ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ОТТО

В идеальном цикле Отто топливно-воздушная смесь адиабатиче - сжимается от объема Vx до объема V2 На р, К-диа грамме, представленной на v. 3.7, этот процесс описывается линией между точками 1 и 2. Так,

Pl-fH

Р

Из закона идеального газа

р2У:2 _ PlVx

у-1

г — степень сжатия Vt / V2. Процесс сжатия можно считать адиабатическим, Катьку этот процесс происходит настолько быстро, что теплообмен с ок - 'лей средой через стенки цилиндра произойти практически не успевает.

Следовательно, затраченная при сжатии работа равна увеличению внутренней энергии газа:

Wia=[lcv(T2-Tl) = ViCv(l-r^). (12,

В конечной точке фазы сжатия (точка 2) электрическая искра поджигает рабочую смесь, которая в идеальном случае должна мгновенно сгорать. При этом температура и давление мгновенно увеличиваются и рабочее тело пере­ходит в состояние, изображенное на диаграмме точкой 3. В ходе этого про­цесса (подвод теплоты) объем рабочего тела не меняется. Количество подве­денного тепла

Q2,3 = vcL,(r3-r2). (13)

Поведение рабочего тела в процессе расширения аналогично поведению при сжатии:

Ж3,4 = КГз(1-г^). (14)

Таким образом, при работе двигателя получается полезная работа W3 4 - Wx ■ при подведенной энергии Q7 3. Следовательно, эффективность двигателя

Если учесть, что согласно уравнению (11) г1^ = ТА/Т2, соотношение (15) мож - записать как

Из этого следует, что идеальный цикл Отто имеет эффективность, равную эффективности цикла Карно, соответствующего диапазону температур между максимальной «довзрывной» и минимальной температурой двигателя Отто. При эм идеальный цикл Отто никогда не сможет иметь эффективность равную эф - ктивности цикла Карно, соответствующего самой большой и самой низкой мпературе цикла Отто.

Рис. 3.8. Эффективность двигателей Дизеля и Отто в зависимости от степени сжатия

Теоретическая эффективность изображена на рис. 3.8 в зависимости от степе - сжатия рабочего тела. Эффективность двигателя Дизеля ниже, чем двигателя. так как у дизеля сгорание происходит при постоянном давлении (см. плот - акрашенную область на рис. 3.7), тогда как при искровом зажигании — постоянном объеме. Поэтому общая площадь цикла на р, V-диаграмме у дви - :я Дизеля будет меньше, чем у двигателя Отто. Идеальная эффективность атеяя Дизеля определяется как

(17)

= V3/V2 (см. рис. 3.7) — так называемый коэффициент спрямления, или нь расширения в течение периода сгорания.

На практике дизельные двигатели тем не менее имеют большую эффектиЕ ность, чем двигатели Отто, поскольку последние работают с меньшей степенью сжатия во избежание детонации (см. § 3.6).

Эффективность может быть увеличена следующим образом:

1) путем повышения у;

2) путем повышения степени сжатия.

Так как у у воздуха больше, чем у паров топлива, то работа на обедненної смеси будет более эффективна. Негативный момент использования обедненной смеси состоит в том, что ее сгорание протекает медленнее, чем сгорание обо­гащенной смеси. Если же смесь будет очень бедной, то сгорание может стаи - нестабильным, а работа двигателя неустойчивой, в результате увеличится веро­ятность возникновения обратной вспышки на выхлопе.

Стехиометрическое соотношение топливно-воздушной смеси для бензин равно 14,7:1. Однако максимальная мощность достигается при сильно обога­щенной смеси с соотношением от 12:1 до 13:1, тогда как максимальный КПД реализуется для относительно бедной смеси с соотношением топливо/возді от 16:1 до 18:1. В двигателях со стратифицированным горением реализуется им тересный компромисс: при тангенциальном впрыске топлива и воздуха в ци­линдр обогащенная смесь за счет действия центробежных сил образуется стенок цилиндра, а более бедная — у оси. Горение инициируется у стенок далее распространяется к центру цилиндра. Таким образом, для обедненной в среднем смеси достигается высокий КПД двигателя и решается проблем устойчивого горения топлива.

Как мы узнаем позже, при работе двигателя Отто топливная смесь име верхнее ограничение степени сжатия. При большой степени сжатия возможк возникновение детонационного режима воспламенения топливной смеси, ос бенно при ускорении двигателя. Степени сжатия, при которых двигатель може ускоряться без детонации, настолько малы, что применять такое сжатие при ра боте двигателя на стационарных режимах оказывается неэффективно. Решенг проблемы обеспечивается путем автоматической задержки момента искровое зажигания во время ускорения двигателя. Искусный метод варьирования степе ни сжатия был придуман в корпорации Daimler-Benz. Цилиндр в этом слу имеет два поршня. Один, как обычно, с помощью кривошілтно-шатунного ме ханизма соединен с главным валом, а второй находится в цилиндре в свободно' положении над первым. Между этими поршнями впрыскивается необходим количество топлива, чтобы изменить объем между ними и обеспечить заданн1 степень сжатия в каждый конкретный момент.

Рассмотрим бензиновый двигатель со степенью сжатия 9:1, в котором испол зуется топливно-воздушная смесь с у = 1,3. Его теоретическая эффективное будет равна примерно 50 %.

Реальный КПД двигателя отличается от теоретического по следующим при­чинам:

1. Горение происходит недостаточно быстро. Сгорание топлива происходч не при постоянном объеме. С другой стороны, в дизеле горение реальн протекает не при постоянном давлении, а при его некотором росте.

2. Имеют место тепловые потери через стенки цилиндра и через соедини тельные элементы поршня. Таким образом, тепло, выделяемое при горе нии, передается рабочему телу не полностью, а лишь частично. Ведущие.: - конструкторские разработки направлены на снижение этих тепловых п< терь с тем, чтобы максимально приблизить процесс к адиабатическому.

Как правило, влияние перечисленных факторов приводит к снижению КП реального двигателя до 80 % теоретического, т. е. реальный КПД описанно выше двигателя будет около 40 %.

Увеличение эффективности работы двигателя возможно за счет:

1) увеличения степени сжатия;

2) ускорения процесса полного сжигания топлива;

3) по возможности обеднения топливно-воздушной смеси;

4) уменьшения тепловых потерь в цилиндрах.

Кроме того, существует ряд потерь, связанных с трением движущихся элемента двигателя (трение скольжения, и с газодинамическим трением рабочего тела. Трені скольжения можно уменьшить конструктивными методами, используя подходяш материалы и специальную смазку. Газодинамические потери могут быть умег шены путем грамотного проектирования систем подачи и отвода рабочего те Например, эти потери могут быть уменьшены увеличением числа подводяї и отводящих клапанов (отсюда все более широкое применение находят двигате. с четырьмя клапанами на цилиндре). Мощность двигателя частично можно ре лировать путем изменения длительности открытия впускных клапанов с уменьш нием газодинамических потерь на входе. Ведется разработка специальных эле г ронных систем подавления шума, которые позволят избавиться от традиционн автомобильных глушителей, благодаря чему7 выхлоп отработавших газов бул. осуществляться с лучшими газодинамическими характеристиками.

Ведется борьба за повышение эффективности каждого компонента автомо биля, влияющего на интегральную эффективность двигателя в целом. Одни из таких ключевых компонентов являются генератор, водяной насос, вентг л тор радиаторной системы и др. В современных автомобилях на работу этих ус­тройств может уходить до половины всей вырабатываемой двигателем энерги Поэтому специально разрабатываемые системы автоматического управленк включают эти устройства только тогда, когда это необходимо. В старых же авт мобилях они работают непрерывно. До 20 % энергии может уходить на обесг. г

чение работы кондиционера, усилителя руля, автоматической трансмиссии и пр. Эффективность последней составляет около 90 %. С учетом потерь и затрат на обеспечение комфорта, удобства управления и на другие «собственные нужды» непосредственно на движение автомобиля в среднем расходуется лишь до 18 % энергии сжигаемого топлива.

БЕНЗИН

Без сомнения, самое популярное автомобильное топливо в на - )ящее время — бензин. Он не является каким-то определенным химическим веществом — его состав и свойства постоянно изменяются и улучшаются со ремен его первого применения- Бензин представляет собой смесь более чем из ЧЮ компонентов, среди которых доминируют углеводороды, в молекулах ко­торых содержится от 3 до 12 атомов углерода. Они имеют ветвистую структуру см обсуждение разницы между октаном и изооктаном далее). В рамках насто - . шей книги в качестве основных рассматриваются следующие характеристики нзина.

3.5.1. Теплота сгорания

В связи с тем что состав бензина может быть различным, его плота сгорания также варьируется в зависимости от концентрации составля­

вших его компонентов. Но в приблизительных расчетах можно использовать г плоту сгорания гептана или октана (приблизительно 45 МДж/кг) как высшую *: плоту сгорания бензина.