Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания

Что такое горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания

Демонстрация принципа действия двигателя внутреннего сгорания с применением прибора промышленного изготовления «цилиндр для взрыва горючей смеси» сопряжена с рядом трудностей, вызванных особенностью конструкции этого прибора и повышенной опасностью проведения демонстрации.

Главная трудность, обусловленная особенностью конструкции, заключается в том, что прибор имеет очень малую камеру сгорания, и поэтому для успешности опыта требуется тщательный подбор горючей смеси. Увеличение камеры сгорания за счет установки ограничителя хода поршня несколько повышает надежность демонстрации, но по-прежнему требует длительной предварительной тренировки и повышенного внимания к составлению горючей смеси.

Массивный поршень, вылетающий из цилиндра в случае успеха демонстрации, представляет серьезную опасность для учителя, учащихся и элементов оборудования физического кабинета. Поэтому при подготовке и проведении этого опыта учитель вынужден проявлять особую бдительность в соблюдении правил техники безопасности.

Демонстрация принципа действия двигателя внутреннего сгорания проходит надежно и безопасно при использовании самодельного прибора * .

* ( Конструкция прибора предложена В. Я. Пономаревым.)

Прозрачный сосуд (стеклянный или из прозрачной пластмассы) вместимостью 0,5-1,0 л закрывается легким поршнем, который можно склеить из плотной бумаги или вырезать из пенопласта. Сквозь отверстия в стенках цилиндра на высоте 3-4 см от дна внутрь цилиндра вводятся два электрода так, чтобы искровой зазор между концами электродов был около 1 см.

Электроды соединяются с борнами высоковольтного преобразователя напряжения «Разряд» (рис. 258). В цилиндр наливают бензин объемом 0,25-0,5 см3 и закрывают поршнем. После включения высокого напряжения горючая смесь паров бензина с воздухом воспламеняется искровым разрядом между электродами, и газ выбрасывает поршень на высоту 1,5-2 м.


Рис. 258

Надежность опыта обусловлена большим объемом камеры сгорания. Здесь нет большой опасности переобогатить горючую смесь парами бензина. А именно эта причина чаще всего ведет к неудаче при использовании промышленного прибора.

Если в школьном кабинете нет высоковольтного преобразователя напряжения типа «Разряд», то опыт можно поставить с использованием электростатической машины. Но здесь есть одна особенность. Если цилиндр изготовлен из стекла, то со временем его поверхность из-за загрязнений становится слабоэлектропроводной, и при работающей машине электрические заряды идут не через искровой зазор, а по поверхности стекла. При этом искра не образуется, а машина как-будто бы не заряжается. И еще — образование искры, а следовательно, и взрыв горючей смеси при использовании электростатической машины происходит неожиданно для учителя. Поэтому целесообразно воспользоваться следующим приемом. Один из электродов соединяют с борном электростатической машины, а второй электрод гибким проводом соединяют с шариком на изолирующей ручке. Борны электростатической машины раздвигают и, вращая ручку машины, заряжают лейденские банки. Если теперь поднести шарик с проводом от второго электрода к свободному борну машины, то между шариком и борном возникает искра. Одновременно искра появляется и между электродами в цилиндре, поджигая горючую смесь.

Таким образом, взрыв горючей смеси производится учителем в нужный для него момент.

ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВО И РАБОТА КАРБЮРАТОРА

Смесь горючих газов, паров или мелких капель топлива с воздухом (или кислородом), состав которой обеспечивает распространение пламени во всем занятом его пространстве, называют горючей смесью.

В качестве топлива в карбюраторном двигателе могут применяться бензин, лигроин, спирт, керосин, спирто-бензиновые смеси, сжиженные газы и др.

Делались попытки применить и более тяжелое топливо вплоть до сырой нефти. Однако эти попытки не дали положительных результатов.

Основным топливом, применяющимся в карбюраторных двигателях, в настоящее время является бензин.

Бензин вырабатывается главным образом из нефти и представляет собой смесь различных углеводородов, выкипающих при температуре примерно до 200° С.

ГОСТ 2084—56 предусматривает четыре марки автомобильного бензина: А-66, А-72, А-74 и А-76.

Теоретически необходимое количество воздуха в кг для полного сгорания 1 кг топлива по ГОСТу 1970—43 принимается равным:

Спирт 95-процентный 8,4

Если известен элементарный состав топлива, то, принимая приближенно состав воздуха (по весу) 77% азота и 23% кислорода, теоретически необходимое количество воздуха 10 может быть подсчитано по формуле

Содержание топлива и воздуха в смеси характеризует ее состав. Состав смеси в отечественной практике оценивается либо количеством воздуха, приходящегося на один килограмм топлива, либо коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива и обозначается буквой а.

Различают смесь богатую, когда воздуха в смеси меньше, чем теоретически необходимо, и, следовательно, а 1. При -желании оттенить степень изменения состава смеси применяют такие термины, как обедненная смесь, обогащенная, очень богатая и др.

При значительном обеднении смеси тепловыделение при сгорании вследствие снижения калорийности заряда будет уменьшаться. Наконец, при каком-то составе воспламенение смеси прекратится.

Если же чрезмерно обогащать смесь, то тепловыделение будет также уменьшаться вследствие химической неполноты сгорания топлива, и при каком-то составе смесь также прекратит воспламеняться.

Следовательно, горючие смеси могут воспламеняться только в определенных пределах изменения их состава. Эти пределы харастеризуются коэффициентом избытка воздуха и называются пределами воспламеняемости.

Состав смеси, при котором прекращается воспламенение смеси вследствие избытка в ней топлива или воздуха, условились именовать соответственно верхним или нижним пределом.

Следует, однако, указать, что приведенные данные являются ориентировочными, так как в зависимости от условий эти пределы изменяются.

Горючая смесь, поступающая в цилиндр, смешивается с газами, оставшимися от предшествующего цикла (остаточными газами). Смесь свежего заряда с остаточными газами носит название рабочей смеси.

Пределы воспламеняемости рабочей смеси, имеющей в своем составе инертные газы, сужаются, и чем больше остаточных газов, тем уже пределы воспламеняемости.

Экономичность и мощность двигателя во многом зависят от состава смеси.

При работе двигателя на номинальном режиме горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха а = 0,8 -f- 0,9 сгорает в цилиндре с высокими скоростями и, таким образом, обеспечивает более высокую мощность двигателя; однако такая смесь имеет значительную неполноту сгорания, вследствие чего в отработавших газах содержится 3—6% окиси углерода (угарный газ), что вредно действует на организм человека.

В горючей смеси с коэффициентом избытка воздуха а = 1,1 -т- 1,15 топливо сгорает наиболее полно и, как следствие, двигатель работает экономично.

Чтобы определить желаемый состав горючей смеси на различных режимах работы двигателя, снимают ряд регулировочных характеристик при постоянном числе оборотов, но при различных положениях дроссельной заслонки и получают семейство кривых, представленных на 1. На приведенном рисунке по оси абсцисс отложен коэффициент избытка воздуха а, а по оси ординат эффективная мощность двигателя N е, выраженная в процентах от максимальной, а также удельный расход топлива ge в процентах от минимального его значения, полученные при полном открытии

дроссельной заслонки и одном и том же числе оборотов.

Смотрите также:

2. Принцип работы простейшего карбюратора. Процесс приготовления горючей смеси называется карбюрацией.
Поэтому простейший карбюратор также не может обеспечить работу двигателя на малой частоте вращения холостого хода.

3. Устройство и работа карбюратора. Вследствие перечисленных недостатков простейший карбюратор необходимо дополнить рядом устройств и
Для получения смеси богатого состава, необходимого для пуска двигателя, карбюратор оборудуют системой пуска.

Состав горючей смеси оказывает большое влияние на мощность и экономичность двигателя.
Для обеспечения необходимого состава горючей смеси на различных режимах работы двигателя современные карбюраторы имеют дополнительные устройства: главную.

. для приготовления горючей смеси в специальном приборе—карбюраторе и подачи ее в цилиндры; для зажигания рабочей смеси в цилиндрах
Система зажигания горючей смеси карбюраторного двигателя оказывает существенное влияние на работу . его устройство и.

Что такое горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания

Повышение стоимости автомобильного топлива определяет необходимость инновационных разработок, позволяющих снизить себестоимость транспортных перевозок. Эта проблема связана с решением таких задач: уменьшить расход топлива двигателя, увеличить его мощность, снизить выбросы вредных газов в атмосферу.

Все отмеченные характеристики непосредственно связаны с функционированием агрегатов двигателя и определяются объемом камеры сгорания, скоростью реакции горения, теплоотдачей топлива и другими составляющими рабочего процесса.

Читать еще:  Что такое витки в коллекторных двигателях

Мы рассмотрим один из путей повышения коэффициента полезного действия двигателя (КПД), а именно, увеличение скорости реакции горения топлива. На этот показатель влияют, как правило, следующие факторы: начальные температура и давление горючей смеси в камере сгорания, количество и расположение источников воспламенения, состав и степень однородности горючей смеси. Мне хотелось бы заострить внимание на последнем показателе. Известно, что реакция сгорания топлива выражается так:

По этим соотношениям можно вычислить количество необходимого кислорода для полного сгорания одного килограмма бензина – это значение равно 0,1075 кг . Зная весовой состав сухого атмосферного воздуха (О2 — 23%; N 2 и др. — 77%), можно определить его количество, поступающего в камеру сгорания двигателя и участвующего в горении. Очевидно, что изменение процентного соотношения кислорода в воздухе не приведет к преобразованию формы протекания реакции горения, но увеличит ее интенсивность. Азот же, не участвуя в процессе горения, понижает вероятность соединения молекул взаимодействующих в процессе горения, тем самым увеличивает время необходимое для соединения всех активных составляющих. Поэтому, уменьшив количество азота, можно увеличить скорость распространения пламени от 25-40 до 2000 м/с [2] .

Исследования проведенные «Институтом теплофизики экстремальных состояний» «Объединённого института высоких температур РАН» в области сжигания топлива в детонационном режиме подтверждают увеличение энерговыделения топлива при увеличении скорости реакции горения. Представленный отделом физической-газовой динамики №2 института график на рис.1 наглядно показывает многократное увеличение мощности при изменении режима горения.

На рис. 2 представлен фрагмент развернутой индикаторной диаграммы фазы процесса сгорания топлива в карбюраторных двигателях, показывающей зависимость давления газа внутри цилиндра от угла поворота коленчатого вала. При нормальных условиях часть смеси, не успевшая сгореть своевременно, догорает в процессе расширения.

Увеличение скорости распространения пламени приведет к повышению максимального давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это обеспечит значительно больший импульс, передаваемый на поршень двигателя.

Почему же до сих пор этот резерв мощности не использовался? Считалось, что скорость нарастания давления у карбюраторных двигателей не должна превышать 0,25 МПа на 1° поворота вала [2]. В противном случае динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм значительно возрастали, так как возникала вибрация поршня вследствие детонации.

Если обратиться к истории развития атомной энергетики, то мы обнаружим, что атомная реакция считалась неуправляемой, однако настало время, когда процессы этой реакции люди научились контролировать. И теперь используют энергию расщепления атома в энергетики. Такую же ситуацию мы наблюдаем с процессом детонации: не сумев контролировать этот процесс, специалисты назвали его «вредным» и предложили работать в диапазоне характеристик, где этот процесс не наблюдается. Однако, на современном уровне развития техники, появления электронного управления системами двигателя, появилась возможность обеспечить стабильную работу двигателя при больших динамических нагрузках и извлекать от этого дополнительную выгоду.

Появление детонации обусловлено составом горючей смеси. Но степень её разрушающего воздействия на двигатель можно устранить путем уменьшения количество подаваемого топлива в камеру сгорания. Так, давление газов соответствующее нормальному сгоранию (2,5-5,0 МПа) [2], при детонационном сгорании повышается до 15-20 МПа[2]. Уменьшив количество подаваемого топлива в два раза, мы получим давление при детонационном сгорании 7-10МПа, с учетом запаса прочности современных двигателей это более или менее приемлемо.

Таким образом, эксплуатация современных двигателей в режиме детонационного сгорания топлива даст огромный ресурс энергии, заложенный в увеличении скорости реакции горения. Увеличение эксплуатационных характеристик можно осуществить без больших конструктивных изменений в двигателе.

На сегодняшний день известно несколько способов и устройств, обеспечивающих изменение содержания кислорода в горючей смеси с целью увеличения скорости реакции горения. Все они имеют определенные недостатки, и эти недостатки противопоставлены предложенному мной изобретению и описаны в описательной части к патенту [1].

Мной предложен способ и устройство автоматически управляемой подачи чистого кислорода в воздушный фильтр ДВС. Если это использовать без соответствующего уменьшения количества подаваемого в камеру сгорания топлива это приведет к разрушению двигателя из-за резкого увеличения давления и, как следствие, динамических нагрузок. Поэтому, мы вынуждены использовать в современных двигателях малую долю преимуществ получаемых при увеличении скорости реакции горения, сокращая количество насыщенной кислородом горючей смеси в камере сгорания. Это смягчить разрушающий эффект нарастания давления, так как энергоемкость горючей смеси «урезанного» объема снизиться. В итоге мы существенно уменьшим расход топлива и получим небольшое увеличение мощности двигателя. Экономический эффект от этого окупит затраты на дополнительное оборудование.

Осуществить такую идею возможно с помощью устройства, повышающего концентрацию кислорода в газовой смеси воздушной системы двигателя внутреннего сгорания и имеющего систему управления подачей кислорода [1]. Устройство подключается к воздушному фильтру ДВС и регулирует поступление добавочного кислорода в газовую смесь. Система управления этого устройства обеспечивает поступление в камеру сгорания газовой смеси с повышенным содержанием кислорода, а также даёт возможность изменения его концентрации в зависимости от количества подачи топлива и максимально допустимой частоты вращения вала ДВС. Это заметно уменьшает расход топлива при прочих равных условиях.

Воздушная система двигателя внутреннего сгорания, повышающая концентрацию кислорода в газовой смеси до необходимого уровня, состоит из следующих элементов (рис. 3): кислородный баллон с вентилем и редуктором (1); вентиль(2); система управления вентилем (3); трубка подачи кислорода (4); воздушный фильтр (5); система управления количеством подачи топлива (6); датчик оборотов двигателя (7); датчик количества подачи топлива (8).

Устройство функционирует следующим образом. При изменении оборотов двигателя в диапазоне от режима холостого хода до максимальных оборотов датчик количества подаваемого топлива (8) через систему управления этим параметром (6) образует сигнал для системы управления вентилем (3). Эта система, регулируя пропускную способность вентиля (2), изменяет количество подаваемого кислорода в воздушный фильтр (5), где происходит формирование газовой смеси с соответствующей концентрацией кислорода.

Работа двигателя в таком широком диапазоне обеспечивается изменением количества подаваемого топлива при одновременном соответствующем изменении содержания кислорода в газовой смеси. Ограничение оборотов двигателя при достижении максимального значения производится уменьшением подачи топлива за счет сигнала с датчика оборотов двигателя (7), посылаемого на систему управления количеством подачи топлива (6). Такое совместное регулирование обеспечивает оптимальный расход топлива и безопасный режим работы ДВС.

Достигаемый технический результат предложенного мною изобретения – работа двигателя в режиме детонационного сгорания топлива, увеличение скорости распространения пламени в камере сгорания, повышение давления в ней в момент сгорания горючей смеси. Используя имеющиеся теоретические данные [2] процесса нормального сгорания топлива и сгорания в режиме детонации был произведен расчет промежуточных значений и получены значения расхода кислорода и топлива при различных значениях выходных характеристик. Это позволило рассчитать экономический эффект при сокращении расхода топлива на 30%. Если автомобиль пробегает в месяц 1500 км и имеет расход топлива 8 литров на 100 км , то годовая экономия составит 8000 рублей (с учетом стоимости кислорода). Немаловажное значение для современного мира имеет значительное уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу по сравнению с немодернизированным двигателем. Значение этого фактора трудно переоценить.

Эффект снижения выбросов вредных веществ в атмосферу подтвержден новосибирскими специалистами ЗАО ПТ Компании «Гермес» проводившими испытание своего устройства основанное, аналогично моему, на обеспечении увеличения скорости сгорания. Устройство испытывалось на автомобиле «Газель». В выписке из протокола этих испытаний значится: в диапазоне от 550 до 650 оборотов в минуту содержание окиси углерода (СО) в выхлопе немодернизированного двигателя составляет 1,6% (при норме по ГОСТу — 1,5%), после модернизации — 0,10%. На повышенных оборотах двигателя (2650-2750 об/мин) до модернизации содержание СО — 1,8% (ГОСТ — 2,0%), после модернизации — 0,18%. Количество углеводородов (СН) в выхлопных газах на низких оборотах немодернизированного двигателя составляет 1300 единиц (при норме по ГОСТу — 1200), а после модернизации — 150 единиц; на повышенных оборотах двигателя — 800 (ГОСТ — 600) и 120 единиц, соответственно. Применительно к моему изобретению, на основании вышеизложенных данных, можно ожидать подобных результатов.

Читать еще:  Ваз 2110 схема стартер в двигателе

Для практического подтверждения ожидаемого эффекта от использования дополнительного кислорода провели эксперимент с использованием двухтактного двигателя мотороллера. В пространство около воздухозаборника воздушного фильтра мотороллера, работающего на холостых оборотах, был подан кислород из кислородного баллона. В результате этого обороты двигателя резко увеличились.

Оснащение производимой техники устройством, предлагаемым автором данной статьи, возможно путем применения уже известных и изготавливаемых серийно изделий. Таким образом, минимальная техническая доработка существующего автопарка повысит его конкурентоспособность. При этом будет достигнут как экономический эффект (более чем на 30% снижается стоимость расходов на топливо), так и экологический (уменьшение вредных выбросов в атмосферу).

Дополнительную информации по этой теме вы можете прочитать на сайте www . o 2 plus . narod . ru .

1. Устройство для регулирования состава горючей смеси в двигателях/ Патент Россия №2282746 Автор: Вяткин Денис Викторович; Патентообладатель: Вяткин Денис Викторович; заявлен 22.07.2002; опубликован 27.08.2006; Бюл.№24 – 5 стр.

2. Двигатель внутреннего сгорания (источник Интернет).

Рис. 1. Максимальные удельные мощности энерговыделения в камерах сгорания различных двигателей.

Рис. 2. Диаграмма процесса сгорания топливной смеси в карбюраторном двигателе.

Рис. 3. Схема устройства, регулирующего состав горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания: 1 — кислородный баллон с вентилем и редуктором; 2 — вентиль; 3 — система управления вентилем; 4 — трубка подачи кислорода; 5 — воздушный фильтр; 6 — система управления количеством подаваемого топлива; 7 — датчик оборотов двигателя; 8 — датчик количества подаваемого топлива.

Рис. 1. Максимальные удельные мощности энерговыделения в камерах сгорания различных двигателей.

Рис. 2. Диаграмма процесса сгорания топливной смеси в карбюраторном двигателе.

Рис. 3. Схема устройства, регулирующего состав горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания.

Автор: Денис Викторович Вяткин, инженер-проектировщик, ЗАО «Курортпроект», г. Москва.

Московская область, Домодедовский район, деревня Заборье, д.58а, кв.6.

Что такое горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания

НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ СГОРАНИЯ СМЕСИ В ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Д.Д. Матиевский, П.К. Сеначин, М.Ю. Свердлов, М.А. Ильина

Горение горючих смесей в закрытых сосудах и двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием обычно происходит за счет распространения пламени по объему системы (волны дефлаграции), даже если пламя турбулизированно. При этом динамика сгорания (скорость выгорания смеси) и динамика давления в системе существенным образом зависят от закона изменения поверхности пламени. Форма и поверхность пламени при сгорании гомогенных горючих смесей в закрытых сосудах и двигателях существенно влияют на основные черты динамики процесса: скорость превращения вещества, скорость нарастания давления, распределение скоростей газа и т.д. В связи с этим исследование общих свойств и особенностей динамики сгорания газа при разных законах изменения поверхности пламени представляет теоретический и практический интерес.

В двигателях внутреннего сгорания динамика процесса обычно описывается различными полуэмпирическими уравнениями выгорания смеси, основанными на объемном законе выгорания [1-3]. Эти уравнения не учитывают двухзонность реального процесса сгорания в двигателе. Двухзонные модели сгорания, учитывающие реальную геометрию пламени в сферических сечениях камеры сгорания, гораздо сложнее и применяются в кинетических и динамических задачах процессов горения сравнения недавно [4-6].

В настоящей работе было проведено исследование влияния геометрии камеры сгорания на динамику сгорания смеси ДВС с точечным искровым зажиганием. Рассмотрены случаи, учитывающие реальную геометрию пламени в сферических сечениях камер сгорания цилиндрической формы с точкой зажигания на оси (Модель 1, рис. 1а) , симметричной камеры со смещенной точкой зажигания ( Модель 1А, рис. 1б) и клиновидной камеры с асимметричным зажиганием — (Модель 7, рис. 1в). Полагаем, что эти модели являются предельными (или близкими к ним) как в отношении геометрии камеры сгорания, так и расположения точки зажигания.

Предполагается, что несмотря на турбулентный характер горения распространяющееся пламя тонкое, то есть размер камеры велик по сравнению с шириной зоны пламени. Процесс горения адиабатический и медленный, поэтому давление одинаково во всех точках камеры сгорания и изменяется только во времени. Как обычно, основными независимыми геометрическими параметрами двигателя полагаем радиус кривошипа , диаметр поршня и геометрическую степень сжатия . В качестве независимой переменной, аналогичной времени, примем угол поворота коленчатого вала . Параметры смеси в момент зажигания, соответствующий углу поворота коленчатого вала , предполагаются известными.

Рабочий объем системы определяется известной в динамике двигателей приближенной формулой для аксиального механизма [7]:

Система, описывающая процесс горения смеси, включает уравнения:

динамики давления (энергии всей системы)

динамики объема системы (и его интеграл)

энергии смеси перед фронтом пламени (и его интеграл)

состояния смеси перед фронтом пламени

объема продуктов горения

массовой скорости горения

и зависимости нормальной скорости пламени от давления и температуры

Рис. 1. Распространение фронта пламени в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием: r f — радиус сферического фронта пламени; — координата поршня; — диаметр поршня; — высота камеры сгорания; — точка, в которой происходит зажигание смеси

В систему уравнений (1-7) входят:

— массовая доля продуктов горения,

— нормальная скорость пламени;

— универсальная газовая постоянная;

— тепловой эффект химической реакции (на моль горючего компонента) и удельная энтальпия сгорания топлива;

— масса топлива, поступающего в камеру сгорания за один цикл, и его мольная стехиометрическая и действительная доли;

— коэффициент избытка воздуха;

— порядок химической реакции;

— “нормальная» скорость турбулентного пламени;

— текущая нормальная скорость пламени;

— фактор турбулизации пламени [8-10];

— скорость турбулентного переноса;

— нормальная скорость пламени для смеси стехиометрического состава в момент зажигания;

— частота вращения коленчатого вала;

— отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

— диаметр поршня, объемы камеры сгорания и цилиндра.

Индексы относятся к моменту зажигания смеси, свежей смеси и продуктам горения соответственно.

Для модели с симметричной камерой

сгорания цилиндрической формы с точкой зажигания на оси (Модель 1, рис. 1а) объем и высота камеры сгорания равны

Функция относительной площади поверхности пламени, входящая в систему уравнений (1-7), определяется отношением

где — функция площади поверхности активного пламени, зависящая от формы камеры сгорания.

Для Модели 1 функция относительной площади поверхности активного пламени в зависимости от текущих значений координаты поршня и объема продуктов горения находится из уравнений:

Отметим, что в уравнениях (12) и (13) радиус фронта пламени является неявной функцией и и определяется численным решением уравнения методом дихотомии.

Для модели с симметричной камерой сгорания цилиндрической формы со смещенной точкой зажигания ( Модель 1А, рис. 1б) объем и высота камеры сгорания равны соответствующим параметрам для Модели 1 и определяются уравнениями (8). Функция относительной площади поверхности пламени определяется отношением (9).

В сферических сечениях камеры сгорания поверхностью пламени с радиусом в зависимости от координаты поршня , как и прежде, можно выделить четыре различных ситуации. Для Модели 1А функция площади поверхности активного пламени в зависимости от текущих значений координаты поршня и объема продуктов горения определяется из уравнений:

В уравнениях (14-17) обозначено:

где , — неполный и полный эллиптические интегралы 1-го рода (с модулем ) в нормальной форме Лежандра; , — неполный и полный эллиптические интегралы 2-го рода (с модулем ) в нормальной форме Лежандра.

Для клиновидной камеры сгорания с асимметричным зажиганием (Модель 7, рис. 1в) объем и высота камеры сгорания равны

поэтому высота камеры также не зависит от диаметра поршня и оказывается в два раза больше, чем в Модели 1 и Модели 1А. Аналогично в сферических сечениях камеры сгорания поверхностью пламени с радиусом в зависимости от координаты поршня , как и прежде, можно выделить четыре различных ситуации. Для Модели 7 функция площади пламени в зависимости от текущих значений координаты поршня и объема продуктов горения определяется из уравнений:

В уравнениях (18 — 21) обозначено:

, , , — неполный и полный эллиптические интегралы 1-го рода и 2-го рода (с модулем ) в нормальной форме Лежандра (17 ў ). Хотя эти интегралы табулированы [12,13>, однако в практических расчетах удобнее их рассчитывать численно, например, методом прогонки (используя 3 или 4 — точечную интерполяцию) [14, 15].

Результаты расчетов и обсуждение

Система уравнений (1-7) решалась численно методом Рунге-Кутта 4-го порядка с переменным шагом интегрирования при различных углах зажигания (от -30 до 0 Град. п.к.в.), степени сжатия (от 7 до 10) и частоты вращения коленчатого вала (от 2000 до 6000 об/мин) для трех геометрий камер сгорания по уравнениям (10)-(13) для Модели 1 , (14)-(17) для Модели 1А и (18)-(21) для Модели 7.

Читать еще:  Что нужно чтобы зарегистрировать новый двигатель

Некоторые результаты интегрирования системы уравнений (1-7) представлены на рис. 2-8, в виде зависимости давления в камере сгорания от угла поворота коленчатого вала при трех значениях угла зажигания . Для расчетов был взят двигатель М-408. В качестве топлива выбран гептан . Его низшая теплота сгорания 4480 КДж/моль [11]. Мольная стехиометрическая доля топлива, поступающего в камеру сгорания за один цикл, найдена при горении гептана в воздухе средней влажности. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 1.

Проведенные расчеты показывают влияние степени сжатия на динамику процесса. Из рис.2-4 видно, что увеличение степени сжатия от 7 до 10 практически не оказывает влияние на длительность процесса сгорания. При этом индикаторная диаграмма для всех типов камер сгорания смещается по вертикали, т.е. с увеличением степени сжатия растут максимальное давление в цилиндре и давление конца сгорания.

На рис.2-7 приведены индикаторные диаграммы, показывающие изменение давления в камере сгорания в зависимости от

угла опережения зажигания . Вначале процесс сгорания смещается по линии расширения, далее индикаторные диаграммы резко меняются, что соответствует реальному циклу. Из рисунков также видно, что с ростом растет максимальное индикаторное давление , что наблюдается и в действительности.

Параметр

Диаметр поршня мм

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

Угол закрытия впускного клапана град п.к.в.

Угол открытия выпускного клапана и град п.к.в.

Температура рабочего тела в начале такта сжатия К

Давление рабочего тела в начале такта сжатия Па

101325

Коэффициент избытка воздуха

Порядок химической реакции

Коэффициент Пуассона для свежей смеси на стадии сжатия

Коэффициент Пуассона для продуктов горения на стадии расширения

Нормальная скорость пламени для смеси стехиометрического состава в момент зажигания м/с

Мольная стехиометрическая доля топлива, поступающего в камеру сгорания за один цикл,

0,0186

Отношение энтальпии химической реакции к внутренней энергии системы для смеси стехиометрического состава в момент зажигания

Интересно отметить, что частота вращения коленчатого вала также незначительно влияет на длительность процесса сгорания смеси, т.е. зависимость оказывается одинаковой при варьировании частоты вращения в широких пределах, что подтверждается также известными экспериментальными данными.

Автомодельность индикаторной диаграммы является результатом моделирования и объяснение может иметь следующее. Скорость турбулентного пламени, в основном, определяется скоростью турбулентного переноса, которая в свою очередь пропорциональна средней скорости поршня [8-10] и слабо зависит от нормальной скорости пламени. При увеличении частоты вращения увеличивается и скорость сгорания смеси. При этом длительность процесса сгорания в единицах угла поворота коленчатого вала остается практически неизменной.

Исследование влияния на показатели процесса угла опережения зажигания, степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала показывает, что процессы в созданных моделях отражают процессы в реальном двигателе.

Было исследовано влияние формы камеры сгорания на протекание рабочего процесса. При этом для его оценки использованы индикаторные диаграммы, полученные численным моделированием при .

Диаграммы сравнивались по двум параметрам: продолжительности сгорания и максимальному давлению в цилиндре.

На рис. 8 приведены индикаторные диаграммы для разных геометрий камеры сгорания (Модели 1 , 1А и 7). Видно, что в зависимости от формы камеры сгорания сильно изменяется продолжительность сгорания (наименьшая для Модели1 — симметричной камеры с точкой зажигания на оси). Время полного сгорания для двигателя с цилиндрической камерой сгорания со смещенной точкой зажигания ( Модель 1А) примерно в два раза больше (процесс сгорания смеси сильно затянут) чем время полного сгорания для симметричной камеры с точкой зажигания на оси; еще больше оно для клиновидной камеры с асимметричным зажиганием — (Модель 7). Полученные данные позволяют сделать вывод, что в Модели 7 и Модели 1А максимальное (и среднее) индикаторное давление значительно ниже, чем в Модели 1; зависимость динамики сгорания от частоты вращения весьма слабая.

Далее можно отметить, что нами проводились также исследования влияния формы камеры сгорания и положения точки зажигания на динамику сгорания и КПД цикла. Численные исследования показали, что КПД реальных циклов сгорания смеси значительно ниже, чем идеализированного цикла Отто. Зависимости КПД от частоты вращения слабая, от угла опережения зажигания сильная и имеет максимум при угле зажигания -20 град. п.к.в. для Модели 1, а для Модели 7 этот максимум расположен дальше от ВМТ (т.е. при угле зажигания -40 град. п.к.в.) и имеет значительно больший градиент на графике.

В заключение следует отметить, что путем численного моделирования в работе дано численное подтверждение факта заметного влияния на динамику сгорания смеси и индикаторный КПД цикла формы камеры сгорания и места расположения точки зажигания.

Рис.2. Динамика давления при сгорании смеси в двигателе с искровым зажиганием при углах зажигания =-10 и =-30 град. п.к.в.; 1- =7,0; 2- = 8,5; 3- =10,0;

Что такое горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания

Важнейшей особенностью карбюраторных двигателей является приготовление горючей смеси. Это двигатели низкого сжатия с внеш­ним смесеобразованием с принудительным зажиганием горючей смеси. Они выполняются преимущественно четырехтактными.

Карбюраторные двигатели работают на легком жидком топливе. Процесс сгорания в этих двигателях обычно длится 1 / 300 — 1 / 400 сек. Для того чтобы в столь короткое время обеспечить полное сгорание, смесь должна быть соответ­ствующим образом приго­товлена. Процесс приго­товления горючей смеси называется карбюрацией, а прибор, в кото­ром осуществляется кар­бюрация, называется кар­ бюратором

Карбюратор должен выполнять следующие опе­рации:

а) приготовлять горю­чую смесь нужного каче­ства, т. е. при различных режимах работы смеши­вать нужное количество топлива с определенным количеством воздуха;

б) обеспечивать хороший распыл, с тем чтобы все топливо испарилось до начала сгорания;

в) осуществлять поступление в цилиндр однородной по составу смеси.

Рассмотрим способ образования горючей смеси в простейшем карбюраторе (фиг. 71). Топливо из бачка под напором поступает по каналу, перекрытому игольчатым клапаном 4, в поплавковую камеру 2. Поплавком 3 уровень топлива в поплавковой камере, а следовательно, и напор топлива поддерживается почти постоянным, с тем чтобы этот уровень был несколько ниже отверстия форсунки 7 ; таким образом, при неработающем двигателе утечка топлива не про­исходит. При всасывающем ходе поршня 10, т. е. при движении его вниз воздух через патрубок 8 проходит диффузор 6, в котором его скорость значительно повышается, а следовательно, давление понижается. Благодаря разрежению топливо из поплавковой камеры через калиброванное проходное отверстие 1 , называемое жикле­ ром , и форсунку 7 фонтанирует в диффузор, распадаясь при этом на мелкие капли, испаряющиеся в воздушном потоке. Количество смеси, всасываемой через впускной клапан 9, регулируется дроссель­ной заслонкой 5.

Воспламенение сжатой рабочей смеси производится электриче­ской искрой. Угол опережения зажигания обычно берется 25—30° до в. м. т. Сгорание смеси происходит с мгновенным повышением давления при почти неизменном объеме.

Горючая смесь топлива и воздуха, составленная так, что топливо в двигателе сгорает полностью, называется нормальной. При нормальной горючей смеси двигатель работает наиболее эконо­мично. Если количество воздуха, приходящееся на единицу веса топлива в смеси, будет больше нормальной, то такая смесь назы­вается бедно й. Сгорание бедной смеси происходит медленнее с догоранием в период расширения и выпуска, в связи с чем двигатель не развивает полной мощности. Если количество воздуха, приходя­щееся на единицу, веса топлива, меньше, чем у нормальной горючей смеси, то такая смесь называется богатой . При богатой смеси, вследствие недостатка воздуха, происходит неполное сгорание, что вызывает падение мощности двигателя при большом расходе топлива.

Рассмотренный выше карбюратор может обслуживать двигатель, работающий с постоянным числом оборотов. При увеличении числа оборотов двигателя в таком карбюраторе смесь обогащается. Поэтому для обслуживания двигателей, работающих при перемен­ном режиме, применяются карбюраторы, снабженные рядом доба­вочных приспособлений.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector