3. ПОТЕРИ ЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОРШНЯ
Однажды любопытные ученые измерили, что максимальная скорость, с которой
движется клюв дятла в момент удара, равняется скорости пули. Возник законный
вопрос - "почему у дятла не болит голова?", а точнее - "почему
у дятла целы мозги?"
Используя самую современную технику, удалось получить удивительный результат.
Оказывается, несмотря на всю неестественность и сложность реализации,
голова дятла движется строго по линейной траектории. Только такой - линейный
закон движения позволяет самортизировать мозг дятла.
Однако вернемся к двигателю, а точнее к его поршню. На мой взгляд, у поршня
и у головы дятла есть кое-что общее - необходимость двигаться линейно.
Рассмотрим потери третьего вида энергии, используемой в двигателе, - линейной
механической энергии поршня.
3.1. Потери на трение поршневых колец
Кольца являются важными элементами поршня. Они выполняются разрезными
из специальных сплавов и устанавливаются в специальные канавки в верхней
части поршня (у дна). Обладая в свободном состоянии диаметром большим,
чем диаметр цилиндра, они позволяют обеспечить высокую компрессию и отвод
тепла от поршня. Нижнее кольцо снимает с цилиндра излишки масла (имеет
специальную конструкцию) и называется маслосъемным.
Кольца постоянно поджаты к внутренней поверхности цилиндра и работают
как своеобразный тормоз. Это приводит к соответствующим потерям на трение.
Указанные потери зависят от многих факторов:
- силы давления кольца на цилиндр;
- коэффициента трения сопряженных поверхностей;
- наличия и качества смазки;
- скорости движения поршня;
- наличия боковой силы давления поршня на цилиндр.
Таким образом, как работа поршня, так и потери на трение поршневых колец
носят импульсный характер. По оценке специалистов в среднем данные потери
составляют 70 % от суммарных потерь на трение в двигателе.
3.2. Потери на трение из-за асимметричной реакции шатуна
Следует отметить, что, если бы суммарный вектор давления горящих газов
на дно поршня и вектор реакции нагрузки всегда были на одной линии и эта
линия была бы осью симметрии поршня и цилиндра, то никаких иных потерь
на трение (кроме указанных в п. 3.1) не было бы. Но, к сожалению, это
не так. Первым виновником отклонения от идеального решения является асимметричный
характер кривошипно-шатунного механизма. Симметрия наблюдается только
в верхней и нижней мертвых точках. Как только шатун отклоняется от оси
симметрии, отклоняется и вектор реакции нагрузки, что приводит к появлению
боковой силы. Сила направлена относительно оси симметрии в противоположную
сторону от отклонения шатуна.
Максимальное значение боковой силы примерно в 3 раза меньше силы давления,
что определяется компромиссом между размерами двигателя и потерями на
трение.
Под воздействием боковой силы поршень отклоняется от идеального линейного
движения на величину зазора между поршнем и цилиндром в плоскости, проходящей
через ось симметрии и перпендикулярной оси пальца поршня.
В связи с тем, что взаимодействующие поверхности имеют цилиндрическую
форму, в узкой центральной области контактного пятна возникает сила трения.
Помимо потери механической энергии поршня трение приводит к дополнительному
нагреву двигателя и износу поверхностей пары "поршень - цилиндр".
Учитывая, что сила меняется по гармоническому закону, износ цилиндра носит
специфический (асимметричный бочкообразный) характер. При этом кольца
начинают играть негативную роль, так как имеют очень острые и твердые
грани. Поршень с кольцами превращается по сути в своеобразный металлорежущий
инструмент. Максимальные потери и износ происходят при максимальных нагрузках.
Поэтому потери на трение из-за асимметричной реакции шатуна являются одной
из основных причин неработоспособности двигателя при больших нагрузках.
3.3. Инерционные потери
Поршень совершает возвратно-поступательное движение, то есть у него есть
два крайних положения (мертвые точки), где скорость равна нулю, а поршень
меняет направление движения. Примерно в середине пути поршень достигает
максимальной скорости. Она определяется оборотами двигателя и линейными
размерами основных элементов двигателя (R и L).
За полный цикл поршень делает четыре разгона и четыре торможения. Условия
взаимодействия поршня с поверхностью цилиндра во всех фазах существенно
различные. Однако это не означает, что вся кинетическая энергия поршня
уходит в потери, так как большая часть ее рекуперируется. К потерям можно
отнести примерно 25 %.
Учитывая, что кинетическая энергия поршня определяется квадратом скорости
поршня, инерционные потери становятся заметными только при высокой частоте
вращения вала двигателя.
Существует еще одна разновидность инерционных потерь поршня, известная
как потери на "перекладывание поршня". Дело в том, что центр
тяжести поршня, как правило, не находится на оси симметрии пальца. Вследствие
этого в мертвых точках возникает момент силы, который поворачивает поршень
вокруг пальца в пределах зазоров между поршнем и цилиндром. Это приводит
к кратковременному заклиниванию поршня. К счастью, линейная скорость поршня
при этом практически равна нулю. Однако при максимальной частоте вращения
вала эти потери все-таки становятся заметными.
3.4. Потери на трение из-за асимметричного горения
Сущность таких потерь подробно описана в статьях "Новые возможности
свечи зажигания" - № 6 - 2002 и № 3 - 2003. Поэтому кратко напомним,
о чем шла речь.
В области 15° после верхней мертвой точки (ВМТ) заканчивается горение
воздушно-топливной смеси со скоростью около 1,5 км/с. Поскольку процесс
горения завершается в одном углу камеры сгорания, поршень наносит сильный
локальный удар краем дна о поверхность цилиндра. Это приводит к кратковременному
заклиниванию поршня. С ростом нагрузки данный динамический тормоз становится
все сильнее до полной остановки двигателя, то есть коэффициент преобразования
механической энергии поршня в механическую энергию вращения коленчатого
вала k приближается к нулю. Вот почему двигатель не способен работать
на больших нагрузках.
3.5. Потери преобразования в кривошипно-шатунном механизме
К этому месту статьи хотелось бы особенно привлечь внимание специалистов.
Итак, после многочисленных потерь химической энергии топлива, тепловой
энергии горящих газов и линейной механической энергии поршня все, что
осталось, преобразуется в механическую энергию вращения вала. Делается
это с помощью кривошипно-шатунного механизма. По мнению "авторитетов",
механические потери здесь практически равны нулю, ведь "все вращается
и все смазано". На самом деле мы видим совершенно иную (безрадостную)
картину.
В положении ВМТ вектор силы шатуна направлен строго в ось коленчатого
вала, при этом динамическая сила в колене шатуна равна силе шатуна.
Крутящий момент обеспечивает тангенциальная составляющая силы шатуна.
Вторая составляющая преобразуется опять-таки в тепло как результат скользящего
удара металла о металл. Никакая смазка не может помешать этому.
Оценим реальное соотношение получаемых энергий. Получается, что во время
рабочего такта интегрально сила давления поршня преобразуется в крутящий
момент только на 33 %, или всего на одну треть! Следовательно, две трети
энергии поршня превращаются в тепло! Такова плата за преобразование одного
вида механической энергии в другой.
Оказывается, что основным виновником нагрева двигателя является не горение,
не трение, ...а "удары в кость", регулярно возникающие в механизме
взаимного преобразования двух видов движения. Причем в процентном отношении
эти потери постоянны и не зависят от режимов работы двигателя. Воистину,
"сила есть - ума не надо".
Начинает рассеиваться туман "таинственной" неэффективности двигателя.
 |
|
Рис. 3
|
(Продолжение следует)