При этом двигатель работает без детонаций. Детонация, это пристеночное (взрывное) сгорание части топливно-воздушной смеси в результате самовоспламенения из-за местного повышения температуры и давления. При нормальном протекании процесса сгорания (т.е. без детонаций) скорость распространения пламени величина постоянная. Переменными могут быть расстояние, на которое пламени необходимо распространиться и время, за которое оно должно пройти это расстояние. Если расстояние короткое, то уменьшится время, за которое пламя его пройдет и, будут детонации, если расстояние большое, пламя не успеет его пройти и смесь не успеет сгореть. Как видно из приведенных цифр, в Д1 на начало тепловыделения объем камеры сгорания составляет (15* до ВМТ) 11.53 мм. На момент полного распространения пламени по фронту (15* после ВМТ) объем камеры сгорания такой же. Т.е. для данного режима работы Д1 это оптимальное соотношение между скоростью распространения пламени, временем и расстоянием.
В Д2 эта зависимость выглядит следующим образом: на начало тепловыделения (0* ПКВ) объем камеры сгорания 3.75 мм. В 30* ПКВ, когда пламенем охвачена вся смесь, объем камеры сгорания и температура газов меньше, чем в Д1 при положении поршня в 15* после ВМТ. До объема камеры сгорания в 11.53 мм (34.5* ПКВ) интенсивный ввод тепла позволяет поддерживать величину давления газов равным Рz.
Но только в Д1 при 35* ПКВ объем камеры сгорания (18.14 мм) больше, а давление газов в 1.57 раз меньше чем в Д2 (11.53 мм). Помимо этого, при нахождении поршней в точках Рz (15* и 35*) расширение в Д1 составляет 1.153, а в Д2-3.17, крутящий момент в Д2 будет в 2.127 раз больше.
К 48*ПКВ, когда в Д2 объем камеры сгорания становится 18.14 мм, т.е. столько же, сколько в Д1 в 35* ПКВ, процесс ввода тепла идет к завершению. При указанном положении поршня объем камеры сгорания в Д1 (24.4 мм против 18.14 мм) больше, а давление газов меньше в 1.35 раз. На момент завершения тепловыделения (соответственно 35* и 50* ПКВ) расширение в Д1 составляет 1.81, а в Д2- 4.84, крутящий момент в Д2 в 1.27 раз больше.
Таким образом, в Д2 максимальная величина давления Рz достигается к 0* ПКВ (когда объем камеры сгорания равен 3.75 мм) и не меняется до 35* ПКВ, тепловыделение продолжается до 50* ПКВ. В виду этого среднее индикаторное давление цикла существенно выше.
Т.е. чем выше степень сжатия ДВС, тем выше его среднее индикаторное давление.
Таким образом, повышение степени сжатия бензинового ДВС с 10 до 25 исключает потери тепла в количестве 2Q2 и удлиняет протяженность цикла изотермного расширения, примерно, на 20 градусов по углам ПКВ.
Для бензинового ДВС с внешним смесеобразованием наиболее эффективная степень сжатия составляет примерно 25-30.
Согласно циклу Карно на всем протяжении цикла изотермного расширения температура рабочего тела составляет величину Т1, что должно обеспечить наиболее высокий термический КПД теплового двигателя.
Однако в современных ДВС, даже дизельных, если исключить ввод тепла на такте сжатия, температура начала расширения на порядок (кратно) ниже той температуры, которую условно можно принять за среднюю температуру (Т1) цикла изотермного расширения.
Положение теории о том, что мере повышения степени сжатия ДВС, потери тепла на сжатие рабочего тела будут расти, снижая его термический КПД, противоречат закону термодинамики об эквивалентности теплоты и механической работы.
Противоречит и принципу цикла Карно. Как бы велика не была степень сжатия рабочего тела, тепло, затраченное на совершение отрицательной работы адиабатного сжатия, будет получено за минусом индикаторных и механических потерь в виде положительной работы цикла адиабатного расширения.
Одной из ошибок Р.Дизеля при расчете своего двигателя было то, что он не соотнес величину индикаторных и механических потерь с удельной мощностью двигателя. При очень низкой удельной мощности повышение степени сжатия до определенной величины действительно приводит к тому, что потери тепла на сжатии и расширении могут превысить положительную работу расширения.
Использование рециркуляции отработавших газов для повышения КПД двигателя фактически представляет собой скрытую форму повышения его степени сжатия. При рециркуляции к свежему заряду для повышения его температуры добавляются отработавшие газы. При этом из-за увеличения температуры увеличивается и объем рабочего тела. Коэффициент увеличения объема рабочего тела вследствие рециркуляции фактически является коэффициентом увеличения степени сжатия.
Однако рециркуляция не может дать существенного повышения КПД т.к. при этом уменьшается масса рабочего тела и количество тепла, которое в него можно ввести.
Аналогично, скрытой формой повышения степени сжатия является использование наддува.
Если работа ДВС будет соответствовать законам термодинамики, в конкретных условиях потери тепла на сжатие в ДВС со степенью сжатия 51 в значительном диапазоне нагрузок будут кратно меньше, а при нагрузках близких к максимальным будут, примерно, вдвое меньше, чем в современном дизельном ДВС со степенью сжатия 17.
Изложенное можно подытожить следующим образом:
Современная теория ДВС дает такую трактовку степени сжатия, которая не отражает реального характера рабочих процессов, которые происходят в ДВС. Для устранения этого недостатка степень сжатия должна подразделяться на следующие категории: 1. Степень сжатия двигателя-это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 2. Геометрическая степень сжатия двигателя-это отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 3. Действительная или текущая степень сжатия-это отношение находящегося в замкнутом цилиндре двигателя объема рабочего тела в состоянии атмосферного давления к объему камеры сгорания. Объем рабочего тела должен определяться при давлении равном давлению окружающей среды. Действительная степень сжатия в рабочем процессе двигателя величина переменная, регулируемая. Но при рассмотрении отдельного рабочего цикла эта величина должна рассматриваться, как константа. Например: степень сжатия двигателя 20, геометрическая степень сжатия 18. Действительная степень сжатия при расходе 50% воздуха составит приблизительно 9, при расходе воздуха, допустим, в 80%- приблизительно 14.4. При расходе 100% воздуха действительная сжатия может быть больше, меньше или равна геометрической степени сжатия.
Также необходимо ввести понятие степени наполнения цилиндра, которая определяется, как отношение давления в цилиндре в момент закрытия впускного клапана к давлению окружающей среды. Давление окружающей среды независимо от его величины, должно приниматься за единицу.
Рассмотрение индикаторной работы конкретного рабочего цикла бензинового двигателя с точки зрения действительной степени сжатия рабочего тела показывает следующую картину:
1.Двигатель со степенью сжатия 10.
При расходе воздуха в 40% от максимального его расхода на данных оборотах в цилиндре оказывается в 2.5 раза меньше рабочего тела, чем при максимальном наполнении. В момент закрытия впускного клапана в цилиндре имеется разрежение, величина которого составит 0.4 от атмосферного (степень максимального наполнения цилиндра на данных оборотах равна 1). Т.е. величина 0.4 составит степень наполнения цилиндра для данного рабочего цикла. Такт сжатия при этих условиях состоит из 2-х этапов: первый- это доведение давления в цилиндре до давления окружающей среды. Для этого поршень должен совершить 0.54 длины своего хода от НМТ в сторону ВМТ. Второй этап- это непосредственно сам процесс сжатия. Он будет совершаться в оставщиеся 0.36 величины хода поршня. Действительная степень сжатия рабочего тела при этом составит 4.6.
2.Для двигателя со степенью сжатия 25 действительная степень сжатия рабочего тела при тех же условиях составит 10.6. Т.е. рабочий процесс в нем будет иметь такой же характер, как в двигателе со степенью сжатия 10, но только при степени наполнения последнего в 1.04.
В двигателе со степенью сжатия 10 при степени наполнения 1 и угле опережения зажигания 25о максимальное давление цикла Рz при 3500 оборотах в минуту достигается при 15о ПКВ после ВМТ.
В двигателе со степенью сжатия 25 при том же угле опережения зажигания и оборотах максимальное давление цикла Рz достигается в 15о ПКВ после ВМТ при степени наполнения в 0.385. При дальнейшем увеличении наполнения снижается угол опережения зажигания. При этом точка, в которой достигается максимальное давление цикла Рz преобразуется в линию, начало которой по мере увеличения действительной степени сжатия будет смещаться в сторону ВМТ, а конец в сторону НМТ. Так, при степени наполнения в 0.385, действительной степени сжатия в 10,6, угле опережения зажигания 25о, Рz достигается при 15о ПКВ и является в координатах диаграммы цикла точкой. При степени наполнения в 1, действительной степени сжатия 25, угле начала тепловыделения 0о, Рz будет достигнут в 0о ПКВ и в координатах диаграммы цикла преобразуется в линию от 0 до 35о ПКВ после ВМТ.
В двигателе, в котором Рс= Рz, первая фаза тепловыделения должна проистекать с ограничением количества вводимого в рабочее тело тепла. В виду этого по мере повышения степени сжатия длина линии изотермного расширения будет увеличиваться до 65-700 ПКВ.
Действительная степень сжатия в предложенном варианте будет реально отражать характер рабочего процесса, происходящего в цилиндре при каждом рабочем цикле.
Для получения представления о том, как изменяются потери тепла в зависимости от степени сжатия двигателя, в июне 2004 года в Подольском районе Московской области неоднократно проводился такой эксперимент: