1. В теории вообще не рассматривается вопрос о том, можно или нельзя ставить знак равенства между воздухом, который в ДВС используется в качестве рабочего тела и рабочим телом, которое участвует в цикле Карно или в цикле Стирлинга. Если следовать логике указанных циклов рабочее тело является субъектом процесса, в котором он принимает в себя тепло, и в ходе расширения преобразует его в механическую работу. При этом рабочее тело ни в целом, ни своими составными частями в создании тепла не участвует, количество и химический его состав не меняются. Поэтому в него можно вводить столько тепла и в такой последовательности, что создается возможность поддержания температуры Т1 в заданном интервале отрезка расширения и установления наиболее эффективного соотношения между изотермным и адиабатным частями расширения.
Воздух содержит примерно 20.5% кислорода. В ДВС он окисляет углеводород, т.е. является одним из двух участников процесса создания тепла. После завершения процесса создания тепла рабочее тело имеет другой химический состав и другое количество. Из 3-х молекул кислорода при окислении углеводорода образуется 1 молекула двуокиси углерода СО2 (газ) и 1 молекула воды (жидкость). При равных массах объем водяного пара в 6.5 раз меньше, чем газа, предельная его температура ограничена. Присутствуя в продуктах горения в виде пара, вода влияет и на температуру и на объем рабочего тела.
Помимо этого, количество поступившего в цилиндр кислорода определяет и количество топлива, которое он может окислить. Т.е. в ДВС в рабочее тело не возможно ввести больше топлива, чем кислород в состоянии окислить. Для наглядности того, что сказано такой пример:
ДВС, в котором в качестве топлива используется водород, имеет худшие эффективные характеристики, чем бензиновый. Возникает вопрос, почему?
Ответ: для окисления 1 молекулы кислорода требуется 2 молекулы водорода. Т.е. при наполнении цилиндра смесью воздуха и водорода, последний, т.е. водород, занимает 41% объема цилиндра. Иначе говоря, водород в цилиндре двигателя на 41% уменьшает объем рабочего тела, а соответственно и количество тепла, которое в него можно ввести.
Кроме этого, при окислении 3 молекул газа (2 молекулы водорода и одна молекула кислорода) образуется 1 молекула жидкости. Бензин поступает в цилиндр, частично, в газообразном, частично, в жидком состоянии. Разница между объемами водорода и бензина при их поступлении в цилиндр образует разницу между объемами рабочих тел, которые цилиндр может принять, разницу между количеством тепла, которое в эти рабочие тела можно ввести и, в итоге, разницу между эффективными характеристиками двигателей (к указанной разнице необходимо добавить и уменьшение объемов кислорода и водорода вследствие превращения в водяной пар).
Теоретически «чистым» рабочим телом в ДВС можно считать только 79,5% нейтрального газа, содержащегося в воздухе. Отсюда следует, что:
В первом варианте: цикл Карно в чистом виде применим к двигателю с подводом тепла от внешнего источника. В этом случае рабочее тело не участвует в процессе создания тепла.
Или второй вариант: цикл Карно в чистом виде может быть применен к традиционным ДВС при условии дополнительного ввода окислителя и окисляемого вещества в ходе изотермного расширения.
Из этого следует, что: количество тепла, которое можно ввести в рабочее тело в традиционном ДВС, ограничивается количеством содержащегося в нем кислорода. Следовательно, расстояние и время периода тепловыделения в ДВС также ограничены. В виду этого, в традиционном ДВС длина линии изотермного расширения меньше чем в цикле Карно.
2. В теории нет ясности в понимании вопроса о продолжительности процесса тепловыделения и о том, какие факторы на него влияют.
С одной стороны утверждается, что с момента начала тепловыделения скорость распространения пламени- величина постоянная. Также утверждается, что процесс основной фазы тепловыделения имеет одинаковую скорость, т.е. и эта величина является константой.
С другой стороны при рассмотрении рабочего цикла бензинового ДВС продолжительность тепловыделения, почему-то, принимается за 50-55 градусов ПКВ. Если сопоставить первое и второе, получается полный абсурд.
Если рассмотреть рабочий цикл ДВС при частоте вращения 900 об/мин (15 об/сек) и принять за продолжительность тепловыделения 50*ПКВ, то по времени она составит 1/15:50/360=1/108 секунды. Если эта величина константа, то при частоте вращения в 6300 об/мин (105 об/сек) продолжительность тепловыделения по углам ПКВ должна составить 105/15х50*=350*ПКВ. Т.е. получается абсурд.
Если же допустить, что продолжительность тепловыделения составляет 50*ПКВ при 6300 об/мин, то получится, что при 900 об/мин она составляет 7*ПКВ, что также абсурдно (эти цифры становятся совершенно глупыми для двигателя с частотой в 18 тысяч оборотов в минуту).
3. Применительно к ДВС в теории считается, что чем выше степень расширения, тем меньше температура выхлопа и выше КПД.
Есть понятия геометрической и действительной степеней сжатия.
Геометрическая степень сжатия есть отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.
Действительная степень сжатия есть отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.
Степень сжатия рабочего тела при ограничении наполнения цилиндра в теории никак не обозначена. Так, при работе бензинового ДВС на холостых оборотах количество воздуха, поступающего в цилиндр, меньше, примерно, в 5 раз, чем при работе без ограничения наполнения, т.е. при работе на внешней скоростной характеристике. Фактическая степень сжатия рабочего тела при этом в 5 раз меньше. Но степень расширения остается такой же, как и при полном наполнении цилиндра. Т.е. разница между фактической степенью сжатия рабочего тела и его расширением увеличивается в 5 раз. Но пусть кто-то объяснит мне, почему температура выхлопа при этом не уменьшается в 5 раз.
Объяснение такое: При поступлении в цилиндр рабочее тело имеет свою температуру. При сжатии температура возрастает. При расширении она снова падает. Если процесс адиабатный, температура упадет до первоначальной величины. Если же процесс расширения сначала изотермный, затем адиабатный, температура созданная на части отрезка сжатия будет потеряна. Длина этого отрезка сжатия будет соответствовать длине отрезка изотермного расширения. Т.е., если длина отрезка изотермного расширения равна 50* по углу ПКВ, температура созданная работой сжатия на участке в 50* по углу ПКВ (поворота коленчатого вала) до ВМТ (верхней мертвой точки) поршня неизбежно уйдет с выхлопом.
Вывод: Если даже построить работу ДВС таким образом, что газы на рабочем такте будут расширяться до давления окружающей среды, их температура на выходе будет больше, чем на входе, на указанную выше разницу.
Однако указанная потеря незначительна по сравнению с выигрышем, который дает полный перевод отрезка изотермного расширения на рабочий такт ДВС путем повышения степени его сжатия. Это подтверждается следующими экспериментами:
За период с сентября 2002 года для проверки правильности своих представлений об устройстве ДВС мной были построены несколько экземпляров бензинового ДВС со степенями сжатия от 16 до 19,5. Первоначально эксперименты проводились на двигателе М-20 В-25 БМВ-525. В дальнейщем на ВАЗ-2111. В данный момент в наличии имеются построенные на базе двигателя ВАЗ-2111 четыре экземпляра бензинового двигателя объемом 1.6 литра (диаметр цилиндра 82.4 мм, ход поршня 74.8 мм, инжектор, распредвал стандартный, 8 клапанов, поршня и шатуны не заводские, использована сточенная стандартная ГБЦ с еще выполненными в ней выемками под поршня) с давлением сжатия при 420 об/мин от 23 до 28 кг/см2.
Один двигатель с 03 октября 2003 года работает на стенде кафедры «Теплотехники и автотракторных двигателей» МАДИ, второй и третий на автомашинах ВАЗ-2110. Двигатель на стенде предварительно были обкатан на автомашине (5000 км). Пробег другого на данный момент составляет 32 000 км. Практически весь пробег (кроме обкатки) совершен на максимальных нагрузках. За время работы двигатели неоднократно разбирались для обследования их состояния. И каждый раз состояние гильз, поршней, колец оценивалось, как идеальное. Двигатели строились с использованием обычных материалов, в кустарных условиях, с использованием переделанных серийных деталей. Никакие специальные материалы и технологии не использовались. По мере совершенствования свечей, блока и катушек зажигания, электронной программы управления эффективные характеристики двигателей становятся все лучше.
Комментарий:
Из-за конструктивных особенностей головки блока цилиндров ВАЗ-2111 возможности увеличения его степени сжатия ограничены. Так, расчеты показывают, что при степени сжатия 25 величина расточки ГБЦ должна составить 3 мм, что на 1/3 уменьшает толщину ее стенки. Давление сжатия в нем составит 36-40 кг/см2. В ближайщее время, надеюсь, такой двигатель будет построен. Хотя есть опасения, что из-за сильного уменьшения толщины стенки головки блока ее может прорвать даже при замере давления сжатия.
Вместе с тем, расчеты показывают, что если бы у меня были соответствующие условия, не составит никаких проблем построить «идеальный» ДВС со степенью сжатия 51 (бензиновый или дизельный нет никакой разницы).
Для объяснения, почему для меня это стало возможным необходимо вернуться к истокам теории. В работе «Размышления о движущей силе огня» С. Карно описывает принцип работы гипотетического теплового двигателя. Цикл Карно состоит из термодинамических процессов, обеспечивающих наиболее полное превращение теплоты в работу. Изотермные процессы расширения и сжатия протекают при постоянных температурах Т1 и Т2 и, соответственно, они константы. Адиабатные процессы расширения и сжатия протекают без ввода и отвода тепла. Причем, поскольку адиабатное расширение совершается в положительной зоне работы, а адиабатное сжатие в отрицательной зоне работы цикла, они в сумме уравновешивают друг друга и влияния на результат работы и термический КПД цикла не оказывают (т.е не должны оказывать). Работа цикла есть разница между работой изотермного расширения и изотермного сжатия. Причем критерием оценки является количество введенного на расширении и отведенного на сжатии тепла. Цикл Карно имеет максимально возможный термический КПД в заданном интервале температур Т1-Т2 и любой другой цикл в этом же интервале температур и энтропий приведет к уменьшению площади цикла и, следовательно, к уменьшению теплоты преобразованной в работу.