Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия
(Доклад на Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана)
Москва 20 сентября 2007 г.
Уважаемые коллеги!
Хочу выразить глубокую признательность организаторам конференции за предоставленную мне возможность выступить перед такой авторитетной аудиторией и поздравить коллектив кафедры «Поршневых двигателей» МГТУ им Э.М. Баумана со 100-летним юбилеем, пожелать ему творческих успехов на благо нашей Родины.
Я впервые удостоен чести выступать перед аудиторией, которая составляет цвет и гордость российской и мировой науки в области двигателей внутреннего сгорания.
Учитывая, что у меня вообще нет опыта публичных выступлений, прошу вас быть снисходительными, если в моем выступлении прозвучат тезисы, которые могут показаться категоричными или радикальными.
Тема моего сообщения «Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия» сама по себе может вызвать недоумение. Какая еще может быть сверхвысокая степень сжатия, если общеизвестно, что эффективный бензиновый двигатель внутреннего сгорания со степенью сжатия более 14 построить невозможно.
И тем не менее, как бы странно это не звучало, начну с главного вывода своих многолетних экспериментов и поисков:
Верхний предел степени сжатия ДВС ограничивается не детонацией или недопустимой жесткостью, а технологическими возможностями. В подтверждение этого могу сказать, что перед зданием, в котором проходит наша конференция, стоит автомашина ВАЗ-2110. На ней установлен бензиновый двигатель со степенью сжатия 22, давлением сжатия 38-40 кг/см2. Двигатель запускается и работает так, что со стороны невозможно отличить его от двигателя с известными вам степенями сжатия. И в то же время мой двигатель имеет значительно лучшие эффективные показатели, чем двигатель со степенью сжатия 10.
Теперь перейду к изложению того, как и в сопровождении каких обстоятельств я смог прийти к таким выводам.
Первые 80 лет (с 1824 года) своего возникновения и развития теория теплового, а затем двигателя внутреннего сгорания базировалась на положениях о том, что правильно устроенный и правильно работающий двигатель должен иметь КПД в районе 70-80%. Так считали Карно, Отто и Дизель.
В работе «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» Р.Дизель дал описание устройства и принципа работы ДВС построенного по «циклу Карно». Первоначально Дизель исходил из того, что на такте адиабатного сжатия воздух сжимается до давления 90 кг/см2 и температуры 900о С, затем на такте изотермного расширения подводится теплота и при указанной температуре должно произойти изотермное, затем адиабатное расширение. При этих условиях термический КПД ДВС должен был составить 73%.
Однако построенный двигатель показал, что он допустил ошибки в расчетах. Затраты энергии на сжатие воздуха были столь велики, что превышали мощность двигателя. Поэтому пришлось снизить давление сжатия до 35 кг/см2. Первый двигатель Дизеля при попытке впрыснуть бензин взорвался. Тем не менее, эксперимент был признан удачным и ему предоставили условия для построения второго двигателя. Топливом для второго двигателя использовали светильный керосин. Двигатель был построен, продемонстрирован и показал результаты, которые на тот момент считались фантастическими.
С наших позиций Р.Дизель при разработке идеи и конструкции своего двигателя допустил ошибки частного характера, но сама идея была правильной. К тому же создать «идеальный» двигатель в то время было невозможно по объективным причинам, поскольку: а) отсутствовали достаточные знания о характере термодинамических процессов, происходящих в ДВС. б) не было соответствующей технической базы для построения такого двигателя.
В течение последующих 70 лет эти недостатки в теории и практике двигателестроения постепенно устранялись. Совершенствовалась техническая база двигателестроения, использовались все более совершенные материалы и технологии, улучшались детали, узлы, механизмы ДВС, были внедрены компьютерные программы управления работой ДВС. Все это в совокупности позволило довести механическую составляющую ДВС до практического совершенства.
Все известные автомобильные концерны и институты, специализирующиеся на проблемах ДВС, проводили работы с целью выявления зависимости между степенью сжатия ДВС и эффективностью его работы и исследования характера рабочих процессов, протекающих в ДВС. Предпринимались и многочисленные попытки повысить степень сжатия ДВС. Но эти работы имели отрицательный результат. Опираясь на этот отрицательный результат, теория ДВС приняла, как аксиомы, утверждения о том, что степень сжатия бензинового двигателя не может быть выше 14. Что наиболее эффективными могут быть дизельные ДВС со степенями сжатия менее 25, а при степени сжатия 40 эффективность дизельного двигателя становится равным нулю. Специалисты и теоретики настолько утвердились в правильности этих положений, что на данном этапе малейшие попытки усомниться в них, вызывает резко отрицательную реакцию.
Тем не менее, к 80-м годам 20-го столетия были созданы все технические и технологические предпосылки для создания новых видов ДВС с высокими и сверхвысокими степенями сжатия, которые работали бы на основе принципов, заложенных в теорию первоначально.
Парадокс ситуации заключается в том, что приведенные выше положения по поводу предельных степеней сжатия ДВС, не имеют под собой теоретической аргументации в виде формул и расчетов. Они возникли и существуют на основе отрицательной практики. Кто не согласен с этим, пусть представит формулу, из которой следовало бы, что степень сжатия бензинового или дизельного двигателей может быть ограничена конкретным числом.
Если какие-то положения теории являются правильными (т.е. соответствующими законам термодинамики), то построить работающий двигатель вопреки этим положениям не возможно. Но если такой двигатель построен и работает, значит, положения теории не соответствуют действительности и, следовательно, их надо менять.
Ознакомление с положениями современной теории ДВС приводит к следующим выводам:
1. Аргументировано излагаются законы термодинамики, теплотехники и позиции основоположников теории.
2. Абстрактно излагаются принципы работы современного ДВС. Вопросы зависимости характера рабочих процессов, протекающих в ДВС, от степени сжатия, взаимосвязи между КПД двигателя и степенью сжатия освещаются столь туманно, что никто, никогда не поймет, что надо сделать для того, чтобы существенно повысить КПД ДВС.
3. Абстрактность и отвлеченность освещения проблемы столь далеки от реальных процессов, которые в ДВС происходят, что современная теория ДВС оказалась не в состоянии правильно оценить сложившиеся в последние годы в практике двигателестроения тенденции и дать правильное решение вопроса. По этой причине индикаторный КПД ДВС со времен Р. Дизеля, практически, не изменился.
В 90-е годы мы несколько лет пытались усовершенствовать механическую составляющую двигателя. Было получено около 40 патентов на изобретения по системе питания, газораспределительному и кривошипно-шатунному механизмам. Но однажды пришлось задуматься. Если механический КПД лучших двигателей доходит до 85%, что там еще можно совершенствовать? Поэтому было решено отказаться от продолжения этой работы.
Теоретически существенное увеличение термического КПД ДВС возможно только путем увеличения степени сжатия. В то же время практика мирового двигателестроения свидетельствовала, что значительно увеличить степень сжатия бензинового и дизельного двигателей не удастся.
Вместе с тем оценка работы существующих ДВС показывала, что проблема имеет свое решение. С наших позиций наиболее убедительными свидетельствами возможности создания двигателя со сверхвысокой степенью сжатия являются комбинированный двигатель с высокой степенью наддува и двигатель с регулируемой степенью сжатия.
Поршневая часть двигателей, используемых в гонках Формулы 1, обычно имеет степень сжатия 11,5. Давление наддува в них принудительно, путем стравливания воздуха через установленный на впускном трубопроводе перепускной клапан, ограничивается величиной в 2,7 кг/см2. Суммарная степень сжатия двигателя составляет έ =31. При такой степени сжатия при работе на внешней скоростной характеристике давление конца сжатия должно составлять около 122 кг/см2.
Возникал вопрос: почему двигатель работает без детонации?
Анализ работы бензинового и дизельного комбинированных двигателей с наддувом привел нас к таким выводам:
1. Двигатель Формулы 1 на внешней скоростной характеристике работает точно также, как работал бы его атмосферный аналог на внешней скоростной характеристике с увеличиваемой по мере увеличения оборотов степенью сжатия от 6 до 31 (при 1000 об/мин. ε=6, при 18 000 об/мин. ε =31).
2. Существует нелинейная зависимость между частотой вращения коленчатого вала, степенью сжатия двигателя и степенью дросселирования. Согласно этой зависимости, чем меньше наполнение цилиндра, тем больше может быть степень сжатия двигателя. Чем больше обороты, тем больше может быть степень наполнения цилиндра.
3. В большинстве случаев суммарная степень сжатия комбинированных бензиновых и дизельных двигателей с многоступенчатым наддувом, как произведение степеней сжатия поршневой и лопаточной частей, превышает величину 30. Это позволяло сделать вывод о том, что можно построить атмосферный двигатель со сверхвысокой степенью сжатия.
4. В комбинированных бензиновых двигателях детонация не происходит, потому что детонация не успевает произойти. В них на всех частотах вращения время завершения конца сжатия и начала расширения меньше, чем время задержки самовоспламенения.
Теория дает такое определение детонации: пристеночное сгорание части смеси в результате самовоспламенения из-за местного повышения давления и температуры.
Указаны и три основных способа борьбы с детонацией: это либо увеличение частоты вращения, либо уменьшение наполнения цилиндра путем уменьшения угла открытия дроссельной заслонки, либо уменьшение угла зажигания.
Другие способы борьбы с детонацией: применение высокооктановых топлив, организация повышенной турбулизации заряда в цилиндре, оптимизация формы камеры сгорания, работа двигателей на обедненных и сверхобедненных смесях, переход на впрыск бензина в цилиндры двигателя, впрыскивание воды во впускную систему, организация гибридных рабочих процессов, регулирование степени сжатия нами не использовались и поэтому в настоящей статье не рассматриваются.
Комментарий:
Все три приведенных способа с позиций действительной степени сжатия имеют целью получить один и тот же результат. Увеличение частоты вращения при сохранении угла открытия дросселя приводит к уменьшению наполнения цилиндра. Уменьшение угла открытия дросселя при сохранении частоты вращения тоже приводит к уменьшению наполнения цилиндра. Уменьшение угла опережения зажигания способствует уменьшению количества смеси, сжигаемой на такте сжатия и соответственно уменьшению давления и температуры конца сжатия.
То есть, все предлагаемые теорией методы борьбы с детонацией имеют целью снизить давление Рс и температуру Тс конца сжатия для ухода от детонации.
Детонационные давления и температуры фактически возникают в любом современном атмосферном бензиновом двигателе. О двигателях с наддувом и говорить не приходится. Но детонационное сгорание произойдет только в том случае, если критические температура и давление сохранятсяв продолжение некоторого отрезка времени.
То есть, детонация есть явление, вызываемое взаимодействием трех факторов: давления, температуры и времени.
Это означает, что каждому значению величины давления конца сжатия Рс с его температурой конца сжатия Тс в каждом рабочем цикле двигателя соответствует своя продолжительность времени задержки самовоспламенения. Зависимость между величинами Рс - Тс и периодом задержки самовоспламенения обратная, непропорциональная и нелинейная. Но в целом эту зависимость можно охарактеризовать так: чем выше значения величин давления и температуры конца сжатия Рс и Тс, тем меньше время задержки самовоспламенения. И наоборот. Чем меньше значение величин Рс и Тс, тем больше время задержки самовоспламенения. Главным условием при переносе этой зависимости на работу двигателя должно быть, чтобы конец сжатия и начало расширения каждого рабочего цикла завершились бы раньше времени задержки самовоспламенения.
Из этого вывода следовал еще один вывод: если каждый рабочий цикл ДВС построить таким образом, что время задержки самовоспламения в нем будет больше времени завершения конца сжатия и начала расширения, детонации не будет совсем.
Для того, чтобы построить двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, надо было выполнить следующие несколько условий.
1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя должно достигаться максимальное (преддетонационное) для рабочего цикла давление Рс=Р1.
В действительном цикле двигателя, состоящем из множества рабочих циклов, значение величины Рс=Р1 для каждого отдельно взятого рабочего цикла будет своим, отличающимся от остальных рабочих циклов.
2. Не должно быть тепловыделения на сжатии. Потому что возникновение очага и распространение фронта пламени на такте сжатия дополнительно формирует благоприятные условия для возникновения детонации.
В двигателе со сверхвысокой степенью сжатия тепловыделение должно начинаться в ВМТ. Поэтому угол зажигания для данного рабочего цикла при заданной величине наполнения цилиндра превращается в константу. Подобранный для конкретных условий (октановое число, степень наполнения и пр.) угол зажигания ни увеличивать, ни уменьшать нельзя.
3. Конец сжатия, начало расширения должны завершиться раньше времени задержки самовоспламенения.
Величины давления Р1 и температуры горючей смеси Тс зависят от двух факторов: 1. количества горючей смеси, исчисляемой при давлении равном давлению окружающей среды; 2. кратности сжатия этого количества горючей смеси.
Эти параметры являются взаимозависимыми и регулируемыми. Регулировать величину Р1-Рс и температуру рабочего тела Тс можно, регулируя количество горючей смеси, участвующей в цикле, путем ограничения наполнения цилиндра.
4. На такте расширения в период распространения зоны реакции-фронта пламени величина Р1 не должна увеличиваться, иначе детонация возникнет на этом этапе. Эта величина не должна и уменьшаться, иначе двигатель потеряет эффективность. То есть, процессы увеличения объема рабочего тела вследствие нагревания и объема камеры сгорания в зоне малого изменения объема камеры сгорания должны быть синхронизированы так, чтобы давление в камере сгорания не изменялось до завершения процесса распространения фронта пламени. При этом: виртуальное представление о характере протекания процессов завершения сжатия и начала расширения показывало, что при ограничении наполнения проблем с синхронизацией не возникнет. Но было не ясно, как эти процессы будут происходить при полном наполнении цилиндра, то есть, на внешней характеристике.
5. Когда фронт пламени дойдет до стенок цилиндра и начнется наиболее активная фаза сгорания, давление Р1 должно увеличиться до величины Рz, которая также будет переменной величиной для разных рабочих циклов.
В связи с отрицательной реакцией теоретиков на наши идеи возникали вопросы: нужен ли двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, даст ли он эффект? Если да, до каких величин можно увеличить степень сжатия, в частности, бензинового двигателя?
С одной стороны при расчетах термического КПД выходило, что степень сжатия можно увеличивать до любых величин. С другой стороны индикаторный и эффективный КПД ДВС зависят от тепловых и механических потерь. Чем выше степень сжатия двигателя, тем выше эти потери. Не зря практикой эксплуатации дизельных и бензиновых двигателей признано нецелесообразным повышать степень сжатия вследствие неэффективности ее повышения выше определенной величины, называемой «наивыгоднейшей степенью сжатия». Вместе с тем проецирование этого вопроса на работу двигателя с переменной (или регулируемой) степенью сжатия и на работу двигателя с высокой степенью наддува позволял предположить следующее:
1. В ДВС с переменной степенью сжатия в зависимости от степени дросселирования специальными устройствами изменяется объем камеры сгорания. При уменьшении наполнения цилиндра, степень сжатия увеличивается, а при увеличении наполнения, степень сжатия уменьшается.
Если взять двигатель с регулируемой степенью сжатия, в котором степень сжатия изменяется пропорционально степени дросселирования, допустим от 10 до 20, то окажется, что интервале наполнения цилиндра от 39% до 100%, процесс сжатия в нем завершается при практически одинаковых значениях величин Рс и Тс.
2. В серийном двигателе Ауди 1,8 ТТ со степенью сжатия 9 при частоте вращения выше 1700 об/мин достигается давление наддува 1.6 кг/см2, суммарная степень сжатия равна έ =14. Расчетное давление конца сжатия при этом составляет 40 кг/см2. В атмосферном двигателе при Ра= 1 кг/см2 такое давление конца сжатия может быть получено при степени сжатия 14.
То есть, в первом случае мы имеем двигатель, который работает при высокой степени сжатия на частичной характеристике, а во втором случае- двигатель, с высокой степенью сжатия, который работает на внешней характеристике.
Помимо этого, анализировалась и работа дизельного двигателя. По принципиальной схеме (преобразование энергии топлива в работу в одинаковых механических устройствах) бензиновый двигатель ничем от дизельного не отличался. Это говорило о том, что увеличение степени сжатия бензинового двигателя до «дизельных» величин, повлечет такое же увеличение КПД.
Перечисленные доводы, несмотря на возражения теоретиков, позволяли предположить, что увеличение степени сжатия бензинового двигателя до определенных величин даст существенное увеличение КПД. Дальнейшее увеличение степени сжатия из-за роста доли отрицательной работы будет давать все меньшее увеличение КПД. В определенной точке произойдет пересечение линий роста КПД и потерь. При дальнейшем увеличении степени сжатия эффективный КПД начнет падать.
Ответа на вопрос, как будут протекать рабочие процессы при полном наполнении цилиндра, на тот период у нас не было. Тем не менее, полученные выводы нам показались достаточными для того, чтобы попытаться убедить производственников в том, чтобы оказали поддержку в построении двигателя с ограничением наполнения и уже в ходе самой работы и испытаний найти ответ.
Убедить кого-либо помочь построить опытный образец двигателя не удалось. Поэтому в сентябре-октябре 2002 года на базе шестицилиндрового двигателя БМВ самостоятельно, своими силами построили первый бензиновый двигатель со степенью сжатия 17. До апреля 2003 года автомобиль эксплуатировался с ограничителем хода педали газа, так как было не ясно, как быть с процессами сжатия и расширения на внешней характеристике.
Но вдруг выяснилось, что для решения вопроса о том, как синхронизировать процессы увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания на начале расширения для обеспечения постоянства давления Р1 при полном наполнении цилиндра, вообще ничего не надо делать. Оказалось, что задача уже решена, а мы просто не догадывались об этом. Выходило следующее:
При условии работы двигателя без детонации, скорость распространения фронта пламени для данного количества горючей смеси величина постоянная. (Первая константа).
Скорость изменения объема камеры сгорания зависит от оборотов двигателя. Но для конкретной частоты вращения эта скорость величина постоянная. То есть, например, для частоты вращения 1500 об/мин скорость изменения объема камеры сгорания и на сжатии и на расширении величина известная, конкретная и постоянная. (Вторая константа).
Для данной частоты вращения степень допустимого наполнения цилиндра (или величина ограничения) будет иметь конкретное значение. Соответственно, масса рабочего тела, поступающего в цилиндр, тоже будет постоянной величиной. (Третья константа).
При этих условиях, получаемая в конце сжатия величина давления Р1 и температура смеси Тс также будут постоянными величинами. (Четвертая константа).
Для данных давления Р1 и температуры Тс время задержки самовоспламенения также будет постоянной величиной. (Пятая константа).
При таком соотношении постоянных величин (констант), формирующих процессы сжатия, сгорания и расширения синхронизация процессов увеличения объема камеры сгорания и давления смеси происходит сама по себе.
Поняв это, сняли ограничитель хода педали. Машина стала ездить на полном дросселе, никаких проблем с синхронизацией не возникло.
В дальнейшем стали строить двигатели на базе ВАЗ-2110. Чередуя работу на стенде с ездой на автомашине, решали многочисленные проблемы.
Результат всей этой работы получился такой:
В бензиновом ДВС с внешним смесеобразованием со сверхвысокой степенью сжатия рабочий цикл происходит следующим образом: степень сжатия двигателя, например, составляет 22, частота вращения коленчатого вала выше 1800 об/мин (например, 2000 об/мин), режим работы-внешняя скоростная характеристика.
При перечисленных условиях дроссельная заслонка открыта полностью, расход воздуха максимальный для данных оборотов. Угол опережения зажигания (УОЗ) 6 градусов до ВМТ. При положении поршня в 0 градусов, то есть, в ВМТ, начинается распространение пламени по фронту. До 6000 об/мин двигатель работает при полностью открытом дросселе, только изменяется УОЗ.
При уменьшении частоты вращения коленчатого вала ниже 1800 об/мин (например до 1200 об/мин) дроссельная заслонка изменяет положение и ограничивает наполнение цилиндра. При этом, если при полностью открытой дроссельной заслонке расход воздуха составил бы 360 мг, то при реальной работе на внешней скоростной характеристике при указанной частоте вращения коленчатого вала дроссельная заслонка должна занять такое положение, при котором максимальный расход воздуха должен быть не более 270 мг на цикл.
Для двигателя со сверхвысокой степенью сжатия понятие работы на внешней скоростной характеристике имеет другой смысл, чем для традиционного двигателя. На низких оборотах для него это - работа при максимально допустимом наполнении цилиндра.
Из теории следует, что любое возмущение в жидкостях и газах распространяется со скоростью звука. Так как размеры камер сгорания поршневых двигателей малы, а скорость звука 500-600 м/с, то давление через доли микросекунд выравнивается по всему объему, но не остается таким, как в зоне возмущения.
В замкнутом сосуде неизменного объема при нагревании газа происходит увеличение давления, при его охлаждении – уменьшение давления и температуры. Если стенки объема деформируются, то происходит увеличение и объема и давления. Увеличивается давление в этом случае меньше, чем при отсутствии деформации стенок. С началом процесса сгорания интенсивность тепловыделения так высока, что скорость увеличения давления в цилиндре опережает скорость увеличения объема камеры сгорания. В виду этого принято считать, что выровнять скорости увеличения объема газов и объема камеры сгорания невозможно. Поэтому в камере сгорания происходит поджатие зоны смеси, до которого фронт сгорания еще не дошел. Если интенсивность поджатия смеси окажется слишком высокой, произойдет детонация.
Но, как указано выше, путем дросселирования можно регулировать интенсивность увеличения объема рабочего тела. А раз ее можно регулировать, то для каждого конкретного рабочего цикла путем дросселирования (ограничения наполнения цилиндра) можно подобрать и установить такую интенсивность увеличения объема газов, которая соответствовала бы скорости увеличения объема камеры сгорания. То есть, как выяснилось, процесс можно синхронизировать.
Поэтому, если в период распространения фронта пламени, синхронизировать скорости увеличения объема рабочего тела из-за нагревания и объема камеры сгорания, давление останется неизменным.
Процесс синхронизации в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия можно нарушить приведенными выше тремя способами: 1. при неизменности всех остальных параметров (УОЗ, расход воздуха, состав смеси и пр.) уменьшить обороты. 2. при неизменности всех остальных параметров (УОЗ, обороты, состав смеси и пр.) увеличить расход воздуха. 3. при неизменности всех остальных параметров изменить УОЗ.
Эксперименты с нарушением синхронизации проводились неоднократно. По приведенным пунктам можно привести такие данные: Обороты 1700, дроссель открыт полностью, расчетное давление конца сжатия Рс=60 кг/см2. Двигатель работает без детонации. Уменьшение оборотов до 1680, то есть, всего на 20 об/мин, вызывает детонацию. Другой пример: обороты 1680 в минуту, дроссель прикрыт, расход воздуха 355 мг на цикл. Расчетный Рс=58 кг/см2. Детонации нет. Дроссель открывается полностью. Расход воздуха становится 360 мг на цикл. Двигатель детонирует. Третий пример: перенос угла зажигания на 10 градусов выше или ниже оптимальной точки в двигателе ЗМЗ-406 со степенью сжатия 9,5 каких-либо заметных изменений в его работе не вызывает. В экспериментальном двигателе максимально возможное смещение угла зажигания от оптимальной точки составляет всего 1-1,5 градуса в сторону его увеличения и 2-3 градуса в сторону уменьшения. И то в первом случае возникает сильная детонация, а во втором случае резко падает эффективность.
Рс и Тс это давление и температура в той точке, которая называется концом сжатия-началом расширения. Сформировавшись в момент завершения сжатия, они в таковом качестве вступают в процесс расширения. Соответственно этому приведенные выше примеры экспериментов касаются давления Р1 и показывают, что даже незначительное, всего на 2 кг/см2, увеличение Р1 приводит к детонации.
Синхронизация процессов в зоне малого изменения объема камеры сгорания есть отличительный признак цикла и основа, на котором будут строиться двигатели со сверхвысокими степенями сжатия. Можно сказать так: есть синхронизация, есть работающий двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, нет синхронизации, нет работающего двигателя.
Особенности работы двигателя следующие: