ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Первый автомобиль был сконструирован и изготовлен на исходе XIX века. В начале прошлого столетия он уже приобрел все основные черты современной машины. Первые автомобильные двигатели, получившие широкое распространение, были четырехтактными бензиновыми с искровым зажиганием от магнето. Мощность двигателей внутреннего сгорания тогда не превышала 35 л. с, а степень сжатия была в редких случаях более 3. Дальнейшее развитие автомобилестроения характеризовалось повышением степени сжатия до 8‑10, введением турбонаддува и расширением сферы применения дизелей, значительно более экономичных, чем бензиновые моторы с искровым зажиганием.

Однако, несмотря на значительное совершенствование эксплуатационных свойств автомобильных двигателей внутреннего сгорания, особенно за последние 50‑60 лет, основной их недостаток — низкую эффективность использования тепла - устранить не удавалось. И хотя теоретически в таких двигателях в полезную работу можно превратить около 70% энергии израсходованного топлива, на практике эффективный КПД обычно не превышает 28‑38% .

Как бы мы ни совершенствовали процесс сгорания топлива в двигателе, основная масса выделившегося при этом тепла все равно будет теряться с охлаждающей водой, маслом и выхлопными газами. Причем больше всего тепловых потерь идет через систему охлаждения: до 40%. И это пока неизбежно, так как без охлаждения металлические детали двигателя не выдержат тепловых нагрузок, возникающих при его работе. Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли повысить эффективность автомобильного двигателя, хотя бы за счет частичного использования тепловых потерь?

Основной показатель эффективности двигателя — коэффициент полезного действия (КПД). Он определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую.

Изучая в физике «Законы термодинамики», мы задались вопросом: каким образом можно повысить КПД теплового двигателя?

Французский инженер Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя. 

В своей книге Карно не сумел еще развить достаточно полную теорию превращения теплоты в работу, так как придерживался теории теплорода.[3, c.53] Правда, из опубликованных после его смерти документов видно, что он впоследствии отказался от этой теория и пришел к заключению, что теплота есть движение. Он установил, что непрерывный процесс превращения теплоты в работу будет происходить при наличии двух тел: нагревателя при более высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т2. [3, c.52]

Карно и последующие ученые показали, что эта машина должна быть такой, чтобы все изменения в ней происходили обратимым путем, т.е. чтобы все процессы в ней были обратимыми.

Как показал Сади Карно, КПД предложенного им цикла может быть выражен через температуры нагревателя Т₁ и холодильника Т₂. Он оказывается равным : η= ( Т₂-Т₁) / Т1 или η= 1-(Т₂/Т₁)  [1, с.263]

Исходя из этих формул, 

КПД будет выше, если разница между температурами нагревателя и холодильника станет максимальна. Источник тепла (в автомобильном двигателе источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота, — атмосфера; она играет роль холодильника.

Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать заклиниванию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации.

Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.

Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300—2500 °С. При сгорании в цилиндре, интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.[2,c.73]

Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.

Если в качестве температуры системы  охлаждения взять температуру окружающего воздуха ( среднюю по России - 0°C , то мы увидим:

η= 1-(Т₂/Т₁),  T= t+273

При постоянной температуре системы охлаждения (холодильника), с ростом температуры нагревателя КПД увеличивается.

При такте «Сжатие» поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты и поэтому рабочая смесь сжимается. Из физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9‑10 кг/см2, а температура 300‑400 °C. В самом конце такта сжатия, рабоч

рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания.

В начале такта рабочего хода, сгорающая смесь начинает активно расширяться. А так как впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход - давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления, достигающего 40 кг/см ², начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила 2000 кг и более, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент. При такте рабочего хода, температура в цилиндре достигает 2300 градусов и выше. [2, c.82]

Во время такта «Рабочий ход» происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Откуда и берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

Если мы хотим повысить  КПД как можно выше, нужно увеличивать температуру нагревателя. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Значит не все материалы, возможно, использовать для изготовления двигателя и его деталей.

Рассмотрим температуры плавления различных веществ:

По этим данным видно, что лучше всего бы для изготовления деталей двигателя подошел вольфрам, но для серийного производства этот материал не подходит. Или титан, но это было бы очень дорогое производство.

Итак, с одной стороны, для повышения экономичности двигателя желательно иметь более высокую температуру деталей, образующих камеру сгорания; с другой стороны, для повышения надежности работы деталей их температура должна быть как можно ниже. Несоблюдение второго условия может привести к перегреву деталей, разрушению масляной пленки и возникновению режима сухого трения. Устранить это можно лишь более интенсивным охлаждением деталей цилиндра, что опять-таки увеличит потери тепла в систему охлаждения.

Даже из нашей таблицы видно, что следующие после титана и вольфрама по жаропрочности и тугоплавкости являются — фарфор и кремний, т.е. керамика. При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

Детали двигателя, изготовленные из керамических материалов, в отличие от обычных, (они работают при 250‑450° С) могут выдерживать температуры до 1300‑1500°С. Благодаря высокой термостойкости и малой теплопроводности керамики отпадает необходимость в охлаждении отдельных деталей, а при изготовлении из керамических материалов всех деталей - и 

необходимость вообще в системе охлаждения. Кроме того, керамические изделия легче равнопрочных металлических.

Создание более высокой температуры цикла и устранение потерь тепла, связанных с охлаждением деталей, позволит поднять кпд двигателя и значительно снизить расход топлива. Весьма существенно, что повышение температуры деталей камеры сгорания двигателя (до 1200°С) делает керамический двигатель многотопливным. Это значит, что могут использоваться бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, синтетические топлива из угля и горючих сланцев и при необходимости даже некоторые сорта мазута. Кроме того, благодаря более высокой температуре в камере сгорания значительно возрастет топливная экономичность двигателя при частичных нагрузках, что очень важно для транспорта, движущегося в условиях города.

Для деталей двигателя, работающих при высоких температурах (250‑450°С) и подверженных большому износу, наиболее подходящими керамическими материалами следует считать карбиды и нитриды кремния. Сырьем для их получения служат широко распространенные в природе вещества: кварцевый песок, полевой шпат и каолин.

Следовательно, при отработанной технологии изготовления деталей поршневого двигателя из керамики замена дорогостоящих легированных и жаростойких сталей положительно скажется на его  стоимости.

Подведём итог:

Керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей 

внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения. Достоинства керамических материалов и выгоды, которые сулит их применение в двигателях внутреннего сгорания, несомненны.

Но, для организации серийного выпуска таких двигателей требуется серьезная перестройка производства, а следовательно, и значительное время.

Но несмотря на всё вышесказанное о керамическом двигателе, говорить о его серьезной конкуренции традиционным двигателям внутреннего сгорания еще рано. В современных двигателях применяются материалы, технология обработки которых доведена до совершенства, и благодаря массовому их выпуску себестоимость двигателя незначительная. Ресурс же деталей двигателя из керамических материалов мал, да и технология получения этих материалов и их обработки оставляет пока желать лучшего. Эти два обстоятельства, несмотря на заложенные в керамическом двигателе значительные преимущества, и служат пока серьезными препятствиями на пути его широкого распространения.

Список литературы:

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Общий курс физики. Молекулярная физика (2-е здание). М.: Наука, 1976 — 478 с
2. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. М.:ИД «Форум»-Инфра-М, 2007 — 360с
3. Тимирязев А.К. Второе начало термодинамики. Сборник работ (С. Карно, Р. Клаузиус, В. Томсон-Кельвин, Л. Больцман, М. Смолуховский). М.-Л.: ГТТИ, 1934 — 312 с