9. Процесс сжатия.

9.1. Зачем осуществляется процесс сжатия?

Посредством сжатия свежего заряда достигают увеличения температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл, улучшаются воспламенение и горение топлива. Это позволяет получить бОльшую работу при расширении продуктов сгорания и повысить экономичность двигателя.

9.2. Как развивается теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра в процессе сжатия? Ка­кие факторы и как влияют на потери теплоты и параметры в конце сжатия?

Направление движения теплоты в процессе сжатия изменяется. В начале теплота от более горячих стенок цилиндра и камеры сгорания передается заряду, а затем по мере движения поршня к ВМТ и роста температуры она начинает передаваться от заряда в стенки. p_c=p_aⁿ¹; T_c=T_a^n1-1. Т.о. Т_с и р_с растут с повышением р_а и Т_а, а также с увеличением степени сжатия и показателя политропы n₁. В процессе сжатия имеют место утечки газов через неплотности, что приводит к уменьшению р_с и Т_с.

9.3. Из каких соображений выбирается степень сжатия в дизелях и двигателях с принудительным за­жиганием?

К концу сжатия заряда в дизеле необходимо во всех случаях, включая и пуск холодного двигателя, достичь температуры, при которой впрыснутое топливо хорошо воспламеняется. Этим определяется минимальное значение степени сжатия. С увеличением  улучшается теплоиспользование, но в то же время при его увеличении повышаются нагрузки на КШМ и тепловые нагрузки на головку цилиндров и поршень. Поэтому значение в дизеле определяется его конструктивными особенностями и условиями эксплуатации. В карбюраторных ДВС допустимое значение зависит от октанового числа бензина – при малом ОЧ может наступить детонация.

10. Основные закономерности горения в поршневых двигателях.

10.1. Как и почему влияют на скорость горения концентрации реагентов и давление реагирующей смеси?

Суммарную скорость химической реакции можно описать с помощью уравнения Аррениуса: W_x=K₀c_тⁿc_o^me^-Ea/(RT), где К₀ – предэкспоненциадьный множителя; с_т и с_о – концентрации топлива и окислителя; n, m – эффективные показатели порядка реакции; Е_а – эффективная энергия активации; Т – температура; R – газовая постоянная. Множитель e^-Ea/(RT) характеризует долю молекул, обладающих энергией большей Е_а при Т, а умноженный на К₀ называется константой скорости химической реакции. При росте концентраций и увеличении давления (т.к. при нем концентрации растут) скорость реакции будет меняться пропорционально эффективным показателям порядка реакции. Также при росте р будет изменяться знаменатель степени, т.к. pV=RT, а рост Т вызывает увеличение скорости реакции.

10.2. Дайте характеристику пределов распространения пламени. С чем связано их существование?

Наличие излишне высокого локального теплоотвода или тепловых потерь может приводить к критическому явлению – погасанию. Характерными примерами являются разбавление смеси инертным компонентом, недостаточной для прогрева скоростью выделения теплоты (например, при значительном избытке одного из компонентов). В этих случаях замедление распространения пламени ведет к возрастанию потерь из его фронта, что связано с существованием предельных концентраций, при которых еще происходит горение – т.н. концентрационных пределов распространения пламени: верхний предел – при переобогащении смесей, нижний – при переобеднении.

10.3. Как и почему влияет на скорость горения температура реагирующей смеси?

Суммарную скорость химической реакции можно описать с помощью уравнения Аррениуса: W_x=K₀c_тⁿc_o^me^-Ea/(RT), где К₀ – предэкспоненциадьный множителя; с_т и с_о – концентрации топлива и окислителя; n, m – эффективные показатели порядка реакции; Е_а – эффективная энергия активации; Т – температура; R – газовая постоянная. Множитель e^-Ea/(RT) характеризует долю молекул, обладающих энергией большей Е_а при Т, а умноженный на К₀ называется константой скорости химической реакции. При осуществлении реакции концентрации исходных компонентов обычно уменьшаются, а продуктов сгорания – увеличиваются, поэтому наступает момент, когда скорости прямой и обратной реакций выравниваются – состояние химического равновесия. С изменением температуры скорости прямой и обратной реакции меняются в различной степени. Однако, время достижения нового равновесия зависит в значительной степени от общего уровня температуры: при высоких Т равновесие достигается быстро, а при низких Т может вообще не настать.

10.4. Что понимается под термически и химически активными частицами реагентов?

Суммарную скорость химической реакции можно описать с помощью уравнения Аррениуса: W_x=K₀c_тⁿc_o^me^-Ea/(RT), где К₀ – предэкспоненциадьный множителя; с_т и с_о – концентрации топлива и окислителя; n, m – эффективные показатели порядка реакции; Е_а – эффективная энергия активации; Т – температура; R – газовая постоянная. При повышении температуры увеличивается число частиц, у которых энергия >Е_а и которые могут вступить в реакцию – такие частицы и называются термически активными. Существуют и химически активные частицы, такие как антидетонатор, у которых при очень малой концентрации и температуре осуществляется реакция с высокими скоростями. Например, химически активными являются вещества со свободной валентностью.

10.5. Приведите характеристику трех разновидностей процессов воспламенения и горения.

Перемещение в пространстве зоны горения может происходить по трем химико-физическим механизмам: 1) Передача теплоты из зоны горения в зону свежей смеси; 2) Диффузия активных продуктов из зоны горения в зону свежей смеси; 3) Смешанный, состоящий из передачи теплоты и перемешивания.

10.6. Что понимается под периодом задержки воспламенения в случае гомогенной смеси?

Гомогенная смесь – это смесь с равномерным исходным распределением компонентов, характерная для двигателей с внешним смесеобразованием. Период от начала нагрева (от начала проскакивания искры) до момента воспламенения называют периодом задержки воспламенения.

10.7. Что понимается под нормальной и турбулентной скоростью пламени? Какие факторы на них влияют?

Нормальная скорость пламени – это скорость фронта пламени при стационарном его распространении, т.е. при осуществлении реакции на поверхности фронта. Турбулентная скорость пламени – это средняя скорость движения отдельных объемов продуктов при высокой турбулизации, т.е. перемешивании, где горение осуществляется на многих участках. На эти скорости влияют скорости диффузии веществ и скорость реакции, а также гетерогенность смеси.

При малом отношении диффузионной скорости к нормальной фронт пламени искривлен слабо, а при большом получается развитый фронт пламени с большим числом очагов горения.

10.8. Дайте характеристику цепных реакций. Какие цепные реакции называются неразветвленными и какие разветвленными?

Цепная реакция – это реакция, идущая в несколько стадий в течении короткого промежутка времени. Если в реакцию вступает одна активная частица, а в результате ее получается несколько, то такая реакция называется разветвленной. Замедляет скорость цепной реакции соударение активных частиц. Поглощение их стенами, уменьшение количества реагентов.

10.9. Дайте, исходя из основных закономерностей горения, характеристику процессов воспламенения и горения в бензиновом двигателе. Какую роль играет тепловая характеристика свечей зажигания?

В бензиновом двигателе воспламеняется гомогенная смесь с равномерным исходным распределением компонентов, для которой характерно горение путем передачи теплоты из зоны горения в зону свежей смеси. Для двигателя с внешним смесеобразованием характерен процесс сгорания, начинающийся незадолго до полного перемешивания топлива с окислителем. Скорости химических реакций в условиях высоких температур в зоне искрового разряда имеют огромные величины. Если подведенной энергии хватает на прогрев определенного объема до температур, имеющих место в пламени, то от такого объема будет распространяться пламя., в противном случае очаг остынет.

10.10. Дайте, исходя из основных закономерностей горения, характеристику процессов воспламене­ния и горения в дизеле.

В дизеле воспламеняется гетерогенная смесь с разделенными компонентами в пространстве фронтом горения и диффузией в эту зону компонентов с обеих сторон. В этом случае процесс сгорания лимитируется более медленным по сравнению с химическим реагированием – диффузией, идущими последовательно. При сгорании турбулизация увеличивает встречный перенос компонентов в зону горения диффузионного пламени. Процесс смешения продолжается и после выгорания образовавшейся к этому моменту смеси и перехода в диффузионный режим. При воспламенении струи топлива одновременно имеет место подвод теплоты от горячего источника, которым является окружающий заряд, к наружной оболочке струи, где химические реакции протекают наиболее быстро, и отвод теплоты из этой зоны в холодную центральную часть топливной струи. По мере прогрева топливной струи скорость отвода теплоты снижается до критического значения, при котором происходит воспламенение наружной оболочки струи.