24.1. Заполните пропуски в тексте.
Тепловой двигатель – это устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива
в механическую энергию. При этом часть энергии, выделившийся при сгорании топлива
, теряется в окружающем пространстве
, и лишь часть полученной при этом энергии тепловой двигатель способен превратить в механическую
работу.
КПД – коэффициент полезного действия двигателя, характеризующий его экономичность. Эту величину обозначают буквой η
.
КПД определяют по формуле:
Увеличение потери крутящего момента из-за интенсификации процесса детонации является основной причиной того, что степень сжатия ограничена. Детонация является разрушительным, нежелательным процессом, при котором воздушно-топливная смесь самовоспламеняется и горит очень быстро, взрывоопасно. Возникновение детонации благоприятствует при высоких температурах и давлениях.
Чтобы снизить риск детонации, необходимо уменьшить температуру в цилиндре в конце такта сжатия. Отработанные газы, которые остаются в цилиндре после выхлопа, очень сильно влияют на температуру в цилиндре. В классическом выпускном коллекторе, например 4-цилиндровом двигателе, дымовой газ индивидуально подбирается четырьмя трубами, которые сходятся в одну трубу.
24.2. а) Что означает фраза: «КПД идеального устройства равен 100%»?
Вся полученная устройством теплота идет на совершение работы
б) Каковы приблизительные значения КПД двигателей внутреннего сгорания?
20 – 30%
в) Что означает фраза: «КПД паровой турбины примерно равен 30%»?
На совершение работы идет лишь 30% всей полученной турбиной энергией
Кроме того, из-за перекрытия открытия двух цилиндров клапана давление выхлопных газов подчеркивает проникновение выхлопного газа в цилиндр. Проникновение дымового газа в цилиндр на входе в фазу приводит к повышению температуры в конце фазы сжатия, что способствует детонации, Это явление присутствует как при низких оборотах двигателя, так и при высоких оборотах двигателя.
Это включает выпускной коллектор, который поднимает дымовые газы из четырех цилиндров через четыре отдельные трубы. После определенной длины 4 трубы сходятся к 2 и, наконец, перед входом в катализатор они сливаются в одну трубу. По этой причине противодавление в выпускном коллекторе не влияет на заполнение цилиндр 1 со свежим воздухом.
24.3. Трактор двигался с постоянной скоростью, развивая мощность N = 60 кВт. При этом за t = 15 мин работы им было истрачено m = 4 кг топлива. Удельная теплота сгорания топлива составляет q = 43000 кДж/кг. Определите КПД теплового двигателя трактора (в % с точностью до целых).
Этот эффект поддерживается во всем диапазоне оборотов двигателя. Длительность маршрута выхлопа отрицательно влияет на время запуска катализатора. При холодном запуске двигателя отработавший газ охлаждается до тех пор, пока он не достигнет катализатора и не задержит его ввод в эксплуатацию. Вот почему выбросы загрязняющих веществ в двигателе выше по сравнению с классическим выпускным коллектором.
В то время холодного запуска двигателя была значительно задержкой впрыска, так что сгорание топливно-воздушной смеси происходит частично на выпускном коллекторе. Таким образом, выхлопные газы имеют необходимую температуру для входа в катализатор, даже если длина выпускного коллектора является надежной. Однако, если задержка слишком высокая, то сжигание становится неустойчивым. Эта поршень оптимизация геометрии с процессом непосредственного впрыска бензина имела эффект создания пространства, где начать гореть вокруг свечи зажигания без фронта пламени, чтобы иметь контакт с поршневыми стенками.
24.4. Снегоход, двигаясь равномерно, развивает мощность 18 кВт, сжигая при этом за четверть часа 2 кг топлива. Удельная теплота сгорания топлива 42000 кДж/кг. Определите КПД теплового двигателя снегохода. Ответ (в %) округлите до целых.
24.5. Мотоцикл, двигаясь равномерно, развивает мощность 13 кВт, сжигая за каждые 10 мин 400 г бензина. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мотоцикла (в %). Ответ округлите до целых. Недостающие данные найдите в таблице 2 учебника.
Это уменьшает потерю тепла, горит стабилизируется, и фронт пламени распространяется по всей камере сгорания. По сравнению с бензиновыми двигателями предыдущего поколения механическая прочность была снижена примерно на 30% по целому ряду технологий. Уменьшая массу движущихся частей за счет оптимизации геометрии, оптимизируя систему распределения, уменьшая потери на трение, уменьшая потери смазки, оптимизируя потери моторного масла, снижая потери системы охлаждения за счет оптимизации пути охлаждающей жидкости и водяного насоса. Все эти комбинированные технологии привели к заметной производительности.
24.6. Представьте в виде диаграммы значения КПД тепловых двигателей трактора, снегохода и мотоцикла, полученные при решении задач 24.3 – 24.5.
Общеизвестно, что двухтактные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по сравнению с четырехтактными ДВС обладают плохой экономичностью. Расход бензина у двухтактного ДВС значительно выше выше при сравнимой мощности. Из-за этого двухтактники применяются только там, где имеет значение компактность и малый вес. В то же время, существует способ кардинально улучшить экономичность двухтактного двигателя - в два и даже три раза. Чтобы понять суть экономии, нужно вспомнить особенности двухтактного мотора.
Двухтактный ДВС имеет в цилиндре два окна – впускное и выпускное. Выпускное окно расположено выше. Когда, в процессе рабочего такта, поршень открывает окно, газы с большой скоростью устремляются в выпускной патрубок, давление в цилиндре резко падает (рис. 1). Дальше поршень опускается до впускного она, и начинается процесс продувки цилиндра бензовоздушной смесью, под давлением поступающей из картера. Вначале смесь вытесняет газы (2), а затем устремляется в выпускную систему сама (3).
Когда поршень поднимается вверх, давление в цилиндре растет, и смесь выталкивается теперь уже поршнем (4), до тех пор, пока поршень не перекроет выпускное окно. Бензин, ушедший во время продувки в выхлопную трубу безвозвратно теряется, не принимая никакого участия в процессе сгорания топлива. Потери бензина составляют до трети от того, что вдувается в цилиндр.
Еще 30-40% бензина элементарно не сгорает в такте расширения. У четырехтактных ДВС этот показатель в два раза лучше, поскольку цилиндры гораздо лучше освобождаются от отработанных газов. Здесь нужно пояснить откуда взялись столь высокие проценты, ведь согласно данных о составе выхлопных газов четырехтактных ДВС, углеводородов в выхлопе сущая мелочь - около 1%. Дело в том, что бензина в составе топливной смеси всего 6-8%, остальное воздух. Стандартное соотношение смеси около 1/15. Потому 1% в выхлопе равен 15-20 процентам в бензобаке. Нужно учитывать и потери бензина, углерод которого окислился только до угарного газа CO (а не до СО2), а значит бензин отработал только половину своих возможностей. Вот и выходит, что четырехтактный ДВС сжигает в рабочем такте около 80% бензина, а двухтактный всего 60-70%.
В итоге имеем следующее: если карбюратор распылил 1 г бензина, значит 0,33 г ушло на продувку и 0,66 г – 40% = 0,26 г не сгорело. То есть на дело пошло 41% бензина, а 59% что называется вылетели в трубу. За компактность приходится платить экологией.
Если двигатель оборудован системой настроенного выхлопа в виде резонансного глушителя, часть бензина, используемого для продувки, возвращается в цилиндры. Но только на резонансной частоте.
Суть работы резонансного глушителя состоит в отражении газов. Пока поршень закрывает выпускное окно, топливо успевает слетать в глушитель и частично вернуться обратно в виде волны повышенного давления. За счет этого в цилиндре немного возрастает давление, что приводит к повышению мощности двигателя. Когда система настроена на взлетный режим, двигатель прибавляет в мощности на взлете, но теряет и мощность и экономичность в крейсерском режиме. Соответственно, настраивая систему на крейсерский полет, теряем на взлете. Система неплохо работает на один цилиндр, но на двухцилиндровых двигателях проблему создает коллектор («штаны»). Даже та небольшая часть бензина, что вернулась из глушителя, разветвляется на две трубы. Кроме того, бензин возвращается перемешанным с выхлопными газами, что никак не улучшает горение топлива. Да и сам резонансный глушители не очень хорошо вписывается в моторный отсек. Нужно сказать, что существуют многорежимные, а также перестраиваемые глушители, но они пока относятся к разряду экзотики.
В любом случае понятно, что для уменьшения прожорливости двухтактного мотора нужно как-то возвращать бензин из выхлопной магистрали. Здесь мы плавно подходим к центробежному глушителю. Такой глушитель пока существует только в теории, но он не сложен для изготовления и потому возможно заинтересует читателей.
Если выхлопные газы закрутить в вихревой камере, более тяжелые компоненты будут вытеснены на периферию центробежными силами .
Самые тяжелые в выхлопе капли углеводородов и воды, затем углекислый газ, затем азот угарный газ и молекулы воды. Вода в выхлопе находится именно в двух состояниях: та, что попала в цилиндры в виде влаги с воздухом – в капельном, а та, что образовалась при сгорании бензина согласно формулы: CnHn + O2 = nCO2 + nH2O, и не успела собраться в капли, в молекулярном состоянии перегретого пара. Соответственно на периферии вихря получится эмульсия бензина с водой. Нам нужно забрать эмульсию из вихревой камеры и пустить в цилиндры. Как только мы это осуществим, двигатель станет в два раза экономичнее. Во-первых, вернем продувочный бензин, во-вторых, добавим в топливную смесь мелкодисперсную и даже молекулярную воду. Если же читатель остерегается подавать эмульсию в двигатель, ее можно собирать в бачок, а затем использовать для бензопилы, скутера, обогрева или других целей. Рыбы и птицы скажут вам спасибо.
Сразу вспоминается вихревая трубка Ранка, которая и положена в основу центробежного глушителя. У вихревой трубки есть замечательное свойство – на периферии газы нагреваются, в центре охлаждаются. Соответственно азот, который мы будем выпускать из глушителя охладится, а значит уменьшится шумность выхлопа. Ниже показана конструкция центробежного глушителя (муффлера (eng. muffler)) для двухцилиндрового двигателя.
Муффлер представляет собой трубу 1 диаметром 80 мм и длиной 200 мм. С одной стороны труба заглушена, с другого конца установлен патрубок 2 диаметром 40 мм. Газы подаются в трубу по стандартному выпускному коллектору 3. Отбор эмульсии осуществляется через штуцер 4.
Выхлопной заряд делает в трубе 3-4 оборота. За это время компоненты успевают разделиться, после чего эмульсия вместе с углекислым и угарным газом отбирается через косой срез и уходит в трубку штуцера. Если позволяет место, трубу можно удлинить до 300-400 мм. Диаметр выхлопного патрубка можно увеличить до 60 мм.
Азот выходит с патрубка в закрученном состоянии. Со среза газ уходит в радиальном направлении, что уменьшает шум выхлопа и исключает попадание плотной струи газа в плоскость вращения воздушного винта. Срез на патрубке предназначен для того, чтобы газы не попадали на корпус двигателя. Эмульсия в парогазовом состоянии подается по гофрированной стальной трубке в пространство между карбюратором и картером. По пути газы охлаждаются. В разрез трубки полезно включить небольшую емкость для выравнивания скачков давления и сбора сажи. Объем емкости нужно подбирать экспериментально в пределах 0,5 – 3 л. Перед запуском двигателя, треть емкости желательно заполнить водой.
Материал глушителя – тонкая нержавеющая сталь. В качестве основы для сборки идеально подходит бытовой термос из которого нужно удалить теплоизоляцию.
Приведен пример простейшего глушителя. Дальнейшим развитием конструкции является реализация двух вихревых камер и компактного водородного GEET реактора, использующего для разложения воды высокую температуру газов и статическое электричество. Применение реактора позволит дополнительно снизить расход бензина и ощутимо повысить мощность двигателя. Без реактора, глушитель увеличит мощность ДВС незначительно, только за счет использования воды. При этом инжекция воды снижает температуру цилиндров и увеличивает октановое число топливной смеси. Последнее можно использовать для увеличения степени сжатия двигателя.
Водородный GEET реактор представляет собой трубку 1 с размещенным внутри заостренным сердечником 2. Зазор между сердечником и трубкой 1,5 мм. Сердечник электрически изолирован от корпуса керамической втулкой в резьбовом соединительном узле 3.
Отбор продуктов реактора производиться через штуцер 4. Выхлопные газы электризуют сердечник и в зазоре возникает электрическое поле с потенциалом около 1000 Вольт. Это поле стимулирует разложение молекул воды на атомы водорода и кислорода.
На выходе реактора получаем смесь масла, бензина, водорода и кислорода (HHO газ), воды и углекислого газа. Углекислый газ не позволяет атомам водорода соединяться с атомами кислорода, поэтому смесь можно транспортировать по одной трубке.
Муффлер предназначен для установки на один цилиндр. На двухцилиндровый двигатель устанавливается два глушителя. В основе конструкции две трубки (5, 6) диаметром по 50 мм, длиной 150 мм. Применение двух трубок позволяет уменьшить длину конструкции.
Если бы автоконцерны были действительно заинтересованы в экологии, а не в барышах на производстве катализаторов и электроники, мы бы даже не знали, что такое Евро-5. Все ездили бы на карбюраторных двухтактных авто, и эти авто не дымили бы вообще. Но с другой стороны, какой удар по экономике! Массово так нельзя, это "преступление" против человечества. Зато в индивидуальном порядке можно и нужно. Потратьте немножко времени на ознакомление с GEET Paul Pantone ТЕХНОЛОГИЕЙ и будет вам двойная экономия ГСМ.