Eficiența motorului cu ardere internă. Motor termic

În realitate, munca realizată cu ajutorul oricărui dispozitiv este întotdeauna o muncă mai utilă, deoarece o parte a lucrării este efectuată împotriva forțelor de frecare care acționează în interiorul mecanismului și atunci când mișcă părțile sale individuale. Deci, folosind un bloc mobil, ei efectuează lucrări suplimentare prin ridicarea blocului și a frânghiei în sine și, depășind forțele de frecare din bloc.

Să introducem următoarea notație: lucrarea utilă este notată cu $ A_p $, lucrarea completă cu $ A_ (poln) $. În acest caz, avem:

Definiție

Coeficientul de performanță (COP) se numește raportul lucrărilor utile de finalizat. Să denotăm eficiența prin litera $ \\ eta $, apoi:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_p) (A_ (poln)) \\ \\ left (2 \\ right). \\]

Cel mai adesea, eficiența este exprimată ca procent, apoi definiția sa este formula:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_p) (A_ (poln)) \\ cdot 100 \\% \\ \\ left (2 \\ right). \\]

Atunci când creează mecanisme, încearcă să-și crească eficiența, dar nu există mecanisme cu o eficiență egală cu unul (și cu atât mai mult cu mai mult de unul).

Deci, coeficientul de eficiență este o cantitate fizică care arată cota că munca utilă este din toată munca depusă. Cu ajutorul eficienței, este evaluată eficiența unui dispozitiv (mecanism, sistem) care convertește sau transmite energie și efectuează lucrări.

Pentru a crește eficiența mecanismelor, puteți încerca să reduceți frecarea în axele lor, masa lor. Dacă fricțiunea poate fi neglijată, masa mecanismului este semnificativ mai mică decât masa, de exemplu, a sarcinii pe care mecanismul o ridică, atunci eficiența este puțin mai mică decât unitatea. Apoi munca realizată este aproximativ egală cu munca utilă:

Regula de aur a mecanicii

Trebuie amintit că un câștig în muncă nu poate fi realizat folosind un mecanism simplu.

Să exprimăm fiecare dintre lucrările din formula (3) ca produs al forței corespunzătoare prin calea parcursă sub influența acestei forțe, apoi transformăm formula (3) în forma:

Expresia (4) arată că folosind un mecanism simplu, câștigăm în forță cât pierdem pe parcurs. Această lege este numită „regula de aur” a mecanicii. Această regulă a fost formulată în Grecia antică de Heron din Alexandria.

Această regulă nu ia în considerare munca de depășire a forțelor de frecare, prin urmare este aproximativă.

Eficiența transmisiei de energie

Eficiența poate fi definită ca raportul dintre munca utilă și energia cheltuită pentru implementarea sa ($ Q $):

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_p) (Q) \\ cdot 100 \\% \\ \\ left (5 \\ right). \\]

Pentru a calcula eficiența unui motor termic, se folosește următoarea formulă:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (Q_n-Q_ (ch)) (Q_n) \\ left (6 \\ right), \\]

unde $ Q_n $ este cantitatea de căldură primită de la încălzitor; $ Q_ (ch) $ - cantitatea de căldură transferată în frigider.

Eficiența unui motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot este egală cu:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (T_n-T_ (ch)) (T_n) \\ left (7 \\ right), \\]

unde $ T_n $ este temperatura încălzitorului; $ T_ (ch) $ - temperatura frigiderului.

Exemple de sarcini de eficiență

Exemplul 1

Sarcina. Motorul macaralei are o putere de $ N $. Pentru un interval de timp egal cu $ \\ Delta t $, a ridicat o sarcină de $ m $ la o înălțime de $ h $. Care este eficiența unei macarale? \\ Textit ()

Decizie. Munca utilă în problema luată în considerare este egală cu munca de ridicare a unui corp la o înălțime $ h $ de o sarcină de masă $ m $, aceasta este o lucrare pentru a depăși forța gravitației. Este egal cu:

Găsim lucrarea completă care se efectuează la ridicarea unei sarcini folosind definiția puterii:

Să folosim definiția eficienței pentru a o găsi:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_p) (A_ (poln)) \\ cdot 100 \\% \\ left (1.3 \\ right). \\]

Formula (1.3) este transformată folosind expresiile (1.1) și (1.2):

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (mgh) (N \\ Delta t) \\ cdot 100 \\%. \\]

Răspuns. $ \\ eta \u003d \\ frac (mgh) (N \\ Delta t) \\ cdot 100 \\% $

Exemplul 2

Sarcina. Un gaz ideal efectuează un ciclu Carnot, cu eficiența ciclului egală cu $ \\ eta $. Care este treaba unui ciclu de compresie a gazelor la temperatură constantă? Lucrul cu gaz în timpul extinderii este de $ A_0 $

Decizie. Eficiența ciclului este definită ca:

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_p) (Q) \\ left (2.1 \\ right). \\]

Luați în considerare ciclul Carnot, determinați în ce procese este furnizată căldura (aceasta va fi $ Q $).

Deoarece ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate, se poate spune imediat că nu există transfer de căldură în procesele adiabatice (procesele 2-3 și 4-1). Într-un proces izotermic se furnizează 1-2 călduri (Fig. 1 $ Q_1 $), într-un proces izotermic se elimină 3-4 călduri ($ Q_2 $). Se pare că în expresia (2.1) $ Q \u003d Q_1 $. Știm că cantitatea de căldură (prima lege a termodinamicii) furnizată sistemului în timpul unui proces izotermic merge complet la gaz pentru a efectua lucrări, ceea ce înseamnă:

Gazul face o muncă utilă, care este egală cu:

Cantitatea de căldură care este îndepărtată într-un proces izotermic 3-4 este egală cu activitatea de compresie (lucrarea este negativă) (deoarece T \u003d const, atunci $ Q_2 \u003d -A_ (34) $). Ca urmare, avem:

Transformăm formula (2.1) luând în considerare rezultatele (2.2) - (2.4):

\\ [\\ eta \u003d \\ frac (A_ (12) + A_ (34)) (A_ (12)) \\ to A_ (12) \\ eta \u003d A_ (12) + A_ (34) \\ to A_ (34) \u003d ( \\ eta -1) A_ (12) \\ left (2.4 \\ right). \\]

Deoarece prin condiția $ A_ (12) \u003d A_0, \\ $ obținem în cele din urmă:

Răspuns. $ A_ (34) \u003d \\ left (\\ eta -1 \\ right) A_0 $

Coeficientul de performanță (COP) este un termen care poate fi aplicat, poate, oricărui sistem și dispozitiv. Chiar și o persoană are eficiență, deși, probabil, nu există încă o formulă obiectivă pentru a o găsi. În acest articol, vom explica în detaliu ce este eficiența și cum poate fi calculată pentru diferite sisteme.

Definirea eficienței

Eficiența este o măsură a eficienței unui sistem în termeni de eficiență energetică sau conversie. Eficiența este o valoare incomensurabilă și este prezentată fie ca valoare numerică în intervalul 0 până la 1, fie ca procent.

Formula generală

Eficiența este indicată de simbolul Ƞ.

Formula matematică generală pentru găsirea eficienței este scrisă după cum urmează:

Ƞ \u003d A / Q, unde A este energia utilă / munca efectuată de sistem, iar Q este energia consumată de acest sistem pentru a organiza procesul de obținere a unei ieșiri utile.

Din păcate, coeficientul de eficiență este întotdeauna mai mic decât unul sau egal cu acesta, deoarece, conform legii conservării energiei, nu putem obține mai multă muncă decât energia cheltuită. În plus, eficiența, de fapt, este extrem de rar egală cu unitatea, deoarece munca utilă este întotdeauna însoțită de prezența pierderilor, de exemplu, pentru încălzirea mecanismului.

Eficiența motorului termic

Un motor termic este un dispozitiv care transformă energia termică în energie mecanică. Într-un motor termic, munca este determinată de diferența dintre cantitatea de căldură primită de la încălzitor și cantitatea de căldură dată răcitorului și, prin urmare, eficiența este determinată de formula:

• Ƞ \u003d Qн-Qх / Qн, unde Qн este cantitatea de căldură primită de la încălzitor, iar Qх este cantitatea de căldură dată răcitorului.

Se crede că cea mai mare eficiență este asigurată de motoarele care funcționează pe ciclul Carnot. În acest caz, eficiența este determinată de formula:

• Ƞ \u003d T1-T2 / T1, unde T1 este temperatura sursei fierbinți, T2 este temperatura sursei reci.

Eficiența motorului electric

Un motor electric este un dispozitiv care convertește energia electrică în energie mecanică, deci eficiența în acest caz este factorul de eficiență al dispozitivului în ceea ce privește conversia energiei electrice în energie mecanică. Formula pentru a găsi eficiența unui motor electric arată astfel:

• Ƞ \u003d P2 / P1, unde P1 este puterea electrică furnizată, P2 este puterea mecanică netă generată de motor.

Puterea electrică se găsește ca produs al curentului și tensiunii sistemului (P \u003d UI), iar puterea mecanică se găsește ca raportul dintre timpul de lucru și unitatea (P \u003d A / t)

Eficiența transformatorului

Un transformator este un dispozitiv care convertește curentul alternativ al unei tensiuni în curent alternativ de altă tensiune, menținând în același timp frecvența. În plus, transformatoarele pot converti și AC în CC.

Eficiența transformatorului se găsește prin formula:

• Ƞ \u003d 1/1 + (P0 + PL * n2) / (P2 * n), unde P0 este pierdere fără sarcină, PL este pierdere de sarcină, P2 este putere activă livrată sarcinii, n este gradul relativ de încărcare.

Eficiență sau nu eficiență?

Este demn de remarcat faptul că, pe lângă eficiență, există o serie de indicatori care caracterizează eficiența proceselor energetice și, uneori, putem găsi descrieri de tip - eficiența este de aproximativ 130%, dar în acest caz trebuie să înțelegeți că termenul nu este folosit destul de corect și, cel mai probabil, autorul sau producătorul înțelege o caracteristică ușor diferită în această abreviere.

De exemplu, pompele de căldură diferă prin faptul că pot degaja mai multă căldură decât consumă. Astfel, o mașină frigorifică poate elimina mai multă căldură din obiectul care trebuie răcit decât se cheltuiește în echivalent energetic pentru organizarea îndepărtării. Indicele de eficiență al mașinii frigorifice se numește coeficient de performanță, notat cu litera Ɛ și este determinat de formula: Ɛ \u003d Qx / A, unde Qx este căldura îndepărtată de la capătul rece, A este munca cheltuită la procesul de îndepărtare. Cu toate acestea, uneori coeficientul de performanță este numit și eficiența mașinii frigorifice.

De asemenea, este interesant faptul că eficiența cazanelor pe combustibil fosil este de obicei calculată pe baza celei mai mici călduri de ardere, în timp ce poate fi mai mult decât una. Cu toate acestea, se numește în mod tradițional eficiență. Este posibil să se determine eficiența cazanului prin puterea calorică mai mare și atunci acesta va fi întotdeauna mai mic decât unul, dar în acest caz va fi incomod să comparați indicatorii cazanelor cu datele altor instalații.

Eficiența (eficiența) este gradul de eficiență al utilizării energiei combustibilului în motor, cu cât este mai mare, cu atât mai multă energie termică din combustia combustibilului este transformată în motor în energie mecanică de rotație a arborelui principal. Cu cât motorul consumă mai puțin combustibil pe unitate de putere de ieșire.

ARTICOLUL 1

EFICIENȚA MOTORULUI - REGLAREA IDEILOR GLOBALE,
Există perspective de îmbunătățire a motoarelor?

Motoarele moderne cu ardere internă, cu multe decenii în urmă, odată cu apariția sistemelor de injecție directă și de supraalimentare a aerului care pătrundea în cilindri, au atins valorile de eficiență și de consum de combustibil de astăzi. Prin urmare, astăzi corporațiile globale - producătorii de motoare pentru mașini și alte echipamente cheltuiesc o mulțime de bani și mulți ani de eforturi pentru a crește eficiența cu doar 2 - 3% în detrimentul costurilor ridicate și a complicațiilor semnificative ale proiectării motorului. Eforturile și costurile se dovedesc a fi complet incomparabile cu rezultatele obținute. Rezultatul tuturor acestor lucruri - ca și în binecunoscutul proverb - „muntele a născut un șoarece”.
Apropo, tocmai de aceea în toate țările mari există o întreagă industrie a „reglării motorului”, adică un număr imens de firme mici, ateliere semi-meșteșugărești și specialiști individuali care se angajează să aducă cumva motoarele standard ale mărcilor auto fabricate în serie la indicatori mai mari de putere, forță etc. supuneți motorul reglajului fin, revizuirii, forțării etc. trucuri, care sunt definite în mod popular ca reglare a motorului.

Dar toate aceste măsuri și acțiuni tehnice asupra motoarelor au o natură foarte standard și toate aceste reglaje sunt idei de cel puțin o jumătate de sută de ani. Permiteți-mi să vă reamintesc că turboalimentarea aerului care intră în motor a fost aplicată cu succes în anii '20 ai secolului trecut, iar primul brevet din SUA pentru un astfel de dispozitiv a fost primit de inginerul elvețian Alfred Büchi deja în 1905 ... Și sistemele de injecție directă a combustibilului în cilindri au fost utilizate masiv în motoarele cu piston. aviație militară deja în perioada inițială a celui de-al doilea război mondial. Acestea. toate sistemele tehnice moderne „avansate” ale luptei pentru creșterea eficienței și a consumului de combustibil ale motoarelor au deja o vechime sub o sută de ani sau chiar mai mult. Cu toate aceste trucuri, eficiența generală a celor mai bune motoare pe benzină (cu aprindere forțată cu scânteie) nu depășește 25-30%, iar eficiența celor mai bune motoare diesel în cele mai economice versiuni de dimensiuni mari (care au multe dispozitive suplimentare complexe) nu poate depăși 40 de mai multe decenii. -45%. Motoarele diesel mici au o eficiență cu 10% mai mică.

În acest articol, vom încerca să prezentăm pe scurt și într-un limbaj popular principalele sarcini și să determinăm posibilitățile teoretice de a crea un motor cu ardere internă cu o eficiență sigură de peste 50%.

* * * Deci - eficiența motorului, judecând după manualele pentru universitățile tehnice, constă din două valori: eficiența termodinamică și eficiența mecanică .

Prima valoare indică cât de mult din căldura generată în motor este transformată în lucru util și cât de mult se pierde în spațiul înconjurător. Eficiența mecanică indică cât de mult din munca activă a motorului este cheltuită inutil pentru depășirea diferitelor rezistențe mecanice și conducerea echipamentului suplimentar în motorul însuși.

Dar, dintr-un anumit motiv, în toate manualele, conceptul de „eficiență a consumului de combustibil” nu este introdus în conceptul de eficiență generală. Adică, o valoare care va arăta cât de mult combustibil este ars în mod benefic și se transformă în căldură și volumul de gaze de lucru și cât de mult combustibil nu arde și merge la evacuare sub formă de vapori de combustibil sau produse de combustie incompletă. Această parte ne combustibilă a combustibilului în mașinile moderne „extrem de eficiente” este arsă în catalizatori care sunt instalați în conductele de eșapament. Acestea. evacuarea datorată utilizării acestor sisteme se dovedește a fi destul de curată, dar acest sistem nu îmbunătățește în niciun caz consumul de combustibil și eficiența motorului. Dimpotrivă, se reduce - pentru că, pentru a „pompa” o porțiune de gaze de eșapament prin „ochiul dens” al suprafețelor catalitice, motorul trebuie să funcționeze ca o pompă solidă și să cheltuiască o parte considerabilă din puterea sa pentru aceasta. Desigur, în formulele pentru calcularea eficienței, această categorie este cumva prezentă, dar nu este prezentă în mod explicit și timid. De exemplu, într-o formă ca, de exemplu, într-una dintre formulele pentru echilibrul general de căldură există o componentă „Q n.s. - căldură obținută prin ardere incompletă. " Dar toate aceste abordări suferă de o anumită vagitate, așa că voi încerca să prezint totul cât mai clar și cât mai sistemic posibil.

Deci, eficiența generală a motorului va fi descompusă în 3 părți principale:

• eficienta consumului de combustibil;
• eficiență termică;
• randament mecanic;

Esența acestor valori este următoarea:

Eficienta consumului de combustibil- arată cât de mult combustibil a ars efectiv în motor și s-a transformat într-un volum de gaze de lucru cu temperatură ridicată și presiune ridicată și ce parte din combustibil nu a fost niciodată arsă sub formă de produse de ardere incomplete, particule carbonizate (sub formă de fum, funingine și funingine); sau practic sub formă de vapori de combustibil pur, a trecut direct motorul și a zburat în conducta de evacuare. Când stați lângă o mașină de uz casnic veche care funcționează, în special un camion, și mirosiți un miros puternic de benzină - acest rezultat oferă doar un tip atât de ineficient de combustie parțială a combustibililor;
Eficiență termică - arată cât de multă căldură primită din arderea combustibilului se transformă în muncă utilă și ce cantitate este disipată inutil în spațiul înconjurător;
Eficiență mecanică - arată cât de multă muncă mecanică se transformă într-o forță de cuplu pe arborele principal și este transferată către consumator și cât se cheltuiește inutil pe frecare sau se cheltuiește pentru antrenarea mecanismelor de susținere;

Să luăm în considerare pe scurt toate aceste poziții:
Eficienta consumului de combustibil - nu a fost posibil să găsim date inteligibile pe această temă, nici în vechile manuale sovietice despre teoria și calculul motoarelor cu ardere internă, nici în resursele nesfârșite ale internetului modern.
A fost posibil să se găsească date inteligibile și semnificative în acele date referitoare la calculul convertoarelor catalitice de combustibil ne-ars pentru mașinile moderne. La urma urmei, trebuie, de asemenea, să calculeze cu acuratețe performanța arzătoarelor lor pentru un anumit volum de hidrocarburi care nu sunt arse în motoare. Deci, din aceste date rezultă că motoarele cu piston (și dieselurile) ard în medie nu mai mult de 75% din combustibil, dar 25% din vaporii de combustibil și produsele combustiei sale incomplete intră în conducta de evacuare și au nevoie de serviciile unui post-arzător (pentru a nu otrăvi mediul înconjurător) ). Acestea. în motoarele existente astăzi, nu mai mult de 75% din combustibil este complet ars și transformat în căldură. Această valoare este chiar mai mică pentru motoarele în 2 timpi.

Eficiență termică - în medie, motoarele cu piston au această eficiență în valoare de 35-40%. Acestea. aproximativ 65% din căldura generată este irosită în mediu prin sistemul de răcire și cu gaze de eșapament.

Eficiență mecanică - în medie, 10% din munca motorului este cheltuită pe fricțiunea dintre piesele sale și pe acționarea mecanismelor auxiliare ale motorului.

Ca urmare, în ceea ce privește suma pierderilor termice și mecanice, motoarele cu piston moderne de dimensiuni și putere reduse au o eficiență de cel mult 30%.
Motoarele mari, precum motoarele diesel marine sau motoarele mari ale locomotivelor și camioanelor feroviare, sunt mai ușor de economisit energie, dar nu vom vorbi despre ele.

Dar - valoarea de eficiență de 30% nu ia în considerare proporția de combustibil ne-ars, adică nu ia în considerare utilitatea arderii vaporilor de combustibil din motor. Consider că ținând cont de acest parametru, valoarea eficienței reale a motoarelor pe benzină cu piston nu va fi mai mare de 20%, iar a motoarelor diesel - puțin mai mult, cu aproximativ 5-7%.

Rezultatul este mai bun decât motoarele cu aburi pe cărbune, cu eficiența lor de 7-8%, dar încă foarte puțin.
Să ne gândim - de ce „eficiența consumului de combustibil” specificată nu este inclusă în conceptul de eficiență? De ce conceptul de eficiență ignoră în mod clar ponderea combustibilului care nu oferă o „contribuție” a acestuia la procesul de ardere și generare a căldurii? Acestea. cele mai multe pierderi ale motoarelor moderne renunță la conceptul de eficiență și cifrele valorilor moderne ale eficienței fără a lua în considerare aceste pierderi sunt clar supraestimate?

Adevărul stă în înțelesul însuși al termenului „eficiență”. Acestea. este o determinare a ponderii muncii utile - „acțiune” și a ponderii muncii inutile. O parte a muncii sau a eliberării de energie este benefică, iar unele (de exemplu, pentru a depăși fricțiunea sau energia termică pierdută prin evacuare) sunt inutile, dar există și această energie este tangibilă și luată în considerare. Dar pierderile din combustibilul ars nu se manifestă nici sub formă de căldură inutilă, nici de muncă necorespunzătoare. Aceste „minusuri de echilibru” nu sunt pierderi de locuri de muncă sau pierderi de căldură. Acestea sunt pierderi, combustibil pur. Acestea. acestea sunt pierderi nici în jouli, nici în atmosfere, ci în grame și litri. Și pentru astfel de pierderi, nu se poate aplica măsurarea sau contabilitatea în categoria presiunii pierdute sau a căldurii pierdute, a acțiunii inutile sau a muncii irosite.

Prin urmare, pur conform regulilor logicii formale, COEFICIENTUL ACȚIUNII UTILE nu ar trebui să ia în considerare aceste pierderi. În acest scop, ar trebui să existe un alt indicator și determinant, dar nu există un astfel de parametru clar și inteligibil în utilizarea pe scară largă. Deci, obținem un indicator deliberat tăiat și prea fericit al eficienței motoarelor moderne - un indicator de eficiență care ia în considerare doar o parte din pierderi ...

De fapt, eficiența totală a motoarelor moderne cu ardere internă se dovedește a fi semnificativ mai mică decât eficiența în general postulată a eficienței de 35-40%. La urma urmei, sunt luate în considerare doar acțiunea benefică și energia irosită în zadar și munca suplimentară produsă de partea arsă a combustibilului. Dar pierderile părții ne-arse din combustibil din soldul total al combustibilului furnizat motorului nu sunt pe deplin determinate ...

INSPECȚIA ȘI INVENTARUL PIERDERILOR ÎN PISTON ICE Vom încerca să analizăm și să analizăm pe scurt toate pierderile de energie conținute în combustibil, una câte una, în conformitate cu pozițiile prezentate mai sus. Și apoi - să ia în considerare posibilitățile de a scăpa de aceste pierderi. Acestea. vom încerca să formulăm conceptul și să schițăm caracteristicile generale ale unui motor perfect.

* * *
Primul nivel de pierderi - arderea incompletă a combustibilului în camerele de ardere ale motorului. Toți experții știu că combustibilul din motoarele moderne arde incomplet și o parte din acesta se îndreaptă către gazele de eșapament cu gaze de eșapament. De aceea, motoarele moderne cu ardere internă otrăvesc aerul cu produse de ardere incompletă a hidrocarburilor și pentru a obține „evacuare curată” este instalat un postcombustibil catalitic în conducta de evacuare a autoturismelor moderne, care „arde” combustibilul pe suprafețele elementelor sale active. Ca rezultat, combustibilul care nu este încălzit în cilindri este oxidat inutil în acești catalizatori. Dar evacuarea devine mai curată. Dar prețul acestor catalizatori cu suprafețe de rodiu și platină este foarte mare și funcționează pentru o perioadă limitată de timp.

O sarcină - pentru a obține un motor care arde complet combustibilul în camerele sale de ardere și transformă complet energia legăturilor chimice ale combustibilului în căldură și un volum mare de gaze de ardere simple, cum ar fi vaporii de apă și CO2.

În primul rând, luați în considerare de ce motoarele cu piston tradiționale nu ard complet combustibil. Ce împiedică implementarea procesului de ardere completă?

Principala dificultate a motoarelor cu piston pe această temă este lipsa de oxigen pentru ardere, precum și implementarea procesului de ardere într-un singur ciclu tehnologic odată cu expansiunea gazelor de ardere. Ultima situație poate fi descrisă cu alte cuvinte - Amestecul de lucru nu are suficient timp pentru arderea completă. Aceste „boli generice” ale motoarelor cu piston sunt practic incurabile, astfel încât ingineria gândită de mai bine de 120 de ani încercând să scape de ele nu a găsit o modalitate de a o face.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra acestui dezavantaj: așa că atunci când pistonul se află în centrul său mort (TDC), amestecul de lucru comprimat (PCm) este aprins. Începe procesul de ardere, care curge de ceva timp. O ardere aproximativă a amestecului de lucru într-un motor modern de mare viteză durează aproximativ o milisecundă - 0,001 sec. În general, toți cei 4 pași au loc în 0,02-0,04 secunde.

Se știe că temperatura ridicată și presiunea ridicată sunt de dorit pentru arderea completă și completă a vaporilor de combustibil. Dar imediat după ce pistonul trece TDC, acesta începe să se deplaseze în jos cu o creștere semnificativă a volumului spațiului de mai sus al pistonului. Acestea. Pe măsură ce partea din față a combustiei amestecului de lucru (PCm) se răspândește în camera de ardere, primele porțiuni ale PCm ars vor arde la temperatură ridicată și presiune ridicată. Dar ultimele porțiuni de PCM arzând se găsesc în condiții de scădere bruscă a presiunii și scăderea temperaturii. În consecință, utilitatea arderii scade brusc sau chiar se oprește cu totul. Din acest motiv, o parte din PCM nu are timp să ardă sau nu arde complet. Prin urmare, o parte din vaporii de combustibil intră în conducta de evacuare, iar gazele de eșapament conțin cu siguranță produse de ardere incompletă a hidrocarburilor combustibile. Ca urmare, o parte din combustibil nu arde și nu își transformă energia în căldură și apoi în rotație a arborelui principal al motorului, ci doar poluează și otrăvește aerul din jur.

Este practic imposibil să se elimine acest dezavantaj, deoarece proiectarea fundamentală a unui motor cu piston presupune cel mai important principiu al combinării a două procese diferite într-un singur ciclu tehnologic „combustie - expansiune”: combustia și expansiunea produselor de combustie. Aceste procese sunt dificil de combinat, deoarece fiecare dintre ele se desfășoară în mod optim în condiții de excludere reciprocă a condițiilor optime pentru un alt proces.

Într-adevăr, procesul de ardere al unei încărcări PCM comprimate va avea loc cel mai bine într-o cameră blocată cu volum constant. În termodinamică, acest proces este definit ca un proces "izocoric". Acestea. încărcătura PCM va arde complet și va transforma în căldură și presiune toată energia legăturilor chimice ale hidrocarburilor combustibile într-o cameră închisă în condiții de presiune și temperatură în creștere rapidă.
Iar procesul de expansiune va avea loc cel mai bine în condiții de temperatură scăzută (pentru a asigura lubrifierea suprafețelor de alunecare și frecare a elementelor de lucru ale motorului), cu o ușoară mișcare a corpului principal de lucru (piston).
După cum puteți vedea, ambele condiții nu pot fi îndeplinite pe deplin la motoarele cu piston, prin urmare procesul combinat de ardere-expansiune urmează un „scenariu de compromis” atunci când sunt create condiții puțin adecvate pentru fiecare dintre procese, dar în cele din urmă, ele permit totuși cumva implementați cursul acestor procese comune cu o eficiență de cel puțin 50%. Ca rezultat, procesul de funcționare al unui motor modern cu piston este o tehnologie de compromisuri dificile continue și pierderi semnificative.

Ca urmare a unei astfel de „căsătorii de compromis” cu pierderi pentru ambele părți implicate în caz, obținem următorul rezultat:
— apare arderea în condiții de expansiune bruscă a camerei de ardere și chiar la o temperatură semnificativ scăzută a pereților cilindrului. Prin urmare, combustibilul nu arde complet și este ineficient și chiar o parte din căldura din combustibilul ars se pierde atunci când pereții reci ai cilindrului răcit sunt încălziți. Acestea. arderea are loc în condiții extrem de ineficiente.
— se produce expansiunea în condiții de temperaturi ridicate din procesul de ardere combinat cu dilatarea. De aceea, pereții cilindrului trebuie să fie răciti, deoarece uleiul pentru lubrifierea suprafețelor de frecare a pistonului și cilindrului la o temperatură mai mare de 220 ° C își pierde „proprietățile alunecoase” și fricțiunea începe „uscată”, iar uleiul carbonizat este sinterizat în particule solide, care încep să interfereze și mai mult acest proces.

În parte, o cale de ieșire din impasul procesului de „combustie-expansiune” se găsește prin aranjarea „aprinderii timpurii” astfel încât să se producă cât mai puțin posibil combustia PCM pe linia de expansiune rapidă și o creștere ridicată a volumului camerei de combustie. Dar aceasta este o schemă forțată, plină de alte probleme secundare. Deoarece „aprinderea timpurie” presupune aprinderea PCM și crearea etapei inițiale a presiunii de lucru a gazelor de ardere chiar înainte ca pistonul să ajungă la TDC, adică în etapa finală a măsurii de „compresie”. În consecință, inerția mecanismului manivelei (KShM) trebuie să depășească această presiune a PCm-ului în curs de ardere și să se comprime din cauza inerției de rotație a KShM-ului sau a lucrării altor pistoane, care au început să extindă PCM-ul în flăcări. Rezultatul acestui compromis este o creștere bruscă a sarcinilor pe arborele cotit, pistoane, biele și pinii KShM, precum și o scădere a eficienței. Acestea. motorul se dovedește a fi o arenă pentru confruntarea forțelor multidirecționale.

Un alt subiect dificil pentru motoarele cu piston alternativ este lipsa de oxigen. Este adevărat, este tipic doar pentru motoarele pe benzină (motoarele care funcționează cu aprindere prin scânteie forțată), motoarele diesel (motoarele care funcționează cu aprindere prin compresie) sunt lipsite de acest dezavantaj. Pe de altă parte, motoarele diesel au dobândit în schimb multe alte dificultăți - greutate mare, voluminoasă și dimensiuni impresionante. Într-adevăr, nimeni nu a reușit să creeze un motor diesel eficient, cu dimensiuni acceptabile, cu un volum mai mic de 1,2 litri ... Acesta este motorul celui mai mic automobil diesel Audi-A2. Iar plecarea dieselurilor în dimensiuni foarte mici are un rezultat trist. Deci - motoare diesel mici ale uzinei de tractoare Vladimir D-120 (sunt instalate pe un mini-tractor) cu o putere de 25-30 CP. au o greutate de 280-300 kg. Acestea. o putere de 10 cai reprezintă 10 kg de greutate. Alți producători din întreaga lume au o situație similară.
Deci, combustibilul nu arde complet atunci când PCM este „bogat”, adică conține o mulțime de vapori de combustibil și puțin aer (oxigen). Un astfel de PCM nu are șanse să ardă complet; pur și simplu nu există suficient oxigen pentru a oxida hidrocarburile combustibile. Rezultatul este că vaporii de combustibil care nu sunt arși din acest motiv se duc la evacuare. Pe de altă parte, un astfel de PCM arde rapid, deși este defect. Aceasta înseamnă că majoritatea vaporilor de combustibil încă ard și dau presiunea și temperatura necesare.

Puteți merge în sens invers - faceți un „amestec slab”, adică. va fi mult aer (oxigen) și puțini vapori de combustibil în PCM. Ca urmare, în cazul ideal, un astfel de PCM va putea arde complet - toți vaporii de combustibil vor arde 100% cu eficiență maximă. Dar un astfel de PCM are un mare dezavantaj - arde mult mai lent decât „amestecul bogat” și în condițiile unui motor cu piston care funcționează cu adevărat, unde arderea are loc pe linia unei creșteri de mare viteză a volumului, un astfel de PCm pur și simplu nu are timp să se ardă complet. Deoarece o parte semnificativă a arderii unui astfel de PCM scade datorită vitezei scăzute în condițiile unei creșteri accentuate a volumului camerei de ardere și a unei scăderi a temperaturii. Concluzia este că PCM nu arde din nou nici măcar în varianta „amestec slab” și o parte vizibilă a acestuia nu este arsă în evacuare.

Și din nou, consumul de combustibil al unui astfel de mod de funcționare a motorului cu piston este foarte scăzut.
Metoda de control al motoarelor cu carburator, „metoda cantitativă”, joacă, de asemenea, un rol în alimentarea redusă a oxigenului în procesul de ardere al PCM. Pentru a încetini turația motorului și a-i reduce „tracțiunea”, șoferul acoperă clapeta de accelerație, limitând astfel fluxul de aer în carburator. Ca rezultat, există din nou o lipsă de aer pentru combustia combustibilului și din nou o eficiență scăzută a combustibilului ... Motoarele cu injecție sunt parțial lipsite de un astfel de dezavantaj, dar restul problemelor unui motor cu piston se manifestă în ele „în totalitate”.

Este necesar să separați două procese tehnologice de lucru extrem de contradictorii - „ardere - formarea gazelor de lucru cu presiune și temperatură ridicate” și „expansiunea gazelor de lucru cu presiune și temperatură ridicate”. Apoi, ambele procese pot fi pornite în camere și dispozitive specializate cu parametrii optimi. Acestea. arderea va avea loc "izocoric" - într-un volum blocat, cu creșterea presiunii și creșterea temperaturii. Iar expansiunea se poate face în condiții de temperatură scăzută.

În principiu, ideea de a face o astfel de „mare diviziune” a fost formulată de diverși inventatori și ingineri din diferite țări pentru o lungă perioadă de timp. De exemplu, dezvoltarea companiei germane DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG ”, pe tema unui motor cu piston cu cameră de ardere separată. Dar până acum nimeni nu a reușit să propună un circuit teoretic frumos și eficient din punct de vedere tehnic pentru implementarea în metal. Aceeași companie germană DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG ”a început să primească brevete pentru evoluțiile sale în urmă cu aproximativ 15 ani, dar nu a auzit de succesul real în crearea unui motor cu adevărat funcțional.

Deci, este necesar să se asigure un proces lung de ardere a încărcării PCm într-un volum blocat - „proces izocoric”. În aceste condiții, va fi posibilă arderea unui „amestec slab” cu bună știință, cu un raport mare de aer în exces, atunci când vaporii de combustibil arde complet, dau cantitatea maximă posibilă de căldură și gaze de ardere, în timp ce produsele de ardere minim toxice vor ajunge la evacuare. Dar acest lucru se poate face numai oferind un timp de ardere suficient de lung al încărcării PCM „slabe” într-un volum blocat la presiune crescătoare și temperatură semnificativă. Ceea ce este practic imposibil de furnizat într-un motor cu piston.

* * *
Al doilea nivel de pierderi - pierderi semnificative de căldură obținute din arderea „combustibilului asimilat de motor”.
Bilanțul termic al unui motor pe benzină este rezumat după cum urmează:
1) - căldura transferată în munca utilă: 35%;
2) - căldura pierdută cu gazele de eșapament: 35%;
3) - căldura pierdută din pierderile prin sistemul de răcire: 30%;

O sarcină - pentru a obține un motor cu pierderi minime de căldură în mediu. În mod ideal, obiectivul ar putea fi crearea unui motor cu o eficiență termică de 80%. Dar chiar dacă vom reuși să atingem acest indicator de 65-70%, în loc de 35% astăzi, va fi un salt uriaș înainte. Acestea. un motor de aceeași putere la această eficiență va începe să consume de 2 ori mai puțin combustibil decât înainte.

Analiza dezavantajului de astăzi: În primul rând, să luăm în considerare de ce motoarele cu piston tradiționale au pierderi de căldură atât de mari „în lateral”? Ce duce la o situație atât de tristă?

Prima categorie de pierderi de căldură - pierderi de căldură cu îndepărtarea prin pereții cilindrilor cu sistem de răcire. În general, pentru a crește eficiența termică, motorul nu trebuie deloc răcit. Din aceasta, temperatura pieselor motorului va crește imediat - și aceasta va încărca uleiul (ceea ce creează o peliculă pentru a aluneca ușor pe suprafețele de frecare), iar pistonul se va opri din mișcare ușor în cilindru și motorul se va bloca în curând. Aici ne lovim din nou de contradicțiile combinării a două procese într-un singur pas - combustie și expansiune. Temperatura în timpul unui flash de ardere în perioada inițială de aprindere PCm - atinge 3000 C °. Iar temperatura limitativă a uleiului, atunci când acesta încă lubrifiază și economisește de frecare, este de 200 - 220 de grade. Când se depășește acest prag de temperatură, uleiul începe să „ardă” și să se încarce. Pentru a asigura o eficiență ridicată, nu este rezonabil să răciți motorul, ci pentru a asigura posibilitatea mișcării corpului principal de lucru - pistonul, lubrifierea este vitală ... un sistem de răcire care permite pistonului să se deplaseze în cilindru - reduce dramatic eficiența termică a motorului. Aceasta este o scădere deliberată și necesară a eficienței.

A doua categorie de pierderi de căldură- pierderi de căldură cu gaze de eșapament. Temperatura gazelor de eșapament la ieșirea cilindrilor pentru diferite dimensiuni și motoare variază de la 800 la 1100 C °. Prin urmare, într-un motor care funcționează la turații mari, colectoarele de evacuare încep uneori să se încălzească până la o strălucire roșiatică ... Acest lucru înseamnă doar un singur lucru - energia de ardere a combustibilului, care s-a transformat în energie internă a gazelor de ardere sub forma temperaturii lor ridicate, se pierde irevocabil și complet inutilă. Prin acest canal de „pierderi de căldură”, motoarele moderne cu ardere internă pierd aproximativ 35% din energia de ardere a combustibilului. Și este extrem de dificil să transformi această energie într-o muncă utilă, cel mai mult s-a făcut să introduci o turbină în tractul de evacuare, care transformă compresorul turbocompresorului. Aceasta crește presiunea aerului care intră în cilindri. Și acest lucru crește ușor eficiența. Dar - este necesar să înțelegem că turbina „prinde” nu temperatura crescută, ci presiunea în exces a gazelor care ies din cilindru. Acestea. acesta este un subiect ușor diferit și un alt tip de economie.

Astfel, se dovedește că motorul pistonului „procesează” slab nu numai temperatura, ci și presiunea ridicată a gazelor de lucru. De fapt, gazele de lucru cu o suprapresiune de 8 - 10 atmosfere se duc la evacuare. Acest lucru este foarte mult, trebuie doar să ne amintim că primele motoare cu aburi de la începutul secolului al XIX-lea au avut o presiune de funcționare de 3 sau 3,5 atmosfere și au funcționat cu succes în minele de cărbune și în instalațiile metalurgice, la fel ca motoarele primelor locomotive cu aburi.

Întregul punct se află aici în aceleași dimensiuni geometrice ale volumului de compresie și al volumului de expansiune. Într-un motor cu piston, acestea sunt egale și nu se poate face nimic în acest sens. În mod ideal, aceste volume ar trebui să fie diferite. Un truc asemănător ciclului Atkinson, când volumul de compresie la motoarele cu piston este mai mic decât volumul de expansiune, este ineficient, deoarece reduc brusc cuplul motorului.

Dar o creștere a volumului camerei de expansiune va face posibilă transformarea în lucrări utile a întregului exces de presiune excesivă, dar temperatura crescută a gazelor incandescente de ardere a combustibilului nu poate fi utilizată prin această metodă. Singurul lucru care a venit în mintea inginerilor a fost să injecteze apă în butelii pentru a transforma căldura în lucru. În teorie: apa, transformându-se în abur de înaltă presiune, va crește brusc presiunea amestecului format vapori-gaz și, în același timp, va reduce semnificativ temperatura acestuia. Dar, într-un motor cu piston de peste 80 de ani de eforturi în această direcție, nu s-a creat nimic eficient și eficient. Schema de pistoane a unui motor cu ardere internă s-a dovedit a fi foarte ostilă acestei idei și nu a permis introducerea unei curse de abur sau a unei faze de vapori în ciclul de funcționare a motorului.

Trebuie spus că, conform legii fundamentale a termodinamicii, formulată în urmă cu aproape 200 de ani de S. Carnot, un motor termic cu eficiența maximă posibilă trebuie să aibă temperatura maximă a gazelor de lucru la începutul ciclului de lucru și temperatura minimă a gazelor de lucru la sfârșitul ciclului.
Dar într-un motor cu combustie internă cu piston, temperatura maximă a gazelor din prima etapă a ciclului este împiedicată de sistemul de răcire, iar temperatura minimă în exces a gazelor la sfârșitul ciclului este împiedicată de imposibilitatea integrării componentei de abur în circuitul motorului. Ca urmare, astăzi folosim motoare cu o eficiență termică de aproximativ 35%, nu mult mai bună decât acum 60 sau 70 de ani ...

Modul de a scăpa de acest neajuns: este necesar să se creeze un design al motorului care să permită arderea combustibilului într-o cameră de ardere izolată termic (pentru a atinge temperatura maximă la începutul ciclului de funcționare), precum și pentru a permite pornirea fazei de vapori în etapa finală a gazelor de ardere fierbinți (pentru a atinge temperatura minimă la sfârșitul ciclului de funcționare). De asemenea, un astfel de design al motorului va face posibilă lipsa unui sistem de răcire separat și voluminos, care ar „arunca” căldura în mediul extern.

În același timp, motorul nu va avea nevoie de o țeavă de evacuare voluminoasă și grea, care, în motoarele tradiționale cu piston, amortizează zgomotul gazelor de eșapament emise de „lovituri” cu o presiune excesivă de 8-10 atmosfere. Căci în proiectarea propusă, presiunea în exces a gazelor de eșapament va fi minimă.

* * *
Al treilea nivel de pierderi - pierderi notabile de putere pentru a depăși forțele de frecare, precum și forțele de inerție ale maselor alternative, precum și pierderile pentru antrenarea mecanismelor auxiliare. Aceste pierderi sunt definite ca pierderi mecanice. Acestea depind de schema cinematică a motorului. Dar, pe lângă pierderile mecanice efective, diagrama cinematică și designul acesteia afectează și un alt indicator important de performanță, care nu este direct legat de eficiență: acesta este modul și magnitudinea cuplului.

Sarcina este de a obține un motor cu pierderi mecanice minime. Și are, de asemenea, un cuplu constant de valoare ridicată, cu dimensiunile reduse ale motorului în sine. Cuplul ridicat și stabil face posibilă renunțarea la un sistem de vehicule atât de voluminos și complex ca o cutie de viteze. Un exemplu este transportul cu motoare electrice și motoare cu abur.

Analiza dezavantajului de astăzi: Într-un motor cu piston standard (portbagaj), reacția tijei de legătură (componenta transversală a acestei reacții în raport cu axa cilindrului) la presiunea gazelor de lucru apasă constant pistonul fie pe o parte a cilindrului, fie pe cealaltă. Acest sistem de funcționare a motorului necesită o lubrifiere constantă a suprafețelor de frecare puternică și costul pentru depășirea acestor forțe de frecare. În plus, atunci când manivela KShM se rotește, proiecția brațului care creează cuplul la vectorul mișcării pistonului se schimbă constant de la „zero” la „maxim” și înapoi la fiecare cursă de lucru. Un astfel de mod de cuplu pulsatoriu brusc nu este util pentru acționarea dispozitivelor de acționare. Și numai la turațiile mari ale motoarelor cu piston, cuplul crește considerabil. Dar, viteza mare (aproximativ 3-4 mii rpm) nu este necesară pentru majoritatea consumatorilor. Prin urmare, este necesar să se realizeze o cutie de viteze complexă și greoaie, care face parte integrantă din mașini, motociclete etc.
& nbsp În plus, eficiența mecanică este semnificativ redusă datorită prinderii de putere a motorului pentru acționarea mecanismelor sale auxiliare - pompa sistemului de răcire, ventilatorul de răcire, arborele cu came și supapele de distribuție a gazului, un generator electric etc. Și pierderile de putere notabile sunt cauzate de necesitatea comprimării amestecului de lucru și cu atât este mai mare raportul de compresie , cu atât sunt mai mari aceste pierderi. În plus, pierderile de putere vizibile pot fi cauzate de aprindere timpurie inutilă, atunci când motorul este forțat, la sfârșitul celei de-a doua curse de "compresie", să comprime produsele de ardere care încep să se extindă.

Modul de a scăpa de acest neajuns: este necesar să se creeze un design al motorului în care presiunea gazelor de lucru să nu apese corpul principal de lucru în mișcare împotriva corpului staționar. În acest caz, motorul ar trebui să se distingă printr-un astfel de design care să permită un braț de cuplu constant de-a lungul întregii căi de mișcare a corpului principal de lucru al motorului. În același timp, pe această cale, presiunea gazelor de lucru ar trebui menținută cât mai mult timp posibil, în mod ideal - să se străduiască 100%. Permiteți-mi să vă reamintesc că la motoarele în 4 timpi dintr-un ciclu complet al motorului cu 2 rotații ale arborelui, presiunea asupra pistonului acționează doar pentru o jumătate de rotație și chiar și în modul de transmisie al acestei presiuni cu un braț de cuplu instabil.

TOTAL:

ITAK - vom formula condițiile propuse de abordarea științifică pentru a crea un motor cu randament ridicat:
1) Principalele procese tehnologice ale motorului "combustie" și "expansiune" trebuie separate și distanțate pentru a fi implementate în diferite camere tehnologice. În acest caz, arderea trebuie să aibă loc într-o cameră închisă, în condiții de creștere a temperaturii și de creștere a presiunii.
2) Procesul de ardere trebuie să aibă loc pentru un timp suficient și în condiții de aer în exces. Acest lucru va permite arderea 100% a amestecului de lucru.
3) Volumul camerei de expansiune ar trebui să fie semnificativ mai mare decât camera de compresie, cu cel puțin 50%, acest lucru este necesar pentru transferul complet al presiunii gazelor de lucru pentru a lucra pe corpul principal de lucru.
4) Trebuie creat un mecanism pentru a transfera temperatura ridicată a gazelor de eșapament pentru a lucra pe corpul principal de lucru. Există o singură posibilitate reală pentru aceasta - furnizarea de apă pentru a converti temperatura ridicată a gazelor de ardere în presiunea aburului rezultat.
5) Corpul de lucru și întreaga cinematică a motorului trebuie să fie aranjate în așa fel încât corpul de lucru să perceapă presiunea gazelor de lucru cât mai mult timp posibil ciclului motorului, iar brațul transferului forței acestei presiuni este maximul posibil.

După ce ați lucrat cu atenție cu aceste cerințe ale abordărilor teoretice ale fizicii și mecanicii pe tema creării unui motor cu randament ridicat, se dovedește că este absolut imposibil să creați un motor cu piston pentru astfel de sarcini. Un piston ICE nu îndeplinește niciuna dintre aceste cerințe. Din acest fapt, urmează următoarea concluzie - este necesar să căutăm mai eficiente, alternative la schema pistonului, proiectarea motorului. Și cea mai apropiată de cerințele necesare este schema unui motor rotativ.

În munca mea asupra conceptului de motor rotativ perfect, tocmai am pornit dintr-o încercare de a lua în considerare, la crearea unei diagrame conceptuale a motorului, necesitatea de a pune în aplicare toate condițiile teoretice de mai sus. Sper că am reușit să o fac.

ARTICOLUL nr. 2-1

GANDIREA DESPRE GRADUL DE COMPRESIE:
TOTUL ESTE BUN ÎN MODERARE

Suntem cu toții obișnuiți cu faptul că un motor economic și puternic trebuie să aibă un raport de compresie ridicat. Prin urmare, la mașinile sport, motoarele au întotdeauna un raport de compresie ridicat, iar reglarea (creșterea) motorului pentru a crește puterea motoarelor de serie standard implică, în primul rând, creșterea raportului de compresie.
Prin urmare, în opinia populară larg răspândită, ideea a fost fixată - cu cât este mai mare raportul de compresie al motorului, cu atât este mai bine, deoarece acest lucru duce la o creștere a puterii motorului și la o creștere a eficienței acestuia. Dar - din păcate, această poziție este doar parțial adevărată, sau mai bine zis, este adevărată nu mai mult de 50%.
Istoria tehnologiei ne spune că atunci când a apărut primul Lenoir ICE în anii 1860 (care a funcționat fără compresie), abia a depășit eficiența motoarelor cu aburi și când (15 ani mai târziu) a apărut ICE-ul în 4 timpi al lui Otto, funcționând cu compresie, eficiența unui astfel de model a depășit imediat toate motoarele care existau atunci în ceea ce privește eficiența.
Dar compresia nu este un proces atât de simplu și simplu. Mai mult decât atât, nu are sens să se obțină rapoarte de compresie foarte mari și chiar și acest lucru este foarte dificil din punct de vedere tehnic.
În primul rând: cu cât este mai mare raportul de compresie, cu atât este mai mare cursa de lucru a pistonului din cilindru. În consecință, viteza liniară a mișcării pistonului la turații mari este mai mare. În consecință, cu atât sunt mai mari sarcinile inerțiale alternante care acționează asupra tuturor elementelor mecanismului manivelei. În același timp, cresc și nivelurile de presiune din cilindru. Prin urmare, pentru un motor cu un raport de compresie ridicat și o cursă lungă de lucru, toate elementele și părțile motorului trebuie să aibă o rezistență sporită, adică groase și grele. De aceea dieselurile nu sunt niciodată mici și ușoare. De aceea, nu au fost create motoare diesel mici pentru motociclete, motoare de barcă, avioane ușoare etc. De aceea, motoarele auto standard supuse unei reglări serioase - „ciupite” - au o durată de viață atât de mică.
În al doilea rând: cu cât este mai mare raportul de compresie, cu atât este mai mare riscul de detonare cu toate consecințele distructive care rezultă. Realimentarea cu benzină de calitate scăzută poate distruge pur și simplu un astfel de motor. Despre detonare - citiți într-un ARTICOL special. Acestea. la un anumit grad de compresie, este necesar să se utilizeze benzină tot mai scumpă și specială sau aditivi speciali la aceasta. În anii cincizeci și șaizeci, linia principală de construcție a motorului, în special în Statele Unite, a fost o creștere a raportului de compresie, care la începutul anilor șaptezeci pe motoarele americane ajungea adesea la 11-13: 1. Cu toate acestea, acest lucru necesită benzină adecvată cu octanie ridicată, care în acei ani putea fi obținută doar prin adăugarea de plumb tetraetil otrăvitor. Introducerea la începutul anilor șaptezeci a standardelor de mediu în majoritatea țărilor a dus la o stagnare a creșterii și chiar la o scădere a raportului de compresie la motoarele de producție.
Cu toate acestea, nu are rost să atingem rapoartele maxime de compresie posibile. Faptul este că eficiența termică a motorului crește odată cu creșterea raportului de compresie, dar nu liniar, ci cu o decelerare treptată. Dacă cu o creștere a raportului de compresie de la 5 la 10, crește de 1,265 de ori, apoi de la 10 la 20 - doar de 1,157 de ori. Acestea. după atingerea unui anumit prag al gradului de compresie, creșterea ulterioară a acestuia nu are sens, deoarece câștigul va fi minim, iar dificultățile în creștere vor fi imense.

* * * O analiză atentă a capacităților diferitelor tipuri de motoare și căutarea unor modalități de îmbunătățire a eficienței acestora pot găsi alte oportunități decât creșterea constantă a raportului de compresie. Și vor fi mult mai eficiente și mai bune decât rapoartele de compresie ridicate.
Pentru început, să ne dăm seama ce oferă de fapt un raport de compresie ridicat. Și dă următoarele:
- dă o cursă lungă de lucru, deoarece la un motor cu piston, cursa de compresie este egală cu cursa de expansiune;
- presiune puternică în sarcina amestecului de lucru, la care există o convergență a oxigenului și a moleculelor de combustibil. Acest lucru face ca procesul de ardere să fie mai bine pregătit și
merge mai repede.

În prima poziție, pot fi făcute următoarele comentarii: într-adevăr, eficiența motoarelor diesel se datorează în mare măsură faptului că au o lungime a cursei lungi. Acestea. creșterea lungimii cursei de expansiune are un efect mult mai grav asupra eficienței și economiei motorului decât creșterea lungimii cursei de compresie. Acest lucru face posibil să se elimine mai multe beneficii din presiunea gazelor de lucru - gazele funcționează pentru o mai mare mișcare a pistonului. Și dacă în motoarele „pe benzină” diametrul pistonului este aproximativ egal cu lungimea cursei de lucru, cu „raportul de compresie” și „raportul de expansiune” corespunzător, care sunt legate de lungimea cursei pistonului, atunci la motoarele diesel acest parametru este mult mai mare. La motoarele diesel clasice cu viteză redusă, cursa pistonului este cu 15-30% mai lungă decât diametrul pistonului. La motoarele diesel marine, această diferență devine în general flagrantă. De exemplu, un imens motor diesel cu 14 cilindri pentru un supercisterne fabricat de compania finlandeză Wartsila, cu o cilindree de 25 480 litri și o capacitate de 108 920 CP. la 102 rpm, diametrul cilindrului este de 960 mm, cu cursa pistonului - 2500 mm.

În același timp, permiteți-mi să vă reamintesc că astfel de motoare diesel marine funcționează cu țiței, care poate rezista la un raport de compresie foarte mare cu o cursă de piston atât de mare.

Dar o creștere a raportului de compresie are și laturile sale neplăcute - necesită utilizarea benzinelor scumpe cu octanie ridicată, o creștere a greutății motorului, precum și cheltuieli considerabile de putere a motorului pentru procesul de compresie puternică.
Să încercăm să ne dăm seama dacă va fi posibil să se obțină un efect apropiat și chiar mai mare în creșterea puterii și creșterea eficienței motorului în alte moduri, adică fără o creștere excesivă a raportului de compresie cu o creștere a negativului inerent unui astfel de proces. Se pare că o astfel de cale este posibilă. Acestea. toate ambele aspecte pozitive ale creșterii raportului de compresie pot fi obținute în alte moduri și fără problemele inerente de a construi raportul de compresie.

Luarea în considerare a primei poziții - lungime lungă a cursei de lucru. Principalul lucru pentru eficiență este o cursă lungă, astfel încât toate gazele de lucru să transfere presiunea la piston la maxim. Și într-un motor cu piston, cursa de lucru este egală cu lungimea cursei de compresie. Așadar, cumva s-a stabilit părerea că cel mai important lucru este raportul de compresie, nu raportul de expansiune. Deși într-un motor cu piston, aceste valori sunt egale. Prin urmare, nu are prea mult sens să le separăm.

Dar, în mod ideal, este mai bine să faceți aceste lungimi ale cursei diferite. Deoarece creșterea cursei de compresie duce la o mulțime de consecințe neplăcute, faceți-o moderată. Dar cursul expansiunii, ca fiind responsabil la maxim pentru economie și eficiență, ar trebui să fie cât mai mare posibil. Dar într-un motor cu piston este aproape imposibil să o faci (sau este foarte dificil și dificil să o faci - de exemplu, motorul Kushul). Dar există o mulțime de circuite rotative ale motorului care vă permit să rezolvați cu ușurință această dilemă. Acestea. capacitatea motorului de a avea un raport de compresie moderat și în același timp o lungime semnificativă a cursei de lucru.

Luarea în considerare a doua poziție - activarea și eficiența ridicată a procesului de ardere a combustibilului. Viteza și plinătatea sa ridicate. Aceasta este o condiție importantă pentru calitatea și economia motorului. Dar se pare că raportul de compresie (presiune ridicată) nu este singurul și nici măcar cel mai bun mod de a obține un astfel de rezultat.

Aici îmi voi permite un citat dintr-o carte academică despre teoria motoarelor pentru universitățile din perioada sovietică: „Motoare auto”, ed. MS Khovaha. Moscova, „Inginerie mecanică”, 1967.
După cum puteți vedea din citatul de mai sus, calitatea și viteza de ardere depind mai mult de temperatura de ardere și, într-o măsură mai mică, de presiune. Acestea. dacă este posibil să se asigure o temperatură extrem de ridicată a mediului de ardere, atunci utilitatea arderii va fi maximă și va dispărea necesitatea unei presiuni extrem de ridicate înainte ca procesul de ardere (în raportul de compresie).

Dintre toate abordările teoretice descrise mai sus, se poate face o concluzie - un motor puternic cu eficiență ridicată poate face fără un raport de compresie ridicat, cu toate dificultățile sale inerente. Pentru aceasta, raportul de expansiune în motor ar trebui să fie semnificativ mai mare decât raportul de compresie, iar arderea încărcăturii amestecului de lucru proaspăt ar trebui să aibă loc în camera de ardere extrem de încălzită. În acest caz, în timpul procesului de ardere, presiunea și temperatura ar trebui să crească datorită creșterii lor naturale datorită energiei procesului de ardere. Acestea. camera de ardere trebuie să fie închisă ermetic și să nu își schimbe volumul în timpul arderii. Prin urmare: nu ar trebui să existe o creștere rapidă a volumului camerei de ardere cu o scădere corespunzătoare a presiunii și temperaturii (așa cum se întâmplă la un motor cu piston).
Apropo, în timpul arderii amestecului de combustibil, presiunea din camera de ardere blocată cu un volum constant va crește, adică porțiunile de combustibil care ard în „a doua serie” (mai mult de 60% din masa de încărcare) vor arde la un raport de compresie foarte mare (presiunea de aproximativ 100 atm). presiunea căreia va fi creată prin arderea primei părți a combustibilului. Trebuie remarcat aici că presiunea la sfârșitul cursei de compresie, chiar și pentru motoarele diesel (acești lideri actuali de eficiență), nu depășește 45-50 atm.
Dar ambele condiții menționate anterior într-un motor cu piston cu mecanism cu manivelă nu pot fi îndeplinite și asigurate. Prin urmare, motoarele cu piston funcționează la rapoarte de compresie ridicate, cu toate dificultățile care rezultă, și nu pot depăși bara de eficiență de 40% timp de aproape 100 de ani.

REZUMATUL acestui articol este după cum urmează - un motor extrem de eficient, de mare putere, de înaltă eficiență poate avea un raport de compresie moderat dacă are o cursă de expansiune care este vizibil mai mare decât o cursă de compresie. Și arderea amestecului de lucru va avea loc într-o cameră care este blocată pe durata arderii și nu este răcită (proces izocoric adiabatic) la temperatura și presiunea crescândă din energia procesului de ardere în sine.
Este imposibil să se creeze un astfel de design în cadrul ideii unui motor cu piston, dar în domeniul ideilor pentru motoarele rotative, este foarte posibil să se creeze astfel de modele. Asta face autorul acestui text și al acestui site.

ARTICOLUL nr. 2-2

REFLECȚIE PRIVIND GRADUL DE COMPRESIE-2:
O UITARE ÎN ISTORIE

26.01.13

În prima parte a articolului, am arătat că o creștere continuă a raportului de compresie la un motor cu piston cu mecanism cu bielă este singura modalitate de a crește ușor eficiența motorului, are limite clare ale capacităților sale. La rapoarte de compresie care se apropie de 16, amestecul de lucru cu vapori de benzină, chiar octanic numărul 100, începe să ardă în modul de detonare, iar piesele și corpul motorului devin foarte voluminoase și cu pereți groși (ca la un motor diesel) pentru a rezista la presiuni ridicate și sarcini inerțiale ridicate. Dar forțele enorme ale combustiei prin detonare distrug chiar și astfel de părți voluminoase și masive foarte repede.

Dar există și alte modalități de a îmbunătăți eficiența motorului - acestea sunt:
A) - creșterea temperaturii de ardere a amestecului de lucru (temperatura din camera de ardere) pentru a realiza o ardere completă și rapidă a vaporilor de benzină. În acest caz, se eliberează cantitatea maximă de căldură, iar corpul de lucru va apăsa mai tare pe piston - adică face o treabă grozavă.
Motoarele cu piston cu un mecanism cu manivelă și un proces combinat de ardere-expansiune (ciclul 3) nu pot merge pe această cale, deoarece uleiul (lubrifierea pereților perechii cinematice piston-cilindru) la o temperatură de 220 grade începe deja să oprește lubrifierea. De aceea, cilindrul și pistonul motorului trebuie răcite, ceea ce duce la o scădere bruscă a eficienței termice a motorului.
B) - o creștere a volumului (gradului) de expansiune a corpului de lucru (lungimea cursei de expansiune) pentru expansiunea completă a gazelor corpului de lucru. Acest lucru va permite utilizarea deplină a excesului de presiune. La motoarele cu piston moderne, gazele cu o presiune de 5-8 atmosfere merg la evacuare, ceea ce reprezintă o pierdere semnificativă. Și asta, în ciuda faptului că presiunea efectivă medie a motorului cu piston este de doar 10 atmosfere. Lungimea mică a cursei de lucru a motorului cu piston cu KShM (mecanism cu manivelă) interferează cu creșterea valorii „acționării” acestei presiuni.
Dacă creșteți raportul de expansiune a gazelor corpului de lucru în motor, atunci eficiența acestuia va crește semnificativ fără a fi nevoie să creșteți raportul de compresie.

Primul motor cu ardere internă este motorul Lenoir. 1860g

Deci, subiectul acestui articol: pentru a crește eficiența, este posibil și necesar să se mărească raportul de expansiune al corpului de lucru (gazele de lucru) fără a crește raportul de compresie. Acest lucru ar trebui să ducă la o creștere semnificativă a eficienței motorului, deci să justificăm această posibilitate în acest articol.

La nivel optim, trebuie să aveți: raportul de compresie poate fi destul de mic - de aproximativ 3 ori, aceasta corespunde presiunii în sarcina amestecului de lucru comprimat de 4 atmosfere, dar raportul de expansiune (lungimea liniei cursei de lucru) ar trebui să depășească acest mic raport de compresie cu aproximativ 6-8 timp.
Această formulare a întrebării poate părea ciudată și nerezonabilă pentru toți cunoscătorii circuitelor tradiționale ale motoarelor, care sunt obișnuite cu rapoarte de compresie ridicate în motoarele cu piston. Dar tocmai această stare paradoxală a faptelor în realitate este evidențiată de un studiu atent al proiectelor motoarelor cu ardere internă care au fost create și funcționate în zorii apariției unor astfel de motoare, adică în epoca creării primului ICE.

Așadar, prima concepție greșită care funcționează pentru a consolida mitul despre necesitatea creării unui raport de compresie ridicat în motor este justificată de faptul că primele motoare cu ardere internă, care au fost create acum 150 de ani, nu au precomprimat amestecul de lucru înainte de a-l aprinde și, prin urmare, au avut o eficiență complet scăzută - aproape la fel cu cea a motoarelor cu aburi primitive.
Într-adevăr, primul motor cu ardere internă funcțional proiectat de Jean Lenoir (brevet din 1859) nu a avut o compresie preliminară a amestecului de lucru și a funcționat cu o eficiență de 4%. Doar 4% sunt ca motoarele cu aburi gălăgioase și voluminoase din acea vreme.
Dar primul eșantion al unui motor în 4 timpi de Nikolaus Otto, creat în 1877, a funcționat cu o compresie preliminară a amestecului de lucru și a arătat o eficiență de 22% în timpul funcționării, ceea ce a fost o realizare fenomenală pentru acea vreme. În același timp, raportul de compresie și raportul de expansiune (la fel ca toate motoarele actuale cu piston cu ardere internă cu KShM) erau egale între ele.
Pe baza acestor date:
- Eficiența motorului Lenoir fără compresie - 4%;
- Eficiența motorului Otto cu compresie - 22%;
se trag concluzii simple și clare - motorul care funcționează cu compresia preliminară a amestecului de lucru funcționează într-un mod fundamental mai eficient și - cu cât este mai mare raportul de compresie, cu atât mai bine. În ultimii 140 de ani, această concluzie a dobândit caracterul unui adevăr comun și, în ultimii 100 de ani, construcția motorului a urmat calea creșterii valorii raportului de compresie, care și-a atins deja valorile limită.

DAR, în prezentarea acestor informații, există un mare DAR ...
Se pare că același Nikolaus Otto, înainte de a-și crea faimosul motor în 4 timpi cu compresie în 1877, puțin mai devreme - în 1864, a creat, produs și vândut cu succes sute de alte invenții sale - un motor cu combustie internă atmosferică care funcționa fără compresie preliminară. Eficiența acestui motor a fost de 15% ... O astfel de eficiență ridicată nu se încadrează deloc în teoria că o compresie preliminară puternică a amestecului de lucru este absolut necesară pentru a atinge indicatori semnificativi ai eficienței motorului.
Ceva din acest subiect nu era în regulă, lipsea ceva pentru a înțelege fapte foarte importante și am decis să studiez această situație. Iată concluziile la care am ajuns:
- absolut teribil - slab - eficiența motorului Lenoir a fost obținută pentru că a avut absolut inacceptabil de mic RATA DE EXPANSIEgaze de lucru;
- și o eficiență foarte decentă de 15%, motorul Otto cu aspirație naturală care funcționează fără compresie posedă ceea ce avea foarte mare GRAD DE EXPANSIEgaze de lucru;
Este adevărat, acest motor Otto avea un cuplu foarte slab și o rotație foarte neuniformă a arborelui principal și, prin urmare, a fost apoi înlocuit rapid cu motoare în 4 timpi. Dar cu valoarea eficienței a fost foarte decent.

Să aruncăm o privire atentă asupra dimensiunilor corpurilor de lucru ale motorului Lenoir și să facem câteva calcule aproximative. Diametrul pistonului este de 120 mm, iar cursa pistonului este de 100 mm. Descrierile motorului din acea perioadă păstrau datele că o distanță de aproximativ jumătate din lungimea „liniei de expansiune” a fost deviată către gazul de aspirare și aerul. Apoi, supapa de alimentare a fost închisă și lumânarea electrică a dat o scânteie. Acestea. mai puțin de jumătate din lungimea cursei de lucru a rămas pentru procesul de expansiune, sau mai bine zis pentru procesul combinat de ardere-expansiune ... Scânteia a aprins un amestec de gaz și aer, s-a produs un fulger, temperatura și presiunea gazelor din cilindru au crescut brusc și presiunea de lucru a condus pistonul mai departe cu efort. Vârful maxim al presiunii de lucru a gazelor pe piston a fost 5 atmosfere... Dar trebuie să înțelegem că Amestecul de lucru a fost aprins în condiții de scădere a presiunii tot mai adâncă - la urma urmei, pistonul a continuat să se miște creând un vid sub presiunea atmosferică ... În astfel de condiții, doar un amestec foarte „bogat”, suprasaturat cu gaz, ar putea fi aprins. În consecință, arderea în acest mod a fost extrem de incompletă și chiar și produsele de ardere cu greu s-ar putea extinde complet - la urma urmei, lungimea cursei de lucru a fost extrem de scurtă. Acestea. pentru un piston cu diametrul de 120 mm. lungimea cursei de lucru a fost mai mică de 50 mm. Putem presupune în condiții de siguranță că gazele de presiune foarte mare s-au dus la gazele de eșapament și chiar s-au suprasaturat cu gazul lămpii nears. În consecință, motorul unor astfel de parametri avea o putere de numai 0,5 cai putere la o turație a arborelui de 120-140 rpm. Acest motor a funcționat pe un ciclu de 2 timpi. Inițial, pe linia cursei de lucru, pistonul a aspirat gazul luminos și aerul (amestecul de lucru). Apoi, supapa de alimentare a fost închisă. O lumânare electrică a dat o scânteie - și Mixul de lucru a aprins, iar gazul fierbinte cu presiune crescută a împins pistonul mai departe. Apoi, în timpul cursei de întoarcere, pistonul a împins produsele de ardere din cilindru și apoi totul a fost repetat din nou.
Acestea. într-un singur ciclu de lucru - pe „linia de expansiune” - au fost combinate TREI procese de lucru:
- Admisie de lucru pentru amestec;
- Arderea amestecului de lucru;
- extinderea Corpului de lucru;

CONCLUZIE- Motorul Lenoir a avut o eficiență atât de redusă și o putere atât de redusă, în primul rând datorită lungimii cursei foarte mici (când gazele de lucru pur și simplu nu puteau funcționa) și organizării foarte ineficiente a proceselor de lucru, când amestecul de lucru extrem de „bogat” a fost aprins la o presiune considerabil sub atmosferică în condiții de expansiune activă a volumului. Acestea. acest motor ar fi trebuit să fie desemnat ca un motor care funcționează cu o EXPANSIE PRELIMINARĂ (rarefacție) a amestecului de lucru….

NEXT - să luăm în considerare schema de funcționare a unui alt motor, care a funcționat fără compresia preliminară a amestecului de lucru, dar a avut o eficiență de 15%. Acesta este un motor atmosferic Otto din 1864. Era un motor foarte neobișnuit. În cinematica sa, el părea a fi ceva complet urât și nepotrivit pentru muncă, dar cu o schemă cinematică „neîndemânatică”, a acționat după o schemă foarte rațională de organizare a proceselor de muncă și, prin urmare, avea o eficiență de 15%.
Cilindrul acestui motor a fost instalat vertical și pistonul motorului s-a deplasat în sus și în jos. În același timp, acest motor nu avea un KShM, iar pistonul avea un suport dințat foarte lung îndreptat în sus, care intra cu dinții în angrenare cu angrenajul și îl rotea.

Motorul atmosferic Otto, proba 1864. În dreapta în fotografie este un piston cu o cremă lungă dințată, care oferă o idee despre lungimea cursei de lucru. În același timp, când amestecul de lucru a explodat sub piston, iar pistonul a zburat instant în sus, atunci angrenajul s-a rotit în gol, deoarece un mecanism special l-a deconectat de volantul mașinii. Apoi, când pistonul și cremaliera au atins punctul extrem superior și presiunea gazelor de lucru din piston a încetat să acționeze, pistonul și cremaliera, sub propria greutate, au început să coboare. În acest moment, angrenajul a fost atașat la arborele volantului și a început cursa de lucru. Astfel, motorul acționa cu impulsuri sacadate și avea un regim de cuplu de fierbere foarte prost. Motorul avea, de asemenea, o putere redusă, deoarece forța a fost creată numai de greutatea pistonului și a cremalierei (adică forța de greutate funcționată), precum și de presiunea aerului atmosferic, când a fost creat un vid în cilindru de către gazele de răcire și pistonul ridicat. De aceea motorul a fost numit atmosferic, deoarece forța presiunii atmosferice a funcționat în el împreună cu forța gravitațională.

Dar pe de altă parte - în acest design al motorului, procesele de lucru au fost extrem de bine organizate.
Luați în considerare modul în care au fost organizate și operate fluxurile de lucru în acest motor.
Inițial, un mecanism special a ridicat pistonul cu 1/10 din înălțimea cilindrului, drept urmare s-a format un spațiu rarefiat sub piston și un amestec de aer și gaz a fost aspirat acolo. Apoi pistonul s-a oprit. Apoi amestecul a fost aprins cu o flacără deschisă printr-un tub special. În explozia unui gaz combustibil, presiunea sub piston a sărit până la 4 atm. Această acțiune a aruncat pistonul în sus, volumul de gaz din cilindru a crescut și presiunea de sub acesta a scăzut, deoarece volumul intern al pistonului nu avea nicio legătură cu atmosfera și era în acel moment sigilat ermetic. Când pistonul a fost aruncat de explozie, un mecanism special a deconectat șina de pe arbore. Pistonul, mai întâi sub presiunea gazului, apoi prin inerție, a crescut până când s-a creat un vid semnificativ sub el. În acest caz, cursa de lucru sa dovedit a fi lungimea maximă și a continuat până când toată energia combustibilului ars (sub forma excesului de presiune a corpului de lucru) a fost consumată complet pentru a ridica pistonul. Rețineți că în fotografia motorului puteți vedea - lungimea cursei de lucru (înălțimea cilindrului) este de multe ori - de 6-8 ori diametrul pistonului. Așa a durat accidentul cerebral. În timp ce la motoarele cu piston moderne, diametrul pistonului este aproximativ egal cu cursa de lucru. Numai la motoarele diesel - acești campioni moderni ai eficienței - cursa este cu aproximativ 20-30 la sută mai mare decât diametrul cilindrului. Și aici - de 6 sau chiar de 8 ori mai mult ...
Mai mult, pistonul s-a repezit în jos și cursa de lucru a pistonului a început sub propria greutate și sub influența presiunii atmosferice. După ce presiunea gazului comprimat în cilindru a atins presiunea atmosferică pe traseul descendent al pistonului, supapa de evacuare a fost deschisă, iar pistonul a deplasat gazele de evacuare cu masa sa. În tot acest timp, o cremalieră lungă dințată învârtea o roată dințată, conectată de un arbore la un volant. Așa a fost produsă puterea motorului. După ce pistonul a revenit la punctul inferior al traiectoriei mișcării, totul s-a repetat din nou - un mecanism special l-a ridicat ușor și o porțiune nouă de amestec de lucru a fost aspirată.

Există încă o caracteristică - care a jucat pe o creștere notabilă a eficienței. Această caracteristică nu a fost prezentă în motorul Lenoir, nici în motoarele moderne în 2 timpi și în 4 timpi. Într-o schemă de motor atât de neobișnuită, datorită extinderii extrem de complete a corpului de lucru încălzit, eficiența acestui motor a fost semnificativ mai mare decât eficiența motorului Lenoir și, prin urmare a ajuns la 15%. În plus, aprinderea amestecului de lucru în motorul Otto atmosferic a avut loc la presiunea atmosferică, în timp ce în motorul Lenoir acest proces a avut loc în condiții de creștere a vidului, adică în condițiile unei scăderi tot mai mari a forțelor de presiune, când presiunea a fost semnificativ mai mică decât atmosferică.
De asemenea, ar trebui spus că, conform unei diagrame de principiu apropiate de cea a acestui motor, astăzi funcționează șoferii - ciocanele diesel. Este adevărat, alimentarea și aprinderea combustibilului în ele sunt aranjate diferit, dar principiul general al mișcării corpului de lucru este același.

În motorul atmosferic al lui Otto, în momentul aprinderii amestecului de lucru, pistonul a stat în poziție și, în timpul arderii primelor porțiuni de combustibil, s-a creat o presiune în creștere în volumul de ardere, adică porțiuni de combustibil care au ars în etapele a doua, a treia și ulterioare - au ars în condiții de presiune crescândă, adică Comprimarea amestecului de lucru a avut loc datorită acumulării de presiune de la bliț și eliberării de căldură din primele porțiuni ale încărcăturii de ardere. În acest caz, inerția sistemului apăsând de sus pe gazul ars - un piston, o șină lungă și presiunea atmosferică, a creat o rezistență puternică la primul impuls de mișcare ascendentă, ceea ce a dus la o creștere notabilă a presiunii în mediul gazului ars. Acestea. într-un motor Otto atmosferic, arderea amestecului de lucru a avut loc în condițiile unei comprimări ascuțite a volumului principal al părții de încărcare a gazului combustibil care încă nu începuse să ardă. Deși nu a existat o precompresie de către piston. Această compresie reală a unei cantități semnificative din majoritatea vaporilor de combustibil (împreună cu o cursă lungă), care apare în timpul arderii încărcăturii de amestec de lucru, a jucat pe eficiența semnificativă a motorului atmosferic Otto din 1864.

Dar motoarele cu piston moderne, ca și motorul Lenoir în urmă cu 150 de ani, sunt forțate să aprindă o nouă încărcare a amestecului de lucru în condiții de volum puternic în expansiune, atunci când pistonul (și este foarte puternic acționat de biela și arborele cotit) fuge cu disperare de la baza cilindrului și extinde volumul „camerei de ardere” ... Pentru referință, viteza de mișcare a pistonului la motoarele moderne este de 10-20 metri pe secundă, iar viteza de propagare a frontului flăcării într-o încărcare foarte puternică de vapori de combustibil este de 20-35 metri pe secundă. Dar în motoarele moderne pentru a elimina această situație neplăcută, puteți încerca să aprindeți "devreme" sarcina amestecului de lucru - adică. înainte de a ajunge la pistonul în mișcare pe linia de finalizare a cursei anterioare a Top Dead Center (TDC) sau într-o poziție lângă acest punct. Dar la motorul lui Lenoir acest lucru a fost imposibil, deoarece după ce pistonul a ajuns la TDC, a început procesul de aspirare a unei porțiuni proaspete de gaz combustibil și aer, iar aprinderea acestuia este posibilă numai în condițiile unui volum crescând brusc al „camerei de combustie” și a unei scăderi brute a presiunii în porțiunea proaspătă a amestecului de lucru sub atmosferă. De aceea motorul Lenoir a avut o eficiență atât de redusă.

Se poate presupune că, dacă motorul atmosferic al lui Otto ar avea aprindere electrică cu scânteie (ca și motorul Lenoir anterior), atunci eficiența acestuia ar putea fi aproape de 20%. Faptul este că atunci când o încărcare a amestecului de lucru a fost aprinsă în cilindru cu o flacără deschisă printr-un tub special în timpul unei fulgere, o parte din sarcina de ardere a zburat în atmosferă prin acest tub și acestea au fost pierderi notabile ... Dacă astfel de pierderi ar putea fi excluse, atunci eficiența acestui motor ar fi cu siguranță mai mare ...
Dar Otto nu avea cunoștințe în domeniul ingineriei electrice (cum ar fi Lenoir), așa că a instalat un astfel de sistem de aprindere primitiv și care reduce eficiența pe motorul său aspirat natural.

CONCLUZIILE din acest articol sunt după cum urmează:

1) - opinia bine stabilită cu privire la posibilitatea obținerii unui randament motor extrem de ridicat, în principal datorită gradului maxim posibil pre-compresie Mix de lucru valabil numai pentru motoarele cu piston , în care pistonul se mișcă rapid de la „fundul” cilindrului spre arborele cotit (datorită acționării forțate de la arborele cotit) la viteză mare extinde volumul „camerei de ardere” și reduce presiunea încărcăturii aprinse (și, de asemenea, arzătoare) a amestecului de lucru. La motorul cu piston Lenoir, care funcționează fără compresia preliminară a amestecului de lucru, acest dezavantaj al motoarelor cu piston a fost deosebit de pronunțat. Ceea ce a dus la o eficiență extrem de redusă.
În motoarele cu piston moderne de toate tipurile, pentru a elimina acest defect constructiv special "generic" în organizarea proceselor de lucru, un grad extrem de ridicat de compresie preliminară este utilizat tocmai pentru a forța o nouă încărcare a amestecului de lucru să ardă la presiuni și temperaturi suficient de ridicate (în ciuda creșterea cu viteză mare a volumului camerei de ardere și scăderea corespunzătoare a presiunii în această cameră), ceea ce este o garanție a unei arderi relativ complete a sarcinii amestecului de lucru și a creării unui corp de lucru cu presiune ridicată și temperatură ridicată.
2) - în istoria tehnologiei, există proiecte de motoare ale altor scheme cinematice și un mod diferit de organizare a proceselor de lucru, unde chiar și fără o compresie preliminară puternică a încărcăturii proaspete a amestecului de lucru, se pot obține valori bune de eficiență chiar și cu un design foarte primitiv. Un exemplu este un motor atmosferic Otto 1864, cu o eficiență de 15%.
3) - este posibil să se creeze un motor cu ardere internă extrem de eficient în care procesele de ardere a unei încărcături proaspete ale amestecului de lucru și crearea unui corp de lucru cu parametri înalți vor avea loc prin comprimarea naturală a sarcinii de ardere datorită forțelor de ardere în sine într-o cameră de ardere cu volum constant. Mai mult, procesul de comprimare preliminară la valori mari (20-30 atmosfere), care este caracteristic motoarelor moderne cu piston, necesită cheltuirea unei cantități semnificative de energie a motorului și utilizarea de piese masive, voluminoase și grele.
În acest caz, contribuția principală la obținerea unei eficiențe ridicate va fi adusă de un parametru mare al volumului de expansiune (cursă lungă), care va fi mult mai mare decât volumul de compresie.

EXACT ACEASTA motorizare, care nu necesită o pre-compresie costisitoare și greoaie a unei noi încărcări a amestecului de lucru de valoare ridicată, autorul acestui articol este în prezent creat. În acest motor, compresia preliminară va fi efectuată la valori scăzute, iar compresia principală a sarcinii amestecului de lucru în camera de ardere cu un volum constant va avea loc din cauza forțelor din prima etapă a combustiei în sine. În mod ideal, aceasta va fi combustia prin detonare: bliț - explozie. Mai mult, Corpul de lucru de înaltă presiune se va extinde până la capătul capacității sale în sectorul de expansiune de volum mare.

Consum eficient de combustibil specific

Eficiența mecanică a motorului

Puterea efectivă N e dezvoltată de motor este întotdeauna mai mică decât puterea indicată N i, întrucât o parte din aceasta din urmă este cheltuită pentru depășirea pierderilor mecanice și pentru acționarea supraîncărcătorului. Cu cât pierderile mecanice din motor sunt mai mici, cu atât mai mult din puterea indicată poate fi transferată pe arborele motorului.

Eficiența mecanică a motorului (η М) este raportul dintre puterea efectivă a motorului și cea indicată:

Din această formulă, putem exprima puterea efectivă în termeni de putere indicator și eficiență mecanică după cum urmează: Ne \u003d η M N i .

Din formulele de mai sus se poate observa că eficiența mecanică este o fracțiune din puterea efectivă a motorului față de cea indicată. Pentru a găsi puterea efectivă a motorului, trebuie să multiplicați puterea indicată N i cu eficiența mecanică η M.

Pentru motoarele fără supraalimentator, eficiența mecanică este de aproximativ 0,85 ÷ 0,90. Aceasta înseamnă că depășirea pierderilor mecanice din motor necesită între 10 și 15% din puterea indicată. Pentru motoarele cu supraalimentatoare acționate mecanic, arborele cotit, o parte semnificativă din puterea indicată este consumată suplimentar la rotirea supraalimentatorului. Ca rezultat, eficiența mecanică a acestor motoare este în mod corespunzător mai mică și medie în jur de 0,70 ÷ 0,90.

Pentru motorul ASh-62IR cu un supraîncărcător de joasă presiune, eficiența mecanică este de 0,80 ÷ 0,90.

Consum specific eficient de combustibil (C e) sau, într-o formă prescurtată, consumul efectiv de combustibil este consumul de combustibil pe unitate de timp (C h), referit la unitatea de putere efectivă (N e) dezvoltată de motor.

Dacă motorul dezvoltă o putere efectivă Ne și consumă combustibil pe unitate de timp Сh, atunci consumul său efectiv С eva fi: Iată= C h· N e

Consumul specific efectiv arată cât de mult combustibil pe oră trebuie să utilizeze motorul pentru a dezvolta o unitate de putere (un cai putere). Pentru motorul ASh-62IR, consumul efectiv de combustibil depinde de modul de funcționare și este egal cu 200 ÷ 300 g / cp H.

Gradul de utilizare a căldurii introduse în motor de combustibil pentru a obține o funcționare eficientă se caracterizează printr-o eficiență eficientă.

Eficiență eficientă (η e) este raportul dintre căldura transformată de motor în lucru efectiv (L e) și căldura furnizată de combustibil motorului (Q).

Astfel, eficiența eficientă ia în considerare toate pierderile de energie din motor și îl caracterizează ca un întreg ca un motor termic și ca un sistem de mecanisme.

Pentru motoarele cu piston moderne de aeronave, valoarea lui ηе este de 0,2 ÷ 0,3. Aceasta înseamnă că doar 20 ÷ 30% din combustibilul consumat este utilizat pentru a crea energie utilă, restul de 70 ÷ 80% fiind pierdut iremediabil. Pentru motorul ASh-62IR, ηе≈0.20.

Munca efectuată de motor este egală cu:

Pentru prima dată acest proces a fost luat în considerare de inginerul și omul de știință francez N. LS Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță”.

Scopul cercetărilor lui Carnot a fost de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice din acea vreme (acestea aveau o eficiență ≤ 5%) și de a găsi modalități de a le îmbunătăți.

Ciclul Carnot este cel mai eficient posibil. Eficiența sa este maximă.

Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În procesul de expansiune izotermă (1-2) la o temperatură T 1 , lucrul se face datorită unei modificări a energiei interne a încălzitorului, adică datorită alimentării cu cantitate de căldură a gazului Î:

A 12 = Î 1 ,

Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 în procesul adiabatic ( Q \u003d 0) este complet transformat în lucru mecanic:

A 23 \u003d -ΔU 23 ,

Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 ... În procesul (3-4), gazul este comprimat izoterm, transferând cantitatea de căldură în frigider Q 2:

A 34 \u003d Q 2,

Ciclul se încheie cu procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.

Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice care funcționează pe gaz ideal, conform ciclului Carnot:

.

Esența formulei este exprimată în dovedit DIN... Teorema lui Carnot conform căreia eficiența oricărui motor termic nu poate depăși eficiența ciclului Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.