Фактор давления.

 

Изобретение дизельного двигателя показало и ученым и практикам того времени, что более сильное сжатие рабочего тела в ДВС приводит к увеличению его КПД. Сейчас это обстоятельство кажется бесспорным, но если обратиться к историческим фактам и вернуться во времена Р.Дизеля, то увидим, что до момента демонстрации работы дизельного двигателя никто не верил в возможность его реального осуществления. Отдельные ученые, допуская возможность работы такого двигателя, на основе законов термодинамики доказывали, что он будет иметь отрицательный КПД. В лучшем случае более низкий КПД, чем бензиновый двигатель того времени. Их расчеты с точки зрения формул и математики были правильными, тем не менее, оказались неправильными. Почему так могло произойти?

Двигатели того времени имели чрезвычайно низкую удельную мощность. Первый одноцилиндровый двигатель Дизеля при объеме в 144 литра имел эффективную мощность всего 20 л/с. Повышение давления увеличивало механические потери. Исходя из этого, получалось, что увеличение давления сжатия при прочих равных условиях повлечет за собой снижение, а то и вовсе отрицательный КПД. Поскольку механические потери должны были поглотить индикаторную мощность.

Хотя и не в том виде, каким он первоначально задумывался, но дизельный двигатель состоялся. Оказалось, что фактор давления в цикле превращения теплоты в механическую работу имеет такое же важное и самостоятельное значение, как и фактор температуры. В этом цикле как температура не может заменить собой давление, так и давление не может заменить температуру, хотя с позиций внутренней энергии рабочего тела они эквиваленты. То есть, если с точки зрения математики и первого закона термодинамики, например, 10х10=1х100, то с точки зрения цикла превращения теплоты в механическую работу такое равенство не допустимо.

Дальнейшая практика двигателестроения показала: 1. При превышении определенных пределов давления сжатия эффективность обоих видов ДВС падает. В бензиновом двигателе появляется детонация, в дизельном - фактор динамичности превышает допустимые пределы. Из-за этого снижается КПД, уменьшается ресурс. 2. При сверхкритических величинах давления сжатия дизельный ДВС приобретает отрицательный КПД, а бензиновый- взрывается.

Поэтому рассмотрим, что происходит в действительных циклах бензинового и дизельного ДВС с обычными степенями сжатия с точки зрения протекания давлений.

1. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε;<5. Из рисунка 80 (Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) по кривой № 1 видно, что в двигателе (ε;=3,2) максимальное давление цикла величиной Рz =19 кг/см² может быть достигнуто за 10⁰ до ВМТ. Фаза активного тепловыделения в таком двигателе приходится на период малого изменения состояния рабочего тела. Если фазу активного тепловыделения сместить по углам ПКВ дальше от ВМТ, плотность компонентов (давление) уменьшится, интенсивность тепловыделения снизится. Это приведет к нарушению нормального процесса сгорания (кривая № 4).

2. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε;=10. В таком двигателе максимальное давление цикла Рz уже не может быть достигнуто не только до ВМТ, но и в ВМТ. Если фазу активного тепловыделения сместить в ВМТ, то как видно из таблицы расчета И.М. Ленина (стр.16-17 т.1) максимальное давление цикла составит Рz =96 кг/см², что вызовет нарушение нормального протекания процесса.

 

Из рис. 59 (И.М. Ленина стр.96 т.1) следует, что максимальное давление цикла в двигателе с ε;=10 Рz =54 кг/см² достигнуто при 22⁰ ПКВ после ВМТ. Температура Тz будет достигнута в 32-33⁰ ПКВ. Если фазу активного тепловыделения сместить дальше 33⁰ ПКВ после ВМТ плотность компонентов (давление) уменьшится, процесс сгорания нарушится. Применительно к камере сгорания двигателя ВАЗ 2110 это означает, что в момент давления Рz объем камеры сгорания составляет V_Рz =7,98мм + 3,33=11,31 мм. В момент максимальной температуры: V_Тz =7,98мм + 7,31=15,29 мм. В двигателях со степенями сжатия 25 и 51 такие величины давления и температуры, учитывая, что в них потери теплоты в стенки кратно меньше, могут быть достигнуты не ранее объемов V_Рz =35⁰, V_Тz =44⁰ и V_Рz =39⁰, V_Тz =47⁰ ПКВ после ВМТ.

3. Дизельный двигатель со степенью сжатия ε;>17: Несмотря на то, что в дизельном двигателе с α;>1,3 количество располагаемой теплоты существенно меньше, из-за высокой скорости нарастания давления, обеспечить в нем процесс с условным V=const становится невозможным. Из-за высокой степени сжатия давление на начало расширения обеспечивает такую плотность компонентов, что становится необходимым вводить часть теплоты на линии расширения при условном Р=const.

Для наглядности сказанного продолжим расчет приведенной выше таблицы (k =1,4) И.М.Ленина:

 

Степень сжатия: 5 10 25 40 51

В конце сжатия:

Давление, кг/см² 9,9 25 91 175 246

Температура, К 665 880 1268 1531 1687

 

Макс.давление, кг/см² 45,3 96 349 672 944

Макс. температура, К 3165 3380 3768 4031 4186

 

Как, видно из таблицы, если ввести всю теплоту по процессу V=const в двигателе со степенью сжатия 25, 40 и 51 максимальное давление Рz составит соответственно 349, 672 и 944 кг/см². Т.е. абсолютно не приемлемые для ДВС величины. Но в то же время нашими многолетними экспериментами установлено, что бензиновый двигатель со степенью сжатия до 25 может работать без нарушения нормального процесса сгорания. При этом максимальное давление цикла в нем предположительно доходит до 80 кг/см².

Чем это можно объяснить?

1. Увеличение степени сжатия из-за уменьшения объема камеры сгорания приводит к большей турбулентности смеси, что ускоряет процесс распространения пламени по камере сгорания.

2. Увеличение степени сжатия из-за увеличения плотности горючей смеси ускоряет процесс сгорания согласно формуле ω_отн=К∙р_о^n-1.

То есть, увеличение степени сжатия приводит к ускорению процесса тепловыделения. Но увеличение степени сжатия требует и все большего смещения периода активного тепловыделения на линию расширения. В результате этого возрастающая скорость тепловыделения и увеличения давления компенсируется возрастающей скоростью увеличения объема надпоршневой полости.

Целью регулирования процессов, которые происходят в ДВС, является обеспечение нормального процесса сгорания. Согласно приведенной формуле для этого необходимо обеспечить в цилиндре определенное давление р_о.

Данные таблицы 16 (И.М.Ленин, стр. 115 т.1) наглядно показывают, в какой степени давление влияет на горючие свойства топлив. Если при давлении 3 кг/см², температура самовоспламенения бензина равна 425⁰С, то при 30 кг/см² она уменьшается до 260⁰С, а при 60 кг/см² составит всего 95⁰С.

 

 

В действительных циклах нынешних ДВС процессы тепловыделения с целью увеличения давления и температуры смеси начинаются еще до достижения поршнем ВМТ. После ВМТ процесс интенсивного выделения теплоты продолжается. В конце периода малого изменения состояния рабочего тела давление доходит до величины Рz. Далее на линии расширения происходит процесс наиболее интенсивного тепловыделения с достижением температуры Тz.

Теория ДВС считает, что максимальное давление цикла обязательно должно быть выше давления конца сжатия: Рz > Рс. Эта необходимость обусловлена низкими значениями используемых в них степеней сжатия (10-12 в бензиновых и 17-23 в дизельных) и соответственно низкими значениями давлений и температур конца сжатия. Для обеспечения нормальных условий протекания предпламенных реакций, формирования очага, распространения пламени по камере сгорания и сгорания величины давлений и температур конца сжатия приходится увеличивать искусственным путем. В нынешних серийных бензиновых двигателях максимальное давление цикла составляет, примерно, 60 кг/см². В дизельных двигателях максимальное давление цикла должно быть, примерно, 80 кг/см². Если давление выше 100 кг/см², работа дизеля становится излишне жесткой и шумной. Причем жесткость и шумность работы обуславливаются высокой интенсивностью тепловыделения и нарастания давления в зоне малого изменения объема камеры сгорания.

То есть, для нормального протекания наиболее активной фазы сгорания в бензиновом двигателе необходимо обеспечить минимум давления 60 кг/см², а в дизельном-80 кг/см². Из этого следует, что независимо от положения кривошипа и объема надпоршневой полости, если в цилиндре будут обеспечены приведенные величины давлений, процесс сгорания будет протекать нормально.

При степени сжатия ε;=40 давление конца сжатия (при k =1,35) составит 145 кг/см², а при степени сжатия ε;=51 Рс составит 202 кг/см². В двигателях с такими степенями сжатия необходимости в увеличении давления и температуры смеси при завершении сжатия не возникнет. Нет необходимости и в высокой интенсивности тепловыделения в зоне малого изменения объема камеры сгорания. В указанном периоде до 15-18⁰ ПКВ после ВМТ возникает необходимость только поддержания заданной величины давления путем впрыскивания небольшой части от располагаемого количества топлива. При этом температура рабочего тела от величины Тс вырастет до величины Тz. Рост температуры при этом будет относительно не большой (примерно на 200-300⁰ С). После 15-18⁰ ПКВ после ВМТ при давлении 145 кг/см² впрыскивается следующая порция топлива. Впрыск топлива должен завершиться до момента снижения давлений до 60 и 80 кг/см² соответственно.

Изложенное можно подытожить формулойЗакона «Перехода термодинамических процессов газов», согласно которому: