Вопросы для самоконтроля

1. Цикл Карно. Причины отсутствия практической реализации цикла Карно.

2. Обоснуйте преимущества цикла двигателя с изохорным подводом теплоты. При каких условиях они справедливы. Причины необходимости увеличения продолжительности теплоподвода до 40 –50 град. угла пкв.

3. Каково влияние продолжительности теплоподвода на КПД? Как влияет на КПД величина теплоподвода?

4. Объясните причины влияния свойств рабочего тела на КПД двигателя.

5. Назовите способы регулирования мощности в поршневых ДВС, их суть. В каких типах поршневых двигателей они применяются?

6. Охарактеризуйте поведение индикаторного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, скоростной режим двигателя?

7. Как изменяется зависимость индикаторного КПД от степени сжатия при различных нагрузках. Влияет ли способ регулирования мощности на их протекание?

8. Охарактеризуйте поведение эффективного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, нагрузка, способ регулирования, скоростной режим двигателя?

9. Объясните причины влияния способа регулирования мощности на эффективный КПД двигателя. Влияет ли способ регулирования мощности на КПД при полной нагрузке?

10. Охарактеризуйте зависимость степени сжатия, соответствующей максимальному эффективному КПД, от нагрузки при качественном регулировании мощности.

2. Направления развития конструкций бензиновых двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

2.1 Краткие основы детонационного сгорания в поршневых двс

Изложение материала данного параграфа предполагает, что читателю уже известны основы теории горения и детонации, изложенные в преподаваемой на кафедре ДВС дисциплине «Основы физики горения». Более подробное изложение основ детонационного сгорания в двигателе можно найти в специальной литературе [2].

Как известно, детонационная волна представляет собой ударную волну, нагревающую смесь до температуры, при которой возникает экзотермическая реакция, протекающая в некоторой зоне за фронтом волны. Энергия химической реакции идет на поддержание ударной волны, амплитуда которой зависит от удельной величины выделяемой химической энергии. В свою очередь возможность самовоспламенения смеси в результате сжатия ударной волной определяется амплитудой волны и степенью химической подготовленности смеси.

Детонационная волна в условиях двигателя – это волна с искривленной увеличивающейся поверхностью (при зарождении – близкая к расходящейся сферической). Это значит, что даже без учета потерь, амплитуда ударной волны без поддержки горением за ее фронтом должна уменьшаться по мере распространения (за счет увеличения поверхности фронта).

Рассмотрим механизм образования первичной ударной волны. По устоявшимся к настоящему времени представлениям, она возникает в результате самовоспламенения определенного объема несгоревшей части топливовоздушной смеси. В ДВС горючая смесь нагревается сжатием до температуры, как правило, более чем достаточной для ее самовоспламенения, и если последнее не возникает, то только потому, что для этого не хватает времени. Рабочий заряд в камере сгорания успевает сгореть в процессе распространения по нему фронта пламени раньше, чем наступит его самовоспламенение. Однако самовоспламенение не является достаточным фактором возникновения детонационной волны. В зависимости от размера первоначального очага воспламенения (определяемого степенью неоднородности смеси) амплитуда, и, соответственно, воспламеняющая способность ударной волны на удалении от него будут различны (чем меньше очаг, тем меньше амплитуда) и, начиная с определенного размера, характер распространения пламени от таких очагов самовоспламенения будет сходен с распространением турбулентного пламени от искры.

Рассмотрим теперь характер развития ударной волны от первоначального очага при воспламенении некоторых конечных объемов, размер которых обеспечивает амплитуду, достаточную для воспламенения смеси в камере сгорания. Основное отличие детонационного самовоспламенения в двигателях от обычной (классической) детонации состоит в том, что в случае последней повышение температур и давлений во фронте ударной волны должно быть достаточным для воспламенения инертной исходной смеси, тогда как в условиях двигателя детонация распространяется по смеси, уже предельно подготовленной к самовоспламенению. Если в результате одновременного быстрого развития самовоспламенения в каком-либо объеме смеси возникнет слабая ударная волна, то небольшого дополнительного повышения давления и температуры во фронте этой волны может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать воспламенение смеси в смежных, менее подготовленных объемах. Для предотвращения затухания слабой ударной волны в данном случае нет необходимости в полном завершении сгорания за ее фронтом. Достаточно, чтобы на пути ударной волны воспламенялась не вся смесь, а лишь небольшая ее часть, заключенная в наиболее подготовленных объемах, в которых к моменту прохождения ударной волны период задержки воспламенения в результате адиабатного сжатия практически полностью завершен. Этим объясняется то, что при детонации в двигателях сгорание обычно завершается в процессе неоднократного повторного прохождения по реагирующей смеси ударной волны, периодически отражающейся от стенок камеры сгорания. Соответственно повышение давления носит как бы ступенчатый характер, чем сильнее «стук», тем меньшее число таких ступенек и больше их амплитуда.

При слабом «стуке» скорости распространения ударных волн в продуктах сгорания составляют 1000 – 1200 м/с при скорости звука в них около 900 м/с. При сильном «стуке» скорость ударных волн увеличивается до 1400 – 1500 м/с при повышении давления во фронте этих волн сверх давления окружающей смеси в 1,4 – 1,5 раза. В случае крайне сильного «стука» могут достигаться и скорости подлинной детонации 1800 м/с с соответствующим повышением давления и полным завершением сгорания в фронте детонационной волны. Термодинамические расчеты [2], показывают, что для предотвращения затухания слабой ударной волны, распространяющейся в последней части заряда в камере сгорания двигателя со скоростью 1200 м/с, достаточно выделения энергии, равной 25 % полной энергии сгорания.

Резюмируя вышеизложенное отметим, что возможность развития детонации из первоначального очага воспламенения и ее интенсивность в двигателе определяется комплексом факторов, состоящим, в основном, из готовности смежных объемов смеси к самовоспламенению (от степени завершенности предпламенных реакций), количества выделяемой за фронтом ударной волны энергии и искривленности поверхности ее фронта (радиуса кривизны).

Детонационные волны представляют большую опасность для конструкции двигателя. При отражении ударной волны от стенки давление, по крайней мере, удваивается, а температура возрастает на 30-40% по сравнению с давлением и температурой за фронтом падающей детонационной волны. Таким образом, на поршень, головку цилиндра, цилиндр действуют давления, превышающие 15 МПа при контакте с газами, имеющими температуру более 3000 – 3500 К. Масло, находящееся на поверхности гильзы цилиндра сгорает. В случае длительной работы на данном режиме участки деталей двигателя, подверженные воздействию детонационных волн, перегреваются, размягчаются, металл начинает течь. В результате образуются каверны, и двигатель выходит из строя.

На детонацию оказывают влияние степень сжатия, состав рабочей смеси и степень ее неоднородности, угол опережения зажигания, частота вращения двигателя, температура двигателя, температура рабочей смеси, смазочное масло, нагароотложение, число свечей и их расположение, влажность воздуха, дросселирование.

Борьба с детонацией до настоящего времени развивалось по двум направлениям:

1. Производство товарных бензинов с более высоким октановым числом, характеризующим склонность топлива к детонационному сгоранию.

2. Конструкционное решение проблемы.

Увеличение октанового числа топлив вызывает существенное увеличение энергозатрат, усложнение производства и увеличение стоимости топлива. В связи с истощением ресурсов ископаемых топлив можно ожидать ужесточения требований к повышению энергоэффективности процесса переработки топлив. Принципиальным решением этого вопроса могло бы стать использование нефтяных топлив широкого фракционного состава, что, по оценкам специалистов, должно значительно повысить эффективность переработки сырья за счёт отказа от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к перерабатывающему оборудованию и экономии углеводородного сырья. Поэтому в будущем можно ожидать ухудшения качеств топлив с точки зрения октанового числа. Таким образом, возникает необходимость усиления поиска в другом направлении – конструкционном решении проблемы детонации на базе глубокого понимания ее природы.