Методы форсирования ДВС

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) используются как в транспортных средствах, так и в стационарных установках. Причём, и там и там они могут выполнять роль как основных, так и вспомогательных двигателей. ДВС устанавливают на автомобилях, танках, самолетах, тракторах, моторных лодках и т.д.
В рамках данной работы будем рассматривать основные двигатели транспортных средств.
Двигатель внутреннего сгорания — это тип двигателя, в котором химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию. По рабочему циклу различают 2-х и 4-х тактные; по способу приготовления горючей смеси - с внешним (например, дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии - поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные.
Главное достоинство двигателя внутреннего сгорания, обеспечившее ему огромную популярность во всех видах транспорта на долгие годы вперед - это автономность работы. Двигатель способен работать практически в любых условиях в течение очень долго времени. Ресурс современного двигателя без капитального ремонта составляет 150-200 тысяч километров. Высокая энергия топлива обеспечивает расход топлива на уровне ~10 литров на 100 километров пройденного пути, что позволяет обходиться без частых дозаправок. В настоящее время усилия ученых и инженеров направлены на создание экологически безопасных, высокоэффективных и надежных двигателей. Совершенствование ДВС связано с проблемой устранения недостатков, характерных для этого типа машин.
Форсирование двигателя – это определенный комплекс технических процессов, которые направлены на модернизацию двигателя. 

Задачи и способы форсирования ДВС
Любое транспортное средство создаётся не в единичном экземпляре, всегда предполагается более или менее крупная серия изделий. Причём предполагается, что в процессе выпуска транспортного средства, оно будет совершенствоваться, будут создаваться его модификации, то есть будут изменяться какие-либо его узлы, и обязательно двигатель. Не было пока ещё в истории техники случая, когда при модификации транспортного средства не потребовалось бы увеличение мощности двигателя. Любые нововведения, которыми снабжаются современные автомобили, для своего срабатывания требуют энергию. Источник энергии один – это бак с топливом. Но практически всем исполнительным механизмам нужна не химическая энергия топлива, а электрическая и механическая. Как известно, двигатель – преобразователь вида энергии. Таким образом, всё упирается в двигатель. Опыт создания и развития самых разнообразных транспортных средств (автомобиль, танк, комбайн, катер, бульдозер, бомбардировщик, мотоцикл, подводная лодка и т. д.) показал, что в течение 10…15 лет выпуска и развития того или иного транспортного средства мощность его ДВС возрастает на 10…50%, а иногда и на 100 %.
В процессе проектирования нового двигателя всегда хочется получить новый ДВС с повышенной, относительно его предшественников, литровой мощностью.
Nл=Nв(кВт)VH(литр),
где: VН - рабочий объём двигателя
Суть этого параметра – «компактность конструкции ДВС». Рабочий объём двигателя VН – его основной размер, определяющий и габариты ДВС. Всегда приятно иметь дело с маленьким, но мощным агрегатом. Все фирмы мира пытаются сделать этот параметр (Nл) как можно выше. Выше всех литровая мощность получается у проектировщиков ДВС гоночных авто и мотоциклов. Но они «купили» свой выигрыш за счёт безбожного снижения ресурса силовых агрегатов. Наша же задача – изучить опыт этих передовых, можно сказать, «маяков» и трансформировать его так, чтобы ДВС для обычного городского автомобиля получился не одноразовый, а размеры при этом были, как у двигателя бензопилы.
Что и как нужно сделать в двигателе, чтобы его мощность увеличилась, помогает разобраться  формула Стечкина о мощности двигателя в зависимости от расхода топлива:
Nв=Нua∙l0∙Vh∙i∙pk∙ηv∙n30∙τ∙ηв,
где Нu – низшая теплота сгорания жидкого топлива, Дж/кг ;
l0 – стехиометрический коэффициент, т.е. теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топл.;
α – коэффициент избытка воздуха в ТВС;
Vh – рабочий объём цилиндра, л;
n – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;
τ – количество тактов в цикле ДВС (2 или 4); время протекания какого-либо процесса;
η – коэффициент полезного действия (КПД) того преобразования энергии, которое отмечено индексом.
Рассмотрев её более тщательно, можно сделать такие выводы: мощность ДВС при его проектировании можно увеличить следующими способами:
1. Изменить род топлива. На это чётко указывают два параметра – Нu (теплотворность топлива) и l0 – количество воздуха, необходимого для полного сгорания используемого топлива. (При получении численной величины l0 используются массовые доли веществ, составляющих данное топливо: углерода – С, водорода – Н и др., то есть состав топлива).
2. Состав топливно-воздушной смеси сделать соответствующим максимуму мощности двигателя. Этот состав оценивается величиной коэффициента избытка воздуха (a) в топливно-воздушной смеси. Изучая характеристику ДВС по составу смеси, можем сделать вывод о том, что не всякий состав топливно-воздушной смеси обеспечит нам решение всех интересующих нас задач.
3. Изменить размеры двигателя (Vh∙i). Количество цилиндров i и их размер Vh , дающих в сочетании одно и то же – Vh = idem, это отдельная задача, относящаяся к конструкции ДВС.
4. Произведение (pk∙ηv) означает интенсивность наддува двигателя и качественную организацию его процессов газообмена. Следовательно, для увеличения мощности ДВС необходимо заняться этими мероприятиями вплотную.
5. Быстроходность двигателя (n) – отдельный и, надо сказать, очень непростой способ увеличить мощность ДВС.
6. Тактность τ ДВС ( τ = 2 или τ = 4.)
7. Эффективный КПД. КПД – это основной показатель эффективности. Все перечисленные выше способы понятны и естественны. А вот как повысить КПД, тут очень и очень подумать придётся. Над этой задачей трудятся все производители. КПД современных ДВС примерно равен 1/3. Рассмотрим изложенные возможные перспективы чуть более подробно.
Анализ возможных методов форсирования ДВС
Какой прирост мощности ДВС можно ожидать при смене рода топлива? Сразу же уточним, что изменять будем не марку бензина или дизельного топлива (это нам ничего не даст в решении интересующей нас задачи), топливо будем изменять принципиально, с учётом далёких перспектив. Поскольку топливо для нас – это энергоноситель, то его теплотворность Нu и является тем основным показателем, ориентируясь на который следует искать что-нибудь новое. Перспективой в этом смысле, конечно, является водород. Как ближайшую перспективу (точнее, уже реальность) и как переходный этап к водороду специалисты рассматривают метан. Если их сопоставить, например, с бензином (возьмём авиабензин Б-70), то теплотворность Нu, Дж/кг для этих трёх видов энергоносителей выглядит так: метан – 500 ⋅105 Дж/кг ; бензин (Б-70) – 441⋅105 Дж/кг ; водород – 1202⋅105 Дж/кг. Не стоит забывать про стехиометрический коэффициент l0. Вот какова его сущность: метан – l0 = 17,18 кг возд./кг топл.; бензин (Б-70) – l0 = 14,83 кг возд./кг топл.; водород – l0 = 34,78 кг возд./кг топл. Мощность ДВС Nв~Hul0. А если сравнивать наилучшие варианты, то состав ТВС нужно брать не стехиометрический, а тот, который даст максимальную мощность. Для бензина Б-70 такой состав имеет α ≈ 0,85. Возьмём этот состав за основу сравнения по соотношению Nв~Hua∙l0 . Тогда при мощности бензинового двигателя, равной условной единице, ДВС на метане будет иметь мощность = 0,945, а на водороде = 1,172 от бензинового.
Вот какие фокусы выделывает этот самый стехиометрический коэффициент. И куда же делись преимущества по теплотворности? Правда, не всё уж так совсем уныло. Дело в том, что максимальная скорость распространения турбулентного пламени в смеси «водород-воздух» достигается при α ≈ 0,7. Если считать, что скорость тепловыделения напрямую влияет на скорость совершения работы (мощность), то выигрыш при использовании водорода будет не 17 % (как при α ≈ 0,85), а более 40 %. Это, конечно, не в три раза, как «обещала» теплотворность, но вполне заслуживающая внимания величина. В этом вопросе (в смене рода топлива) есть проблема глобальная, общечеловеческая, на фоне которой задача двигателистов – увеличить мощность ДВС на 40% – сущие пустяки

. Дело в том, что современная углеводородная энергетика имеет под собой слабоватый фундамент: геофизики и геологи нам всё время твердят, что нефть и природный газ «вот-вот» кончатся. Специалисты-энергетики, защищая свои позиции, говорят, что можно перевести все моторы на синтетическое топливо, которое будем делать из угля. А угля на Земле – огромные запасы! Всё бы неплохо, но в современных нормах на выбросы вредных веществ из двигателей записаны нормы на выбросы СО2. А этот газ не является «отравляющим веществом», мы его выдыхаем. Более того, двуокись углерода – продукт полного сгорания, следовательно, чтобы выполнить нормы «Евро-5» или «Евро-6», то проще и лучше двигатель вообще не включать. В чём тут дело? Дело в том, что львиная доля энергии, потребляемой людьми, получается сжиганием углерода и углеводородов. Выбросы парникового газа СО2 стали уже недопустимыми. Не будем описывать возможность или невозможность глобального потепления и все катастрофические последствия этого явления. Сам факт нормирования выбросов СО2 говорит о том, что специалисты имеют на руках уже соответствующую информацию. И выход из этой ситуации, кардинальный выход, один – переход на водородную энергетику. Это – как то знаменитое движение меча Александра Македонского, разрубившего «гордиев узел». Сразу же решается масса проблем. Но, в таком решении, как всегда, больше вопросов, чем ответов. Первый из них: «Где взять водород?» Пока наиболее распространённая технология его получения в качестве сырья использует природный газ. А известный нам из школьного курса физики способ – «вода + электролиз», пока только в мечтах. Суть в том, что для получения водорода этим способом нужно затратить электроэнергии столько же, сколько потом выделится при его сгорании. Второй (он, конечно не последний, но на нём и остановимся): «Как быть с очень низкой плотностью водорода?» Этот вопрос порождает проблему габаритов и массы тары для запасания и хранения без потерь энергоносителя. Понятно, что запасать на борту транспортного средства водород придётся в сжатом (несколько сотен атмосфер) или даже в сжиженном виде (температура кипения жидкого водорода 20 К). Если сравнить современную тару для хранения бензина, сжатого и сжиженного водорода по такому показателю – количество джоулей, которое можно получить из вещества, запасённого в данной таре, в расчёте на 1 кг массы этой тары, то получатся следующие числа: - сжатый водород (давление – 16,0 МПа) – 1,73 МДж/ кг бака; - сжиженный водород – 12,98 МДж/ кг бака; - бензин – 172,8 МДж/ кг бака. Как видим, нефтепродукты пока вне всякой конкуренции.
Второй способ увеличения мощности, отмеченный выше, – выбор состава топливно-воздушной смеси. Предыдущий пример с водородом чётко показывает, что величину α следует выбирать в соответствии с характеристикой ДВС по составу топливно-воздушной смеси. Это всегда α < 1. Вот тут-то и возникают проблемы: при таком составе топливно-воздушной смеси неизбежен недожог, т.е. в выхлопных газах двигателя появятся в недопустимом количестве продукты неполного сгорания. Среди них, конечно, угарный газ – СО и ПАУ, часть из которых – канцерогены. Вывод понятен: либо «я проедусь так, что все – за кормой», либо – давайте думать и о здоровье всех.
Третьим способом мы выше обозначили увеличение рабочего объёма VН двигателя. Это научно называется «экстенсивный» метод решения поставленной задачи (в отличие от «интенсивного» – когда нужно увеличивать не количество, а качество). Сделать цилиндров в двигателе не 4, а 8 и тем самым увеличить мощность ДВС в два раза – можно. И большого ума тут не нужно. Здесь я, конечно, не прав, потому что скомпоновать и сбалансировать 8-цилиндровый ДВС, это задача совсем не та, что для 4- или даже 2-цилиндровых. Но с точки зрения теории ДВС, скажем, – «абстрактно», действительно, увеличение основных размеров двигателя, очевидно, ведёт к увеличению его мощности. Например, сравнить мощность двигателя с диаметром поршня 20 мм и мощность судового дизеля с диаметром поршня 1 м. Тут и думать, и рассуждать не приходится. Нужно отметить, что этот самый «экстенсивный» метод форсирования ДВС является едва ли не самым употребляемым в инженерной практике.
Четвёртый способ – наддув ДВС. Это – один из основных способов увеличения мощности. Далее рассмотрим этот способ более подробно. Пятый способ увеличения мощности ДВС - «увеличение его быстроходности», то есть увеличение частоты вращения его КВ (n). Заметим при этом, что увеличение (n) – способ не такой простой, как он кажется на первый взгляд. Действительно, в формуле
Nв=Нua∙l0∙Vh∙i∙pk∙ηv∙n30∙τ∙ηв
с увеличением «быстроходности» двигателя проблем не возникает: чем выше (n), тем выше и Nв. Но, к сожалению, всё не так уж просто. Дело в следующем: - при увеличении (n) увеличивается индикаторный КПД ДВС, поскольку сокращается время, в течение которого происходят теплообменные процессы. Это означает сокращение потерь внутренней энергии рабочего тела. Это плюс, так как при увеличении (n) изменяется коэффициент наполнения ηv цилиндров свежим зарядом. Наполнение цилиндра свежим зарядом зависит и от гидравлического сопротивления впускного канала ( Δра) (рисунок 1), которое растёт с увеличением скорости движения поршня и тем самым снижает наполнение, и от инерционной дозарядки цилиндра, которая возрастает с увеличением скорости движения поршня, то есть с ростом (n) .

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента наполнения от режима работы двигателя.
В результате получается то, что изображено на рисунке 1 - при увеличении (n) в «квадрате» растёт мощность механических потерь
Nм=А∙n2,
что приводит к снижению коэффициента механических потерь.
Следовательно, изменение эффективной мощности ДВС при увеличении его «быстроходности» нужно отслеживать не просто по пропорции Nв ~ n , а по зависимости Nв ~ n ∙ηv∙ηi∙ηм.
Мало этого, увеличение «быстроходности» ДВС приводит к увеличению динамических нагрузок на детали КШМ, к увеличению потерь на трение во всех движущихся парах, к увеличению теплонапряженности конструкции из-за увеличения количества тепла, выделяющегося в ЦПГ в единицу времени. И всё это следует учитывать при желании форсировать ДВС по «оборотам».
Увеличение мощности ДВС изменением его тактности ( τ = 2, или τ = 4) рассмотрим отдельно.
Увеличение мощности ДВС за счёт увеличения его КПД.
Исходя из соотношения Nв ~ n ∙ηv∙ηi∙ηм, из которого получается, что при преобразовании энергии, содержащейся в энергоносителе (топливе), в механическую энергию в виде крутящего момента на КВ двигателя мы теряем, теряем и теряем. Итак, потери при горении (при преобразовании химической энергии в тепловую) оцениваются величиной ηГ = 0,8….0,95. К сожалению, наихудший вариант – это дизель. Связано это всё со способом смесеобразования (внутри камеры сгорания в процессе впрыска топлива и его горения). Термический КПД ηt от нас вообще не зависит, поскольку этот КПД – есть следствие второго закона термодинамики. В наилучшем варианте он нам обещает чуть больше половины истраченной энергии (энергоносителя) потратить на пользу. Об организации рабочих процессов ( ηр.пр) можно сказать только, что они далеки от совершенства. Сжатие и расширение в ДВС протекают не адиабатически, с теплообменом. Подвод и отвод тепла выполняются так, что порождают ворох проблем и противоречий. Конструкторы только тем и занимаются, что пытаются найти компромиссные решения. В результате ещё примерно 10% потерь. Современный уровень ηр.пр = 0,88…0,92. Из всех составляющих, которые вошли в понятие «механические потери», только потери энергии в трущихся парах являются действительно потерями. Всё остальное – это затраты энергии на самообслуживание ДВС. Пути снижения всех этих затрат очевидны: совершенствовать систему смазки и смазочные материалы, снижать энергоёмкость вспомогательных механизмов, переходить во всех двигателях на качественный способ регулирования, поскольку в нём минимальна работа, затраченная на насосные ходы, и т.д. В общем, уровень коэффициента ηм составляет 0,7…0,9. Подводя итог и перемножая все коэффициенты, получаем, что в лучшем случае ηе = 0,29…0,55, а реально современные ДВС имеют эффективный КПД в диапазоне ηе = 0,20…0,42. Если ориентироваться на идеальный термодинамический цикл, то есть ещё о чём подумать