Зачем в двигателе внутреннего сгорания сжимают смесь

[geodx]

Возможно ли как-то объяснить на пальцах, что нам дает сжатие? За счет чего получается экономия? Реально не понимаю ((

[rascas]

На "пальцах" не объяснить. Надо считать.

[sergey zhukov]

Ну и студенты нынче пошли! Вчера одному такому объяснял теорию ДВС. Один раз объяснил - не понимает. Второй раз разжевал и объяснил - не понимает. Третий раз все по полочкам разложил - уже даже и сам все понял - а он все равно не понимает!

[Евгений Машеров]

Лучше всего, конечно, провести расчёт, формулы можно здесь:
https://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_process
(в русской Вики менее подробно).
А совсем качественно - энергия, потраченная на сжатие, никуда не делась. Она вернётся при рабочем ходе, с добавкой энергии от сгоревшего топлива. Рабочий ход сопровождается падением давления, но ниже атмосферного не получится. То есть в двигателе Ленуара сгорание газа повысит температуру, с ней и давление, при рабочем ходе давление снизится, но незначительно (скажем, если нагрев от 300К до 600К, то давление выросло вдвое, а при рабочем ходе упадёт вдвое до атмосферного), и большая часть теплоты сгорания уйдёт с выхлопными газами. В обычном двигателе со степенью сжатия 1:10 давление до 25 ата, после сгорания, если взять ту же навеску топлива, что и в примере с Ленуаром, порядка 30 ата, и при рабочем ходе снижение в 30 раз (у реального дизеля до 200 ата). Так что, несмотря на снижение изменения объёма в 10 раз, работа перемещения поршня в несколько раз вырастет при том же расходе топлива, то есть вырастет К.П.Д. За счёт снижения уноса энергии выхлопными газами.

[rascas]

Посчитаю и я КПД циклов Отто и Ленуара.

С Отто всё просто:

$n$ - Степень сжатия, примем значение $n=8.5$
$k$ - показатель адиабаты $k=1.4$

$\eta_{otto}=1-\frac{1}{n^{k-1}}=0.575=57.5\%$

Ленуар:
$\eta_{len}=1-k\frac{\lambda^{\frac{1}{k}}-1}{\lambda-1}$

где $\lambda$ - степень повышения давления (при подводе тепла по изохоре)

Попытаемся определить степень повышения давления в цикле Ленуара.

1) Пусть при подводе тепла по изохоре в цикле Отто температура меняется с 700K до 2400K.
Соответственно в Ленуаре температура, при подводе тепла по изохоре, меняется с $T_1=300K$ до $T_2=2000K$ .
2) Процесс подвода тепла изохорный, вычислим степень повышения давления (закон Шарля):
$\lambda=\frac{T_2}{T_1}=6.7$

3) Вычисляем КПД цикла Ленуара:
$\eta_{len}=29\%$

Вычислим ещё степень расширения в цикле Ленуара:
$n_{len}=\lambda^{\frac{1}{k}}=3.9$

Итого: Термодинамический КПД Ленуара меньше чем Отто в два раза.
А объём двигателя Ленуара раз в пять больше. Соответственно в Ленуаре гораздо больше механические потери.

[sergey zhukov]

rascas
Кроме того, мощность двигателя есть удельная работа цикла, умноженная на массовый расход. Массовый расход двигателя с маленьким цилиндром может быть увеличен повышением оборотов, а для цилиндра большого размера это сложнее.

[rascas]

sergey zhukov
Согласен. Двигатель с циклом Отто гораздо компактнее, гораздо мощнее, да ещё и с сильно большим КПД, чем с циклом Ленуара.
На мой взгляд выбор очевиден.

[Amw]

Евгений Машеров в сообщении #1651952 писал(а):

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

Плохо - это только тогда, когда взрывается не вовремя, т.е. до момента зажигания. А когда взрывается от искры - хорошо!!!

[rascas]

Amw в сообщении #1652292 писал(а):

Плохо - это только тогда, когда взрывается не вовремя, т.е. до момента зажигания. А когда взрывается от искры - хорошо!!!

Есть по крайне мере два режима горения смеси в двигателе с воспламенением от искры.
1) Нормальное сгорание смеси. Скорость распространения фронта горения много меньше скорости звука в условиях сжатой горючей смеси.
2) Детонация. Это когда фронт горения распространяется со скоростью звука в условиях сжатой горючей смеси. Со скоростью взрыва. Со скоростью распространения фронта повышенного давления.
Двигатель с детонационным сгоранием горючей смеси проработает очень не долго. Считанные минуты.
Для того чтобы предотвратить детонацию в двигателе, применяют высокооктановые бензины.

Amw в сообщении #1652292 писал(а):

А когда взрывается от искры - хорошо!!!

Детонировать горючая смесь может и при воспламенении её вовремя, от искры.

[EUgeneUS]

rascas в сообщении #1652294 писал(а):

2) Детонация. Это когда фронт горения распространяется со скоростью звука в условиях сжатой горючей смеси.

Цитата:

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде.

[rascas]

EUgeneUS в сообщении #1652298 писал(а):

rascas в сообщении #1652294 писал(а):

2) Детонация. Это когда фронт горения распространяется со скоростью звука в условиях сжатой горючей смеси.

Цитата:

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде.

Согласен. Правильнее было сказать:

rascas в сообщении #1652294 писал(а):

Со скоростью распространения фронта повышенного давления.

[zykov]

EUgeneUS
Тут дело в условиях, при которых рассматривается скорость звука.
Ударная волна быстрее скорости звука при нормальных условиях.
При сжатии на фронте ударной волны растёт и локальная скорость звука.

[Amw]

rascas в сообщении #1652294 писал(а):

Детонировать горючая смесь может и при воспламенении её вовремя, от искры.

Согласен.

zykov в сообщении #1652300 писал(а):

...растёт и локальная скорость звука.

Точно так - например скорость пули может превышать скорость звука при н.у., но меньше скорости звука внутри ствола.

[Евгений Машеров]

Amw в сообщении #1652292 писал(а):

Плохо - это только тогда, когда взрывается не вовремя, т.е. до момента зажигания. А когда взрывается от искры - хорошо!!!

Детонация - плохо. Должна быть дефлаграция.

[GraNiNi]

А вот так работал двигатель Ленуара.
https://youtu.be/EXfWftJa8Z8