny wydanych na pracę silnika tylko 3 litry są przeznaczone na pożyteczną pracę. Reszta energii ze spalania paliwa została wykorzystana na straty.

Przy tej samej objętości roboczej moc atmosferycznego silnika benzynowego jest wyższa, ale osiąga się ją przy wyższych obrotach. Silnik trzeba „skręcić”, rosną straty, wzrasta zużycie paliwa. Należy również wspomnieć o momencie obrotowym, który dosłownie oznacza siłę, która jest przenoszona z silnika na koła i napędza samochód. Benzynowe ICE osiągają maksymalny moment obrotowy przy wyższych obrotach.

Podobny wolnossący silnik wysokoprężny osiąga maksymalny moment obrotowy przy niskich obrotach, zużywając mniej oleju napędowego do wykonywania użytecznej pracy, co oznacza wyższą wydajność i oszczędność paliwa.

Olej napędowy generuje więcej ciepła niż benzyna, temperatura spalania oleju napędowego jest wyższa, a odporność na detonację wyższa. Okazuje się, że wysokoprężny silnik spalinowy ma bardziej użyteczną pracę na określonej ilości paliwa.

Wartość energetyczna oleju napędowego i benzyny

Olej napędowy składa się z cięższych węglowodorów niż benzyna. Niższa wydajność benzyny w porównaniu z silnikiem wysokoprężnym polega również na składniku energetycznym benzyny i osobliwościach jej spalania. Całkowite spalanie równej ilości oleju napędowego i benzyny da więcej ciepła w pierwszym przypadku. Ciepło w silniku wysokoprężnym jest w pełni przetwarzane na użyteczną energię mechaniczną. Okazuje się, że przy spalaniu takiej samej ilości paliwa na jednostkę czasu to właśnie olej napędowy wykona więcej pracy.

Warto również zastanowić się nad cechami wtrysku i stworzeniem odpowiednich warunków do pełnego spalania mieszanki. Olej napędowy jest zasilany paliwem oddzielnie od powietrza; jest wtryskiwany nie do kolektora dolotowego, ale bezpośrednio do cylindra na samym końcu suwu sprężania. Rezultatem jest wyższa temperatura i najpełniejsze spalanie części roboczej mieszanki paliwowo-powietrznej.

Wynik

Projektanci nieustannie dążą do poprawy wydajności zarówno silników wysokoprężnych, jak i benzynowych. Zwiększenie liczby zaworów dolotowych i wydechowych na cylinder, aktywne użytkowanie, elektroniczne sterowanie wtryskiem paliwa, przepustnica i inne rozwiązania mogą znacznie zwiększyć wydajność. W większym stopniu dotyczy to silnika wysokoprężnego.

Dzięki tym cechom nowoczesny silnik wysokoprężny jest w stanie całkowicie spalić porcję oleju napędowego nasyconego węglowodorami w cylindrze i wytworzyć duży moment obrotowy przy niskich obrotach. Niskie obroty oznaczają mniejsze straty spowodowane tarciem i mniejszy opór tarcia. Z tego powodu silnik wysokoprężny jest obecnie jednym z najbardziej produktywnych i ekonomicznych typów silników spalinowych, których sprawność często przekracza 50%.

Przeczytaj także

Dlaczego lepiej rozgrzać silnik przed jazdą: smarowanie, paliwo, zużycie zimnych części. Jak prawidłowo ogrzać silnik wysokoprężny zimą.