Что происходит с топливом при сжатии в двигателе

Как обеспечить долговечность работы дизельного двигателя?

Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который принципиально отличается от бензинового. В бензиновом ДВС смесь бензина и воздуха одновременно подается в поршневую камеру, воспламенение происходит электроискровым разрядом, вырабатываемым системой зажигания. Дизельный двигатель работает по принципу самовоспламенения распылённого топлива от разогретого при сжатии воздуха. В дизельном двигателе сжимается воздух, а не топливовоздушная смесь (как в бензиновом). Топливо подается в момент максимального сжатия воздуха, под давлением. Применив подобную схему работы, Рудольфу Дизелю удалось значительно повысить к.п.д. двигателя и сделать его более экономичным. Сгорание топлива происходит по мере впрыска в цилиндр, поэтому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах.

Исходя из эксплуатационных издержек, дизельный двигатель сегодня является одним из самых экономичных, поэтому он и стал наиболее распространенным типом ДВС для грузового автотранспорта. Большинство транспортных предприятий и производственных копаний построили свою работу на автопарке с дизельными двигателями.

Следуя рекомендациям по эксплуатации дизельного двигателя, проводя регулярный технический осмотр, а также используя качественное топливо, можно значительно продлить срок службы дизельного двигателя, снизить убытки компании, связанные с вынужденным простоем транспорта из-за поломок, а также сократить расходы на ремонт.

Основным правилом эксплуатации дизельного двигателя является соблюдение чистоты топливоподающей системы. Для этого надо постоянно следить за состоянием топливного фильтра. Топливный фильтр необходимо менять каждые 8-10 тыс. км. Делать это реже нежелательно, так как забитый фильтр создает повышенное гидравлическое сопротивление и нарушает нормальную подачу топлива. Топливный бак рекомендуется промывать два раза в год, весной и осенью, полностью снимая его с автомобиля. Помимо этого, важно использовать только качественное дизтопливо, чтобы снизить загрязнение и образование отложений в системе. Если этого не делать, то рабочий процесс двигателя будет нарушен, ухудшатся его технико-экономические и экологические показатели, а также увеличиться износ деталей. На образование отложений в системе двигателя влияет фракционный состав топлива, содержание в топливе сернистых соединений, непредельных и ароматических углеводородов, смолистых соединений и неорганических примесей.

К основным причинам образования отложений в дизельном двигателе можно отнести работу на сернистом топливе, при котором образуются прочные трудноудаляемые нагар и лаковые отложения, что вызывает износ деталей двигателя, когда он работает на пониженной температуре. Коксуемость топлива также приводит к образованию нагара и лакообразованию, в результате чего может произойти заклинивание поршневых колец. Из-за наличия в топливе частиц меркаптановой серы при окислении топлива образуются смолы, которые в сочетании со смолами, образующимися из олефинов и еще фактическими смолами, имеющимися в ДТ, на запорных иглах форсунок осаждаются лаковые пленки, что со временем вызывает зависание игл внутри форсунок.

Таким образом, очевидно, что использование некачественного топлива приводит к угрозе выхода из строя топливного насоса и форсунок, а при неудачном стечении обстоятельств — и к повреждению самого двигателя. Все это дополнительные расходы для предприятия, которые можно избежать, если подходить к выбору топлива ответственно.

Поэтому я рекомендую предприятиям работать с постоянными поставщиками нефтепродуктов, обладающими широкой сетью АЗС. Отправляя автотранспорт компании в другие города и регионы, нужно быть уверенным в стабильном качестве нефтепродуктов. Для этого существуют современная, удобная система безналичного расчета за топливо, позволяющая руководителю контролировать заправку автотранспорта предприятия. Водитель, имея на руках топливную карту, не будет рисковать, заправляясь на не знакомой ему АЗС, а воспользуется своей картой. Также важно отметить, что при заключении договора на обслуживание по картам безналичного расчета, компания-поставщик берет на себя гарантийные обязательства по снабжению качественным топливом.

Андрей Новоченко, Руководитель сервисной службы Volvo Car Белгород

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 9. Устройство тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• На какие типы делятся реальные тепловые двигатели?
• Каковы основные узлы тепловых двигателей, и какие функции они выполняют?
• По каким критериям оцениваются тепловые двигатели?

Глоссарий по теме:

Ве́рхняя мёртвая то́чка (ВМТ) — положение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, соответствующее максимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала (условно начальное положение коленчатого вала, ноль градусов поворота кривошипа).

Нижняя мёртвая то́чка — положение поршня в цилиндре, соответствующее минимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала.

Ход поршня, при котором газ не совершает работы, называется холостым ходом.

Рабочий ход – ход поршня под давлением газов, образующихся при сгорании рабочей смеси, движущийся от В.М.Т. (верхней мертвой точки) к Н.М.Т. (нижней мертвой точке).

Поступление горючей смеси в цилиндр, ее сжатие, расширение при сгорании и выпуск отработавших газов из цилиндра, т. е. совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре при работе двигателя, называется рабочим циклом.

Шату́н (иногда ещё называют тяговое дышло) — деталь, соединяющая поршень и шатунную шейку коленчатого вала или движущих колёс паровоза. Служит для передачи возвратно-поступательных движений поршня к коленчатому валу или к колёсам для преобразования во вращательное движение.

Коленчатый вал — деталь (или узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых вал воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Свеча зажигания — устройство для воспламенения топливо-воздушной смеси в самых разнообразных тепловых двигателях. Бывают искровые, дуговые, накаливания, каталитические, полупроводниковые поверхностного разряда, плазменные воспламенители и др.

Система зажигания — это совокупность всех приборов и устройств, обеспечивающих появление электрической искры, воспламеняющей топливовоздушную смесь в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания в нужный момент.

Если двигатель совершает два такта: первый такт – рабочий ход, второй такт – холостой ход (процесс сжатия горючей смеси), то его называют двухтактным.

В четырехтактном двигателе между тактом – рабочим ходом и тактом – сжатием горючей смеси добавляется еще два такта: выпуск отработанных газов и впуск горючей смеси.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Обязательная литература:

1. Ефимов С.И., Алексеев В.П. Двигатели внутреннего сгорания. М., 2003
2. Перельман Я.А. Занимательная физика. Книга 2. М.:Наука, 1982г.
3. Энергетические установки: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под. общ. ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986 г. – 352 с.: ил.

Дополнительные источники:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Во всех тепловых двигателях происходит преобразование тепловой энергии, связанной с движением микрочастиц, составляющих вещество в механическую энергию. Устройства тепловых двигателей непрерывно совершенствуются.

Каковы особенности тепловых двигателей разных типов, которые необходимо учитывать для оценки возможности их применения?

Все тепловые двигатели можно разделить на два класса – турбинные и поршневые. В турбинных двигателях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, для чего используются сопла, через которые расширяется горячий газ. Этот горячий газ может образовываться в результате кипения воды – паровые турбины, или в результате сгорания топлива – газовые турбины. Поток газа, имеющий большую скорость, направляется на лопасти турбины и, отдавая им энергию, раскручивает вал турбины.

Вал турбины может непосредственно приводить в движение какие-либо механизмы, например, колеса транспорта или винт самолета, или при помощи генератора вырабатывать электрическую энергию, что происходит на теплоэлектростанциях.

Значительно сложнее устройство поршневых двигателей, с которых начался технический прогресс в теплоэнергетике. Основу таких двигателей составляют цилиндр и поршень. Подробное описание дано в уроке 7. Но нагревать и охлаждать газ через стенки цилиндра, не эффективно. Вместо этого используется один из двух способов:

1) газ нагревается в отдельном устройстве, после чего подается в цилиндр. Такой способ реализован в паровом двигателе.

2) топливо в виде смеси газов, или пузырьков жидкости, смешанных с воздухом, (горючая смесь) вводится внутрь цилиндра, и далее процесс сгорания также происходит внутри цилиндра. Образовавшийся в результате сгорания горячий газ, расширяясь, приводит в движение поршень. Такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания. Первый ДВС являлся силовым агрегатом Де Риваза, по имени его создателя Франсуа де Риваза, родом из Франции, который сконструировал его в 1807 году.

Чтобы результат работы двигателя сводился к вращению какого-либо вала, что чаще всего требуется от двигателя, используется механизм, состоящий из шатуна и коленчатого вала. Эти элементы изображены на рисунках. Действие шатуна и коленчатого вала подобно действию ног велосипедиста и педалей. Для замыкания цикла необходим обратный ход поршня. Такой ход поршня, при котором газ не совершает работы, называется холостым ходом. Механическая энергия запасается в виде кинетической энергии вращения массивного колеса – маховика, связанного с валом двигателя. При такой работе возникают пульсации, для уменьшения которых вводят несколько цилиндров с одним коленчатым валом.

В двигателях внутреннего сгорания горючая смесь перед воспламенением сжимается, что происходит во время обратного хода поршня.

Это обеспечивает более эффективную работу двигателя. После сжатия горючая смесь воспламеняется, и начинается рабочий ход поршня. По способу воспламенения двигатели внутреннего сгорания делятся на два типа. В двигателях, включающих в себя систему зажигания, воспламенение горючей смеси происходит под воздействием искры, возникающей вследствие электрического разряда в запальной свече.

В таких двигателях используется топливо из легких фракций нефти (бензин) или природный газ, а степень сжатия поршнем невелика (6 – 8 раз). В двигателях другого типа – дизельных двигателях (или просто дизелях) используется горючее из более тяжелых фракций нефти (дизельное топливо), а степень сжатия существенно выше (15 – 20 раз). Воспламенение топливной смеси в дизельных двигателях происходит вследствие того, что при сжатии газ нагревается, соответствующий процесс близок к адиабатному процессу.

Двигатели внутреннего сгорания в зависимости от способа вывода отработанных газов и ввода горючей смеси делятся на два типа: двухтактные и четырехтактные. Каждый такт соответствует половине оборота коленчетого вала.

Двухтактные: первый такт – рабочий ход, второй такт – холостой ход (процесс сжатия горючей смеси)

В четырехтактном двигателе между тактом – рабочим ходом и тактом – сжатием горючей смеси добавляется еще два такта. Выпуск отработанных газов осуществляется при движении поршня с уменьшением рабочего объема цилиндра (такт аналогичный такту, в котором происходит сжатие смеси). Впуск горючей смеси осуществляется при движении поршня с увеличением рабочего объема (такт, аналогичный такту рабочего хода).

Зачем нужно столько типов двигателей? Оказывается, что универсального наилучшего двигателя нет, каждый тип обладает определенными достоинствами и недостатками. Каковы же эти критерии оценки?

1. Экономичность. Наиболее экономичными являются дизельные двигатели. Четырехтактные двигатели более экономичны, чем двухтактные.
2. Максимально достижимая мощность. По этому показателю выделяются турбинные двигатели.
3. Мощность на единицу веса (особенно для совместно движущихся). Для большегрузов – дизельные; для легкого транспорта – бензиновые, двухтактные и четырехтактные (в зависимости от веса).
4. Универсальность топлива. По этому показателю выгодно отличаются двигатели, где используется водяной пар – паровые турбины (т.к. запасы нефти истощаются).
5. Износ механизмов. Выигрывают турбинные по сравнению с поршневыми.

• Тепловые двигатели подразделяются на турбинные и поршневые.

• Поршневые двигатели подразделяются на паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания.

• Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на двигатели с системой зажигания и дизельные двигатели.

• Кроме того, двигатели внутреннего сгорания подразделяются на двухтактные двигатели и четырехтактные двигатели.

• Каждый тип двигателя обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими целесообразность его использования для тех или иных целей.

• Критериями оценки эффективности применения разных видов двигателей являются: экономичность, максимально достижимая мощность, мощность на единицу веса, универсальность топлива и износ механизмов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Вставьте пропущенные слова: «Во всех тепловых двигателях происходит преобразование _________ энергии, связанной с движением микрочастиц, составляющих вещество в _____________ энергию».

Варианты ответов: потенциальной, ядерной, тепловой, механическую, кинетическую.

Правильный вариант: Во всех тепловых двигателях происходит преобразование тепловой энергии, связанной с движением микрочастиц, составляющих вещество в механическую энергию.

Задание 2. Один моль одноатомного идеального газа участвует в циклическом процессе, график которого изображён на TV−диаграмме.

Выберите два верных утверждения на основании анализа представленного графика.

1) Давление газа в состоянии 2 меньше давления газа в состоянии 4.

2) Работа газа на участке 2–3 отрицательна.

3) На участке 1–2 давление газа уменьшается.

4) На участке 4–1 работа газа отрицательна.

5) Работа, совершенная газом на участке 1−2 больше работы, совершаемой внешними силами над газом на участке 4−1.

Правильный вариант: 4); 5).

Подсказка: Перерисуйте график цикла в осях p,V. Вспомните, что на графиках процессов в осях p,V работа вычисляется как площадь под графиком процесса.

СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам распыливания топлива в камерах сгорания. Задачей изобретения является упрощение реализующей способ конструкции, повышение надежности и эксплуатационных характеристик двигателя. Из бака 14 по топливопроводу 13 производят подвод топлива к насосу 12 и закачивание его по магистрали 11 в накопительный резервуар 8 закрытого объема. Посредством нагревателя 10 осуществляют нагрев топлива 9 до температуры и давления, значения которых выше, чем в камере 5 сгорания на момент впрыска топлива. При движении поршня 2 вверх засосанный через клапан 3 воздух начинает сжиматься в цилиндре 1, достигая к концу такта сжатия давления, обусловленного степенью сжатия, при этом также повышается и его температура, но их значения остаются меньше, чем давление и температура топлива в резервуаре 8. При подходе поршня 2 к ВМТ осуществляют впрыск топлива 9 в камеру 5 сгорания посредством форсунки 6. Происходит взрывное вскипание топлива, благодаря чему оно измельчается на еще более мелкие частицы, которые разлетаются, хорошо перемешиваясь с воздухом, и дополнительно турбулизируют горючую смесь. Включают техническое зажигание и осуществляют горение полученного топливного заряда. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания, включающий перевод жидкого топлива в состояние перегрева, отличающийся тем, что путем нагрева жидкого топлива в закрытом объеме повышают его температуру и давление до значений, соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи, которую осуществляют в конце такта сжатия, после чего производят техническое зажигание. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу топлива осуществляют посредством устройства впрыска, которое соединяют магистралью высокого давления с резервуаром, в котором осуществляют нагрев топлива.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам распиливания топлива в камерах сгорания.

Прототипом является способ распиливания горючего, основанный на предварительном подогреве, переводе его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство и взрывообразном вскипании и нагреве до приведенной температуры дисперсионной среды = Т/Т_кр=0,75-0,93, где Т — температура нагрева на входе в распыливающее устройство, Т_кр — критическая температура дисперсионной среды, с последующим истечением и распыливанием на выходе из распыливающего устройства [Пат. РФ 2183286 МПК F02M 31/02, F23D 11/24, 2002].

Недостатками прототипа являются:

— сложность реализующей способ конструкции и недостаточная ее надежность, обусловленные необходимостью поддерживать топливо в метастабильном состоянии, что сделать в диапазоне рабочих температур, режимов и нагрузок двигателя внутреннего сгорания достаточно трудно, так как метастабильное состояние жидкости является неустойчивым;

— снижение качества распыла топлива в случае впрыска его в двигатель внутреннего сгорания, поскольку при сжатии горючей смеси (на такте сжатия) повышается давление, приводящее к конденсации части паров горючей смеси, т.е. к укрупнению распыленных частиц, что увеличивает время сгорания последних, снижает КПД двигателя и его эксплуатационные характеристики, а также повышает выброс вредных веществ с отработавшими газами.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение реализующей способ конструкции, повышение надежности и эксплуатационных характеристик двигателя.

Задача решается тем, что в способе подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания, включающем перевод жидкого топлива в состояние перегрева, путем нагрева жидкого топлива в закрытом объеме повышают его температуру и давление до значений соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи.

Нагрев топлива в закрытом объеме осуществляют до температуры большей температуры самовоспламенения его паров. Перевод топлива в камеру сгорания двигателя осуществляют в конце такта сжатия.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Повышение температуры и давления топлива путем нагрева его в закрытом объеме до значений соответственно больших температуры и давления в камере сгорания в момент подачи и перевод топлива в состояние перегрева, позволяет осуществить взрывное вскипание топлива непосредственно в самой камере, за счет чего осуществляется его мелкий распыл и турбулизация горючей смеси, что улучшает процесс сгорания. Это, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая, в конечном счете, эксплуатационные характеристики.

Нагрев топлива в закрытом объеме до температуры большей температуры самовоспламенения его паров позволяет осуществить воспламенение топлива в момент впрыска его в камеру сгорания, содержащей окислитель (воздух), при этом в отличие от дизеля температура окислителя может быть меньше температуры самовоспламенения паров топлива. Это позволяет отказаться от технического зажигания и улучшить процесс горения, поскольку появляется множество очагов воспламенения по сравнению с искровым зажиганием. В результате этого упрощается конструкция двигателя, повышаются его КПД, надежность и эксплуатационные характеристики.

Перевод топлива в камеру сгорания двигателя в конце такта сжатия позволяет сохранить размер распыленных частиц топлива, так как давление окислителя в камере сгорания уже не будет повышаться, что предотвратит конденсацию паров и укрупнение частиц после впрыска.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. изображена схема устройства подачи топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и соединенную через впускной клапан 3 с воздушным каналом 4 камеру 5 сгорания, в которой установлено устройство 6 впрыска (форсунка), связанное посредством магистрали 7 высокого давления с резервуаром 8, имеющим топливо 9 с погруженным в него нагревателем 10 и соединенным магистралью 11 высокого давления с насосом 12, который топливопроводом 13 связан с баком 14.

Способ реализуют следующим образом.

Из бака 14 по топливопроводу 13 производят подвод топлива к насосу 12, который через магистраль 11 закачивает его в накопительный резервуар 8 закрытого объема. Посредством нагревателя 10 осуществляют нагрев топлива 9 до температуры и давления, значения которых выше, чем в камере 5 сгорания на момент его впрыска. При движении поршня 2 вниз открывается впускной клапан 3. В результате чего воздух из канала 4 поступает (засасывается) в цилиндр 1. При движении поршня вверх клапан 3 закрывается, и воздух начинает сжиматься в цилиндре, достигая к концу такта сжатия давления, обусловленного степенью сжатия, при этом также повышается и температура сжимаемого воздуха, но их значения остаются меньше, чем давление и температура топлива в резервуаре 8. При подходе поршня 2 к верхней мертвой точке осуществляют впрыск топлива 9 в камеру 5 сгорания посредством форсунки 6. Поскольку в камере сгорания давление и температура меньше, чем во впрыснутом (распыленном) топливе, то происходит взрывное вскипание последнего, благодаря чему оно измельчается на еще более мелкие частицы, которые разлетаются, хорошо перемешиваясь с воздухом, и дополнительно турбулизируют горючую смесь. Включают техническое зажигание (например искровую свечу) и осуществляют горение полученного топливного заряда. Заметим, что при подогреве топлива в резервуаре 8 выше температуры самовоспламенения его паров происходит возгорание последних после смешивание в камере 5 сгорания с воздухом, температура которого (в отличие от дизеля) может быть ниже указанной температуры самовоспламенения. В этом случае технического зажигания не требуется. Поскольку топливо впрыскивается к концу такта сжатия, то давление в камере 5 сгорания больше не растет, что исключает конденсацию паров топлива и связанное с этим укрупнение распыленных частиц топлива. По мере расхода топлива из резервуара 8, последний постоянно пополняется с помощью насоса 12.

Внедрение изобретения позволит улучшить процесс горения топливного заряда, упростить конструкцию двигателя, повысить его надежность, КПД и эксплуатационные характеристики.

Что происходит с топливом при сжатии в двигателе

2. ПОТЕРИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОВ
Теперь рассмотрим потери второго вида энергии, используемой в двигателе — тепловой энергии газов.
Начнем с потерь, вызванных окислением и горением топлива в фазе СЖАТИЕ
Как уже упоминалось, модель идеального двигателя может быть представлена в виде поршня с пружиной. В фазе СЖАТИЕ (это фаза потерь) поршень принудительно сжимает относительно слабую пружину. Ее сила противодействия определяется механическим сжатием газа, т.е. растет пропорционально текущей степени сжатия.
При достижении поршнем ВМТ начинается фаза РАСШИРЕНИЕ.
Но, во-первых, «поведение» воздушно-топливной смеси при сжатии отличается от “поведения” инертного газа. При сжатии воздушно-топливной смеси по сравнению с чистым воздухом давление и температура заметно повышаются. Это объясняется тем, что при нагреве воздушно-топливной смеси до нескольких сотен градусов начинается «холодная» (без горения) реакция окисления топлива, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Таким образом, топливо в фазе СЖАТИЕ теряет свою калорийность. Этому способствует наличие в двигателе раскаленных поверхностей (свеча зажигания, выпускной клапан). Счастье, что эти потери не превышают нескольких процентов.
Во-вторых, горение воздушно-топливной смеси не происходит мгновенно (опять же к счастью), а требует значительного времени. Финиш горения достаточно строго задан — это примерно 15° после ВМТ. Поэтому старт горения (зажигание) определяется частотой вращения коленвала двигателя. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше угол опережения зажигания. Это означает, что тепловая энергия газов все больше выделяется в фазе СЖАТИЕ и все сильнее убывает в фазе РАСШИРЕНИЕ. То есть сила пружины, которая противодействует поршню, становится все больше, а сила пружины, которая совершает полезную работу, становится все меньше. Таким образом, потери нарастают с двойной скоростью. Наступает момент, когда двигатель «визжит» на высоких оборотах, а крутящего момента нет. Тепловая энергия газов никуда не исчезла, ее вдоволь, но она выделилась слишком рано. «Дорога ложка к обеду». Первопричиной этих огромных потерь является неоправданно долгое горение воздушно-топливной смеси, а понятие «потери» носит условный характер.
Потери из-за декомпрессии физически абсолютно прозрачны. Как народная мудрость не рекомендует воду в решете носить, так не рекомендуется эксплуатировать двигатель с низкой компрессией. Декомпрессия может иметь несколько причин: износ поршневой группы, особенно колец; плохое прилегание клапанов к гнездам; дефекты свечи зажигания, резьбового соединения и др.
В результате из-за неплотностей в камере сгорания и цилиндре происходит стравливание газа высокого давления, т. е. возникают прямые потери тепловой энергии вместе с самим газом. Кроме этого, могут быть и другие негативные последствия, например, экологические.
Однако в отличие от потерь тепловой энергии потери из-за декомпрессии растут с уменьшением частоты вращения коленвала двигателя. Это объясняется прямой зависимостью потерь от времени воздействия разности давлений (закон Ома в пневматехнике).
Природа потерь в стенки камеры сгорания и цилиндра также очевидна. Горение происходит циклично, максимальная температура достигает 2500 °С, а температура стенок двигателя примерно 95 °С. Чем больше разность температур, тем больше потери тепла (закон Ома в теплотехнике). Поэтому самые большие потери там, где самая высокая температура. В соответствии с Махе-эффектом это область начала горения, где располагаются свеча зажигания и начальная часть спиральной траектории горения.
Следует отметить, что расчет тепловых потерь в стенки двигателя весьма затруднен. Объясняется это сложной формой и динамичностью объемного градиента температур, влиянием эффекта «газовой рубашки» (см. «Двигатель» № 4 — 2003), турбулентностью, различной температурой внутренней поверхности стенок камеры сгорания, различной теплопроводностью отдельных фрагментов камеры сгорания и т.д.
Используя эмпирические данные, можно оценить потери тепловой энергии газов в стенки двигателя значением порядка 20 %.
Наконец, мы подошли к самым известным и, по мнению специалистов, самым большим потерям тепловой энергии в выхлопную трубу. Минимальная величина потерь соответствует холостому ходу. Максимальные потери характерны для режима максимальной нагрузки и частоты вращения вала.
В случае с газовым топливом потери еще больше, так как выше температура выхлопных газов. Напомним, что паровоз работал при температуре пара 150 °С.
Чем объясняется высокая температура выхлопных газов в двигателях, работающих на легком топливе? Дело в том, что в камере сгорания топливо сгорает не полностью, а только на 70…80 %. Далее, когда поршень движется вниз, продолжается его догорание. Это позволяет двигателю поддерживать высокое давление в цилиндре, а следовательно, и температуру выхлопных газов. С повышением частоты вращения вала время на догорание сокращается, а температура выхлопных газов повышается. Наступает момент, когда топливо догорает уже в выхлопной трубе. Например, на спортивных машинах выхлопные трубы, находящиеся непосредственно у двигателя, раскаляются докрасна («полный гудок»).
С газовым топливом проблем еще больше. Октановое число газа выше, чем у бензина, поэтому загорается оно хуже, горит медленнее, догорает позднее.