С. Митрофанов
При рассмотрении приведенных в статье «О ДВС, его резервах…» и на сайте http://www.krt.nm.ru графиков температур и давлений в цикле по патенту РФ № 2066773 у читателей возникли вопросы, связанные с работоспособностью конструкции. Некоторые читатели также высказывают мнение о больших газодинамических потерях, которые должны возникнуть при газообмене между полостями цилиндра и камер сгорания.
Не вдаваясь в конкретные технические решения клапанного узла и камеры сгорания (КС), заложенные в конструкцию разработанного двигателя, сообщаю, что по расчетам и конструкторской проработке найденные решения способны обеспечить необходимую надежность и ресурс двигателя. Хотя, конечно, окончательный ответ могут дать только натурные испытания и эксплуатация. Которым должен предшествовать этап доводки.
Что касается газодинамических потерь и влияния их на экономичность, то для специалистов оценочное вычисление их по приведенному графику не представляет сложности, а для неспециалистов поясняю – в представленных на сайте http://www.krt.nm.ru таблицах в параметрах ДВС потери учтены. Кроме того, представленные графики были рассчитаны почти 20 лет назад и на сегодня найдены решения, позволяющие уменьшить эти потери.
С температурами дело обстоит сложнее и причина здесь – в методике расчета. В связи с этим объясняю, какие температуры на самом деле должны быть. Наверное, это надо было сделать в статье, но материал оказался и так слишком большим.
Напомню исходные условия для анализа. Степень сжатия рассчитанного цикла составляла 14:1. По графику средняя температура газа в КС за 360 градусов поворота коленчатого вала (град. п.к.в.) составляет около 1000 градусов Цельсия.
Сформулируем вопросы.
1. Почему давление в конце наполнения КС равно 60 бар (полка на графике), ведь это давление соответствует степени сжатия 20:1, а не 14:1.
2. Почему при давлении в 60 бар температура в КС составляет 1000 градусов Цельсия, хотя даже при адиабатическом сжатии оно должно быть порядка 600.
3. Почему при максимальном давлении в камере сгорания 140 бар температура достигает 2500 градусов Цельсия, хотя даже при адиабатическом подводе тепла температура не должна быть больше 1900, даже с учетом влияния остаточных газов.
Отвечаю.
1. Давление в конце наполнения КС равно 60 бар потому, что представленный на графике вариант рассчитан при перекрытии клапанов КС, то есть в наполняемой КС клапан еще не закрылся, а в КС, где сгорание уже произошло, клапан начал открываться. Это хорошо видно на диаграммах давления и температур. Момент открытия КС виден по началу падения давления и температуры в КС, момент начала закрытия клапана виден по расхождению линий давлений и температур в цилиндре и КС. Происходит дозарядка закрываемой КС. В разработанной конструкции камеры сгорания расположены так, что дозарядка производится свежим воздухом. Возможность такой дозарядки за счет перекрытия фаз клапанов КС позволяет создать двигатель, в том числе и дизельный, с малой действительной степенью сжатия поршневой части и увеличенной степенью расширения (так называемое продолженное расширение). Это решение дает возможность существенно снизить тепловую и механическую нагруженность цилиндро-поршневой группы, при этом увеличить КПД двигателя. Но на рассматриваемых графиках, напоминаю, приведены диаграммы при степени сжатия равной степени расширения.
2. Температура газа в КС должна быть значительно меньше, чем 1000 градусов Цельсия, изображенные на графике. Остаточные газы в КС составляют небольшую часть, расчетный коэффициент остаточных газов равен 0,03 (т.е. 3%), температуру газа в КС они увеличивают незначительно. Еще свежий заряд подогревается от стенок КС, при этом охлаждая их (в этот период КС работает как теплообменник). Однако наибольший вклад в увеличение температуры газа в КС дают не эти два фактора, а метод расчета. Все подобные расчеты, включая и очень современный бауманский комплекс «DIESEL-RK», о котором я писал ранее (http://www.diesel-rk.bmstu.ru), ведутся по схожим методикам. Параметры газа в цилиндрах, коллекторах, камерах и других объемах двигателя определяются путем решения системы уравнений сохранения энергии, массы и состояния. Особенность расчета – для каждого рассчитываемого объема параметры газа усредняются, т.е. невозможно в цилиндре разделить по температурным параметрам свежий заряд и выходящие из КС газы. Поэтому поступающий в КС на дозаряде воздух имеет температуру не свежего сжатого заряда, как должно быть фактически, а усредненную температуру, с учетом истекающих из другой КС газов. Именно отсюда существенно завышенные температуры. Реальная температура в представленном на графике цикле должна быть не более 600 градусов Цельсия. Еще раз напомню, что есть существенные предпосылки для дальнейшего снижения температуры.
3. Температура была бы еще больше, если бы не учитывались тепловые потери в стенки КС. Причина высокой температуры в 2500 градусов Цельсия указана в ответе № 2 – завышенная температура на момент закрытия КС. Отсюда в проверочном расчете подвод тепла для повышения давления до 140 бар в адиабатном цикле дает температуру даже без учета тепловых потерь в стенки КС порядка 1750 градусов Цельсия. Реальная температура за счет тепловых потерь будет меньше.
Таким образом, давления и температуры в камерах сгорания и клапанных узлах уже не кажутся столь критическими, а с учетом возможного снижения степени сжатия и увеличения степени расширения тем более.