Влияние волн давления и сжатия на расширении

На такте расширения по сравнению с тактом сжатия, распространяющаяся от области пламени в область смеси волна давления и сжатия приобретает направленный, кумулятивный характер, она многократно усиливается.

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.

Задача состоит в том, чтобы лишить область пламени возможности источать в область смеси направленную или кумулятивную энергию давления и ударных волн. Для этого необходимо, чтобы увеличение объема области пламени и увеличение объема камеры сгорания происходили с одинаковой скоростью. При синхронизации этого процесса прирастающий в каждое мгновение объем области пламени будет поглощаться прирастающим на такую же величину объемом камеры сгорания. В таком процессе роста давления не будет вообще. Область смеси не будет испытывать на себе воздействия волны давления и в ней не будет возникать волна сжатия. Область смеси в таком процессе будет в нейтральном, статическом состоянии ожидания. Распространение пламени по фронту будет представлять собой процесс поглощения области низкой температуры областью высокой температуры. При исключении из процесса волн давления и сжатия и ударной волны исходное давление в камере сгорания на начало расширения 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).

Время задержки самовоспламенения.

Эксперименты показали, что микроучастки с детонационными давлениями и температурами возникают в любом бензиновом двигателе независимо от степени сжатия. Но детонационное сгорание происходит только в том случае, если конкретный микроучасток сохранит повышенные температуру и давление 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 2000* С), чем формирование очага детонационного сгорания (температура 600-900* 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 в камере сгорания он может стать только источником детонационного взрыва всей смеси.

Микровзрыв, по сравнению со скоростью распространения пламени, мгновенный процесс. В этом процессе часть тепла, заключенная в молекулах топлива, утрачивается (образование сажи). Другая часть тепла превращается в температуру, а температура в давление. Скоротечность процесса столь велика, что молекулы смеси, окружающие участок взрыва, получают лишь сотрясение от ударной волны и почти не нагреваются. Поэтому они не вовлекаются в процесс горения.

Таким образом при микровзрыве тепло превращается в работу ударной волны, которая воздействуя на стенки камеры сгорания обратно преобразуется 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. Чем выше температура, тем ниже может быть давление и наоборот. Для условий работы бензинового ДВС нижним порогом возникновения детонаций являются температура, примерно, 400* С, давление сжатия, примерно 16-18 кг/см². Ниже этого порога детонации не возникают. При этом порогевремя 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 микроучастков с детонационнными давлением и температурой вовсе не означает, что там возникнут очаги детонационного сгорания. Для этого необходимо, чтобы состояние готовности к самопроизвольному загоранию в конкретном микроучастке имело продолжительность большую, чем время задержки самовоспламенения.

Если завершение сжатия закончится быстрее времени задержки самовоспламенения, детонационное сгорание в этих микроучастках 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 детонаций не будет ни на сжатии ни на расширении. Влияния двух приведенных выше положительных факторов на состояние смеси, т.е. увеличение области 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:

1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя достигалось бы максимально возможное детонационное давление Р₁.

2. Ввод тепла начинался бы в момент завершения такта сжатия.

3. Сжатие завершилось бы раньше времени задержки самовоспламенения.

3. В начале расширения область пламени лишилась бы возможности источать в область смеси энергию давления и ударных волн.

4. 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.

2. При работе в режиме частичных нагрузок и в двигателе со сверхвысокой степенью сжатия точка ввода тепла смещается в минусовую зону (до ВМТ на сжатии).

3. Ввод тепла в ВМТ позволяет при относительно небольших значениях температуры поднять давление сжатия рабочего тела Р₁ до сверхвысоких значений.

4. Прохождение горения при постоянном сверхвысоком давлении Р₁ способствует тому, что температура рабочего тела с началом ввода тепла растет с очень высокой интенсивностью, компенсируя работу расширения. Т.е. известное теории рабочих процессов отрицательное явление падения давления и температуры от перевода горения на линию расширения здесь напрочь отсутствует.

5. Сихронизация скорости увеличения объема рабочего тела и его расширения при постоянном давлении Р₁ позволяет исключить детонации из процесса.

Комментарий к пункту 4:

Известно, что в двигателе со степенью сжатия 9,9 более поздний ввод тепла и перенос процесса тепловыделения на линию расширения приводит к падению давления топливно-воздушной смеси, что влечет ухудшение условий горения и снижение КПД.

Если совместить перенос угла тепловыделения на более поздние стадии с простым увеличением степени сжатия, при переходе к фазе активного горения давление смеси резко возрастет. Возникнут детонации, которые очень быстро разрушат двигатель.