Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения мгту им. Н. Э. Баумана Под редакцией Н. А. Иващенко, А. Р. Макарова. Москва 2007
Скачать 438.86 Kb.
|
Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатияПериод задержки воспламенения и очаг пламени При разряде тока между электродами свечи появляется искра. Явление, подразумеваемое под термином «искра», представляет собой видимое глазу свечение нагретых до высоких температур (до 60000 С) молекул газа. Нагревшиеся молекулы вступают в реакцию окисления. Реакция окисления молекул углеводорода молекулами кислорода сопровождается выделением большого количества тепла и нагреванием соседних с окисляемыми компонентами слоями. Т.е., приведенные явления выражают суть видимого глазом процесса создания очага высокой температуры и распространения этой температуры по камере сгорания. Часть топливно-воздушной смеси в зоне искрового разряда, охваченная устойчивым процессом окисления, является очагом пламени. Время, за которое очаг пламени возникает, называется периодом задержки воспламенения. Распространение пламени по фронтуЧем меньше расстояние между молекулами и меньше разница температур между участком искрового разряда и окружающей смесью, тем лучше условия формирования очага пламени. Чем меньше разница температур между очагом пламени и окружающей смесью и выше давление, тем лучше происходит распространение пламени по фронту. Поэтому, чем выше степень сжатия смеси, тем перечисленные условия лучше. В момент формирования очага пламени в камере сгорания двигателя возникают две области чрезвычайно контрастных физических состояний. Нагревание газов, примерно от 6000 С до 27000 С в очаге пламени приводит к резкому увеличению их объема. Очаг пламени развивается в виде увеличивающегося в размерах огненного шара вокруг места искрового разряда. Соприкоснувшись со стенкой камеры сгорания, шар принимает форму полусферы. Затем соприкоснувшись с днищем поршня, полусфера деформируется, приобретает по краям плоскую цилиндрическую форму. При дальнейшем горении в точке, которая была очагом пламени, смесь выгорает. Там возникает зона продуктов сгорания (выгоревшая зона). Выгоревшая зона и зона смеси разделяются слоем – фронтом пламени. Толщина этого слоя от нескольких долей миллиметра до нескольких сантиметров в зависимости от режима распространения пламени (ламинарный и турбулентный). В этом слое и происходит горение и выделение теплоты. За счет выделения теплоты этот слой нагревается и пытается расшириться, сжимая при этом и зону еще не сгоревшей смеси, и зону, в которой горение завершилось и находятся продукты сгорания. Любое возмущение в жидкостях и газах распространяется со скоростью звука. Так как размеры камер сгорания поршневых двигателей малы, а скорость звука 500-600 м/с, то давление через доли микросекунд выравнивается по всему объему. Еще до прихода фронта сгорания давление в зоне свежей смеси увеличиваются, что влечет за собой и увеличение температуры. Если поджатие свежей смеси интенсивное, ее давление и температура могут достигнуть таких значений, которые достаточны для детонационного сгорания. При превышении определенного предела давления и температур происходит взрыв. Таким образом, характер происходящих процессов требует совместить, казалось бы, несовместимые вещи. Чтобы улучшить процессы формирования очага пламени и его распространения по фронту, давление и температура смеси должны быть высокими. Чтобы не было детонации, они должны быть относительно низкими. Детонационные давления и температура появляются в области смеси в завершающей стадии такта сжатия и исчезают с исчезновением области смеси. Такой отрезок такта сжатия в дальнейшем будет называться «завершением сжатия», а такта расширения «началом расширения». В координатах рабочего такта линия «начала расширения» и линия «полного распространения пламени по фронту» или «момент завершения распространения пламени по фронту» имеют одинаковую длину. Т.е. указанные термины выражают суть одного и того же процесса. После возникновения очага пламени и начала процесса распространения пламени по фронту область смеси подвергается воздействию противоположных факторов: а) Уменьшение в объеме за счет вовлечения в зону пламени (нейтральный фактор). б) Уменьшение в объеме за счет сжатия давлением, исходящим от области пламени (отрицательный). в) Уменьшение в объеме из-за сжатия на такте сжатия (отрицательный). г) Уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания (положительный). д) Увеличение в объеме из-за расширения камеры сгорания на такте расширения (положительный). Если исключить положительные факторы, то окажется, что область пламени в период его увеличения на тактах сжатия и расширения содержит в себе одну общую причину, вызывающую детонацию. Это- перепад давлений в зоне пламени и в зоне смеси. Высокое давление, исходящее от зоны горения поджимает зону смеси. Поднимает ее давление, тем самым увеличивает и температуру. И тем самым создает условия для возникновения детонации. Процесс возникновения самовоспламенения на сжатии выглядит следующим образом: По достижении в цилиндре определенного давления подается искра, формируется очаг пламени, начинается ввод теплоты в рабочее тело. В какой степени ввод теплоты на сжатии влияет на область смеси видно из расчетов для двигателя со степенью сжатия 9,9 при частоте работы 2200 об/мин, при полном наполнении, при температуре смеси на впускном клапане 650 С. 1. Угол начала ввода теплоты 15о до ВМТ. В момент достижения поршнем ВМТ температура в камере сгорания 8340 С, давление 33.2 кг/см2. 2. При угле ввода теплоты в 0 градусов в момент достижения поршнем ВМТ температура смеси составляла 3850 С, давление 19.5 кг/см2. Т.е. увеличение температуры рабочего тела на 4490 С и давления на 13.7 кг/см2 на такте сжатия получено за счет ввода теплоты. Это показывает, что ввод теплоты на сжатии означает принудительное увеличение давления и температуры смеси для обеспечения лучших условий ее сгорания. Но вместе с тем это означает, что искусственным путем создаются и условия для возникновения детонации. При тех же условиях для моего двигателя со степенью сжатия 22 оптимальная точка ввода теплоты составляет 00 ПКВ. Давление конца сжатия в ВМТ составляет 60 кг/см2, температура Тс составляет, примерно 700-7500 С. При этих параметрах оба двигателя работают без детонации. (Вместе с тем индикаторная диаграмма цикла показывает, что это – не оптимальная, а вынужденная точка, при которой удается избежать детонации за счет понижения эффективности цикла. Для решения вопроса о том, как эти моменты соотносятся между собой нужен полноценный двигатель). Приведенные цифры давления и температуры конца сжатия являются преддетонационными. Незначительное их дальнейшее увеличение должно повлечь за собой детонационное сгорание. Тем не менее двигатель работает без детонации. Объяснение этому следующее: Скорость движения поршня на сжатии и расширении одинакова. Но на расширении перемещение поршня от ВМТ увеличивает объем камеры сгорания, т.е. фактор становится положительным. К этому добавляется и действие фактора: уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания. При создании двигателя со сверхвысокой степенью сжатия задача состояла в том, чтобы компенсировать увеличение давления таким же увеличением объема камеры сгорания. При исключении из процесса фактора сжатия зоны смеси исходное давление конца сжатия в камере сгорания может быть значительно выше (от 55 кг/см2). В зависимости от условий протекания процесса горения оно может увеличиваться до сверхвысоких значений (до 100 кг/см2 и выше). Время задержки самовоспламенения. Эксперименты показывают, что детонационные давления и температуры возникают в любом современно бензиновом двигателе. Но детонационное сгорание происходит только в том случае, если повышенные температура и давление сохранятся в продолжение некоторого отрезка времени. Т.е., как инициируемому извне процессу создания очага пламени предшествует период задержки воспламенения, так и процессу самовоспламенения предшествует период или время задержки самовоспламенения. Различие между периодом задержки воспламенения и периодом задержки самовоспламенения заключается в том, что формирование очага пламени при искровом разряде происходит при существенно более благоприятных условиях и быстрее (температура 60000 С), чем формирование очага детонационного сгорания (температура 600-9000 С). Поэтому процесс детонационного горения происходит совершенно по-иному, чем в очаге пламени. Различия условий протекания и последствия происшедших реакций окисления столь велики, что участок детонационного сгорания не может, как очаг пламени, стать источником распространения пламени по фронту. При сверхвысоких давлениях и температурах конца сжатия он может стать только источником детонационного взрыва всей смеси. Детонационное сгорание, по сравнению со скоростью распространения пламени, почти мгновенный процесс. В этом процессе часть теплоты, заключенная в молекулах топлива, утрачивается (образование сажи). Другая часть теплоты превращается в температуру, температура в давление, давление в ударную волну, а ударная волна снова в температуру. Продолжительность времени задержки самовоспламенения. Детонационное горение, как реакция окисления, может возникнуть только при условии, если будут преодолены нижние пороги требуемых для этого величин температуры и давления. При этом величины температуры и давления имеют между собой прямую зависимость. Для условий работы современного бензинового ДВС нижним порогом возникновения детонации являются температура, примерно, 4000 С, давление сжатия, примерно 16-18 кг/см2. Ниже этого порога детонации не возникают. При этом пороге время задержки самовоспламенения имеет максимальную продолжительность. При дальнейшем повышении давления и температуры продолжительность времени задержки самовоспламенения уменьшается. Верхним порогом возникновения детонационного горения являются такие уровни температур и давлений, при которых время задержки самовоспламенения имеет продолжительность равную нулю. Возникновение в сжатой смеси детонационнных давления и температуры вовсе не означает, что в цилиндре произойдет детонационное горение. Если завершение сжатия и начало расширения закончатся быстрее времени задержки самовоспламенения, детонационное сгорание не произойдет. Поэтому, если на сжатии обеспечить необходимое соотношение между временем завершения сжатия, временем задержки самовоспламенения, давлением и температурой смеси, а на расширении достичь сихронизации процесса увеличения объема области пламени и объема камеры сгорания, детонации не будет ни на сжатии ни на расширении. Влияния двух приведенных выше положительных факторов на состояние смеси, т.е. увеличение объема смеси за счет перемещения поршня от ВМТ и уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания вполне хватает, чтобы удержать смесь от самовоспламенения. При соблюдении перечисленных условий величина степени сжатия двигателя (в разумных пределах) практически не имеет значения. Время задержки самовоспламенения величина переменная. Оно зависит от давления и температуры смеси. Чем они выше тем время задержки самовоспламенения меньше и наоборот. Итоги: Из изложенного следует, что для обеспечения работы бензинового ДВС со сверхвысокой степенью сжатия необходимо чтобы в определенном диапазоне частот: 1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя достигалось бы максимально возможное преддетонационное давление Р1. 2. Сжатие завершилось бы раньше времени задержки самовоспламенения. 3. Ввод теплоты начинался бы в момент завершения такта сжатия. 4. В начале расширения область пламени лишилась бы возможности поджимать область смеси. 5. Полное распространение пламени по фронту на такте расширения (начало расширения), произошло бы при постоянном давлении Р1. Комментарий ко всему изложенному: 1. Выше дано описание рабочих процессов, происходящих в камере сгорания двигателя со сверхвысокой степенью сжатия при его работе по внешней скоростной характеристике в определенном диапазоне частот. 2. При работе в режиме частичных нагрузок и в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия точка ввода теплоты смещается в минусовую зону (до ВМТ на сжатии). 3. Ввод теплоты в ВМТ позволяет при относительно небольших значениях температуры поднять давление сжатия рабочего тела Р1 до сверхвысоких значений. 4. Сихронизация скорости увеличения объема рабочего тела и его расширения при постоянном давлении Р1 позволяет исключить детонацию из процесса. Линия расширения (комментарий к пункту 4). На линии расширения интенсивность увеличения объема камеры сгорания существенно выше роста давления рабочего тела. При осмыслении процессов, происходящих в моем двигателе, предполагают, что линия расширения в нем имеет те же координаты, что и в традиционном двигателе. Однако, это совершенно не так. Если взять за основу расчетов бензиновые двигатели со степенями сжатия 10 и 25 (обозначим их Д1 и Д2), сравнение происходящих в них процессов на такте расширения в плане изменения объемов дает следующую картину. В обоих двигателях продолжительность тепловыделения 500 по углам ПКВ. В Д1 при нахождении поршня в 150 после ВМТ высота камеры сгорания 11.53 мм. В Д2 при таком же положении поршня высота камеры сгорания 5,28 мм. В Д1 при нахождении поршня в 350 после ВМТ высота камеры сгорания 18.14 мм. В Д2 при таком же положении поршня высота камеры сгорания 11,53 мм. Т. е., в двигателе со степенью сжатия 25 при положении поршня в 350 ПКВ после ВМТ камера сгорания имеет такой же объем, какой имеет камера сгорания двигателя со степенью сжатия 10 при положении поршня в 150 ПКВ после ВМТ. Только, если во втором двигателе 150 является точкой возникновения и завершения Рz, то в первом двигателе точка 350 является точкой завершения линии Рz и началом линии расширения. Из изложенного видно, что линия расширения жестко связана со степенью сжатия двигателя. По мере повышения степени сжатия в координатах цикла она смещается вправо, в зону больших углов и начинается позже. Решение перечисленных вопросов приводит к тому, что между процессами в традиционном двигателе и между процессами, которые происходят в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия, возникает большая разница. В частности, из-за ввода теплоты на такте сжатия в двигателе со степенью сжатия 9,9, работающем при полном наполнении с частотой 3200 об/мин в момент завершения сжатия температура смеси составляет, примерно, 9000 С, давление сжатия, примерно 32 атм. В двигателе со степенью сжатия 22, при этих же параметрах соответственно: температура, примерно, 7000 С, а давление сжатия, примерно, 52-54 атм. Эксперименты показывают, что давление в 52-54 атм и температура 7000 С не являются предельными и могут быть увеличены еще не менее, чем в полтора раза. Влияние и состояние температур: В ДВС со степенью сжатия 9,9: На сжатии за 150 до ВМТ сформировался очаг пламени, начался ввод теплоты. В ВМТ давление 32 атм, температура 9000 С. В 150 после ВМТ давление 56 атм., температура 21000 С. В 350 ПКВ после ВМТ, когда горение завершилось, давление 35 кг/см2, температура 24000 С. В ДВС со степенью сжатия 25: В ВМТ давление 60 атм. Температура 7000 С. Сформировался очаг пламени, начался ввод теплоты. Суммарная тепловая нагруженность рабочего тела в ВМТ обоих двигателей примерно одинакова (там выше температура, а здесь давление). Но в первом случае ввод теплоты и распространение пламени по фронту начинается при давлении 15,5 кг/см2, а во втором - при 60 кг/см2. В первом случае максимальное давление в 56 кг/см2 достигается только в момент завершения распространения пламени, а во втором случае давление неизменно на весь период. Т.е. при одинаковой скорости распространения пламени по фронту во втором двигателе в среднем в один и тот же промежуток времени в процесс горения вовлекается, примерно, в два раза больше смеси. Это означает, что в первом двигателе распространение пламени по фронту происходит в течении 300 ПКВ (150 до ВМТ и 150 после ВМТ), а во втором двигателе в течении, примерно, 150 после ВМТ. Но скорость горения (если нет детонационного сгорания) тоже является величиной постоянной. Поэтому время горения смеси во втором двигателе по углам ПКВ будет равно времени горения смеси в первом двигателе. Расчетная температура в указанной точке, т.е. в 150 ПКВ после ВМТ составляет, примерно 1150-12000 С, но и объем рабочего тела вдвое меньше. В 350 ПКВ после ВМТ давление 60 кг/см2, температура 27000 С. Объем камеры сгорания меньше в 1,57 раз. Дальше на линии расширения происходит догорание остатков еще не окислившихся молекул. Технические проблемы: Чтобы уменьшить объем камеры сгорания приходится стачивать головку блока цилиндров на 3мм. Заводская толщина ее стенки составляет 9,2 мм. Остается всего 6 мм. Т.е. стенка головки блока цилиндров над поршнем сильно ослабляется. Уменьшение высоты головки блока цилиндров приводит к смещению фаз газораспределения почти на 10 градусов, что отрицательно влияет на работу двигателя. Есть еще много проблем, связанных непосредственно с блоком цилиндров, КШМ, поршнями и пр. К примеру, поршня заказываю в МАМИ. Они выполняются без углубления на днище и на 40 грамм тяжелее, чем серийные. Много проблем связано с системой зажигания. Серийные свечи зажигания рассчитаны на искрообразование при давлениях до 8 атм. Даже самые лучшие импортные свечи зажигания при проверке на стенде перестают давать искру при давлении 12 атм. В моем двигателе со степенью сжатия 22 при работе на внешней скоростной характеристике свеча должна давать искру при 50-60 атм., т.е. она должна работать в условиях в 5 раз превышающих ее физические возможности. Приходится переделывать свечи, уменьшать зазор до минимально возможных 0,25 мм (вместо 1,1 мм по стандарту), что, естественно, отрицательно сказывается на результатах работы двигателя. Для надежной работы двигателя нужны свечи, которые были бы рассчитаны на работу хотя бы при 70 атм. Серийные катушки зажигания рассчитаны на работу с напряжением разряда не выше 12 к/вольт. Лучшие катушки БОШ могут выдать 25 к/вольт, но при такой нагрузке быстро выходят из строя. Нужны катушки способные обеспечить напряжение разряда 75-80 к/вольт. Свечи и катушки для своего двигателя я уже запатентовал. Но самый слабый узел - это программа бортового компьютера Январь 5.1, которую я использую. Во-первых, программа сама по себе содержит много недостатков. Во-вторых, для моего двигателя нужна совершенно другая программа. Алгоритмы ее работы разработаны. Последовательное соединение катушек дает возможность увеличить напряжение разряда до 50 К/вольт. При таком соединении двигатель показывает невероятную мощность, а автомобиль становится практически неуправляемым. Но сильный обратный сигнал разряда нарушает работу бортового компьютера. Тот через 30-60 секунд работы начинает выдавать какие попало углы зажигания до 127 градусов. Результаты работы макета двигателя: Те двигатели, которые я собираю, на техническом языке называются действующими макетами. Тем не менее, с учетом всех этих проблем и при работе на стенде и при испытаниях на автомашинах макеты в режимах средних нагрузок показывают примерно двухкратное уменьшение расхода топлива и почти двухкратное повышение мощности. При работе на внешней скоростной характеристике из-за увеличения нагрузок на свечи, катушки, ЭБУ, результаты скромнее. На сегодняшний день для демонстрации потенциальных возможностей изобретений этого, думается, вполне хватает. Сводить вопрос к имеющимся результатам стендовых испытаний, значить сузить его значение. Суть в том, что впервые в истории теории и практики двигателестроения построены действующие и в течении длительного периода времени работающие без детонации образцы бензиновых двигателей со степенями сжатия до 22. История развития двигателестроения показывает, что это только начало проблем. Если быть объективным, на данный момент с абсолютной уверенностью можно говорить только о том, что найден способ, который позволяет исследовать работу бензинового двигателя при сверхвысоких степенях сжатия. Т.е. изучать процессы, которые раньше считались труднодоступными или недоступными для исследования. Г.А.Ибадуллаев |
Похожие:
 | Программа Всероссийской студенческой конференции «Студенческая научная... «Студенческая научная весна», посвященной 185-летию мгту им. Н. Э. Баумана 01-30 апреля 2015г |  | Участники конференции Непрерывное образование учителя технологии: проблемы качества : материалы II международной заочной научно-практической конференции,... |
| Iv международной научно-практической конференции Сибири, посвященной 20-летию образования Хакасского государственного университета им. Н. Ф. Катанова | | Защитим культуру Материалы международной общественно-научной конференции, посвященной 60-летию Пакта Рериха. 1995 г |
| Заседание общественной палаты в мгту им. Баумана >18. 05. 2007 Контроль... Кабинета Министров Украины N696 от 3 мая 2007 года, планируется осуществить в 2011 году, является для Украины экономически невыгодным.... | | Информационное сообщение Организационный и Программный комитеты Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – 20» планируют... |
| Выступление Жариковой И. Н. на конференции, посвященной 85-летию... Жариковой И. Н. на конференции, посвященной 85-летию Государственного бюджетного образовательного учреждения | | Леонид саксон асфодель, часть III аксель, Кри и фея Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Университетский спорт: Здоровье и процветание нации», посвященной 20-летию... |
| Конкурс на лучшую научную работу студентов. В соо Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Университетский спорт: Здоровье и процветание нации», посвященной 20-летию... | | Международная научно-техническая конференция «проблемы и перспективы развития двигателестроения» Посвящается 100-летию Генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова |
| Список публикаций Р. А. Шепенко № Наименование, вид Выходные данные... К вопросу о международном налоговом праве / Современные проблемы теории налогового права: материалы международной научной конференции.... | | Азовательные технологии и их использование в системе гуманитарной... Межвузовский центр по историческому образованию в технических вузах Российской Федерации |
| Отчет Финансового отдела Администрации Куртамышского района о результатах... Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Университетский спорт: Здоровье и процветание нации», посвященной 20-летию... | | Правила совершенствования стипендиального обеспечения студентов мгту им. Н. Э. Баумана Мгту им. Н. Э. Баумана путем повышения размеров государственных академических стипендий студентам, имеющим достижения в различных... |
| Договор № на оказание услуг по организации участия в Международной... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт космических исследований российской академии наук | | М еждународная научно-просветительская конференция Адлерских чтений – международной научно-просветительской конференции «Проблемы национальной безопасности России: уроки истории и... |
