Сжатие рабочего тела в ДВС

[sergey zhukov]

Каким образом из общих соображений объяснить, что КПД ДВС увеличивается, когда рабочее тело перед нагревом предварительно сжимается? Это само по себе не слишком очевидно, т.к. этот процесс требует работы. Исторически первые ДВС не использовали предварительного сжатия.

В цикле Карно предварительное сжатие необходимо, чтобы довести температуру рабочего тела до температуры нагревателя, чтобы теплообмен происходил при бесконечно малом перепаде температуры. Но в реальном ДВС у нас нет определенной температуры нагревателя. Смесь после сгорания повысит свою температуру на некоторую $\Delta t$, которая зависит от теплоемкости и теплотворной способности смеси, но не от ее начальной температуры после сжатия $t_{kompr}$ или давления (допустим, смесь мгновенно сгорает в верхней мертвой точке).

Или же все дело в том, чтобы величина $\frac{\Delta t}{t_{kompr}}$ была как можно меньше, что приближает сгорание к изотермическому?

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1428355 писал(а):

Каким образом из общих соображений объяснить, что КПД ДВС увеличивается, когда рабочее тело перед нагревом предварительно сжимается?

Для меня хорошее объяснение было бы таким: Предположим у нас двигатель с воспламенением от искры, форма цикла у нас определена это две изохоры и две адиабаты. Вывести формулу КПД этого цикла, и убедится что чем больше степень сжатия тем выше КПД цикла.

sergey zhukov в сообщении #1428355 писал(а):

В цикле Карно предварительное сжатие необходимо, чтобы довести температуру рабочего тела до температуры нагревателя, чтобы теплообмен происходил при бесконечно малом перепаде температуры.

И это для вас что то объясняет? Для меня, например, это просто ничего не доказывающие слова.

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1428383 писал(а):

И это для вас что то объясняет? Для меня, например, это просто ничего не доказывающие слова.

Можно по другому. Карно рассматривал цикл, в котором есть источник тепла с заданной максимальной температурой $T_\max$. В его двигателе не было смысла адиабатически сжимать рабочее тело после того, как оно достигло $T_\max$, т.к. оно в таком случае окажется горячее источника и не получит от него тепла.
В ДВС можно сжимать рабочее тело неограничено, т.к. какой бы температуры оно ни достигло в конце сжатия, после сгорания его температура всегда станет еще выше. Если говорить в терминах цикла Карно, то в цикле ДВС источник тепла всегда горячее рабочего тела на $\Delta t$.
КПД цикла максимизируется, если нагрев рабочего тела от адиабатического сжатия значительно превышает нагрев рабочего тела от процесса сгорания. Выгодно значительно нагревать смесь сжатием и лишь немного - сгоранием. В современных ДВС это скорее наоборот происходит.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1428545 писал(а):

В ДВС можно сжимать рабочее тело неограничено, т.к. какой бы температуры оно ни достигло в конце сжатия, после сгорания его температура всегда станет еще выше.

Разумеется это не так. Если рассматривать двигатель с воспламенением от искры, то температура не станет выше, двигатель просто разрушится от детонации топливовоздушной смеси. (См. октановое число)

sergey zhukov в сообщении #1428545 писал(а):

Выгодно значительно нагревать смесь сжатием и лишь немного - сгоранием.

Да, формула КПД цикла Отто говорит об этом.

sergey zhukov в сообщении #1428545 писал(а):

В современных ДВС это скорее наоборот происходит.

Не то что бы я отрицаю это утверждение, но просто не понятно о каких ДВС Вы ведёте речь, приведите пожалуйста конкретные примеры.

[wrest]

sergey zhukov
Мне кажется вам надо дать ссылки на источники откуда вы взяли то о чем спрашиваете в первом посте. Что там увеличивается и при каких условиях? Что такое вообще "КПД ДВС" о котором вы спрашиваете?

Вы, по сути, спрашиваете "как и почему КПД ДВС зависит от степени сжатия", или что-то другое?

Просто например в турбированных двигателях, в дизельных, применяют интеркулер, который таки охлаждает топливо-воздушную смесь перед воспламенением, чтобы её больше вошло в цилиндр за один раз, соответственно больше бы сгорело и повысилась мощность.

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1428569 писал(а):

Разумеется это не так.

Мы же говорим на уровне термодинамических тепловых циклов. Детонация, октановые числа и прочность материалов - это в следующий раз.
Под ДВС понимается любой двигатель внутреннего сгорания, т.е. такой, в котором рабочее тело получает тепло путем сжигания в нем топлива. Совершенно любой. В нем отсутствует источник тепла с постоянной температурой. Например, двигатель Стирлинга не является ДВС, т.к. он именно получает тепло от внешнего источника тепла с постоянной температурой.

wrest в сообщении #1428580 писал(а):

Мне кажется вам надо дать ссылки на источники откуда вы взяли то о чем спрашиваете в первом посте

Не думаю, что с этим кто-то не согласен. Увеличение степени предварительного сжатия смеси повышает КПД любого двигателя внутреннего сгорания - это факт, который просто общеизвестен.
У любого ДВС существует вполне определенный КПД, равный отношению произведенной мех.работы. и полученной тепловой энергии. Тут нет необходимости рассматривать точные формулы разных циклов, достаточно только знать, что такие формулы существуют и во всех этих циклах существует предварительное сжатие.

wrest в сообщении #1428580 писал(а):

применяют интеркулер, который таки охлаждает топливо-воздушную смесь перед воспламенением, чтобы её больше вошло в цилиндр за один раз, соответственно больше бы сгорело и повысилась мощность.

Все верно. Но КПД и мощность - это разные характеристики и часто это антагонисты. В большинстве случаев можно уверенного говорить, что если у двигателя повысилась мощность, значит, у него упал КПД и наоборот. Когда говорят о зависимости КПД двигателя от того или иного параметра, часто вместо КПД пытаются говорить о мощности. Это совершенно другое.
Турбина на входе и выходе ДВС - это по сути увеличение объема цилиндра. С точки зрения термодинамики сжатие рабочего тела начинается в турбине и просто продолжается в цилиндре, а расширение начинается в цилиндре и продолжается в турбине. С точки зрения теплового цикла все равно, где это происходит - в турбине или в цилиндре.Теоретически это просто цилиндр бОльшего объема. Промежуточное охлаждение - это шаг к изотермическому, а не адиабатному сжатию. Оно снижает конечную температуру сжатия и может только снизить КПД такого двигателя.

wrest в сообщении #1428580 писал(а):

Вы, по сути, спрашиваете "как и почему КПД ДВС зависит от степени сжатия", или что-то другое?

Именно. Только я как раз хочу акцентировать внимание на том, что степень сжатия - которая в первую очередь ассоциируется с давлением - тут не самое главное. Главное - увеличение конечной температуры при увеличении степени сжатия. Чтобы сжечь топливную смесь эффективно, нужно поджигать ее уже очень горячей. Настолько горячей, что ее сжигание поднимет ее температуру, скажем, всего на 5%. Если сжигание поднимает температуру смеси, например, на 50% - это плохой двигатель с точки зрения КПД, хотя его мощность, скорее всего, будет большой. Лучше всего, когда температура в процессе сгорания вообще не увеличивается.
Рудольф Дизель, когда он разрабатывал свой двигатель, стремился именно к этому - сделать так, чтобы сгорание топлива вообще не поднимало температуру рабочего тела, которой оно достигло после сжатия. Он планировал добиться этого, постепенно сжигая топливо в расширяющемся цилиндре (как это и происходит в дизеле). Но из-за технических трудностей сделать это не удалось. Он смог добиться только сгорания топлива при постоянном давлении, а не при постоянной температуре.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1428603 писал(а):

Но из-за технических трудностей сделать это не удалось.

Если бы не было так называемых "технических трудностей" то КПД мы бы сразу довели до ~100% . Здесь и спора нет. И разговор без описания этих "технических трудностей" просто не интересен. Это не двигатель а сферический конь в вакууме. Придумывайте циклы, какие хотите, их все равно никто не реализует, без учёта возможности реализации и получения лучших положительных свойств это никому не нужно.

При создании реального двигателя учитывается множество факторов, таких как:
экологические,
наличие необходимых конструкционных материалов,
возможность создание необходимых подшипников, возможности смазки,
наличие топлив с необходимыми свойствами, возможность много-топливности
необходимый ресурс ДВС,
необходимая высокая мощность двигателя,
высокий КПД двигателя в целом с учётом механических потерь,
низкая масса и габариты двигателя,
низкая цена двигательной установки
и т.д. и т.п.

[wrest]

Помойму, причины тут могут оказаться вполне прозаическими. Например: чем больше степень сжатия, тем больше степень расширения.
Что касается кпд, то практически, чем меньше обороты тем меньше расход на пройденный путь. Когда вы не жмёте на "газ", количество смеси за цикл существенно уменьшается (при том, что её процентный состав воздух-топливо поддерживается постоянным), давление сжатой смеси падает. Так что мне представляется, что дело тут не в температуре, при которой поджигают смесь, а в температуре выхлопа. Чем она меньше тем лучше. Но поршень имеет конструктивно ограниченный ход, да и чем больше ход, тем больше потери на трение, иначе делали бы тонкие но длинные цилиндры.

[rascas]

wrest в сообщении #1428627 писал(а):

чем меньше обороты тем меньше расход на пройденный путь

Возможно это связано с лучшей наполняемостью цилиндров. При меньших оборотах меньше гидравлические потери на всасывание. Меньший расход на пройденный путь авто, если ехать медленно, но на высокой передаче.

[wrest]

rascas в сообщении #1428629 писал(а):

Возможно это связано с лучшей наполняемостью цилиндров.

В цилиндры заходит их объем только при о крытой заслонке, т.е. когда вы хорошенько нажали на газ. В остальное время в цилиндр заходит меньше. В том и смысл "газа" -- уменьшать подачу смеси в цилиндры относительно открытой заслонки, когда газ нажат, давление максимальное (почти атмосферное) до холостого хода (около трети атмосферного) или ниже при "торможении двигателем".

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1428621 писал(а):

И разговор без описания этих "технических трудностей" просто не интересен.

Да ведь обсуждается вопрос о том, почему предварительное сжатие выгодно. Это чистая термодинамика. Вопросы воплощения того или иного цикла в металле - совершенно другое. Тоже, конечно, интересно, но все же в стороне.

wrest в сообщении #1428627 писал(а):

Так что мне представляется, что дело тут не в температуре, при которой поджигают смесь, а в температуре выхлопа.

Совершенно верно. А почему же мы не можем сделать так, чтобы выхлопные газы имели температуру всасываемого воздуха?

wrest в сообщении #1428627 писал(а):

чем больше степень сжатия, тем больше степень расширения.

Что мешает нам расширять рабочее тело до любой кратности в цилиндре вообще без предварительного сжатия? Скажем, установили поршень на 1/100 обьема цилиндра, заполнили смесью под атмосферным давлением, подожгли и расширяем в 100 раз?

[rascas]

wrest в сообщении #1428637 писал(а):

rascas в сообщении #1428629 писал(а):

Возможно это связано с лучшей наполняемостью цилиндров.

В цилиндры заходит их объем только при о крытой заслонке, т.е. когда вы хорошенько нажали на газ. В остальное время в цилиндр заходит меньше. В том и смысл "газа" -- уменьшать подачу смеси в цилиндры относительно открытой заслонки, когда газ нажат, давление максимальное (почти атмосферное) до холостого хода (около трети атмосферного) или ниже при "торможении двигателем".

Вот представьте едет автомобиль со скоростью 40 км/час в двух вариантах:
1) на третьей передаче
2) на четвёртой передаче
Вопрос: в каком случае дроссельная заслонка более открыта, а в каком более закрыта?
На мой взгляд более открыта в случае четвёртой передачи, так как при более низкой скорости движения поршня нужно получать примерно такое же кол-во топливовоздушной смеси. (мощность то потребляемая авто одинакова в обоих случаях).
Из этого делаем вывод, что при движении с малой скоростью, но на высокой передаче меньше гидравлические потери, лучшая наполняемость цилиндров, немного меньше расход топлива и немного выше КПД двигателя.

sergey zhukov в сообщении #1428643 писал(а):

Что мешает нам расширять рабочее тело до любой кратности в цилиндре вообще без предварительного сжатия? Скажем, установили поршень на 1/100 объема цилиндра, заполнили смесью под атмосферным давлением, подожгли и расширяем в 100 раз?

Почему бы вам вслед за указанием цикла самостоятельно не произвести его обсчёт и не вычислить КПД цикла, требуемый объём двигателя (и как следствие механические потери)? Тогда бы и выяснили какой цикл выгоднее и в каких обстоятельствах.

[wrest]

sergey zhukov в сообщении #1428643 писал(а):

Что мешает нам расширять рабочее тело до любой кратности в цилиндре вообще без предварительного сжатия? Скажем, установили поршень на 1/100 обьема цилиндра, заполнили смесью под атмосферным давлением, подожгли и расширяем в 100 раз?

Ну дык вот это и вопрос. На поверхности видно, во-первых, трение. Во-вторых, уменьшающаяся с расширением сила. Что-то ещё, не знаю что. Давление не может падать ниже атмосферного, мы же не в вакууме.
Вот в стрельбе например, нагляден эффект: чем длиннее ствол, тем больше энергия пули на выходе (пока трение её не съест). С одинаковыми патронами пуля вылетает из пистолета медленнее, чем из винтовки. Скорость пули будет нарастать, очевидно, пока разность давлений сзади и спереди пули умноженная на площадь сечения будет больше силы трения пули о ствол.

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1428656 писал(а):

Почему бы вам вслед за указанием цикла самостоятельно не произвести его обсчёт и не вычислить КПД цикла

Потому что вывод будет верный для любого цикла. Нет необходимости рассматривать какой-то конкретный. Это я и хочу лучше понять.

wrest в сообщении #1428657 писал(а):

На поверхности видно, во-первых, трение. Во-вторых, уменьшающаяся с расширением сила. Что-то ещё, не знаю что. Давление не может падать ниже атмосферного, мы же не в вакууме.

Если бы Карно думал только о трении, сопромате и гидравлическом сопротивлении, то вряд ли бы он додумался до своего идеального цикла и фундаментальных ограничений на КПД любого теплового двигателя независимо от его конструкции.

Пренебрежем трением. Уменьшающаяся с расширением сила может влиять на мощность, но к КПД она отношения не имеет. Давление - это уже ближе. Если сжечь смесь без предварительного сжатия и расширять ее до тех пор, пока ее давление не станет равным атмосферному, то на выходе получим очень высокую температуру выхлопных газов. При этом эти газы уже не могут совершать работу, т.к. их давление атмосферное. Придется просто выбросить их и потерять энергию.
Если же предварительно сжать смесь, потом ее сжечь и расширить до атмосферного давления, то температура выхлопных газов будет гораздо меньше. Почему? По моему, правильный ответ такой: потому, что мы сожгли очень горячую смесь. Энтропия холодной смеси с температурой $T_{cold}$ при ее сгорании и повышении температуры на $\Delta t$ повысится сильно ($\frac{\Delta t}{T_{cold}}$ велико), а энтропия горячей смеси с температурой $T_{hot}$ при ее сгорании и повышении ее температуры на те же $\Delta t$ повысится гораздо меньше ($\frac{\Delta t}{T_{hot}}$ мало). Поэтому во втором случае процесс сжатия/расширения ближе к обратимому, чем в первом.
Если представить себе, что предварительное сжатие адиабатически нагревает смесь, скажем, на 5000С, а сгорание этой смеси добавляет всего 100С, то получается, что процесс сгорания - это незначительная вставка между двух адиабат, которые оказываются практически симметричны (обратимый процесс). С какой температуры начали сжатие - почти c такой же закончим и расширение.

[amon]

sergey zhukov в сообщении #1428355 писал(а):

Это само по себе не слишком очевидно, т.к. этот процесс требует работы.

Не требует в том смысле, что сколько затратим при сжатии, столько и получим при расширении, если процесс адиабатический. А так - да, в идеале горение вообще не должно менять температуры.