Ceea ce se numește eficiență. Ce este eficienta? Concept, definiție, aplicare

Fizica este o știință care studiază procesele care au loc în natură. Această știință este foarte interesantă și curioasă, deoarece fiecare dintre noi își dorește să ne mulțumească mental, dobândind cunoștințe și înțelegere a modului și a ceea ce funcționează în lumea noastră. Fizica, ale cărei legi au fost deduse de-a lungul secolelor și de zeci de oameni de știință, ne ajută în această sarcină și nu trebuie decât să ne bucurăm și să absorbim cunoștințele oferite.

Dar, în același timp, fizica este o știință departe de a fi simplă, ca, de fapt, natura însăși, dar ar fi foarte interesant să o înțelegem. Astăzi vom vorbi despre eficiență. Vom învăța ce este eficiența și de ce este necesară. Să privim totul clar și interesant.

Explicația abrevierei - eficienţă. Cu toate acestea, chiar și această interpretare poate să nu fie deosebit de clară prima dată. Acest coeficient caracterizează eficiența unui sistem sau a oricărui corp individual și, mai des, a unui mecanism. Eficiența este caracterizată prin producția sau conversia energiei.

Acest coeficient se aplică aproape a tot ceea ce ne înconjoară, și chiar și pentru noi înșine, și într-o măsură mai mare. La urma urmei, facem o muncă utilă tot timpul, dar cât de des și cât de important este este o altă întrebare, iar termenul de „eficiență” este folosit împreună cu acesta.

Este important să luăm în considerare asta acest coeficient este o valoare nelimitată, de obicei reprezintă fie valori matematice, de exemplu, 0 și 1 sau, așa cum se întâmplă mai des, ca procent.

În fizică, acest coeficient este notat cu litera Ƞ sau, așa cum se numește în mod obișnuit, Eta.

Munca utila

Când folosim orice mecanism sau dispozitive, efectuăm în mod necesar lucrul. De regulă, este întotdeauna mai mare decât ceea ce avem nevoie pentru a finaliza sarcina. Pe baza acestor fapte, se disting două tipuri de muncă: cheltuită, care este notă cu o literă mare, A cu z mic (Az) și utilă - A cu litera p (An). De exemplu, să luăm acest caz: avem sarcina de a ridica un pavaj cu o anumită masă la o anumită înălțime. În acest caz, munca caracterizează doar depășirea forței gravitaționale, care, la rândul său, acționează asupra sarcinii.

În cazul în care se folosește pentru ridicare orice alt dispozitiv decât gravitația pietrului, este de asemenea important să se țină cont gravitația pieselor acestui dispozitiv. Și pe lângă toate acestea, este important să ne amintim că, în timp ce câștigăm în forță, vom pierde mereu pe parcurs. Toate aceste fapte duc la o concluzie că munca cheltuită, în orice caz, va fi mai utilă, Az > An, întrebarea este cât de mult mai este, deoarece puteți reduce această diferență cât mai mult posibil și, astfel, crește eficiența, a noastră sau dispozitivul nostru.

Munca utilă este partea din munca cheltuită pe care o facem folosind un mecanism. Și eficiența este doar atât cantitate fizica, care arată ce parte este muncă utilă din totalul cheltuit.

Rezultat:

• Munca cheltuită Az este întotdeauna mai mare decât munca utilă Ap.
• Cu cât este mai mare raportul dintre util și cheltuit, cu atât este mai mare coeficientul și invers.
• Ap se găsește prin înmulțirea masei cu accelerația gravitației și înălțimea ascensiunii.

Există o anumită formulă pentru găsirea eficienței. Se întâmplă astfel: pentru a găsi eficiența în fizică, trebuie să împărțiți cantitatea de energie la munca efectuată de sistem. Adică, eficiența este raportul dintre energia cheltuită și munca efectuată. Din aceasta putem trage o concluzie simplă că, cu cât sistemul sau corpul este mai bun și mai eficient, cu atât se cheltuiește mai puțină energie pentru realizarea lucrării.

Formula în sine pare scurtă și foarte simplă: va fi egală cu A/Q. Adică Ƞ = A/Q. Această formulă scurtă surprinde elementele de care avem nevoie pentru calcul. Adică, A în acest caz este energia utilizată care este consumată de sistem în timpul funcționării, iar litera majusculă Q, la rândul său, va fi A cheltuită sau din nou energia cheltuită.

În mod ideal, eficiența este egală cu unitatea. Dar, așa cum se întâmplă de obicei, el este mai mic decât ea. Acest lucru se întâmplă din cauza fizicii și, desigur, din cauza legii conservării energiei.

Chestia este că legea conservării energiei sugerează că nu se poate obține mai mult A decât energia primită. Și chiar și acest coeficient va fi egal cu unul extrem de rar, deoarece energia este întotdeauna irosită. Iar munca este însoțită de pierderi: de exemplu, într-un motor, pierderea constă în încălzirea excesivă a acestuia.

Asa de, formula de eficienta:

Ƞ=A/Q, Unde

• A este munca utilă pe care o efectuează sistemul.
• Q este energia consumată de sistem.

Aplicații în diferite domenii ale fizicii

Este de remarcat faptul că eficiența nu există ca concept neutru, fiecare proces are eficiența sa, nu este o forță de frecare, nu poate exista de la sine.

Să ne uităm la câteva exemple de procese cu eficiență.

De exemplu, Hai sa luam Motor electric . Sarcina unui motor electric este de a transforma energia electrică în energie mecanică. În acest caz, coeficientul va fi randamentul motorului în ceea ce privește conversia energiei electrice în energie mecanică. Există și o formulă pentru acest caz și arată astfel: Ƞ=P2/P1. Aici P1 este puterea în versiunea generală, iar P2 este puterea utilă pe care o produce însuși motorul.

Nu este greu de ghicit că structura formulei coeficientului este întotdeauna păstrată; doar datele care trebuie înlocuite în ea se schimbă. Ele depind de cazul specific, dacă este un motor, ca în cazul de mai sus, atunci este necesar să funcționeze cu puterea consumată, dacă este un loc de muncă, atunci formula inițială va fi diferită.

Acum cunoaștem definiția eficiențeiși avem o idee despre acest concept fizic, precum și despre elementele și nuanțele sale individuale. Fizica este una dintre cele mai mari științe, dar poate fi împărțită în bucăți mici pentru a o înțelege. Astăzi am examinat una dintre aceste piese.

Video

Acest videoclip vă va ajuta să înțelegeți ce este eficiența.

Nu ai primit răspuns la întrebarea ta? Propuneți autorilor un subiect.

Fiecare sistem sau dispozitiv are un anumit coeficient de performanță (eficiență). Acest indicator caracterizează eficiența muncii lor în eliberarea sau transformarea oricărui tip de energie. În ceea ce privește valoarea sa, eficiența este o mărime incomensurabilă, prezentată ca o valoare numerică cuprinsă între 0 și 1, sau ca procent. Această caracteristică se aplică pe deplin tuturor tipurilor de motoare electrice.

Caracteristici de eficiență la motoarele electrice

Motoarele electrice aparțin categoriei de dispozitive care transformă energia electrică în energie mecanică. Eficiența acestor dispozitive determină eficacitatea lor în îndeplinirea funcției principale.

Cum să găsiți eficiența motorului? Formula pentru randamentul motorului electric arată astfel: ƞ = P2/P1.În această formulă, P1 este puterea electrică furnizată și P2 este puterea mecanică utilă produsă de motor. Valoarea puterii electrice (P) este determinată de formula P = UI, iar puterea mecanică - P = A/t, ca raport de lucru pe unitatea de timp.

Factorul de eficiență trebuie luat în considerare atunci când alegeți un motor electric. Mare importanță au pierderi de eficiență asociate cu curenții reactivi, reducerea puterii, încălzirea motorului și alți factori negativi.

Conversia energiei electrice în energie mecanică este însoțită de o pierdere treptată a puterii. Pierderea eficienței este asociată cel mai adesea cu degajarea de căldură atunci când motorul electric se încălzește în timpul funcționării. Cauzele pierderilor pot fi magnetice, electrice și mecanice, apărute sub influența frecării. Prin urmare, cel mai bun exemplu este o situație în care s-a consumat energie electrică în valoare de 1000 de ruble, dar s-au produs numai 700-800 de ruble de muncă utilă. Astfel, randamentul in acest caz va fi de 70-80%, iar intreaga diferenta este transformata in energie termica, care incalzeste motorul.

Pentru a răci motoarele electrice, ventilatoarele sunt folosite pentru a conduce aerul prin goluri speciale. În conformitate cu standardele stabilite, motoarele de clasa A se pot încălzi până la 85-90 0 C, clasa B - până la 110 0 C. Dacă temperatura motorului depășește standardele stabilite, aceasta indică un posibil iminent.

În funcție de sarcină, randamentul motorului electric își poate modifica valoarea:

• Pentru turația de mers în gol - 0;
• La 25% sarcină - 0,83;
• La 50% sarcină - 0,87;
• La 75% sarcină - 0,88;
• La sarcina maximă de 100%, eficiența este de 0,87.

Unul dintre motivele scăderii eficienței unui motor electric poate fi asimetria curentului, atunci când pe fiecare dintre cele trei faze apare o tensiune diferită. De exemplu, dacă în prima fază există 410 V, în a 2-a - 402 V, în a 3-a - 288 V, atunci valoarea medie a tensiunii va fi (410 + 402 + 388) / 3 = 400 V. Asimetria tensiunii va fi au valoare: 410 - 388 = 22 volti. Astfel, pierderea de eficiență din acest motiv va fi de 22/400 x 100 = 5%.

Scăderea eficienței și pierderile totale la motorul electric

Există mulți factori negativi care influențează valoarea pierderilor totale la motoarele electrice. Există tehnici speciale care vă permit să le determinați în avans. De exemplu, puteți determina prezența unui gol prin care puterea este parțial furnizată de la rețea la stator și apoi la rotor.

Pierderile de putere care apar în demarorul însuși constau din mai multe componente. În primul rând, acestea sunt pierderi asociate cu inversarea parțială a magnetizării miezului statorului. Elementele din oțel au un impact neglijabil și practic nu sunt luate în considerare. Acest lucru se datorează vitezei de rotație a statorului, care depășește semnificativ viteza fluxului magnetic. În acest caz, rotorul trebuie să se rotească în strictă conformitate cu caracteristicile tehnice declarate.

Valoarea puterii mecanice a arborelui rotorului este mai mică decât puterea electromagnetică. Diferența este cantitatea de pierderi care apar în înfășurare. Pierderile mecanice includ frecarea în rulmenți și perii, precum și efectul barierelor de aer asupra pieselor rotative.

Motoarele electrice asincrone se caracterizează prin prezența unor pierderi suplimentare datorate prezenței dinților în stator și rotor. În plus, fluxurile vortex pot apărea în componentele individuale ale motorului. Toți acești factori împreună reduc eficiența cu aproximativ 0,5% din puterea nominală a unității.

La calcularea posibilelor pierderi se folosește și formula eficienței motorului, care permite calcularea reducerii acestui parametru. În primul rând, se iau în considerare pierderile totale de putere, care sunt direct legate de sarcina motorului. Pe măsură ce sarcina crește, pierderile cresc proporțional și eficiența scade.

Proiectele motoarelor electrice asincrone iau în considerare toate pierderile posibile în prezența sarcinilor maxime. Prin urmare, gama de eficiență a acestor dispozitive este destul de largă și variază de la 80 la 90%. La motoarele de mare putere, această cifră poate ajunge la 90-96%.

Eficiența (coeficientul de performanță) este gradul de eficiență în utilizarea energiei combustibilului în motor; cu cât este mai mare, cu atât mai multă energie termică din arderea combustibilului este convertită în motor în energie mecanică de rotație a arborelui principal. Cu cât motorul consumă mai puțin combustibil pe unitatea de putere de ieșire.

ARTICOLUL NR. 1

EFICIENTA MOTORULUI – REGULAREA IDEI GLOBALE,
Există perspective de îmbunătățire a motoarelor?

Motoarele moderne cu ardere internă, cu multe decenii în urmă, odată cu apariția sistemelor de injecție directă și turboalimentare pentru aerul care intră în cilindri, au atins valorile actuale de eficiență și eficiență a combustibilului. Prin urmare, astăzi, corporațiile globale - producătorii de motoare pentru mașini și alte echipamente cheltuiesc o mulțime de bani și mulți ani de efort pentru a crește eficiența cu doar 2 - 3% în detrimentul costurilor ridicate și a complicațiilor semnificative ale designului motorului. Eforturile și costurile sunt complet incomparabile cu rezultatele obținute. Rezultatul tuturor acestor lucruri este, ca în celebrul proverb, „muntele a născut un șoarece”.
Apropo, acesta este motivul pentru care în toate țările mari există o întreagă industrie de „tuning motor”, adică. un număr mare de firme mici, ateliere de semi-artizanat și specialiști individuali care se angajează să aducă cumva motoarele standard ale mărcilor de masă de mașini la niveluri mai ridicate de putere, cuplu etc. Adică. supune motorul la reglaj fin, modificare, amplificare etc. trucuri care sunt definite popular ca reglajul motorului.

Dar toate aceste evenimente și acțiuni tehnice asupra motoarelor sunt foarte standard în natură și toate aceste idei de tuning au cel puțin o jumătate de sută de ani. Permiteți-mi să vă reamintesc că turboalimentarea aerului care intra în motor a fost folosită cu succes încă din anii 20 ai secolului trecut, iar primul brevet american pentru un astfel de dispozitiv a fost primit de inginerul elvețian Alfred Büchi deja în 1905... Și sistemele de injecție directă a combustibilului în cilindri au fost utilizate pe scară largă în motoarele cu piston din aviația militară deja în perioada inițială a celui de-al doilea război mondial. Acestea. tuturor „avansați” moderni sisteme tehnice Lupta pentru creșterea eficienței și a consumului de combustibil a motoarelor este de aproape o sută de ani, sau chiar mai mult. Cu toate aceste trucuri, eficiența generală a celor mai bune motoare pe benzină (cu aprindere forțată prin scânteie) nu depășește 25-30%, iar eficiența celor mai bune motoare diesel în cele mai economice versiuni de dimensiuni mari (care au multe dispozitive suplimentare complexe). ) timp de multe decenii nu poate depăşi 40 -45%. Motoarele diesel mici au o eficiență cu 10 la sută mai mică.

În acest articol vom încerca să subliniem pe scurt și în limbaj popular principalele sarcini și să determinăm posibilitățile teoretice de a crea un motor cu ardere internă cu o eficiență sigură de peste 50%.

* * * Deci, randamentul motorului, judecând după manualele pentru universitățile tehnice, constă din două valori: eficienta termodinamica si eficienta mecanica .

Prima valoare indică ce parte din căldura generată în motor este transformată în muncă utilă și care este risipită în spațiul înconjurător. Eficiența mecanică indică ce parte din funcționarea activă a motorului este cheltuită inutil pentru a depăși diferite rezistențe mecanice și pentru a conduce echipamente suplimentare în motorul însuși.

Dar din anumite motive, în toate manualele conceptul de „eficiență a combustibilului” nu este introdus în conceptul de eficiență generală. Adică, o valoare care va arăta cât de mult combustibil arde în mod util și, în cele din urmă, se transformă în căldură și în volumul gazelor de lucru și cât de mult combustibil nu arde și este epuizat sub formă de vapori de combustibil sau produse ale arderii sale incomplete. Această parte nearsă a combustibilului este cea care în mașinile moderne „de înaltă performanță” este arsă în catalizatori care sunt instalați în țevile de eșapament. Acestea. Evacuarea datorită utilizării acestor sisteme se dovedește a fi destul de curată, dar acest sistem nu îmbunătățește eficiența combustibilului și eficiența motorului. Dimpotrivă, o reduce - pentru că pentru a „pompa” o parte din gazele de eșapament prin „rețeaua densă” de suprafețe catalitice, motorul trebuie să funcționeze ca o pompă solidă și să cheltuiască o parte considerabilă din puterea sa pe această chestiune. . Desigur, această categorie este cumva prezentă în formulele de calcul al eficienței, dar nu este prezentă clar și timid. De exemplu, într-o formă ca, de exemplu, într-una din formulele generale de bilanţ termic există o componentă „Q n.s. - căldură obținută în timpul arderii incomplete.” Dar toate aceste abordări suferă de o oarecare vagitate, așa că voi încerca să prezint totul cât mai clar și cât mai sistematic posibil.

Deci, eficiența generală a motorului va fi împărțită în 3 părți principale:

• eficienta consumului de combustibil;
• eficiență termică;
• randamentul mecanic;

Esența acestor valori este următoarea:

Eficienta consumului de combustibil- arată cât de mult combustibil a fost ars eficient în motor și s-a transformat într-un volum de gaze de lucru la temperatură înaltă și presiune ridicata, și ce parte din combustibil nu a fost niciodată arsă și, sub formă de produse de ardere incompletă, particule carbonizate (sub formă de fum, funingine și funingine), sau chiar practic sub formă de vapori puri de combustibil, au trecut prin motor direct și a zburat în țeava de eșapament. Când stai lângă o mașină domestică veche, în special un camion, și simți un miros puternic de benzină, acesta este rezultatul acestui tip ineficient de ardere parțială a combustibililor;
Eficiență termică – arată câtă căldură primită de la arderea combustibilului este transformată în muncă utilă și câtă este disipată inutil în spațiul înconjurător;
Eficienta mecanica - arată cât de mult munca mecanica este transformat în cuplu pe arborele principal și transmis consumatorului, iar ceea ce este irosit este cheltuit inutil pe frecare sau cheltuit pentru acționarea mecanismelor de susținere;

Să aruncăm o scurtă privire asupra tuturor acestor poziții:
Eficienta consumului de combustibil – nu au putut fi găsite date clare pe această temă, nici în vechile manuale sovietice despre teoria și calculul motoarelor cu ardere internă, nici în resursele nesfârșite ale internetului modern.
Date clare și semnificative au fost găsite în informațiile privind calculul postcombustibilului catalitic al combustibilului nears pentru mașinile moderne. La urma urmei, trebuie să calculeze clar performanța post-arzătoarelor lor pentru un anumit volum de hidrocarburi care nu au fost arse în motoare. Deci, din aceste date rezultă că motoarele cu piston (și dieselurile) ard în medie nu mai mult de 75% din combustibil, dar 25% din vaporii de combustibil și produsele de ardere incompletă intră în țeava de eșapament și necesită serviciile unui post-arzător (deci ca să nu otrăvească mediul înconjurător). Acestea. În motoarele existente astăzi, nu mai mult de 75% din combustibil este complet ars și transformat în căldură. Pentru motoarele în 2 timpi această valoare este și mai mică.

Eficiență termică– în medie, motoarele cu piston au acest randament de 35-40%. Acestea. aproximativ 65% din căldura generată este eliberată fără risipă în mediu prin sistemul de răcire și gazele de evacuare.

Eficienta mecanica – în medie, 10% din munca motorului este cheltuită pentru frecarea dintre părțile sale și pentru acționarea mecanismelor auxiliare ale motorului.

Ca urmare, pe baza sumei pierderilor termice și mecanice, motoarele moderne cu piston de dimensiuni și putere reduse au o eficiență de cel mult 30%.
La motoarele mari, precum motoarele diesel marine sau motoarele mari din locomotivele feroviare și camioanele, este mai ușor să economisiți energie, dar nu vom vorbi despre ele.

Dar - valoarea eficienței de 30% nu ține cont de ponderea combustibilului nears, adică. nu ia în considerare caracterul complet al arderii vaporilor de combustibil în motor. Consider că ținând cont de acest parametru, valoarea reală a eficienței motoarelor pe benzină cu piston nu va fi mai mare de 20%, iar a motoarelor diesel - puțin mai mult, aproximativ 5-7%.

Rezultatul este mai bun decât motoarele cu abur pe cărbune, cu randamentul lor de 7-8%, dar totuși foarte puțin.
Să ne gândim de ce conceptul de eficiență nu a inclus „eficiența combustibilului” specificată? De ce conceptul de eficiență ignoră în mod clar ponderea combustibilului care nu „contribuie” la procesul de ardere și generare de căldură? Acestea. Conceptul de eficiență exclude cele mai multe pierderi ale motoarelor moderne și sunt cifrele pentru valorile de eficiență moderne fără a lua în considerare aceste pierderi în mod clar supraestimate?

Adevărul constă în sensul însuși al termenului „factor de eficiență”. Acestea. aceasta este determinarea cotei de muncă utilă - „acțiune” și a cotei de muncă inutilă. Unele lucrări sau eliberarea de energie sunt benefice, iar unele (de exemplu, pentru a depăși frecarea sau energia termică pierdută în evacuare) sunt inutile, dar există, iar această energie este tangibilă și luată în considerare. Dar pierderile din combustibilul nears nu apar sub formă de căldură inutilă sau de muncă necorespunzătoare. Aceste „dezavantaje ale echilibrului” nu sunt pierderi de locuri de muncă sau pierderi de căldură. Aceasta este o pierdere de combustibil în formă pură. Acestea. Aceste pierderi nu sunt nici în jouli, nici în atmosfere, ci în grame și litri. Iar astfel de pierderi nu pot fi măsurate sau contabilizate în categoria pierderilor de presiune sau pierderilor de căldură, acțiunilor inutile sau lucrărilor inutile.

Prin urmare, pur conform regulilor logicii formale, COEFICIENTUL DE EFICIENȚĂ nu ar trebui să ia în considerare aceste pierderi. În acest scop, ar trebui să existe un alt indicator și calificativ, dar nu există un astfel de parametru clar și inteligibil în utilizare pe scară largă. Așadar, obținem un indicator trunchiat în mod deliberat și excesiv de fericit al eficienței motoarelor moderne - un indicator de eficiență care ia în considerare doar o parte din pierderi...

Dar, de fapt, eficiența totală a motoarelor moderne cu ardere internă se dovedește a fi semnificativ mai mică decât eficiența universal postulată de 35-40% eficiență. La urma urmei, sunt luate în considerare doar efectul benefic și energia risipită și munca suplimentară produsă din cauza părții arse a combustibilului. Dar pierderea părții nearse a combustibilului din soldul total de combustibil care intră în motor nu este pe deplin determinată...

AUDITUL ȘI INVENTAREAREA PIERDERILOR ÎNTR-UN GHEAZĂ DE PISTON Vom încerca să trecem în revistă și să analizăm pe scurt toate pierderile de energie conținute de combustibil, una câte una conform pozițiilor evidențiate mai sus. Și apoi gândiți-vă la posibilitățile de a scăpa de aceste pierderi. Acestea. Să încercăm să formulăm conceptul și să conturăm trăsăturile generale ale unui motor perfect.

* * *
Primul nivel de pierderi– arderea incompletă a combustibilului în camerele de ardere ale motorului. Toți experții știu că combustibilul intră motoare moderne arde incomplet și o parte din ea este epuizată cu gazele de eșapament. De aceea, motoarele moderne cu ardere internă otrăvește aerul cu produse de ardere incompletă a hidrocarburilor, iar pentru a obține „eșapament curat” este instalat un post-ardere catalitic în țeava de eșapament a mașinilor moderne, care „post-arde” combustibilul pe suprafețele sale active. elemente. Ca rezultat, combustibilul care nu este încălzit în cilindri este oxidat inutil în acești catalizatori. Dar evacuarea devine mai curată. Dar prețul acestor catalizatori cu suprafețe de rodiu și platină este foarte mare și funcționează pentru o perioadă limitată.

Sarcină– pentru a obține un motor care arde COMPLET combustibil în camerele sale de ardere și transformă complet energia legăturilor chimice ale combustibilului în căldură și un volum mare de gaze simple de ardere, precum vaporii de apă și CO2.

În primul rând, să vedem de ce combustibilul nu arde complet în motoarele tradiționale cu piston. Ce împiedică procesul de ardere completă?

Principala dificultate la motoarele cu piston pe această temă este lipsa de oxigen pentru ardere, precum și implementarea procesului de ardere într-o singură lovitură tehnologică cu expansiunea gazelor de ardere. Ultima situație poate fi descrisă cu alte cuvinte - Amestecul de lucru nu are suficient timp pentru arderea completă. Aceste „boli generice” ale motoarelor cu piston sunt practic incurabile, așa că gândirea ingineriei, după mai bine de 120 de ani în care a încercat să scape de ele, nu a găsit o modalitate de a face acest lucru.

Să luăm în considerare acest dezavantaj în detaliu: deci, atunci când pistonul se află la punctul mort superior (TDC), amestecul de lucru comprimat (PCM) este aprins. Procesul de ardere începe și continuă de ceva timp. Arderea aproximativă a amestecului de lucru într-un motor modern de mare viteză durează aproximativ o milisecundă - 0,001 secunde. În general, toate cele 4 cicluri au loc în 0,02-0,04 secunde.

Se știe că, pentru arderea completă și completă a vaporilor de combustibil, sunt de dorit temperaturi ridicate și presiune ridicată. Dar imediat după ce pistonul trece de TDC, începe să se miște în jos cu o creștere semnificativă a volumului spațiului de deasupra pistonului. Acestea. Pe măsură ce frontul de ardere al amestecului de lucru (WMC) se răspândește în camera de ardere, primele porțiuni de WMC ars vor arde la temperatură ridicată și presiune înaltă. Dar ultimele porțiuni de ardere a RSM se găsesc în condiții de scădere bruscă a presiunii și scădere a temperaturii. În consecință, eficiența arderii scade brusc sau chiar se oprește cu totul. Din acest motiv, o parte din RSM nu are timp să ardă sau nu arde complet. Prin urmare, o parte din vaporii de combustibil intră în țeava de eșapament și gazele de eșapament conțin cu siguranță produse de ardere incompletă a hidrocarburilor de combustibil. Rezultatul este că o parte din combustibil nu arde și nu își transformă energia în căldură și apoi în rotația arborelui principal al motorului, ci doar poluează și otrăvește aerul din jur.

Este aproape imposibil de eliminat acest dezavantaj, deoarece designul de bază al unui motor cu piston presupune cel mai important principiu al combinării a două procese diferite într-o singură cursă tehnologică „combustie - expansiune”: arderea și extinderea produselor de ardere. Este dificil să combinați aceste procese, deoarece fiecare dintre ele are loc în mod optim în condiții optime reciproc exclusive pentru celălalt proces.

Într-adevăr, procesul de ardere al unei încărcături RSM comprimate va avea loc cel mai bine într-o cameră blocată cu volum constant. În termodinamică, acest proces este definit ca un proces „izocor”. Acestea. sarcina PCM va arde complet și va transforma toată energia legăturilor chimice ale hidrocarburilor combustibile dintr-o cameră închisă în căldură și presiune în condiții de creștere bruscă a presiunii și temperaturii.
Iar procesul de expansiune va avea loc cel mai bine în condiții de temperatură scăzută (pentru a asigura lubrifierea suprafețelor de alunecare și frecare ale elementelor de lucru ale motorului), cu mișcare ușoară a corpului de lucru principal (piston).
După cum vedem, la motoarele cu piston ambele condiții nu pot fi îndeplinite pe deplin, prin urmare procesul combinat de „combustie-expansiune” urmează un „scenariu de compromis”, când sunt create condiții mai puțin potrivite pentru fiecare dintre procese, dar în cele din urmă acestea permite totuși să implementeze cumva aceste procese comune cu o eficiență de cel puțin 50%. Ca urmare, procesul de funcționare a unui motor modern cu piston este o tehnologie de compromisuri dificile continue și pierderi semnificative.

Ca urmare a unei astfel de „căsătorii de compromis” cu pierderi pentru ambele părți implicate în chestiune, obținem următorul rezultat:
— are loc ardereaîn condițiile unei expansiuni puternice a camerei de ardere și chiar și la o temperatură semnificativ scăzută a pereților cilindrului. Ca urmare, combustibilul arde incomplet și ineficient și o parte din căldura din combustibilul ars se pierde atunci când pereții reci ai cilindrului răcit sunt încălziți. Acestea. arderea are loc în condiţii extrem de ineficiente.
— are loc expansiuneaîn condiţii de temperaturi ridicate din procesul de ardere combinat cu expansiunea. De aceea, pereții cilindrului trebuie să fie răciți, deoarece uleiul pentru lubrifierea suprafețelor de frecare ale pistonului și cilindrului la o temperatură mai mare de 220 C° își pierde „proprietățile alunecoase” și frecarea începe să „se usuce”, iar carbonul carbonizat. uleiul se sinterizează în particule solide, care încep să interfereze și mai mult cu acest proces.

O parte din calea de ieșire din impasul procesului de „expansiune-combustie” se găsește prin aranjarea „aprinderii timpurii”, astfel încât cea mai mică parte posibilă a arderii RCM să aibă loc pe linia de expansiune de mare viteză și o creștere mare a volumului. a camerei de ardere. Dar aceasta este o schemă forțată și este plină de alte probleme secundare. Deoarece „preaprinderea” implică aprinderea RCM și crearea stadiul inițial presiunea de lucru a gazelor de ardere chiar înainte ca pistonul să atingă PMS, adică în etapa finală a cursei de compresie. În consecință, inerția mecanismului de manivelă (CPM) trebuie să depășească această presiune emergentă a RCM în ardere și să se comprima din cauza inerției de rotație a CCM sau a muncii altor pistoane, RCM în ardere care a început să se extindă. Rezultatul acestui compromis este o creștere bruscă a sarcinilor pe arborele cotit, pistoane, biele și știfturile arborelui cotit, precum și o scădere a eficienței. Acestea. motorul se dovedește a fi o arenă de confruntare între forțe multidirecționale.

Un alt subiect dificil cu motoarele cu piston este lipsa oxigenului. Adevărat, este tipic doar pentru motoarele pe benzină (motoare care funcționează cu aprindere forțată prin scânteie), motoarele diesel (motoare care funcționează cu aprindere prin compresie) nu au acest dezavantaj. Dar, în schimb, motoarele diesel au căpătat multe alte dificultăți - greutate mare, volum și dimensiuni impresionante. Într-adevăr, nimeni nu a reușit să creeze un motor diesel eficient, de dimensiuni acceptabile, cu un volum mai mic de 1,2 litri... Acesta este motorul celei mai mici mașini diesel, Audi-A2. Iar reducerea motoarelor diesel la dimensiuni foarte mici are un rezultat trist. Deci - motoare diesel mici ale Uzinei de Tractor Vladimir D-120 (sunt instalate pe mini-tractoare) cu o putere de 25-30 CP. au o greutate de 280-300 kg. Acestea. Pentru un cal putere există 10 kg de greutate. Alți producători din întreaga lume au o situație similară.
Deci, combustibilul nu arde complet atunci când RCM este „bogat”, adică. conține mulți vapori de combustibil și puțin aer (oxigen). Un astfel de RSM nu are nicio șansă de a arde complet; pur și simplu nu există suficient oxigen în combustibil pentru a oxida hidrocarburile. Rezultatul este că vaporii de combustibil care nu sunt arse din acest motiv merg spre evacuare. Dar un astfel de RSM arde rapid, deși nu complet. Aceasta înseamnă că majoritatea vaporilor de combustibil încă ard și oferă presiunea și temperatura necesare.

Puteți merge în altă direcție - faceți un „amestec slab”, adică. va fi mult aer (oxigen) și puțini vapori de combustibil în RSM. Ca rezultat, într-un caz ideal, un astfel de RSM va putea arde complet - toți vaporii de combustibil vor arde 100% cu eficiență deplină. Dar acest RSM are mare dezavantaj– arde mult mai lent decât un „amestec bogat” și în condițiile unui motor cu piston real, unde arderea are loc pe linia creșterii rapide a volumului, un astfel de RCM pur și simplu nu are timp să ardă complet. Deoarece o parte semnificativă a arderii unui astfel de RSM scade din cauza vitezei scăzute în condițiile unei creșteri brusce a volumului camerei de ardere și o scădere a temperaturii. Rezultatul este că RCM din nou nu arde complet nici măcar în versiunea „amestec slab” și o parte notabilă din acesta merge la evacuare fără a fi ars.

Și din nou, eficiența consumului de combustibil al acestui mod de funcționare a unui motor cu piston se dovedește a fi foarte scăzută.
Aportul scăzut de oxigen în procesul de ardere al PCM joacă, de asemenea, un rol în metoda de control al motoarelor cu carburator - „metoda cantitativă”. Pentru a reduce turația motorului și a reduce „împingerea”, șoferul închide supapa de accelerație, limitând astfel accesul aerului la carburator. Ca urmare, din nou există o lipsă de aer pentru arderea combustibilului și din nou o eficiență scăzută a combustibilului... Motoarele cu injecție sunt parțial lipsite de acest dezavantaj, dar restul problemelor unui motor cu piston se manifestă în ele „în totalitate”.

Este necesar să se separe două procese tehnologice de lucru extrem de contradictorii - „combustie - formarea gazelor de lucru de înaltă presiune și temperatură” și „expansiunea gazelor de lucru de înaltă presiune și temperatură”. Apoi, ambele procese pot începe să fie efectuate în camere și dispozitive specializate cu cei mai optimi parametri. Acestea. arderea se va produce „izocoric” - într-un volum blocat, cu creșterea presiunii și creșterea temperaturii. Și expansiunea poate fi efectuată la temperaturi scăzute.

În principiu, ideea de a face o astfel de „mare diviziune” a fost formulată de diverși inventatori și ingineri din diferite țări cu destul de mult timp în urmă. De exemplu, evoluțiile companiei germane DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG”, pe tema unui motor cu piston cu o cameră de ardere separată. Dar până acum nimeni nu a reușit să propună un circuit teoretic frumos și funcțional din punct de vedere tehnic pentru implementare în metal. Aceeași companie germană DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG a început să primească brevete pentru dezvoltările sale în urmă cu aproximativ 15 ani, dar nu a auzit niciodată de vreun succes real în crearea unui motor cu adevărat funcțional.

Deci, este necesar să se asigure un proces de ardere pe termen lung al încărcăturii RSM într-un volum blocat - un „proces izocor”. În aceste condiții, va fi posibil să se ardă în mod deliberat un „amestec slab”, cu un raport mare de aer în exces, atunci când vaporii de combustibil ard complet, produc cantitatea maximă posibilă de căldură și gaze de ardere și, în același timp, arderea minim toxică. produsele vor fi epuizate. Dar acest lucru se poate face doar prin asigurarea unui timp de ardere suficient de lung al încărcăturii „sărace” RSM într-un volum blocat sub presiune în creștere și temperatură semnificativă. Ceea ce este practic imposibil de furnizat într-un motor cu piston.

* * *
Al doilea nivel de pierderi– pierderi semnificative de căldură obținute din arderea „combustibilului asimilat de motor”.
Bilanțul termic al unui motor pe benzină este următorul:
1) – căldură transformată în muncă utilă: 35%;
2) – căldură pierdută cu gazele de evacuare: 35%;
3) – căldură pierdută din pierderi prin sistemul de răcire: 30%;

Sarcină– ia un motor care are pierderi minime căldură către mediul extern. În mod ideal, scopul ar fi crearea unui motor cu o eficiență termică de 80%. Dar chiar dacă reușim să atingem această cifră de 65-70%, în loc de 35% astăzi, acesta va fi un salt uriaș înainte. Acestea. un motor de aceeași putere cu o astfel de eficiență va începe să consume de 2 ori mai puțin combustibil decât înainte.

Analiza situației nefavorabile de astăzi:În primul rând, să vedem de ce există pierderi atât de mari de căldură „în lateral” în motoarele tradiționale cu piston? Ce duce la o situație atât de tristă?

Prima categorie de pierderi de căldură— pierderi de căldură cu îndepărtarea prin pereții buteliilor cu sistem de răcire. În general, pentru a crește valoarea eficienței termice, motorul nu trebuie răcit deloc. Acest lucru va ridica imediat temperatura pieselor motorului, iar acest lucru va carboniza uleiul (care creează o peliculă pentru alunecarea ușoară pe suprafețele de frecare), iar pistonul se va opri cu ușurință în mișcare în cilindru și motorul se va bloca în curând. Aici ne întâlnim din nou cu contradicțiile combinării a două procese într-un singur ciclu - arderea și expansiunea. Temperatura în timpul unui focar de ardere în perioada initiala aprindere RSM – atinge 3000 C°. Iar temperatura maximă a uleiului, când încă lubrifiază și salvează de la frecare, este de 200 - 220 de grade. Când acest prag de temperatură este depășit, uleiul începe să „ardă” și să se carbonizeze. Pentru a asigura o eficiență ridicată, nu este înțelept să răciți motorul, ci să asigurați mișcarea corpului principal de lucru - pistonul - lubrifierea este vitală... Adică. un sistem de racire care permite miscarea pistonului in cilindru reduce dramatic randamentul termic al motorului. Aceasta este o reducere conștientă și necesară a eficienței.

A doua categorie de pierderi de căldură– pierderi de căldură cu gazele de evacuare. Temperatura gazelor de evacuare la ieșirea cilindrilor pentru diferite dimensiuni și motoare variază de la 800 la 1100 C°. Prin urmare, la un motor care funcționează la turații mari, galeriile de evacuare încep uneori să se încălzească până la o strălucire purpurie... Aceasta înseamnă un singur lucru - energia arderii combustibilului, transformată în energia internă a gazelor de ardere sub forma lor. temperatură ridicată, se pierde irevocabil și complet inutil. Prin acest canal de „pierderi termice” motoarele moderne cu ardere internă pierd aproximativ 35% din energia de ardere a combustibilului. Și transformarea acestei energii în muncă utilă este extrem de dificilă; cel mai mult s-a făcut este introducerea unei turbine în tubul de evacuare, care transformă compresorul turbocompresorului. Se realizează astfel o creștere a presiunii aerului care intră în cilindri. Și acest lucru crește ușor eficiența. Dar - trebuie să înțelegeți că turbina nu „prinde” temperatura crescută, ci excesul de presiune a gazelor care părăsesc cilindrul. Acestea. Acesta este un subiect ușor diferit și economii de alt tip.

Astfel, se dovedește că motorul cu piston „procesează” prost nu numai temperatura, ci și presiunea ridicată a gazelor de lucru. De fapt, gazele de lucru cu o presiune în exces de 8-10 atmosfere sunt epuizate. Este mult; trebuie doar să rețineți că primele mașini cu abur de la începutul secolului al XIX-lea aveau o presiune de lucru de 3 sau 3,5 atmosfere și funcționau cu succes în minele de cărbune și uzinele metalurgice, la fel ca și motoarele primelor locomotive cu abur. .

Totul constă aici în dimensiunile geometrice identice ale volumului de compresie și volumul de expansiune. Pentru un motor cu piston sunt egale și nu se poate face nimic în acest sens. În mod ideal, aceste volume ar trebui să fie diferite. Un truc precum ciclul Atkinson, când la motoarele cu piston volumul de compresie este mai mic decât volumul de expansiune, este ineficient, deoarece reduce brusc cuplul motorului.

Dar creșterea volumului camerei de expansiune va face doar posibilă transformarea întregului exces de presiune în muncă utilă, dar creșterea temperaturii gazelor fierbinți de ardere a combustibilului nu poate fi utilizată prin această metodă. Singurul lucru care le-a venit în minte inginerilor a fost să injecteze apă în cilindri pentru a transforma temperatura ridicată în lucru. În teorie: apa, transformându-se în abur de înaltă presiune, va crește brusc presiunea amestecului de abur și gaz rezultat și, în același timp, va scădea semnificativ temperatura acestuia. Dar, de-a lungul a peste 80 de ani de eforturi în această direcție, nu s-a putut crea nimic eficient și eficient într-un motor cu piston. Circuitul pistonului motorului cu ardere internă s-a dovedit a fi foarte ostil acestei idei și nu a permis integrarea unei curse de abur sau a unei faze de vapori în ciclul de funcționare a motorului.

Trebuie spus că conform legii fundamentale a termodinamicii, formulată cu aproape 200 de ani în urmă de S. Carnot, un motor termic cu randament maxim posibil trebuie să aibă o temperatură maximă a gazelor de lucru la începutul ciclului de funcționare, și o temperatura minimă a gazelor de lucru la sfârşitul ciclului.
Dar într-un motor cu ardere internă cu piston, sistemul de răcire împiedică atingerea temperaturii maxime a gazului în prima etapă a ciclului, iar temperatura minimă a gazului în exces la sfârșitul ciclului este împiedicată de incapacitatea de a construi o componentă de abur în circuitul motorului. Drept urmare, astăzi folosim motoare cu o eficiență termică de aproximativ 35%, nu cu mult mai bună decât acum 60 sau 70 de ani...

Modul de a scăpa de acest neajuns: este necesar să se creeze un design de motor care să permită desfășurarea procesului de ardere a combustibilului într-o cameră de ardere izolată termic (pentru a atinge temperatura maximă la începutul ciclului de funcționare), precum și să permită includerea fazei de vapori la etapa finală a gazelor fierbinți de ardere (pentru a atinge temperatura minimă la sfârșitul ciclului de funcționare). De asemenea, acest design al motorului va face posibil să se facă fără un sistem de răcire separat și voluminos, care ar „arunca” căldura în mediul extern.

În același timp, motorul nu va avea nevoie de o țeavă de evacuare voluminoasă și grea, care în motoarele tradiționale cu piston atenuează vuietul gazelor de eșapament care zboară în „împușcături” cu o presiune în exces de 8-10 atmosfere. Deoarece în designul propus, excesul de presiune a gazelor de eșapament va fi minim.

* * *
Al treilea nivel de pierderi– pierderi de putere notabile pentru a depăși forțele de frecare, precum și forțele inerțiale ale maselor în mișcare alternativă, precum și pierderi pentru acționarea mecanismelor auxiliare. Aceste pierderi sunt definite ca pierderi mecanice. Ele depind de schema cinematică a motorului. Dar, pe lângă pierderile mecanice în sine, diagrama cinematică și designul său afectează și un alt indicator important de performanță, care nu este direct legat de eficiență: acesta este modul și mărimea cuplului.

Sarcina este de a obține un motor cu pierderi mecanice minime. Și are, de asemenea, un cuplu care acționează constant de mare valoare la dimensiuni mici motorul în sine. Cuplul ridicat și stabil vă permite să faceți fără un sistem de vehicul atât de voluminos și complex precum o cutie de viteze. Un exemplu este transportul cu motoare electrice și motoare cu abur.

Analiza situației nefavorabile de astăzi:într-un motor standard cu piston (portal), reacția bielei (componenta transversală a acestei reacții în raport cu axa cilindrului) la presiunea gazelor de lucru presează constant pistonul pe o parte a cilindrului, apoi pe cealaltă. . Acest sistem de operare a motorului necesită lubrifierea constantă a suprafețelor cu frecare ridicată și costul depășirii acestor forțe de frecare. În plus, atunci când manivela se rotește, proiecția brațului care creează cuplul la vectorul de mișcare a pistonului se schimbă tot timpul de la „zero” la „maxim” și înapoi la fiecare cursă de lucru. Acest mod de cuplu care pulsa constant este de puțin folos pentru acţionarea actuatoarelor. Și numai la viteze mari ale motoarelor cu piston, cuplul crește considerabil. Dar turațiile mari (aproximativ 3-4 mii rpm) nu sunt necesare pentru majoritatea consumatorilor. Prin urmare, trebuie să facem o cutie de viteze complexă și greoaie, care este parte integrantă a mașinilor, motocicletelor etc.
  În plus, eficiența mecanică este redusă considerabil datorită preluării puterii motorului pentru a antrena mecanismele sale auxiliare - pompa sistemului de răcire, ventilatorul de răcire, arborii cu came și supapele de sincronizare, generatorul electric etc. Și pierderile de putere vizibile sunt cauzate de trebuie să comprimați amestecul de lucru și cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât aceste pierderi sunt mai mari. În plus, pierderile de putere vizibile pot fi cauzate de aprinderea excesiv de timpurie, atunci când motorul este forțat, la sfârșitul celei de-a 2-a curse de „compresie”, să comprime produsele de ardere care încep să se extindă.

Modul de a scăpa de acest neajuns: este necesar să se creeze un proiect de motor în care presiunea gazelor de lucru nu presează corpul principal de lucru în mișcare împotriva corpului staționar. În acest caz, motorul trebuie să aibă un design care să-i permită să aibă un braț de cuplu constant pe întreaga cale de mișcare a părții principale de lucru a motorului. În acest caz, pe această cale, presiunea gazelor de lucru ar trebui să fie menținută cât mai mult timp posibil, în mod ideal - depuneți eforturi pentru 100%. Permiteți-mi să vă reamintesc că la motoarele în 4 timpi, dintr-un ciclu complet al motorului de 2 rotații ale arborelui, presiunea asupra pistonului acționează doar o jumătate de rotație și chiar și atunci în modul de transmitere a acestei presiuni cu un braț de cuplu instabil.

REZULTAT:

Așadar, haideți să formulăm condițiile pe care abordarea științifică le propune pentru a crea un motor cu eficiență ridicată:
1) Principalele procese tehnologice ale motorului de „combustie” și „expansiune” trebuie separate și separate pentru implementare în camere tehnologice diferite. În acest caz, arderea trebuie să aibă loc într-o cameră încuiată, în condiții de creștere a temperaturii și creșterea presiunii.
2) Procesul de ardere trebuie să aibă loc un timp suficient și în condiții de exces de aer. Acest lucru va permite arderea 100% a amestecului de lucru.
3) Volumul camerei de expansiune trebuie să fie semnificativ mai mare decât cel al camerei de compresie, cel puțin 50%.Acest lucru este necesar pentru a transfera complet presiunea gazelor de lucru în lucru pe corpul principal de lucru.
4) Trebuie creat un mecanism pentru a transfera temperatura ridicată a gazelor de evacuare pentru a lucra pe corpul principal de lucru. Există doar unul pentru asta oportunitate reală– alimentarea cu apă pentru a transforma temperatura ridicată a gazelor de ardere în presiunea aburului rezultat.
5) Corpul de lucru și întreaga cinematică a motorului trebuie proiectate astfel încât corpul de lucru să perceapă presiunea gazelor de lucru cât mai mult posibil în timpul ciclului motorului și pârghia de transfer al forței acestei presiuni. este întotdeauna maximul posibil.

După ce ați lucrat cu atenție cu aceste cerințe abordări teoretice fizică și mecanică pe tema creării unui motor cu eficiență ridicată, se dovedește că este complet imposibil să se creeze un motor cu piston pentru astfel de sarcini. Un motor cu ardere internă cu piston nu îndeplinește niciuna dintre aceste cerințe. Din acest fapt rezultă următoarea concluzie: este necesar să se caute modele de motoare mai eficiente alternative la circuitul pistonului. Și cel mai apropiat de cerințele necesare Se dovedește a fi o diagramă a unui motor rotativ.

În munca mea asupra conceptului de motor rotativ perfect, am pornit dintr-o încercare de a lua în considerare, la crearea unei diagrame conceptuale a motorului, necesitatea implementării tuturor premiselor teoretice de mai sus. Sper că am reușit să fac asta.

ARTICOLUL NR.2-1

Gândindu-vă la rata de compresie:
TOTUL ESTE BUN ÎN MODERAȚIE

Cu toții suntem obișnuiți cu faptul că un motor economic și puternic trebuie să aibă un raport de compresie ridicat. Prin urmare, la mașinile sport, motoarele au întotdeauna un raport de compresie ridicat, iar reglarea motorului (amplificarea) pentru a crește puterea motoarelor standard produse în masă implică, în primul rând, creșterea raportului de compresie al acestora.
Prin urmare, ideea a căpătat putere în opinia publică largă - cu cât raportul de compresie al motorului este mai mare, cu atât mai bine, deoarece acest lucru duce la o creștere a puterii motorului și la o creștere a eficienței acestuia. Dar - din păcate, această poziție este doar parțial adevărată, sau mai degrabă, nu este adevărată mai mult de 50%.
Istoria tehnologiei ne spune că, atunci când a apărut primul motor cu ardere internă al lui Lenoir (care a funcționat fără compresie) în anii 1860, a fost abia superioară ca eficiență față de motoarele cu abur și când (15 ani mai târziu) a apărut motorul cu ardere internă în 4 timpi al lui Otto. , functionand cu compresie, randamentul unui astfel de model a depasit imediat toate motoarele existente atunci din punct de vedere al randamentului.
Dar compresia nu este un proces atât de simplu și direct. Mai mult, nu are sens să se obțină rapoarte de compresie foarte mari și, de asemenea, este foarte dificil din punct de vedere tehnic.
În primul rând: cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât cursa pistonului este mai lungă în cilindru. În consecință, viteza liniară a mișcării pistonului la viteze mari este mai mare. În consecință, cu cât sunt mai mari sarcinile inerțiale alternative care acționează asupra tuturor elementelor mecanismului manivelă. În același timp, cresc și nivelurile de presiune din cilindru. Prin urmare, pentru un motor cu un raport de compresie ridicat și o cursă lungă, toate elementele și părțile motorului trebuie să aibă o rezistență sporită, de exemplu. groase și grele. Acesta este motivul pentru care motoarele diesel nu sunt niciodată mici și ușoare. Acesta este motivul pentru care motoarele diesel mici nu au fost create pentru motociclete, motoare de barci exterioare, avioane ușoare etc. Acesta este motivul pentru care motoarele auto standard care au suferit reglaje serioase au fost supuse unor reglaje serioase și au o durată de viață atât de scurtă.
În al doilea rând: cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât este mai mare riscul de detonare cu toate consecințele distructive care decurg. Umplerea cu benzină de calitate scăzută poate distruge pur și simplu un astfel de motor. Citiți despre detonare într-un ARTICOL special. Acestea. La un anumit grad de compresie, este necesar să se folosească benzină din ce în ce mai scumpă și mai specială sau aditivi speciali. În anii cincizeci și șaizeci, linia principală de construcție a motoarelor, în special în SUA, era creșterea raportului de compresie, care la începutul anilor șaptezeci la motoarele americane ajungea adesea la 11-13:1. Totuși, aceasta necesita benzină adecvată cu un număr octanic ridicat, care în acei ani nu putea fi obținută decât prin adăugarea de plumb tetraetil otrăvitor. Introducerea standardelor de mediu în majoritatea țărilor la începutul anilor șaptezeci a dus la o oprire a creșterii și chiar la o scădere a raportului de compresie la motoarele de producție.
Cu toate acestea, nu are rost să se atingă grade maxime posibile de compresie. Cert este că eficiența termică a motorului crește odată cu creșterea raportului de compresie, dar nu liniar, ci cu o decelerare treptată. Dacă atunci când raportul de compresie crește de la 5 la 10 crește de 1,265 ori, atunci de la 10 la 20 crește doar de 1,157 ori. Acestea. după atingerea unui anumit prag al raportului de compresie, creșterea sa în continuare nu are sens, deoarece câștigul va fi minim, iar dificultățile în creștere vor fi enorme.

* * * Analizând cu atenție capacitățile de operare ale diferitelor tipuri de motoare și căutând modalități de îmbunătățire a eficienței acestora, puteți găsi alte oportunități decât creșterea constantă a raportului de compresie. Și vor fi mult mai eficiente și de calitate superioară decât crește raportul de compresie ridicat.
În primul rând, să ne dăm seama ce oferă de fapt grad înalt comprimare. Și ea dă următoarele:
— oferă o lungime mare a cursei de lucru, deoarece într-un motor cu piston, cursa de compresie este egală cu cursa de expansiune;
- presiune puternică în sarcina amestecului de lucru, la care se reunesc moleculele de oxigen și combustibil. Acest lucru face ca procesul de ardere să fie mai bine pregătit și
merge mai repede.

În ceea ce privește prima poziție, se pot face următoarele comentarii: într-adevăr, eficiența motoarelor diesel se datorează în mare măsură faptului că au o cursă mare de lucru. Acestea. Creșterea lungimii cursei de expansiune are un efect mult mai serios asupra îmbunătățirii eficienței și economiei motorului decât creșterea lungimii cursei de compresie. Acest lucru face posibilă extragerea mai multor beneficii din presiunea gazelor de lucru - gazele lucrează pentru a deplasa mai mult pistonul. Și dacă la motoarele „pe benzină” diametrul pistonului este aproximativ egal cu lungimea cursei de lucru, cu „raportul de compresie” și „raportul de expansiune” corespunzător, care sunt legate de lungimea cursei pistonului, atunci la motoarele diesel acest parametru este vizibil mai mare. La motoarele diesel clasice cu viteză mică, cursa pistonului este cu 15-30% mai mare decât diametrul pistonului. La motoarele diesel marine, această diferență devine absolut flagrantă. De exemplu, un imens motor diesel cu 14 cilindri pentru un super-cisternă produs de compania finlandeză Wartsila, cu o cilindree de 25.480 litri și o putere de 108.920 CP. la 102 rpm, diametrul cilindrului este de 960 mm, iar cursa pistonului este de 2500 mm.

Permiteți-mi să vă reamintesc că astfel de motoare diesel marine funcționează cu petrol brut, care poate rezista la un raport de compresie foarte mare cu o cursă a pistonului atât de mare.

Dar creșterea raportului de compresie are și laturile sale neplăcute - necesită utilizarea benzinei scumpe cu octan ridicat, creșterea greutății motorului, precum și cheltuiala considerabilă a puterii motorului pentru procesul de compresie puternică.
Să încercăm să ne dăm seama dacă va fi posibil să obținem un efect similar sau chiar mai mare în creșterea puterii și creșterea eficienței motorului în alte moduri, de exemplu. fără a crește excesiv gradul de compresie cu o creștere a negativității inerente unui astfel de proces. Se pare că o astfel de cale este posibilă. Acestea. Toate ambele aspecte pozitive ale creșterii raportului de compresie pot fi obținute în alte moduri și fără problemele inerente ale creșterii raportului de compresie.

Luarea în considerare a primei poziții – lungime mare a cursei de lucru. Principalul lucru pentru eficiență este o cursă lungă de lucru, astfel încât toate gazele de lucru să transfere presiunea maximă către piston. Și într-un motor cu piston, cursa de lucru este egală cu lungimea cursei de compresie. Așa a devenit ferm stabilită opinia că ceea ce este cel mai important este gradul de compresie, și nu gradul de expansiune. Deși într-un motor cu piston aceste valori sunt egale. Prin urmare, separarea lor nu are prea mult sens.

Dar, în mod ideal, este mai bine să faceți aceste lungimi de cursă diferite. Deoarece creșterea cursei de compresie duce la masă consecințe neplăcute, apoi fă-l moderat. Dar cursul de expansiune, ca responsabil pentru economie și eficiență maximă, ar trebui să fie cât mai mare posibil. Dar într-un motor cu piston este aproape imposibil să faci acest lucru (sau este foarte dificil și complex de făcut - de exemplu, motorul Kushul). Dar există o mulțime de modele de motoare rotative care pot rezolva cu ușurință această dilemă. Acestea. capacitatea motorului de a avea un raport de compresie moderat și în același timp o lungime semnificativă a cursei.

Luarea în considerare a celei de-a doua poziții – activare și Eficiență ridicată procesul de ardere a combustibilului. Viteza mare și completitatea sa. Acest condiție importantă calitatea si eficienta functionarii motorului. Dar se dovedește că raportul de compresie (asigurând o presiune ridicată) nu este singura, sau chiar cea mai bună, modalitate de a obține acest rezultat.

Aici îmi voi permite să citez dintr-o carte academică despre teoria motoarelor pentru universitățile din perioada sovietică: „Motoare de automobile”, ed. M.S.Hovaha. Moscova, „Inginerie mecanică”, 1967.
După cum se poate vedea din citatul de mai sus, calitatea și viteza de ardere depind mai mult de temperatura de ardere și, într-o măsură mai mică, de presiune. Acestea. dacă este posibil să se asigure o temperatură extrem de ridicată a mediului de ardere, atunci eficiența arderii va fi maximă, iar necesitatea unei presiuni extrem de ridicate înainte de procesul de ardere (în raportul de compresie) va dispărea.

Din toate abordările teoretice descrise mai sus, se poate trage o concluzie - un motor puternic cu eficiență ridicată se poate descurca fără un raport de compresie ridicat, cu toate dificultățile sale inerente. Pentru a face acest lucru, raportul de expansiune din motor trebuie să fie vizibil mai mare decât raportul de compresie, iar arderea încărcăturii de amestec proaspăt de lucru trebuie să aibă loc într-o cameră de ardere extrem de încălzită. În acest caz, în timpul procesului de ardere, presiunea și temperatura trebuie să crească datorită creșterii lor naturale datorită energiei procesului de ardere. Acestea. Camera de ardere trebuie să fie închisă ermetic și să nu își modifice volumul în timpul procesului de ardere. În consecință: nu ar trebui să existe o creștere rapidă a volumului camerei de ardere - cu o scădere corespunzătoare a presiunii și a temperaturii (cum se întâmplă într-un motor cu piston).
Apropo, în timpul arderii amestecului de combustibil, presiunea într-o cameră de ardere blocată cu un volum constant va crește, adică porțiunile de combustibil care ard în „a doua serie” (mai mult de 60% din masa de încărcare) vor arde la un raport de compresie foarte mare (presiune aproximativ 100 atm.) a cărui presiune va fi creată prin arderea primei părți a combustibilului. Aici este necesar să rețineți că presiunea la sfârșitul cursei de compresie chiar și pentru motoarele diesel (acești recorduri actuale în ceea ce privește eficiența) nu este mai mare de 45-50 atm.
Dar ambele condiții menționate mai sus nu pot fi îndeplinite sau asigurate într-un motor cu piston cu mecanism de manivelă. De aceea motoarele cu piston funcționează la rapoarte de compresie ridicate, cu toate dificultățile care decurg, și nu au reușit să depășească nivelul de eficiență de 40% de aproape 100 de ani.

Concluzia acestui articol este aceasta: – un motor de mare putere cu randament ridicat poate avea un raport de compresie moderat dacă are o cursă de expansiune vizibil mai mare decât cursa de compresie. Și arderea amestecului de lucru va avea loc într-o cameră care este blocată pe durata arderii și nu este răcită (proces adiabatic izocoric) la creșterea temperaturii și presiunii din energia procesului de ardere în sine.
Este imposibil să se creeze un astfel de design în cadrul ideii unui motor cu piston, dar în domeniul ideilor motoarelor rotative este foarte posibil să se creeze astfel de modele. Aceasta este ceea ce face autorul acestui text și acest site.

ARTICOLUL NR.2-2

REFLEXIA ASUPRA RATELOR DE COMPRESIUNE-2:
O PRIVIRE ÎN ISTORIE

26/01/13

În prima parte a articolului, am arătat că o creștere continuă a raportului de compresie într-un motor cu piston cu mecanism de manivelă este singura modalitate de a crește ușor eficiența motorului și are limite clare pentru capacitățile sale. La rapoartele de compresie care se apropie de 16, amestecul de lucru cu vapori de benzină de chiar și 100 octan începe să ardă în modul de detonare, iar piesele și carcasa motorului devin foarte voluminoase și cu pereți groși (ca într-un motor diesel) pentru a rezista. tensiune arterială crescutăși sarcini inerțiale mari. Dar forțele enorme ale arderii prin detonare distrug foarte repede chiar și astfel de părți voluminoase și masive.

Dar există și alte modalități de a crește eficiența motorului - acestea sunt:
A) - cresterea temperaturii de ardere a Amestecului de lucru (temperatura din camera de ardere) pentru a realiza arderea completa si rapida a vaporilor de benzina. În acest caz, cantitatea maximă de căldură este eliberată și fluidul de lucru va pune mai multă presiune pe piston - de exemplu. face multă muncă.
Motoarele cu piston cu mecanism de biela manivelă și un proces combinat de „combustie-expansiune” (a treia cursă) nu pot urma această cale, deoarece uleiul (lubrifiind pereții perechii cinematice „piston-cilindru”) la o temperatură de 220°C. grade începe deja să se carbonizeze și se oprește lubrifierea. De aceea, cilindrul motorului și pistonul trebuie răcite, iar acest lucru duce la o scădere bruscă a eficiență termică motor.
B) – o creștere a volumului (gradului) de dilatare a Corpului de lucru (lungimea cursei de dilatare) pentru dilatarea completă a gazelor Corpului de lucru. Acest lucru va folosi pe deplin presiunea lor în exces. În motoarele moderne cu piston, gazele cu o presiune de 5-8 atmosfere sunt evacuate, adică pierderi semnificative. Și asta în ciuda faptului că presiunea medie efectivă a unui motor cu piston este de doar 10 atmosfere. Lungimea mică a cursei de lucru a unui motor cu piston cu mecanism de manivelă (mecanism de manivelă) împiedică creșterea valorii de „reacție” a acestei presiuni.
Dacă creșteți gradul de expansiune al gazelor fluidului de lucru din motor, atunci eficiența acestuia va crește semnificativ fără a fi nevoie să creșteți raportul de compresie.

Primul motor cu ardere internă din istorie a fost motorul Lenoir. 1860

Deci, subiectul acestui articol: pentru a crește eficiența, este posibil și necesar să creșteți gradul de expansiune al Corpului de lucru (gaze de lucru) fără a crește raportul de compresie. Acest lucru ar trebui să conducă la o creștere semnificativă a eficienței motorului. Să argumentăm tocmai o astfel de posibilitate în acest articol.

În mod optim, trebuie să aveți: gradul de compresie poate fi foarte mic - de aproximativ 3 ori, aceasta corespunde presiunii din sarcina amestecului de lucru comprimat de 4 atmosfere, dar gradul de dilatare (lungimea cursei de lucru linie) ar trebui să depășească acest grad mic de compresie cu aproximativ 6-8 o dată.
Această formulare a întrebării poate părea ciudată și nerezonabilă pentru toți experții în modelele tradiționale de motoare care sunt obișnuiți cu rapoarte mari de compresie în motoarele cu piston. Dar tocmai această stare de fapt paradoxală în realitate este evidențiată de un studiu atent al proiectelor motoarelor cu ardere internă care au fost create și exploatate în zorii apariției unor astfel de motoare, i.e. în epoca creării primelor motoare cu ardere internă.

Deci, prima concepție greșită, care funcționează pentru a consolida mitul despre necesitatea creării unui raport de compresie ridicat în motor, este justificată de faptul că primele motoare cu ardere internă, care au fost create acum 150 de ani, nu au precomprimat Amestecul de lucru înainte de a-l aprinde și, prin urmare, avea o eficiență complet slabă - aproape aceeași cu cea a mașinilor cu abur primitive.
Într-adevăr, primul motor funcțional cu ardere internă proiectat de Jean Lenoir (patentat în 1859) nu avea precomprimare a amestecului de lucru și funcționa cu o eficiență de 4%. Doar 4% - este același cu motoarele cu abur lacomi și voluminoase din acea vreme.
Dar primul eșantion de motor în 4 timpi de Nikolaus Otto, creat în 1877, a funcționat cu compresia preliminară a amestecului de lucru și în timpul funcționării a arătat o eficiență de 22 la sută, ceea ce a fost o realizare fenomenală pentru acea perioadă. În același timp, raportul de compresie și raportul de expansiune (ca toate motoarele cu ardere internă cu piston actuale cu arbori cotiți) au fost egale între ele.
Pe baza acestor date:
- randamentul motorului Lenoir fara compresie - 4%;
— Randamentul motorului Otto cu compresie – 22%;
se trag concluzii simple și clare - un motor care funcționează cu compresia preliminară a amestecului de lucru funcționează într-un mod fundamental mai eficient și cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât mai bine. Această ieșire este pentru 140 anii recenti a devenit un truism, iar în ultimii 100 de ani construcția motoarelor s-a îndreptat către creșterea raportului de compresie, care astăzi și-a atins deja valorile limită.

DAR în prezentarea acestor informații există unul mare DAR...
Se pare că același Nikolaus Otto, înainte de a-și crea faimosul motor în 4 timpi cu compresie în 1877, puțin mai devreme - în 1864, a creat, produs și vândut cu succes multe sute din cealaltă invenție a lui - un motor atmosferic cu ardere internă care funcționează fără compresie preliminară. Eficiența acestui motor a fost de 15%... O eficiență atât de mare nu se încadrează în teoria conform căreia precomprimarea puternică a amestecului de lucru este absolut necesară pentru a obține o eficiență semnificativă a motorului.
Ceva nu era în regulă în acest subiect, lipsea ceva pentru a înțelege fapte foarte importante și am decis să studiez această situație. Și iată concluziile la care am ajuns:
- absolut groaznic - slab - randamentul motorului Lenoir a fost obtinut pentru ca avea absolut RATA DE EXPANSIUNE inacceptabil de mică gaze de lucru;
- iar motorul atmosferic al lui Otto, care funcționează fără compresie, avea o eficiență foarte decentă de 15% din faptul că avea RATA DE EXPANSIUNE foarte mare gaze de lucru;
Adevărat, acest motor Otto avea un cuplu foarte slab și un mod de rotație foarte neuniform al arborelui principal și, prin urmare, a fost înlocuit rapid cu motoare în 4 timpi. Dar valoarea sa de eficiență a fost foarte decentă.

Să aruncăm o privire atentă asupra dimensiunilor părților de lucru ale motorului Lenoir și să facem câteva calcule brute. Diametrul pistonului este de 120 mm, iar cursa pistonului este de 100 mm. Descrierile motorului din acea vreme au păstrat date că o distanță de aproximativ jumătate din lungimea „liniei de expansiune” era alocată pentru aspirarea gazului și a aerului. Apoi supapa de alimentare s-a închis și lumânarea electrică a dat o scânteie. Acestea. mai puțin de jumătate din lungimea cursei de lucru a rămas pentru procesul de expansiune, sau mai degrabă pentru procesul combinat „combustie-expansiune”... Scanteia a aprins amestecul de gaz și aer, a apărut o fulgerare, temperatura și presiunea gazelor în cilindru a crescut brusc și presiunea de lucru a forțat pistonul mai departe. Presiunea maximă maximă de funcționare a gazului pe piston a fost 5 atmosfere. Dar trebuie să înțelegem că Amestecul de lucru a fost aprins în condițiile unei căderi de presiune din ce în ce mai adânci - la urma urmei, pistonul a continuat să se miște, creând un vid sub presiunea atmosferică... În astfel de condiții, doar un amestec foarte „bogat”, suprasaturat cu gaz, ar putea fi aprins. În consecință, arderea în acest mod a fost extrem de incompletă și chiar și produsele de combustie cu greu se puteau extinde complet - la urma urmei, lungimea cursei de lucru a fost extrem de scurtă. Acestea. pentru un piston cu diametrul de 120 mm. lungimea cursei de lucru a fost mai mică de 50 mm. Putem presupune cu siguranță că gazele de eșapament au fost la presiune foarte mare și chiar suprasaturate cu gaz de iluminat nearse. În consecință, un motor cu astfel de parametri avea o putere de doar 0,5 cai putere la o viteză a arborelui de 120-140 rpm. Deci, să ne uităm la motorul Lenoir. Acest motor a funcționat pe un ciclu în 2 timpi. Inițial, de-a lungul liniei de cursă de lucru, pistonul a atras gaz de iluminare și aer (amestec de lucru). Supapa de alimentare a fost apoi închisă. O bujie electrică a dat o scânteie - și amestecul de lucru a explodat, iar gazul fierbinte de presiune crescută a împins pistonul mai departe. Apoi, în timpul cursei inverse, pistonul a împins produsele de ardere din cilindru și apoi totul s-a repetat din nou.
Acestea. într-un singur ciclu de lucru - pe „linia de expansiune” - au fost combinate TREI procese de lucru:
— aportul amestecului de lucru;
— arderea amestecului de lucru;
— extinderea Corpului de lucru;

CONCLUZIE- motorul Lenoir avea o eficiență atât de scăzută și așa putere redusăîn primul rând datorită lungimii foarte scurte a cursei de lucru (atunci când gazele de lucru pur și simplu nu au avut posibilitatea de a funcționa) și organizării foarte ineficiente a proceselor de lucru, când amestecul de lucru extrem de „bogat” a fost aprins la o presiune vizibil sub nivelul atmosferic. presiune în condiții de expansiune activă a volumului. Acestea. acest motor ar fi trebuit să fie desemnat ca un motor care funcționează cu PRE-EXPANSIUNE (vacuum) a amestecului de lucru….

NEXT - să ne uităm la schema de funcționare a unui alt motor care a funcționat fără comprimarea prealabilă a amestecului de lucru, dar a avut o eficiență de 15%. Acesta este un motor Otto cu aspirație naturală din 1864. Era un motor foarte neobișnuit. În cinematica sa, părea ceva complet urât și nepotrivit pentru muncă, dar cu o schemă cinematică „stângăcioasă”, funcționa după o schemă foarte rațională de organizare a proceselor de muncă și deci avea o eficiență de 15%.
Cilindrul acestui motor a fost montat vertical, iar pistonul motorului se mișca în sus și în jos. Mai mult, acest motor nu avea arbore cotit, iar pistonul avea o cremalieră foarte lungă îndreptată în sus, care își cuplează dinții cu angrenajul și o rotește.

Motor atmosferic Otto model 1864. În dreapta fotografiei există un piston cu o cremalieră lungă, care oferă o idee despre lungimea cursei de lucru. În același timp, când amestecul de lucru a explodat sub piston, iar pistonul a zburat instantaneu în sus, angrenajul sa rotit în gol, deoarece un mecanism special a deconectat-o ​​de volanta mașinii. Apoi, când pistonul și cremalierul au atins punctul extrem de sus, iar presiunea gazelor de lucru din piston a încetat să mai acționeze, pistonul și cremaliera, sub propria greutate, au început să se deplaseze în jos. În acest moment, angrenajul a fost atașat la arborele volantului și a început cursa de lucru. Astfel, motorul a actionat in impulsuri sacadate si a avut un regim de cuplu foarte slab. Motorul avea, de asemenea, o putere scăzută, deoarece forța a fost creată numai de greutatea pistonului și a cremalierei (adică gravitația a lucrat), precum și de presiunea aerului atmosferic, atunci când gazele de răcire și pistonul ridicat creau un vid în cilindru. De aceea motorul a fost numit atmosferic, pentru că în el, împreună cu forța gravitației, a funcționat și forța presiunii atmosferice.

Dar, pe de altă parte, procesele de lucru au fost organizate cu extrem de succes în acest design de motor.
Să ne uităm la modul în care procesele de lucru din acest motor au fost organizate și operate.
Inițial, un mecanism special a ridicat pistonul la 1/10 din înălțimea cilindrului, în urma căruia s-a format un spațiu rarefiat sub piston și a fost aspirat un amestec de aer și gaz în el. Apoi pistonul s-a oprit. Amestecul a fost apoi aprins cu flacără deschisă printr-un tub special. Când gazul inflamabil a explodat, presiunea de sub piston a crescut brusc la 4 atm. Această acțiune a aruncat pistonul în sus, volumul de gaz din cilindru a crescut și presiunea de sub acesta a scăzut, deoarece volumul intern al pistonului nu avea nicio legătură cu atmosfera și era închis ermetic în acel moment. Când pistonul a fost aruncat în sus de o explozie, un mecanism special a deconectat cremaliera de la arbore. Pistonul, mai întâi sub presiunea gazului și apoi prin inerție, s-a ridicat până când s-a creat un vid semnificativ sub el. În acest caz, cursa de lucru s-a dovedit a fi de lungime maximă și a continuat până când toată energia combustibilului ars (sub formă de presiune în exces a fluidului de lucru) a fost cheltuită complet pentru ridicarea pistonului. Vă rugăm să rețineți că fotografia motorului arată că lungimea cursei de putere (înălțimea cilindrului) este de multe ori mai mare decât diametrul pistonului. Cât de lungă a fost cursa lui de lucru. În timp ce la motoarele moderne cu piston, diametrul pistonului este aproximativ egal cu cursa de lucru. Doar la motoarele diesel - acești campioni moderni ai eficienței - cursa este cu aproximativ 20-30 la sută mai mare decât diametrul cilindrului. Și aici - de 6 sau chiar de 8 ori mai mult...
Apoi, pistonul s-a repezit în jos și cursa de lucru a pistonului a început sub sarcina propriei greutăți și sub influența presiunii atmosferice. După ce presiunea gazului comprimat în cilindru pe traiectoria descendentă a pistonului a atins presiunea atmosferică, supapa de evacuare s-a deschis și pistonul, cu masa sa, a deplasat gazele de eșapament. În tot acest timp, o cremalieră lungă învârtea o roată dințată conectată printr-un arbore de volantă. Așa a fost produsă puterea motorului. După ce pistonul s-a întors la punctul inferior al traiectoriei de mișcare, totul a fost repetat din nou - un mecanism special l-a ridicat ușor și o porțiune proaspătă a amestecului de lucru a fost aspirată.

Mai există o caracteristică - care a contribuit la o creștere vizibilă a eficienței. Această caracteristică nu a fost găsită în motorul Lenoir și nici nu este prezentă în motoarele moderne în 2 și 4 timpi. Într-un design atât de neobișnuit de motor, datorită extinderii extrem de complete a fluidului de lucru încălzit, eficiența acestui motor a fost semnificativ. mai mare decât randamentul motorului Lenoir și, prin urmare, a ajuns la 15%. În plus, aprinderea amestecului de lucru în motorul atmosferic Otto s-a produs la presiunea atmosferică, în timp ce la motorul Lenoir acest proces a avut loc în condiții de rarefărire crescândă, adică. în condiții de scădere crescândă a forțelor de presiune, când presiunea a fost vizibil mai mică decât cea atmosferică.
De asemenea, este necesar să spunem că astăzi, piledrivers - ciocanele diesel - funcționează după un principiu similar cu cel al acestui motor. Adevărat, alimentarea și aprinderea combustibilului în ele sunt dispuse diferit, dar schema generală de principiu a mișcării elementului de lucru este aceeași.

În motorul atmosferic Otto, în momentul în care Amestecul de lucru a fost aprins, pistonul stătea nemișcat, iar la arderea primelor porțiuni de combustibil s-a creat o presiune în creștere în volumul de ardere, adică. porțiuni de combustibil care au ars în a doua, a treia și următoarele etape - au ars în condiții de creștere a presiunii, adică. compresia amestecului de lucru a avut loc datorită creșterii presiunii de la flash și eliberării de căldură din primele porțiuni ale încărcăturii de ardere. În același timp, inerția sistemului care apăsă pe gazul care arde de sus - un piston, un rack lung și presiunea atmosferică, a creat o rezistență puternică la primul impuls de mișcare în sus, ceea ce a condus la o creștere vizibilă a presiunii în ardere. mediu gazos. Acestea. în motorul atmosferic Otto, arderea amestecului de lucru a avut loc în condiții de comprimare bruscă a volumului principal al părții încărcăturii de gaz combustibil care nu începuse încă să ardă. Deși nu a existat o compresie preliminară de către piston. Această comprimare reală a unei cantități semnificative din majoritatea vaporilor de combustibil care a apărut în timpul arderii încărcăturii amestecului de lucru (împreună cu o cursă lungă de lucru) a jucat în eficiența semnificativă a motorului atmosferic Otto al modelului 1864.

Dar motoarele moderne cu piston, cum ar fi motorul Lenoir de acum 150 de ani, sunt forțate să aprindă o încărcătură nouă a amestecului de lucru în condiții de extindere bruscă a volumului, când pistonul (și este mișcat foarte puternic de biela și arborele cotit) funcționează disperat. departe de partea inferioară a cilindrului și extinde volumul „camerei de ardere” . Pentru referință, viteza de mișcare a pistonului în motoarele moderne este de 10-20 de metri pe secundă, iar viteza de propagare a frontului de flăcări într-o încărcătură puternic comprimată de vapori de combustibil este de 20-35 de metri pe secundă. Dar în motoarele moderne, pentru a elimina această situație neplăcută, puteți încerca să aprindeți încărcătura amestecului de lucru „devreme” - adică. până când pistonul în mișcare ajunge la punctul mort superior (PMS) pe linia de finalizare a cursei anterioare sau într-o poziție în apropierea acestui punct. Dar în motorul Lenoir acest lucru a fost imposibil, deoarece după ce pistonul a atins PMS, a început procesul de aspirare a unei porțiuni proaspete de gaz combustibil și aer, iar aprinderea sa a fost posibilă numai în condițiile unui volum în creștere brusc al „camerei de ardere”. și o scădere bruscă a presiunii într-o porțiune proaspătă a amestecului de lucru sub nivelul atmosferic. De aceea motorul Lenoir avea o eficiență atât de scăzută.

Se poate presupune că, dacă motorul Otto cu aspirație naturală avea aprindere electrică prin scânteie (precum motorul Lenoir anterior), atunci eficiența lui s-ar putea apropia de 20%. Faptul este că, atunci când încărcătura amestecului de lucru din cilindru a fost aprinsă cu o flacără deschisă printr-un tub special în timpul unei fulgerări, o parte din sarcina de ardere a zburat în atmosferă prin acest tub și acestea au fost pierderi notabile... Dacă astfel de pierderi ar putea fi eliminate, atunci randamentul acestui motor ar fi evident mai mare.
Dar Otto nu avea cunoștințe în domeniul ingineriei electrice (precum Lenoir), așa că a instalat un sistem de aprindere atât de primitiv, care a redus eficiența motorului său cu aspirație naturală.

CONCLUZII din acest articol sunt următoarele:

1) – o opinie bine stabilită despre posibilitatea de a obține un randament extrem de ridicat al motorului, în principal datorită gradului maxim posibil de precompresie Amestecul de lucru valabil numai pentru modelele de motoare cu piston , unde un piston care se deplasează rapid de la „partea de jos” a cilindrului către arborele cotit (datorită antrenării forțate de la arborele cotit) cu o viteză enormă extinde volumul „camerului de ardere” și reduce presiunea aprins (și, de asemenea, ardere) sarcina amestecului de lucru. În motorul cu piston Lenoir, care funcționează fără comprimarea prealabilă a amestecului de lucru, acest dezavantaj al motoarelor cu piston a fost deosebit de pronunțat. Ceea ce a dus la eficiența sa extrem de scăzută.
La motoarele moderne cu piston de toate tipurile, pentru a elimina tocmai acest defect „generic” de proiectare în organizarea proceselor de lucru, se folosește un grad extrem de ridicat de compresie preliminară tocmai pentru a forța o încărcătură proaspătă a amestecului de lucru să ardă la suficient de mare. presiuni și temperaturi (în ciuda creșterii rapide a volumului camerei de ardere și a unei scăderi corespunzătoare a presiunii în această cameră), care este cheia pentru arderea relativ completă a încărcăturii amestecului de lucru și crearea unui fluid de lucru de înaltă presiune. și temperatură ridicată.
2) – în istoria tehnologiei, există proiecte de motoare cu alte scheme cinematice și un mod diferit de organizare a proceselor de lucru, unde chiar și fără o comprimare puternică preliminară a încărcăturii proaspete a amestecului de lucru, se pot obține valori bune de eficiență chiar și cu un design foarte primitiv. Un exemplu este un motor atmosferic Otto al modelului 1864, cu un randament de 15%.
3) – este posibil să se creeze un motor cu ardere internă foarte eficient în care procesele de ardere a unei încărcături proaspete a amestecului de lucru și crearea unui fluid de lucru cu parametri înalți vor avea loc prin comprimarea naturală a sarcinii de ardere datorită forţelor de ardere în sineîn condiţiile unei camere de ardere de volum constant. Mai mult, procesul de precompresie la valori ridicate (20-30 atmosfere), care este tipic pentru motoarele moderne cu piston, necesită cheltuirea unei cantități semnificative de energie a motorului și utilizarea unor piese masive, voluminoase și grele.
În acest caz, contribuția principală la obținerea eficienței ridicate va fi adusă de parametrul mare al volumului de expansiune (cursă lungă de lucru), care va fi semnificativ mai mare decât volumul de compresie.

ACESTA ESTE EXACT MOTORUL, care nu necesită precomprimarea costisitoare și greoaie a unei încărcări proaspete a amestecului de lucru de mare valoare, este ceea ce creează în prezent autorul acestui articol. În acest motor, compresia preliminară va fi efectuată la valori scăzute, iar comprimarea principală a încărcăturii amestecului de lucru într-o cameră de ardere de volum constant va avea loc datorită forțelor primei etape de ardere în sine. În mod ideal, aceasta va fi arderea prin detonare: flash - explozie. În continuare, fluidul de lucru de înaltă presiune se va extinde până la sfârșitul capacității sale în sectorul de extindere a volumului mare.

În viață, o persoană se confruntă cu problema și trebuie să convertească diferite tipuri de energie. Dispozitivele care sunt concepute pentru a transforma energia se numesc mașini energetice (mecanisme). Mașinile energetice, de exemplu, includ: generator electric, motor cu ardere internă, motor electric, motor cu abur etc.

În teorie, orice tip de energie poate fi complet convertit într-un alt tip de energie. Dar, în practică, pe lângă transformările de energie, în mașini apar și transformări de energie, care se numesc pierderi. Perfecțiunea mașinilor energetice determină coeficientul de performanță (eficiență).

DEFINIȚIE

Eficiența mecanismului (mașinii) numit raportul dintre energia utilă () și energia totală (W) care este furnizată mecanismului. De obicei, eficiența este indicată de litera (eta). În formă matematică, definiția eficienței se va scrie după cum urmează:

Eficiența poate fi definită în termeni de muncă, ca raport (munca utilă) și A (munca totală):

În plus, poate fi găsit ca raport de putere:

unde este puterea furnizată mecanismului; - puterea pe care consumatorul o primeste de la mecanism. Expresia (3) poate fi scrisă diferit:

unde este partea din putere care se pierde în mecanism.

Din definițiile eficienței este evident că nu poate fi mai mult de 100% (sau nu poate fi mai mult de unul). Intervalul în care se situează randamentul: .

Factorul de eficiență este utilizat nu numai în evaluarea nivelului de perfecțiune al unei mașini, ci și în determinarea eficienței oricărui mecanism complex și a tuturor tipurilor de dispozitive care consumă energie.

Ei încearcă să realizeze orice mecanism astfel încât pierderile inutile de energie să fie minime (). În acest scop, ei încearcă să reducă forțele de frecare (diverse tipuri de rezistență).

Eficiența conexiunilor mecanismelor

Atunci când se ia în considerare un mecanism (dispozitiv) complex structural, se calculează eficiența întregii structuri și eficiența tuturor componentelor și mecanismelor sale care consumă și convertesc energie.

Dacă avem n mecanisme care sunt conectate în serie, atunci eficiența rezultată a sistemului se găsește ca produsul eficienței fiecărei părți:

Când mecanismele sunt conectate în paralel (Fig. 1) (un motor antrenează mai multe mecanisme), munca utilă este suma muncii utile la ieșirea fiecărei părți individuale a sistemului. Dacă munca cheltuită de motor este notată cu , atunci eficiența în acest caz va fi găsită ca:

Unitati de eficienta

În cele mai multe cazuri, eficiența este exprimată ca procent.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

Definiție [ | ]

Eficienţă

Din punct de vedere matematic, definiția eficienței poate fi scrisă astfel:

Unde A- muncă utilă (energie) și Q- energia cheltuită.

Dacă eficiența este exprimată ca procent, atunci se calculează prin formula:

Unde Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- căldură preluată de la capătul rece (in mașini frigorifice capacitate de racire); A (\displaystyle A)

Termenul folosit pentru pompele de căldură este raportul de transformare

Unde Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- caldura de condensare transferata lichidului de racire; A (\displaystyle A)- munca (sau electricitatea) cheltuită în acest proces.

În mașina perfectă Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma)=Q_(\mathrm (X) )+A), de aici la mașina ideală ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)