Основная физическая концепция любого теплового двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что, как бы это не было странно, сгорание должно быть именно "внутренним". Ведь мы помним, что ещё существует так называемый двигатель внешнего сгорания. И вот если говорить концептуально, то логика этих идей не должна была бы пересекаться.
Тут есть интересные моменты, о которых далеко не все знают. Оказывается двигатель с традиционным циклом Отто плохо справляется с задачей "оставаться внутренним". Напомню, что цикл Отто - это фактически тот самый алгоритм, по которому работает подавляющее большинство современных бензиновых двигателей.
Исследования процесса сгорания, проведенные еще в 1869 году Робертом Бунзеном, выявили, что воспламененное сгорание смеси воздуха и топлива в закрытой камере заставляет пламя проходить через камеру со скоростью приблизительно от 30 до 55 см/сек. Это сгорание происходит в небольшом объеме пламени при температуре около 2000 C, а турбулентность и холодные стенки замедляют или гасят сгорание. Такая проблема довольно значима.
Когда двигатель с ходом 10 см работает на холостом ходу при 800 об/мин, его поршень опускается 7 раз в секунду или приблизительно 70 см/сек, поэтому большая часть сгорания происходит именно внутри. Однако что происходит, скажем, при 3600 об/мин?
В то время как пламя движется со скоростью 50 см/сек, поршень теперь опускается примерно со скоростью 300 см/сек. Его "раскачивает" на эту скорость повышенное давление, вызванное горячими газами за пламенем в 2000 C.
В результате пламя никогда не догоняет опускающийся поршень. Затем, когда поршень достигает нижней мертвой точки, клапан открывается, и теперь поднимающийся поршень выталкивает все еще движущийся объем пламени через открытые выпускные клапаны.
Это явление приводит к тому, что только часть сгорания является внутренней. Было бы гораздо правильнее назвать двигатель цикла Отто двигателем внутреннего/внешнего сгорания.
Впрочем, примерно по этой причине иногда пламя вырывается в глушитель. Вы наверняка видели такое у любителей спортивных машин. Иногда это специфика конструкции двигателя, а иногда - результат "кривого" форсирования системы.
Так или иначе, эффективность работы системы при этом падает. В процессе эволюции двигателей внутреннего сгорания были предприняты самые разные попытки исключить этот паразитный эффект. Менялись геометрические параметры деталей двигателя и добавлялись разные хитрые конструктивные элементы. Например, использовались кулачки для приведения поршней в движение в новой и лучшей динамике, которая удерживает сгорание "внутри".
Следующий огромный недостаток любого двигателя стандартной конструкции - это вышеупомянутые холодные стенки.
Современный двигатель предполагает медленно движущийся поток пламени при температуре 2000 °C с головками и поршнями из алюминия, который плавится всего при 660 °C и начинает терять свою прочность при температуре около 180-200 °C.
Из-за этого современные двигатели с циклом Отто нуждаются в массивных системах охлаждения для отвода тепла от поверхностей камеры, которые охлаждаются примерно до 170 °C. Вокруг двигателя есть целая водяная (а точнее антифризная) рубашка.
Собственно, всем вам знакома ситуация, что система "закипела". У старых машин это наиболее распространенная проблема. Это происходит по множеству причин, но главная фундаментальная - это несовершенство системы охлаждения, сложность которой подразумевает её периодические отказы. Где-то не хватило антифриза, где-то заклинило помпу и дальше одно за другим. Бывает, что радиатор стал слишком грязным или потёк. Всё это последствия проблемы охлаждения двигателя по циклу Отто. Её могло бы не быть при иной логике процесса.
Это в свою очередь тянет за собой и еще одну проблему, о которой вы тоже слышали. Поскольку горячий турбулентный поток пламени преследует опускающийся поршень, он постоянно гасится по мере приближения к холодным поверхностям камеры, которые значительно ниже минимальной температуры воспламенения бензина, 280 C.
В этом тонком пограничном слое и вблизи него часть топлива не воспламеняется, мы называем эти газы "несгоревшими углеводородами".
Кроме того, большая часть топлива достаточно нагрелась, чтобы окислить водород топлива в H2O (воду), но лишь частично сжечь углерод в CO (оксид углерода). Оба газа очень токсичны и вызывают проблемы со здоровьем. Во многих случаях использую так называемые катализаторы дожигания, который должны "доокислить" эту гадость на выходе.
Ещё одна проблема - это точечное зажигание или использование свечи зажигания, которое вызывает сгорание смеси через распространение пламени. Гораздо лучший способ, о котором были написаны сотни исследований, называется воспламенением от однородного заряда сжатием. Привет любителям дизельных двигателей.
--
💥 Слушайте мои подкасты по теме!
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!
