какое давление в цилиндре двигателя при сгорании топлива
Разрушители легенд. Смесеобразование и сгорание в дизельном двигателе. Часть №1. Смесеобразование.
Как ни странно это прозвучит, но дизель работает не на обеднённой, а на обогащённой смеси …
Я, как и все, хотел написать «СМЕСИ», но это неправильный и даже вредный термин. Термин, который СРАЗУ очень сильно запутывает всё вИдение процессов, происходящих в дизельном двигателе. Потому я и начну свой опус именно с этого вопроса.
Для сжигания 1 кг бензина или 1 кг керосина или 1 кг пропана или 1 кг бутана или 1кг многих прочих углеводородов требуется около 15 кг воздуха. Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуются те же самые 15 кг воздуха. Теплотворная способность всех этих топлив тоже практически не отличается.
Почему же дизельному двигателю требуется в разы большее количество воздуха, чем бензинке?
Потому что дизель работает не на СМЕСИ и это нужно чётко понимать.
Хотя СМЕСЬ в камере сгорания дизельного двигателя, конечно же, присутствует. Но!
Топливо подаётся в камеру сгорания В ЖИДКОМ ВИДЕ через распылитель в виде тумана.
Пыли. Аэрозоли. Взвеси. Суспензии. Мельчайших капелек. Назовите как хотите, но это не СМЕСЬ!
СМЕСЬ — это всё таки нечто более-менее однородное. Нечто, УЖЕ смешанное. Сладкий чай — это смесь. Гомогенная смесь. Если сахар бросили на дно стакана и чай не размешивали — на дне стакана какое-то время будет колыхаться густой сироп — получится та самая «гетерогенная»(неоднородная) смесь. Но чай, в который падает кусок сахара — нихрена не смесь вообще!
В дизеле реальная СМЕСЬ начинает образовываться ВОКРУГ КАЖДОЙ мельчайшей частицы топлива сразу же после распыления топлива форсункой. У поверхности капельки СМЕСЬ будет очень богатой. Чем дальше от поверхности капельки — тем смесь будет беднее. Где-то посередине между этими двумя крайностями концентрация СМЕСИ будет около- и стехиометрической. В области этой довольно тоненькой СФЕРЫ и находятся наиболее благоприятные условия и для САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ и для СГОРАНИЯ. И именно здесь и ТОЛЬКО ЗДЕСЬ и будет происходить ВСЁ сгорание СМЕСИ топлива и… и чего? воздуха?
На первом этапе — да, воздуха. Но сразу после первого этапа СМЕСЬ начинает представлять из себя ТАКОЕ, что ни в сказке сказать, ни вслух произнести…:
Давайте посмотрим ПОДРОБНЕЕ как НА САМОМ ДЕЛЕ происходит сгорание солярки в дизельном двигателе:
Гореть не умеют ни жидкие, ни, тем более, твёрдые вещества. Мало того — гореть не умеют даже отдельные молекулы топлива, которые находятся в таки обнаруженной нами СМЕСИ. В фактическом процессе сгорания участвуют только кирпичики(радикалы) знакомых нам элементов. Потому сразу после образования вокруг капельки топлива сферы стехиометрического состава СМЕСИ процесса горения не возникает. Сразу после испарения молекула углеводородного топлива начинает стремительно нагреваться и оттого разваливаться на части. Грубо говоря — на атомы водорода и углерода. Водород чрезвычайно активный элемент и он начинает взаимодействовать с кислородом воздуха первым. Даже это взаимодействие — чрезвычайно сложный и не быстрый процесс. Можете посмотреть на него поподробнее, если интересно:
Главное в другом. Каждое такое взаимодействие — это кроме молекулы воды ещё и хорошая порция энергии. По мере нагрева таких взаимодействий становится всё больше — выделяющаяся энергия перестаёт успевать рассеиваться в пространстве и начнёт ускорять рядом идущие взаимодействия и температура СМЕСИ вокруг капельки топлива начнёт нарастать ЛАВИНООБРАЗНО. В этот момент и начнётся знакомое нам горение с выделением лучистой энергии и прочими другими сопутствующими эффектами… Кислорода много. Топлива много. Всё замечательно перемешано. Температура высокая и растёт. Давление высокое и растёт. Начинает гореть даже углерод. Вся зона околостехиометрического соотношения вокруг капельки топлива разом воспламеняется. Нечто типа взрыва сверхновой звезды:
В «научно»-популярной литературе пишется, что температура скачком повышается до 2000 градусов. Какие нафиг 2000 градусов?! В серьёзных трудах утверждается, что азот более-менее интенсивно начинает окисляться при температурах выше 2500 градусов. В дизеле окислов азота образуется страшное количество, как и сажи(судя по всему азот окисляется СНАРУЖИ сферы пламени где много кислорода, а сажа образуется ИЗНУТРИ этой сферы, где много углерода, но кислорода почти нет), но подавляющая часть окислов азота при понижении температуры опять восстанавливается до азота. Потому, скорее всего, температура в зонах богатой смеси, где и происходит реальное сгорание, взлетает намного выше 3000 градусов. Потому и сажевые частицы излучают так много лучистой энергии. Давление взлетает до небес…
Цитата из умной книжки:
Т.е. всё сгорание происходит ЛОКАЛЬНО. В ОЧЕНЬ ограниченных, фактически ИЗОЛИРОВАННЫХ зонах.
Согласно исследованиям — температуру больше 2600К имеет всего около 0,2% массы рабочего тела в камере сгорания, больше 2400К – около 2%, больше 2200К – 22%, больше 2000К – 27%, больше 1700К — 28%, остальная часть рабочего тела (около 20%) — никогда не разогреется даже до 1700К…
Из-за такой изолированности тепло относительно слабо передаётся стенкам камеры сгорания.
Вернёмся на мгновение из микромира в макромир. Пока первая капелька впрыснутого топлива готовилась к взрыву(самовоспламенению) форсунка продолжала впрыскивать в камеру сгорания тысячи других капелек, каждая из которых тоже тут же начинала готовится к взрыву — нагреваться, испаряться и образовывать СМЕСЬ. Но как только самовоспламеняется СМЕСЬ вокруг первой капельки — энергии её взрыва хватает на детонацию и воспламенение СМЕСИ вокруг других капелек. Фактически одномоментно воспламеняется ВСЯ образовавшаяся в камере сгорания СМЕСЬ. Хотя правильнее будет сказать так — «ВСЕ образовавшиеся в камере сгорания СМЕСИ» — ведь все эти СМЕСИ изолированы и находятся на расстоянии друг от друга… почти как звёзды в космосе…
Так или иначе — возникает та самая дизельная детонация(взрывное горение) из-за которого дизель и стукатит. Хорошо, что пригодной к сгоранию СМЕСИ к моменту самовоспламенения образуется не так уж и много…
Дальнейшее СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ будет происходить в условиях страшного дефицита кислорода. И сгорание соответственно происходит совсем не так, как это описывается в литературе.
Возвращаемся в микромир. За то время пока мы отлучались зона околостехиометрического соотношения топлива и воздуха вокруг капельки уже вся выгорела. Ни топлива, ни кислорода в ней не осталось. Только продукты сгорания, разогретые до очень высоких температур — вода, углекислота, да щепотка окислов азота… С внешней поверхности этой РАСКАЛЁННОЙ, но ВЫЗЖЕННОЙ зоны начинают ДИФФУНДИРОВАТЬ молекулы воздуха с большим количеством свободного кислорода. Изнутри начинает подниматься та каша, что образовалась из углеводородов топлива в процессе сильного нагрева и сжатия — радикалы водорода и радикалы различных СОЕДИНЕНИЙ углерода. Скорость дальнейшего СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ и сгорания будет определяться скоростью поступления атомов кислорода извне и атомов топлива изнутри.
Весь свободный водород, образующийся в результате температурного разложения продолжающих испаряться углеводородов, даже в условиях сильного дефицита кислорода потихоньку-полегоньку, но начинает НЕОБРАТИМО сгорать по мере взаимодействия с кислородом. Водород очень уж активное вещество. Сгорание его идёт в очень широких стехиометрических и температурных пределах. Скорость его диффузии чрезвычайно высока и сопоставима со скоростью теплопереноса. Для сгорания двум атомам водорода(мы с Томарой ходим парой) достаточно одного атома кислорода. Потому на время все реакции окисления углерода фактически останавливаются… С углеродом начинается очень нехорошая и очень длинная история с образованием и преобразованием всяких формальдегидов, гидроксилов и всяческой другой заразы… Крекинг, гомолиз, пиролиз и много других страшных слов… По мере того как атомы водорода потихоньку сваливают из молекулы углеводорода в условиях дефицита кислорода она, эта самая молекула топлива потихоньку вырождается в молекулу… графита. Да-да. Выделяющиеся в результате пиролиза атомы углерода имеют четыре свободные связи, отдельно не существуют и в зонах недостатка кислорода соединяются между собой, образуя твёрдые кристаллы графита – мельчайшие частицы сажи размером 0,3-0,4 мкм. Сравнительно недавно было обнаружено, что в хорошо нам известной копоти присутствует и большое количество шарообразных молекул, состоящих из 60 и более(до 400) атомов углерода и, иногда, и из 24 и более атомов воды — их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии. Таких частиц образуется в дизеле неимоверное количество. Но страшный чёрный дым, который извергает дизель при перегрузке, содержит всего около 1% сажевых частиц, образовавшихся в процессе сгорания дизельного топлива — подавляющая часть образовавшихся частиц сажи сгорает в процессе догорания топлива, когда весь свободный водород уже иссякает и перестаёт перехватывать кислород под носом у углерода, каждому атому которого для полного счастия сгорания необходимо СРАЗУ аж ДВА атома кислорода… По иронии судьбы к этому времени почти весь углерод находится в состоянии раскалённой «алмазной» пыли. Начинаются танцы, подобные сгоранию водорода, но намного более сложные и многоходовые, а потому намного более длительные…
А атомов свободного кислорода меж тем остаётся всё меньше и меньше…
Пока тянется этот химический полонез начинает опускаться поршень двигателя и давление(а следовательно и температура) начинают падать. Расстояние между атомами увеличивается, энергия рассеивается в пространстве, скорость атомов падает — реакции начинают стремительно замедляться. За счёт того, что частички сажи чрезвычайно раскалены — они умудряются ещё долго реагировать с кислородом, если тот таки встретится им на пути, но по мере опускания поршня вниз толку от этого догорания становится всё меньше, а вреда всё больше. Температура в камере сгорания — не самоцель, она нужна только для двух задач — вначале максимально ПОЛНО спалить ВСЁ топливо(вытащить ВСЮ энергию) и максимально разогреть РАБОЧЕЕ ТЕЛО(всё содержимое камеры сгорания) чтобы получить максимальное ДАВЛЕНИЕ(тот самый крутящий момент) газов.
Высокая степень РАСШИРЕНИЯ(не сжатия!) дизельного двигателя позволяет полнее преобразовать энергию расширяющихся от нагрева газов в механическую РАБОТУ. Именно поэтому температура выхлопных газов дизеля заметно ниже температуры выхлопа бензинки, притом что максимальная температура сгорания топлива выше у дизеля…
Чёта меня понесло в сторону.
Углерод выгодно сжигать полностью не только с точки зрения экологических норм — при сгорании 1 атома углерода образуется в 3 раза больше энергии, чем при сгорании 1 атома водорода! Недожиг углерода(сажи) очень заметно влияет на энергетический баланс в камере сгорания, а соответственно и на мощность и на расход двигателя любой конструкции и косвенно указывает на проблемы с организацией процессов сгорания. К тому же сажа — это очень компактные кристаллы, а углекислота — это газ, который уже и сам по себе создаёт дополнительное давление на поршень…
Вот для того, чтобы сжечь МАКСИМАЛЬНОЕ количество УГЛЕРОДА и применяют в дизеле избыток воздуха. Как по мне — так эта фраза тоже насквозь лживая и не отражающая сути. А суть в данном случае такова — и в дизеле и в бензинке равного литража на режиме НОМИНАЛЬНОЙ (максимальной) мощности количество воздуха в камере сгорания практически ОДИНАКОВО! НО.
В дизеле невозможно эффективно сжечь столько топлива, столько можно сжечь в бензинке равного литража — НЕ УСПЕВАЕТ дизельное топливо связать ВЕСЬ КИСЛОРОД воздуха за время сгорания — потому в дизеле до четверти(!) кислорода воздуха вылетает в трубу даже на максимальной мощности(когда дизель уже вовсю дымит). Потому дизельным выхлопом можно спокойно дышать длительное время(не верьте сказкам про дизельные душегубки фашистов), в отличие от выхлопа бензинок, где свободного кислорода практически нет. Потому МАКСИМАЛЬНАЯ ЛИТРОВАЯ мощность атмосферного дизеля меньше МАКСИМАЛЬНОЙ ЛИТРОВОЙ мощности атмосферной же бензинки на ОДИНАКОВЫХ оборотах на те самые 25%. Плюс-минус.
Прямовпрысковый дизель имеет эффективные обороты до 3000-3500 оборотов, вихрекамерник — до 4000 с небольшим, а самая захудалая бензинка легко крутится до 6000. Только за счёт этой разницы в максимальных оборотах бензинка уже на треть мощнее дизеля. Потому МАКСИМАЛЬНАЯ паспортная МОЩНОСТЬ бензинки В РАЗЫ превышает МАКСИМАЛЬНУЮ паспортную МОЩНОСТЬ дизеля.
Мало того. Поскольку с конца 80-ых годов дизелестроители сферы легкового транспорта активно боролись с окислами азота, то почти ВСЕ дизеля 80-ых, 90-ых и начала 2000-ых имеют затянутый впрыск топлива, поздний УОПТ, гипертрофированный ЕГР и несоразмерно высокий расход топлива на мощностных режимах. Сколько-нибудь продолжительно работать с максимальной паспортной мощностью эти дизеля не в состоянии уже прямо с завода из-за перегрева камеры сгорания и поршневой. Пробежные эти дизеля мрут как мухи уже при длительных 2\3 максимальной ПАСПОРТНОЙ мощности…
P.S.
Ну и напоследок ещё немного про макромир камеры сгорания дизельного двигателя.
Для полноты картины.
На вихрекамерных дизелях форсунка формирует один факел. У прямовпрысковых дизелей форсунка формирует 4-8 факелов:
Не обращайте внимания на размеры факелов на вышеприведённых фотографиях — они сняты в обычных комнатных условиях. При высоком давлении в камере сгорания реального двигателя дальнобойность факела не превышает сантиметра — топливо практически никогда не попадает на стенки камеры сгорания ни вихрекамерника, ни прямовпрыскового дизеля — именно поэтому это дизеля с ОБЪЁМНЫМ смесеобразованием:
За пределами ФАКЕЛА топлива практически нет и никогда за время впрыска НЕ БУДЕТ! Равномерно распределить частички топлива во ВСЁМ воздухе, находящемся в камере сгорания дизеля не возможно за то короткое время, что отводится на смесеобразование и сгорание. Как ни завихряй воздух в камере сгорания — довольно значительные объёмы воздуха к топливному факелу за время сгорания топлива так никогда и не приблизятся и кислород передать не смогут. При наличии колоссального ОБЩЕГО ИЗБЫТКА кислорода в камере сгорания дизельного двигателя — каждая КОНКРЕТНАЯ частичка топлива при окончании сгорания испытывает СТРАШНЫЙ ДЕФИЦИТ кислорода и буквально захлёбывается продуктами своего сгорания.
Какое давление в циллиндре работающего мотора?
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
оно там всегда разное
от чуть меньше атмосферного на впуске до 60 атм при вспышке топлива
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
ну тип того.
какое давление максимальное там может быть?
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
завтра. или сегодня вечером скажу и фотки покажу затеи. сейчас пока решается вопрос.
пока опасности моей жизни нет.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
и какие из этой истории можно сделать выводы.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
всякое было.
было даже так, что был снят карбюратор, а проверить работу мотора надо было, я на капот посадил товарища, тот брызгал опрыскивателем в коллектор и мотор работал.
Т.к. вы неавторизованы на сайте. Войти.
Т.к. тема является архивной.
развеиваю атмосферу загадочности.
вобщем вот такой казус произошел с дизельным мотором. Думаю, можно ли заварить или что-то как-то сделать?
Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №4. Опять степень сжатия.
Давайте ещё раз посмотрим на процесс сгорания топлива в обычной «бензинке»:
Если выбросить из головы привычные сказки на эту тему и посмотреть трезвым взглядом — то ВСЁ в «обычном» двигателе организовано через задницу:
1). Воспламенение топлива производится до ВМТ в довольно холодной и разряжённой атмосфере.
Да, разумеется, сжатие повышает и температуру и давление — потому условия воспламенения топлива, без спору, становятся намного более благоприятными, чем вообще без сжатия. Но оптимальными назвать их — язык не поворачивается.
Именно поэтому топливо даже при принудительном зажигании так медленно и неохотно воспламеняется — посмотрите, сколько по времени длится одно только образование очага горения…
А распространение фронта пламени?!
ПОЛОВИНУ времени «сгорания» на самом деле занимает ВОСПЛАМЕНЕНИЕ!
Зажигание и вынесли ПЕРЕД ВМТ с единственной целью — дать время топливу разгореться в неблагоприятных условиях, чтобы после ВМТ оно уже горело более-менее активно. Если воспламенять топливо ПОСЛЕ ВМТ — оно не то что сгореть не успеет, оно ВОСПЛАМЕНИТЬСЯ полностью не сможет.
2). Поскольку часть сгорания топлива происходит ДО ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал — нам в обязательном порядке придётся компенсировать это сгорание после ВМТ, что увеличивает расход топлива…
Ну или снижает КПД — если так понятнее.
3). Приблизительно до 10 градусов после ВМТ поршень еле движется вниз — потому энергия сгорающего топлива преобразуется не столько в работу, сколько в дальнейшее лавинообразное повышение температуры и давления в «камере сгорания» — что приводит к появлению детонации…
Высокая плотность сгорающих газов при высокой их температуре вызывает колоссальные теплопотери в стенки «камеры сгорания» — до 90-95(!)% всего тепла передаётся двигателю именно в зоне ВМТ.
Пик прорыва газов в картер через компрессионные кольца опять таки расположен в зоне ВМТ…
4). Пик сгорания приходится на 15 градусов после ВМТ — при этом положении коленвала все детали двигателя испытывают максимальные механические и термические нагрузки. Но кривошипно-шатунный механизм в этом положении передаёт на коленвал только четверть давления газов. Полезной работы всё ещё выполняется мизер. Если бы двигатель мог запасать энергию сгорания в давлении газов, чтобы отдать эту энергию коленвалу позже, когда тот займёт более выгодное с точки передачи момента, положение — это было бы не страшно. Но объём «камеры сгорания» начинает стремительно увеличиваться и по факту повышается только температура газов, а давление уже начинает падать. Передаточный коэффициент КШМ увеличивается, но давление падает всё стремительнее на фоне всё быстрее опускающегося поршня и стремительно увеличивающегося объёма «камеры сгорания».
5). На 30 градусах после ВМТ КШМ передаёт уже около 50% давления газов, но и объём камеры сгорания к этому моменту удваивается — давление и температура газов стремительно уменьшаются, нарастает концентрация продуктов сгорания, а концентрация топлива и кислорода стремительно падает.
Сгорание замедляется…
6). К 35-40 градусам после ВМТ активное догорание топлива прекращается. В этом положении КШМ передаёт уже больше половины давления газов в работу, но выделение тепла уже не происходит — генерация давления прекращается полностью. С этого момента давление газов в «камере сгорания» начинает снижаться прямо пропорционально увеличению объёма камеры сгорания и кривопропорционально снижению температуры.
7). К 80 градусам после ВМТ КШМ передаёт почти 100% давления, но объём «камеры сгорания» к этому моменту увеличивается уже в 5 РАЗ(!) и продолжает стремительно расти. Давление газов катастрофически снижается и работы опять производится мизер.
В итоге — КПД современной бензинки по оценкам официальной науки не превышает 30%.
Наука неофициальная иногда рожает несколько странные на первый взгляд цифры, имеющие на мой взгляд больше отношения к реальности. После начала эксплуатации первого серийного электромобиля EV1 были получены удивительные результаты, оставленные официальной наукой без должного внимания. Было подсчитано, что количество электроэнергии, затраченной EV1 с массой около 1,5 тонн на преодолении пути в 100 км — эквивалентно энергии, заключенной менее чем в одном литре бензина. Этот результат вызвал огромное недоумение у американских специалистов, ведь аналогичный автомобиль на 100 км тратит в среднем около 10 литров бензина. Действительно эти цифры невозможно объяснить, если за основу брать КПД двигателя в районе 30…40%. Однако, если реальный КПД равен 7% — то эти цифры прекрасно объясняются.
Получается — при расходе автомобиля 10 литров на сто километров на движение АВТОМОБИЛЯ тратится около одного литра бензина, остальные 9 литров своим сгоранием тупо греют атмосфэру.
Если же задуматься — а сколько тратится топлива на перемещение непосредственно ГРУЗА или ПАССАЖИРОВ — то картина получится совсем удручающая…
У «дизельного» двигателя всё тоже самое, что и у «бензинового» — с небольшими отличиями в лучшую сторону, но сама концепция — как под копирку:
1). Сжать рабочее тело в несокрушимом замкнутом объёме для обеспечения приемлемой скорости ВОСПЛАМЕНЕНИЯ топлива.
2). Спалить топливо в этом практически неменяющемся объёме и НАКОПИТЬ к концу сгорания «максимальное давление цикла», балансируя на грани взрыва и механического разрушения двигателя.
3). На этапе рабочего хода начать сливать всё накопленное давление в ненасытную утробу стремительно расширяющейся «камеры сгорания», судорожно тщась преобразовать стремительно падающее давление в момент на коленвалу с помощью кривошипа, который работает почти в противофазе и потому теряет в среднем около половины передаваемого давления.
ОСНОВНОЕ узкое место этой модели — выделяющаяся энергия преобразуется в работу не НЕМЕДЛЕННО по мере сгорания топлива, а только СПУСТЯ некоторое время, уже ПОСЛЕ фактического завершения сгорания.
Именно это и обуславливает колоссальные потери энергии.
Высокие максимальные температуры цикла вызывают ускоренную теплопередачу в стенки «камеры сгорания». Высокое максимальное давление цикла — чрезмерные потери через малейшие неплотности «камеры сгорания».
Что делать с этим безобразием умные головы придумали уже давно.
Нужно ходить пешком!
Нужно СИНХРОНИЗИРОВАТЬ два важнейших «механизма» ДВС таким образом, чтобы вырабатываемая при сгорании топлива энергия совершала работу НЕМЕДЛЕННО.
Тогда максимальная отдача от одного «механизма» будет оптимальным образом приумножать отдачу другого.
А добиться этого можно только повышая степень сжатия.
Повышая не на проценты, а в разы.
Давайте прикинем:
У двигателя температура смеси в конце такта всасывания достигает +65С.
При прокручивании стартером у «бензинки» со СС=9 температура в ВМТ поднимается до +380С, а давление — до 19 атмосфер. Это очень мало. Чтобы топливо успело сгореть — воспламенять смесь приходится за 15 градусов до ВМТ. Тогда в зоне ВМТ температура поднимается до +800С, а давление — до 33 атмосфер.
Получается, что дополнительное увеличение температуры на +420С и давления на 14 атмосфер на такте сжатия получено за счет топлива, сгорающего до ВМТ.
Грубо говоря — сжатие смеси поршневой группой в привычном двигателе обеспечивает только ПОЛОВИНУ давления и температуры, требуемых для нормального сгорания воздушно-топливной смеси.
Если прикинуть — при какой геометрической степени сжатия в «камере сгорания» создаются подобные «климатические» условия в ВМТ без подвода тепла до ВМТ — то окажется, что фактическая степень сжатия обычной «бензинки» при полностью открытом дросселе равна 12.
При полностью закрытом дросселе — 4… 🙁
Но давайте на минутку отвлечёмся.
В ДВС есть два ключевых «механизма», на которых нам есть смысл концентрироваться — это КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ и «МЕХАНИЗМ» СГОРАНИЯ.
Всё остальное вторично.
У КШМ на рабочем ходу есть две «мёртвые» точки и одна «живая». В «мёртвых» точках преобразование давления газов на днище поршня не происходит вообще. Приблизительно посередине(75-80 градусов после ВМТ) между «мёртвыми» точками расположена «живая», в которой преобразование наиболее эффективно и составляет почти 100%.
Кривая эффективности преобразования давления газов на поршень в момент на коленвалу с помощью КШМ выглядит как-то так:
В переводе на человеческий язык — чем ближе к середине хода поршня мы обеспечим сгорание(выделение ДАВЛЕНИЯ газов), тем больше момента мы получим на коленвалу!
У КШМ есть ещё одина важнейшая характеристика, про которую почему-то ВООБЩЕ никто не заикается.
Я даже не слышал никогда про неё явно, при том что именно она НАПРЯМУЮ определяет функционирование второго важнейшего «механизма» ДВС.
Эта характеристика — СКОРОСТЬ изменения ОБЪЁМА «камеры сгорания».
Именно эволюция объёма «камеры сгорания» в ходе РАБОЧЕГО ЦИКЛА определяет протекание процессов СГОРАНИЯ топлива.
Подробнее на эту тему поговорим ниже.
В принципе, больше ничего про КШМ знать и не нужно.
Графическое представление «механизма» сгорания смесей топлива с окислителем в замкнутом объёме очень похоже по форме на предыдущий график.
У «механизма» сгорания так же есть две «мёртвые» точки и одна «живая».
В «мёртвых» точках преобразование энергии топлива в давление не происходит вообще.
В начале — смесь ещё не горит.
В конце — смесь уже не горит.
Между двумя «мёртвыми» точками расположена «живая», в которой преобразование наиболее эффективно — именно в области этой точки ДАВЛЕНИЕ сгорающих газов максимально.
Процесс сгорания очень сильно зависит от исходных параметров смеси. Этих параметров довольно много, но нам наиболее важны такие как стехиометрия, температура и давление. Я не буду углубляться в теорию горения, нам важно только одно — чем выше температура и давление на момент воспламенения и чем оптимальнее соотношение топлива и окислителя — тем выше скорость протекающих процессов. А поскольку реакции горения развиваются с прогрессирующим самоускорением — то и кривые сгорания во времени выглядят как-то так:
В двигателе(где часть давления в цилиндре создаётся цилиндро-поршневой группой) кривые сгорания выглядят несколько по другому, но тенденция сохраняется. Чем раньше мы запалим топливо — тем выше будет температура в ВМТ — тем круче и выше будет график — тем меньше будет время сгорания, но площадь кривых опять-таки изменится слабо:
Для ДВС плохо и первое и второе.
Хотя первое хуже — ведь часть энергии сгорания теряется БЕЗВОЗВРАТНО прямо на этапе тепловыделения.
Нам нужна золотая середина.
Оптимально — когда процесс сгорания топлива протекает таким образом, чтобы выделяющееся от сгорания газов ДАВЛЕНИЕ максимально полно преобразовывалось в РАБОТУ кривошипно-шатунным механизмом двигателя НЕМЕДЛЕННО.
Если СИНХРОНИЗИРОВАТЬ между собой кривые вышеописанных процессов определённым образом — то КПД ДВС будет максимален. Люди не забывшие со школы всякие производные и интегралы могут легко рассчитать оптимальную форму процесса сгорания для идеальной синхронизации с КШМ.
Как человек малоэрудированный и дремучий, я про интегралы помню только что они есть, теплотехнике как науке — не доверяю, и потому ничего рассчитывать не буду. Я пойду другим, более простым и наглядным путём — методом сопоставления и сравнения.
Для этого я соорудил сводную таблицу 5 гипотетических двигателей с разной степенью сжатия и разложил в ней по полочкам все важнейшие на МОЙ взгляд параметры:
В этой таблице нет ни давлений, ни температур — в ней одна галимая геометрия КШМ…
Почему так?
Для оптимального сгорания ОПРЕДЕЛЁННОГО ВИДА ТОПЛИВА нужно создавать вполне однозначные «климатические» условия. КОГДА и КАК эти условия возникают в «камере сгорания» ДВС — процессу сгорания совершенно не важно. Зато ему важно чтобы «климатические » условия в «камере сгорания» поддерживались в определённых рамках. Эти рамки определяет ОБЪЁМ «камеры сгорания».
Если объём «камеры сгорания» уменьшается в ходе развития сгорания, не меняется или увеличивается медленно — мы получаем:
1). Со стороны «механизма» сгорания — лавинообразное ускорение ВОСПЛАМЕНЕНИЯ вплоть до детонации.
2). Со стороны кривошипно-шатунного механизма — отрицательную или очень незначительную положительную работу.
Если объём «камеры сгорания» увеличивается в ходе развития сгорания чрезмерно быстро — мы получаем:
1). Со стороны «механизма» сгорания — торможение вплоть до полной остановки(прекращение горения).
2). Со стороны кривошипно-шатунного механизма — незначительную положительную работу.
Нужна идеальная синхронизация обоих «механизмов» — тогда их совместная работа будет максимально эффективна! Синергетический эффект, мать его…
Зелёная горизонтальная область в районе 90 градусов после ВМТ(в середине рабочего хода поршня) отмечает область эффективного преобразования давления газов в момент на коленвалу с помощью КШМ. Чем ближе к 90 градусам после ВМТ происходит сгорание — тем больше будет момент на коленвалу при том же самом давлении газов в цилиндре.
Красным цветом шрифта выделены области фактической(МГНОВЕННОЙ если хотите) степени сжатия, соответствующие области реального сгорания воздушно-бензиновой смеси в обычной «бензинке».
Чем больше у двигателя геометрическая степень сжатия — тем дальше от ВМТ находится такая область.
С точки зрения геометрии, это видно сразу — максимальная передача момента КШМ получается при геометрической степени сжатия в районе 50-70 и выше. При такой степени сжатия в ВМТ самовоспламеняться будут практически все известные виды топлива — потому двигатель с такой степенью сжатия может быть только с внутренним смесеобразованием. Ему в плане сгорания совершенно всё равно на каком углеводородном топливе работать — будет требоваться только незначительная коррекция угла начала подачи топлива…
Заранее прошу прощения у читателей — я не полезу в дебри СВЕРХВЫСОКОГО(30-50-70) сжатия.
Как я уже упоминал не раз — вся моя писанина носит чисто прикладной характер.
Потому я намерен писать только о том, что интересно МНЕ как должен работать «бензиновый» двигатель со «степенью сжатия» в районе 20-25. Потому как приблизительно такая степень сжатия у обычного прямовпрыскового «дизеля». Потому как именно из своего прямовпрыскового ZD30DDTI я намерен соорудить турбогазодизель с применением некоторых принципов работы «бензинового» двигателя с высокой(20-25) степенью сжатия.
Но об этом — в следующей статье…
Думается, самые проницательные читатели уже поняли, что ФАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия смеси НА ПЕРИОД СГОРАНИЯ у всех 5 двигателей из таблицы так и остаётся на уровне, характерном для обычного «бензинового» двигателя — меняется только угол начала тепловыделения. Ну так я сразу предупреждал, что термин «СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ» несколько… бестолковый.
Вот приблизительно такая картина творится в цилиндрах этих 5 двигателей:
Чем выше степень сжатия — тем дальше от верхней МЁРТВОЙ точки можно сорганизовать сгорание топлива.
Но это только одна из хороших новостей.
Чем выше степень сжатия — тем выше скорость увеличения объёма камеры сгорания, что приводит к перекосу процесса воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси. Первая стадия(образование очага воспламенения, распространение фронта пламени) происходит в разы быстрее по сравнению с «обычной» бензинкой, но на фоне стремительно увеличивающегося(а не уменьшающегося) объёма камеры сгорания процесс стабилизируется — лавинообразного роста температуры и давления не происходит…
Интересно что в таком двигателе лучше всего использовать НИЗКОоктановые бензины — ведь такой бензин для эффективного сгорания требует более низких первоначальных давления и температуры — потому процесс сгорания можно сдвинуть ещё дальше от ВМТ…
Главное — чтобы топливо-воздушная смесь не самовоспламенялась в ВМТ. Потому при ВНЕШНЕМ смесеобразовании есть предел как по максимальной «степени сжатия», так и по минимальному октановому числу топлива.
Не обращайте внимание на заоблачность пика давления в ВМТ — почти вся энергия, запасённая в сжатом воздухе на такте сжатия будет высвобождена на такте расширения. Как-то так это выглядит в более понятном виде:
Воздух мало похож на пружину — понятно, что с ростом степени сжатия в ВМТ потери энергии на такое сжатие воздуха всё сильнее растут, но до определённого предела суммарный выигрыш намного больше затрат.
Фактическая степень сжатия(а также объём «камеры сгорания») у двигателя с повышенной степенью сжатия регулируется моментом зажигания. Чем позже будет зажигание — тем больше получается фактический объём «камеры сгорания» — тем ниже будут первоначальные температура и давление смеси — тем медленнее смесь будет гореть. И наоборот, чем раньше будет зажигание — тем меньше будет объём «камеры сгорания» — тем выше будут температура и давление — тем быстрее будет гореть смесь.
Отличие от обычной «бензинки» одно, но очень важное.
Топливо-воздушная смесь в обычной «бензинке» на момент поджига(ячейки, выделенные в таблице красной рамкой) довольно холодная и разряжённая, состоит из парОв и капелек топлива — поджечь такую смесь проблемно даже мощным электрическим разрядом.
В двигателе повышенной степени сжатия с ВНЕШНИМ смесеобразованием в зоне ВМТ «климатические» условия на протяжении градусов 30 по коленвалу таковы, что даже крупные капельки топлива гарантированно успевают полностью испариться.
Мало того — парЫ топлива, разогретые до очень высоких температур на довольно продолжительное время успевают разложиться на РАДИКАЛЫ углеводородов, которые воспламеняются очень легко и быстро. Замечу, что и однородность(гомогенность) смеси после цикла сжатия-расширения получается намного выше, чем в обычной «бензинке». А настолько однородные смеси даже бедные — и горят намного эффективнее и воспламеняются намного интенсивнее.
После ВМТ поршень начинает опускаться вниз и давление с температурой начинают СНИЖАТЬСЯ, но зажигание смеси в двигателе повышенной степени сжатия производится в условиях, когда размер «камеры сгорания» приблизительно в два раза меньше по размеру чем на обычной «бензинке» — в таких условиях плотность газов выше в два раза(количество молекул на единицу объёма выше в 4 раза), а температура выше раза в три — потому интенсивность воспламенения намного выше, чем в обычной «бензинке».
Может показаться, что такие условия неминуемо приведут к возникновению детонации.
На самом деле воспламенение смеси в двигателе повышенной степени сжатия развивается не в УМЕНЬШАЮЩЕЙСЯ по объёму «камере сгорания», где температура и давление лавинообразно нарастают(и ТОРМОЗЯТ коленвал) — а в уже довольно активно РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ «камере сгорания», где часть энергии сгорания СРАЗУ начинает выполнять ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ. Энергия изымается из системы — соответственно температура и давление газов ПРИ СГОРАНИИ нарастают гораздо медленнее — что с одной стороны подавляет развитие детонации, а с другой — расширяет зону эффективного сгорания в область ВМТ.
Это не значит, что детонация в таких условиях невозможна, но так же как и на обычной «бензинке» детонация давится либо позднением угла опережения зажигания, либо уменьшением наполнения цилиндров… либо беднением смеси.
Продолжительное тепловыделение, когда значительная часть энергии СРАЗУ преобразуется в механическую работу, приводит к эффекту компенсации увеличения объёма «камеры сгорания» — фактически тепловыделение происходит при относительно постоянном давлении.
Как видно из таблицы — скорость ПОРШНЯ увеличивается к середине его хода. Чем выше скорость поршня — тем больше РАБОТА, совершаемая сгорающими ГАЗАМИ при неизменном давлении. На коленвалу мы наблюдаем этот эффект в виде увеличения МОМЕНТА.
На всех пяти двигателях в таблице скорость поршня изменяется по синусоиде и практически не отличается.
А вот ОБЪЁМ «камеры сгорания» живёт гораздо более интересной жизнью.
Для пущей наглядности я сляпал график СКОРОСТИ изменения ОБЪЁМА «камеры сгорания» двигателей из вышеприведённой таблицы:
Тенденция однозначная.
Чем выше степень сжатия — тем пик скорости увеличения объёма «камеры сгорания» ВЫШЕ и БЛИЖЕ к ВМТ.
У обычной «бензинки» зажигание смеси ПРИ ПОЛНОСТЬЮ ОТКРЫТОМ ДРОССЕЛЕ производится за 15 градусов до ВМТ, а максимум давления цикла приходится на 15 градусов после ВМТ. Объём «камеры сгорания» к концу этого периода остаётся абсолютно таким же, каким был на момент подачи искры. Фициальная наука так нам и говорит — сгорание происходит при ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ.
На самом деле при «постоянном объёме» происходит только ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, но пусть это будет на совести у «учёных». Они сами рисуют графики, на которых видно, что температура сгорающих газов продолжает расти ещё некоторое время после максимума давления в «камере сгорания»:
Раз температура растёт даже на фоне снижения давления — значит сгорание продолжается?
И заявления об окончании сгорания смеси выглядят несколько… странными…
Неважно…
За ВСЁ время тепловыделения объём «камеры сгорания» обычной «бензинки» увеличивается меньше чем в два раза! 🙁
Скорость увеличения объёма «камеры сгорания» обычной «бензинки» начинает заметно расти только после пика сгорания, когда это уже и поздно(с точки зрения подавления детонации) и даже вредно(с точки зрения эффективности использования созданного давления газов).
В двигателе повышенной степени сжатия высокая скорость увеличения объёма «камеры сгорания» эффективно подавляет детонационные процессы во время ВОСПЛАМЕНЕНИЯ смеси. С момента зажигания смеси до пика давления объём «камеры сгорания» увеличивается почти в два раза! А общее увеличение объёма «камеры сгорания» за время сгорания топлива составляет минимум три раза.
Падение скорости увеличения объёма «камеры сгорания» на этапе догорания позволяет растянуть процесс догорания и более эффективно использовать давление газов в зоне максимальной эффективности КШМ…
Идём дальше.
При дросселировании фактическая степень сжатия снижается.
У обычной «бензинки» это приводит к замедлению процессов сгорания, который компенсируют соответствующей коррекцией угла зажигания. Судя по всему диапазон корректировки превышает 25 градусов:
В итоге на холостом ходу у обычной «бензинки» УОЗ уже на уровне 40 градусов до ВМТ. Пик тепловыделения смещается вплотную к ВМТ и находится в области 5 градусов после ВМТ.
Разные клоуны пытались критиковать предыдущую мою статью и зело интересовались — с какого допотопного двигателя был снят приведённый мной график давления. Лучше бы они поинтересовались что происходит в цилиндрах обычной «бензинки» на холостом ходу. Ну да флаг им в руки и барабан на шею…
Получается что регулирование мощности обычной «бензинки» производится одновременно аж 3 процессами:
1). Количеством смеси.
Чем меньше смеси — тем меньше энергии выделяется, тем меньше создаётся давления в «камере сгорания», тем меньше сила давления на поршень.
2). Качеством смеси.
Чем меньше смеси подаётся в «камеру сгорания» — тем разряжённее и холоднее она будет на момент зажигания — тем медленнее она будет гореть. Чтобы смесь успела сгореть вся — зажигание приходится делать всё более ранним — всё больше смеси сгорает до ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал. Растянутое горение обуславливает и непропорционально высокую теплопередачу в стенки «камеры сгорания».
3). Коэффициентом передачи КШМ.
Чем дальше до ВМТ отодвигается начало тепловыделения — тем выше у нас отрицательная работа до ВМТ при том, что положительная работа после ВМТ стремительно уменьшается…
В итоге обычная «бензинка» при изменении мощности от максимальной до минимальной(это раз этак в 20-30) снижает ЦИКЛОВОЙ расход топлива не больше чем в 5 раз.
В двигателе повышенной степени сжатия дросселирование не приводит к настолько фатальным последствиям, как на обычной «бензинке»:
1-2). Количество смеси. Качество смеси.
Контроллер двигателя при увеличении дросселирования просто смещает зажигание в сторону ВМТ — соответственно «климатические» условия в «камере сгорания» на момент зажигания остаются по прежнему идеальными и сгорать топливо будет всё так же эффективно — ведь фактическая степень сжатия остаётся на постоянном уровне. Поскольку при этом фактический объём камеры сгорания уменьшается — то получается некая версия двигателя с переменной постоянной степенью сжатия и переменным объёмом «камеры сгорания», но без заумных механизмов.
3). Коэффициент передачи КШМ.
По мере прикрытия дросселя процесс сгорания смещается в зону ВМТ — потому передаточная характеристика КШМ стремительно ухудшается. Но поскольку зажигание осуществляется исключительно после ВМТ — отрицательной работы никогда не производится.
Чем выше степень сжатия двигателя — тем дальше от ВМТ осуществляется сгорание топлива на всех режимах — тем меньше дросселирование влияет на КПД.
А вот и у обычных «бензинок» и у «бензинок» с переменной степенью сжатия эта характеристика НАИХУДШАЯ всегда — потому как процесс сгорания всеми правдами-неправдами упорно загоняют в область верхней МЁРТВОЙ точки…
Вот график степени сжатия, который является оптимальным для «бензинки» с точки зрения производителей на разных режимах:
На самом деле УЖЕ существуют двигатели с изменяемой до 18 степенью сжатия — это косвенно говорит о том, что на холостом ходу при максимальном дросселировании желательна геометрическая степень сжатия в районе 20 и выше.
На самом деле в этих двигателях повышенная степень сжатия только нивелирует дросселирование — параметры сгорания остаются одинаковыми на всех режимах двигателя, но это приводит к улучшению характеристик двигателя максимально только на холостом ходу(до 30%) и незначительно — на частичных нагрузках. Чем выше нагрузка на такой двигатель — тем меньше толку от системы регулирования степени сжатия.
У двигателя повышенной степени сжатия КПД растёт не только за счёт оптимального сгорания топлива на всех режимах работы двигателя, но и за счёт более эффективного преобразования давления газов в момент на коленвалу за счёт смещения сгорания подальше от ВМТ. И чем выше степень сжатия — тем больше выигрыш.
Такие устройства как турбина увеличивают фактическую степень сжатия, но у двигателя повышенной степени сжатия это требует только дополнительной корректировки опережения зажигания в ещё более позднюю сторону — что ещё дополнительно улучшает эффективность КШМ. У такого двигателя наддув ограничивается совсем не детонацией…
За счёт того, что момент на коленвалу нарастает лавинообразно по мере уменьшения дросселирования — приспособляемость такого движка должна быть колоссально высокая. Как у парового двигателя, если Вы понимаете о чём я. Этому двигателю не нужно удваивать обороты, чтобы удвоить мощность — он просто сам будет проситься ездить «внатяг» с полностью открытым дросселем…
Справедливости ради хочу сразу сказать, что точность регулировки момента начала воспламенения нужна гораздо более высокая. У «обычного» двигателя зажигание осуществляется вблизи ВМТ — соответственно при смещении зажигания на 15 градусов фактическая степень сжатия изменится всего на 4-15%. В двигателе со СС=26 такая же ошибка в моменте зажигания при ПОЛНОСТЬЮ ОТКРЫТОМ ДРОССЕЛЕ приведёт к изменению фактической степени сжатия на 60-70%…
Что я ещё могу добавить из высшей математики?
Есть такая штука как закон сохранения энергии.
Согласно ему если мы значительно увеличиваем КПД двигателя — то помимо резкого увеличения вырабатываемой мощности мы также резко уменьшаем тепловыделение. Соответственно снижается теплонагруженность некоторых узлов дрыгателя, температура выхлопных газов, и вообще нагрузка на систему охлаждения в целом.
Думается всем понятно, что низкая температура выхлопных газов связана совсем не с высокой степенью сжатия подобного двигателя. Высокая степень расширения у двигателя с повышенной степенью сжатия — такая же дурь фикция, как и сама «степень сжатия». Ну не в степени сжатия(расширения) дело, а в том, какую часть энергии сгорания вы преобразуете в РАБОТУ!
Механические нагрузки на КШМ при повышении степени сжатия перераспределяются странным образом.
На холостом ходу нагрузки повышаются. Даже стартер такому двигателю нужен в разы более мощный. Но из-за дросселирования сами нагрузки на ХХ и близко не приближаются к максимально допустимым для КШМ обычной «бензинки».
На максимальной мощности ДВИГАТЕЛЯ пиковые МАКСИМАЛЬНЫЕ нагрузки на КШМ возрастают незначительно — ведь ДАВЛЕНИЕ сгорающих газов(как и расход топлива) абсолютно не меняется. При этом с КОЛЕНВАЛА момент пойдёт до двух раз выше и вот тут уже возможны узкие места…
В среднеэксплуатационном режиме при прежней нагрузке на ДВИГАТЕЛЬ нагрузки на КШМ значительно СНИЖАЮТСЯ и потому ресурс КШМ должен существенно возрасти.
Как вытянуть подобные характеристики с обычного, уже имеющегося двигателя ничего особо не пиля и не строгая — поговорим в следующей статье.