(Продолжение. Начало № 1, 2, 4, 5, 6 - 2003, 1 -2004)

Итак, в течение года на базе новой теоретической модели двигателя мы анализировали его 16 основных видов потерь энергии. Наступил момент подвести итоги и определить к.п.д. двигателя.
Представим потери двигателя в виде таблицы. На первый взгляд поразительно, что сумма максимальных значений потерь превысила 400 %. Если учесть, что потери последующих видов энергий оценивались по остаточному принципу от предыдущих, то сумма потерь, приведенная к первому виду энергии (химической энергии топлива) будет значительно больше. Однако никакой несуразности в этом нет. Дело в том, что максимальные значения всех потерь нельзя арифметически складывать, так как они наступают на разных режимах, более того, при разных углах поворота коленчатого вала. Двигатель прост, но не прост принцип его действия.
Еще раз обратимся к зависимости крутящего момента от частоты вращения вала двигателя. Имеется пять зон крутящего момента: нерабочая зона двигателя, зона предельно высоких нагрузок; зона низкой эффективности двигателя, зона высоких нагрузок; зона максимальной эффективности двигателя (рекомендуемая для использования); зона низкой эффективности двигателя, зона высоких оборотов; нерабочая зона двигателя, зона недостаточно высоких оборотов.
Наличие нерабочей зоны обусловлено в основном механическими потерями линейной энергии поршня: k3.4 - потери из-за ассиметричного горения смеси и k3.2 - потери на трение из-за ассиметричной реакции шатуна.
Наличие переходной зоны объясняется теми же потерями k3.4 и k3.2, которые не достигли еще больших значений. На стыке этих двух зон есть узкая зона неустойчивой работы двигателя (говорят, что двигатель "козлит").
Рекомендуемая к использованию зона соответствует средней частоте вращения вала двигателя, когда ни один из видов потерь не приблизился к своему максимуму.
Зона резкого падения крутящего момента характерна для повышенной частоты вращения вала двигателя и связанных с этим ростом потерь: k2.1 - потери, вызванные окислением и горением топлива в фазе СЖАТИЕ, k2.4 -потери в выхлопную трубу и k1.3 -потери из-за больших размеров капель топлива.
Нерабочая зона двигателя характеризуется такими потерями, что энергии хватает только на обслуживание самого себя, а в нагрузку отдать нечего. Двигатель "визжит", но не тянет.
Теперь рассмотрим фрагмент рабочего цикла двигателя, содержащего фазы СЖАТИЕ и РАСШИРЕНИЕ. Данный фрагмент также можно разделить на пять зон (секторов) угла поворота коленчатого вала.
Сектор 1 - фаза СЖАТИЕ (так же как ВПУСК и ВЫПУСК) это зона потерь (см. "Двигатель" № 1 - 2004).
Сектор 2 (в области ВМТ) текущие осевые потери k3.5 - достигают 100 %, то есть эффективность преобразования кривошипно-шатунного механизма равна нулю. Двигатель работает благодаря инерции вращения.
Сектор 3 - зона завершения горения воздушно-топливной смеси в камере сгорания. Потери из-за асимметричного горения k3.4 достигают максимума на время около 200 мкс.
Сектор 4 - зона максимального отклонения шатуна от оси симметрии цилиндра. Осевые потери k3.5 равны нулю, а потери на трение из-за асимметричной реакции шатуна k3.2 и потери на трение поршневых колец k3.1 достигают максимума.
Сектор 5 (в области НМТ) аналогично сектору 2 потери k3.5 достигают 100 %, но при значительно меньшем давлении.
Таким образом, определить к.п.д. двигателя совсем не просто. Используя интегральную оценку, мы получили kмакс = 14 %.
Это означает, что реальный к.п.д. двигателя во всем диапазоне режимов работы колеблется от 0 до kмакс.
Так, к.п.д. двигателя автомобиля в городском цикле равен 7 % (!). Как видим, это далеко от общепринятых 30…40 %.
В 1997 г. в журнале "За рулем" была описана неудачная судьба первого серийного электромобиля EV1, созданного корпорацией "Дженерал моторс". Корпорация потратила огромные деньги на разработку EV1 и выпуск первой серии в количестве 30 тысяч электромобилей. Удалось продать только 15 тысяч. Через пару лет программу свернули, а непроданные машины положили под пресс.
Мы не будем анализировать причины неудачной попытки внедрения электромобиля. Это не является предметом данной статьи. Гораздо важнее, что в процессе эксплуатации EV1 были получены удивительные результаты, оставленные без должного внимания. Было подсчитано, что количество электроэнергии, затраченной EV1 массой около 1,5 т на преодолении пути в 100 км, эквивалентно энергии, заключенной менее чем в одном литре бензина.
Этот результат вызвал огромное недоумение у американских специалистов, ведь аналогичный автомобиль на 100 км тратит в среднем около 10 л бензина. Действительно эти цифры невозможно объяснить, если за основу брать к.п.д. двигателя порядка 30…40 %. Однако, если к.п.д. равен 7 %, то эти цифры прекрасно объясняются.
Возникает крайне актуальный вопрос: возможно ли создать "революционный двигатель" с гораздо более высоким к.п.д.? Несмотря на общепринятый пессимизм в этом вопросе, следует безусловно ответить - да!

(Продолжение следует)