Что такое вихревой дизельный двигатель

Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы

Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы

Все больше появляется на дорогах автомобилей, у которых лишь характерное постукивание из-под капота выдает тип установленного мотора. В данной статье разберем устройство, принцип работы и конструктивные особенности дизельных двигателей.

Особенности дизельного двигателя, такие как экономичность, высокий крутящий момент во всем диапазоне оборотов и более дешевое топливо, делают его предпочтительным вариантом. Современные дизели последних поколений вплотную приблизились к бензиновым моторам по шумности и удельным характеристикам, сохраняя при этом преимущества в экономичности и надежности.

Конструктивные особенности дизельных двигателей

По конструкции дизельный двигатель не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки — ведь степень сжатия у него намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового двигателя). Именно этим объясняется большой вес и габариты дизельного двигателя в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 о С, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением (10-30 МПа) впрыскивается топливо, которое почти мгновенно самовоспламеняется.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре — отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Экологические характеристики такого двигателя тоже лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Стоит отметить, что это относится в большей степени к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Дизельные двигатели с непосредственным впрыском

Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания — их называю дизелями с непосредственным впрыском — топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне.

До недавнего времени непосредственный впрыск применялся в основном на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией.

В последние годы благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить его экономичность, снизить шум и вибрацию.

Дизельные двигатели с раздельной камерой сгорания

Наиболее распространенным на легковых автомобилях пока является другой тип дизельного мотора — с раздельной камерой сгорания. В них впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что значительно улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение в этом случае начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания.

При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Вихрекамерные двигатели составляют подавляющее большинство среди устанавливаемых на легковые автомобили и джипы (около 90 %).

Устройство топливной система дизельного двигателя

Важнейшей системой дизеля, определяющей надежность и эффективность его работы, является система топливоподачи. Основная ее функция — подача строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Высокое давление топлива и требования к точности делают топливную систему сложной и дорогой.

Главными элементами топливной системы дизеля являются: топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр.

ТНВД — топливный насос высокого давления.

ТНВД предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и управляющих действий водителя. По своей сути современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера.

Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД распределительного типа.

ТНВД распределительного типа. Насосы этого типа получили широкое распространение на легковых дизелях. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время эти насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Форсунки дизеля.

Другим важным элементом топливной системы является форсунка. Она вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем.

Форсунка на двигателе работает в очень тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Топливные фильтры дизеля.

Топливный фильтр, несмотря на его простоту, является важнейшим элементом дизельного мотора. Его параметры, такие, как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его функций является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы.

Иногда устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

Как происходит запуск дизельного двигателя?

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. Для этого в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900 о С, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа.

Погасание контрольной лампы свидетельствует о готовности к запуску. Электропитание со свечи снимается автоматически, но не сразу, а через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предпускового подогрева обеспечивают легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30 о С, разумеется, при условии соответствия сезону масла и дизтоплива.

Турбонаддув дизельного двигателя

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — ‘турбоямы’.

В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя и не превышает обычно 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла.

Подробнее про турбокомпрессор написано в статье: ‘что такое автомобильный турбокомпрессор?’.

Система Common-Rail для дизельного двигателя

Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями. Сначала поступает крохотная, всего около миллиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно.

В результате в дизелях с системой Common-Rail расход топлива двигателем сокращается примерно на 20%, а крутящий момент на малых оборотах коленвала возрастает на 25%. Также уменьшается содержание в выхлопе сажи и снижается шумность работы мотора.

Подробнее про систему Комон Рейл, принцип ее работы и устройство, описано в статье: ‘топливная система Common Rail — что это такое?’.

53. Что такое вихревое число и чему он равен при различных камерах сгорания?

Отношение частот вращения вихря газа и коленчатого вала называется вихревое число.

Значение вихревого числа для различных камерах сгорания.

Вихревые камеры – 25…30

Камера ЦНИДИ – 6…8

Тороидальная камера — 8

57 Чем индикаторные диаграммы процесса расширения дизелей отличаются от ДсИз?

Рисунок 2 Зависимость показателя политропы

расширения от угловой скорости вращения

коленчатого вала (а) и диаграмма процесса

расширения в дизелях (б)

При правильно выбранном опережении подачи (зажигания) с увеличением частоты вращения тепловод в систему охлаждения уменьшается и п₂ снижа­ется (рисунок 2, а).

Для ДсИЗ п₂=1,25. 1,35, дизелей 1,151,30. Значение его может быть определено по зависимостям В.А. Петрова:

— для карбюраторных ДВС; (7)

и — для дизелей. (8)

Если известно п₂, то состояние газа в конце расширения (в точке е) можно определить по аналогии с процессом сжатия (предполагая, что идет как бы сжатие от точки е до точки z – см. рисунок 2, б):

для карбюраторных двигателей получаем:

; ; (9)

для дизелей V_e/V_z= и ,(10)

— в дизелях р_е =200. 400 кПа и Т_е =1000. 1250 К

— в ДсИЗ р_е 350 кПа и Т_е=1200. 1500 К

58 Какими методами можно определить усредненный показатель политропы расширения?

В процессе расширения газы совершают работу. При этом происходят теплообмен между газами и стенками цилиндра, догорание топлива, не успевшего сгореть на ли­нии СZ_oZ, и утечки газа через зазоры поршневой группы.

Рисунок 2 Зависимость показателя политропы расширения от угловой скорости вращения коленчатого вала (а) и диаграмма процесса расширения в дизелях (б)

В связи с этим, линия расширения не является адиабатой.

Процесс расширения можно представить в виде кусочков политроп с разными показателями п₂.

Для упрощения процесс расширения (как и процесс сжатия) рассматривают в виде политропы с некоторым усредненным значением показателя п₂.

Среднее значение показателя политропы зависит от интенсивнос­ти теплоотвода через стенки, камеры сгорания притока тепла за счет догорания и утечек газов в картер двигателя. Вследствие этого оно зависит от:

— теплового состояния двигателя;

— степени износа поршневых колец;

— опережения подачи топлива (или зажигания) (через увеличение или уменьшение догорания и др.)

При правильно выбранном опережении подачи (зажигания) с увеличением частоты вращения тепловод

в систему охлаждения уменьшается и п₂ снижа­ется (рисунок 2, а).

Для ДсИЗ п₂=1,25. 1,35, дизелей 1,151,30. Значение его может быть определено по зависимостям В.А. Петрова:

— для карбюраторных ДВС; (7)

и — для дизелей. (8)

Если известно п₂, то состояние газа в конце расширения (в точке е) можно определить по аналогии с процессом сжатия (предполагая, что идет как бы сжатие от точки е до точки z – см. рисунок 2, б):

для карбюраторных двигателей получаем:

; ; (9)

для дизелей V_e/V_z= и ,(10)

— в дизелях р_е =200. 400 кПа и Т_е =1000. 1250 К

— в ДсИЗ р_е 350 кПа и Т_е=1200. 1500 К

Рабочие процессы дизелей

Образование рабочей смеси и распиливание топлива. В дизелях подача топлива и его распыливание в объеме камеры сжатия цилиндра осуществляются топливоподающей системой.

На смесеобразование и сгорание топлива в каждом цикле рабочего процесса дизеля отводятся тысячные доли секунды, в течение которых топливо, поступив в цилиндр, должно пройти стадию подготовки к воспламенению — капли топлива должны нагреться, испариться (топливо горит в парообразном состоянии), пары топлива должны перемещаться с воздухом и затем сгореть. Для полного сгорания необходимо равномерное распределение топлива в среде сжатого воздуха. Оно достигается распыливанием топлива при помощи форсунки в объеме камеры сгорания. Для быстрой подготовки к воспламенению капли топлива должны иметь минимальные размеры и быть однородными по величине. Дальнобойность струи капель должна быть связана с формой камеры сгорания. Капли распыленного топлива должны обладать такой кинетической энергией, при которой они не будут концентрироваться у форсунки, но и не будут попадать на стенки цилиндра и крышки, не испарившись.

Применяются несколько различных конструктивных способов образования рабочей смеси в дизелях.

Дизели с непосредственным (или струйным) распыливанием топлива.

Топливо впрыскивается форсункой 1 (рис. 4.2, а) непосредственно в камеру сжатия цилиндра под высоким давлением -от 20-30 МПа (в начале впрыска) и до 60-80 МПа. При выходе из отверстий форсунки струйки распыленного топлива расширяются. Средняя плотность их от одного поперечного сечения к другому меняется; в пределах каждого сечения в середине струи плотность больше, чем на ее периферии. В результате на внешней поверхности струи имеется избыток кислорода воздуха, тогда как в середине струи его не хватает для горения топлива.

Хорошее качество смесеобразования при непосредственном (струйном) вводе топлива достигается в основном соответствием формы камеры сгорания форме и распределению струй топлива. Достоинствами системы непосредственной подачи топлива в цилиндр надо считать малую величину поверхности охлаждения камеры сгорания и хорошие пусковые качества двигателя. К недостаткам струйной системы относятся: необходимость значительного избытка воздуха, ухудшение качества распыливания при снижении частоты вращения коленчатого вала и высокие давления впрыска, усложняющие работу топливной аппаратуры.

Дизели с вихревыми камерами. Хорошее смесеобразование при относительно низких давлениях распыливания обеспечивается в двигателях с вихревыми камерами. Вихревая камера 2 (рис. 4.2, б) — полость, расположенная в крышке цилиндра 3, соединяется с внутренним пространством цилиндра каналом и составляет часть объема камеры сжатия. Форсунка 1 установлена в вихревой камере. В процессе наполнения часть массы воздуха поступает через канал в камеру 2 и в конце сжатия завихривается в ней. Благодаря завихрению («вращению») воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо перемешивается с воздухом. Недостатками этого способа следует считать сложность устройства цилиндровой крышки и ее повышенный нагрев, а преимуществом — малое влияние на качество смесеобразования изменений нагрузки и частоты вращения вала двигателя.

Рис. 4.2. Схемы способов образования рабочей смеси в дизелях:

а — струйное (непосредственное) распыливанне топлива; б — с вихревой камерой; в — с предкамерой

Предкамерные дизели. Топливо распыливается форсункой 1 (рис. 4.2, в) при сравнительно небольшом давлении — 7-10 МПа — в предкамере 4, помещенной в крышке 3 цилиндра и отделенной от камеры сжатия отверстием небольшого диаметра.

В такте сжатия воздух из цилиндра перетекает в предкамеру 4 через ее отверстие. Топливо, впрыснутое форсункой 1 в предкамеру, воспламеняется, и часть его сгорает. Вследствие этого давление в предкамере резко возрастает и оказывается выше давления в остальном объеме цилиндра, поэтому продукты сгорания с большой скоростью выходят из предкамеры, увлекая с собой в цилиндр двигателя и несгоревшую часть топлива, где она догорает. Этим обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и его полное сгорание. Однако пуск такого двигателя в холодном состоянии оказывается затруднительным из-за того, что воздух, проходя через небольшое отверстие в предкамеру, успевает охладиться настолько, что топливо в нем не воспламеняется. Поэтому для пуска прибегают к искусственному зажиганию при помощи спиралей накаливания или других нагревательных устройств. Недостатком предка мерных дизелей надо считать также повышенный расход топлива из-за потерь тепла и снижения давления при проходе воздуха и газа через отверстия предкамеры.

Продувка двухтактных дизелей.

Без удаления продуктов сгорания из цилиндров и без заполнения их каждый раз новым зарядом воздуха невозможно обеспечить работу двигателя. В четырехтактном дизеле удаление продуктов сгорания и наполнение цилиндра воздухом осуществляются поршнем за два отдельных такта. В отличие от четырехтактного дизеля в двухтактном отсутствуют впуск и выпуск как самостоятельные такты, требующие одного оборота вала. Эти процессы осуществляются в небольшие периоды двух основных тактов сжатия и расширения. Поэтому в двухтактных дизелях продувку и наполнение цилиндра осуществляют подачей в цилиндр предварительно сжатого воздуха, который вытесняет продукты сгорания и заполняет объем цилиндра. Простейшая схема продувки (петлевая) представлена на рис. 4.3, а. Во впускной коллектор 4 нагнетателем непрерывно подается сжатый воздух. Коллектор сообщается с продувочными окнами 3 в стенках цилиндра. Более высокие выпускные окна 2 соединяют цилиндр с выпускной трубой 1. Когда под давлением продуктов сгорания поршень движется вниз, он сначала своим телом открывает выпускные окна, чем обеспечивает быстрое падение давления в цилиндре до давления продувки. После этого начинают открываться продувочные окна. Этим предотвращается появление встречного потока газов из цилиндра во впускной коллектор. При движении поршня вверх сначала поршень закрывает продувочные окна, а потом — и выпускные. За время открытия продувочных окон объем цилиндра заполняется воздухом. Пока выпускные окна не закрылись полностью, происходит продувка: часть воздуха выходит из цилиндра; затем с момента закрытия выпускных окон и до прихода поршня в в.м.т. происходит сжатие. Недостатком этой схемы является возможность «застоя» продуктов сгорания в «углах» цилиндра, у крышки.

Рис. 4.3. Способы продувки двухтактных дизелей:

а — петлевая; б-прямоточная двухпоршневая 68

Лучшая очистка цилиндра получается при прямоточной продувке, когда воздух и продукты сгорания движутся в одном направлении — прямым потоком. Прямоточная двухпоршневая продувка осуществляется в двигателях с противоположно движущимися поршнями (рис. 4.3,6). Здесь воздух, входя через продувочные окна 1, движется сплошным столбом по всему сечению цилиндра, вытесняя впереди себя продукты сгорания через выпускные окна 3. Нижний поршень открывает выпускные окна 3, а верхний — продувочные 1. Подбором высоты окон и взаимного расположения верхнего и нижнего кривошипов обеспечивается начало выпуска продуктов сгорания раньше начала продувки. Форсунки 2, размещенные в средней части цилиндра, подают топливо в камеру сгорания, которая образуется поршнями в период их сближения. При расхождении поршней нижний поршень открывает выпускные окна, через которые продукты сгорания выходят из цилиндра. Давление в цилиндре падает. К этому времени верхний поршень начинает открывать продувочные окна. Воздух под давлением поступает в цилиндр, выталкивая продукты сгорания. В дизелях типа Д100 нижний вал при вращении опережает верхний на 12°, поэтому между продувкой и сжатием в этих дизелях происходит дозарядка цилиндра, т. е. продолжается поступление воздуха в цилиндр после закрытия выпускных окон.

Прямоточную продувку имеет также двухтактный дизель с клапанно-щелевым газораспределением (см. рис. 4.1,6). При движении поршня вниз в конце хода расширения сначала открываются выпускные клапаны 6, через которые продукты сгорания выходят в выпускной коллектор. После того как часть газов выйдет из цилиндра, поршень открывает окна 11 и начинается продувка. Для лучшей очистки цилиндра от газов потоку воздуха придают вращательное движение за счет наклона продувочных окон к оси цилиндра.

Наддув дизелей. Так как работа, которую можно получить от дизеля при данных размерах его цилиндров, находится в прямой зависимости от количества сжигаемого топлива, а последнее зависит от массы воздуха в объеме цилиндра, то для повышения мощности дизеля применяют наддув, т. е. подачу в цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного.

Наддув позволяет при том же объеме цилиндра, а следовательно, при почти тех же габаритах и массе двигателя увеличить его мощность в 1,5-2,5 раза. Сжатие и подача в цилиндры наддувочного воздуха могут осуществляться либо приводными (от вала дизеля), либо газотурбинными нагнетателями. Устройство и работа нагнетателей рассмотрены в гл. 6. Дизели с газотурбинным наддувом представляют собой комбинированную теплосиловую установку. Рабочий цикл установки отличается продолженным расширением продуктов сгорания почти до атмосферного давления в газовой турбине. Возможны два случая осуществления продолженного расширения. В первом случае турбина на впуске работает в импульсном режиме при переменном давлении отработавших газов и при раздельном их выпуске из каждого цилиндра непосредственно в турбину. Во втором случае перед турбиной поддерживается постоянное давление, что достигается наличием общего выпускного коллектора у дизеля.

Идеальные циклы комбинированных силовых установок приведены на рис. 4.4. Цикл при раздельном выпуске 1-2-3-4-5-6-7- 8 состоит из следующих процессов: 1-2 — адиабатическое сжатие в наддувочном агрегате, 2-3 — сжатие в цилиндре дизеля, 3-4-5 — смешанный подвод тепла, 5-6 — адиабатическое расширение в цилиндре дизеля, 6-7-8 — продолженное расширение и 8-1 — отвод тепла при постоянном давлении, заменяющий собой процесс истечения отработавших газов в атмосферу.

Цикл с постоянным давлением перед турбиной 1-2-3-4-5-6-2- 7-8 отличается тем, что после расширения в цилиндре происходит отвод тепла 6-2 при постоянном объеме, заменяющий собой процесс выпуска из цилиндра, а затем подвод того же количества тепла в турбине при постоянном давлении 2-7.

Круговые диаграммы газораспределения. В действительных рабочих процессах дизелей в отличие от идеальных моменты открытия и закрытия клапанов и подачи топлива не совпадают по времени с положениями поршня в мертвых точках, а отклоняются от них. Реальные фазы газораспределения наглядно представляются круговыми диаграммами (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Идеальные циклы комбинированных двигателей с продолженным расширением

В четырехтактных дизелях (см. рис. 4.5, а), чтобы обеспечить лучшее наполнение цилиндра свежим воздухом и осуществить продувку цилиндра, впускной клапан начинает открываться заблаговременно- еще тогда, когда кривошип вала на угол А не дошел до своего верхнего вертикального положения. Это опережение открытия впускного клапана (точка 1) обеспечивает его полное открытие к в.м.т.

Запаздывание закрытия впускного клапана (угол В и точка 2) предусматривают для того, чтобы в конце хода наполнения клапан был бы еще достаточно открыт и обеспечивал проход воздуха в цилиндр по инерции и тогда, когда поршень начнет двигаться вверх (дозарядка).

Опережение открытия выпускного клапана (угол С и точка 5) уменьшает работу на выталкивание отработавших газов поршнем. Период очистки рабочего цилиндра разделяется на выпуск газов при открывшемся выпускном клапане за счет их избыточного давления и выталкивание газов поршнем при его движении от н.м.т. к в.м.т. Опережение открытия выпускного клапана делается таким,чтобы выпуск закончился до прихода поршня в н.м.т. и выталкивание протекало с меньшим противодавлением газов на поршень.

Запаздывание закрытия выпускного клапана (угол О и точка 6) обеспечивает более полную очистку цилиндра от остаточных газов. Так как впускной клапан открывается с опережением (точка 1), а выпускной закрывается с запаздыванием (точка б), то во время поворота кривошипа на дуге 1-6 оба клапана открыты одновременно, что обеспечивает продувку цилиндра и очистку его от газов.

Так как необходимо некоторое время для подготовки топлива к самовоспламенению, то его подача начинается не в начале рабочего хода, а в конце сжатия за угол К (точка 3) до прихода кривошипа в в.м.т. Этот угол называется углом предварения (опережения) подачи топлива. Подача топлива заканчивается в точке 4.

Рис. 4.5. Круговые диаграммы газораспределения:

а — четырехтактного дизеля; б — двухтактного дизеля с противоположно движущимися поршнями

Двухтактные дизели с противоположно движущимися поршнями. Отсчет углов на диаграмме газораспределения дизеля типа Д100 (рис. 4.5, б) ведется по положению кривошипа нижнего поршня от внутренней мертвой точки (в.м.т.). При движении поршня вниз выпускные окна начинают открываться (точка 5), когда кривошип не дошел на определенный угол — 56° — до наружной мертвой точки (н.м.т.). С этого момента в течение времени поворота кривошипа на 16° происходит свободный выпуск газов из цилиндра.

За 40° до н.м.т. (нижнего поршня) верхний поршень открывает продувочные окна (точка 6) и на протяжении 96° поворота кривошипа осуществляется продувка цилиндра. Продувка прекратится после поворота на 56° за н.м.т. (точка 1) при закрытии выпускных окон. Продувочные окна после этого еще открыты: происходит дозарядка цилиндра в течение поворота кривошипа на 8°. С этого момента (точка 2) начинается сжатие. Топливо подается в цилиндр также с некоторым опережением (точка 3).

Чудо-миксер, или новое пришествие вечного двигателя

Е.Б.Александров, академик РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Выполняя поручение академика Э.П.Круглякова, я в декабре 2008 г. принимал участие в подготовке телевизионной передачи, посвященной так называемым вихревым теплогенераторам. Выбор председателя Комиссии по лженауке пал на меня, видимо, потому что у меня уже был некоторый опыт обращения к этой теме [1]. Режиссер передачи планировал отснять интервью с руководством группы компаний «Тепло XXI века», совместив с демонстрацией действия «вихревого теплогенератора», который его создатели более торжественно называют «гидродинамическим тепловым насосом». Установка использовалась для нагрева воды в системе водяного отопления офисного здания в центре Москвы. Пояснения по ее устройству и функционированию давал председатель совета директоров группы «Тепло XXI века» К.В.Урпин, сообщивший для начала, что их фирма устанавливает свое оборудование по всей России, в странах СНГ а также в Южной Корее и в Японии.

«Вихревые теплогенераторы» представляют собой устройства, преобразующие электроэнергию в тепло не путем прямого (резистивного) нагрева, а окольно: сначала электроэнергия преобразуется в механическую энергию вращения электродвигателя, нагруженного на «активатор», представляющего собой систему вращающихся и неподвижных дисков с отверстиями. При заполнении «активатора» водой, последняя нагревается. Затея выглядит достаточно странно: вместо того, чтобы просто нагревать воду банальным кипятильником, громоздится дорогая и тяжелая электромеханическая конструкция, подверженная износу, нуждающаяся в обслуживании и очень шумная. Однако все эти недостатки будто бы с лихвой искупаются одним чудесным свойством системы: она якобы производит больше тепловой энергии, чем затрачивает электрической! Выигрыш характеризуется отношением полученной энергии к затраченной, которое лежит обычно в пределах 1,3^2. Говоря без обиняков, воплощена древняя мечта человечества о «вечном двигателе» первого рода.

В своем рассказе К.В. Урпин не стал вдаваться в объяснения истоков лишней энергии, сказав лишь, что высказывается много различных гипотез — от «холодного» термоядерного синтеза в кавитационных пузырьках до таинственных торсионных полей. Сам он не верит в «термояд», поскольку из генераторов, «слава Богу, не зафиксировано выхода нейтронов». Скорее он склонен думать, что дополнительная энергия связана с разрывом связей между молекулами воды, но это дело науки, а он практик. Далее Урпин познакомил слушателей с большим набором отзывов от потребителей — все исключительно похвальные, многие содержат результаты измерений эффективности теплогенераторов, которая никогда не бывает меньше 130%. А иногда превышает 200% (доходит и до 450%!). «Японцы, например, используя наш агрегат ТС1-055, намерили 195% и отметили удивительный результат — при переносе установки на полметра ее эффективность возросла до 218%» (и впрямь, удивительный результат!). Далее говорилось, что для эффективной работы установки нужна хорошая теплоизоляция помещения (!). Если все сделано хорошо, то 1 кВт электрической мощности достаточен для обогрева помещения площадью 200 м 2 , в то время как обычный тепловой электрический нагреватель (ТЭН) тратит 1 кВт на 10 м 2 . «Так это значит, что КПД установки не 130%, а 2000%!» — вставил я. «Ну, выходит, так!» — согласился докладчик.

Я спросил Урпина, знает ли он об интернетных публикациях его конкурента — «академика из Молдовы» Ю.С. Потапова, который строит аналогичные агрегаты в Северодвинске. Потапов уже шесть лет назад публиковал в интернете сведения о реализации «замкнутой» системы, т.е. об идеальном вечном двигателе: из генерируемого тепла производится электроэнергия, которая опять используется для получения тепла (избыточного), так что агрегат, производя тепловую и электрическую энергию из ничего (по-научному, из «физического вакуума!»), не нуждается в электросети. Потапов шикарно называл эти волшебные устройства «квантовыми теплоэлектростанциями». Урпин отвечал уклончиво: да, он знает Потапова и сам его представлял в Северодвинске. Слыхал и о замкнутой системе и однажды ездил с Потаповым на ее демонстрацию, но она почему-то не состоялась. Однако, настаивал Урпин, Потапов ему не конкурент, у компании «Тепло XXI века» вообще конкурентов нет.

Я спросил об обороте фирмы. Ответ был — «коммерческая тайна». Но по ходу дела говорилось, что установлено уже не менее 500 генераторов различной мощности. Самый дешевый — с мощностью мотора 50 кВт — стоит 399 тыс. руб. Более мощные дороже.

После демонстрации установки и подробного рассказа Урпина по сценарию телепередачи предполагался наш с ним диспут. Выступая в роли оппонента, я начал с того, что сама идея отапливать помещение электричеством в основе порочна, т.к. в нашей стране КПД тепловых электростанций не превышает 40%. Полученное из тепла очень дорогое электричество снова перегонять в тепло достаточно нелепо. Но, в некоторых случаях, признал я, это тактически оправдано — когда топлива под рукой нет или оно дорогое, а есть много дешевой электроэнергии. При этом, с моей точки зрения, сначала превращать электричество в механическую работу, а потом ее перегонять в тепло уже совсем странно. Наши предки почти две сотни лет назад измерили тепловой эквивалент работы, и он с тех пор не изменился, как никто не отменял и закон сохранения энергии. Сколько я знаю, все разговоры о появлении избыточного тепла в лучшем случае базируются на плохих измерениях. А когда делались аккуратные измерения, то всегда оказывалось, что тепла выделяется немного меньше, чем затрачено электроэнергии (видимо, предположил я, часть энергии улетает через окна в виде шума, которого очень много).

Это был мой монолог Последовал довольно вялый спор — Урпин говорил, что «мы все хорошо измеряем, у нас есть сертификаты, благодарные отзывы» и т.д. Я в ответ предложил ему получить сертификат от РАН — тогда компании откроется дорога в систему ЖКХ, которая сегодня не берет «вихревые генераторы», требуя объяснения, откуда появляется избыточная энергия. Да, согласился Урпин, они с удовольствием пригласят комиссию РАН. Я не к месту сказал, что если подтвердится избыточная энергия, то им обеспечена нобелевская премия — 1 млн долл США. Нет, ответил Урпин, нам это не надо. «Почему?» — «Да деньги маленькие, мы сами много больше заработаем». После этого я сказал, что при столь большой эффективности естественно все же сделать замкнутую систему, отказаться от внешней электрической сети, и тогда вообще отпадет потребность в газе и нефти. Но эта мысль совершенно не порадовала представителей «Тепла XXI века» — нет, они не претендуют на вытеснение своей установкой нефтегазовой промышленности!

Режиссер съемки обратился к инженеру по эксплуатации демонстрируемой установки и спросил, какой, по его измерениям, у нее КПД. Тот угрюмо ответил, что у него таких данных нет, он измерениями не занимается. На обратном пути оператор съемки между делом рассказал, что он разговаривал с одним покупателем «вихревого генератора» где-то в глубинке и спросил, действительно ли он экономит энергию. Тот ответил, что для него не стоял вопрос, какую систему обогрева ставить — губернатор велел покупать «вихревой генератор» и баста. А до того, во время «диспута», я получил от Урпина вопрос, как объяснить тот факт, что потребители шлют благодарные отзывы и пишут об экономии энергии, если, как я полагаю, экономии нет. Я ответил, что снабженец, который купил такое устройство, никогда не признается, что свалял дурака — его с работы уволят!

Несмотря на наши полярные взгляды на «вихревые генераторы», мы с К.В.Урпиным расстались мирно и договорились о продолжении диалога. Диалог свелся к обмену письмами, которых за два месяца набралось более двух десятков.

Осваивая полученное новое знание, я обратился к благодарным отзывам потребителей продукции «Тепла XXI века» на сайте www.ecoteplo.ru. Их изучение показало, что лишь в одном отзыве содержались сведения об измерениях эффективности теплогенератора, допускавшие хоть какой-то анализ. А именно, белорусский «Волковысский завод кровельных и строительно-отделочных машин» прислал официальный «Протокол испытаний работоспособности тепловой установки (вихревого теплогенератора ТС-1) и определение коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую». Протокол содержал приложение с довольно подробным описанием измерительных процедур и таблицами полученных результатов. Тем не менее, анализ этих данных оказался делом непростым, поскольку в них встречались противоречия и пробелы (в этом анализе мне помогал мой давний коллега Ю.Н.Толпаров — прим. авт.).

Испытания были разделены на два этапа. В первом участвовала только вода в расширительном баке, которая принудительно прогонялась через «активатор» дополнительным циркуляционным насосом. Измерялась ее начальная и конечная температура и количество потраченной электроэнергии. За 28 минут произошел нагрев 400 л воды от 10 до 84 О С. Замерен расход электроэнергии — 36 кВтч. Эти данные позволяют вычислить коэффициент преобразования, который оказывается равным 0,96.

Далее цитирую свой отзыв, высланный авторам протокола: «При этом не учитывались потери тепла на нагрев воздуха в помещении. Одна

ко эти потери по оценке, использующей схему и данные составителей протокола, составляют менее 400 ккал, т.е. чуть более 1% от полного количества тепла, переданного воде.

Не учтена и теплоемкость оборудования, но и она также заведомо пренебрежима по сравнению с теплоемкостью 400 л воды. Следует заметить, что, с другой стороны, не учтена электрическая мощность циркуляционного насоса, которая также целиком переходила в нагрев воды (учет этой мощности, не указанной в отчете, должен был привести к снижению коэффициента преобразования. — Прим. авт.). Поэтому в целом полученный результат представляется верным в пределах точности порядка нескольких процентов. Этот результат (K 100% независимую экспертизу не проходили, хотя по документам изобретателей

они имеют КПД 200%, а то и больше. При строгой метрологии часто оказывается, что такие установки имеют в действительности КПД

Е.Б.Александров, Чудо-миксер, или новое пришествие вечного двигателя

Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №11 (123), 2010 г. , www.ntsn.ru/11_2010.html

• Коментарии
• Оставить комментарий
• Тематические метки (теги)

Коментарии

изобретатель, ИННОТЭК [ 14:11:15 / 05.11.2018]

Уважаемый академик Е.Б. Александров, я — инженер, получивший высшее образование в МВТУ им. Баумана. То
есть, я совсем не учёный, а практик. Именно поэтому я хочу возразить Вам, именно с практической (инженерной) точки зрения.
Вы, наверняка, знаете, что кинетическая энергия струи жидкости, вылетающей из коноидального сопла, составляет 97 — 98 % от потенциальной энергии напора водяного столба (коноидальное сопло — это идеальное сужающееся сопло). Если эту струю затормозить, то вся кинетическая энергия, согласно ЗСЭ (закону сохранения энергии) преобразуется в тепло.
Стало быть, КПД такого необычного преобразования энергии струи в рассеянное тепло составляет 97 — 98 %. Это уже — неплохо, поскольку такого рода генерация тепла не требует использования ТЭНов, с ограниченным сроком функционирования.
Разумеется, в данном примере речь не идёт о сверхединичном преобразовании энергии.
Для сверхедиичного преобразования необходимо почти-что чудо — скорость истечения струи жидкости из сопла должна заметно превышать скорость истечения из коноидального сопла.
В академической теории такое чудо принципиально невозможно, поскольку оно противоречит ЗСИ (Главной Священной Корове Физики).
Но в инженерной практике чудеса иногда случаются.
Если вместо коноидального сопла, использовать сопло Вентури, то скорость струи жидкости в горле этого сопла может в два и даже в два с половиной раза превышать ту скорость, которая определяется ЗСЭ (формула Торричелли).
Чтобы в этом убедиться, достаточно ознакомиться с результатами натурных испытаний, опубликованных в Справочнике Машиностроителя ещё советского периода издания.
Повышенная скорость струи жидкости однозначно указывает на её повышенную кинетическую энергию, которая при последующем торможении струи, неизбежно превратиться в тепло.
С учётом того, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, мы имеем возможность получить шестикратное превышение рассеянного (при торможении струи) тепла над располагаемой энергией напора жидкости.

Самое поразительное в этой правдивой истории то, что ЗСЭ здесь не нарушается. Избыточное тепло образуется благодаря энергии воздушной атмосферы, сжатой земным тяготением.

Таким образом, гидравлические механизмы, способные преобразовывать кинетическую энергию струи жидкости в тепло со сверхединичным эффектом, никакое не чудо, а простая инженерная реальность.
Ели использовать насосы с КПД около 80 %, то тогда преобразование механической энергии привода насоса в тепло может достигать 500 %.
Это значит, что на каждый джоуль вложенной механической энергии можно получить 5 джоулей тепловой энергии, из которых четыре джоуля будут безвозмездным подарком от атмосферы Земли.

Уважаемый Евгений Борисович, вполне возможно, и даже почти наверняка, сторонники вихревой технологии генерации тепла не в курсе чудесного истечения жидкости из сопла Вентури. И их роторные «мешалки» с кавитационными эффектами — не лучшее воплощение идеи использования «дармовой» энергии атмосферы. Но это не значит, что сверхединичное преобразование механической энергии в тепло невозможно.
Оно вполне себе возможно с пятикратным повышающим коэффициентом за счёт умелого привлечения внешней (рассеянной) энергии окружающего пространства.
Мне кажется, что справедливо защищая ЗСЭ, Вы впадаете в крайность, отрицая возможность беззатратного заимствования энергии внешней среды. И тем самым Вы воздвигаете баррикады на пути технического прогресса.