Зачем в двигателе внутреннего сгорания сжимают смесь

[sergey zhukov]

geodx
В паровой машине цикл сжатия газа заменяется на конденсацию пара в конденсаторе. В паровозе нет конденсатора (он должен быть слишком громоздкий), пар просто выбрасывается в трубу и не возвращается в виде горячей воды обратно в котел паровоза, поэтому КПД паровоза оставляет желать лучшего.

ДВС без предварительного сжатия возможен, как я уже выше говорил исторически он был первым. Но для любого двигателя большое значение имеют две характеристики: работа цикла и КПД. Работа цикла - это мощность двигателя. А КПД - его экономичность. Так вот у двигателя без предварительного сжатия и работа цикла и КПД малы. Это значит, что выхлопные газы такого двигателя будут неизбежно очень горячими, а массовый расход воздуха через него будет малым.

Вот еще что. В цикле Карно (самом лучшем) передача теплоты (сгорание топлива) происходит при неизменной температуре рабочего тела. К этому нужно стремиться. Это значит, в частности, что выгодно сжигать топливо так, чтобы при этом относительное увеличение температуры смеси было как можно меньше. В идеале процесс горения не должен увеличивать температуру смеси. Отношение температуры после сгорания к температуре до сгорания должно быть как можно меньшим. Это означает, что сжигать нужно смесь как можно более горячую изначально.

[zykov]

geodx в сообщении #1651442 писал(а):

Цикла сжатия там нет.

И сгорания в цилиндре нет.

geodx в сообщении #1651437 писал(а):

Зачем предварительно обязательно сжимать, почему бы не избавиться от работы сжатия?

geodx в сообщении #1651425 писал(а):

можно подготовить и хорошо перемешать в нужной пропорции заранее, и потом затолкать в цилиндр насосом через какие-нибудь окна или золотники

А на "заталкивание" энергию тратить не нужно?
Тоже придется делать какой-то механизм для которого понадобится энергия. Так проще же просто цилиндром сжать, раз уж у него уже есть обратный ход.

[geodx]

zykov в сообщении #1651448 писал(а):

А на "заталкивание" энергию тратить не нужно?
Тоже придется делать какой-то механизм для которого понадобится энергия.

Цилиндр сам засасывает смесь.

А если так. Цилиндр с длинным ходом поршня. Поршень засасывает смесь, пока движется до половины цилиндра. В середине хода поршня впускной клапан закрывается, смесь поджигается.

Оставшуюся половину поршень проходит и совершает рабочий ход.

В нижнем положении открывается выпускной клапан, поршень идет вверх и выталкивает отработанные газы. Цикла сжатия нет. Какой-то двухтактник получается )))

[sergey zhukov]

geodx
Так вы цикл нарисуйте, подсчитайте работу и КПД. Там сразу все видно. Этот ваш двигатель маломощный и неэкономичный. Так-то работает, конечно. Если его же заставить работать с предварительным сжатием, то получится гораздо лучше.

У вас первую половину хода поршень вообще не работает, а другую половину - работает вполсилы. А в цикле с предварительным сжатием на первую половину как раз приходится его основная доля работы.

[Mihr]

geodx, не могу понять, в чём Ваши затруднения.

geodx в сообщении #1651334 писал(а):

Но тратится же энергия на сжатие?

"Тратится" - отнюдь не значит "выбрасывается". Просто она ненадолго запасается в виде потенциальной энергии сжатого газа. Во время рабочего хода поршня эта энергия возвращается обратно. Со значительным избытком, конечно, потому что теперь к ней прибавляется энергия сгорания топлива.
Если в каком-то механизме есть пружинка, Вы, надеюсь, не предлагаете её немедленно выбросить? Потому что раз есть пружина, значит, она иногда деформируется, а на это тратится энергия? Тратится - ну и пусть тратится. Иногда тратится, иногда возвращается. Раз поставили пружину, значит, она действительно нужна.
Ну, а в двигателе внутреннего сгорания запертый в камере воздух - та самая "пружинка". Которая иногда сжимается, а иногда распрямляется.

[sergey zhukov]

Mihr в сообщении #1651454 писал(а):

не могу понять, в чём Ваши затруднения.

Да нет, это как раз понятно. Я тоже такой вопрос себе раньше задавал. Необходимость предварительного сжатия сразу не очевидна. Но когда понимаешь, что работа сжатия на каждом участке хода поршня меньше работы расширения на этом же участке, то становится понятно, что нужно просто заставить поршень работать на сжатие/расширение в как можно большем диапазоне его хода. Лучше всего на всех 100% хода.

Тут трудность еще в том, что предварительное сжатие увеличивает и работу цикла, и КПД. Т.е. объяснение типа "больше затолкать" или "поршень работает на более длинном участке хода" все равно половинчатые. Самое правильное будет нарисовать разные циклы и на них посмотреть, почему предварительное сжатие увеличивает и то, и другое.

[Mihr]

sergey zhukov в сообщении #1651465 писал(а):

почему предварительное сжатие увеличивает и то, и другое.

На самом деле в дизельных двигателях предварительное сжатие даёт, как минимум, ещё одно преимущество, которое в данной теме, вроде, не обсуждалось. Именно, оно делает ненужной всю систему зажигания, которая используется в карбюраторных двигателях (где степень сжатия меньше). В дизельных двигателях воздух под поршнем так нагревается от сжатия, что впрыснутая в камеру солярка воспламеняется сама, без всякой искры. Это, конечно, не имеет отношения к КПД двигателя, но это тоже одно из явных преимуществ, которое даёт сильное предварительное сжатие воздуха.

[zykov]

geodx в сообщении #1651450 писал(а):

Цилиндр сам засасывает смесь.

А если так. Цилиндр с длинным ходом поршня. Поршень засасывает смесь, пока движется до половины цилиндра. В середине хода поршня впускной клапан закрывается, смесь поджигается.

Тут уже писали, что можно и так сделать. Работать будет, но с низкой мощностью и низким КПД.
Если поджечь в середине хода поршня, то расширится только в два раза. И придется выбрасывать горячий газ оттуда, теряя энергию.
Поджигать нужно в малом объёме, чтобы расширился во много раз.
Если в этот малый объём просто закачать смесь при атмосферном давлении, то её там будет мало. И мощность будет мала.
Её нужно там сжать. Можно насосом из вне накачать. Но технически проще сжать самим поршнем.

[EUgeneUS]

wrest в сообщении #1651352 писал(а):

Чтобы больше поместилось.

Нет. Исчерпывающий ответ дал уважаемый sergey zhukov.
Если кратко - чтобы приблизиться к циклу Карно, который имеет максимальный КПД при фиксированных температурах холодильника и нагревателя.

geodx в сообщении #1651442 писал(а):

Ну вот как паровоз работает?

Вам поговорка "КПД, как у паровоза" известна?

[geodx]

То есть конструкцию двигателя я могу выдумать какую угодно. Но речь идет о двигателе с максимально возможным КПД ?

[sergey zhukov]

geodx
Ну, скажем так: предварительное сжатие придумано для повышения КПД и мощности двигателя (при той же его массе, габаритах и расходе воздуха). Можно и без предварительного сжатия обойтись, но двигатель будет так себе. Можно много разных двигателей придумать, которые просто прожигают топливо с эффективностью печки. А вот сделать так, чтобы двигатель был легким, компактным, но при этом мощным и экономичным - это задача. Предварительное сжатие позволяет существенно продвинуться в этом направлении.

[Евгений Машеров]

geodx в сообщении #1651334 писал(а):

Или горячий газ под давлением сильнее взрывается?

"Взрывается" применительно к двигателю это плохо. В топливо вводят специальные присадки, антидетонационные.

Работа расширения газа $A=p\Delta V$
То есть если мало давление p, то объём для той же работы надо увеличивать.

Двигатель Ленуара. Сжатия нет, 2 л.с. при 18 литрах объёма цилиндра (причём они используются с обеих сторон поршня, так что по сути даже 36 литров на 2 л.с.)
То есть первая причина - чтобы сделать компактный мощный двигатель.
Но не ценой ли это лишних затрат топлива на сжатие смеси? Да, на сжатие расходуется энергия. Только вот если просто воздух качать в цилиндре, сделав из цилиндра пневматический амортизатор, то при обратной ходе энергия сжатия совершит работу расширения. Правда, в силу теплопотерь часть энергии уйдёт, но у нас в двигателе, напротив, прибавится теплота сгорания топлива. При этом в конце рабочего хода давление не может стать ниже атмосферного, то есть без сжатия в работу преобразуется меньшая часть теплоты сгорания, и К.П.Д. двигателя без сжатия ниже.

[Евгений Машеров]

geodx в сообщении #1651450 писал(а):

А если так. Цилиндр с длинным ходом поршня. Поршень засасывает смесь, пока движется до половины цилиндра. В середине хода поршня впускной клапан закрывается, смесь поджигается.

Оставшуюся половину поршень проходит и совершает рабочий ход.

В нижнем положении открывается выпускной клапан, поршень идет вверх и выталкивает отработанные газы. Цикла сжатия нет. Какой-то двухтактник получается )))

Собственно, Вы описали двигатель Ленуара. Именно так он и работал. Габариты для 2 л.с. видны на снимке выше. А К.П.Д. у него было 4.4%
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne_Lenoir

[geodx]

То есть за счет предварительного сжатия мы потом облегчаем выхлоп?

[rascas]

geodx в сообщении #1652217 писал(а):

То есть за счет предварительного сжатия мы потом облегчаем выхлоп?

Дело не в этом.

КПД цикла Отто гораздо больше чем КПД цикла Ленуара.