Двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия (стр. 5 из 12)

В серийном двигателе ВАЗ-2111 со степенью сжатия 9.9 и в моем со степенью сжатия 19.5 убирались термостаты для свободной циркуляции охлаждающей жидкости. Автомашины двигались на скоростях от 120 до 150 км/час. Если эксперимент проводился утром в прохладное время, температура охлаждающей жидкости в моем двигателе составляла 55*С, в обеденное, теплое время 65*С. В серийном двигателе температура составляла соответственно 95 и 100*С. Т.е. при увеличении степени сжатия отвод тепла в систему охлаждения уменьшается.

Особенность ДВС такова, что без предварительного, до ввода тепла, сжатия рабочее тело не будет совершать работу. При строительстве современного ДВС исходят из того, что необходимо получить максимальную величину давления Рz, как можно ближе к ВМТ. Но крутящий момент, т.е. величина работы, которую совершает двигатель, зависит не столько от давления над поршнем, сколько от длины плеча кривошипа на момент этого давления. Длина плеча кривошипа зависит от угла его поворота. Т.е. для повышения КПД конструкция и принцип работы ДВС должны быть таковы, чтобы величина Рz при работе двигателя сохраняла бы свое значение, как можно дольше по углу поворота кривошипа, и была бы не точкой, а линией. В виду этого при оценке работы ДВС имеет значение не столько величина максимального давления цикла, сколько положение кривой давления расширения в координатах диаграммы цикла, т.е. величина среднего индикаторного давления.

Чем выше по давлениям и дальше по углам ПКВ кривая расширения будет располагаться от ВМТ, тем больше крутящий момент.

Для получения указанного эффекта, т.е. повышения КПД ДВС, по циклу Карно необходимо путем повышения степени сжатия уменьшать разницу между величиной Т1 и температурой начала цикла изотермного расширения.

Т.е. чем меньше разница между Т₁ и температурой начала цикла изотермного расширения, тем КПД ДВС выше.

Для ДВС с внутренним смесеобразованием не зависимо от вида используемого топлива наиболее эффективная степень сжатия составляет, примерно 51.

Практике двигателестроения известны следующие способы увеличения мощности двигателя:

1. Увеличение литрового объема двигателя.

2. При сохранении объема двигателя увеличение расхода воздуха путем наддува.

3. При сохранении объема увеличение расхода воздуха путем увеличения оборотов двигателя.

4. При сохранении объема двигателя увеличение расхода воздуха путем изменения длины впускного коллектора (резонансный наддув), фаз газораспределения и установки дополнительного количества клапанов.

В традиционной теории ДВС все эти способы сведены к одной аксиоме: для увеличения мощности необходимо увеличить расход воздуха и топлива двигателем. Т.е. установлена прямая пропорциональная количественная зависимость между мощностью двигателя и расходом воздуха и топлива, согласно которой чем больше мощность двигателя, тем больше воздуха и топлива он расходует.

В моем двигателе зависимость обратно пропорциональная, качественная, согласно которой для увеличения мощности двигателя необходимо увеличить степень сжатия. При этом для получения искомой мощности необходимо уменьшить расход воздуха и топлива во столько же раз, во сколько была увеличена степень сжатия.

С учетом свойств бензина, в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия (при внутреннем смесеобразовании) тепло должно вводиться частями на такте расширения.

В дизельном ДВС ввод части тепла должно происходить при положении поршня в ВМТ с последующей подачей остальной части тепла на такте расширения. Расчеты показывают, что в дизельном двигателе степенью сжатия 51, в котором тепло вводится в 0*ПКВ, максимальные температуры и сжатия и расширения, примерно, соответствуют аналогичным показателям современного дизельного двигателя со степенью сжатия 17, но при этом термический КПД первого будет значительно выше.

Специалисты и теоретики, которым демонстрировался мой двигатель, убедившись в том, что это не фокус, а действительно работающий двигатель, заявляли, что «запредельная» степень сжатия должна создать в нем якобы сверхкритические давления и температуры. Следовательно, по их мнению, двигатель не будет иметь ресурс и быстро разрушится.

Однако и расчеты и работа двигателя показывают, что они заблуждаются.

1. Работа двигателя и расчеты показывают, что величины максимальных температур и давлений сжатия и расширения в нем такие же, что и в стандартном двигателе. Природу бензина изменить нельзя и, соответственно, при превышении допустимых пределов температур и давлений детонации неизбежны. А детонаций в моем двигателе нет.

2. Приведенные выше цифры говорят о том, что протяженность отрезка линии изотермного расширения, на котором действуют температуры и давления близкие к максимальным, в моем двигателе существенно больше. С этой точки зрения фактор их отрицательного воздействия на ресурс двигателя имеет место.

3. С другой стороны увеличение количества тепла, преобразуемого в механическую работу, приводит к существенному снижению температуры рабочего тела в конце расширения (примерно на 400*С меньше по сравнению со стандартным ДВС), что приводит к значительному снижению тепловой нагрузки на детали двигателя.

4. При суммировании приведенных факторов складывается положительный баланс, т.е. ресурс двигателя со сверхвысокой степенью сжатия будет больше, чем у стандартного.

Риск возникновения детонаций в двигателе с повышенной (до 25) или сверхвысокой степенью сжатия (51 и выше) по сравнению со стандартным двигателем меньше, т.к. в нем скорость нарастания объема камеры сгорания на расширении больше. Так, при одинаковых углах ПКВ прирост объема камеры сгорания от ВМТ поршня до точки Рz в двигателе со степенью сжатия 20 в 2.3 раз больше, чем у стандартного двигателя со степенью сжатия 10.

Трехлетняя (с августа 2002 года) практика эксплуатации двигателей со сверхвысокой степенью сжатия также показала, что воздействие детонаций в них на механизмы двигателя совершенно иное, чем у стандартного двигателя. Однако вопрос этот подлежит дальнейшему исследованию.

Изложенное можно подытожить следующим образом:

1. Первоначальные представления Р.Дизеля о работе ДВС соответствовали действительности. Его отказ от этих преставлений на последующие 110 лет дал неправильное направление развитию теории и практики ДВС.

2. Многочисленные опыты и эксперименты, которые до сих пор проводились с двигателями с повышенной степенью сжатия не могли иметь положительный результат, поскольку эти работы проводились на основе традиционной теории ДВС с использованием известных практике принципов работы ДВС.

3. Двигатели со сверхвысокой степенью сжатия в 25 и 51 являются двигателями нового типа с присущими только им особенностями работы и они могут работать только при использовании собственных принципов работы.

4. Для ДВС со степенью сжатия 51 ни вид топлива, ни способ его воспламенения не имеют значения. Такой двигатель будет иметь КПД, примерно, 70-73%.

Особенности работы ДВС (Е=10) по циклу Карно

V

Рис.1

Индикаторная работа ДВС со степенями сжатия ( Е=10, ---- Е=20) при 50% дросселя

Vc

Рb

Р Рz₁