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, но тем не менее оказались неправильными. Почему так могло произойти?
По второму закону термодинамики температура (как тепло) и давление (как механическая работа) эквиваленты. Двигатели того времени имели чревычайно низкую удельную мощность. 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 мощность.
Хотя и не в том виде, каким он первоначально задумывался, но дизельный двигатель состоялся. Оказалось, что фактор давления в цикле превращения тепла 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 они эквиваленты. То есть, если с точки зрения математики и второго закона термодинамики, например, 10х10=1х100, то с точки зрения цикла превращения тепла в механическую работу такое равенство не допустимо.
Дальнейшая практика двигателестроения показала: 1. При превышении определенных пределов давления сжатия эффективность обоих видов ДВС падает. Снижается КПД, уменьшается ресурс. 2. При сверхкритических величинах давления сжатия дизельный ДВС приобретает отрицательный КПД, а бензиновый-взрывается.
Рассмотрим, как в современном бензиновом двигателе осуществляется процесс превращения теплоты в механическую работу и почему в нем могут возникать такие отрицательные явления.
На такте сжатия по достижении в цилиндре определенного давления подается искра. Происходит формирование очага пламени, затем пламя начинает распространяться по фронту. Повышение температуры и давления топливно-воздушной смеси с момента формирования очага пламени происходит под воздействием 2-х факторов: сжатия и ввода тепла. Ввод тепла на сжатии является нарушением условия цикла Карно.
На такте расширения процесс ввода тепла становится более интенсивным. В результате этого в процессе горения давление увеличивается от величины Рс до Рz, температура от величины Тс до Тz. Увеличение давления и температуры на расширении также нарушают условия цикла Карно. У Карно температура Т1 постоянна, а давление уменьшается пропорционально объему камеры сгорания.
Если попытаться устранить эти нарушения путем переноса угла тепловыделения с такта сжатия на такт расширения, произойдет падение температуры и давления топливно-воздушной смеси, ухудшатся условия горения и топливо не успеет сгореть.
Если совместить перенос угла тепловыделения на такт расширения с увеличением степени сжатия, то при переходе к фазе активного горения температура и давление смеси резко возрастут. При работе под нагрузкой такой двигатель разрушается меньше чем за 1 минуту.
Почему так происходит? После формирования очага пламени в камере сгорания двигателя возникают две области чрезвычайно контрастных физических состояний. Очаг пламени - это область высокой температуры, давления и источник ударных волн. Остальная часть камеры сгорания это область низкого давления и температуры. Скорость ударных волн кратно выше скорости самого пламени. Область низкого давления и температуры в камере сгорания обычного двигателя с высокой степенью сжатия после возникновения очага пламени претерпевает следующие изменения: 1. В нем растет давление за счет воздействия области высокого давления. 2. За счет ударных волн происходит волнообразное сжатие периферийных газов. Наложение этих двух факторов приводит к такому волнообразному и неоднородному росту давления и температуры области низкого давления, что там происходит взрыв.
Этого не произойдет, если увеличение объема камеры сгорания будет происходить с большей интенсивностью и будет соответствовать скорости расширения рабочего тела.
При соблюдении этого условия вводимое в рабочее тело тепло в то же мгновение превратится в работу расширения. В противном случае в рабочем теле окажется избыток не превратившегося в работу тепла, который: 1. Под влиянием высоких давления и температуры превратится в работу иного вида (местный взрыв). 2. Под влиянием сверхвысоких давления и температуры местный взрыв станет детонатором объемного взрыва.
В цикле Карно равномерность процессов горения обеспечивается постоянством температуры Т1, которая создает устойчивую зависимость между объемами рабочего тела и камеры сгорания. В ДВС же процессы горения происходят таким образом, что обеспечить в нем постоянство температуры горения невозможно. Но оказалось, что это обстоятельство является положительным, а не отрицательным фактором.
Главная ошибка Р.Дизеля была в том, что он пытался найти решение ДВС, работающего по циклу Карно. Но такого решения просто не существует. К тому же ДВС по циклу Карно, может иметь высокий индикаторный КПД, низкую удельную мощность и низкий (сравнительно) эффективный КПД. Это проистекает из следующего: 1. В реальном двигателе даже при сверхвысоких степенях сжатия не может быть достигнута достаточно эффективная величина Т1. Из учебников следует, что при давлении сжатия Рс=200 кг/см2 температура рабочего тела Тс составит около 1500 Со. 2. На рабочем такте тепло создает температуру, температура создает давление, давление совершает работу. Поэтому, если температура и давление будут низкими, количество совершаемой удельной работы будет маленьким. 3. При движении поршня от точки а до точки в диаграммы цикла Карно при постоянной температуре Т1 давление в цилиндре уменьшится пропорционально объему камеры сгорания. То есть, если в точке а оно было 100 кг/см2, то в точке в оно составит, примерно, 20 кг/см2. 4. Эффективный КПД двигателя определяется как отношение мощности механических потерь к индикаторной мощности двигателя. Чем ниже давление в цилиндре двигателя, тем больше доля механических потерь в объеме совершаемой работы и тем ниже эффективный КПД. Чтобы получить высокий эффективный КПД, при расширении рабочего тела давление в ДВС должно оставаться высоким. Для этого температура должна расти, а не быть постоянной величиной.
Проведенные мной эксперименты показали, что в ДВС в процессе горения можно обеспечить постоянную величину давления. Для этого необходимо, чтобы увеличение объема рабочего тела вследствие нагревания компенсировалась бы таким же увеличением объема камеры сгорания. В этом случае как бы велика не была величина давления в камере сгорания, вводимое тепло в то же мгновение превращается в работу расширения и ни каких других побочных явлений там происходить не будет. Можно пояснить на таком примере: В бензиновом двигателе можно создать давление сжатия 100 кг/см2 и начать ввод тепла. Если в процессе ввода тепла скорость увеличения объема камеры сгорания будет соответствовать скорости расширения рабочего тела, давление не увеличится. Процесс пройдет без отклонений, т.е. без взрыва и без детонаций.
Следует учесть еще одно обстоятельство: правило равенства скорости расширения рабочего тела и скорости увеличения объема камеры сгорания распространяется не на весь период тепловыделения, а только на первую ее половину. Эта половина должна иметь 2 признака: 1. Процесс тепловыделения стал устойчивым, 2. Процессом тепловыделения охвачено все рабочее тело.
После того, как вся топливно-воздушная смесь в камере сгорания будет вовлечена в процесс горения давление Р1 увеличится до значения Рz без отрицательных последствий. При этом, чем выше будет степень сжатия двигателя, тем больше будет величина давления на линии расширения.
В отличие от Карно в моем цикле превращения тепла в механическую работу в ДВС принудительно регулируется прямой эквивалент работы в виде давления Р1 вместо опосредствованного эквивалента в виде температуры Т1.
Цикл превращения тепла в механическую работу в моем двигателе выглядит следующим образом:
В ДВС давление рабочего тела путем сжатия доводится до величины Р1. После этого начинается одновременный процесс ввода тепла, увеличения объема рабочего тела и его расширения. На отрезке от начала ввода тепла до начала процесса полного тепловыделения скорости процессов увеличения объема рабочего тела и его расширения должны совпадать, давление Р1 должно оставаться неизменным. По завершении процесса ввода тепла величина давления в результате дальнейшего расширения уменьшится до Р2.
В таком цикле превращения тепла в механическую работу устанавливается прямая зависимость между степенью сжатия рабочего тела и КПД ДВС. Чем выше степень сжатия рабочего тела в ДВС, тем выше поднимается линия Р1, чем больше степень расширения рабочего тела, тем ниже линия Р2 опускается относительно линии Р1. И соответственно этому тем больше разница между Р1 и Р2 и тем больше количество совершаемой работы. По моему циклу превращения тепла в механическую работу работа ДВС должна строиться следующим образом: