(Данные табл. 24-а со стр. 183 для двигателя с ε=10 с tраз=47,5% противоречат данным табл. со стр. 193 того же двигателя с tраз=39,8%. В этом случае разница выходит не 21%, а 33,7%).
Т.е. получается, что во всем виноваты трехатомные газы, которые принимают примерно на 25% больше теплоты, чем отдают. Но в таком случае возникает вопрос: Почему те же трехатомные газы не делают этого в дизельном двигателе? Ведь моделирование и математический расчет двигателя со смешанным подводом теплоты укладываются в рамки допустимых погрешностей и сомнений ни у кого не вызывают.
Как следует из описания, «разомкнутый цикл» И.М. Ленина отличается от термодинамического замкнутого цикла только одним признаком: в «разомкнутом цикле» в отличие от второго сменяется рабочее тело. Причем в «разомкнутом цикле» цикле из-за большей теплоемкости трехатомных газов рабочее тело уносит с собой больше теплоты, чем во втором случае отдает холодному источнику. Но эта особенность теоретического цикла ДВС всем известна и при расчетах разница в теплоемкостях корректируется через значения k, n1 и n2. Т.е. какое количество не использованной теплоты из термодинамической системы удаляется скурпулезно учитывается, а потому каким способом это делается, не имеет значения.
Но главный аргумент несостоятельности аргументов И.М.Ленина в том, что если применить его правила к теоретическому циклу со смешанным подводом теплоты (дизельного двигателя), то термический КПД последнего окажется ниже, чем индикаторный и даже эффективный КПД действительного цикла!!!
А.Н. Воинов тоже отмечает странные особенности теоретического цикла со сгоранием при постоянном объеме: «...рост индикаторного КПД с повышением степени сжатия может существенно отставать от увеличения термического КПД теоретического цикла со сгоранием при постоянном объеме и неизменном составе смеси согласно формуле t=1-1/εn-1, где n=1,25 (рис. 84, кривая 1)».
Это действительно так, но «Достигаемый при этом выигрыш в относительных значениях максимальных i, отвечающих минимумам индикаторных удельных расходов топлива по регулировочным характеристикам при различных степенях сжатия для ряда серийных двигателей показан на рис. 84 заштрихованной зоной 4. Видно, что увеличение топливной экономичности оказывается существенно большим с ростом степени сжатия теоретически возможного при неизменном составе смеси». (стр.169, выделено мной). Как видно из диаграммы на рис. 84, при увеличении степени сжатия от 6,5 до 9 рост термического КПД (кривая 1) по формуле t=1-1/εn-1 составляет 1,12, а двигатели на стенде (кривые 4) показали увеличение i соответственно на 1,15 и 1,19.
Но извините. Если увеличение топливной экономичности действительного цикла оказывается существенно большим теоретически возможного, то чем такая теория отличается от народных сказок?
(Комментарий. После издания предыдущего сборника указанный вопрос вызвал у некоторых теоретиков сильнейшее негодование. В дискуссиях автор просил дать ответы на вопросы: 1. Если основная фаза тепловыделения завершается в точке Рz, почему продолжается интенсивный рост температуры до точки Тz? Почему трехатомные газы ведут себя в бензиновом и дизельном двигателях по-разному? Почему построенные автором бензиновые двигатели с «сумасшедшими», по их мнению, степенями сжатия работают без детонации? Чем формула расчета термического КПД теоретического цикла с подводом теплоты по V=const отличается от аналогичной формулы идеального цикла V=const? Какими признаками теоретический цикл бензиновых двигателей отличается от идеального цикла V=const? Автор заявлял, что если будут даны аргументированные ответы на поставленные вопросы, он откажется от своего заявления. Но на эти и другие вопросы никто не ответил. Автора обвинили в амбициозности и незнании законов термодинамики).
Когда же дело доходит до расчетов, И.М. Ленин отходит от суждений о «разомкнутом цикле» и непонятной теплоемкости трехатомных газов, пользуется общепринятыми значениями показателей k, n1 и n2. Рассчитывая влияние ввода теплоты в количестве QТ на давление и температуру цикла при разных степенях сжатия приходит к выводам, которые будут исследованы ниже.
Но истинная причина расхождений между расчетными и действительными показателями цикла с подводом теплоты при V=const заключается другом. На это, между прочим, при переходе к анализу действительных циклов, косвенно указывают сами ученые.
«Продукты сгорания, образующиеся во фронте пламени, расширяются вследствие разогрева в 3,5-4 раза (в зависимости от начальной температуры) по сравнению с объемом сгоревшей смеси». (Д.Н. Вырубов, стр. 139)
(Комментарий: «В пределах этого фронта в основном завершаются выделение теплоты и превращение свежей смеси в продукты сгорания» (там же, стр.138).
Это подтверждает и А.Н.Воинов (стр. 164). «Исходя из полного повышения давления при сгорании λ =Рz/Рс=3,5 и принимая во внимание, что доля сгоревшего заряда х пропорциональна относительному повышению давления ∆Р/Рz-Рс, получим, что повышению давления на 1% от Рz отвечает х=∆Р/ Рz-Рс= 1,4%».
Чтобы убедиться сделаем расчет для ВАЗ-2110: ε=10, Рz=54 кг/см2, Рс=25 кг/см2, ∆Р=29 кг/см2. На момент положения поршня в 150 ПКВ после ВМТ х=29/56-25∙1,4=40,6%. Что-то слишком маленькая цифра для V=const.
Чтобы не быть обвиненными в манипулировании цифрами, обратимся к цифрам из расчета И.М. Ленина из таблицы, которая приведена ниже: ε=10, Рz=96 кг/см2, Рс=25 кг/см2, ∆Р=71 кг/см2. На момент положения поршня в 150 ПКВ после ВМТ х=71/96-25∙1,4=99,4%. Прекрасный результат. Но только, чтобы подтвердить его надо найти работающий бензиновый двигатель с ε=10 и Рz=96 кг/см2).
«Практика показывает, что в современных автомобильных двигателях наивысшая мощность достигается при выделении 50% тепла сгорания в пределах 10-12о угла поворота коленчатого вала после ВМТ, что отвечает положению точки максимума давления на индикаторной диаграмме приблизительно в 15о после ВМТ». (А.Н.Воинов, стр. 167, выделено мной).
«Как показали советские исследователи, в частности А.И.Толстов, период основного тепловыделения не ограничивается в ряде случаев моментом достижения максимального давления. Например, в двигателях с наддувом нередко более 50% топлива сгорает позднее». (Д.Д.Брозе, стр. 141).
(Комментарий: если в пределах 10-12о угла поворота коленчатого вала после ВМТ выделяется только 50% (а то и меньше) тепла, а остальные 50% (а то и больше) выделяется потом, то как быть с V=const)
«Благоприятные по экономичности показатели работы двигателя обеспечиваются на номинальном режиме при тепловыделении, начинающемся за 5-15 град до ВМТ, вызывающем равномерное повышение давления в интервале углов поворота коленчатого вала 15-30 град и в основном, завершающемся за 45-50 град. Теплоиспользование в действительном цикле с таким характером тепловыделения мало отличается от имеющего место в цикле с подводом теплоты при V=const, так как поршень у ВМТ движется с малыми скоростями и поэтому за время тепловыделения проходит малый путь. Так, если тепловыделение завершается через 35 град после ВМТ, то минимальная степень последующего расширения газов отличается от степени сжатия лишь на 11-12%. В действительности постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного в связи с уменьшением потерь теплоты в охлаждающую среду и механических потерь двигателя. (учебник МАДИ (ГТУ), стр. 171, т.1. Выделено мной).
(Комментарий: 1. Если «постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного», то почему не признать, что V=const является для ДВС невыгодным правилом. 2. Метод такого измерения степени изменения объема рабочего тела позаимствован у Д.Д. Брозе, который считает, что «...если φ меняется в пределах от –15 до 15, то перемещение поршня от НМТ в начале и конце сгорания будет составлять около 96,5% полного хода поршня» (Д.Д. Брозе стр. 5). А если считать во сколько раз увеличился объем камеры сгорания не относительно НМТ и хода поршня, а относительно ВМТ и Vс, то в данном конкретном случае «малый ход поршня» составляет 202% увеличения объема рабочего тела. Можно ли при таком изменении объема считать, что V остается =const?).
Таким образом, когда речь идет о действительных процессах, каждый ученый по своему приходит к выводу о том, что в зоне ВМТ сгорает не самая большая часть горючей смеси. Но стоит только заговорить о теоретическом цикле, как все единодушно начинают утверждать, что в фаза активного сгорания или видимого горения протекает в зоне малого изменения состояния рабочего тела, т.е. в ВМТ.
По данным всех источников начинается фаза активного сгорания с момента отрыва линии сгорания от линии сжатия без горения, завершается при Рmaх при достижении фронтом пламени стенок цилиндра, т.е. когда исчезает пламя. По данным А.Н. Воинова коэффициент активного тепловыделения ξ (т.е. отношение количества теплоты, использованной на повышение внутренней энергии рабочего тела в данный момент к общей располагаемой теплоте сгорания Qт введенного в цилиндр топлива) в точке Рmaх составляет ξ ≈ 73% (Слишком завышенная цифра, но пока согласимся). При φ ≈ 50о после ВМТ ξ ≈ 87%.
В то же время согласно индикаторным диаграммам (см. выше рис. 43 и 47) точка Тmaх достигается значительно позже после Рmaх. Причем в диаграммах и дизельного и бензинового двигателей динамика роста кривой температуры одинаковая. 2/3 от величины ∆Т достигается в точке Рmaх, а 1/3 увеличения величины ∆Т достигается от точки Рmaх до точки Тmaх. В рассматриваемом на рис.81 случае Тmaх достигается на 11о позже точки Рmaх, т.е. в 26о после ВМТ. (А.Н. Воинов, стр. 166).
(Комментарий к рис. 81: Для расчета приводимых цифр используются диаграммы на рис. 43 и 47 (Д.Н. Вырубов, стр. 151 и 155) т.к. диаграмма α на рис. 81 для двигателя ГАЗ-21 с ε=6 неправильная. Как видно из диаграммы, на момент отрыва линии сгорания от линии сжатия без сгорания температура составляет 1000оК, а давление (???) 1 кг/см2. При положении поршня в ВМТ температура составляет 1350оК, а давление (???)-10 кг/см2. Так не бывает. Диаграмма приводится для демонстрации моментов Рmaх и Тmaх, которые отображены относительно правильно).
В связи с этим возникает вопрос: если основное количество смеси сгорело в предшествующий точке Рmaх период (в период видимого сгорания), то чем тогда объяснить, что температура Тmaх достигается значительно позже? Тем более, что указанная фаза (период до Рmaх) приходится на период малого изменения объема рабочего тела. А вот в период прохождения поршнем расстояния между точками Рmaх и Тmaх ему для совершения работы передается существенное количество теплоты. И тем не менее, температура интенсивно продолжает расти. В данном случае (рис. 43 и 47) увеличилась примерно на 5000С.
Для объяснения этого явления могут быть выдвинуты 2 версии: 1. Между моментами выделения теплоты и нагреванием рабочего тела лежит временной отрезок. Если бы таковой был, можно было назвать его «периодом задержки нагревания рабочего тела». 2. Или же наиболее интенсивное горение и тепловыделение происходят на участке диаграммы, центром которой является точка Тmaх.
Поскольку никаких оснований полагать, что есть еще и «период задержки нагревания» не имеется (хотя она ничем не хуже идеи «разомкнутого цикла»), придется согласиться со вторым вариантом ответа. О том, что наиболее интенсивное тепловыделение происходит после того, как фронт пламени дошел до стенок цилиндра.
Это подтверждается и рис. 77 (стр. 160, А.Н.Воинов). Представим, что на нем изображена картина двигателя ВАЗ-2110, в котором в 140 поворота коленчатого вала после ВМТ завершилось распространение фронта пламени и достигнуто значение Рz.
Введем данные из опытов Н.В.Иноземцева и В.К.Кошкина, на которые на стр. 125-126 ссылается А.Н.Воинов: n=1500 об/мин, uт=18 м/с, глубина зоны горения δт=25 мм. Диаметр поршня 82 мм. Значит, в диаметре 32 мм в центре камеры сгорания процесс сгорания в основном завершился. Примем к сведению, что интенсивность тепловыделения подчиняется следующей (А.Н.Воинов, стр. 126) экспериментально установленной закономерности выгорания смеси с равномерным стехиометрическим составом смеси:
Таблица 77-а
Аналогичная закономерность установлена и другими исследователями. В частности, Д.Д.Брозе ссылается на исследования процесса сгорания в бомбе Льюиса и фон Эльбе (рис. 20 стр. 27), которыми было установлено, что основная часть заряда вследствие поджатия горючей смеси продуктами сгорания смещается к стенкам и смесь в бомбе сгорает в соответствии с приводимой диаграммой. Как видно из нанесенной автором координатной сетки, примерно, за последние 20% времени от всего времени сгорания, в бомбе сгорает, примерно, 80% от всего количества смеси.
Если произвести расчет согласно рис. 77 схемы мгновенных положений фронта пламени и методике используемой А.Н.Воиновым, то выходит следующая картина:
    
В момент, когда фронт пламени дошел до стенок цилиндра, в объеме смеси в количестве (8,04 см2 х 0,9544 см) 7,67 см3 (18% смеси) активная фаза горения завершилась и там идет процесс догорания остатков компонентов горючей смеси. В остальной части смеси количеством (44,76 см2 х 0,9544 см) 42,72 см3 (82% смеси), охваченной процессом сгорания, происходят процессы: 1) В пограничном с выгоревшей зоной слое смеси идет процесс, интенсивность которого соответствует концу таблицы. 2) В слоях смеси у стенок цилиндра только начался процесс горения и его интенсивность соответствует началу таблицы, 3) Если учесть, что в результате поджатия выгоревшей зоной, основное количество смеси сместилось к стенкам цилиндра (см. расчет А.Н.Воинова на стр. 167-168, из которого следует, что в пристеночном слое толщиной всего 0.5 мм заключено 18% смеси), то окажется, что на данный момент в продукты сгорания превратилось меньше (примерно 45%) половины горючей смеси. Следовательно, через 11о (рис.81) поворота коленчатого вала после точки Рmaх процесс тепловыделения у стенок цилиндра приобретает интенсивность, соответствующую данным конца таблицы Н.В.Иноземцева и В.К.Кошкина и диаграммы Д.Д. Брозе. Поэтому температура растет, несмотря на начавшийся активный процесс расширения.
Таким образом, научная литература утверждает: 1. В момент, когда фронт пламени дошел до стенок цилиндра, в цилиндре создается максимальное давление Рmaх. 2. В момент, когда фронт пламени дошел до стенок цилиндра, основная фаза сгорания считается законченной. 3. В момент, когда фронт пламени дошел до стенок цилиндра, там в сравнительно небольшом слое в результате поджатия оказывается сосредоточенной не меньше половины горючей смеси!!!
Если верить выводам классиков теории, как только смесь сосредоточенная в пристеночном слое, вовлекается во фронт пламени, сгорание заканчивается. Но экспериментальные данные утверждают, что все обстоит совершенно иначе: как только смесь сосредоточенная в пристеночном слое, вовлекается во фронт пламени, сгорание становится наиболее интенсивным. До этого момента процесс тепловыделения развивался с нарастающей скоростью, путем вовлечения во фронт пламени все большего количества смеси. В указанный момент, за относительно короткий по сравнению с предшествовавшим периодом отрезок времени, во фронт пламени оказывается одновременно вовлеченной, примерно, половина смеси. Поэтому температура растет, несмотря на начавшийся процесс интенсивного расширения и падения давления.
Из этого следует, что в действительном цикле двигателя с внешним смесеобразованием, как и в цикле дизельного двигателя, основное количество теплоты выделяется не в зоне ВМТ, а на расширении.
(Комментарий: «Процесс видимого сгорания, связанный с выделением тепла, повышением температур и давлений газов, находящихся в цилиндре, начинается в точке с׳ и оканчивается в точке z. Вследствие трудности определения момента окончания периода видимого сгорания условно принимают за конец сгорания момент достижения наибольшего давления газов, т.е. точку z индикаторной диаграммы». (И.М.Ленин, т.1.стр. 96).
«Участок сz называется периодом видимого сгорания». (Д.Н.Вырубов. стр. 161).
«За границу раздела между второй и третьей фазами можно условно принимать момент достижения максимального давления на индикаторной диаграмме. Сгорание в этот момент еще не закончено». (А.Н.Воинов. стр. 164).)
В изученных работах встречаются такие определения момента завершения периода наиболее активного сгорания: «окончание видимого сгорания», окончание «распространения фронта пламени», «фронт пламени дошел до стенок цилиндра» «исчезновение видимого пламени». При этом все авторы указывают на то, что точно определить указанный момент затруднительно. Чтобы привязать период быстрого сгорания к координатам цикла все единодушно считают, что моментом окончания явления подразумеваемого под перечисленными терминами является момент достижения максимального давления цикла.
Наиболее подробное описание механизмов формирования, распространения фронта пламени и сгорания горючей смеси дано у А.Н.Воинова и Д.Д.Брозе. Но и у них не дается точных сведений о том, как связаны между собой момент окончания распространения фронта пламени, момент, когда пламя перестает быть видимым, и момент окончания сгорания. В частности, из приведенных выше ссылок на опыты Н.В.Иноземцева и В.К.Кошкина следует, что в момент, когда фронт пламени дошел до стенок цилиндра, глубина зоны горения составляла δт=25 мм. Не ясно, каким образом эта глубина была установлена. Если зона горения перестала быть видимой, значит эта величина расчетная. Но если же эта глубина была определена методом фоторазверстки, т.е. путем наблюдения и фотографической фиксации, то стало быть, период видимого сгорания не закончился, а наоборот сгорание стало наиболее интенсивным.
Д.Д.Брозе считает, что между видимым пламенем и сгоранием имеется разница и делает следующее уточнение: «Наблюдается видимая скорость, которую назовем для большей точности изложения видимой скоростью пламени (не «сгорания»)» (стр. 24). «...стенки не омываются горячими газами до момента, когда сгорание заканчивается» (стр. 29), «...турбулентность вызывает перемещение заряда на значительно большее расстояние, и горящий элемент газа проносится, как факел вдоль этого пути, вызывая повсюду развитие молекулярного процесса» (стр. 34).
Экспериментами автора с бензиновым двигателем с ε=20,5 на стенде установлены следующие соотношения: n=2000 об/мин, распространение фронта пламени от очага начинается в ВМТ, фронт пламени доходит до стенок примерно в 15-180 ПКВ. За это время сгорает примерно 18-20% горючей смеси, температура увеличивается от 670-7000С в ВМТ до 1100-11500С на момент окончания распространения фронта пламени. Смесь в период распространения фронта пламени не поджимается к стенкам (иначе были бы детонации), сгорание основного количества смеси (примерно 80%) происходит в период от 15-18 до 30-350 ПКВ.
Поэтому действительно ли наиболее активная фаза сгорания проходит без видимого горения или пламени, утверждать трудно. Можно выдвинуть только следующее предположение.
Если только процесс сгорания между точками Рz и Тz происходит в отсутствие видимого пламени то, можно сказать, что видимое человеческим глазом горение не является обязательным признаком наличия цепной реакции. Особенно наглядно это проявляется при ламинарном двухстадийном процессе горения. В горючей смеси при повышении температуры свыше некоторых пределов образуются относительно нестабильные перекисные соединения, которые начинают разлагаться при их накоплении в достаточно высоких концентрациях. Распад перекисей сопровождается выделением теплоты и появлением сине-фиолетового свечения, так называемого холодного пламени, отчетливо различимого визуально в темноте. При дальнейшем повышении температуры (выше 5000С) распад и свечение прекращаются т.к. при высоких температурах образование и существование перекисей становится невозможным. Дальнейшее нагревание смеси происходит без излучения света, в ней развиваются предпламенные реакции высокотемпературного механизма воспламенения и только потом появляется «горячее» пламя. Если исходить из того, что в дальнейшем видимое пламя исчезает, но рост температуры продолжается, то можно сделать вывод о том, что при сгорании углеводородо-воздушной смеси появление «горячего» пламени является признаком начала высокотемпературного механизма цепной реакции, а ее исчезновение-признаком перехода цепной реакции к быстрой, еще более высокотемпературной, фазе.
Согласно приведенным таблицам и расчетной индикаторной диаграмме И.М.Ленина у двигателя ВАЗ-2110 с ε=10 при коэффициенте активного тепловыделения ξ=1 показатели температуры и давления в ВМТ должны быть Тz=3380К, Рz=96 кг/см2. Но действительный цикл ВАЗ-2110 имеет Рz=54 кг/см2, а не 96 кг/см2. И оно достигается не в ВМТ, а примерно в 15о ПКВ после ВМТ, когда поршень совершил ход в 1,564 мм при величине λ=2,33. Это означает, что в указанной точке ξ не равен единице, а имеет значение ξ =0,5535 (с учетом совершенной газами работы).
тате этого максимальное давление цикла также возрастает:
Степень сжатия . . 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
Макс.темп. К .. . . 3110 3165 3215 3260 3305 3345 3380
Макс.давл.,кг/см2 35,8 45,3 55,2 64,8 74,6 85,5 96,0
(И.М. Ленин, стр. 16-17, т.1)
«при расчетном определении неизбежны условные допущения, часто периоды 3 и 4 объединяют в один период-догорания, и считают концом этого периода точку в процессе расширения, в которой количество теплоты, выделяющейся в результате догорания топлива, равно количеству теплоты, отводящейся в стенки цилиндра (квазиадиабатическая точка)». (Д.Н. Вырубов, стр. 153. Выделено мной.).
Временно проигнорируем приведенную цитату и примем допущение, что тепловыделение продолжится с той же интенсивностью и завершится без догорания в момент достижения величины ξ=1. В этом случае объем камеры сгорания должен увеличиться с VРz=9,544 мм до VТz=17,24 мм, что соответствует 37о ПКВ после ВМТ и величине ρ=2,16. Но использовать такие значения степеней предварительного расширения и повышения давления и пользоваться формулой t=1-[λρk -1/εk-1[(λ-1)+kλ(ρ-1)] означает отказаться от главного, фундаментального положения цикла двигателя с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием о том, что теплота вводится при V=const и величина показателя ρ=1 . Но если проигнорировать и это положение и рассчитать термический КПД при указанных значениях λ и ρ, используя формулу цикла со смешанным подводом теплоты, то у теоретического цикла бензинового двигателя с ε=10 показатель термического КПД будет равен t50%, а не 60%, которые дает формула цикла с V=const.
(Комментарий: Подобно И.М.Ленину многие пытались выяснить причину расхождения между термическими КПД теоретического расчетного цикла с подводом теплоты при V=const и цикла со смешанным подводом теплоты. Была создана методика сравнения параметров идеальных и действительных циклов. В частности, связь между t и i установили через относительный КПД о, учитывающий все потери в действительном цикле, не учитываемые в идеальном цикле (см. монографию Д.А. Портнова «Турбопоршневые двигатели»). Согласно этой теории t = i. о. Но и эта методика также лопается, как мыльный пузырь, при постановке вопроса: почему при равных степенях сжатия термический КПД теоретического смешанного цикла меньше, чем у цикла с V=const?).
|
