Двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дагестанский государственный технический университет»

Ибадуллаев

Гаджикадир Алиярович

БЕНЗИНОВЫЙ

Двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия

Махачкала 2007 г.

Печатается по решению Ученого совета ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», протокол №10 от 28.06.2007 г.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия / Ибадуллаев Г.А. – Махачкала: ДГТУ, 2007.

В настоящем издании изложены результаты теоретических исследований автора в области повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены возможности повышения коэффициента полезного действия двигателей за счет увеличения степени сжатия рабочей смеси.

Брошюра может представлять интерес для производственников и научных работников, занимающихся вопросами двигателестроения.

Рецензент: доцент кафедры ТК и САПР ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», к.т.н. Тынянский В.П.

Содержание

Введение
.. 4

Особенности работы ДВС по циклу Карно (размышления и выводы)
6

Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия
.. 22

ДВС и цикл Карно
.. 31

Заключение по результатам стендовых испытаний двигателей
.. 38

ПРОТОКОЛ РАСШИРЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕТА МАХАЧКАЛИНСКОГО ФИЛИАЛА МАДИ (ГТУ)
……………………………………40

ЗАКЛЮЧНИЕ
……………………………………………………………………..44

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
…………………………………………………………………...45

Введение

Первая официальная демонстрация работы бензинового двигателя Ибадуллаева Г.А. со степенью сжатия 21,5 профессорско-преподавательскому составу Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ) была проведена в июне 2006 года. Затем была совместная демонстрация профессорско-преподавательскому составу МФ МАДИ и механического факультета ДГТУ.

В феврале 2007 года Ибадуллаев Г.А. продемонстрировал профессорско-преподавательскому составу МФ МАДИ (ГТУ) обкатанный на автомобиле новый бензиновый двигатель со степенью сжатия 24,5 (фактически почти 25) с давлением сжатия 37 (фактически 37,5). После этого нами было составлено заключение, которое публикуется в настоящей брошюре.

Ибадуллаев Г.А. по образованию юрист. В 1980 году с отличием окончил юридический факультет ДГУ. С того времени по май 2006 года работал следователем в органах прокуратуры Республики Дагестан. Ушел в отставку по выслуге лет в чине старшего советника юстиции.

Более 200 лет расчеты Карно будоражили творческую мысль ученых, практиков и изобретателей. Особый расцвет поиски решения «идеального» двигателя по Карно получили после изобретений Р.Дизеля. Шли десятилетия. Труды огромной армии ученых и изобретателей результатов не давали. В дальнейшем мир науки в области двигателестроения постепенно, если так можно выразиться, пришел в уныние. Казалось, что такого решения в природе не существует.

Более 100 лет назад Пуанкаре поставил перед учеными задачу. До недавнего времени считалось, что она не имеет решения. Год назад задача была решена. Оказалось не все, что нам кажется неразрешимым, на самом деле является таковым.

Увидев в первый раз двигатель, я испытал ощущения, очень близкие к шоку. На тот момент двигатель имел степень сжатия 20, давление сжатия 27 кг/см2
. По внешнему виду почти ничем не отличался от обычного двигателя. Ибадуллаев Г.А. с удовольствием катал на машине всех желающих, демонстрировал динамику разгона. Имея представление о том, какие мощные автоконцерны, какое множество институтов и ученых в течение целого столетия с лишним пытались бороться с детонациями, не верилось, что фантастика, благодаря юристу, превратилась в реальность.

Суть теоретических утверждений Ибадуллаева Г.А. заключается в том, что в его цикле сжатие рабочего тела до сверхвысокого давления Р1
осуществляется без ввода тепла. Тепло вводится в начале расширения при постоянстве давления Р1
. Достигается это путем синхронизации скоростей увеличения объема рабочего тела и объема камеры сгорания.

Если следовать логике процесса горения, объяснение не только правильное, но и единственно возможное. Если давление Р1
будет падать, интенсивность горения замедлится и двигатель не будет эффективным. Если будет расти, интенсивность горения возрастет и возникнут детонации. Если давление будет постоянным, интенсивность горения будет стабильным. Работа двигателей показывает, что его утверждения не есть плод фантазии, а есть реальный переворот в теории ДВС.

Цикл Ибадуллаева Г.А. по теоретической значимости равнозначен циклу Карно. По практической применимости и пользе, которую принесет для человечества, его значимость вообще трудно оценить.

Декан автомобильного факультета

МФ МАДИ (ГТУ),

кандидат технических наук, доцент М.М. Фатахов

Особенности работы ДВС по циклу Карно

(размышления и выводы)

Первые 80 лет (с 1824 года) своего возникновения и развития теория теплового, а затем двигателя внутреннего сгорания базировалась на положениях о том, что правильно устроенный и правильно работающий двигатель должен иметь КПД в районе 70-80%. Так считали Карно, Отто и Дизель.

В работе «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» Р.Дизель дал описание устройства и принципа работы ДВС построенного по «циклу Карно». Первоначально Дизель исходил из того, что на цикле адиабатного сжатия воздух сжимается до давления 90 кг/см2
и температуры 900* С, затем на цикле изотермного расширения плавно вводится тепло и при указанной температуре должно произойти изотермное, затем адиабатное расширение. При этих условиях КПД ДВС должен был составить 73%.

Однако построенный двигатель показал, что он допустил ошибки в расчетах. Затраты тепла на сжатие воздуха были столь велики, что превышали мощность двигателя. Но после снижения давления сжатия до 35 кг/см2
двигатель показал результаты, которые на тот момент считались фантастическими.

С моих позиций Р.Дизель при разработке идеи и конструкции своего двигателя допустил ошибки частного характера, но сама идея была правильной. К тому же создание «идеального» двигателя на тот момент было невозможно по объективным причинам, поскольку: а) Отсутствовали достаточные знания о характере термодинамических процессов, происходящих в ДВС. б) Не было соответствующей технической базы для построения такого двигателя.

В течение последующих 70 лет эти недостатки в теории и практике двигателестроения постепенно устранялись. Совершенствовалась техническая база двигателестроения, использовались все более совершенные материалы и технологии, улучшались детали, узлы, механизмы ДВС, были внедрены компьютерные программы управления работой ДВС. Все это в совокупности позволило довести механическую составляющую ДВС, практически, до совершенства. Механический КПД лучших ДВС составляет, примерно, 80% и дальнейшие работы по совершенствованию его конструкции сколько-нибудь заметных результатов не дадут.

Все известные автомобильные концерны и институты, специализирующиеся на проблемах ДВС, проводили работы с целью выявления зависимости между степенью сжатия ДВС и эффективностью его работы и исследования характера термодинамических процессов, происходящих в ДВС.

Проводились и многочисленные опыты по повышению степени сжатия ДВС. Но эти работы имели отрицательный результат. Опираясь на этот отрицательный результат, теория ДВС приняла, как аксиомы, утверждения о том, что степень сжатия бензинового двигателя не может быть выше 14. Что наиболее эффективная степень сжатия дизельного ДВС находится в районе 17-23, а при степени сжатия 40 он становится равным нулю. Специалисты и теоретики настолько утвердились в правильности этих положений, что на данном этапе малейшие попытки усомниться в них вызывает резко отрицательную реакцию.

Тем не менее, к 80-м годам 20-го столетия были созданы все технические и технологические предпосылки для создания нового типа ДВС со сверхвысокой степенью сжатия, который работал бы на основе принципов заложенных в теорию первоначально.

Парадокс ситуации заключается в том, что приведенные выше положения по поводу предельных степеней сжатия ДВС не имеют под собой теоретической аргументации в виде формул и расчетов, они возникли и существуют на основе отрицательной практики. Кто не согласен с этим, пусть представит формулу, из которой следовало бы, что степень сжатия бензинового или дизельного двигателей может быть ограничена конкретным числом.

Если какие-то положения теории являются правильными (т.е. соответствующими законам термодинамики), то построить работающий двигатель вопреки этим положениям не возможно. Но если такой двигатель построен и работает, значит, положения теории не соответствуют действительности и, следовательно, их надо менять.

Ознакомление с положениями современной теории ДВС приводит к следующим выводам:

1. Аргументировано излагаются законы термодинамики, теплотехники и позиции основоположников теории.

2. Абстрактно излагаются принципы работы современного ДВС. Вопросы зависимости характера термодинамических процессов, протекающих в ДВС, от степени сжатия, взаимосвязи между КПД двигателя и степенью сжатия освещаются столь туманно, что никто, никогда не поймет, что надо сделать для того, чтобы повысить КПД ДВС.

3. Абстрактность и отвлеченность освещения проблемы столь далеки от реальных процессов, которые в ДВС происходят, что современная теория ДВС оказалась не в состоянии правильно оценить сложившиеся в последние годы в практике двигателестроения тенденции и дать правильное решение вопроса. По этой причине индикаторный КПД ДВС со времен Р. Дизеля, практически, не изменился. Сомнения в этом возникают, в частности, из-за следующих вопросов:

1. В теории вообще не рассматривается вопрос о том, можно или нельзя ставить знак равенства между воздухом, который в ДВС используется в качестве рабочего тела и рабочим телом, которое участвует в цикле Карно или в цикле Стирлинга. Если следовать логике указанных циклов рабочее тело является субъектом процесса, в котором он принимает в себя тепло, и в ходе расширения преобразует его в механическую работу. При этом рабочее тело ни в целом, ни своими составными частями в создании тепла не участвует, количество и химический его состав не меняются. Поэтому в него можно вводить столько тепла и в такой последовательности, что создается возможность поддержания температуры Т1
в заданном интервале отрезка расширения и установления наиболее эффективного соотношения между изотермным и адиабатным частями расширения.

Воздух содержит примерно 20.5% кислорода. В ДВС он окисляет углеводород, т.е. является одним из двух участников процесса создания тепла. После завершения процесса создания тепла рабочее тело имеет другой химический состав и другое количество. Из 3-х молекул кислорода при окислении углеводорода образуется 1 молекула двуокиси углерода СО2
(газ) и 1 молекула воды (жидкость). При равных массах объем водяного пара в 6.5 раз меньше, чем газа, предельная его температура ограничена. Присутствуя в продуктах горения в виде пара, вода влияет и на температуру и на объем рабочего тела.

Помимо этого, количество поступившего в цилиндр кислорода определяет и количество топлива, которое он может окислить. Т.е. в ДВС в рабочее тело не возможно ввести больше топлива, чем кислород в состоянии окислить. Для наглядности того, что сказано такой пример:

ДВС, в котором в качестве топлива используется водород, имеет худшие эффективные характеристики, чем бензиновый. Возникает вопрос, почему?

Ответ: для окисления 1 молекулы кислорода требуется 2 молекулы водорода. Т.е. при наполнении цилиндра смесью воздуха и водорода, последний, т.е. водород, занимает 41% объема цилиндра. Иначе говоря, водород в цилиндре двигателя на 41% уменьшает объем рабочего тела, а соответственно и количество тепла, которое в него можно ввести.

Кроме этого, при окислении 3 молекул газа (2 молекулы водорода и одна молекула кислорода) образуется 1 молекула жидкости. Бензин поступает в цилиндр, частично, в газообразном, частично, в жидком состоянии. Разница между объемами водорода и бензина при их поступлении в цилиндр образует разницу между объемами рабочих тел, которые цилиндр может принять, разницу между количеством тепла, которое в эти рабочие тела можно ввести и, в итоге, разницу между эффективными характеристиками двигателей (к указанной разнице необходимо добавить и уменьшение объемов кислорода и водорода вследствие превращения в водяной пар).

Теоретически «чистым» рабочим телом в ДВС можно считать только 79,5% нейтрального газа, содержащегося в воздухе. Отсюда следует, что:

В первом варианте: цикл Карно в чистом виде применим к двигателю с подводом тепла от внешнего источника. В этом случае рабочее тело не участвует в процессе создания тепла.

Или второй вариант: цикл Карно в чистом виде может быть применен к традиционным ДВС при условии дополнительного ввода окислителя и окисляемого вещества в ходе изотермного расширения.

Из этого следует, что: количество тепла, которое можно ввести в рабочее тело в традиционном ДВС, ограничивается количеством содержащегося в нем кислорода. Следовательно, расстояние и время периода тепловыделения в ДВС также ограничены. В виду этого, в традиционном ДВС длина линии изотермного расширения меньше чем в цикле Карно.

2. В теории нет ясности в понимании вопроса о продолжительности процесса тепловыделения и о том, какие факторы на него влияют.

С одной стороны утверждается, что с момента начала тепловыделения скорость распространения пламени- величина постоянная. Также утверждается, что процесс основной фазы тепловыделения имеет одинаковую скорость, т.е. и эта величина является константой.

С другой стороны при рассмотрении рабочего цикла бензинового ДВС продолжительность тепловыделения, почему-то, принимается за 50-55 градусов ПКВ. Если сопоставить первое и второе, получается полный абсурд.

Если рассмотреть рабочий цикл ДВС при частоте вращения 900 об/мин (15 об/сек) и принять за продолжительность тепловыделения 50*ПКВ, то по времени она составит 1/15:50/360=1/108 секунды. Если эта величина константа, то при частоте вращения в 6300 об/мин (105 об/сек) продолжительность тепловыделения по углам ПКВ должна составить 105/15х50*=350*ПКВ. Т.е. получается абсурд.

Если же допустить, что продолжительность тепловыделения составляет 50*ПКВ при 6300 об/мин, то получится, что при 900 об/мин она составляет 7*ПКВ, что также абсурдно (эти цифры становятся совершенно глупыми для двигателя с частотой в 18 тысяч оборотов в минуту).

3. Применительно к ДВС в теории считается, что чем выше степень расширения, тем меньше температура выхлопа и выше КПД.

Есть понятия геометрической и действительной степеней сжатия.

Геометрическая степень сжатия есть отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

Действительная степень сжатия есть отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

Степень сжатия рабочего тела при ограничении наполнения цилиндра в теории никак не обозначена. Так, при работе бензинового ДВС на холостых оборотах количество воздуха, поступающего в цилиндр, меньше, примерно, в 5 раз, чем при работе без ограничения наполнения, т.е. при работе на внешней скоростной характеристике. Фактическая степень сжатия рабочего тела при этом в 5 раз меньше. Но степень расширения остается такой же, как и при полном наполнении цилиндра. Т.е. разница между фактической степенью сжатия рабочего тела и его расширением увеличивается в 5 раз. Но пусть кто-то объяснит мне, почему температура выхлопа при этом не уменьшается в 5 раз.

Объяснение такое: При поступлении в цилиндр рабочее тело имеет свою температуру. При сжатии температура возрастает. При расширении она снова падает. Если процесс адиабатный, температура упадет до первоначальной величины. Если же процесс расширения сначала изотермный, затем адиабатный, температура созданная на части отрезка сжатия будет потеряна. Длина этого отрезка сжатия будет соответствовать длине отрезка изотермного расширения. Т.е., если длина отрезка изотермного расширения равна 50* по углу ПКВ, температура созданная работой сжатия на участке в 50* по углу ПКВ (поворота коленчатого вала) до ВМТ (верхней мертвой точки) поршня неизбежно уйдет с выхлопом.

Вывод: Если даже построить работу ДВС таким образом, что газы на рабочем такте будут расширяться до давления окружающей среды, их температура на выходе будет больше, чем на входе, на указанную выше разницу.

Однако указанная потеря незначительна по сравнению с выигрышем, который дает полный перевод отрезка изотермного расширения на рабочий такт ДВС путем повышения степени его сжатия. Это подтверждается следующими экспериментами:

За период с сентября 2002 года для проверки правильности своих представлений об устройстве ДВС мной были построены несколько экземпляров бензинового ДВС со степенями сжатия от 16 до 19,5. Первоначально эксперименты проводились на двигателе М-20 В-25 БМВ-525. В дальнейщем на ВАЗ-2111. В данный момент в наличии имеются построенные на базе двигателя ВАЗ-2111 четыре экземпляра бензинового двигателя объемом 1.6 литра (диаметр цилиндра 82.4 мм, ход поршня 74.8 мм, инжектор, распредвал стандартный, 8 клапанов, поршня и шатуны не заводские, использована сточенная стандартная ГБЦ с еще выполненными в ней выемками под поршня) с давлением сжатия при 420 об/мин от 23 до 28 кг/см2
.

Один двигатель с 03 октября 2003 года работает на стенде кафедры «Теплотехники и автотракторных двигателей» МАДИ, второй и третий на автомашинах ВАЗ-2110. Двигатель на стенде предварительно были обкатан на автомашине (5000 км). Пробег другого на данный момент составляет 32 000 км. Практически весь пробег (кроме обкатки) совершен на максимальных нагрузках. За время работы двигатели неоднократно разбирались для обследования их состояния. И каждый раз состояние гильз, поршней, колец оценивалось, как идеальное. Двигатели строились с использованием обычных материалов, в кустарных условиях, с использованием переделанных серийных деталей. Никакие специальные материалы и технологии не использовались. По мере совершенствования свечей, блока и катушек зажигания, электронной программы управления эффективные характеристики двигателей становятся все лучше.

Комментарий
:

Из-за конструктивных особенностей головки блока цилиндров ВАЗ-2111 возможности увеличения его степени сжатия ограничены. Так, расчеты показывают, что при степени сжатия 25 величина расточки ГБЦ должна составить 3 мм, что на 1/3 уменьшает толщину ее стенки. Давление сжатия в нем составит 36-40 кг/см2
. В ближайщее время, надеюсь, такой двигатель будет построен. Хотя есть опасения, что из-за сильного уменьшения толщины стенки головки блока ее может прорвать даже при замере давления сжатия.

Вместе с тем, расчеты показывают, что если бы у меня были соответствующие условия, не составит никаких проблем построить «идеальный» ДВС со степенью сжатия 51 (бензиновый или дизельный нет никакой разницы).

Для объяснения, почему для меня это стало возможным необходимо вернуться к истокам теории. В работе «Размышления о движущей силе огня» С. Карно описывает принцип работы гипотетического теплового двигателя. Цикл Карно состоит из термодинамических процессов, обеспечивающих наиболее полное превращение теплоты в работу. Изотермные процессы расширения и сжатия протекают при постоянных температурах Т1
и Т2
и, соответственно, они константы. Адиабатные процессы расширения и сжатия протекают без ввода и отвода тепла. Причем, поскольку адиабатное расширение совершается в положительной зоне работы, а адиабатное сжатие в отрицательной зоне работы цикла, они в сумме уравновешивают друг друга и влияния на результат работы и термический КПД цикла не оказывают (т.е не должны оказывать). Работа цикла есть разница между работой изотермного расширения и изотермного сжатия. Причем критерием оценки является количество введенного на расширении и отведенного на сжатии тепла. Цикл Карно имеет максимально возможный термический КПД в заданном интервале температур Т1
-Т2
и любой другой цикл в этом же интервале температур и энтропий приведет к уменьшению площади цикла и, следовательно, к уменьшению теплоты преобразованной в работу.

Следует сразу отметить, что сравнение работы ДВС с циклом Карно может носить только условный характер. Для соблюдения в работе ДВС «принципа Карно» необходимо на такте изотермного расширения подавать в цилиндр не только топливо, но и дополнительные порции кислорода. А поскольку этого не делается, разница между величинами температур начала расширения, максимальной температурой цикла и на момент окончания тепловыделения в реальном ДВС столь велика, что о величинах Т1
и Т2
в работе ДВС можно говорить лишь, как о неких средних, условных величинах.

Вместе с тем, осмысление процессов происходящих в цикле Карно дает возможность установить основополагающие принципы работы ДВС.

Для оценки характера происходящих в конкретном ДВС рабочих процессов необходимо брать за основу его рабочий цикл. При рассмотрении конкретного рабочего цикла ДВС следует исходить из того, что цикл совершается за определенный промежуток времени, масса рабочего тела составляет конкретную величину и в это рабочее тело можно ввести только конкретное количество тепла.

Т.е. при рассмотрении рабочего цикла ДВС применительно к циклу Карно константами следует считать массу рабочего тела и количество вводимого тепла.

Современная теория ДВС проводит подробный анализ индикаторной работы ДВС по его внешней скоростной характеристике. Анализ индикаторной работы ДВС в режиме частичных нагрузочных характеристик практически отсутствует. Между тем, ответ на вопрос о том, как повысить КПД ДВС и что сделать, чтобы он работал, дает анализ его работы именно в указанных режимах.

По циклу Карно путем адиабатного сжатия температура рабочего тела доводится до величины Т1
, после этого в рабочее тело вводится тепло и при сохранении температуры Т1
совершается процесс расширения. Во второй части расширения ввод тепла прекращается, процесс становится адиабатным. Температура рабочего тела от величины Т1
доходит до величины Т2
.

При использовании в качестве источника тепла углеводородного топлива до выделения тепла оно должно пройти стадию предварительной подготовки, которая включает в себя период формирования очага пламени (период задержки воспламенения) и стадию распространения пламени по фронту, т.е. указанный процесс занимает определенный промежуток времени.

Для обеспечения нормального прохождения рабочего цикла современного ДВС часть тепла в количестве Q2
для доведения температуры (соответственно и давления) до величины Т1
вводится при движении поршня к ВМТ. Угол начала ввода и количество необходимого тепла Q2
определяется массой участвующего в цикле рабочего тела. Остальная часть тепла (поскольку величины Q и Q2
для данного рабочего цикла становятся константами) в количестве Q-Q2
вводится на такте расширения.

На такте сжатия в бензиновом ДВС 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. Примерное соотношение воздействия этих факторов видно по данным, полученным с помощью программы расчетного моделирования для бензинового ДВС со степенью сжатия Е=10 (условно: ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 10 мм).

1. При угле начала тепловыделения в 15* до ВМТ температура смеси в конце такта всасывания 65* С, на момент начала тепловыделения температура 355* С, давление 15.5 кг/см2
, на момент ВМТ поршня температура 834* С, давление 33.2 кг/см2
.

2. При тех же вводных данных, но при угле начала тепловыделения в 0 градусов температура смеси в конце такта всасывания 65* С, на момент ВМТ поршня в конце такта сжатия температура смеси 385* С, давление 19.5 кг/см2
.

Т.е. увеличение температуры рабочего тела на 449* С и давления на 13.7 кг/см2
на такте сжатия получено за счет ввода тепла.

В виду этого такт сжатия в современном ДВС можно отнести к адиабатному лишь условно, поскольку увеличение температуры и давления рабочего тела совершается и путем сжатия и путем ввода тепла. А это приводит к нарушению следующих условий цикла Карно:

1. Условие равенства адиабатных циклов расширения и сжатия. Поскольку на завершающем отрезке такта сжатия в рабочее тело вводится тепло в количестве Q2
, цикл становится больше на количество отрицательной работы эквивалентной теплу Q2
.

2. Сокращается продолжительность и протяженность цикла изотермного расширения по углам ПКВ. Поскольку количество тепла Q, которое можно ввести в рабочее тело в ДВС является константой, то ввод части этого тепла в количестве Q2
на такте сжатия уменьшает его количество на цикле изотермного расширения до величины Q-Q2
. При этом для нейтрализации отрицательной работы, совершаемой теплом Q2
на такте сжатия, из оставшегося количества тепла Q-Q2
на такте расширения расходуется еще одно количество тепла Q2
, что существенным образом снижает КПД двигателя.

Применительно к работе современного ДВС в диаграмме цикла Карно отрезок такта адиабатного сжатия, на котором тепло в количестве Q2
вводится в рабочее тело, должен быть выделен в особый переходный сектор. Отрезок такта изотермного расширения по углам ПКВ должен быть уменьшен на величину Q2
. Соответственно этому либо величина Т1
должна быть уменьшена, либо величина Т2
должна быть увеличена на количество тепла 2Q2
и величину потерянной температуры Т. С учетом изложенного работа современного ДВС по циклу Карно может быть отображена в виде штриховой диаграммы на рисунке 1.

Признание массы m
рабочего тела константой означает, что в него не возможно ввести тепла больше, чем Q. А это означает, что в рабочем цикле современного ДВС без изменения массы рабочего тела не возможно удлинить протяженность цикла изотермного расширения.

В виду не совершенства устройства и принципа работы современного ДВС простое уменьшение угла тепловыделения приводит к ухудшению эффективных характеристик двигателя. Происходит падение температуры и давления топливно-воздушной смеси на сжатии, что отрицательно влияет на формирование и подготовку смеси к горению. При переходе к фазе активного горения на линии расширения объем камеры сгорания и, соответственно, расстояние на которое пламя должно распространиться оказывается слишком большим и топливо не успевает сгореть.

Попытки уменьшить угол тепловыделения, совмещая это с увеличением степени сжатия при сохранении устройства и принципа работы современного ДВС, также приводят к отрицательным результатам. При работе под нагрузкой такой двигатель разрушается меньше чем за 1 минуту.

Но если найти правильное решение вопроса, исключив ввод тепла в рабочее тело на такте сжатия, можно увеличить степень сжатия ДВС и существенно повысить его эффективность.

Суть равенства циклов адиабатного сжатия и расширения заключается в том, чтобы отрицательную работу, затраченную на сжатие рабочего тела, получить в виде положительной работы адиабатного расширения. Если исключить ввод тепла на такте сжатия и получить требуемые температуру и давление рабочего тела путем сжатия, то тепловая протяженность циклов адиабатного сжатия и расширения становится, примерно, одинаковой и влияния на КПД двигателя не оказывают.

Если расчитывать линии расширения
бензиновых двигателей со степенями сжатия 10 и 25, сравнение происходящих в них процессов на такте расширения дает следующую картину.

Двигатель № 1 с Е=10 (Д1
): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 10 мм, угол начала тепловыделения 15* до ВМТ, величина Рz достигается при 15* ПКВ после ВМТ.

Двигатель № 2 с Е=25 (Д2
): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 3.75 мм, угол начала тепловыделения 0* по углу ПКВ, величина Рz достигается при 0* ПКВ.

В обоих двигателях продолжительность тепловыделения 50* по углу ПКВ.

В Д1 при нахождении поршня в 15* после ВМТ (высота камеры сгорания при этом 11.53 мм) значительная часть тепла уже введена, но интенсивный процесс ввода тепла еще продолжается. При дальнейшем движении поршня от ВМТ температура газов растет, но давление из-за быстрого увеличения объема камеры сгорания падает. Примерно к 35* ПКВ (отрезок а-b1
рис. 1) процесс ввода тепла завершен, объем камеры сгорания в этой точке равен 18.14 мм. Далее происходит процесс адиабатного расширения.

В Д2 увеличение степени сжатия рабочего тела (соответственно, создание благоприятных условий для сгорания смеси) позволяет начать ввод в него тепла при нахождении поршня в ВМТ. При указанном положении поршня давление Рс= Рz, но температура (примерно на 300*С) меньше, чем в Д1
. Начало распространения пламени по фронту совпадает с началом движения поршня от ВМТ. Увеличение фронта пламени сопровождается увеличением количества выделяемого тепла, ростом температуры и объема газов. Вместе с тем, увеличивается и объем камеры сгорания. Взаимодействие указанных факторов поддерживает величину давления на одном уровне.

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:

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

				c
V
	Рис.1

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

Vc

Рb

Р Рz1

Рс1
Рz

Рс

Ра

Vc1

ВМТ Vh 140 НМТ

Рис.2

Особенности работы ДВС (Е=51) по циклу Карно

Q

а b1

Р

T1

b

					V
Рис.3

Г.А.Ибадуллаев

Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия

Период задержки воспламенения и очаг пламени

При разряде тока между электродами свечи появляется искра. Явление подразумеваемое под термином «искра» представляет собой видимое глазу свечение нагретых до высоких температур (до 2000 С) молекул газа.

Нагревшиеся молекулы вступают в реакцию окисления. Реакция окисления молекул углеводорода молекулами кислорода сопровождается выделением большого количества тепла и нагреванием соседних с окисляемыми компонентами слоями. Под терминами «горение» и «пламя» подразумевается видимое глазу свечение нагретых до высоких температур компонентов процесса окисления.

Т.е., приведенные явления выражают суть видимого глазом процесса создания очага высокой температуры и распространения этой температуры по камере сгорания.

Часть топливно-воздушной смеси, охваченная устойчивым процессом окисления, является очагом пламени
. Время, за которое очаг пламени возникает, называется периодом задержки воспламенения
.

Распространение пламени по фронту

Чем меньше расстояние между молекулами и меньше разница температур между участком искрового разряда и окружающей смесью, тем лучше условия формирования очага пламени. Чем меньше разница температур между очагом пламени и окружающей смесью и выше давление, тем лучше происходит распространение пламени по фронту. Поэтому, чем выше степень сжатия смеси, тем перечисленные условия лучше.

После формирования очага пламени в камере сгорания двигателя возникают две области чрезвычайно контрастных физических состояний. Нагревание газов, примерно от 600* С до 2000* С в очаге пламени приводит к резкому увеличению их объема. Соответственно очаг и фронт пламени превращаются в область очень высокого давления (в дальнейшем область или зона пламени
). Это приводит к возникновению со стороны области пламени волны давления и ударной волны.
Скорость ударной волны на порядок выше, чем скорость распространения фронта пламени. Наряду с этим остальная часть камеры сгорания, занятая топливно-воздушной смесью остается областью низкого давления и температуры (в дальнейшем область или зона смеси
).

Очаг пламени развивается в виде увеличивающегося в размерах огненного шара вокруг места искрового разряда. Соприкоснувшись со стенкой камеры сгорания, шар принимает форму полусферы. Затем соприкоснувшись с днищем поршня, полусфера деформируется, приобретает по краям плоскую цилиндрическую форму. Из-за этого при дальнейшем увеличении фронта пламени выделяемая энергия концентрируется по ее окружности, приобретает направленный в сторону стен цилиндра, кумулятивный
характер.

Поскольку это явление сопровождается ростом давления в области смеси, направленная в сторону стенок цилиндра энергия движущейся волны давления и ударных волн, будет нарастать с эффектом сжимаемой пружины и вызовет в области смеси ответную волну сжатия. Волны, отражаясь от стен цилиндра, накладываются и усиливаются. На фоне общего повышения давления и температуры смеси на гребнях волн возникают микроучастки со значительно более высокими давлениями и температурами, которые достаточны для детонационного сгорания (в дальнейшем «микроучастки с детонационными давлениями и температурой»
). Чтобы эти явления не привели к возникновению детонаций, давление в камере сгорания к концу такта сжатия должно быть довольно низким.

Микроучастки с детонационными давлениями и температурой появляются в области смеси в завершающей стадии такта сжатия и исчезают только с исчезновением области смеси. Такой отрезок такта сжатия в дальнейшем будет называться «завершением сжатия
», а такта расширения «началом расширения
». В координатах рабочего такта линия «начала расширения» и линия «полного распространения пламени по фронту» или «момент завершения распространения пламени по фронту» имеют одинаковую длину. Т.е. указанные термины выражают суть одного и того же процесса.

Таким образом, характер происходящих процессов требует совместить, казалось бы, несовместимые вещи. Чтобы улучшить процессы формирования очага пламени и его распространения по фронту, давление и температура смеси должны быть высокими. Чтобы не было детонаций, они должны быть относительно низкими.

После возникновения очага пламени и начала процесса распространения пламени по фронту область смеси подвергается воздействию противоположных факторов: а) Уменьшение в объеме за счет вовлечения в зону пламени (нейтральный фактор

). б) Уменьшение в объеме за счет сжатия волной давления от области пламени (отрицательный). в) Уменьшение в объеме из-за сжатия на такте сжатия (отрицательный). г) Уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания (положительный). д) Увеличение в объеме из-за расширения камеры сгорания на такте расширения (положительный).

Если исключить положительные факторы, то окажется, что область пламени в период его увеличения на тактах сжатия и расширения содержит в себе одну общую причину, вызывающую детонации. Это- перепад давлений в зоне пламени и в зоне смеси. Перепад давлений вызывает волны давления и сжатия. Эксперименты показывают, что разница давлений и температур у основания и на гребнях волн очень значительна. Причем, интенсивность и эффективность процессов горения зависят исключительно от давления и температуры смеси у основания волн. Давления и температуры гребней волн, с одной стороны, никакого положительного влияния на характер происходящих процессов не оказывают. С другой стороны, они являются (поскольку нет детонаций) показателем наилучших условий, при которых могли бы происходить процессы горения. С третьей стороны, будучи способны нарушить нормальное прохождение процессов, они определяют низкие пороговые значения давления и температуры смеси у основания волн.

Устранение причины, вызывающей волны, позволило бы поднять давление и температуру области смеси до их значений на гребнях волн, что намного улучшило бы условия прохождения процессов горения.

Процесс возникновения самовоспламенения на сжатии
выглядит следующим образом:

На такте сжатия происходит не просто уменьшение объема смеси, но и его перемещение от НМТ (нижняя мертвая точка) к ВМТ (верхняя мертвая точка). Из-за этого, наряду с вихревыми потоками вызванными процессом всасывания, в смеси возникают волнообразно колеблющиеся относительно друг друга слои, которые имеют разные давления и температуры. Т.е. возникают те же волны, только с меньшей амплитудой колебания и без сопровождения ударных волн.

По достижении в цилиндре определенного давления подается искра, формируется очаг пламени, начинается ввод тепла в рабочее тело. В какой степени ввод тепла на сжатии влияет на область смеси видно из расчетов для двигателя со степенью сжатия 9,9 при частоте работы 2200 об/мин, при полном наполнении, при температуре смеси на впускном клапане 65* С.

1. Угол начала ввода тепла 15* до ВМТ. В момент достижения поршнем ВМТ температура в камере сгорания 834*С, давление 33.2 кг/см2
.

2. При угле ввода тепла в 0 градусов в момент достижения поршнем ВМТ температура смеси составляла 385* С, давление 19.5 кг/см2
.

Т.е. увеличение температуры рабочего тела на 449* С и давления на 13.7 кг/см2
на такте сжатия получено за счет ввода тепла.

Это показывает, что наряду с приведенной выше общей причиной, способной вызвать детонации, в цилиндре двигателя на такте сжатия возникают еще две причины усиливающие этот процесс.

1. Ввод тепла на сжатии означает принудительное увеличение давления и температуры смеси для обеспечения лучших условий ее сгорания. Но вместе с тем это означает, что искусственным путем создаются и условия для возникновения детонаций.

2. Ввод тепла на сжатии способствует каталитическому сложению волн давления и сжатия создаваемых областью пламени и волн давления создаваемых процессом сжатия
.

Этот явление выглядит следующим образом: путем ввода тепла на сжатии создается область пламени с волной давления. Волна давления от области пламени накладывается на волну создаваемую процессом сжатия. Насколько их взаимодействие либо исключение из процесса влияет на баротермическое состояние области смеси видно из примера: При работе с частотой в 2000 об/мин у серийного двигателя со степенью сжатия 9,9 при полном наполнении цилиндра оптимальная точка ввода тепла составляет 15* ПКВ (поворота коленчатого вала) до ВМТ. Давление конца сжатия в ВМТ составляет 32 кг/см2
. При тех же условиях для моего двигателя со степенью сжатия 25 оптимальная точка ввода тепла составляет 0* ПКВ. Давление конца сжатия в ВМТ, поскольку перечисленные выше явления исчезли, составляет 60 кг/см2
. При этих параметрах оба двигателя работают без детонаций.

Полностью исключить возникновение волн и микроучастков с детонационными давлениями и температурой в смеси не возможно. Но отодвигая точку начала ввода тепла к ВМТ, можно максимально уменьшить их амплитуду. Это позволяет, как показывает приведенный пример, кратно увеличить степень сжатия и тем самым существенно поднять давление сжатия смеси.

Влияние волн давления и сжатия на расширении.

На такте расширения по сравнению с тактом сжатия, распространяющаяся от области пламени в область смеси волна давления и сжатия приобретает направленный, кумулятивный
характер, она многократно усиливается.

Скорость движения поршня на сжатии и расширении одинакова. Но на расширении перемещение поршня от ВМТ увеличивает объем камеры сгорания, т.е. фактор становится положительным. К этому добавляется и действие фактора: уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания.

Задача состоит в том, чтобы лишить область пламени возможности источать в область смеси направленную или кумулятивную энергию давления и ударных волн. Для этого необходимо, чтобы увеличение объема области пламени и увеличение объема камеры сгорания происходили с одинаковой скоростью. При синхронизации этого процесса прирастающий в каждое мгновение объем области пламени будет поглощаться прирастающим на такую же величину объемом камеры сгорания. В таком процессе роста давления не будет вообще. Область смеси не будет испытывать на себе воздействия волны давления и в ней не будет возникать волна сжатия. Область смеси в таком процессе будет в нейтральном, статическом состоянии ожидания. Распространение пламени по фронту будет представлять собой процесс поглощения области низкой температуры областью высокой температуры. При исключении из процесса волн давления и сжатия и ударной волны исходное давление в камере сгорания на начало расширения может быть значительно выше (от 55 кг/см2
). В зависимости от условий протекания процесса горения оно может увеличиваться до сверхвысоких значений (до 100 кг/см2
).

Время задержки самовоспламенения
.

Эксперименты показали, что микроучастки с детонационными давлениями и температурами возникают в любом бензиновом двигателе независимо от степени сжатия. Но детонационное сгорание происходит только в том случае, если конкретный микроучасток сохранит повышенные температуру и давление в продолжение некоторого отрезка времени.

Т.е., как инициируемому извне процессу создания очага пламени предшествует период задержки воспламенения, так и процессу самовоспламенения предшествует период или время задержки самовоспламенения
.

Различие между периодом задержки воспламенения и периодом задержки самовоспламенения заключается в том, что формирование очага пламени при искровом разряде происходит при существенно более благоприятных условиях и быстрее (температура 2000* С), чем формирование очага детонационного сгорания (температура 600-900* С).

Поэтому процесс детонационного горения происходит совершенно по-иному, чем в очаге пламени. Различия условий протекания и последствия происшедших реакций окисления столь велики, что участок детонационного сгорания не может, как очаг пламени, стать источником распространения пламени по фронту. При сверхвысоких давлениях и температурах в камере сгорания он может стать только источником детонационного взрыва всей смеси.

Микровзрыв, по сравнению со скоростью распространения пламени, мгновенный процесс. В этом процессе часть тепла, заключенная в молекулах топлива, утрачивается (образование сажи). Другая часть тепла превращается в температуру, а температура в давление. Скоротечность процесса столь велика, что молекулы смеси, окружающие участок взрыва, получают лишь сотрясение от ударной волны и почти не нагреваются. Поэтому они не вовлекаются в процесс горения.

Таким образом при микровзрыве тепло превращается в работу ударной волны, которая воздействуя на стенки камеры сгорания обратно преобразуется в температуру.

Продолжительность времени задержки самовоспламенения
.

Детонационное горение, как реакция окисления, может возникнуть только при условии если будут преодолены нижние пороги требуемых для этого величин температуры и давления. При этом величины температуры и давления имеют между собой прямую зависимость. Чем выше температура, тем ниже может быть давление и наоборот. Для условий работы бензинового ДВС нижним порогом возникновения детонаций являются температура, примерно, 400* С, давление сжатия, примерно 16-18 кг/см2
. Ниже этого порога детонации не возникают. При этом пороге время задержки самовоспламенения имеет максимальную продолжительность. При дальнейшем повышении давления и температуры продолжительность времени задержки самовоспламенения уменьшается. Верхним порогом возникновения детонационного горения являются такие уровни температур и давлений, при которых время задержки самовоспламенения имеет продолжительность равную нулю.

Возникновение в сжатой смеси микроучастков с детонационнными давлением и температурой вовсе не означает, что там возникнут очаги детонационного сгорания. Для этого необходимо, чтобы состояние готовности к самопроизвольному загоранию в конкретном микроучастке имело продолжительность большую, чем время задержки самовоспламенения
.

Если завершение сжатия закончится быстрее времени задержки самовоспламенения, детонационное сгорание в этих микроучастках не произойдет.

Поэтому, если на сжатии обеспечить необходимое соотношение между временем завершения сжатия, временем задержки самовоспламенения, давлением и температурой смеси, а на расширении достичь сихронизации процесса увеличения объема области пламени и объема камеры сгорания детонаций не будет ни на сжатии ни на расширении. Влияния двух приведенных выше положительных факторов на состояние смеси, т.е. увеличение области смеси за счет перемещения поршня от ВМТ и уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания вполне хватает, чтобы удержать смесь от самовоспламенения.

При соблюдении перечисленных условий величина степени сжатия двигателя (в разумных пределах) практически не имеет значения.

Время задержки самовоспламенения величина переменная. Оно зависит от давления и температуры смеси. Чем они выше тем время задержки самовоспламенения меньше и наоборот
.

Итоги:

Из изложенного следует, что для обеспечения работы бензинового ДВС со сверхвысокой степенью сжатия необходимо чтобы:

1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя достигалось бы максимально возможное детонационное давление Р1
.

2. Ввод тепла начинался бы в момент завершения такта сжатия.

3. Сжатие завершилось бы раньше времени задержки самовоспламенения.

3. В начале расширения область пламени лишилась бы возможности источать в область смеси энергию давления и ударных волн.

4. Полное распространение пламени по фронту на такте расширения (начало расширения), произошло бы при постоянном давлении Р1
.

Комментарий ко всему изложенному
:

1. Выше дано описание рабочих процессов, происходящих в камере сгорания двигателя со сверхвысокой степенью сжатия при его работе по внешней скоростной характеристике.

2. При работе в режиме частичных нагрузок и в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия точка ввода тепла смещается в минусовую зону (до ВМТ на сжатии).

3. Ввод тепла в ВМТ позволяет при относительно небольших значениях температуры поднять давление сжатия рабочего тела Р1
до сверхвысоких значений.

4. Прохождение горения при постоянном сверхвысоком давлении Р1

способствует тому, что температура рабочего тела с началом ввода тепла растет с очень высокой интенсивностью, компенсируя работу расширения. Т.е. известное теории рабочих процессов отрицательное явление падения давления и температуры
от перевода горения на линию расширения здесь напрочь отсутствует.

5. Сихронизация скорости увеличения объема рабочего тела и его расширения при постоянном давлении Р1

позволяет исключить детонации из процесса.

Комментарий к пункту 4
:

Известно, что в двигателе со степенью сжатия 9,9 более поздний ввод тепла и перенос процесса тепловыделения на линию расширения приводит к падению
давления топливно-воздушной смеси, что влечет ухудшение условий горения и снижение КПД.

Если совместить перенос угла тепловыделения на более поздние стадии с простым увеличением степени сжатия, при переходе к фазе активного горения давление смеси резко возрастет
. Возникнут детонации, которые очень быстро разрушат двигатель.

Линия расширения (дополнительный комментарий к пункту 4).

Что такое линия расширения и почему все ее боятся? На линии расширения интенсивность увеличения объема камеры сгорания существенно выше роста объема рабочего тела. При осмыслении процессов, происходящих в моем двигателе, почему-то предполагают, что линия расширения в нем имеет те же координаты, что и в традиционном двигателе. Однако, это совершенно не так.

Если взять за основу расчетов бензиновые двигатели со степенями сжатия 10 и 25, сравнение происходящих в них процессов на такте расширения в плане изменения объемов дает следующую картину.

Двигатель № 1 с Е=10 (Д1
): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 10 мм, угол начала тепловыделения 15* до ВМТ, величина Рz достигается при 15* ПКВ (поворота коленчатого вала) после ВМТ.

Двигатель № 2 с Е=25 (Д2
): ход поршня 90 мм, высота камеры сгорания 3.75 мм, угол начала тепловыделения 0* по углу ПКВ, величина Р1
достигается при 0* ПКВ.

В обоих двигателях продолжительность тепловыделения 50* по углам ПКВ.

В Д1 при нахождении поршня в 15* после ВМТ высота камеры сгорания 11.53 мм.

В Д2
при таком же положении поршня высота камеры сгорания 5,28 мм.

В Д1 при нахождении поршня в 35* после ВМТ высота камеры сгорания 18.14 мм.

В Д2
при таком же положении поршня высота камеры сгорания 11,53 мм.

Т. е., в двигателе со степенью сжатия 25 при положении поршня в 35* ПКВ после ВМТ камера сгорания имеет такой же объем, какой имеет камера сгорания двигателя со степенью сжатия 10 при положении поршня в 15* ПКВ после ВМТ. Только, если во втором двигателе 15* является точкой возникновения и исчезновения Рz, то в первом двигателе точка 35* является точкой завершения линии Рz и началом линии расширения.

Из изложенного видно, что линия расширения жестко связана со степенью сжатия двигателя. По мере повышения степени сжатия в координатах цикла она смещается вправо, в зону больших углов и начинается позже.

Решение перечисленных вопросов приводит к тому, что между известными теории процессами и между процессами, которые происходят в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия возникает, большая разница. В частности, из-за ввода тепла на такте сжатия в двигателе со степенью сжатия 9,9, работающем при полном наполнении с частотой 3200 об/мин в момент завершения сжатия температура смеси составляет, примерно, 900 *С, давление сжатия, примерно 32 атм. В двигателе со степенью сжатия 25, при этих же параметрах соответственно: температура, примерно, 600 *С, а давление сжатия, примерно, 52-54 атм. Эксперименты показывают, что давление в 52-54 атм и температура 600 *С не являются предельными и могут быть увеличены еще не менее, чем в полтора раза.

Влияние и состояние температур:

В ДВС со степенью сжатия 9,9:

На сжатии за 15* до ВМТ сформировался очаг пламени, начался ввод тепла. В ВМТ давление 32 атм, температура 900* С. В 15* после ВМТ давление 56 атм., температура 2100 С. В 35* ПКВ после ВМТ, когда горение завершилось, давление 35 кг/см2
, температура 2400* С.

В ДВС со степенью сжатия 25:

В ВМТ давление 60 атм. Температура 600* С. Сформировался очаг пламени, начался ввод тепла.

Суммарная тепловая нагруженность рабочего тела в ВМТ обоих двигателей примерно одинакова (там выше температура, а здесь давление). Но в первом случае ввод тепла и распространение пламени по фронту начинается при давлении 15,5 кг/см2
, а во втором - при 60 кг/см2
. В первом случае максимальное давление в 56 кг/см2
достигается только в момент завершения распространения пламени, а во втором случае давление неизменно на весь период. Такая разница в давлениях означает, что на одном и том же отрезке области смеси во втором двигателе на начало ввода тепла располагается вчетверо больше молекул, чем в первом. Т.е. при одинаковой скорости распространения пламени по фронту во втором двигателе в среднем в один и тот же промежуток времени в процесс горения вовлекается, примерно, в два раза больше смеси. Это означает, что в первом двигателе распространение пламени по фронту происходит в течении 30* ПКВ ( 15* до ВМТ и 15* после ВМТ), а во втором двигателе в течении, примерно, 15* после ВМТ. Но скорость горения (если нет детонационного сгорания) тоже является величиной постоянной. Поэтому время горения смеси во втором двигателе по углам ПКВ будет равно времени горения смеси в первом двигателе. Расчетная температура в указанной точке, т.е. в 15* ПКВ после ВМТ составляет, примерно 1100* С, но и объем рабочего тела вдвое меньше. В 35* ПКВ после ВМТ давление 60 кг/см2
, температура 2700* С. Объем камеры сгорания меньше в 1,57 раз. Дальше на линии расширения происходит догорание остатков еще не окислившихся молекул.

Технические проблемы

Чтобы уменьшить объем камеры сгорания приходится стачивать головку блока цилиндров на 3мм. Заводская толщина ее стенки составлет 9,2 мм. Остается всего 6 мм. Т.е. стенка головки блока цилиндров над поршнем сильно ослабляется. В то же время этот же факт показывает, что в моем двигателе напряжение деталей существенно меньше. В противном случае стенку головки прожгло бы или продавило с первых же рабочих оборотов. Уменьшение высоты головки блока цилиндров приводит к смещению фаз газораспределения почти на 10 градусов, что отрицательно влияет на работу двигателя. Есть еще много проблем, связанных непосредственно с блоком цилиндров, КШМ, поршнями и пр. К примеру, поршня заказываю в МАМИ. Они нецентрованные, на 40 грамм тяжелее, чем серийные.

Много проблем связано с системой зажигания. Серийные свечи зажигания рассчитаны на искрообразование при давлениях до 8 атм. Даже самые лучшие импортные свечи зажигания при проверке на стенде перестают давать искру при давлении 12 атм. В моем двигателе со степенью сжатия 25 при работе по внешней скоростной характеристике свеча должна давать искру при 60 атм., т.е. она должна работать в условиях в 5 раз превышающих ее физические возможности. Приходится переделывать свечи, уменьшать зазор до минимально возможных 0,25 мм (вместо 1,1 мм по стандарту), что, естественно, отрицательно сказывается на результатах работы двигателя. Для надежной работы двигателя нужны свечи, которые были бы рассчитаны на работу хотя бы при 70 атм.

Серийные катушки зажигания рассчитаны на работу с напряжением разряда не выше 12 к/вольт. Лучшие катушки БОШ могут выдать 25 к/вольт, но при такой нагрузке быстро выходят из строя. Нужны катушки с мощностью разряда 75-80 к/вольт. Кстати, и свечи и катушки для своего двигателя я уже запатентовал.

Но самый слабый узел это программа бортового компьютера Январь 5.1, которую я использую. Во-первых, программа сама по себе содержит много недостатков. Во-вторых, для моего двигателя нужна совершенно другая программа. Алгоритмы ее работы мной уже разработаны.

Последовательное соединение катушек дает возможность увеличить напряжение разряда до 50 Квольт. При таком соединении двигатель показывает невероятную мощность, а автомобиль становится практически неуправляемым. Но сильный обратный сигнал разряда нарушает работу бортового компьютера. Тот через 30-60 секунд работы начинает выдавать какие попало углы зажигания до 127 градусов.

Результаты работы двигателя

Те двигатели, которые я собираю, на техническом языке называются действующими макетами. Но тем не менее, с учетом всех этих проблем и при работе на стенде и при испытаниях на автомашинах макеты в режимах средних нагрузок показывают примерно двухкратное уменьшение расхода топлива и почти двухкратное повышение мощности. При работе на внешней скоростной характеристике из-за увеличения нагрузок на свечи, катушки, ЭБУ, результаты скромнее (20-25%). Для демонстрации потенциальных возможностей изобретений этого вполне хватает.

Сводить вопрос к имеющимся результатам стендовых испытаний, значить сузить значение вопроса. Суть вопроса в том, что впервые в истории теории и практики двигателестроения построены действующие и в течении длительного периода времени не плохо работающие образцы бензиновых двигателей со степенями сжатия до 25.

Влияние увеличения давления сжатия на ресурс двигателя.

Увеличение степени сжатия в моем двигателе осуществляется, в частности, и для увеличения степени расширения нагретых газов. Температура выхлопа (Тb) серийного двигателя ВАЗ-2111, который я использую в своих экспериментах, составляет 1300 С. В моем макете со степенью сжатия 25 температура (Тb) составляет 700 С. Это означает, что в моем макете термическое напряжение деталей существенно ниже, соответственно их ресурс значительно больше.

Г.А.Ибадуллаев

ДВС и цикл Карно

Цикл Карно является общим или универсальным законом для всех тепловых двигателей. Он поясняет суть явлений, но не имеет конкретного отношения к работе ДВС.

Сутью цикла Карно является превращение теплоты в механическую работу. Последовательность рабочих процессов при этом такова: 1. Рабочее тело, имеющее температуру Т2
, сжимается в цилиндре двигателя до достижения им величины температуры Т1
. 2. В сжатое рабочее тело вводится тепло. Его объем начинает увеличиваться. Увеличиваясь в объеме, рабочее тело перемещает поршень и совершает работу. Чтобы увеличение объема не привело к падению температуры Т1
процесс расширения сопровождается вводом тепла. 3. При достижении поршнем определенного положения ввод тепла прекращается. Дальнейшее расширение происходит без ввода тепла. В результате этого температура рабочего тела падает от величины Т1
до величины Т2
.

Изотермные процессы расширения и сжатия протекают при постоянных температурах Т1
и Т2
и, соответственно, они константы. Адиабатные процессы расширения и сжатия протекают без ввода и отвода тепла. Причем, поскольку адиабатное расширение совершается в положительной зоне работы, а адиабатное сжатие в отрицательной зоне работы цикла, они в сумме уравновешивают друг друга и влияния на результат работы и термический КПД цикла не оказывают (т.е не должны оказывать). Работа цикла есть разница между работой изотермного расширения и изотермного сжатия. Причем критерием оценки является количество введенного на расширении и отведенного на сжатии тепла. Цикл Карно имеет максимально возможный термический КПД в заданном интервале температур Т
1
-Т
2
и любой другой цикл в этом же интервале температур и энтропий приведет к уменьшению площади цикла и, следовательно, к уменьшению теплоты преобразованной в работу.

Таким образом, по циклу Карно способом превращения теплоты в механическую работу являются сжатие рабочего тела без ввода тепла
и его последующее расширение с вводом тепла при постоянной температуре Т1
. Особым признаком цикла Карно является регулирование количества вводимого тепла
для обеспечения постоянства температуры Т1
в процессе расширения.

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:

На четвертом цикле рабочее тело сжимается до величины Р
1
. На первом цикле в рабочее тело вводится тепло. Вследствие нагревания оно увеличивается в объеме и с такой же скоростью расширяется. В результате этого величина Р
1
остается неизменной. После начала процесса полного тепловыделения величина Р
1
увеличится до
Рz. На третьем цикле расширение происходит без ввода тепла. Давление в цилиндре снижается до величины Р
2
. После этого происходит удаление отработавших газов и всасывание свежего заряда.

Таким образом, по предлагаемому к рассмотрению циклу способом превращения теплоты в механическую работу является сжатие рабочего тела без ввода тепла
и его последующее расширение с вводом тепла при постоянном давлении Р1
. Особым признаком цикла является синхронизация скорости увеличения объема рабочего тела и его расширения
с целью обеспечения постоянства Р1
в процессе расширения.

Каковы эффективные пределы Р1
и Р2
?
Нижняя граница величины Р2
теорией установлена. Для эффективной работы индикаторная мощность при указанном давлении должна быть не ниже мощности механических потерь.

Точно вывести эффективную величину Р1
можно экспериментальным путем, определяя оптимальное соотношение между индикаторной мощностью цикла и мощностью механических потерь. По моим расчетам наиболее эффективная степень сжатия для обоих видов двигателей располагается в районе 51-80.

Особенности кругового процесса превращения тепла в работу в ДВС с Е=25 и Е=80 при наложении на цикл Карно

P

а Р1
b b1

Т1

в

d

Т2
c

Р2

Рис. 1 V

Особенности работы ДВС Е=10 при наложении на цикл Карно

а Рz

в

Рс

d
c
	T2

Рис. 2 V

Индикаторная работа ДВС при степенях сжатия (Е=10, ---- Е=51)

Vc

Рb

Р Рz1

120кг/см2

Рс1

Рz

60кг/см2

Рс

Ра

Vc1

ВМТ Vh 140 НМТ

Рис. 3

Комментарии к диаграммам:

Рис. 1. При расчетах КПД двигателя при условии их постоянства можно использовать как температуры Т1
и Т2
, так и давления Р1
и Р2
. Наложение диаграмм дает точную картину КПД обоих циклов. При расширении по циклу Карно давление падает, поэтому линия ав
в координатах давления идет на понижение. Дальнейшее повышение степени сжатия (до 80) увеличит длину линии аb
до аb1

Рис. 2. Наложение цикла стандартного двигателя со степенью сжатия 10 на диаграмму Карно может носить только условный характер.

Расчеты

(КПД бензиновых двигателей)

1. По формуле Карно КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по циклу Карно должен быть следующий:

Номинальное значение Т1
-1200 С.

Номинальное значение Т2
– 400 С.

Индикаторный КПД составит (1-400/1200)х100=66,7%

Механический КПД двигателей БМВ равен 80 %

Эффективный КПД составит 66,7х80/100=53,36%

2. По формуле Карно КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по моему циклу следующий (результат условный, т.к. в моем двигателе температура- величина переменная):

Номинальное значение Тz
-2700 С.

Номинальное значение Тb
– 400 С.

Индикаторный КПД составит (1-400/2700)х100=85,2%

Эффективный КПД составит 85,2х80/100=68,16%

3. При расчете по давлениям КПД двигателя со степенью сжатия 80 работающего по моему циклу должен быть следующий:

Номинальное значение Р1
-120 кг/см2
.

Номинальное значение Р2
– 10 кг/см2
.

Индикаторный КПД составит (1-10/120)х100=91,7%

Эффективный КПД составит 91,7х80/100=73,36%

Расчет КПД ДВС по разности температур Тz
и Тb
может носить только условный характер, поскольку в нем невозможно обеспечить постоянство Т1
. Методика выведения среднего значения Тср.
отсутствует. Расчет КПД моего двигателя по разности давлений точен, поскольку в нем величина Р1
постоянна.

Г.А.Ибадуллаев

Заключение по результатам стендовых испытаний

двигателей

г. Махачкала 7 декабря 2006 г.

В период с 27.07.06 по 20.11.06 г. на моторном стенде кафедры «Автотракторных двигателей и теплотехники» МАДИ (ГТУ), а затем из-за невозможности получения стабильных результатов из-за плохой работы стенда, с 23.11.06 по 30.11.06 г. на моторном стенде кафедры «Физвоспитания и спорта» МАДИ (ГТУ) были проведены стендовые испытания серийного двигателя ВАЗ-21114 «Калина» и действующего макета двигателя ИГА со сверхвысокой степенью сжатия для получения сравнительных показателей.

Испытания на первом стенде проводились с участием: Дубинин А.И.- заведующий боксом моторного стенда, Ибадуллаев Г.А. - изобретатель, Фищук Д.А.- автомеханик.

Испытания на втором стенде проводились с участием: Дмитриев А. Д.-заведующий боксом моторного стенда, Ибадуллаев Г.А. - изобретатель, Фищук Д.А.- автомеханик, Парфенов П.С. - автомеханик

Технические характеристики двигателей:

1. ВАЗ-21114, «Калина», серийный двигатель, объем 1.6 литра, 8 клапанов, степень сжатия 9.9, давление сжатия 14-15 кг/см2
. Расход топлива 6 л. на 100 км пути при скорости 90 км/час и 7,2 л. на 100 км/пути при скорости 120 км/час. Бензин Аи-95. Контроллер Январь-5.1 2112-1411020-41, серийное ПО J5V26L52.

2. Двигатель Ибадуллаева, диаметр цилиндра-82.4 мм, ход поршня 74.8мм, объем 1.6 литра, 8 клапанов, степень сжатия 21. Давление сжатия при 450 об/мин. 31,5 кг/см2
. Бензин Аи-98. Инженерный блок J5 On-line Tuner Январь 5.12112-1411020-41, переделанное ПО J5V07G26.

Техническая документация составленная по ходу НИР:

Протокол испытаний, таблицы с результатами испытаний двигателя ВАЗ-21114, двигателя ЗМЗ-406 и макета двигателя ИГА.

Выводы по результатам испытаний:

Замеры крутящего момента и мощности по внешней скоростной характеристике проводились в диапазоне частот вращения от 2200 об/мин до 4200 об/мин с шагом в 500 об/мин. Макет двигателя ИГА показал большую мощность на всех точках замеров от 7,83% до 9,22%.

Снятие нагрузочных характеристик всех трех двигателей для замеров крутящего момента и расхода топлива произведено на частотах 2200 (± 20) и 3200 (± 40) об/мин в нескольких точках при одинаковом расходе воздуха по углу открытия дроссельной.

Макет двигателя ИГА на всех режимах работы показал меньший удельный расход топлива от 29,62% до 16,54%.

В протоколах испытаний отмечено, что при работе двигателя ИГА программа управления двигателем давала систематические сбои, что негативно отразилось на полученных результатах. На режимах средних нагрузок зафиксированы отдельные случаи увеличения мощности до 98% и уменьшения расхода топлива до 47%.

Декан автомобильного факультета

МФ МАДИ (ГТУ)

кандидат технических наук, доцент М.М. Фатахов

ПРОТОКОЛ

расширенного технического совета Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ)

г. Махачкала 9 февраля 2007г.

Повестка дня:

1.Представить профессорско-преподавательскому составу МФ МАДИ действующий образец бензинового двигателя Дагестанского изобретателя Ибадуллаева Г.А. со сверхвысокой степенью сжатия, установленный на а/м ВАЗ-2110г/нв484ет05 1Ш.

2. Дать оценку изобретению по части ее теоретической состоятельности и экономической привлекательности.

Вел заседание - замдиректора по научной работе МФ МАДИ (ГТУ), д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, Батдалов М.М.

Присутствовали профессора и преподаватели МФ МАДИ (ГТУ); нач. учебного отдела - д.т.н., профессор Баламирзоев А.Г., д.т.н., профессор Фаталиев Н.Г., зав. аспирантурой - к.т.н. Эвленов Р.Г., декан ФАТ - к.т.н. Фатахов М.М., зав. кафедрой ОиБД - доцент Зелимханов Т.Б., к.т.н. Абакаров А.А., Абдуллаев А.С.,Абдуллаев М.Ш., Гечекбаев Ш.Д., Дадилов А. С, Магомедов В.К., Мусиев М.Г.,Саидов Р.С., Устаров P.M.,

Приглашенные: Зам. министра промышленности, транспорта и связи РД Янаков Т.И., зам. начальника управления промышленности и инновационного развития Минпромтранссвязи РД Адуков СМ. . Казиахмедов С.Г.-помощник изобретателя.

Проведенное обследование двигателя показало следующее:

1. Двигатель по внешнему виду соответствует серийному образцу восьмиклапанного, четырехцилиндрового двигателя ВАЗ-2111. Содержит серийный блок цилиндров, головку блока цилиндров. Установлены переделанные кустарным способом свечи зажигания, катушка зажигания БОШ и отдельный коммутатор.

2.При замерах давление сжатия по цилиндрам действующего образца двигателя составило 37 кг/см . При замерах тем же компрессиометром давление сжатия серийного двигателя ВАЗ-2111 со степенью сжатия 9,9 составило по цилиндрам 14 кг/см . То есть заявление изобретателя о том, что его двигатель имеет степень сжатия 24,5, соответствует действительности.

3.Двигатель работает на бензине. Запускается легко. Работает ровно и устойчиво. Каких-либо признаков, отличающих его работу от работы серийного двигателя, не выявлено. По заявлению изобретателя с целью обеспечения стабильного искрообразования в условиях сверхвысоких давлений, зазор в свечах составляет минимально возможные 0,25 мм.

4.Угол открытия дроссельной заслонки не ограничен. При ходовых испытаниях установлено, что детонации отсутствуют, динамика разгона автомашины значительно превышает динамику разгона автомашины с серийным двигателем.

По обсуждаему вопросу выступили: Ибадуллаев Г.А., Казиахмедов С.Г., Зелимханов Т.Б., Эвленов Р.Г., Фатахов М.М., Янаков Т.И., Абдуллаев М.Ш., Магомедов В.К.

Результаты обсуждения подытожил Батдалов М.М.

Заслушав доклад изобретателя Ибадуллаева Г.А. и мнения участников обсуждения, технический совет МФ МАДИ пришел к следующим выводам:

1. Ныне действующая теория ДВС в той части, которая определяет зависимость работы двигателя от его степени сжатия, содержит следующие положения.

а) Чем выше степень сжатия двигателя, тем его мощность и экономичность должны быть больше.

б) В бензиновом двигателе со степенью сжатия 14 и выше (до 23) происходит неконтролируемое ускорение термодинамических процессов, что приводит к детонациям и быстрому разрушению двигателя.

в) В бензиновом двигателе со степенью сжатия выше 23 и давлением сжатия выше 35 кг/см давление температура конца сжатия рабочего цикла переходит за сверхкритические величины. Скорость сгорания бензиново-воздушной смеси при этом доходит до 5000 м/с, что должно повлечь за собой объемный взрыв.

Ввиду изложенного мировой практике двигателестроения бензиновые двигатели со степенью сжатия выше 12.5 неизвестны. Все попытки, предпринятые ведущими мировыми автопроизводителями, создать такой двигатель, имели отрицательный результат.

2) Из доклада Ибадуллаева Г.А. следует:

а) Автором изобретений выявлены и сформулированы новые теоретические положения, без чего построить действующий макет такого двигателя было бы невозможно. Согласно этим положениям наиболее эффективной степенью сжатия как для бензинового, так и для дизельного двигателей является 51 при давлении сжатия 75-80 кг/см . При указанной степени сжатия КПД двигателя при работе по внешней скоростной характеристике дойдет до 75% (против 26% у нынешних серийных), при работе в режиме частичных нагрузок до 66% (против 10-12 % у серийных).

б) Автор изобретений считает, что тенденции развития вопросов ДВС указывают на то, что такой двигатель независимо от него будет создан в Германии в ближайшие 5-10 лет.

в) Автор изобретений считает необходимым организовать дальнейшую научно-исследовательскую работу по созданию и построению экспериментальных образцов двигателя в Дагестане. Это позволит закрепить приоритет открытия за Республикой Дагестан и в дальнейшем окажет огромное влияние на экономический и политический статус России и республики во всем мире.

г) Для этого он обратился к руководству РД с просьбой оказать содействие в создании федеральной комиссии для оценки изобретений и решения вопроса о необходимости оказания государственной поддержки в проведении дальнейших работ.

*3) Исходя из вышеизложенного технический совет МФ МАДИ полагает:

а) В обследованном двигателе Ибадуллаева Г.А. по известным теории ДВС положениям должны достигаться сверхкритические величины температур и давлений, которые должны были бы вызвать объемный взрыв с полным разрушением двигателя. Однако двигатель не только не взрывается, но работает вообще без признаков детонаций.

б) Из этого следует, что в ныне существующей теории ДВС имеются положения, которые не соответствуют законам термодинамики.

в) Работа обследованного двигателя показывает, что открыт новый, неизвестный теории способ индикаторной работы бензинового ДВС. После изобретений Р.Дизеля этот факт является и в дальнейшем будет признан самым выдающимся и значимым событием в теории ДВС и практике двигателестроения.

4) Наряду с изложенным технический совет МФ МАДИ считает необходимым отметить и следующее:

а) В сложившейся ситуации любая страна, любой автомобильный концерн выделит для приобретения идеи построения нового двигателя любые финансовые ресурсы и создаст Ибадуллаеву Г. А. для работы все необходимые условия. Нет сомнений и в том, что в дальнейшем будут предприниматься попытки присвоения и использования идеи путем обхода патентов.

б) Полноценная патентная защита изобретений и открытия Ибадуллаева Г.А. является сложнейшей, многоплановой и огромной по масштабу работой. Она будет иметь важнейшее значение для экономических интересов и безопасности государства на ближайшие десятилетия.

в) У Республики Дагестан появился исторический шанс, используя изобретения Ибадуллаева Г.А., решить все свои социально-экономические проблемы, превратиться в процветающую республику.

5) На основе изложенного технический совет Махачкалинского филиала МАДИ обращается к руководству Республики Дагестан с просьбой оказать необходимое содействие в создании федеральной экспертной комиссии для оценки значимости совершенного открытия и возможностей дальнейшего использования изобретений Ибадуллаева Г.А.

Промедление с решением этих вопросов чревато для республики и страны утратой приоритета в новом, открытом Ибадуллаевым Г.А., направлении двигателестроения.

Член-корр. РААСН, д.т.н., проф.,

зам. директора МФ МАДИ (ГТУ)

по научной работе М.М.Батдалов

Д.т.н., профессор А.Г.Баламирзоев

Д.т.н., профессор Н.Г.Фаталиев

К.т.н., доцент М.М.Фатахов

К.т.н., доцент Р.Г.Эвленов

З
аключение

В течение почти 120 лет теория ДВС полагала, что степень сжатия бензинового двигателя не может быть выше 14. Согласно историческим данным Р.Дизель, являющийся не только создателем дизельного двигателя, но и одним из основоположников теории ДВС, сделал попытку использовать бензин качестве топлива для своего двигателя. В результате этого двигатель взорвался с такой силой, что рухнула крыша лаборатории.

С точки зрения традиционных представлений бензиновый двигатель со степенью сжатия 25 звучит настолько фантастично и нереально, что, даже видя работу двигателя, не верится, что такое возможно.

Мы все очевидцы того, какими темпами меняется жизнь на земле. Технический прогресс несет с собой все новые и новые блага. Он делает существование человечества все более комфортным. Но вместе с тем технический прогресс содержит в себе и катастрофические угрозы для жизни людей.

Автомашина есть великое благо и проклятие нашей цивилизации. Представить себе сейчас жизнь человечества без миллиарда с лишним ежедневно отравляющих среду существования человека механических творений невозможно. Самые лучшие бензиновые двигатели в режимах средних нагрузок имеют КПД не выше 12%. Это означает, что в среднем 88% топлива сжигается и выбрасывается в атмосферу безо всякой пользы для каждого конкретного автовладельца и с огромным ущербом для среды его обитания. Автомобильный транспорт вырабатывает примерно 70% парниковых газов. Последствия вредоносного действия газов, образующих парниковый эффект, особенно наглядны в последние 10-15 лет.

В прогнозах будущего между учеными нет расхождений. К 2050 году промышленные запасы нефти на земле будут исчерпаны. Что будет тогда?

По расчетам Ибадуллаева Г.А. двигатели, построенные по его циклу, в режиме средних нагрузок будут иметь КПД до 60%, в режиме полных нагрузок - до 73%. То есть нам предлагается в несколько раз уменьшить потребление нефтепродуктов и выбросы в атмосферу ядовитых и парниковых газов.

Нет никаких сомнений в том, что реализация его открытия будет иметь громадное экономическое и экологическое значение для всего мира.

Думаю, что мы имеем дело сенсационным открытием, которое окажет влияние на жизнь каждого жителя нашей планеты.

Надеюсь, что в самое ближайшее время открытие Ибадуллаева Г.А. будет воплощено в практику.

Д.т.н., профессор Мамедшахов М.Э.

Заключение

Конструктора и эксплуатационники бензиновых двигателей уже много лет бьются над решением проблемы повышения КПД этих машин. Из-за низкой степени сжатия у серийных двигателей КПД составляет 10-12 %, т.е. большая часть топлива расходуется без пользы от его потребления.

Ибадуллаеву Г.А. конструктивно-технологическими методами в своем изобретении (двигателе для ВАЗ-2111) удалось резко увеличить степень сжатия топлива перед горением и это способствовало повышению его КПД до 66…75 % и резкому снижению удельного расхода топлива.

Результаты рецензируемой работы апробированы на серийной машине ВАЗ и определили целесообразность их промышленного применения.

Заведующий отделом физико-технических

проблем машиноведения,

д.т.н., профессор, академик Международной

академии транспорта М.М. Абачараев

Телефон для справок: 8-928-276-00-50

e-mail: avtomotor@rambler.ru