Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе. Влияние температуры на двигатель внутреннего сгорания Двигатель на небольшом перепаде температуры

Прислал:

Рассматривая тему получения электричества в полевых условиях, мы как-то совсем упустили из виду такой преобразователь тепловой энергии в механическую (и далее в электричество), как двигатели внешнего сгорания. В данном обзоре рассмотрим некоторые из них, доступные даже для самостоятельного изготовления любителями.

Собственно, выбор конструкций таких двигателей невелик - паровые машины и турбины, двигатель Стирлинга в различных модификациях да экзотические двигатели, типа вакуумуных. Паровые машины пока отбросим, т.к. пока ничего малогабаритного и легко повторяемого на них не сделано, а уделим внимание двигателям Стирлинга и вакуумным.
Приводить классификацию, типы, принцип работы и т.п. здесь не буду - кому нужно, легко найдёт всё это в Интернете.

В самом общем плане, практически любой тепловой двигатель можно представить как генератор механических колебаний, который использует использует постоянную разность потенциалов (в данном случае, тепловую) для своей работы. Условия самовозбуждения такого двигателя, как и в любом генераторе, обеспечивает запаздывающая обратная связь.

Такое запаздывание создаётся, либо жёсткой механической связью через кривошип, либо с помощью упругого соединения, либо, как в двигателе "замедленного нагрева", с помощью тепловой инерции регенератора.

Оптимально, с точки зрения получения максимальной амплитуды колебаний, съёма максимальной мощности с двигателя, когда сдвиг фаз в движении поршней составляет 90 градусов. В двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, такой сдвиг задаётся формой кривошипа. В двигателях, где такая задержка выполняется с помощью упругой связи, либо тепловой инерции, этот фазовый сдвиго выполняется только на некоторой резонансной частоте, на которой мощность двигателя максимальна. Однако, двигатели без кривошипно-шатунного механизма, очень просты и, поэтому, весьма привлекательны для изготовления.

После этого небольшого теоретического вступления, думаю, будет интереснее поглядеть на на те модели, которые реально были построены и которые могут быть пригодны для использования в мобильных условиях.

На YouTube представлены следующие:

Низкотемпературный двигатель Стирлинга для малых перепадов температур,

Двигатель Стирлинга для больших температурных градиентов,

Двигатель "замедленного нагрева", другие названия Lamina Flow Engine, термоаккустический двигатель Стирлинга (хотя, последнее название и неверно, т.к. существует отдельный класс термоаккустических двигателей),

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем (free piston Stirling engine),

Вакуумный двигатель (FlameSucker).

Внешний вид наиболее характерный представителей показан ниже.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга.

Высокотемпературный двигатель Стирлинга.
(Кстати, на фото видно горящую лампочку накаливания, работающую от ганератора присоединённого к данному двигателю)

Двигатель "замедленного нагрева" (Lamina Flow Engine)

Двигатель со свободным поршнем.

Вакуумный двигатель (пламясос).

Рассмотрим-ка каждый из типов подробнее.

Начнем с низкотемпературного двигателя Стирлинга. Такой двигатель может работать от перепада температур буквально в несколько градусов. Но и мощности, снимаемые с него будут невелики - доли и единицы Ватта.
Лучше работу таких движков наблюдать на видео, в частности, на сайтах типа YouTube представлено огромное количество работающих экземпляров. Например:

Низкотемпературный двигатель Стирлинга

В такой конструкции двигателя, верхняя и нижняя пластина должны иметь различную температуру, т.к. одна из них является источником тепла, в вторая - охладителем.

Второй тип двигателей Стирлинга уже можно использовать для получения мощности в единицы и даже десятки Ватт, что вполне позволяет запитывать большинство электронных устройств в походных условиях. Пример таких двигателей приведены ниже.

Двигатель Стирлинга

На сайте YouTube представлено множество таких движков, причём, некоторые сделаны из такого хлама... , но работают.

Подкупает своей простотой. Его схема представлена на рисунке ниже.

Двигатель "замедленного нагрева"

Как уже говорилось, наличие кривошипа здесь также не является обязательным, он нужен всего лишь, чтобы преобразовать во вращение колебания поршня. Если же съём механической энергии и дальнейшее её преобразование производить с помощью уже описанных и схем, то конструкция такого генератора может оказаться очень и очень простой.

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем.
В данном движке вытесняющий поршень соединен с силовым через упругую связь. При этом на резонансной частоте системы возникает отставание его движения от колебаний силового поршня, составляющая около 90 градусов, что и требуется для нрмального возбуждения такого двигателя. Фактически получается генератор механических колебаний.

Вакуумный двигатель, в отличие от других, использует в своей работе эффект сжатия газа при его остывании. Работает он следующим образом: вначале поршень засасывает пламя горелки внутрь камеры, затем подвижный клапан перекрывает всасывающее отверстие и газ, остывая и сжимаясь, заставляет поршень двигаться в обратном направлении.
Работу двигателя прекрасно иллюстрирует следующее видео:

Схема работы вакуумного двигателя

А ниже просто пример изготовленного двигателя.

Вакуумный двигатель

В заключение , заметим, что хотя КПД подобных двигателей-самоделок, в лучшем случае, единицы процентов, но даже в этом случае, подобные мобильные генераторы могут вырабатывать количество энергии, достаточно для питания мобильных устройств. Реальной альтернативой им могут служить термоэлектрические генераторы, но их КПД также составляет 2...6% при соизмеримых массогабаритных параметрах.

В конце концов, тепловая мощность даже простеньких спиртовок составляет десятки Ватт (а у костра - килоВатты) и преобразование хотя бы нескольких процентов от этого теплового потока в механическую, а затем и электрическую энергию, уже позволяет получить вполне приемлемые мощности, пригодные для зарядки реальных устройств.

Вспомним, что, например, мощность солнечной батареи, рекомендуемой для зарядки КПК или коммуникатора составляет около 5...7Вт, но даже эти Ватты солнечная батарея будет отдавать только при идеальных условиях освещения, реально меньше. Поэтому, даже при выработке нескольких Ватт, но независимых от погоды, эти двигатели уже будут вполне конкурентоспособными, даже с теми же солнечными батареями и термогенераторами.

Немного ссылок.

Большое число чертежей для изготовления моделей двигателей Стирлинга можно найти на этом сайте.

На страничке www.keveney.com представлены анимированные модели различных двигателей, в том числе и Стирлингов.

На страничку http://ecovillage.narod.ru/ также рекомендовал бы заглянуть, тем более, что там выложена книга "Уокер Г.Машины,работающие по циклу Стирлинга.1978". Её можно скачать одним файлом в формате djvu (около 2Мб).

в цилиндре будет работать какая-то жидкость. А от движения поршня, так же как и в паровой машине, при помощи коленчатого вала начнут вращаться и маховик и шкив. Таким образом, будет получаться механическая

Значит, нужно только поочередно нагревать и охлаждать какую-то рабочую жидкость. Для этого и были использованы арктические контрасты: к цилиндру приключается поочередно то вода из-под- морского льда, то холодный воздух; температура жидкости в цилиндре быстро меняется, и такой двигатель начинает работать. Не важно, будут ли температуры выше или ниже нуля, нужно только, чтобы между ними была разность. При этом, конечно, рабочая жидкость для двигателя должна быть взята такая, которая не замерзала бы при самой низкой температуре.

Уже в 1937 г. был сконструирован двигатель, работающий на разности температур. Конструкция этого двигателя несколько отличалась от описанной схемы. Были сконструированы две системы труб, одна из которых должна находиться в воздухе, а другая в воде. Рабочая жидкость в цилиндре автоматически приводится в соприкосновение то с одной, то с другой системой труб. Жидкость внутри труб и цилиндра не стоит неподвижно: ее все время приводят в движение насосами. Двигатель имеет несколько цилиндров, и они поочередно приключаются к трубам. Все эти устройства дают возможность ускорить процесс нагревания и охлаждения жидкости, а стало быть, и вращение вала, к которому присоединены штоки поршней. В результате получаются такие скорости, что их можно передать через редуктор на вал электрического генератора и, таким образом, переработать тепловую энергию, полученную от разности температур, в энергию электрическую.

Первый двигатель, работающий на разности температур, удалось сконструировать только для сравнительно больших перепадов температуры, порядка 50°. Это была небольшая -танция мощностью в 100 киловатт, работавшая

на разности температур воздуха и воды из горячих источников, которые имеются кое-где на Севере.

На этой установке удалось проверить конструкцию раз-ностнотемпературного Двигателя и, самое главное, удалось накопить опытный материал. Затем был построен двигатель, использующий меньшие температурные перепады - между водой моря и холодным арктическим воздухом. Постройка разностнотемпературных станций стала возможной повсеместно.

Несколько позднее был сконструирован еще другой раз-ностнотемпературный источник электрической энергии. Но это был уже не механический двигатель, а установка, действующая подобно огромному гальваническому элементу.

Как известно, в гальванических элементах происходит химическая реакция, в результате которой получается электрическая энергия. Многие химические реакции связаны либо с выделением, либо с поглощением тепла. Можно подобрать такие электроды и электролит, что никакой реакции не будет, пока температура элементов остается неизменной. Но стоит их только подогреть, как они начнут давать ток. И тут не имеет значения абсолютная температура; важно только, чтобы температура электролита начала повышаться относительно температуры воздуха, окружающего установку.

Таким образом, и в этом случае, если такую установку поместить в холодном, арктическом воздухе и подводить к ней «теплую» морскую воду, будет получаться электрическая энергия.

Разностнотемпературные установки были уже достаточно распространены в Арктике 50-х годов. Они представляли собой довольно мощные станции.

Устанавливались эти станции на Т-образном молу, глубоко вдающемся в морской залив, Такое расположение станции сокращает трубопроводы, связывающие рабочую жидкость разностнотемнературной установки с водой моря. Для хорошей р"аЬоты установки требуется значительная глубина залива. Вблизи станции должны быть большие массы воды, чтобы при охлаждении ее вследствие отдачи тепла двигателю не происходило замерзания.

Разностнотемпёратурная электростанция

Электростанция, использующая разность температур между водой и воздухом, устанавливается на иолу, глубоко врезающемся в залив. На"крыше здания электростанции видны цилиндрические воздушные радиаторы. От воздушных радиаторов идут трубы, по которым к каждому двигателю подается рабочая жидкость. От двигателя вниз также идут трубы -к водяному радиатору, погруженному в море (на рисунке не показан). Двигатели соединены с электрическими "генераторами через редукторы (на рисунке они видны на вскрытой части здания, посредине между бвигателем ^а генератором), в которых при"помощи червячной передачи увеличивается число оборотов. От генератора электрическая энергия идет к трансформаторам, повышающим напряжение (трансформа/поры находятся в левой части

здания, не вскрытой на рисунке), а от трансформаторов--к распределительным щитам (верхний этаж на переднем плане) и затем в линию передачи. Часть электроэнергии идет к огромным нагревательным элементам, погруженным в море (на рисунке их не видно). Эти л создают незамерзающий порт.

Влияние температуры на двигатель внутреннего сгорания

Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать пригоранию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации и т. п. Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.

Для снижения потерь важно выяснить, сколько теплоты необходимо отводить в систему охлаждения двигателя и каким способом можно уменьшить это количество. Г. Рикардо уделял этому вопросу большое внимание уже на начальном этапе развития двигателестроения. На экспериментальном одноцилиндровом двигателе с раздельными системами охлаждения для головки блока цилиндра и для цилиндра проводились опыты по измерению количества теплоты, отводимой в эти системы. Измерялось также количество теплоты, отводимой охлаждением в течение отдельных фаз рабочего цикла.

Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300-2500 °С. При сгорании в цилиндре интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.

В течение хода расширения стенкам цилиндра передается около 7 % тепловой энергии топлива. При расширении поршень перемещается из ВМТ в НМТ и постепенно освобождает все большую поверхность стенок цилиндра. Однако лишь около 20 % теплоты, сэкономленной даже при продолжительном по времени ходе расширения, можно преобразовать в полезную работу.

Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.

Отработавшие газы необходимо отводить из головки цилиндра кратчайшим путем, так как переданная ей их теплота заметно нагружает систему охлаждения и для ее отвода в окружающий воздух требуется использование части эффективной мощности двигателя. В период выпуска газов в систему охлаждения отводится около 15 % теплоты, содержащейся в топливе. Тепловой баланс бензинового двигателя приведен в табл. 8.

Таблица 8. Тепловой баланс бензинового двигателя

У дизельного двигателя условия отвода теплоты другие. Вследствие более высокой степени сжатия температура газов на выходе из цилиндра гораздо ниже. По этой причине количество теплоты, отведенное во время хода выпуска, меньше и составляет в ряде случаев около 25 % всей теплоты, отданной в систему охлаждения.

Давление и температура газов при сгорании в дизеле выше, чем у бензинового двигателя. Совместно с большими скоростями вращения газов в цилиндре эти факторы способствуют увеличению количества теплоты, передаваемой стенкам камеры сгорания. В процессе сгорания эта величина составляет около 9 %, а при ходе расширения - 6 %. За время хода выпуска в систему охлаждения отводится 9 % энергии, содержащейся в топливе. Тепловой баланс дизеля приведен в табл. 9.

Таблица 9. Тепловой баланс дизеля

Теплота, возникающая при трении поршня о стенки цилиндра у бензинового двигателя, составляет около 1,5 %, а у дизеля - около 2 % от ее общего количества. Эта теплота также отводится в систему охлаждения. Следует учесть, что приведенные примеры представляют результаты измерений, выполненных на исследовательских одноцилиндровых двигателях, и не характеризуют автомобильные двигатели, а служат лишь для демонстрации различий в тепловых балансах бензинового двигателя и дизеля.

ТЕПЛОТА, ОТВОДИМАЯ В СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ

Системой охлаждения отводится около 33 % тепловой энергии, содержащейся в используемом топливе. Уже на заре развития двигателей внутреннего сгорания начались поиски путей преобразования хотя бы части теплоты, отводимой в систему охлаждения, в эффективную мощность двигателя. В то время широко и достаточно эффективно применялся паровой двигатель с теплоизолированным цилиндром и поэтому, естественно, стремились применить этот метод теплоизоляции и для двигателя внутреннего сгорания. Опыты в этом направлении проводили крупные специалисты, такие, например, как Р. Дизель. Однако в ходе опытов выявились значительные проблемы.

В применяемом в двигателях внутреннего сгорания кривошипном механизме давление газов на поршень и сила инерции поступательно-движущихся масс прижимают поршень к стенке цилиндра, что при высокой скорости поршня требует обеспечения хорошего смазыванияя этой трущейся пары. Температура масла при этом не должна превышать допустимых границ, что ограничивает в свою очередь температуру стенки цилиндра. Для современных моторных масел температура стенки цилиндра не должна быть выше 220 °С, в то время как температура газов в цилиндре при сгорании и ходе расширения на порядок выше, и цилиндр по этой причине необходимо охлаждать.

Другая проблема связана с поддержанием нормальной температуры выпускного клапана. Прочность стали при высокой температуре падает. При использовании специальных сталей в качестве материала выпускного клапана его максимально допустимая температура может быть доведена до 900 °С.

Температура газов в цилиндре при сгорании достигает 2500-2800 °С. Если бы теплота, передаваемая стенкам камеры сгорания и цилиндра, не отводилась, то их температура превысила бы допустимые значения для материалов, из которых изготовлены эти детали. Многое зависит от скорости газа около стенки. В камере сгорания определить эту скорость практически невозможно, так как она меняется в течение всего рабочего цикла. Точно так же сложно определить перепад температур между стенкой цилиндра и воздухом. При впуске и в начале сжатия воздух холоднее, чем стенки цилиндра и камеры сгорания, и поэтому теплота передается от стенки воздуху. Начиная с некоторого положения поршня при такте сжатия, температура воздуха становится выше температур стенок, и тепловой поток изменяет направление, т. е. теплота передается от воздуха стенкам цилиндра. Расчет теплопередачи при таких условиях представляет собой задачу большой сложности.

Резкие изменения температуры газов в камере сгорания оказывают влияние и на температуру стенок, которая на поверхности стенок и глубине менее 1,5-2 мм колеблется в течение одного цикла, а глубже - устанавливается на некотором среднем значении. При расчетах теплопередачи именно это среднее значение температуры нужно принимать для наружной поверхности стенки цилиндра, с которой теплота передается охлаждающей жидкости.

Поверхность камеры сгорания включает в себя не только принудительно охлаждаемые детали, но и днище поршня, тарелки клапанов. Теплоотдача в стенки камеры сгорания тормозится слоем нагара, а в стенки цилиндра - масляной пленкой. Головки клапанов должны быть плоскими, чтобы под воздействием горячих газов находилась минимальная площадь. При открывании впускной клапан охлаждается потоком входящего заряда, тогда как выпускной клапан в процессе работы сильно нагревается отработавшими газами. Стержень этого клапана защищен от воздействия горячих газов длинной направляющей, доходящей почти до его тарелки.

Как уже отмечатось, максимальная температура выпускного клапана ограничена температурной прочностью материала, из которого он изготовлен. Теплота от клапана отводится главным образом через его седло к охлаждаемой головке цилиндра и отчасти через направляющую, которую также необходимо охлаждать. У выпускных клапанов, работающих в тяжелых температурных условиях, стержень делается полым и частично заполняется натрием. Когда клапан нагрет, натрий находится в жидком состоянии, и поскольку он не заполняет всю полость стержня, то при движении клапана интенсивно перемещается в ней, отводя тем самым теплоту от тарелки клапана к его направляющей и далее - в охлаждающую среду.

Тарелка выпускного клапана имеет наименьший перепад температур с газами в камере сгорания и поэтому при сгорании ему передается относительно небольшое количество теплоты. Однако при открывании выпускного клапана теплопередача от потока отработавших газов к тарелке клапана весьма велика, что и определяет его температуру.

АДИАБАТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

У адиабатного двигателя цилиндр и его головка не охлаждаются, поэтому потери теплоты за счет охлаждения отсутствуют. Сжатие и расширение в цилиндре происходят без теплообмена со стенками, т. е. адиабатически, аналогично циклу Карно. Практическая реализация такого двигателя связана со следующими трудностями.

Для того чтобы тепловые потоки между газами и стенками цилиндра отсутствовали, необходимо равенство в каждый момент времени температуры стенок температуре газов. Такое быстрое изменение температуры стенок в течение цикла практически невозможно. Можно было бы реализовать близкий к адиабатному цикл, если обеспечить температуру стенок на протяжении цикла в пределах 700-1200 °С. Материал стенок при этом должен сохранять работоспособность в условиях такой температуры, и, кроме того, необходима теплоизоляция стенок для устранения отвода от них тепла.

Обеспечить такую среднюю температуру стенок цилиндра можно лишь в его верхней части, которая не находится в соприкосновении с головкой поршня и его кольцами и, следовательно, не требует смазки. При этом, однако, невозможно обеспечить, чтобы горячие газы не омывали смазываемую часть стенок цилиндра при движении поршня к НМТ. В то же время можно предположить создание цилиндра и поршня, не нуждающихся в смазке.

Дальнейшие трудности связаны с клапанами. Впускной клапан частично охлаждается поступающим при впуске воздухом. Это охлаждение происходит за счет повышения температуры воздуха и, в конечном итоге, приводит к потере части эффективной мощности и КПД двигателя. Теплопередача к клапану при сгорании может быть значительно уменьшена теплоизоляцией тарелки клапана.

У выпускного клапана температурные условия работы значительно тяжелее. Горячие газы, выходящие из цилиндра, имеют в месте перехода тарелки клапана в стержень высокую скорость и сильно нагревают клапан. Поэтому для получения эффекта адиабатности требуется теплоизоляция не только тарелки клапана, но и его стержня, отвод теплоты от которых осуществляется охлаждением его седла и направляющей. Кроме того, весь выпускной канал в головке цилиндров должен быть теплоизолирован с тем, чтобы через его стенки головке не передавалась теплота отработавших газов, выходящих из цилиндра.

Как уже упоминалось, при ходе сжатия сначала от горячих стенок цилиндра нагревается относительно холодный воздух. Далее в процессе сжатия температура воздуха повышается, направление теплового потока меняется на противоположное, и теплота от нагретых газов передается стенкам цилиндра. В конце адиабатного сжатия достигается большее в сравнении со сжатием в обычном двигателе значение температуры газа, но на это расходуется больше энергии.

Меньше энергии затрачивается, когда воздух при сжатии охлаждается, поскольку для сжатия меньшего вследствие охлаждения объема воздуха необходимо меньшее количество работы. Таким образом, охлаждение цилиндра при сжатии улучшает механический КПД двигателя. При ходе расширения, напротив, целесообразно теплоизолировать цилиндр или подводить теплоту к заряду в начале этого такта. Два указанных условия являются взаимоисключающими и реализовать их одновременно невозможно.

Охлаждение воздуха при сжатии можно осуществить в двигателях внутреннего сгорания с наддувом, подавая воздух после его сжатия в компрессоре в радиатор промежуточного охлаждения.

Подвод теплоты к воздуху от стенок цилиндра в начале расширения возможен в ограниченной степени. Температуры стенок камеры сгорания адиабатного двигателя

весьма высоки, что вызывает нагрев воздуха, поступающего в цилиндр. Коэффициент наполнения, и, следовательно, мощность такого двигателя будут ниже, чем у двигателя с принудительным охлаждением. Этот недостаток устраним с помощью турбонаддува, использующего энергию отработавших газов; часть этой энергии можно передавать непосредственно на коленчатый вал двигателя через силовую турбину (турбокомпаундный двигатель).

Горячие стенки камеры сгорания адиабатного двигателя обеспечивают воспламенение на них топлива, что предопределяет использование в таком двигателе дизельного рабочего процесса.

При совершенной теплоизоляции камеры сгорания и цилиндра температура стенок увеличивалась бы до достижения на глубине около 1,5 мм от поверхности средней температуры цикла, т.е. составила бы 800-1200 °С. Такие температурные условия обусловливают высокие требования к материалам цилиндра и деталей, образующих камеру сгорания, которые должны быть жаропрочьными и обладать теплоизоляционными свойствами.

Цилиндр двигателя, как уже отмечалось, должен смазываться. Обычные масла употребимы до температуры 220 °С, при превышении которой возникает опасность пригорания и потери упругости поршневых колец. Если головка цилиндра изготовлена из алюминиевою сплава, то прочность такой головки быстро уменьшается уже при достижении температуры 250-300 °С Допустимая температура разогрева выпускного клапана составляет 900-1000 °С. Этими значениями максимально допустимых температур необходимо руководствоваться при создании адиабатного двигателя.

Наибольшие успеха в развитии адиабатных двигателей достигнуты фирмой “Камминс” (США). Схема адиабатного двигателя, разработанного этой фирмой, изображена на рис. 75, где показаны теплоизолированные цилиндр, поршень и выпускной канал головки цилиндра. Температура отработавших газов в теплоизолированной выпускной трубе составляет 816 °С. Присоединенная к выпускной трубе турбина соедичвена с коленчатым валом через двухступенчатый редуктор, снабженный гасителем крутильных колебаний.

Опытный образец адиабатного двигателя был создан на базе шестицилиндрового дизеля типа NH. Схематический поперечный разрез этого двигателя показан на рис. 76, а его параметры приведены ниже:

Число цилиндров............................................... 6
Диаметр цилиндра, мм...................................... 139,7
Ход поршня, мм................................................. 152,4
Частота вращения, мин-1 .................................. 1900
Максимальное давление в цилиндре, МПа..... 13
Тип смазочного материала............................... Масло
Среднее эффективное давление, МПа............... 1,3
Массовое отношение воздух/топливо............... 27: 1
Температура входящего воздуха, °С................ 60

Ожидаемые результаты

Мощность, кВт............................................. 373
Частота вращения, мин-1 ............................. 1900
Эмиссия NOx + CHx ..................................... 6,7
Удельный расход топлива, г/(кВт ч) .......... 170
Срок службы, ч............................................ 250

В конструкции двигателя широко использованы стекло-керамические материалы, обладающие высокой жаропрочностью. Однако до настоящего времени обеспечить высокое качество и длительный срок службы деталей из этих материалов не удалось.

Большое внимание было уделено созданию составного поршня, показанного на рис. 77. Керамическая головка поршня 1 соединена с его основанием 2 специальным болтом 3 с шайбой 4. Максимальная температура в середине головки достигает 930 °С. От основания головка теплоизолирована пакетом тонких стальных прокладок 6 с сильно неровной и шероховатой поверхностью. Каждый слой пакета из-за малой поверхности контакта обладает большим тепловым сопротивлением. Тепловое расширение болта компенсируется с помощью тарельчатых пружин 5.

ОТВОД ТЕПЛОТЫ В ВОЗДУХ И ЕГО РЕГУЛИРОВАНИЕ

Отвод теплоты системой охлаждения вызывает не только потери тепловой энергии, которая могла бы быть реализована в работу, но также и прямые потери части эффективной мощности двигателя, вследствие привода вентилятора и водяного насоса. Отвод теплоты с охлаждаемой поверхности S в воздушную среду зависит от перепада температур между этой поверхностью и воздухом t , а также от коэффициента теплоотдачи охлаждающей поверхности в воздух . Этот коэффициент не меняется сколько-нибудь значительно независимо от того, образована ли охлаждающая поверхность пластинами радиатора системы жидкостного охлаждения или ребрами деталей двигателя воздушного охлаждения. Прежде всего рассмотрим двигатели с системами жидкостного охлаждения.

Количество охлаждающего воздуха тем меньше, чем больше теплоты отводится в единицу его объема, т. е. чем больше будет нагреваться охлаждающий воздух. Этог требует равномерного распределения воздуха по всей охлаждающей поверхности и максимального перепада температур между ней и воздухом. В радиаторе системы жидкостного охлаждения создаются условия, при которых охлаждаемая поверхность имеет почти равномерное поле температур, а температура охлаждающего воздуха по мере движения его через радиатор постепенно повышается, достигая максимального значения на выходе из него. Перепад температур между воздухом и охлаждаемой поверхностью постепенно уменьшается. На первый взгляд кажется, что предпочтителен глубокий радиатор, поскольку в нем воздух нагревается больше, однако следует рассмотреть этот вопрос с энергетической позиции.

Коэффициент теплоотдачи поверхности а представляет собой сложную зависимость от ряда факторов, однако наибольшее влияние на его величину оказывает скорость потока воздуха около охлаждающей поверхности. Связь между ними можно представить соотношением~0,6-0,7.

При увеличении скорости воздуха на 10 %, отвод теплоты увеличивается лишь на 7%. Скорость потока воздуха пропорциональна его расходу через радиатор. Если конструкция радиатора не меняется, то для увеличения количества отводимого тепла на 7 % следует увеличить частоту вращения вентилятора на 10 %, поскольку подаваемое вентилятором количество воздуха прямо зависит от нее. Давление воздуха при постоянной площади сечения вентилятора зависит от второй степени его частоты вращения, а мощность привода вентилятора пропорциональна ее третьей степени. Таким образом, при увеличении частоты вращения вентилятора на 10 % мощность привода увеличивается на 33 %, что имеет отрицательные последствия, проявляющиеся в ухудшении механического КПД двигателя.

Зависимость количества охлаждающего воздуха от количества отводимой теплоты, а также от увеличения давления воздуха и мощности привода вентилятора показана на рис. 78. С позиции уменьшения затрат энергии эта номограмма очень полезна. Если лобовую поверхность радиатора увеличить на 7 %, то пропорционально увеличиваются площади проходного сечения и охлаждающей поверхности радиатора, и, следовательно, количество охлаждающего воздуха достаточно увеличить на те же 7 %, чтобы отвести на 7 % больше теплоты, т. е. как и в описанном выше примере. При этом мощность вентилятора повышается лишь на 22,5 % вместо 33 %. Если расход воздуха через вентилятор V z увеличить на 20 % (точка и стрелки 1 на рис. 78), то количество отведение и теплоты Q, пропорциональное V z 0,3 , возрастет на 11,5 %. Изменение расхода воздуха увеличением частоты вращения вентилятора на те же 20 % приводит к увеличению давления воздушного потока на 44 %, а мощность привода вентилятора - на 72,8 %. Для увеличения теплоотвода на 20 % тем же путем следует увеличить расход воздуха на 35,5% (точка и пунктирные стрелки 2 на рис. 78), что влечет за собой рост давления воздуха на 84 %, а мощность привода вентилятора - почти в 2,5 раза (на 149 %). Поэтому выгоднее увеличить лобовую поверхность радиатора, чем при тех же радиаторе и вентиляторе увеличивать частоту вращения последнего.

Если радиатор разделить по его глубине на две равные части, то в передней перепад температур t 1 будет больше, чем в задней t 2 , и, следовательно, передняя часть радиатора будет охлаждаться воздухом сильнее. Два радиатора, получаемые при разделении одного на две части, по глубине будут иметь меньшие сопротивления потоку охлаждающего воздуха. Поэтому слишком глубокий радиатор невыгоден для применения.

Радиатор должен быть изготовлен из материала с хорошей теплопроводностью и его сопротивления потокам воздуха и жидкости должны быть небольшими. Масса радиатора и объем находящейся в нем жидкости должны быть также невелики, так как это важно для быстрого прогрева двигателя и включения системы отопления в автомобиле. Для современных легковых автомобилей с низкой передней частью кузова требуются радиаторы небольшой высоты.

Для минимизации энергетических затрат важно достичь высокого КПД вентилятора, для чего используется направляющий воздуховод, имеющий небольшой зазор по наружному диаметру крыльчатки вентилятора. Крыльчатка вентилятора часто делается из пластмассы, что гарантирует точную форму профиля лопаток, их гладкую поверхность и малую шумность. При высоких частотах вращения такие лопатки деформируются, снижая тем самым расход воздуха, что весьма целесообразно.

Высокая температура радиатора повышает его КПД. Поэтому в настоящее время применяют герметизированные радиаторы, избыточное давление в которых повышает температуру кипения охлаждающей жидкости и, следовательно, температуру всей матрицы радиатора, который может быть меньших размеров и более легким.

Для двигателя воздушного охлаждения действуют те же закономерности, что и для двигателя жидкостного охлаждения. Разница состоит в том, что ребра деталей двигателя воздушного охлаждения имеют более высокую температуру, чем матрица радиатора, поэтому на отвод такого же количества теплоты при воздушном охлаждении требуется меньшее количество охлаждающего воздуха. Это преимущество имеет большое значение при эксплуатации автомобилей в условиях жаркого климата. В табл. 10 приведены режимы работы двигателей жидкостного и воздушного охлаждения при изменении температуры окружающего воздуха от 0 до 50 °С. Для двигателя жидкостного охлаждения степень охлаждения уменьшается на 45,5 %, тогда как у двигателя воздушного охлаждения в тех же условиях - только на 27,8 %. Для двигателя жидкостного охлаждения это означает более громоздкую и более энергоемкую систему охлаждения. Для двигателя воздушного охлаждения достаточна небольшая переделка вентилятора.

Таблица 10. Эффективность охлаждения двигателя системами жидкостного и воздушного охлаждения в зависимости от внешней температуры

Регулирование охлаждения дает большую экономию энергии. Охлаждение можно отрегулировать так, чтобы оно было удовлетворительным при максимальной нагрузке двигателя и при максимальной температуре воздуха. Но при более низкой температуре окружающей среды и частичной нагрузке двигателя такое охлаждение, естественно, является избыточным и для снижения износа и механического КПД двигателя необходимо вновь отрегулировать охлаждение. У двигателей жидкостного охлаждения это обычно делают дросселированием потока жидкости через радиатор. В этом случае потребляемая мощность вентилятора не изменяется, и с энергетической точки зрения такое регулирование не приносит никакой выгоды. Например, для охлаждения двигателя мощностью 50 кВт при температуре 30 °С расходуется 2,5 кВт, а при температуре 0 °С и нагрузке двигателя 50 % от полной потребовалось бы лишь 0,23 кВт. При условии, что требуемое количество охлаждающего воздуха пропорционально перепаду температур между поверхностью радиатора и воздухом, при 50 %-ной нагрузке двигателя для его охлаждения достаточно также половины расхода воздуха, регулируемого частотой вращения вентилятора. Экономия энергии и, следовательно, расхода топлива при таком регулировании может быть достаточно значительной.

Поэтому регулированию охлаждения в настоящее время уделяется особое внимание. Наиболее удобное регулирование - изменение частоты вращения вентилятора, но для его осуществления необходимо иметь регулируемый привод.

Отключение привода вентилятора преследует ту же цель, что и изменение его частоты вращения. Для этого удобно применять электромагнитную муфту, включаемую термостатом в зависимости от температуры жидкости (или головки цилиндра). Если муфта включается термостатом, то регулирование осуществляется не только в зависимости от температуры окружающей среды, но и от нагрузки двигателя, что весьма эффективно.

Выключение вентилятора при помощи вязкостной муфты производится несколькими способами. В качестве примера рассмотрим вязкостную муфту фирмы “Холсет” (США).

При наиболее простом способе используется ограничение передаваемого момента. Поскольку с ростом частоты вращения момент, необходимый для вращения вентилятора, увеличивается, то увеличивается также и пробуксовка вязкостной муфты, и при некотором значении потребляемой мощности вентилятора его частота вращения уже более не повышается (рис. 79). Частота вращения вентилятора с нерегулируемым клиноремеиным приводом от коленчатого вала двигателя увеличивается пропорционально частоте вращения двигателя (кривая Б), тогда как в случае привода вентилятора через вязкостную муфту его частота растет лишь до величины h v = 2500 мин-1 (кривая вращения А нерегулируемым приводом, растет пропорционально третьей ). Мощность, потребляемая вентилятором с степени частоты вращения и на режиме максимальной мощности составляет 8,8 кВт. У вентилятора, приводимого через вязкостную муфтувращения увеличивается, как отмечено, до 2500 мин-1, и, частота требуемая на режиме мощность вентилятора составляет 2 кВт. Поскольку в вязкостной муфте при 50 %-ной пробуксовке в теплоту дополнительно рассеивается еще 1 кВт, то общая экономия энергии на приводе вентилятора составляет снижает расход топлива. Такое регулирование охлаждения 5,8 кВт, однако и это можно считать удовлетворительнымрасход воздуха не растет прямо пропорционально частоте, так как вращения двигателя искорости движения сохраняется рост скоростного напора, кроме того, с повышением воздуха, содействующего охлаждению двигателя.

Другой тип вязкостной муфты фирмы “Холсет” обеспечивает регулирование теплового режима двигателя дополнительно и от температуры окружающего воздуха (рис. 80). От ранее рассмотренной эта муфта отличается тем, что объем жидкости в ней, передающий крутящий момент, зависит от внешней температуры. Картер муфты разделен перегородкой 5 (см. рис. 81) на камеру ведущего диска 1 и камеру резервного объема 2, соединенные между собой клапаном 3. Клапан управляется биметаллическим термостатом 4 в зависимости от температуры воздуха. Черпачок 6, прижатый к диску пружиной, служит для сброса жидкости с диска и ускорения перетекания ее из камеры диска в объем 2. Часть жидкости постоянно находится в камере ведущего диска и способна передавать вентилятору небольшой крутящий момент. При температуре воздуха 40 °С, например, максимальная частота вращения вентилятора составляет 1300 мин-1, а потребляемая мощность - не более 0,7 кВт. При нагревании двигателя биметаллический термостат открывает клапан, и часть жидкости поступает в камеру ведущего диска. По мере роста проходного сечения клапана поступающее в камеру диска количество жидкости увеличивается и при полном открытии клапана уровень ее в обеих половинах одинаков. Изменение передаваемого при этом крутящего момента и частоты вращения вентилятора показано кривыми А 2 (см. рис. 80).

В этом случае максимальная частота вращения вептилятора составляет 3200 мин-1, а потребляемая мощность увеличивается до 3,8 кВт. Максимальное открытие клапана соответствует температуре окружающего воздуха, равной 65 °С. Описанным регулированием охлаждения двигателя можно снизить расход топлива в легковых автомобилях на 1 л/100 км.

Мощные двигатели имеют еще более совершенные системы регулирования охлаждения. У дизелей “Татра” привод вентилятора осуществляется через гидромуфту, объем масла в которой регулируется термостатом в зависимости от температур отработавших газов и окружающего воздуха. Показания датчика температуры в выпускном трубопроводе зависят в основном от нагрузки двигателя и, в меньшей степени, от его частоты вращения. Запаздывание этого датчика очень невелико, поэтому регулирование охлаждения с его помощью более совершенно.

Регулирование охлаждения частотой вращения вентилятора относительно легко осуществляется в двигателе внутреннего сгорания любого типа; при этом уменьшается общий шум, издаваемый автомобилем.

При переднем расположении двигателя поперек автомобиля механический привод вентилятора вызывает некоторые трудности и поэтому чаще применяют электропривод вентилятора. В этом случае регулирование охлаждения весьма упрощается. Вентилятор с электроприводом не должен иметь большой потребляемой мощности, поэтому стремятся использовать эффект охлаждения скоростным напором воздуха при движении автомобиля, поскольку с увеличением нагрузки двигателя скорость легкового автомобиля и, следовательно, скоростной напор обтекающего его воздуха растут. Электропривод вентилятора работает только в течение короткого времени при преодолении затяжных подъемов или же при высокой температуре окружающего воздуха. Расход охлаждающего воздуха через вентилятор регулируется включением электродвигателя с помощью термостата,

Если радиатор расположен далеко от двигателя, например в автобусе с задним расположением двигателя, то вентилятор обычно имеет гидрообъемный привод. Приводимый двигателем автобуса гидронасос подает масло под давлением поршневой гидродвигатель с качающейся шайбой. Такой привод более сложен и его применение целесообразно в двигателях большой мощности.

И СПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ, УНОСИМОЙ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

Отработавшие газы двигателя содержат значительное количество тепловой энергии. Ее можно использовать, например, для отопления автомобиля. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.

Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.

Более приемлемым с точки зрения стоимости можно считать эжекционное охлаждение. Отработавшие газы отсасывают из эжектора охлаждающий воздух, который смешивается с ними и отводится в атмосферу. Такое устройство дешево и надежно, так как не имеет никаких движущихся деталей. Пример эжекционной системы охлаждения показан на рис. 82.

Эжекционное охлаждение было с успехом применено в гоночных автомобилях “Татра” и в некоторых специализированных автомобилях. Недостатком системы является высокий уровень шума, так как отработавшие газы необходимо непосредственно подводить в эжектор, а расположение глушителя шума за ним вызывает трудности.

Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора; в турбокомпаундных двигателях она непосредственно соединяется с коленчатым валом двигателя.

В двигателях, использующих в качестве топлива водород, теплоту отработавших газов, а также отведенную в систему охлаждения можно использовать для нагревания гидридов, извлекая тем самым содержащийся в них водород. При таком способе эта теплота аккумулируется в гидридах, и при новой заправке гидридных баков водородом она может быть использована в различных целях для нагревания воды, отопления зданий и т. д.

Энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления pe это проявляется в виде “горбов”, что хорошо видно на рис. 83, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы “Порше”. Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы - равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра - в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются и организуется их общий ввод в глушитель.

ТУРБОНАДДУВ ДВИГАТЕЛЯ

При турбонаддуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижанию его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.

Если для наддува применяют компрессор с механическим приводом от двигателя, то вследствие подачи большего количества воздуха возрастает лишь мощность двигателя. При сохранении такта расширения только в цилиндрах двигателя отработавшие газы выходят из него под высоким давлением, и если они в дальнейшем не используются, то это вызывает повышение удельного расхода топлива.

Степень наддува зависит от назначения двигателя. При более высоких давлениях наддува воздух в компрессоре сильно нагревается и на входе в двигатель его необходимо охлаждать. В настоящее время турбонаддув применяют в основном в дизелях, повышение мощности которых на 25-30 % не требует большого форсирования по давлению наддува, и охлаждение двигателя при этом не вызывает трудностей. Такой способ повышения мощности дизеля применяют чаще всего.

Увеличение количества поступающего в двигатель воздуха позволяет работать на бедных смесях, что снижает выход СО и СНx. Так как мощность дизелей регулируется подачей топлива, а подаваемый воздух не дросселируется, то при частичных нагрузках используются очень бедные смеси, что способствует уменьшению удельного расхода топлива. Воспламенение бедной смеси в дизелях с наддувом не вызывает трудностей, так как оно происходит при высоких температурах воздуха. Продувка камеры сгорания подаваемым воздухом в дизелях допустима, поскольку в отличие от бензинового двигателя уноса топлива в выпускной трубопровод в них нет.

У дизеля с наддувом степень сжатия обычно несколько уменьшают с тем, чтобы ограничить максимальное давление в цилиндре. Более высокие давления и температура воздуха в конце такта сжатия уменьшают задержку воспламенения, и жесткость работы двигателя становится меньше.

У дизелей с турбонаддувом определенные проблемы существуют при необходимости быстро увеличить мощность двигателя. При нажатии на педаль управления рост подачи воздуха вследствие инерции турбокомпрессора отстает от увеличения подачи топлива, поэтому вначале двигатель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью и лишь через некоторый промежуток времени состав смеси достигает требуемого значения. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора. Попытка свести инерцию ротора до минимума уменьшением диаметра рабочих колес турбины и компрессора влечет за собой необходимость увеличения частоты вращения турбокомпрессора до 100 000 мин. Такие турбокомпрессоры имеют небольшие размеры и массу, пример одного из них приведен на рис. 84. Чтобы получить высокие обороты турбокомпрессора, применяют турбины центростремительного типа. Теплопередача от корпуса турбины к корпусу компрессора должна быть минимальна, поэтому оба корпуса хорошо теплоизолируются друг от друга. В зависимости от числа цилиндров и схемы объединения их выпускных трубопроводов турбины имеют один или два входа для отработавших газов. Дизель с наддувом благодаря утилизации энергии отработавших газов дает возможность достичь очень низкого удельного расхода топлива. Напомним, что тепловые балансы двигателей внутреннего сгорания приведены в табл. 1 и 2.

Для легковых автомобилей недостатком дизельного двигателя является его большая масса. Поэтому создаваемые новые дизели для легковых автомобилей базируются, в основном, на высокооборотных бензиновых двигателях так как использование высоких частот вращения позволяет уменьшить массу дизеля до приемлемой величины.

Расход топлива у дизеля особенно при движении в городе на режимах частичных нагрузок заметно меньше. Дальнейшее развитие этих дизелей связано с турбонаддувом, в условиях которого содержание вредных углеродосодержащих компонентов в отработавших газах снижается, а его работа становится мягче. Увеличение NOx вследствие более высоких температур сгорания может быть уменьшено рециркуляцией отработавших газов. Стоимость дизельного двигателя выше, чем бензинового, однако при недостатке нефти его применение более выгодно, так как из нефти может быть из! словлено больше дизельного топлива, чем высокооктанового бензина

Турбонаддув бензиновых двигателей имеет некоторые особенности Температура отработавших raws бензиновых двигателей выше, это предъявляет более высокие требования к материалу лопзток турбины, однако не является фактором, ограничивающим применение наддува Воспламенение очень бедных смесей бензина с воздухом происходит с труюм, поз! ому необходимо регулировать колп-чесшо подаваемого воздуха, что особенно важно при высоких частотах сращения, когда компрессор подает большое количество воздуха. В отличие от дизеля, где регулирование мощности производится уменьшением подачи топлива, в бензиновом двигателе аналогичный метод неприменим, так как состав смеси был бы на этих режимах настолько бедным, что воспламенение не было бы гарантировано. Поэтому подача воздуха на режимах максимальной частоты вращения турбокомпрессора должна быть ограничена. Существует несколько способов такого ограничения. Наиболее часто используют перепуск отработавших газов через специальный канал мимо турбины, тем самым снижая частоту вращения турбокомпрессора и подаваемое им количество воздуха. Схема такого регулирования дана на рис. 85.

Отработавшие газы из двигателя поступают в выпускной трубопровод 10, а затем через турбину 11 в глушитель шума выпуска 12. При максимальной нагрузке и высокой частоте вращения двигателя давление во впускном канале 7, передаваемое через канал 15, открывает клапан перепуска 13, через который отработавшие газы по трубопроводу 14 поступают непосредственно в глушитель, минуя турбину. В турбину поступает меньшее количество отработавших газов, и подача воздуха компрессором 4 во впускной канал 6 уменьшается в 6-8 раз. (Конструкция клапана перепуска отработавших газов показана на рис. 86.)

Рассмотренный способ регулирования подачи воздуха имеет тот недостаток, что снижение мощности двигателя при отпускании педали управления двигателем не происходит мгновенно и длится, кроме того, дольше, чем падает частота вращения турбины. При повторном нажатии на педаль требуемая мощность достигается с задержкой, частота вращения турбокомпрессора медленно нарастает даже после закрытия перепускного канала. Такая задержка нежелательна при оживленном движении, при необходимости быстрого торможения и последующем быстром разгоне автомобиля. Поэтому применяют другой способ регулирования, а именно используют дополнительно и перепуск воздуха через байпасный канал компрессора 4.

Воздух поступает в двигатель через воздушный фильтр 1, регулятор состава смеси 2 фирмы “Бош” (ФРГ) типа “К-Джетроник”, управляющий топливными форсунками 9 (см. гл. 13), затем во впускной трубопровод 5, и далее компрессором 4 нагнетается во впускные каналы и патрубки 6 -5. При быстром отпускании педали управления компрессор еще вращается, и для снижения давления в канале 6 перепускной клапан 5 вакуумом во впускном патрубке 8 открывается, и воздух под давлением из канала 6 через тот же клапан 5 перепускается вновь в трубопровод 3 перед компрессором. Выравнивание давления происходит очень быстро, частота вращения турбокомпрессора при этом резко не падает. При следующем нажатии на педаль перепускной клапан 5 быстро закрывается, и компрессор с незначительной задержкой подает в двигатель воздух под давлением. Этот способ позволяет достичь полной мощности двигателя за доли секунды после нажатия на педаль управления.

Хорошим примером бензинового двигателя с наддувом служит двигатель “Порше 911” (ФРГ). Первоначально он представлял собой безнаддувный шестицилиндровый двигатель воздушного охлаждения с рабочим объемом 2000 см3, имевший мощность 96 кВт. В варианте исполнения с наддувом его рабочий объем был увеличен до 3000 см3, а мощность доведена до 220 кВт при соответствии требованиям к уровню шума и наличию вредных веществ в отработавших газах. Размеры двигателя при этом не увеличились. При разработке двигателя “911” был использован большой опыт, накопленный при создании двенадцатицилинд-рового гоночного двигателя модели “917”, который уже в 1978 г. развил мощность 810 кВт при частоте вращения 7800 мин-1 и давлении наддува 140 кПа. На двигателе было установлено два турбокомпрессора, его максимальный крутящий момент составлял 1100 Н·м, а масса - 285 кг. На режиме номинальной мощности двигателя подача воздуха трубокомпрессорами при частоте вращения 90 000 мин-1 составляла 0,55 кг/с при температуре воздуха 150-160 °С. При максимальной мощности двигателя температура отработавших газов достигала 1000-1100°С. Разгон гоночного автомобиля с места до 100 км/ч с этим двигателем длился 2,3 с. При создании этого гоночного двигателя была разработана совершенная система регулирования турбонаддува, что позволило добиться хороших динамических качеств автомобиля. Такая же схема регулирования была применена и в двигателе “Порше 911”.

При полном открытии дроссельной заслонки максимальное давление наддува в двигателе “Порше 911” клапана перепуска 13 (см. рис. 85) ограничивается 80 кПа. Это давление достигается уже при частоте вращения 3000 мин-1, в диапазоне частоты вращения двигателя 3000-5500 мин-1 давление наддува постоянно и температура воздуха за компрессором составляет 125 °С. При максимальной мощности двигателя величина продувки достигает 22 % от расхода отработавших газов. Предохранительный клапан, установленный во впускном канале, отрегулирован на давление 110-140 кПа, и при аварии клапана перепуска отработавших газов он отключает подачу топлива, ограничивая тем самым неконтролируемое увеличение мощности двигателя. При максимальной мощности двигателя подача воздуха компрессором составляет 0,24 кг/с. Степень сжатия, равная в безнаддувном двигателе е = 8,5, при введении наддува была снижена до 6,5. Кроме того, были применены выпускные клапаны с натриевым охлаждением, изменены фазы газораспределения и улучшена система охлаждения. При максимальной мощности двигателя частота вращения турбокомпрессора составляет 90 000 мин-1, при этом мощность турбины достигает 26 кВт. Автомобили, предназначенные на экспорт в США, должны отвечать требованиям, предъявляемым к содержанию вредных веществ в отработавших газах, и поэтому поставляемые в США автомобили “Порше 911” дополнительно оснащены двумя тепловыми реакторами, системой подачи вторичного воздуха н отработавшие газы для их дожигания, а также системой рециркуляции отработавших газов. Мощность двигателя “Порше 911” при этом уменьшается до 195 кВт.

В некоторых других системах регулирования турбонаддува, например системе АРС шведской фирмы СААБ, для регулирования давления наддува применена электроника. Ограничение давления наддува осуществляется клапаном, регулирующим поток отработавших газов через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при возникновении разрежения во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор.

Регулирующая разрежение в перепускном клапане дроссельная заслонка имеет электропривод, управляемый электронным устройством по сигналам датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и обнаруживающий возникновение детонационных стуков. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Такая система регулирования турбонаддува позволяет обеспечить хорошие динамические качества автомобиля, необходимые, например, для быстрого обгона в условиях интенсивного движения. Для этого можно быстро перевести двигатель в режим работы с максимальным давлением наддува, так как детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке, двигателе не возникает мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнет появляться детонация, по сигналу датчика детонации управляющее устройство снизит давление наддува.

Достоинство такого регулирования состоит в том, что оно позволяет использовать в двигателе без каких-либо изменений топлива с различными октановыми числами. При применении топлива с октановым числом 91 двигатель СААБ с такой системой регулирования может работать длительное время с давлением наддува до 70 кПа. При этом степень сжатия этого двигателя, в котором применена аппаратура впрыска бензина “Бош К-Джетроник”, составляет е = 8,5. Успехи, достигнутые в уменьшении расхода топлива легковых автомобилей благодаря применению турбонаддува, способствовали его использованию и в мотоцикле-строении. Здесь следует назвать японскую фирму “Хонда”, которая впервые применила турбонаддув в двухцилиндровом двигателе жидкостного охлаждения модели “СХ 500” для повышения его мощности и снижения расхода топлива. Применение турбокомпрессоров в двигателях с малым рабочим объемом имеет ряд трудностей, связанных с необходимостью получения таких же давлений наддува, как в двигателях большой мощности, но при малых расходах воздуха. Давление наддува зависит в основном от окружной скорости колеса компрессора, а диаметр этого колеса определяется требуемой подачей воздуха. Необходимо, следовательно, чтобы турбокомпрессор имел очень высокую частоту вращения при малых диаметрах рабочих колес. Диаметр колеса компрессора в упомянутом двигателе “Хонда” объемом 500 см3 составляет 48,3 мм и при давлении наддува 0,13 МПа ротор турбокомпрессора вращается с частотой 180 000 мин-1. Максимально допустимая частота вращения этого турбокомпрессора достигает 240000 мин-1.

При увеличении давления наддура выше 0,13 МПа открывается клапан (рис 87) перепуска отработавших газов, управляемый давлением наддува в камере, и часть отработавших газов, минуя турбину, направляется в выпускной трубопровод, что ограничивает дальнейшее увеличение частоты вращения компрессора. Открывание клапана перепуска происходит при частоте вращения двигателя около 6500 мин-1 и при дальнейшем ее увеличении давление наддува уже не растет.

Количество впрыскиваемого форсункой топлива, требующегося для получения необходимого состава смеси, определяется вычислительным устройством, размещенным над задним колесом мотоцикла, которое также обрабатывает информацию датчиков температур поступающего воздуха и охлаждающей жидкости, датчика положения дроссельной заслонки, датчиков давлений воздуха, датчика частоты вращения двигателя.

Главное преимущество двигателя с наддувом проявляется в снижении расхода топлива при одновременном увеличении мощности двигателя. Мотоцикл “Хонда СХ 500” с безнаддувным двигателем потребляет 4,8 л/100 км, а тот же мотоцикл, оснащенный двигателем с наддувом модели “СХ 500 7Х - лишь 4,28 л/100 км. Масса мотоцикла “Хонда СХ 500 Г” составляет 248 кг, что более чем на 50 кг выше массы мотоциклов аналогичного класса с рабочим объемом двигателя 500-550 см3 (например, мотоцикл “Кавасаки KZ 550” имеет массу 190 кг). При этом, однако, динамические качества и максимальная скорость у мотоцикла “Хонда СХ 500 7” такие же, как у мотоциклов с вдвое большим рабочим объемом. Тормозная система при этом усовершенствована в связи с ростом скоростных качеств этого мотоцикла. Двигатель “Хонда СХ 500 Г” рассчитан на еще более высокие скорости и его максимальная частота вращения составляет 9000 мин-1.

Снижение среднего расхода топлива достигается также тем, что при движении мотоцикла со средней эксплуатационной скоростью давление во впускном трубопроводе равно атмосферному или даже несколько ниже его, т. е. использование наддува весьма незначительно. Лишь при полном открытии дроссельной заслонки и, следовательно, росте количества и температуры отработавших газов увеличивается частота вращения турбокомпрессора, давление наддува и благодаря этому повышается мощность двигателя. Некоторое запаздывание повышения мощности двигателя при резком открывании дроссельной заслонки имеет место и связано с временем, необходимым для разгона турбокомпрессора.

Общая схема силовой установки мотоцикла “Хонда СХ 500 Т” с турбонаддувом показана на рис. 87. Большие колебания давления воздуха во впускном трубопроводе двухцилиндрового двигателя с неравномерным порядком работы цилиндров гасятся камерой и демпфирующим ресивером. При пуске двигателя клапаны предотвращают обратный поток воздуха, вызываемый большим перекрытием фаз газораспределения. Система жидкостного охлаждения исключает подачу горячего воздуха к ногам водителя, имеющую место при воздушном охлаждении. Обдув радиатора системы охлаждения осуществляется вентилятором с электроприводом. Короткий выпускной трубопровод к турбине снижает потери энергии отработавших газов и способствует уменьшению расхода топлива. Максимальная скорость мотоцикла 177 км/ч.

НАДДУВ ТИПА "КОМПРЕКС"

Очень интересный способ наддува “Компрекс”, разработанный фирмой “Браун энд Бовери”, Швейцария, заключается в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрес-сора, но турбина и центробежный компрессор, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.

Схема системы наддува типа “Компрекс” представлена на рис. 88. Главная деталь - это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем. Привод компрессора типа “Компрекс” потребляет не более 2 % мощно сти двигателя. Агрегат “Компрекс” не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. В этих каналах поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.

В правой крышке имеются окна а для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г - для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее - в атмосферу В левой крышке имеются окна б для подачи сжатого воздуха в двигатель и окна д для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е. Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.

При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сна чала окно а , а затем окно б , и этот канал ротора с находя щимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.

При дальнейшем вращении ротора этот канал с отра ботавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубо провод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д, канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу. Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение 40 лет этот способ наддува не применяется в автомобилях. За последние 10 лет работами фирмы “Браун энд Бовери” наддув “Компрекс” значительно усовершенствован, в частности, введена дополнительная камера в торцовой крышке, обеспечивающая надежную подачу воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя, в том числе и при малых ее значениях.

Наддув “Компрекс” был испытан на полноприводных автомобилях повышенной проходимости австрийской фирмы “Штейер-Даймлер-Пух”, на которых были установлены дизели “Опель Рекорд 2,3D” и “Мерседес-Бенц 200D”.

Преимущество способа “Компрекс” в сравнении с турбонаддувом состоит в отсутствии запаздывания повышения давления наддува после нажатия на педаль управления. Эффективность системы турбонаддува определяется энергией отработавших газов, зависящих от их температуры. Если, например, при полной мощности двигателя температура отработавших газов составляет 400 °С, то зимой для ее достижения требуется несколько минут. Значительное преимущество способа “Компрекс” заключается также в получении большого крутящего момента двигателя при малых частотах вращения, что позволяет применять коробку передач с меньшим числом ступеней.

Быстрый набор мощности двигателя при нажатии на педаль управления особенно желателен для гоночных автомобилей Итальянская фирма “Феррари” испытывает способ наддува “Компрекс” на своих гоночных автомобилях, так как при использовании турбонаддува для быстрой реакции двигателя на положение педали управления при прохождении на гоночном автомобиле поворотов необходимо применение описанной ранее сложной системы регулирования.

При испытаниях системы наддува “Компрекс” на шес-тицилиндровых двигателях гоночных автомобилей “Феррари” класса F1 отмечалась очень быстрая реакция двигателя на перемещение педали управления

Для получения максимального давления наддува на этих двигателях применено охлаждение наддувочного воздуха. Через ротор агрегата “Компрекс” проходит большее количество воздуха, чем требуется двигателю, так как часть воздуха используется для охлаждения агрегата наддува. Это очень выгодно для гоночных двигателей, которые и на старте работают практически с полным расходом воздуха через радиатор промежуточного охлаждения. В этих условиях двигатель с агрегатом “Компрекс” будет к моменту старта находиться в лучшем температурном состоянии для выхода на полную мощность.

Применение агрегата наддува “Компрекс” вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения. На начальном этапе разработок скорость ротора была причиной появления шумов такой же частоты, как и у турбокомпрессора. Этот недостаток был устранен неравномерным шагом каналов по окружности ротора.

При применении системы “Компрекс” значительно упрощается рециркуляция отработавших газов, применяемая с целью снижения содержания в них NOx. Обычно рециркуляция осуществляется путем отбора части отработавших газов из выпускной трубы, их дозирования, охлаждения и подачи во впускной трубопровод двигателя. В системе “Компрекс” эта схема может быть существенно проще, поскольку смешение отработавших газов с потоком свежего воздуха и их охлаждение происходит непосредственно в каналах ротора.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Механический КПД отражает соотношение между индикаторной и эффективной мощностью двигателя. Различие этих величин вызвано потерями, связанными с передачей газовых сил от днища поршня к маховику и с приводом вспомогательного оборудования двигателя. Все эти потери необходимо точно знать, когда ставится задача улучшить топливную экономичность двигателя.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая - трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Потери, связанные с поступлением воздуха в двигатель (насосные потери), весьма важны, так как они возрастают пропорционально квадрату частоты вращения двигателя.

Потери мощности, необходимые для привода оборудования, обеспечивающего работу двигателя, включают мощность на привод механизма газораспределения, масляного, водяного и топливного насосов, вентилятора системы охлаждения. При воздушном охлаждении вентилятор подачи воздуха является неотъемлемым элементом двигателя при его испытаниях на стенде, в то время как у двигателей жидкостного охлаждения при проведении испытаний вентилятор и радиатор часто отсутствуют, а для охлаждения используют воду из внешнего контура охлаждения. Если потребляемую мощность вентилятора двигателя жидкостного охлаждения не учитывать, то это дает заметное завышение его экономических и мощностных по-казателей по сравнению с двигателем воздушного охла-ждения.

Другие потери на привод оборудования связаны с генератором, пневмокомпрессором, гидронасосами, необходимыми для освещения, обеспечения работы приборов, тормозной системы, рулевого управления автомобиля. При испытании двигателя на тормозном стенде следует точно определить, что считать дополнительным оборудованием и как его нагружать, поскольку это необходимо для объективного сопоставления характеристик разных двигателей. В частности, это относится к системе охлаждения масла, которое при движении автомобиля охлаждается обдувом масляного поддона воздухом, отсутствующим при испытаниях на тормозном стенде. При испытании на стенде двигателя без вентилятора не воспроизводятся условия обдува трубопроводов воздухом, что вызывает повышение температур во впускной трубе и ведет к уменьшению величины коэффициента наполнения и мощности двигателя.

Размещение воздушного фильтра и величина сопротивления выпускного трубопровода должны соответствовать имеющимся в условиях работы двигателя в автомобиле. Эти важные особенности необходимо учитывать при сопоставлении характеристик различных двигателей или одного двигателя, предназначенного для применения в различных условиях, например, в легковом или грузовом автомобиле, тракторе или для привода стационарного генератора, компрессора и т. д.

При уменьшении нагрузки двигателя его механический КПД ухудшается, так как абсолютная величина большинства потерь не зависит от нагрузки. Наглядным примером служит работа двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу, когда механический КПД равен нулю и вся индикаторная мощность двигателя расходуется на преодоление его потерь. При нагрузке двигателя на 50 % или менее удельный расход топлива по сравнению с полной нагрузкой значительно возрастает, и поэтому использовать для привода двигатель, имеющий большую, чем это требуется, мощность, совершенно неэкономично.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает аналогично тому, как это имеет место при частичной нагрузке двигателя.

ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ И ПОДШИПНИКАХ

Наибольшие потери в двигателе вызваны трением поршня в цилиндре. Условия смазки стенок цилиндра являются далеко неудовлетворительными. Слой масла на стенке цилиндра при положении поршня в НМТ находится под действием горячих отработавших газов. Для уменьшения расхода масла маслосъемное кольцо снимает часть его со стенки цилиндра при движении поршня к НМТ, однако слой смазки между юбкой поршня и цилиндром сохраняется.

Наибольшее трение вызывает первое компрессионное кольцо. При движении поршня к ВМТ это кольцо опирается на нижнюю поверхность поршневой канавки поршня и давление, возникающее при сжатии, а затем сгорании рабочей смеси, прижимает его к стенке цилиндра. Поскольку режим смазывания поршневого кольца наименее благоприятен вследствие наличия сухого трения и высокой температуры, то потери на трение здесь являются самыми высокими. Режим смазывания второго компрессионного кольца является более благоприятным, но трение остается значительным. Поэтому число поршневых колец также оказывает влияние на величину потерь трения цилиндропоршневой группы.

Другой неблагоприятный фактор - прижатие поршня вблизи ВМТ к стенке цилиндра давлением газов и силами инерции возвратно-поступательно движущихся масс. У высокооборотных автомобильных двигателей инерционные силы имеют большую величину, чем газовые. Поэтому наибольшую нагрузку шатунные подшипники имеют в ВМТ такта выпуска, когда шатун растянут инерционными силами, приложенными к его верхней и нижней головкам.

Сила, действующая вдоль шатуна, раскладывается на силы, направленные по оси цилиндра и нормально к его стенке.

Подшипники качения в двигателе выгодно использовать при больших действующих на них усилиях. Целесообразно, например, размещать" коромысла клапанов на игольчатых подшипниках. В качестве подшипников поршневого пальца в шатуне раньше также применяли роликовые подшипники, особенно в двухтактных двигателях большой мощности. Поршень и подшипник поршневого пальца двухтактного двигателя в большинстве случаев подвергаются нагрузке только в одном направлении, поэтому в подшипнике скольжения не может образовываться требуемая масляная пленка. Для хорошего смазывания подшипника скольжения в верхней головке шатуна на всей длине его втулки в этом случае выполняются поперечные смазочные канавки, расположенные на таком расстоянии друг от друга, чтобы при качании в этом месте могла образоваться масляная пленка.

Для получения малых потерь на трение в цилиндропоршневой группе необходимо иметь поршни, обладающие йебольшой массой, малое число поршневых колец и защитный слой на юбке поршня, предохраняющий поршень от задира и заклинивания.

ПОТЕРИ ПРИ ГАЗООБМЕНЕ

Для наполнения цилиндра воздухом необходимо воз-никнование перепада давлений между цилиндром и внешней средой. Разрежение в цилиндре при впуске, действующее в направлении, противоположном движению поршня, и тормозящее вращение коленчатого вала, зависит от фаз газораспределения, диаметра впускного трубопровода, а также от формы впускного канала, необходимой, например, для создания вращения воздуха в цилиндре. Двигатель в этой части цикла действует как воздушный насос и на его привод расходуется часть индикаторной мощности двигателя.

Для хорошего наполнения цилиндра необходимо, чтобы потери давления, пропорциональные квадрату частоты вращения двигателя, при наполнении были наименьшими. Аналогичный характер зависимости от частоты вращения имеют и потери на трение в цилиндропоршневой группе, и, поскольку этот вид потерь преобладает среди других, общие потери также зависят от второй степени частоты вращения двигателя. Поэтому механический КПД с возрастанием частоты вращения падает, а удельный расход топлива ухудшается.

При максимальной мощности двигателя механический КПД обычно равен 0,75, и при дальнейшем повышении частоты вращения происходит быстрое падение эффективной мощности. При максимальной частоте вращения и частичных нагрузках двигателя эффективный КПД минимален.

К потерям при газообмене относятся и затраты энергии, связанные с продувкой картера коленчатого вала. Наибольшие потери имеют одноцилиндровые четырехтактные двигатели, у которых воздух при каждом ходе поршня всасывается в картер и вновь выталкивается из него. Большой объем прокачиваемого через картер воздуха имеют также двухцилиндровые двигатели с V-образным и оппозитным расположениями цилиндров. Этот вид потерь может быть уменьшен установкой обратного клапана, создающего в картере разрежение. Разрежение в картере уменьшает также потери масла, происходящие из-за негерметичности. В многоцилиндровых двигателях, у которых один поршень движется вниз, а другой вверх, объем газа в картере не меняется, но соседние секции цилиндров должны при этом хорошо сообщаться друг с другом.

ПОТЕРИ НА ПРИВОД ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Значение потерь на привод оборудования часто недооценивают, хотя они оказывают большое влияние на механический КПД двигателя. Хорошо исследованы потери на привод механизма газораспределения. Работа, затрачиваемая при открытии клапана, частично возмещается, когда пружина клапана закрывает его и тем самым приводит в движение распределительный вал. Потери на привод газораспределения относительно невелики и с их уменьшением удается получить лишь небольшую экономию затрат мощности на приводы. Иногда распределительный вал размещают на подшипниках качения, однако это применяется только па двигателях гоночных автомобилей.

Большее внимание следует уделить масляному насосу. Если размеры насоса и расход масла через него завышены, то большая часть масла сбрасывается через редукционный клапан при большом давлении, возникают значительные потери на привод масляного насоса. В то же время необходимо иметь резервы в системе смазки для того, чтобы обеспечить достаточное давление для смазки подшипников скольжения, в том числе и для изношенных. В этом случае малая подача масла насосом приводит к уменьшению давления при низких частотах вращения двигателя и при его длительной работе с полной нагрузкой. Редукционный клапан в этих условиях должен быть закрыт и вся подача масла должна использоваться для смазки. На привод топливного насоса и распределителя зажигания расходуется небольшая мощность. Также мало энергии расходует генератор переменного тока. Значительная часть эффективной мощности, а именно 5-10 %, затрачивается на привод вентилятора и насоса системы охлаждения, необходимых для отвода теплоты из двигателя. Об этом уже говорилось. Существует, как можно видеть, несколько путей для улучшения механического КПД двигателя.

На приводе топливного насоса и открывании форсунок можно сэкономить небольшое количество энергии. В несколько большей степени это возможно в дизелях.

ПОТЕРИ НА ПРИВОД ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Автомобиль обычно оснащен также оборудованием, которое расходует часть эффективной мощности двигателя, и снижает тем самым остальную ее часть, идущую на привод автомобиля. В легковом автомобиле такое оборудование применяется в ограниченном количестве, в основном это различные усилители, используемые для облегчения управления автомобилем, например, рулевого управления, привода сцепления, тормозного привода. Для климатической установки автомобиля также требуется определенная энергия, особенно для кондиционера охлаждения воздуха. Энергия нужна также и для различных гидравлических приводов, например, перемещения сидений, открывания окон, крыши и т. д.

В грузовом автомобиле объем дополнительного оборудования гораздо больше. Обычно применяют тормозную систему, использующую отдельный источник энергии, самосвальные кузова, самопогрузочные устройства, устройство для поднятия запасных колес и т. д У автомобилей специального назначения такие механизмы применяются еще шире. В общем расходе топлива необходимо учитывать и эти случаи потребления энергии.

Наиболее важное из этих устройств - компрессор для создания постоянного давления воздуха в пневматической тормозной системе Компрессор работает постоянно, наполняя воздушный ресигер, часть воздуха из которого через редукционный клапан без дальнейшего использования выходит в атмосферу. Для гидросистем высокого давления, обслуживающих дополнительное оборудование, характерны, главным образом, потери в редукционных клапанах. В них обычно используют клапан, который после достижения рабочего давления в гидроаккумуляторе отключает дальнейшую подачу в него рабочей жидкости и управляет байпасной линией между насосом и баком.

СРАВНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В БЕНЗИНОВОМ И ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЯХ

Сравнительные данные по механическим потерям, измеренным в одинаковых условиях работы бензинового двигателя со степенью сжатия е = 6 и дизеля со степенью сжатия е = 16 (табл. 11, А).

Для бензинового двигателя, кроме того, в табл. 11, Б проведено также сравнение механических потерь при полной и частичной нагрузках.

Таблица 11.А. Среднее давление различных видов механических потерь в бензиновом и дизельном двигателях ( 1600 мин-1), МПа

Таблица 11.Б. Среднее давление различных видов механических потерь в бензиновом двигателе (1600 мин-1 , e = 6) при различных нагрузках, МПа

Общие потери, как видно из табл. 11, относительно невелики, поскольку были измерены при низкой частоте вращения (1600 мин-1). С возрастанием скорости вращения потери увеличиваются вследствие действия сил инерции поступательно движущихся масс, возрастающих пропорционально второй степени частоты вращения, а также относительной скорости в подшипнике, так как вязкостное трение также пропорционально квадрату скорости. Интересно сравнить также индикаторные диаграммы в цилиндрах двух рассматриваемых двигателей (рис. 89). Давление в цилиндре дизеля несколько выше, чем у бензинового двигателя, и продолжительность его действия больше. Таким образом, газы прижимают кольца к стенке цилиндра с большей силой и на более длительное время, поэтому и потери на трение в цилиндропоршневой группе у дизеля больше. Увеличенные по сравнению с бензиновым двигателем размеры, особенно диаметр подшипников у дизеля, также способствуют увеличению механических потерь.

Трение в подшипниках вызвано напряжениями сдвига в масляной пленке. Оно линейно зависит от размеров поверхностей трения и пропорционально квадрату скорости сдвига. Существенное влияние на трение оказывает вязкость масла и, в меньшей степени, толщина масляной пленки в подшипниках. Давление газа в цилиндре почти не влияет на потери в подшипниках.

ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ НА ЭФФЕКТИВНЫЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Ранее речь шла о снижении до минимума потерь теплоты для повышения индикаторного КПД двигателя, причем в основном говорилось об уменьшении отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Объем камеры сгорания в известной степени указывает на количество вводимой теплоты. Теплотворная способность поступающего заряда в бензиновом двигателе определена соотношением воздуха и топлива, близким к стехиометрическому. В дизель подается чистый воздух, а подача топлива ограничена степенью неполноты сгорания, при которой в отработавших газах появляется дым Поэтому связь количества вводимой теплоты с объемом камеры сгорания достаточно очевидна

Наименьшим отношением поверхности к заданному объему обладает сфера. Тепло в окружающее пространство отводится поверхностью, поэтому масса, имеющая форму шара, охлаждается в наименьшей степени. Эти очевидные соотношения учитываются при проектировании камеры сгорания Следует, однако, иметь в виду геометрическое подобие деталей двигателей разных размеров. Как известно, объем сферы равен 4/3лR3, а ее поверхность - 4лR2, и, таким образом, объем с ростом диаметра увеличивается быстрее, чем поверхность, и, следовательно, сфера большего диаметра будет иметь меньшую величину отношения поверхности к объему. Если поверхности сферы разного диаметра имеют одинаковые перепады температур и одинаковые коэффициенты теплоотдачи а, то большая сфера будет охлаждаться медленнее.

Двигатели геометрически подобны, когда они имеют одинаковую конструкцию, но отличаются размерами. Если первый двигатель имеет диаметр цилиндра, например, равный единице, а у второго двигателя он в 2 раза больше, то все линейные размеры второго двигателя будут в 2 раза, поверхности - в 4 раза, а объемы - в 8 раз больше, чем у первого двигателя. Полного геометрического подобия достичь, однако, не удается, так как размеры, например, свечей зажигания и топливных форсунок одинаковы у двигателей с разными размерами диаметра цилиндра.

Из геометрического подобия можно сделать тот вывод, что больший по размерам цилиндр имеет и более приемлемое отношение поверхности к объему, поэтому его тепловые потери при охлаждении поверхности в одинаковых условиях будут меньше.

При определении мощности нужно, однако, учитывать некоторые ограничивающие факторы. Мощность двигателя зависит не только от размеров, т. е. объема цилиндров двигателя, но и от частоты его вращения, а также среднего эффективного давления. Частота вращения двигателя ограничена максимальной средней скоростью поршня, массой и совершенством конструкции кривошипно-шатунного механизма. Максимальные средние скорости поршня бензиновых двигателей лежат в пределах 10-22 м/с. У двигателей легковых автомобилей максимальное значение средней скорости поршня достигает 15 м/с, а значения величины среднего эффективного давления при полной нагрузке близки к 1 МПа.

Рабочий объем двигателя и его размеры определяют не только геометрические факторы. Например, толщина стенок задана технологией, а не нагрузкой на них. Теплопередача через стенки зависит не от их толщины, а от теплопроводности их материала, коэффициентов теплоотдачи па поверхностях стенок, перепада температур и т. д. Колебания давления газа в трубопроводах распространяются со скоростью звука независимо от размеров двигателя, зазоры в подшипниках определяются свойствами масляной пленки и т. д. Некоторые выводы относительно влияния геометрических размеров цилиндров, тем не менее, необходимо сделать.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЦИЛИНДРА С БОЛЬШИМ РАБОЧИМ ОБЪЕМОМ

Цилиндр большего рабочего объема имеет меньшие относительные потери теплоты в стенки. Это хорошо подтверждается примерами стационарных дизелей с большими рабочими объемами цилиндров, которые имеют очень низкие удельные расходы топлива. В отношении легковых автомобилей это положение, однако, подтверждается не всегда.

Анализ уравнения мощности двигателя показывает, что наибольшая мощность двигателя может быть достигнута при небольшой величине хода поршня.

Средняя скорость поршня может быть вычислена как

где: S -ход поршня, м; n - частота вращения, мин-1.

При ограничении средней скорости поршня С п частота вращения может быть тем выше, чем меньше ход поршня. Уравнение мощности четырехтактного двигателя имеет вид

где: Vh - объем двигателя, дм3; n - частота вращения, мин-1; pe - среднее давление, МПа.

Следовательно, мощность двигателя прямо пропорциональна частоте его вращения и рабочему объему. Тем самым к двигателю одновременно предъявляются противоположные требования - большой рабочий объем цилиндра и короткий ход. Компромиссное решение состоит в применении большего числа цилиндров.

Наиболее предпочтительный рабочий объем одного цилиндра высокооборотного бензинового двигателя составляет 300-500 см3. Двигатель с малым числом таких цилиндров плохо уравновешен, а с большим - имеет значительные механические потери и обладает поэтому повышенными удельными расходами топлива. Восьмицилиндровый двигатель рабочим объемом 3000 см3 имеет меньший удельный расход топлива, чем двенадцатицилиндровый с таким же рабочим объемом.

Для достижения малого расхода топлива целесообразно применять двигатели с малым числом цилиндров. Однако одноцилиндровый двигатель с большим рабочим объемом не находит применения в автомобилях, поскольку его относительная масса велика, а уравновешивание возможно лишь при использовании специальных механизмов, что ведет к дополнительному увеличению его массы, размеров и стоимости. Кроме того, большая неравномерность крутящего момента одноцилиндрового двигателя неприемлема для трансмиссий автомобиля.

Наименьшее число цилиндров у современного автомобильного двигателя равно двум. Такие двигатели с успехом применяют в автомобилях особо малого класса (“Ситроен 2 CV”, “Фиат 126”). Сточки зрения уравновешенности, следующим в ряду целесообразного применения стоит четырехцилиндровый двигатель, однако в настоящее время начинают применять и трехцилиндровые двигатели с небольшим рабочим объемом цилиндров, поскольку они позволяют получить малые расходы топлива. Кроме того, меньшее число цилиндров упрощает и удешевляет вспомогательное оборудование двигателя, так как сокращается число свечей зажигания, форсунок, плунжерных пар топливного насоса высокого давления. При поперечном расположении в автомобиле такой двигатель имеет меньшую длину и не ограничивает поворот управляемых колес.

Трехцилиндровый двигатель позволяет использовать унифицированные с четырехцилиндровым основые детали: гильзу цилиндра, поршневой комплект, шатунный комплект, клапанный механизм. Такое же решение возможно и для пятицилиндрового двигателя, что позволяет при необходимости увеличения мощностного ряда вверх от базового четырехцилиндрового двигателя избежать перехода на более длинный шестицилиндровый.

На преимущества применения дизелей с большим рабочим объемом цилиндра уже было указано. Помимо уменьшения потерь теплоты при сгорании это дает возможность получить более компактную камеру сгорания, в которой при умеренных степенях сжатия создаются более высокие температуры к моменту впрыска топлива. У цилиндра с большим рабочим объемом можно использовать форсунки с большим числом сопловых отверстий, обладающих меньшей чувствительностью к нагарообразованию.

ОТНОШЕНИЕ ХОДА ПОРШНЯ К ДИАМЕТРУ ЦИЛИНДРА

Частное от деления величины хода поршня S на величину диаметра цилиндра D представляет собой широко употребляемое значение отношения S/D. Точка зрения на величину хода поршня в течение развития двигателестроения менялась.

На начальном этапе автомобильного двигателестроения действовала так называемая налоговая формула, на основе которой взимаемый налог на мощность двигателя рассчитывался с учетом числа и диаметра D его цилиндров. Классификация двигателей осуществлялась также в соответствии с этой формулой. Поэтому отдавалось предпочтение двигателям с большой величиной хода поршня с тем, чтобы увеличить мощность двигателя в рамках данной налоговой категории. Мощность двигателя росла, но увеличение частоты вращения было ограничено допустимой средней скоростью поршня. Поскольку механизм газораспределения двигателя в этот период не был рассчитан на высокую оборотность, то ограничение частоты вращения скоростью поршня не имело значения.

Как только описанная налоговая формула была упразднена, и классификация двигателей стала проводится в соответствии с рабочим объемом цилиндра, ход поршня начал резко уменьшаться, что позволило увеличить частоту вращения и, тем самым, мощность двигателя. В цилиндрах большего диаметра стало возможным применение клапанов больших размеров. Поэтому были созданы короткоходные двигатели с отношением S/D, достигающим 0,5. Усовершенствование механизма газораспределения, особенно при использовании четырех клапанов в цилиндре, позволило довести номинальную частоту вращения двига-гателя до 10 000 мин-1 и более, вследствие чего удельная мощность быстро возросла

В настоящее время большое внимание уделяется уменьшению оасхода топлива Проведенные с этой целью исследования влияния S/D показали, что короткоходные двигатели обладают повышенным удельным расходом топлива. Это вызвано большой поверхностью камеры сгорания, а также снижением механического КПД двигателя из-за относительно большой величины поступательно движущихся масс деталей шатунно-поршневого комплекта и роста потерь на приводы вспомогательного оборудования При очень коротком ходе нужно удлинять шатун с тем, чтобы нижняя часть юбки поршня не задевалась противовесами коленчатого вала. Масса поршня при уменьшении его хода мало уменьшилась и при использовании выемок и вырезов на юбке поршня Для снижения выброса токсичных веществ в отработавших газах целесообразнее применять двигатели с компактной камерой сгорания и с более длинным ходом поршня Поэтому в настоящее время от двигателей с очень низким отношением S/D отказываются.

Зависимость среднего эффективного давления от отношения S/D у лучших гоночных двигателей, где четко видно снижение д, при малых отношениях S/D, приведена на рис. 90 В настоящее время более выгодным считается отношение S/D равное или несколько большее единицы. Хотя при коротком ходе поршня отношение поверхности цилиндра к его рабочему объему при положении поршня в НМТ меньше, чем у длинноходных двигателей, нижняя зона цилиндра не так важна для отвода теплоты, поскольку температура газов уже заметно падает

Длинноходный двигатель имеет более выгодное отношение охлаждаемой поверхности к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ, что более важно, так как в этот период цикла температура газов, определяющая потери теплоты, наиболее высока. Сокращение поверхности теплоотдачи в этой фазе процесса расширения уменьшает тепловые - потери и улучшает индикаторный КПД двигателя.

ДРУГИЕ ПУТИ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕМ

Двигатель работает с минимальным расходом топлива лишь в определенной области своей характеристики.

При эксплуатации автомобиля мощность его двигателя должна всегда располагаться на кривой минимального удельного расхода топлива. В легковом автомобиле это условие выполнимо, если использовать четырех- и пятиступенчатую коробку передач, причем чем меньше передач, тем труднее выполнить это условие. При движении по горизонтальному участку дороги двигатель не работает в оптимальном режиме даже при включении четвертой передачи. Поэтому для оптимальной загрузки двигателя автомобиль необходимо разгонять на высшей передаче вплоть до достижения максимально разрешенной законом скорости. Далее целесообразно перевести коробку передач в нейтральное положение, выключить двигатель и ехать по инерции до падения скорости, например до 60 км/ч, а затем следует снова включить двигатель и высшую передачу в коробке и при оптимальном нажатии на педаль управления двигателя вновь довести скорость до 90 км/ч.

Такое вождение автомобиля способом “разгон-накат”. Этот способ вождения приемлем для соревнований на экономичность, поскольку двигатель или работает в экономичной области характеристики, или отключен. Однако для реальной эксплуатации автомобиля при интенсивном движении он не пригоден.

Этот пример показывает один из способов уменьшения расхода топлива. Другой способ минимизации удельного расхода топлива - ограничение мощности двигателя при сохранении его хорошего механического КПД. Отрицательное влияние частичной нагрузки на механический КПД уже было показано и в табл. 11А. В частности, из табл. 11.Б видно, что при снижении нагрузки двигателя со 100 % до 30 % доля механических потерь в индикаторной работе повышается с 12 % до 33 %, а механический КПД падает с 88 % до 67 %. Величина мощности, равная 30 % от максимальной, может быть достигнута при работе только двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.

ВЫКЛЮЧЕНИЕ ЦИЛИНДРОВ

Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД. Так, при работе восьмицилиндрового двигателя с частичной нагрузкой весь объем воздуха можно направить только четырем цилиндрам, их нагрузка увеличится вдвое и эффективный КПД двигателя повысится. Охлаждающая поверхность камер сгорания у четырех цилиндров меньше, чем у восьми, поэтому количество теплоты, отведенное системой охлаждения, снижается, и расход топлива может уменьшиться на 25 %.

Для отключения цилиндров обычно применяют управление приводом клапанов. Если оба клапана закрыты, то смесь в цилиндр не поступает и постоянно находящийся в нем газ последовательно сжимается и расширяется. Работа, затрачиваемая при этом на сжатие газа, вновь высвобождается при расширении в условиях небольшого отвода теплоты стенками цилиндра. Механический и индикаторный КПД в этом случае улучшаются по сравнению с КПД восьмицилиндрового двигателя, работающего на всех цилиндрах при той же эффективной мощности.

Этот способ выключения цилиндров очень удобен, так как цилиндр отключается автоматически при переходе двигателя на частичные нагрузки и включается практически мгновенно при нажатии на педаль управления. Следовательно, водитель в любой момент может использовать полную мощность двигателя для совершения обгона или быстрого преодоления подъема. При движении в городе экономия топлива проявляется особенно отчетливо. У выключенных цилиндров отсутствуют насосные потери, и они не подают воздух в выпускной трубопровод. При движении под уклон выключенные цилиндры оказывают меньшее сопротивление, торможение двигателем уменьшается, и автомобиль по инерции проходит больший путь, как при наличии муфты свободного хода.

Выключение цилиндра верхнеклапанного двигателя с нижним распределительным валом удобно осуществить с помощью перемещаемого электромагнитом упора коромысла клапана. При выключении электромагнита клапан остается закрытым, так как коромысло поворачивается кулачком распределительного вала вокруг точки касания с торцом стержня клапана, а упор коромысла может при этом свободно перемещаться.

У восьмицилиндрового двигателя два или четыре цилиндра выключают таким образом, чтобы чередование работающих цилиндров было по возможности равномерным. В шестицилиндровом двигателе выключается от одного до трех цилиндров. Сейчас проводят также испытания выключения двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.

Подобное отключение клапанов у двигателя с верхним расположением распределительного вала затруднительно, поэтому применяют иные способы отключения цилиндров. Например, половину цилиндров шестицилиндрового двигателя БМВ (ФРГ) выключают так, что у трех цилиндров отключаются зажигания и впрыск, а отработавшие газы из трех работающих цилиндров отводятся через три отключенных цилиндра и могут расширяться далее. Этот процесс осуществляется клапанами во впускном и выпускном трубопроводах. Преимущество этого способа заключается в том, что выключенные цилиндры постоянно нагреваются проходящими отработавшими газами.

В восьмицилиндровом V-образном двигателе “Порше 928” с отключением цилиндров имеются две практически полностью отделенные друг от друга четырехцилиндровые V-образные секции. Каждая из них снабжена самостоятельным впускным трубопроводом, механизм газораспределения при этом не имеет отключения приводов клапанов. Один из двигателей отключается закрыванием дроссельной заслонки и прекращением впрыска бензина, причем испытания показали, что насосные потери будут наименьшими при небольшом открытии дроссельной заслонки. Дроссельные заслонки обеих секций оснащены независимыми приводами. Отключаемая секция постоянно подает небольшое количество воздуха в общий выпускной трубопровод, которое используется для дожигания отработавших газов в термическом реакторе. Это исключает применение специального насоса для подачи вторичного воздуха.

При разделении восьмицилиндрового двигателя на две четырехцилиндровые секции одна из них отрегулирована на большой момент при низкой частоте вращения и постоянно находится в работе, а вторая - на максимальную мощность и включается только при необходимости иметь мощность, близкую к максимальной. Секции двигателя могут иметь различные фазы газораспределения и различной длины впускные трубопроводы.

Многопараметровые характеристики двигателя “Порше 928” при работе восьми (сплошные кривые) и четырех цилиндров (штриховые кривые) приведены на рис. 91. Области улучшения удельного расхода топлива за счет отключения четырех цилиндров двигателя заштрихованы. Например, при частоте вращения 2000 мин-1 и крутящем моменте 80 Н·м удельный расход топлива при работе всех восьми цилиндров двигателя составляет 400 г/(кВт·ч), тогда как у двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами на том же режиме он немногим более 350 г/(кВт·ч).

Еще более заметную экономию топлива можно получить при- низких скоростях движения автомобиля. Разница в расходе топлива при равномерном движении по горизонтальному участку шоссе дана на рис. 92. У двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами (пунктирная кривая) при скорости 40 км/ч расход топлива падает на 25 %: с 8 до 6 л/100 км.

Но экономия топлива в двигателе может достигаться не только выключением цилиндров. В новых двигателях “Порше” модели ТОР (“термодинамически оптимизированный двигатель “Порше”) были реализованы все возможные способы повышения индикаторного КПД традиционного бензинового двигателя. Степень сжатия была повышена сначала с 8,5 до 10, а затем, изменением формы днища поршня, - до 12,5 при одновременном повышении интенсивности вращения заряда в цилиндре при такте сжатия. У модернизированных таким образом двигателей “Порше 924” и “Порше 928” удельный расход топлива снизился на 6-12 %. Примененная при этом электронная система зажигания, устанавливая оптимальный угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, повышает КПД двигателя при его работе на частичных нагрузках в условиях смесей бедного состава, а также исключает детонацию на режимах максимальных нагрузок.

Выключение двигателя при остановках автомобиля на перекрестках также приносит экономию топлива. При работе двигателя на холостом ходу с частотой вращения ниже, чем 1000 мин-1, и температуре охлаждающей жидкости более 40 °С через 3,5 с зажигание выключается. Двигатель вновь пускается лишь после нажатия на педаль управления. Это снижает расход топлива на 25-35 %, и, следовательно, бензиновые двигатели “Порше” модели ТОР в части топливной экономичности могут конкурировать с дизелями.

Фирма “Мерседее-Бенц” также предприняла попытки снизить расход топлива в восьмицилиндровом двигателе методом отключения цилиндров. Отключение достигалось с помощью электромагнитного устройства, разрывающего жесткую связь между кулачком и клапаном. В условиях движения по городу расход топлива при этом снизился на 32 %.

ПЛАЗМЕННОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Снизить расход топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах можно использованием бедных смесей, однако их искровое зажигание вызывает затруднения. Гарантированное зажигание искровым разрядом имеет место при массовом соотношении воздух/топливо не более 17. При более бедных составах возникают пропуски воспламенения, что ведет к росту содержания вредных веществ в отработавших газах.

При создании расслоенного заряда в цилиндре можно обеспечить сжигание очень бедной смеси при условии, что в зоне свечи зажигания образуется смесь богатого состава. Богатая смесь легко воспламеняется, и факел пламени, выброшенный в объем камеры сгорания, воспламеняет находящуюся, там бедную смесь.

В последние годы ведутся исследования по воспламенению бедных смесей плазменным и лазерным способами, при которых в камере сгорания образуется несколько очагов горения, так как воспламенение смеси происходит одновременно в разных зонах камеры. Вследствие этого отпадают проблемы детонации, и степень сжатия можно повысить даже при использовании низкооктанового топлива. При этом возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух/топливо, достигающим 27.

При плазменном зажигании электрическая дуга образует высокую концентрацию электрической энергии в ионизованном искровом промежутке достаточно большого объема. При этом в дуге развиваются температуры до 40 000 °С, т. е. создаются условия, аналогичные дуговой сварке.

Реализовать плазменный способ зажигания в двигателе внутреннего сгорания, однако, не так просто. Плазменная свеча зажигания изображена на рис. 93. Под центральным электродом в изоляторе свечи выполнена небольшая камера. При возникновении электрического разряда большой длины между центральным электродом и корпусом свечи газ в камере нагревается до очень высокой температуры и, расширяясь, выходит через отверстие в корпусе свечи в камеру сгорания. Образуется плазменный факел длиной около 6 мм, благодаря чему возникает несколько очагов пламени, способствующих воспламенению и сгоранию бедной смеси.

Другой тип системы плазменного зажигания использует небольшой насос высокого давления, который подает воздух к электродам в момент образования дугового разряда. Образующийся при разряде между электродами объем ионизованного воздуха поступает в камеру сгорания.

Эти способы весьма сложны и не применяются в автомобильных двигателях. Поэтому был разработан другой метод, при котором свеча зажигания образует постоянную электрическую дугу в течение 30° угла поворота коленчатого вала. В этом случае высвобождается до 20 МДж энергии, что гораздо больше, чем при обычном искровом разряде. Известно, что если при искровом зажигании не образуется достаточного количества энергии, то смесь не воспламеняется.

Плазменная дуга в сочетании с вращением заряда в камере сгорания образует большую поверхность воспламенения, так как при.этом форма и размер плазменной дуги в значительной мере меняются. Наряду с увеличением длительности периода воспламенения это означает также наличие высокой высвобождаемой для него энергии.

В отличие от стандартной системы во вторичном контуре плазменной системы зажигания действует постоянное напряжение 3000 В. В момент разряда в искровом промежутке свечи возникает обычная искра. При этом сопротивление на электродах свечи уменьшается, и постоянное напряжение 3000 В образует дугу, зажженную в момент разряда. Для поддержания дуги достаточно напряжения около 900 В.

Плазменная система зажигания отличается от стандартной встроенным высокочастотным (12 кГц) прерывателем постоянного тока с напряжением 12 В. Индукционная катушка повышает напряжение до 3000 В, которое далее выпрямляется. Следует указать, что продолжительный дуговой разряд на свече зажигания существенно снижает срок ее эксплуатации.

При плазменном зажигании пламя распространяется по камере сгорания быстрее, поэтому требуется соответствующее изменение угла опережения зажигания. Испытания системы плазменного зажигания на автомобиле “Форд Пинто” (США) с рабочим объемом двигателя 2300 см3 и автоматической коробкой передач дали результаты, приведенные в табл. 12.

Таблица 12. Результаты испытаний системы плазменного зажигания на автомобиле “Форд Пинто”

При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. При применении в двигателе системы плазменного зажигания без изменения регулирования угла опережения зажигания и состава смеси расход топлива уменьшился на 0,9 %, при регулировании угла зажигания - на 4,5 %, а при оптимальном регулировании угла зажигания и состава смеси - на 14 % (см. табл. 12). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно при частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как и у дизеля.

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

Рост моторизации приносит с собой необходимость проведения мер по охране окружающей среды. Воздух в городах все более загрязняется веществами, вредными для здоровья человека, особенно окисью углерода, несгоревшими углеводородами, окислами азота, соединениями свинца, серы и т. д. В значительной мере это продукты неполного сгорания топлив, применяемых на предприятиях, в быту, а также в автомобильных двигателях.

Наряду с токсичными веществами при эксплуатации автомобилей вредное воздействие на население оказывает и их шум. За последнее время в городах уровень шума возрастал ежегодно на 1 дБ, поэтому необходимо не только приостановить возрастание общего уровня шума, но и добиться его снижения. Постоянное воздействие шума вызывает нервные заболевания, снижает трудоспособность людей, особенно занятых умственной деятельностью. Моторизация приносит шум в ранее тихие отдаленные места. Снижению шума, создаваемого деревообрабатывающими и сельскохозяйственными машинами, к сожалению, до сих пор не уделяется должного внимания. Цепная бензопила создает шум в значительной части леса, что вызывает изменения условий жизни животных и нередко бывает причиной исчезновения их отдельных видов.

Наиболее часто, однако, вызывает нарекания загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей.

Таблица 13. Допустимый выброс вредных веществ с отработавшими газами легковых автомобилей согласно законодательству шт. Калифорния, США

При оживленном движении отработавшие газы скапливаются у поверхности почвы и при наличии солнечной радиации, особенно в промышленных городах, расположенных в плохо проветриваемых котловинах, образуется так называемый смог. Атмосфера загрязняется в такой степени, что пребывание в ней вредит здоровью. Сотрудники дорожной службы, стоящие на некоторых оживленных перекрестках, в целях сохранения своего здоровья применяют кислородные маски. Особенно вредна располагающаяся вблизи земной поверхности относительно тяжелая окись углерода, проникающая в нижние этажи зданий, гаражи и уже не однажды приводившая к смертельным случаям.

Законодательные предприятия ограничивают содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей, причем они постоянно ужесточаются (табл. 13).

Предписания приносят изготовителям автомобилей большие заботы; они также косвенно влияют и на эффективность автомобильного транспорта.

Для полного сгорания топлива можно допустить некоторый избыток воздуха с тем, чтобы обеспечить хорошее смешение с ним топлива. Необходимый избыток воздуха зависит от степени перемешивания топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях на этот процесс отводится значительное время, поскольку путь топлива от смесеобразующего устройства до свечи зажигания достаточно большой.

Современный карбюратор позволяет образовать различные виды смеси. Наиболее" богатая смесь нужна для холодного пуска двигателя, так как значительная доля топлива конденсируется на стенках впускного трубопроводный и сразу в цилиндр не попадает. Испаряется при этом лишь небольшая часть легких фракций топлива. При прогреве двигателя также требуется смесь богатого состава.

При движении автомобиля состав топливовоздушной смеси должен быть бедным, что обеспечит хороший КПД и небольшой удельный расход топлива. Для достижения максимальной мощности двигателя нужно иметь богатую смесь, чтобы полностью использовать всю массу поступившего в цилиндр воздуха. Для обеспечения хороших динамических качеств двигателя при быстром открывании дроссельной заслонки необходимо дополнительно подать во впускной трубопровод некоторое количество топлива, что компенсирует топливо, осевшее и сконденсированное на стенках трубопровода в результате повышения в нем давления.

Для хорошего перемешивания топлива с воздухом следует создать высокую скорость воздуха и его вращение. Если сечение диффузора карбюратора постоянно, то при низких частотах вращения двигателя для хорошего смесеобразования скорость воздуха в нем мала, а при высоких - сопротивление диффузора приводит к уменьшению массы поступающего в двигатель воздуха. Этот недостаток можно устранить, используя карбюратор с переменным сечением диффузора или впрыск топлива во впускной трубопровод.

Существует несколько типов систем впрыска бензина во впускной трубопровод. В наиболее часто применяемых системах топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку, благодаря чему достигается равномерное распределение топлива между цилиндрами, устраняется оседание и конденсация топлива на холодных стенках впускного трубопровода. Количество впрыскиваемого топлива легче приблизить к оптимальному, требуемому двигателем в данный момент. Отпадает необходимость в диффузоре, исключаются возникающие при его прохождении воздухом потери энергии. В качестве примера такой системы подачи топлива можно привести часто применяемую систему впрыска типа “Бош К-Джетроник”, уже упоминавшуюся ранее в 9.5 при рассмотрении двигателей с турбонаддувом.

Схема этой системы представлена на рис. 94. Конический патрубок /, в котором перемещается качающийся на рычаге 2 клапан 5, выполнен так, что подъем клапана пропорционален массовому расходу воздуха. Окна 5 для прохода топлива открываются золотником 6 в корпусе регулятора при перемещении рычага под воздействием поступающего лотока воздуха. Необходимые изменения состава смеси в соответствии с индивидуальными особенностями двигателя достигаются формой конического патрубка. Рычаг с клапаном уравновешен противовесом, силы инерции при колебаниях автомобиля не влияют на клапан.

Расход воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой 4. Демпфирование колебаний клапана, а с ним и золотника, возникающих при низких частотах вращения двигателя вследствие пульсаций давления воздуха во впускном трубопроводе, достигается жиклерами в топливной системе. Для регулирования количества подаваемого топлива служит также винт 7, расположенный в рычаге клапана.

Между окном 5 и форсункой 8 размещен распределительный клапан 10, поддерживающий с помощью пружины 13 и седла 12, опирающегося на мембрану //, постоянное давление впрыска в" распылителе форсунки 0,33 МПа при давлении перед клапаном 0,47 МПа.

Топливо из бака 16 подается электрическим бензонасосом 15 через регулятор давления 18 и топливный фильтр 17 в нижнюю камеру 9 корпуса регулятора. Постоянное давление топлива в регуляторе поддерживается редукционным клапаном 14. Мембранный регулятор 18 предназначен для сохранения давления топлива при неработающем двигателе. Это предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает хороший пуск горячего двигателя. Регулятор также замедляет рост давления топлива при пуске двигателя и гасит его колебания в трубопроводе.

Холодный пуск двигателя облегчают несколько устройств. Перепускной клапан 20, управляемый биметаллической пружиной, открывает при холодном пуске сливную магистраль в топливный бак, что снижает давление топлива на торец золотника. Этим нарушается равновесие рычага и одному и тому же количеству поступающего воздуха будет соответствовать больший объем впрыскиваемого топлива. Другим устройством является регулятор подачи дополнительного воздуха 19, диафрагму которого также открывает биметаллическая пружина. Дополнительный воздух необходим для преодоления повышенного сопротивления трения холодного двигателя. Третье устройство - это топливная форсунка 21 холодного пуска, управляемая термостатом 22 в водяной рубашке двигателя, который держит форсунку открытой, пока охлаждающая двигатель жидкость не достигнет заданной температуры.

Оснащение электроникой рассмотренной системы впрыска бензина ограничено минимумом. Электрический бензонасос при остановленном двигателе выключен и, например, при аварии топливоподача прекращается, что препятствует возникновению пожара в автомобиле. В неработающем двигателе находящийся в нижнем положении рычаг нажимает на расположенный под ним выключатель, который прерывает ток, подаваемый в стартер и нагревательные спирали термостата. Работа форсунки холодного пуска зависит от температуры двигателя и времени его работы.

Если в один цилиндр из впускного трубопровода поступает больше воздуха, чем в другие, то подача топлива определяется условиями работы цилиндра с большим количеством воздуха, т. е. с бедной смесью, чтобы в нем было обеспечено надежное воспламенение. Остальные цилиндры при этом будут работать при обогащенных смесях, что экономически невыгодно и ведет к повышению содержания вредных веществ.

В дизелях смесеобразование более затруднено, так как на смешение топлива и воздуха отводится очень короткое время. Процесс воспламенения топлива начинается с небольшим запаздыванием после начала впрыска топлива в камеру сгорания. В процессе сгорания впрыск топлива все еще продолжается и в таких условиях невозможно достигнуть полного использования воздуха.

В дизелях поэтому должен иметься избыток воздуха и даже при дымлении (что указывает на неполное сгорание смеси) в отработавших газах присутствует неиспользованный кислород. Это вызвано плохим перемешиванием капель топлива с воздухом. В центре топливного факела имеется недостаток воздуха, что и приводит к дымлению, хотя в непосредственной близости вокруг факела находится неиспользованный воздух. Частично об этом уже упоминалось в 8.7.

Преимущество дизелей состоит в том, что воспламенение смеси гарантируется и при большом избытке воздуха. Неиспользование всего количества поступившего в цилиндр воздуха при сгорании является причиной относительно небольшой удельной мощности дизеля на единицу веса и рабочего объема, несмотря на его высокую степень сжатия.

Более совершенное смесеобразование имеет место в дизелях с разделенными камерами сгорания, у которых горящая богатая смесь из дополнительной камеры поступает в основную камеру сгорания, заполненную воздухом, хорошо смешивается с ним и сгорает. Для этого требуется меньшее количество избыточного воздуха, чем при непосредственном впрыске топлива, однако большая охлаждающая поверхность стенок приводит к большим потерям теплоты, что вызывает падение индикаторного КПД.

13.1. ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА СО И УГЛЕВОДОРОДОВ СНx

При сгорании смеси стехиометрического состава должны образоваться безвредные двуокись углерода СО2 и водяной пар, а при нехватке воздуха вследствие того, что часть топлива сгорает неполностью, - дополнительно токсичные окись углерода СО и несгоревшие углеводороды СНx.

Эти вредные для здоровья компоненты отработавших газов можно дожечь и обезвредить. С этой целью необходимо специальным компрессором К (рис. 95) подавать свежий воздух в такое место выпускного трубопровода, где вредные продукты неполного сгорания можно сжечь. Иногда для этого воздух подают непосредственно на горячий выпускной клапан.

Как правило, термический реактор для дожигания СО и СНx размещают сразу за двигателем непосредственно на выходе из него отработавших газов. Отработавшие газы М подводятся в центр реактора, а отводятся с его периферии в выпускной трубопровод V. Внешняя поверхность реактора имеет теплоизоляцию I.

В наиболее нагретой центральной части реактора размещена жаровая камера, нагретая отработавшими газами,

где дожигаются продукты неполного сгорания топлива. При этом высвобождается теплота, поддерживающая высокую температуру реактора.

Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.

Катализаторы можно применить в любом типе двигателя, однако они имеют относительно небольшой срок службы. Если в топливе присутствует свинец, то поверхность катализатора быстро отравляется, и он приходит в негодность. Получение высокооктанового бензина без свинцовистых антидетонаторов является достаточно сложным процессом, при котором расходуется много нефти, что при ее дефиците экономически нецелесообразно. Ясно, что дожигание топлива в тепловом реакторе ведет к энергетическим потерям, хотя при сгорании выделяется тепло, которое можно утилизировать. Целесообразно поэтому так организовать процесс в двигателе, чтобы при сгорании в нем топлива образовывалось минимальное количество вредных веществ. В то же время необходимо заметить, что для выполнения перспективных законодательных предписаний применение катализаторов будет неизбежным.

ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСЛОВ АЗОТА NOx

Вредные для здоровья окислы азота образуются при высокой температуре горения в условиях стехиометрического состава смеси. Уменьшение выброса соединений азота связано с определенными трудностями, так как условия их снижения совпадают с условиями образования вредных продуктов неполного сгорания и наоборот. В то же время температуру сгорания удается снизить введением в смесь какого-либо инертного газа или водяного пара.

Для этой цели целесообразно рециркулировать во впускной трубопровод охлажденные отработавшие газы. Уменьшающаяся вследствие этого мощность требует обогащения смеси, большего открытия дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных СО и СНx с отработавшими газами.

Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание NOx на 80 %.

Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также и каталитические методы. В этом случае отработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор, в котором происходит снижение содержания NOx а затем вместе с добавочным воздухом - через окислительный катализатор, где устраняются СО и СНx. Схема такой двух-компонентной системы дана на рис. 96.

Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах применяют так называемые -зонды, которые могут быть также использованы совместно с двухкомпонентным катализатором. Особенность системы с -зондом состоит в том, что добавочный воздух для окисления не подается к катализатору, но -зонд постоянно следит за содержанием кислорода в отработавших газах и управляет подачей топлива таким образом, чтобы состав смеси всегда соответствовал стехиометрическому. В этом случае СО, СНx и NOx будут присутствовать в отработавших газах в минимальных количествах.

Принцип работы -зонда заключается в том, что в узком диапазоне вблизи стехиометрического состава смеси = 1 напряжение между внутренней и внешней поверхностью зонда резко меняется, что служит управляющим импульсом для устройства, регулирующего подачу топлива. Чувствительный элемент 1 зонда выполнен из двуокиси циркония, а его поверхности 2 покрыты слоем платины. Характеристика напряжения Us между внутренней и внешней поверхностями чувствительного элемента показаны на рис. 97.

ДРУГИЕ ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Для увеличения октанового числа топлива обычно применяют антидетонаторы, например тетраэтилсвинец. Чтобы соединения свинца не оседали на стенках камеры сгорания и клапанах, используют так называемые выносители, в частности, дибромэтил.

Эти соединения поступают в атмосферу с отработавшими газами и загрязняют растительность вдоль дорог. Попадая с пищей в организм человека, соединения свинца вредно влияют на его здоровье. Об осаждении свимца в катализаторах отработавших газов уже упоминалось. В этой связи важной задачей в настоящее время является удаление свинца из бензина.

Масло, проникающее в камеру сгорания, полностью не сгорает, и в выхлопных газах повышается содержание СО и СНx. Для исключения этого явления необходимы высокая герметичность поршневых колец и поддержание хорошего технического состояния двигателя.

Сгорание большого количества масла особенно характерно для двухтактных двигателей, у которых оно добавляется к топливу. Отрицательные последствия применения бензомасляных смесей частично смягчаются дозированием масла специальным насосом в соответствии с нагрузкой двигателя. Аналогичные трудности существуют и при применении двигателя Ванкеля.

Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему. Утечка масла из двигателя и коробки передач, загрязнение автомобиля вследствие этого маслами также запрещены в целях сохранения чистоты окружающей среды.

Уменьшение расхода масла с экономической точки зрения столь же важно, как и экономия топлива, поскольку масла значительно дороже топлива. Проведение регулярного контроля и технического обслуживания сокращают расход масла из-за возникновения неисправностей двигателя. Течи масла в двигателе могут наблюдаться, например, вследствие плохой герметичности крышки головки блока цилиндров. Из-за утечки масла загрязняется двигатель, что бывает причиной пожара.

Небезопасна утечка масла и вследствие низкой герметичности уплотнения коленчатого вала. Расход масла в этом случае заметно возрастает, и автомобиль оставляет грязные следы на дороге.

Загрязнение автомобиля маслом весьма опасно, и масляные пятна под автомобилем служат поводом для запрещения его эксплуатации.

Масло, вытекающее через уплотнение коленчатого вала, может попасть в сцепление и вызвать его пробуксовку. Однако более негативные последствия вызывает попадание масла в камеру сгорания. И хотя расход масла при этом относительно невелик, но неполное его сгорание увеличивает выброс вредных составляющих с отработавшими газами. Горение масла проявляется в излишнем дымлении автомобиля, что типично для двухтактных, а также значительно изношенных четырехтактных двигателей.

В четырехтактных двигателях масло проникает в камеру сгорания через поршневые кольца, что особенно заметно при большом износе их и цилиндра. Основная причина проникновения масла в камеру сгорания состоит в неравномерности прилегания компрессионных колец к окружности цилиндра. Отвод масла со стенок цилиндра осуществляется через прорези маслосъемного кольца и отверстия в его канавке.

Через зазор между стержнем и направляющей впускного клапана масло легко проникает во впускной трубопровод, где имеется разрежение. Это особенно часто наблюдается при использовании масел с малой вязкостью. Предотвратить расход масла через этот узел можно применением резинового сальника на торце направляющей клапана.

Картерные газы двигателя, содержащие много вредных веществ, обычно отводятся специальным трубопроводом во впускную систему. Поступая из нее в цилиндр, картерные газы сгорают вместе с топливовоздушной смесью.

Маловязкие масла снижают потери на трение, улучшают механический КПД двигателя и уменьшают расход топлива. Однако не рекомендуется применять масла с вязкостью меньшей, чем предписано нормами. Это может вызвать повышенный расход масла и большой износ двигателя.

Вследствие необходимости экономии нефти сбор и использование отработанного масла становятся все более важными проблемами. Путем регенерации старых масел можно получить значительное количество качественных жидких смазывающих веществ и одновременно предотвратить загрязнение окружающей среды, прекратив сброс отработанных масел в водные потоки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОГО КОЛИЧЕСТВА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Устранение вредных веществ из отработавших газов - достаточно сложная задача. В больших концентрациях эти компоненты весьма вредны для здоровья. Конечно, невозможно сразу изменить создавшееся положение, особенно в отношении эксплуатируемого парка автомобилей. Поэтому законодательные предписания по контролю за содержанием вредных веществ в отработавших газах рассчитаны на производимые новые автомобили. Эти предписания будут постепенно совершенствоваться с учетом новых достижений науки и техники.

Очистка отработавших газов связана с увеличением расхода топлива почти на 10 %, снижением мощности двигателя и ростом стоимости автомобиля. Возрастает при этом и стоимость технического обслуживания автомобиля. Катализаторы также стоят дорого, так как их компоненты состоят из редких металлов. Срок службы должен быть рассчитан на 80 000 км пробега автомобиля, однако сейчас он еще не достигнут. Используемые в настоящее время катализаторы служат около 40 000 км пробега, и при этом применяется бензин без примесей свинца.

Сложившаяся ситуация ставит под сомнение эффективность жестких предписаний по содержанию вредных примесей, поскольку это вызывает значительный рост стоимости автомобиля и его эксплуатации, а также приводит в итоге к повышенному потреблению нефти.

Выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов при современном состоянии бензиновых и дизельных двигателей пока не представляется возможным. Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовой установки механических транспортных средств.

Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла.

Секрет черепахи

Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60 %, при перепадах температур свыше 1000 ºС.

В экспериментальной биологии еще более 50 лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так, КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75‑80 %. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. Причем и в тепловой машине, и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По ее канонам для такого КПД нужны перепады температур, несовместимые с жизнью. В чем же секрет черепахи?

Традиционные процессы

Со времен паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и технические решения по их реализации прошли длительный путь эволюции. Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности. Отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера – и самолеты не всегда летали.

Общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Отметим еще один, пусть тривиальный, факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации (или, то же самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации). Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к «ущербности» всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объем – под воздействием процессов расширения внутри машины, – чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 кг рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации – работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 кг рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме. А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, т. е. мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объемом на входе, тем больше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе. И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

Но есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и, соответственно, затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объему несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так, нагрев воды при постоянном объеме на 1 ºС приводит к увеличению давления на пять атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

Сильфонно-поршневой двигатель

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, не нуждается в компенсации за преобразование тепла в работу.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Она заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объем. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объема сильфонов постоянное атмосферное давление.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров. Другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия.

Сильфонный поршень, напротив, выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно изготовление поршня и из названных выше материалов, но покрытых нетеплопроводным слоем. Поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение – под воздействием штока.

Работа двигателя

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла теплового двигателя начнем с ситуации, изображенной на рисунке. Сильфонный поршень первого цилиндра полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха на цилиндрах плотно прижаты к ним. Арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров, равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному – так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1. В этот момент арматура и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1. В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив, плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра 2. Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 ºС) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0,05‑0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

Как осуществляется работа

При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент.

Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где осуществляется преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это недопустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на неработающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе не носят столь принципиально неизбежного характера, как потери тепла в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идет о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями, остается на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколько угодно – в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий.

На малых перепадах температур

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т. п. Покажем возможность работы сильфонно-поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведем оценки для климатических условий Арктики.

Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0 °С и до температуры плюс 4‑5 °С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода), отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2‑Б (температура кипения – конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7 °С) или бутин 1‑Б (температура кипения +8,1 °С). Теплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10‑15°С. Сюда опускаем сильфонно-поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры теплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5 °С), бутадиен 1,2‑Б (температура кипения +10,85 °С), виниловый эфир (температура кипения +12 °С).

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с таким образом подобранными теплоносителями будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создает усилие на ползун и порождает мощность двигателя, пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру.

Если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1 °С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз, до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во‑первых, использовать очень малые естественные перепады температур и, во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не дает вредных выбросов в окружающую среду.

В качестве заключения автор хотел бы сказать следующее. Постулат о «компенсации за преобразование тепла в работу» и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия позиция носителей этих заблуждений связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретен сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы.

Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в ее устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания.