Меню

Атмосферное давление в камере внутреннего сгорание

Раптор — рекорд не засчитан.

Раптор не установил рекорда. И рекордсмен даже не РД-180. Так какому ракетному двигателю принадлежит рекорд давления в камере сгорания?

7 февраля 2019 года Илон Маск опубликовал следующее сообщение:

«Сегодня Raptor достиг отметки 268,9 бара, это превосходит предыдущий рекорд, удерживаемый великолепным российским РД–180. Отличная работа команд инженеров и тестировщиков SpaceX»

Запомним два посыла:
По мнению Маска рекорд давления ранее принадлежал РД-180.
Илон Маск заявляет, что рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).

Испытания двигателя Раптор.

4 февраля 2019 года
Обратите внимание на продолжительность испытания.
Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс (1137 кН), что составляет 60 % от номинального значения

7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность, достигнув уровня тяги в 172 тс (1686 кН) при давлении в камере сгорания 257 бар (25,7 МПа).

«Подтвердил проектную мощность» — можно ожидать, что проработал какое то время на проектной мощности. Вопрос — как долго?

И седьмого же февраля 2019 года Илон Маск сообщает — рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).

Ну что же, давайте проанализируем приложенный график.

Рассмотрим внимательно график давления.

Формат отображения времени согласно ISO 8601 hh:mm:ss.sss , hh — часы, mm — минуты, ss до точки — секунды, .sss после точки — десятые, сотые, тысячные секунды.

Обратим внимание на подписи линии абсцисс, там есть следующие значения: 10.56 . 10.60 . 10.64 . 10.68 . 10.72 . 10.76

На графике давление выше 267 (RD-180) начинается с «10.71» и заканчивается на «10.75».

Зафиксированное время давления более 267 атмосфер по этому графику не превышает 4 сотых секунд , т.е. не более 0,04 секунды. И далее обрывается. Что само по себе может означать аварийный останов.

Для сравнения моргание человеческого глаза длится от 0,05 — 0,075 секунды.

Пики на данном графике вероятнее всего указывают на неустойчивость различных рабочих процессов: самопроизвольные неуправляемые колебания давления, скорости процессов, температуры газа и жидкостей и прочего. Обычно сначала возникает участок развития колебательного процесса длительностью 0,01…0,02 секунды, затем существует участок автоколебаний, т.е самоподдерживающихся нелинейных периодических колебаний примерно постоянной амплитуды, что проявляется вибрациями и приводит в конечном счете к механическому разрушению конструкций, локальным оплавлениям стенок, нестабильности тяги.

Если говорить о достижениях, то достижением стоит назвать усредненное давление которое продлится хотя бы с десяток секунд. Но практический смысл имеют значения удерживаемые в течение хотя бы минут.

Перейдем к заявления разработчиков РД-180 и экспертов.

Создатель двигателя РД-180, академик РАН Борис Каторгин:

«Данных для оценки этого заявления очень мало. Для начала надо ответить на вопросы: в какой камере была получена тяга, какая размеренность у камеры, насколько процесс горения устойчив «

Также необходимо знать, как камера охлаждалась при таких высоких тепловых потоках, а также отработала ли она один полетный ресурс или несколько.

«Только после получения этих показателей можно давать оценки результатам. «

Академик Борис Каторгин замечает, что не ясно насколько устойчив процесс — есть ли пульсации, нестабильности или другие негативные процессы. И самое главное — насколько длительным был замеряемым процесс? И продолжались ли обсуждаемые показатели в течение хотя бы одного заявленного ресурса двигателя?

Генеральный директор «КосмоКурса» Павел Пушкин:

« Для метанового двигателя реализуются более мягкие температурные параметры при том же давлении, что в кислородно-керосиновом РД-180. Температура в метановом двигателе пониже будет, помягче тепловые нагрузки. Даже если бы сделали керосиновый двигатель с таким давлением, это вопрос технической реализации: кто лучше-хуже. .

Если там высокое давление, то это может быть ненадежно, и двигатели при полном цикле испытаний начнут отказывать. Пока информации недостаточно»

Павел Кушинин замечает, что заявлять о достижении метанового двигателя над кислородно-керосиновом несколько не корректно так как метановый двигатель испытывает меньшие тепловые нагрузки.
И отмечает, что показателем служит лишь длительные значения показанные в полном цикле испытаний, за весь проектируемый срок работы двигателя. Т.е. если двигателю назначено работать, к примеру, 1000 секунд при таком давлении, то он должен отработать именно столько, а не меньше.

Главный конструктор НПО «Энергомаш» Петр Левочкин:

«Компания SpaceX создает двигатель Raptor на компонентах кислород и мета н или как принято в российской классификации — схема «газ-газ» . В подобного рода схемах такой уровень давления в камере сгорания не является чем-то выдающимся — в своих разработках для данных схем мы закладываем уровень давления в камере более 300 атмосфер.

А сам параметр давление в камере не является выходной характеристикой двигателя, такой как тяга и удельный импульс.

Однако, господин Маск, не будучи техническим специалистом, не учитывает, что в двигателе РД-180 для ракеты-носителя Atlas используется совершенно другая топливная схема — «кислород-керосин», а это иные параметры работы двигателя. Это как сравнивать дизельный и бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

А если учитывать то, что «Энергомаш» сертифицировал двигатель с 10% запасом, то давление в камере сгорания РД-180 — выше 280 атмосфер.

Несмотря на то, что наши компании являются конкурентами, мы как инженеры приветствуем первые успехи коллег из компании SpaceX в области ракетного двигателестроения. Действительно, при разработке двигателя Raptor американские инженеры вышли на рекордный для себя уровень по давлению в камере. Это свидетельствует о достаточно высоком уровне разработок и производственных процессов в компании SpaceX».

Петр Левочкин сообщает, что сравнивать двигатели не корректно по причине различных применения различных по характеристикам топлива.

РД-180 может отработать назначенный ресурс при давление свыше 280 атмосфер (более 283 бар), так как был на такое давлении сертифицирован.

Циклограмма испытаний РД-180

Полученные значения на испытаниях РД-180 выше значений ТЗ. Продолжительность работы на максимальных значениях более 170 секунд.

РД-180 может отработать назначенный ресурс при давление свыше 280 атмосфер (более 283 бар).
Раптор в пике показал 265,38 атмосфер на протяжение не боле 0,04 секунд. Очевидно, что для Илона Маска такое событие является значимым. Но с точки зрения специалистов достигнутое давление, длящееся столь короткое время, не является значимым с точки зрения эксплуатации, и является лишь рабочим моментом в разработке нового двигателя.

Так какому же ракетному двигателю принадлежит рекорд давления в камере сгорания?

Не для всех известных ракетных двигателей разработанных в России и СССР указаны характеристики, как и не для всех указано давление в камере сгорания, т.к. это давление не сильно коррелирует с главными характеристиками. Однако известно о двигателе РД-701

РД-701

Трёхкомпонентные ЖРД многоразового применения.

Рабочие характеристики для 25 кратного применения:
Тяга в вакууме : 1-ый режим: 408 тс (4 001 кH), 2-ой режим: 160 тс(1 569 кН)

Удельный импульс в вакууме: 1-ый режим: 415 сек, 2-ой режим: 460 сек.
На уровне моря : 330 сек.

Давление в камере сгорания: 1-ый режим (Керосин-кислород): 306 кгс/см2 (296,16 атм. или 300.08 бар) , 2-ой режим (водород-кислород): 153 кгс/см2 (148,08 атм.)

Начало разработки 1980, в середине 80-х прошел стендовые испытания, предназначался для воздушно-космической системы МАКС, многоразовый челнок с топливным баком должен был стартовать на высоте боле 8 км с АН-225 «Мрия».

РД-701 ракетный двигатель с подвижной насадкой на сопло, позволявшей переводить его из атмосферного режима в вакуумный. И единственный реально построенный трехкомпонентный двигатель кислород/керосин/водород

Читайте также:  Давление резко повышается когда встаешь и понижается когда лежишь почему

Для того чтобы новый двигатель можно было использовать для одноступенчатой ракеты, была разработана конструкция раздвижного сопла из композиционных материалов. В стартовом положении нижняя обечайка колокола сопла поднята наверх, а после перехода двигателя на второй режим(работа в вакууме) обечайка сопла опускается в нижнее положение и тем самым удлиняет сопло.

Двигатель прошел не менее 50 огневых испытаний с полным подтверждением характеристик. Что открывало дорогу для применения на возвращаемой одноступенчатой ракете.

Программа МАКС закрыта 1988 году, а двигатель РД-701 в начале 90-х выставлялся на экспорт вместе с РД-170, и РД-180. И было подписано несколько соглашений о сотрудничестве и продаже данных двигателей, известно о договорах с компаниями США и Канады.

РД-701, вырезка из американского журнала.

С 1994 года специалисты «Энергомаша» по заказу американцев разрабатывали проект многоразового двигателя для системы с вертикальной посадкой, но потом Штаты отказались от услуг российских двигателестроителей и засекретили результаты работ.

Сравнение РД-701 и Raptor

Характеристики РД-701 подтверждены испытаниями. Двигатели выставлялись на продажу были подписаны соглашения как минимум с США и Канадой. Энергомаш сотрудничал с представителями США, и выполнял по их заданиям конструкторские работы. Результаты работ засекречены американской стороной.

Заявленные заявления о характеристиках двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012 — 2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги в 8 200 кН до более поздней, гораздо более низкой тяги в 1 900 кН. С 2018 года ожидается, что рабочий двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли.

На данный момент, насколько можно судить по твитеру И. Маска, Раптор не является законченным двигателем, его характеристики не подтверждены ресурсными испытаниями.

Подведем итоги.

По мнению Маска рекорд давления ранее принадлежал РД-180.

Нет. Рекорд давления в камере сгорания среди двигателей с объявленными характеристиками принадлежит РД-701.

Илон Маск заявляет, что рекорд РД-180 превышен, т.к. Раптор достиг давления 268,9 бар (265,38 атмосфер).

Раптор находится на стадии разработки, и не проходил ресурсных испытаний. Раптор в одном из испытаний достигал давления 268,9 бар в интервале 0,04 секунд. РД-180 сертифицирован с 10% запасом, т.е. более 280 бар, и может отработать назначенное время.

Знал ли Маск о РД-701?
Скорее всего знал, т.к. с 90-х годов в США шла проработка многоразовых систем с вертикальной посадкой, сообщалось о готовности применением РД-701 в системах вертикальной посадки одноступенчатых ракет. Двигатель находился в каталогах продукции Энергомаш. Энергомаш выполнял работы по заказу США, характеристики двигателя не скрывались, и о таком сотрудничестве и применении сообщала американская пресса. Двигатель РД-701 находится во всех каталогах Ракетных двигателей.

Источник

Box77 › Блог › Физика камеры сгорания. Часть 8. Просто о сложном, или путешествие энергии в ДВС

Сегодня я хочу рассказать о преобразованиях энергии, сил и прочих матерных слов из курса физики, которые происходят в бензиновых атмосферных шатунно-поршневых двигателях внутреннего сгорания, но в конечном итоге воспринимаются нами всего двумя понятиями: мощность и крутящий момент.

Вводное отступление: думаю, у многих есть знакомый, который реально «шарит» в моторах. Кроме того, предполагаю, что есть и такие, которые даже по телефону поставят диагноз машине, ну, или выскажет пару-тройку предположений неисправности, одно из которых после детального изучения проблемы подтвердится. Я рад, что в нашей стране, где половина сервисменов «набраны по объявлению», а понимают ровно столько, сколько нужно, чтобы ходить с важным видом павлина перед хозяином и рассказывать байки про всякие волшебные случаи, при этом гадая на кофейной гуще, что же с мотором творится, и думая, как же так все-таки получить деньги за потраченное время, даже если проблема не решится, есть гаражные самородки, которые четко решают проблемы. Ну, и конечно же радует, что часть этой полезной категории людей разбавляют массу неучей на сервисах, так что не бойтесь слова СТО, но будьте внимательны и осторожны с их выбором.

Так вот, этих золотых ребят условно можно поделить на две категории:
— те, кто осмысливает возникающие неполадки, делает выводы для себя и в конечном итоге получает некоторую библиотеку шаблонных ситуаций, которые в большей части реально помогают, а если шаблон не оправдал, то библиотека в их головах корректируется и пополняется.
— те, кто осознал всю суть физических принципов работы двигателя и каждый новый случай подгоняется под такую модель.

Но повторюсь, разделение это условно, потому как чаще всего реально шарящие ребята на сколько то процентов попадают в первую, и на сколько то процентов во вторую категорию. Ибо одно без другого практически невозможно.

Перейдем к сути. Дальше будут физические маты, но я буду стараться говорить предельно просто.

1. Немного о мощности.
Итак, всем при изучении принципов работы ДВС хочется всегда знать, что же такое мощность. Тут все просто, меримся мы чаще всего именно этой п… (физической величиной). Именно для получения большей мощности большинство из нас торчит в гаражах, вкорячивая различные коллектора, дросселя, злые валы, форсунки, корректируя карты и так далее.

Так вот (сначала мат):
Мощность — это переданная, преобразованная или потребленная энергия в единицу времени.
Теперь попробую объяснить «на пальцах»:
Все, думаю, знакомы с чайником? Так вот, мы прекрасно знаем, что чайники в среднем потребляют 2 кВт энергии. И это мощность. Так же мы хорошо знакомы с энергосберегающими лампами. Пусть рассматриваемый образец будет иметь надпись на коробке 20 Вт. У каждого свои задачи, но за электроэнергию (А это энергия) мы платим одинаково, что в одном, что во втором случае. Теперь представим, что мы решили вскипятить воду лампочкой. Опускаем её в воду и ждем…
ждем еще…
долго ждем…
А вода не закипает.
Просыпаемся на следующий день, а вода так и не закипела, смотрим на счетчик, а намотало больше, чем чайник потребил за те 5 минут, за которые вскипятил воду. Энергия была потрачена впустую. Причина в мощности.
Что касается лампочки, то можно сказать: ты чего это сравни ж… (физический объект) с пальцем? Лампочка должна светить, а не кипятить! Хорошо, возьмем паяльник Ватт на 100 и опустим в воду того же объема, что кипятит чайник за известное время. Вода, скорее всего, закипит. Но затраченной энергии опять же будет больше. А сколько на это времени потратится!
Так вот, в данном случае мы говорим о мощности потребляемой. Как видно, не всегда затраченное одинаковое количество энергии даст одинаковый результат.

При чем тут двигатели? Да, в общем то, и не причем, кроме трех понятий: энергия, мощность и работа. Но когда мы говорим о двигателе, нас редко интересует затрачиваемая мощность, нас интересует мощность передаваемая на коленвал. А вот энергия нас интересует затрачиваемая (т.е. расход бензина в бытовом понимании).

Мощность, передаваемая коленчатому валу, можно представить как передача энергии трансмиссии силовой установкой в единицу времени.

Вот она золотая формула, за которой гонется любой тюнер. Но ничто не приходит ниоткуда и не уходит в никуда. «Чтобы продать что-нибудь не нужное, нужно купить что-нибудь ненужное…» Так и с энергией. Чтобы выдать энергию коленчатому валу, нужно затратить энергию. И это закон… Причем, у него есть имя «Закон сохранения энергии».

Читайте также:  Народные средства при высоком давлении сахарного диабета

Так почему же так важна эта мощность? На самом деле, если стоит задача выполнить перемещение из точки А в точку Б, то тут хватит таких примитивных мощностей, что достаточно просто перекусить завтраком и отправиться в путь пешком. Если захочется ехать быстро или переместить не только собственный вес, то тут на помощь приходит колесо. И опять же достаточно всего лишь перекусить и сесть, к примеру на велосипед. Но вот теперь попробуйте на велосипеде разогнаться до 100 километров в час. Не, не получается? Вот тут то и началась гонка за мощностью. Сначала получить максимальную скорость. А потом и ускорение.

Так вот, проехать путь в 100 км не проблема. А вот проехать за малый промежуток времени — это проблема. Необходимо затрачивать на преодоление внешних сил много энергии, и чем быстрее мы едем, тем больше энергии в единицу времени нужно передать колесам (а эту энергию как раз должен выработать двигатель). Причем тут есть и еще один неприятный момент: чем больше скорость, тем больше сил паразитов нам мешают, ибо мы не в вакууме. Будь мы в вакууме без воздействия внешних сил, мы могли бы потратить энергию только на набор скорости, а дальше катиться нахаляву=)

Вот как раз этот пример и будет наиболее нагляден для понимания мощности:

Все помнят из школьного курса формулу Кинетической энергии:

Чтобы с места нам набрать скорость v, нужно затратить энергию, равную Екин (Напомню, что сейчас мы в вакууме, кпд системы 100 процентов, ну и у нас 100 процентное сцепление)
Так вот, чем быстрее мы хотим набрать скорость v, тем больше нам нужно иметь мощность системы, при этом она должна быть:

N = Екин/t, где t — это требуемое время, за которое мы хотим разогнаться.

Итого, даже в идеальных условиях, чтобы с нуля разогнаться за время t до скорости v, имея массу m, нам необходимо потратить мощность:

Дружно считаем разгон до сотки (а это почти 28 метров в час), расстраиваемся, а потом вспоминаем, что мы еще живем в реальном мире, и можно приступать вообще рыдать.

Кому лень посчитать, я скажу ответ: чтобы разогнать до 100 км/час тачку весом 1 тонна за время, к примеру, 3 секунды нужно иметь мощность 128 киловатт, шо по-нашему 174 лошадиные силы. И это в вакууме без каких либо внешних сил!

Тут же заметно, что чем выше скорость, тем быстрее растет требование к мощности, причем в квадратичной зависимости.

Для наглядности: чтобы разогнать до 200 км/час ту же машину весом в 1 тонну за 10 секунд, нужна мощность в 154 кВт, или же 209 лошадок.

А вот теперь вернемся к чайнику, что был вначале=) Если с лампочкой понятно — у неё потребляемая мощность идет не на нагрев, а на возбуждение светового потока, т.е. КПД как у нагревательной установки никакой (собственно, поэтому их и называют энергосберегающими), то вот с паяльником расход не всем может быть понятен.

Почему схема с чайником в данном случае оказывается более экономичной для выполнения той же работы (в нашем случае работа — вскипятить воду определенного объема)? Потому что вода находится не в замкнутой системе и постоянно происходит теплообмен с окружающей средой. И чем медленнее мы нагреваем воду, тем больше тепла уходит в окружающую среду, а не на полезную работу. Как говорится, чайник «кует железо, пока горячо». Если бы система была замкнутой, и энергия, переданная воде от нагревательного элемента не рассеивалась в окружающей среде, то КПД такой системы был бы 100 процентов, и энергия, затраченная на нагрев чайником и паяльником, была бы одинаковой. Пример с лампочкой плохой из-за низкого теплового КПД, тем не менее, даже лампочка с низким тепловыделением в идеальной замкнутой системе смогла бы вскипятить воду, пусть на это и потратилось бы оооочень много времени.

Если не устали читать еще все это, я продолжу=)
Теперь о насущном:

Мощность двигателя — это физическая величина прямо пропорциональная среднему крутящему моменту за единицу времени:

где k -это некий коэффициент, согласующий размерности.

В двигателестроения чаще встречается иное соотношение:

где Мкр — это средний крутящий момент за один оборот,
n — количество оборотов двигателя,
К — очередной коэффициент, согласующий размерности.

Так вот: для повышения мощности существует всего два метода: увеличение крутящего момента и увеличение числа оборотов. Почему так? Да потому что эффективная положительная составляющая крутящего момента вырабатывается лишь а такт рабочего хода (т.е. для одного горшка — это примерно полоборота за два оборота), а все остальное — это потери крутящего момента. Среднее значение получается не очень. Но вот если таких циклов в секунду будет больше, то больше топливо-воздушной смеси мы сожгем за эту же секунду, тем больше будет мощность. Потому что крутящий момент — это показатель вырабатываемой энергии, а мощность, как мы говорили ранее, — это энергия в единицу времени.

2. Теперь о крутящем моменте
Миф о крутящем моменте будоражит юные головы=) Одна фраза чего стоит «Мощность продает машины, а момент выигрывает гонки». В этой фразе доля истины имеется, но если момент развивается на очень низких оборотах и затухает на средних и верхах, вряд ли мы получим хорошие цифры на драг рейсинге=) Ибо мощность будет низкая, а значит и разгон, и максимальная скорость. Но крутящий момент можно преобразовывать, в отличии от мощности, передаточными числами. И этим очень эффективно пользуются в подъемниках, домкратах, тракторах и тягачах. Самый знакомый агрегат преобразования крутящего момента — это КПП. Кроме того, редукторы, шкивы и прочее тоже много кому знакомо. Надо помнить, что преобразуя момент, мы в идеальных условиях сохраняем энергию и мощность, а в реальных — даже теряем.

Так что же такое крутящий момент?

Это сила, приложенная к рычагу… Все. Вот формула мгновенного значения крутящего момента:

где F — сила действующая на шатунную шейку коленвала, а
r — половина рабочего хода, или радиус кривошипа.

Значение крутящего момента за один оборот будет сумма всех мгновенных значений. А так как в тактах сжатия, впуска и выпуска сила не действует на шейку коленчатого вала, а даже наоборот, коленвал действует на шатун, то это значение будет не таким радостным. Маховик, конечно, позволяет получать достаточно равномерное распределение момента, запасая энергию, когда момент максимален, и расходуя энергию, когда требуется вращающий момент, а не крутящий (т.е. когда коленвал является источником силы), но от этого просто ровнее работа мотора, но никак не легче жить в плане получения мощности.

Кстати, значение полного крутящего момента за один оборот будет выше у двухтактного мотора, так как рабочий ход там совершается один раз за один оборот, а не за два. Отсюда и больше значения литровой мощности у двухтактников.

В части 7 мы рассмотрели, как формируется крутящий момент, поэтому на вопросе преобразовании силы давления на поршень мы останавливаться не будем, а едем дальше=)

3. Сила давления на поршень

В той же седьмой части мы рассматривали определение этой силы. Повторю еще раз формулу:

Fг = (Р — Рк) * п * D^2 / 4, где

Р — давление в цилиндре,
Рк — давление картерных газов,
D — диаметр поршня.

Читайте также:  Сколько должно быть давление в колесах калины

Но в части 7 мы не смотрели, откуда же берется давление в цилиндре. Но тут на вскидку ответит любой, кто знаком с основными принципами работы ДВС: от воспламенения топливно-воздушной смеси. И будет прав. Но как мало в этой фразе на самом деле…
Во-первых, значение давления не постоянно. Даже если запихнуть в цилиндр газ под давлением, когда поршень в ВМТ, как только поршень начнет совершать движение давление начнет падать за счет изменения объема. А значит, и сила будет падать. Это четко просматривается в законе Менделеева-Клайперона для идеального газа в замкнутой системе:
P*V = m*R*T/M,

где:
Р — давление,
V — объем,
m — масса газа,
М — молярная масса газа,
Т — температура,
R — универсальная газовая постоянная.

Если бы процесс протекал изотермически, т.е. температура газа была бы постоянна, то давление было бы обратно пропорционально изменению объема. Но жизнь сурова, и процесс в подобной системе протекал бы с падением температуры, а это еще сильнее ускоряет падение значения давления.
Кроме того, не нужно забывать, что для приведения в движение поршня затрачивается энергия, а это тоже влечет за собой падение давления.

Ну, а если говорить откровенно, то в ДВС все в разы сложнее, чем нежели мы бы просто накачали газ под давлением в замкнутую систему.
Есть общие вещи, которые важно понимать:
1. Давление создается горением смеси, т.е. источником давления служит экзотермическая (с выделением тепла) химическая реакция окисления топлива кислородом.
2. Существует некая скорость преобразования тепловой энергии в давление.
3. Все химические реакции имеют свои времена протекания, причем эти времена зависят от концентрации учавствующего в процессе вещества.
4. Реакция горения — это цепная реакция. И самое интересное, что для запуска экзотермической реакции горения сначала необходимо приложить тепловую энергию, т.е. вывести систему воздух-топливо из равновесия. И это необходимо делать на каждом локальном участке смеси. Т.е. процесс протекает на пальцах так:
— нагрели моль смеси,
— моль смеси вступила в реакцию с выделением тепла,
— выделенное тепло нагрела следующие моли смеси
— и так далее.

Все было бы просто, если бы была необходимость развивать постоянный крутящий момент на постоянных оборотах (собственно, что и происходит, когда мы едем по ровной трассе с постоянной скоростью). Но ДВС — это набор компромиссов из снижения потребления топлива, когда не нужна мощность, и моментальное увеличение крутящего момента, когда мощность нужна.

Значение давления на поршень и момента его пика искусственно меняется системами управления в ДВС для изменения крутящего момента, чтобы выполнять условия компромиссов. Для этого существует основной способ — изменение концентрации вещества в камере сгорания. Состав смеси стараются выдерживать приблизительно одинаковым, а вот количество смеси меняется очень серьезно. Для этого в современных авто существует два мозга:
Механический — это система впуска и ГРМ,
Электронный — это система управления зажиганием.
Еще, конечно же, играют с составом смеси, но это больше для компенсации нежелательных эффектов, нежели для управления крутящим моментом. Яркий пример: подача более богатой смеси для охлаждения поршневой. На самом деле, сама скорость реакции из-за избытка концентраций молекул топлива падает, но за счет сохранения температурной стабильности, такое решение дает положительный эффект.

Идеальный двигатель должен иметь низкое значение крутящего момента при закрытии дросселя (для экономии) и ровную полку во всем диапазоне оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке. Это позволит обеспечить плавное и линейное нарастание мощности при увеличении оборотов. Кроме того, нарастание крутящего момента от увеличения угла открытия дросселя тоже должно быть линейно для точного дозирования момента.

С механическим мозгом, казалось бы, все понятно: ограничиваем количество смеси в горшках и роняем момент ниже плинтуса. Хотя и здесь будет, о чем поговорить и очень и очень немало, ибо газодинамика сложнейшая штука. Но многие задают вопрос: а зачем же углы опережения зажигания регулировать? Вот тут как раз и вступают в действие те самые скорости протекания реакции и преобразования тепла в давление. Учитывая эти скорости в различных режимах, и подбираются углы. Как мы говорили ранее, скорость химической реакции зависит от концентрации вещества. Теперь представим, что концентрация вещества одинаковая, но скорость вращения двигателя различаются раза эдак в два. Для более эффективного протекания реакции с выдачей рабочего давления в нужной точке положения поршня потребуется сместить точку начала реакции. Но об этом тоже пока не будем, итак процентов 90 читателей, наверное, слилось=) А перейдем к источнику зарождения энергии.

4. Свеча зажигания
Не смотря на кажущуюся простоту свечки, я никогда не понимал, как можно недооценивать её значимость. Ну, на самом деле, свечка работает не одна, а в комплексе с накопителями энергии (автотрансформаторами, которые все называют катушками) и системами управления (коммутаторы, трамблеры и так далее). Но свеча зажигания работает в самых что ни на есть жестких условиях, при этом выполнять должна ряд важных задач:
1. Свеча зажигания должна передать тепловую энергию определенному количеству молей смеси за определенный промежуток времени. Иными словами, у свечи есть три важных параметра: энергия разряда, время разряда и длина дуги. На самом деле есть еще и времена наростания, пиковая мощность и так далее, но ключевые три.
2. Свечка должна успевать охлаждаться, передавая тепло ГБЦ до конкретных значений температур за такты впуск и сжатие. Отсюда и название: теплые и холодные свечи.
3. Свеча зажигания должна сохранять свои параметры в достаточных пределах на протяжении такого количества циклов ДВС, что аж тяжко представить, каково ей. Для этого у свечи должны быть реализованы самоочищение, а материал электрода должен переживать миллионы разрядов, не разрушаясь.
Так что как бы не были важны другие узлы и детали ДВС, прошу не забывать, что свеча — начало всех начал.

Итак подытожим:
1. Энергия зарождается в свече,
2. Энергия свечи нужной мощности и в нужное время возбуждает цепную экзотермическую химическую реакцию окисления топливовоздушной смеси.
3. В процессе реакции высвобождается энергия связей молекул вещества в виде тепловой энергии. На это требуется некоторое время, зависящее от многих факторов, в первую очередь от концентрации.
4. Высвобожденная тепловая энергия увеличивает давление продуктов реакции в цилиндре. На это тоже требуется некоторое время
5. Нарастающее давление газов преобразуется в механическую энергию движения поршня. Чем более эффективно используются пики нарастания давления, тем больше совершается полезной работы.
6. Механическая энергия движения поршня преобразуется в энергию вращения коленчатого вала по сложному закону, поэтому для повышения эффективности ДВС необходимо учитывать коэффициент передачи сил поршень — кривошип при определении пиков давления.
7. Если не будет происходить нарастания давления во время движения поршня, то давление будет резко падать за счет увеличения объема.
8. Маховик запасает механическую энергию вращения кривошипа, и передает крутящий момент трансмиссии в плавном виде без рывков.
9. Идеальный двигатель имеет ровную полку крутящего момента на открытом дросселе во всем диапазоне оборотов и линейную зависимость момента от величины открытия дросселя.
9. Мощность зависит прямо пропорционально от значений крутящего момента на маховике и оборотов двигателя. А мощность — это ключевая характеристика ДВС.

Спасибо за внимание тем, кто дожил до конца=)

Источник

Adblock
detector