(Продолжение. Начало № 1, 2, 4, 5, 6 - 2003)

4. ПОТЕРИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА
Итак, химическая энергия топлива Е1 после ряда преобразований (см. "Двигатель" №2 - 2003) превратилась в желанную механическую энергию вращения вала Е4. Казалось бы, конец мукам и потерям. Вперед, к нагрузке, например, к колесам. И, подобно Одиссею, автомобиль устремится в туманную даль. Но не тут-то было! Как Одиссею часть своей энергии приходилось тратить на семью, так и нам придется заметную часть энергии Е4 отдать на жизнеобеспечение двигателя. А иначе… двигатель не сможет работать. Судите сами.
4.1. Потери на подготовительные фазы
Как вы знаете, двигатель, работающий по принципу Отто, имеет четыре фазы своей работы. Одна фаза рабочая - РАСШИРЕНИЕ и три фазы подготовительные: ВЫПУСК, ВПУСК и СЖАТИЕ.
Нетрудно заметить, что в фазе РАСШИРЕНИЕ сила давления совпадает по направлению с движением поршня. Поэтому фаза РАСШИРЕНИЕ и называется рабочей, так как она дает положительное приращение энергии.
Напротив, у всех остальных фаз (ВЫПУСК, ВПУСК и СЖАТИЕ) сила направлена в противоположную сторону. Поэтому они и называются подготовительными. Учитывая, что энергия к поршню от вала поступает через низкоэффективный (см. "Двигатель" № 6 - 2003) кривошипно-шатунный механизм, то суммарные потери Е4.1 умножаются на k3.5 и составляют не менее 10 %.
Нетрудно догадаться, что, учитывая вышесказанное, двухтактные двигатели имеют преимущество перед четырехтактными. Ведь в двухтактном двигателе все три подготовительные фазы укладываются в один подготовительный такт. Но, как известно (см. "Двигатель" № 4 - 2003), платой за такое уплотнение являются большие потери топлива в выхлопную трубу и крайне плохая "экология". По этой причине двухтактные двигатели повсеместно начали запрещать. Однако нашлась одна ранее никому не известная фирма Orbital Engine Company (Австралия), которая возродила интерес мировых производителей двигателей к "двухтактнику". Благодаря непосредственному впрыску в камеру сгорания двухтактный двигатель избавился от своих "классических" пороков. А преимущества остались. В итоге фирма Orbital со штатом чуть более 100 человек котируется на Нью-йоркской бирже.
4.2. Потери на работу вспомогательных механизмов и устройств
Как известно, двигатель - это не только поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм. Это еще целый ряд систем "жизнеобеспечения": газораспределения, питания, смазки, охлаждения, зажигания, контроля, управления и др. Эти системы нуждаются в механической энергии вращения и/или в электрической энергии, которая вырабатывается электрогенератором.
Начнем с газораспределительной системы. Основными элементами данной системы являются клапаны, пружины и кулачковый вал. Для обеспечения высокой компрессии в камере сгорания, а также высокого "быстродействия" клапанов применяют весьма жесткие (по·10 кгс) пружины клапанов. Поэтому для вращения кулачкового вала 4-цилиндрового двигателя требуется заметная механическая энергия. В современных двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр используются два кулачковых вала, что означает удвоение потерь механической энергии. Это подтолкнуло некоторые фирмы к использованию нестандартного конструкторского решения: "четыре клапана - один кулачковый вал". Другие фирмы пытаются перейти на электрическое управление клапанами, но там свои проблемы и не меньшие потери. Поэтому широкого применения такие новации не нашли.
Системы питания, смазки и охлаждения в определенном смысле похожи. Всюду используются насосы. Лишь в системе охлаждения используется и жидкостной насос и воздушный вентилятор.
Обратим внимание на любопытный парадокс. Чем больше потери химической энергии топлива Е1, тепловой энергии газов Е2 и линейной механической энергии поршня Е3, тем больше потери механической энергии вращения вала Е4. Ведь двигатель необходимо больше питать, смазывать и, особенно, охлаждать. Это верный признак ошибочной системы.
Однако самым большим внутренним потребителем энергии Е4 является электрогенератор. Дело в том, что в двигателе обязательно используется электрическая энергия. Так, она нужна (в большом количестве) для стартера при пуске двигателя, для работы системы зажигания, а при применении впрысковой системы питания - также для обеспечения работы системы контроля и управления. Кроме того, в любом транспортном средстве в ночное время возрастает потребление электроэнергии на освещение, особенно в режиме "дальний свет". Но более всего электроэнергию потребляет кондиционер. Конечно, в умеренной климатической зоне России кондиционер не очень актуален. Но есть много теплых и горячих стран, где автомобилей без кондиционеров не бывает. Так, например, в Израиле на автомобиле с объемом двигателя 1,6 л и менее уже "не покатаешься". Кондиционер "съедает" около 30 % мощности двигателя, и автомобиль становится "тупым". Таким образом, коэффициент потерь k4,2 колеблется от 5 до 35 %. Тем, кто захочет ездить в комфортных условиях и порезвее, придется покупать автомобиль с двухлитровым двигателем, но тогда придется платить вдвое более высокие налоги.
4.3. Инерционные потери
Инерционные потери вращающихся тел определяются более сложно, чем у тел, движущихся линейно. Первоочередное значение при вращении имеет не масса, а радиус тела. Каждый грамм массы развивает момент силы пропорционально квадрату радиуса вращения и частоте вращения. Поэтому в двигателе основным "виновником" инерционных потерь вращения является маховик. Его специально установили в двигатель для того, чтобы поршни могли проходить мертвые точки на холостом ходу. Но при резком дросселировании двигателя, когда движущийся автомобиль необходимо быстро разогнать, маховик становится серьезной дополнительной нагрузкой, своеобразным балластом. На спортивных автомобилях маховик двигателя значительно облегчен, хотя и это не всегда правильное решение. Были случаи, когда такие маховики разрушались.
Следует отметить, что помимо вышеперечисленных потерь энергии Е4 есть и другие. Например, потери на трение и вибрации из-за изменения центра тяжести двигателя при его работе. Но ими можно пренебречь. Гораздо заметнее, например, влияние вибрации на здоровье людей.
(Продолжение следует)