У меня есть практическое предложение по оценке

Повышение мощности ДВС через повышение его эффективности
(Что на самом деле предлагает Владимир Иванович Червяков)
В январском номере ТМ 2010 года была опубликована статья «Цикл Червякова…» .
Познакомившись с ней я написал в журнал отзыв по поводу этой статьи, позже здесь на сайте
пообщавшись с самим Владимиром Ивановичем, решил дополнить свои впечатления и
предложить Вашему вниманию.
Сначала замечания по статье в журнале.
В своей статье автор утверждает, что ЭФФЕКТИВНЫЙ кпд (вообще то, в результате
теплового расчета двигателя получают индикаторный кпд) можно повысить до 60-70%. Однако,
еще в 1824 году Никола Леонар Сади КАРНО опубликовал свою работу, в которой вывел формулу
максимально возможного кпд идеального теплового двигателя, работающего по циклу, который
сегодня носит его имя. Реальные циклы тепловых двигателей существенно уступают этому циклу
в своей эффективности, это предел к которому можно стремиться, но нельзя достичь. Напоминаю
что этот КПД=1-Tхол/Tгор (где Тхол и Тгор – соответственно температуры холодильника и
нагревателя в Кельвинах).
В современных двигателях максимальная температура в цилиндре составляет:
для карбюраторных ДВС – 2400-2800К
для дизельных ДВС – 1800-2200К.
Температура в конце расширения:
для карбюраторных ДВС – 1200-1500К
для дизельных ДВС – 900-1300К.
Если осуществить идеальный цикл Карно в этих температурных интервалах, то его КПД составит:
для карбюраторных ДВС КПД=(1- 1200/2800)*100 =57%
для дизельных ДВС
КПД=(1- 900/2200)*100 =59%
И это даже не индикаторный, а термический КПД, то есть кпд, не учитывающий потери тепла в
стенки, утечки рабочего тела в зазоры и т.п. Таким образом, утверждение автора о возможном 6070% эффективном кпд двигателя не соответствует действительности, потому, что противоречит
законам природы, в частности второму началу термодинамики.
А теперь давайте посмотрим, что нового в теории расчета двигателей автор предлагает в своей
статье.
Для начала хочу отметить, что автор слишком примитивно представляет себе работу
двигателя, утверждая, что в ВМТ температура и давление имеют максимальные значения.
На самом деле это далеко не так, угол опережения зажигания или впрыска топлива подбираются
таким образом, чтобы максимальное значение давления соответствовало повороту коленчатого
вала на 12-15град от ВМТ. Именно в этом случае двигатель развивает максимальную мощность и
имеет наименьший расход топлива. Подбор этот осуществляется экспериментально. Значение
оптимального угла зависит от многих параметров - оборотов, нагрузки, состава смеси и т.п.
Поэтому в современных двигателях применяют устройства, изменяющие угол опережения
зажигания или впрыска топлива при различных режимах работы.
Дальше автор заявляет, что нахождение и использование среднего индикаторного давления
цикла - неверно, хотя сам до этого признает, что площадь ограниченная кривыми сжатия и
расширения представляет собой работу цикла. Ну заменили мы кривую фигуру прямоугольником
такой же площади - чего же здесь не верного то, работа осталась же та же самая. Да и величина
этой работы не зависит от того ускоренно или замедленно движется поршень. К тому же
результаты испытаний двигателей хорошо согласуются с расчетными результатами. А
индикаторное давление и индикаторный кпд используются для оценки качества разрабатываемых
двигателей и позволяют их сравнивать между собой.
Ну и наконец, автор вносит гениальное, правда несколько запоздалое, предложение строить
индикаторные диаграммы двигателей не в координатах давление (P) – объем(V), а в координатах
давление (P) - угол поворота коленчатого вала (φ). Так ведь с этим никто и не спорит. Откройте
любой учебник по теории двигателей, и вы увидите, что диаграмм в предлагаемых автором
координатах P-φ на его страницах ничуть не меньше чем в координатах P-V. Может быть, стоило,
прежде, чем что либо опровергать, почитать соответствующую литературу, познакомиться с
опытом более чем столетней работы двигателистов теоретиков и практиков.
Открою секрет, на сегодняшний день расчет рабочего цикла двигателя выполняют
студенты соответствующих специальностей в курсовых и дипломных работах. А вот на практике
этот расчет вряд ли кому интересен, по той причине, что никто из двигателестроителей не
проектирует двигатель с чистого листа, а использует прежние наработки. Да и результаты этого
расчета, несмотря на огромное количество кандидатских и докторских диссертаций ему
посвященных, дают только оценочные характеристики создаваемого двигателя, а доводить
двигатель до нужных параметров приходится на стенде. А вот все экспериментальные
индикаторные диаграммы снимаются именно в координатах P-φ, по той простой причине, что
измерять положение поршня в цилиндре сложно, в отличии от угла поворота коленчатого вала.
Потом, уже на основании этих диаграмм происходит построение кривых в координатах P-V, и по
ним определяются и среднее индикаторное давление и индикаторный кпд.
Ну уж а о предлагаемом автором методе расчета я вообще ничего сказать не могу, слов нет.
Хотя бы потому, что автор строит кривые в координатах крутящий момент – угол поворота и
заявляет при этом, что полезный крутящий момент равен площади ограниченной кривыми на
диаграмме. Как же это может быть, даже с точки зрения математики, крутящий момент - это что точка на оси координат или площадь. Автор то сам понимает, что он написал. Если же он ввел
новый термин - ПОЛЕЗНЫЙ крутящий момент, то пусть объяснит сначала что это такое.
Пообщавшись с автором на сайте, я выяснил, что автор просто не знаком с
методикой расчета рабочего цикла двигателя. Все его суждения основаны на упрощенном
методе расчета, который приводится в некоторых учебниках для того, чтобы дать общее
представление о процессах, происходящих в двигателе.
Поэтому неверны именно
утверждения Владимира Ивановича о неверности применяемого метода расчета (вот такая
тавтология получилась).
Владимир Иванович утверждает, что в результате доработки двигателя своей машины
значительно улучшились его показатели. И пытается объяснить полученный эффект тем, что
максимальное давление цикла стало создавать больший крутящий момент, за счет смещения этого
давления в сторону больших углов поворота коленвала.
На мой взгляд, это заблуждение. Хочу напомнить, что существует закон сохранения энергии один
из основополагающих законов окружающего нас мира. Эффективность двигателя
определяется не величинами крутящего момента или силы газов действующих на поршень, а
величиной работы, производимой газами в двигателе. Эта работа определяется произведением
силы давления на величину перемещения поршня (с учетом переменной величины силы это будет
интеграл от Fгазов по dХ или, что то же самое, P(давления) по dV). Конечно, работу можно
определить также и как произведение крутящего момента на угол поворота (также с учетом
переменности величины крутящего момента). Совершенно очевидно, что работа, определенная
таким образом, может быть только меньше работы полученной при расширении газов в цилиндре
на величину потерь работы на преодоление сил трения в кинематических парах. И никакие
ухищрения с подбором плечей и углов не способны ее повысить, так как нельзя получить работу
из ничего, а могут только несколько сократить потери на трение. Просто автор забывает, что углу
поворота коленчатого вала, при котором сила действует на максимальном плече, соответствует
минимальное изменение угла на одно и то же перемещение поршня. Обычный закон рычага.
Поэтому, обоснование улучшения работы доработанного двигателя (если конечно улучшение
имеется), приводимое автором не верно.
Хочу обратить внимание, что эта ошибка, как ни странно, расширяет круг применения способа
совершенствования двигателя. Если будет установлено, что способ, предлагаемый автором, имеет
положительный эффект, то его можно применять в двигателях любой конструкции, а не только с
кривошипно-шатунным механизмом (например: двигатель Ванкеля, бесшатунный двигатель,
двигатель с качающимися поршнями ….. ).
Так что же на самом деле предлагает автор?
А предлагает он следующее – значительно увеличить степень сжатия и осуществлять более
позднее зажигание (впрыск топлива).
Автор не опроверг имеющуюся теорию расчета и не предложил никакой новой, его работу можно
определить как предложение нового способа работы двигателя. Причем процесс, происходящий в
доработанном двигателе, вполне может быть рассчитан по имеющимся методикам расчета. Это
предложение, на мой взгляд, тянет на изобретение (лично я о подобной организации рабочего
процесса в цилиндре двигателя узнал впервые) с примерной формулой изобретения:
Способ работы двигателя, отличающийся тем, что в двигателе с повышенной
степенью сжатия момент зажигания (впрыска топлива) подбирается таким образом, чтобы
начало роста давления в цилиндре происходило после преодоления поршнем вмт.
Кстати, в дизелях с наддувом, иногда вынужденно применяют более поздний впрыск
топлива (для уменьшения максимального давления цикла). При этом процесс сгорания
растягивается, и основное количество тепла подводится почти при постоянном давлении. Этот
участок составляет до 30град угла поворота коленчатого вала. Такое протекание процесса
сгорания приводит к значительному увеличению тепловой напряженности двигателя и ухудшению
его экономичности.(см.”Теория поршневых и комбинированных двигателей” под редакцией
Орлина стр.196).
Индикаторные диаграммы при различных углах опережения зажигания приведены на Рис.3
(взято из учебника).
Из диаграмм видно, что при уменьшении угла опережения зажигания эффективность цикла
уменьшается. То есть, теоретически, цикл с более поздним зажиганием будет менее эффективен
при одной и той же степени сжатия. Но, если степень сжатия значительно увеличить, то обычная
организация цикла станет невозможна по причине слишком большого давления (которое будет
вызывать повышенный износ или вообще выведет из строя двигатель) или возникновения
детонации в цилиндре двигателя. В.И.Червяков предлагает, увеличив степень сжатия,
использовать цикл с поздним зажиганием. Будет ли такой цикл эффективнее обычного цикла с
меньшей степенью сжатия сказать трудно. Одно из двух - либо да, либо нет.
Я пишу везде: может быть, если будет установлено и т.п. - не потому что я против предложения
Владимир Ивановича и не из желания очернить и не пущать. Просто, я считаю, что с инженерной
точки зрения, для доказательства эффективности технического новшества нужны результаты
испытания двигателя на стенде. И желательно в сравнении с аналогичным не доработанным
двигателем. Причем, если эффект от доработки есть, он может проявиться не на внешней
характеристике двигателя, а только на частичных (на которых двигатель автомобиля обычно и
работает большую часть времени). Поэтому, если появиться возможность испытания двигателя,
нужно снимать и частичные характеристики. Вот тогда и можно будет сказать есть эффект или
нет, а если есть то какой, на сколько процентов лучше. Такие доказательства сегодня у автора
отсутствуют (дорого все это), а субъективное мнение о меньшем потреблении топлива
автомобилем не слишком убедительно (расход топлива же не только от двигателя зависит но и от
дорожных условий, манеры вождения, состояния автомобиля….).
Также следует учитывать, что, при наличии положительного эффекта, двигатель может
потребовать значительно большей доработки, чем кажется на первый взгляд. Например, в
некоторых двигателях привод распредвала осуществляется ремнем или цепью. При выходе
привода из строя в двигателе с увеличенной степенью сжатия, возможна встреча поршня с
клапанами и разрушение двигателя. Для устранения этой опасности необходима конструкторская
доработка двигателя.
А если уж удастся все замерить и получить хороший эффект – тогда следует искать
заинтересованные предприятия и проводить НИОКР по определения оптимальной степени сжатия
и углов опережения. Как думаете, возможно такое в нашей стране?
Алексей Варежкин