А. Р. Макарова М.: Мгту им. Н. Э. Баумана, 2007. 38 с icon

А. Р. Макарова М.: Мгту им. Н. Э. Баумана, 2007. 38 с


5 чел. помогло.
Смотрите также:
Н. Э. Баумана (мгту им. Н. Э. Баумана)” Военное обучение в мгту им. Н. Э...
Развитие системы профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководителей сферы...
И. Б. Федоров Ректор мгту им. Н. Э. Баумана, Москва...
Положение об организации учебного процесса в мгту им. Н. Э. Баумана...
Доклад на заседании Ученого совета мгту им. Н. Э. Баумана 28. 06. 04...
И. Б. Федоров Ректор мгту им. Н. Э. Баумана, Москва...
И. Б. Федоров Ректор мгту им. Н. Э. Баумана, Москва...
Становление и развитие системы университетского технического образования России Москва мгту им...
Опыт использования cad/сam adem в учебном процессе мгту им. Н. Э. Баумана...
«Отображение истории становления отечественной космонавтики в экспозиции Музея мгту им. Н. Э...
31 августа на площади возле главного учебного корпуса мгту им...
Всероссийская студенческая олимпиада по техносферной безопасности...



Загрузка...
скачать
Московский государственный технический

университет им. Н.Э.Баумана




Сборник (дополнительный)

научных трудов по материалам Международной конференции

Двигатель-2007, посвященной

100-летию школы двигателестроения

МГТУ им. Н.Э.Баумана


Под редакцией Н.А.Иващенко, А.Р. Макарова.


Москва

2007


УДК 621.43

ББК 31.365


Сборник научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана // Под редакцией Н.А.Иващенко, А.Р. Макарова – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.- 38 с.


Решение о приглашении Ибадуллаева Г.А. и Фатахова М.М. в качестве его содокладчика для участия в Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана было принято в середине августа 2007 года. К этому времени программа конференции была сверстана. Поэтому настоящий сборник издается дополнительно.

В сборнике изложены результаты теоретических и практических исследований автора в области повышения эффективности работы бензинового двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрены возможности повышения коэффициента полезного действия бензинового двигателя за счет увеличения степени сжатия.

Материалы сборника адресованы специалистам в области проектирования, исследования и эксплуатации поршневых двигателей, студентам и аспирантам.


Рецензенты: заведующий кафедрой «Поршневых двигателей» МГТУ им. Н.Э. Баумана, доктор технических наук, профессор Иващенко Н.А., заместитель заведующего кафедрой «Автотракторные двигатели» МАМИ (ГТУ), кандидат технических наук, профессор Макаров А.Р.


ISBN 5-7038-1452-9 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007


Подписано в печать 09.11.2007 г.

Исполнено 14.11.2007

Печать трафаретная


Заказ №

Тираж: 250 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ»

ИНН 7726330900

115230, Москва, Варшавское шоссе., 36

(495) 975-78-56

www.autoreferat.ru

Содержание


Иващенко Н.А.

Рецензия на доклад Ибадуллаева Г.А. 4


Ибадуллаев Г.А.

Бензиновый двигатель со сверхвысокой

степенью сжатия. 9


Фотографии демонстрации работы двигателя. 26


Фатахов М.М.

Бензиновый двигатель с высокой степенью

сжатия. 30


Ибадуллаев Г.А.

Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия. 34


Рецензия


на доклад Ибадуллаева Г.А.

Иващенко Н.А.

(МГТУ им. Н.Э.Баумана)

20 сентября 2007 года на секции «Рабочие процессы двигателей» международной конференции «Двигатель-2007» в МГТУ им. Н.Э.Баумана талантливый изобретатель из Дагестана Ибадуллаев Гаджикадир Алиярович сделал доклад «Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия». С содокладом «Бензиновый двигатель с высокой степенью сжатия» выступил доцент Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ) Фатахов М.М. Доклады Г.А. Ибадуллаева и М.М. Фатахова вызвали большой интерес у участников конференции, который усиливался тем фактом, что Ибадуллаев Г.А. представил участникам конференции автомобиль ВАЗ-2110, на котором был установлен бензиновый двигатель со степенью сжатия 22 ( давлением сжатия 38-40 кг/см2 .


В своем докладе Г.А. Ибадуллаев изложил результаты своих многолетних плодотворных практических и теоретических усилий по созданию бензинового двигателя с высокой степенью сжатия. Что же сделал Г.А. Ибадуллаев?

Автор выполнил тюнинг серийного двигателя ВАЗ, в котором для увеличения степени сжатия дообработана головка цилиндров. Остальные детали двигателя сохранены неизменными. В двигателе для обеспечения пуска установлен стартер повышенной мощности, а для обеспечения зажигания в ВМТ при повышенных давлениях в цилиндре модернизирована система зажигания и изменен алгоритм блока управления.

Для обеспечения работы двигателя ВАЗ с высокой степенью сжатия без детонации изобретатель использовал всего лишь два способа из давно известных способов ограничения детонации :

1. Уменьшение угла опережения зажигания (предложено выполнять зажигание в ВМТ);

2. Дросселирование на впуске (ограничение нагрузки на двигатель и снижение давления и температуры конца сжатия) в области низких частот вращения вала двигателя. Этот способ давно известен всем водителям: если по каким-то причинам начинается детонация (например, по ошибке Вам залили бензин с низким октановым числом), то прикройте дроссельную заслонку до исчезновения детонации.

Теоретические основы этих методов давно описаны во всех учебниках , ясны и понятны.

В распоряжении автора остались следующие способы борьбы с детонацией, проверенные практикой эксплуатации миллионов бензиновых двигателей: применение высокооктановых топлив (химики от прямогонных низкооктановых бензинов прошли путь до производства высокооктановых бензинов, в том числе с андидетонационными добавками), организация повышенной турбулизации заряда в цилиндре, оптимизация формы камеры сгорания, работа двигателей на обедненных и сверхобедненных смесях, переход на впрыск бензина в цилиндры двигателя, впрыскивание воды во впускную систему (применялся в авиации шестьдесят-семьдесят лет назад для подавления детонации на взлетном режиме работы двигателей), организация гибридных рабочих процессов, создание двигателей с переменной степенью сжатия, повышение частоты вращения вала двигателя.


Рассмотрим термодинамический цикл, предлагаемый Г.А. Ибадуллаевым. Это - цикл теплового двигателя с подводом теплоты сначала по изобаре, а затем по изохоре и отводом теплоты по изохоре и с адиабатными процессами сжатия и расширения. Для этого цикла известны выражения термического КПД (не путать с индикаторным КПД) и среднего давления цикла. Кстати, термический КПД такого цикла ниже КПД смешанного цикла дизеля (подвод теплоты сначала в изохорном процессе, а затем – в изобарном процессе).



Рис. 1

Предлагаемый Ибадуллаевым термодинамический цикл всегда по эффективности уступает смешанному циклу (Сабатэ-Тринклера) и по термическому КПД и по работе цикла. Кстати, это указывает на то, что заваливать процесс подвода теплоты на линию расширения не следует.

Приведем формулы термического КПД и величины среднего давления этого цикла:






В этих формулах ε – степень сжатия (Va/Vc), λ – степень повышения давления при сгорании (pz/pc), ρ – степень предварительного расширения (Vz/Vc), k – показатель адиабаты сжатия – расширения.

А вот известные формулы термического КПД и среднего давления смешанного цикла (Сабатэ – Тринклера) - цикла дизеля со смешанным подводом теплоты –сначала по изохоре, а затем по изобаре:






При равных степенях сжатия и величинах максимального давления сгорания термический КПД и величина среднего давления смешанного цикла (Сабатэ-Тринклера) всегда превосходят соответствующие величины цикла Ибадуллаева. Это хорошо видно на следующем рисунке. Пунктирная кривая – КПД смешанного цикла.



Из графика видно, что темп роста величины термического КПД с увеличением степени сжатия начинает замедляться (кривая dηt / ), в то время как величина конца сжатия Pc продолжает интенсивно увеличиваться.


Если говорить о действительном цикле, предлагаемом автором, то это – цикл бензинового четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием, имеющего различие в регулировках – для ослабления детонации зажигание горючей смеси в ВМТ. Во всех учебниках, начиная с 30-х годов прошлого века можно найти индикаторные диаграммы действительного цикла с величинами углов опережения зажигания, близких к нулю.




Посмотрите на кривую с номером 1. Это – действительный цикл, который предлагает Г.А. Ибадуллаев.

Он применяется только тогда, когда нужно ограничить максимальное давление сгорания. А в последнее время циклы с малым углом опережения зажигания применяют для ограничения эмиссии оксидов азота. Экономичность при этом всегда ухудшается.

В тридцатые – сороковые годы прошлого столетия изучена работа авиационных двигателей с высокими степенями сжатия на высокооктановых топливах.

От создания бензиновых двигателей с высокими степенями сжатия отказались по целому ряду особенностей их работы:

  1. Не был получен желаемый выигрыш в экономичности двигателей с высокими степенями сжатия. Выигрыш в термическом КПД от применения высокой степени сжатия сводился на нет повышенными потерями на трение вследствие более высоких давлений цикла и потерями экономичности при уходе от оптимальных углов опережения зажигания.

Повышенные нагрузки в бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия приближали его по массогабаритным показателям и стоимости к дизелям. Уже при степени сжатия , равной 25, давление конца сжатия достигает 71,7 бар.

Обеспечить надежную работу двигателя с такими параметрами цикла можно усилением деталей (растет масса и стоимость двигателя), применением более дорогих материалов (растет стоимость двигателя), совершенствованием системы управления.

К сожалению, в своем докладе автор не представил на обсуждение надежных сертифицированных данных по пусковым качествам двигателя, расходам топлива, внешней характеристике, частичным характеристикам, нагрузочным характеристикам. Хотелось бы видеть индикаторные диаграммы, температуры деталей и газов на выхлопе, оценки показателей надежности и экологичности. Без этих данных трудно судить об эффективности повышения степени сжатия.

В целом по материалам доклада можно заключить, что автор добился крупных результатов, организовав удовлетворительную работу без детонации двигателя ВАЗ с высокой степенью сжатия (что-то около 20-21). Но совершенно ясно, что такие двигатели не скоро найдут применение. Потребуется решение целого ряда проблем на пути доводки их конструкции до уровня современных двигателей по экономичности, надежности и стоимости изготовления. Кроме того, они всегда будут уступать по этим параметрам дизелям. Ближайшее возможное их применение – высокооборотные двигатели автомобилей, участвующих в ралли. Там можно не обращать внимания на их меньший ресурс, усложнение систем зажигания и управления.





^ Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия.


Уважаемые коллеги!


Хочу выразить глубокую признательность организаторам конференции за предоставленную мне возможность выступить перед такой авторитетной аудиторией и поздравить коллектив кафедры «Поршневых двигателей» МГТУ им Э.М. Баумана со 100-летним юбилеем, пожелать ему творческих успехов на благо нашей Родины.

Я впервые удостоен чести выступать перед аудиторией, которая составляет цвет и гордость российской и мировой науки в области двигателей внутреннего сгорания.

Учитывая, что у меня вообще нет опыта публичных выступлений, прошу вас быть снисходительными, если в моем выступлении прозвучат тезисы, которые могут показаться категоричными или радикальными.

Тема моего сообщения «Бензиновый двигатель внутреннего сгорания со сверхвысокой степенью сжатия» сама по себе может вызвать недоумение. Какая еще может быть сверхвысокая степень сжатия, если общеизвестно, что эффективный бензиновый двигатель внутреннего сгорания со степенью сжатия более 14 построить невозможно.

И тем не менее, как бы странно это не звучало, начну с главного вывода своих многолетних экспериментов и поисков:

Верхний предел степени сжатия ДВС ограничивается не детонацией или недопустимой жесткостью, а технологическими возможностями. В подтверждение этого могу сказать, что перед зданием, в котором проходит наша конференция, стоит автомашина ВАЗ-2110. На ней установлен бензиновый двигатель со степенью сжатия 22, давлением сжатия 38-40 кг/см2. Двигатель запускается и работает так, что со стороны невозможно отличить его от двигателя с известными вам степенями сжатия. И в то же время мой двигатель имеет значительно лучшие эффективные показатели, чем двигатель со степенью сжатия 10.

Теперь перейду к изложению того, как и в сопровождении каких обстоятельств я смог прийти к таким выводам.

В 90-е годы я несколько лет пытался усовершенствовать механическую составляющую двигателя. Получил около 40 патентов на изобретения по системе питания, газораспределительному и кривошипно-шатунному механизмам.

Но однажды задумался. Если механический КПД лучших двигателей доходит до 80%, что там еще можно совершенствовать? Поэтому отказался от продолжения этой работы.

Из теории выходило, что существенно повысить термический КПД ДВС можно путем увеличения степени сжатия. Поэтому решил, что надо вести поиски в этом направлении. Уверенность в том, что вопрос имеет свое решение была основана на том, что ДВС действительно является более совершенным механизмом, чем паровая машина. А если это так, то и на режимах частичных нагрузок его КПД должен быть выше, чем у паровой машины.

Оценка работы существующих ДВС показывала, что наиболее совершенным шагом к созданию двигателя со сверхвысокой степенью сжатия является двигатель с высокой степенью наддува.

Двигатели, используемые в гонках Формулы 1, обычно имеют степень сжатия 11,5. Давление наддува в них принудительно, путем стравливания воздуха через установленный на впускном трубопроводе перепускной клапан, ограничивается величиной, если не ошибаюсь, в 2,7 кг/см2. При таком наполнении давление конца сжатия составляет около 100 кг/см2.

Анализ работы бензинового и дизельного двигателей с наддувом привел меня к таким выводам:

1. Двигатель Формулы 1 на внешней скоростной характеристике работает точно также, как работал бы его атмосферный аналог на внешней скоростной характеристике с увеличиваемой по мере увеличения оборотов степенью сжатия двигателя от 6 до 32 (при 1000 об/мин. ε=6, при 18 000 об/мин. ε =32).

2. Существует нелинейная зависимость между частотой вращения коленчатого вала, степенью сжатия двигателя и степенью дросселирования. Согласно этой зависимости, чем выше степень дросселирования, тем больше может быть степень сжатия двигателя. Чем больше обороты, тем меньше может быть степень дросселирования.

3. Можно вывести суммарную степень сжатия, как произведение степени сжатия в поршневом двигателе на степень сжатия в компрессоре, и построить атмосферный двигатель со сверхвысокой степенью сжатия.

4. В двигателях Формулы 1 не происходит детонации, потому что детонация не успевает произойти. В них на всех частотах вращения время завершения конца сжатия и начала расширения меньше, чем время задержки самовоспламенения.

Теория дает такое определение детонации: пристеночное сгорание смеси в результате самовоспламенения из-за повышения давления и температуры.

Указаны и три основных способа борьбы с детонациями: Это либо увеличение частоты вращения, либо уменьшение наполнения цилиндра путем уменьшения угла открытия дроссельной заслонки, либо уменьшение угла зажигания.

Другие способы борьбы с детонацией: применение высокооктановых топлив, организация повышенной турбулизации заряда в цилиндре, оптимизация формы камеры сгорания, работа двигателей на обедненных и сверхобедненных смесях, переход на впрыск бензина в цилиндры двигателя, впрыскивание воды во впускную систему, организация гибридных рабочих процессов, создание двигателей с переменной степенью сжатия, повышение частоты вращения вала двигателя, мной не использовались и поэтому не рассматриваются.

Все три приведенных способа с позиций действительной степени сжатия имеют целью получить один и тот же результат. Увеличение частоты вращения при сохранении угла открытия дросселя приводит к уменьшению расхода смеси. Уменьшение угла открытия дросселя при сохранении частоты вращения тоже приводит к уменьшению расхода смеси. Уменьшение угла опережения зажигания способствует уменьшению количества смеси, сжигаемой на такте сжатия и соответственно уменьшению давления и температуры конца сжатия.

Т.е. все предлагаемые теорией методы борьбы с детонацией имеют целью получить более низкие давление Рс и температуру Тс конца сжатия.

По моим представлениям детонационные давления и температуры возникают в любом современном атмосферном бензиновом двигателе. О двигателях с наддувом и говорить не приходится. Но детонационное сгорание произойдет только в том случае, если повышенные температура и давление сохранятся в продолжение некоторого отрезка времени.

Т.е. детонация есть явление, вызываемое взаимодействием трех факторов: давления, температуры и времени.

В моем представлении это означало, что каждому значению величины Рс с его температурой в рабочем цикле двигателя соответствует своя продолжительность времени задержки самовоспламенения. Зависимость между величинами Рс - Тс и периодом задержки самовоспламенения получалась обратная, непропорциональная и нелинейная. Но в целом эту зависимость можно охарактеризовать так: Чем выше значение величин Рс - Тс, тем меньше время задержки самовоспламенения. И наоборот. Чем меньше значение величин Рс - Тс, тем больше время задержки самовоспламенения. Главным условием при переносе этой зависимости на работу двигателя должно быть, чтобы конец сжатия и начало расширения завершились бы раньше времени задержки самовоспламенения.

Из этого вывода следовал еще один вывод: если каждый цикл ДВС построить таким образом, что время задержки самовоспламения в нем будет больше времени завершения конца сжатия и начала расширения, детонации не будет совсем.

Для того, чтобы построить двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, надо было выполнить следующие несколько условий.

1. На завершении такта сжатия при положении поршня в ВМТ в цилиндре двигателя должно достигаться максимальное (преддетонационное) для цикла давление Рс1.

В работе двигателя, состоящем из множества циклов, значение величины Рс1 для каждого отдельно взятого цикла будет своим, отличающимся от остальных циклов.

2. Не должно быть ввода теплоты на сжатии. Потому что возникновение очага пламени и распространение пламени по фронту на такте сжатия создает дополнительные благоприятные условия для детонаций.

В двигателе со сверхвысокой степенью сжатия ввод теплоты должен начинаться в ВМТ. Поэтому угол зажигания для данного цикла превращается в константу. Подобранный для конкретных условий (октановое число, степень наполнения и пр.) угол зажигания ни увеличивать, ни уменьшать нельзя.

3. Конец сжатия, начало расширения должны завершиться раньше времени задержки самовоспламенения.

Давление Р1 и температура рабочего тела зависят от двух факторов: 1. Объема рабочего тела. 2. Кратности сжатия рабочего тела.

Эти факторы являются взаимозависимыми и регулируемыми. Регулировать величину Р1 и температуру рабочего тела можно, регулируя объем рабочего тела, участвующего в цикле, путем ограничения наполнения цилиндра (при этом следует учесть, что при дросселировании, снижается давление начала сжатия Ра, но при этом растут потери на насосные хода).

4. На рабочем такте на период распространения пламени по фронту величина Р1 не должна расти, иначе детонация возникнет на этом этапе. Эта величина не должна и уменьшаться, иначе двигатель потеряет эффективность. Т.е. процессы увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания на указанный период должны быть так синхронизированы, чтобы давление в камере сгорания не изменялось до завершения процесса распространения пламени по фронту.

5. После начала процесса полного тепловыделения, давление Р1 должно увеличиться до величины Рz, которая также будет переменной величиной для разных циклов.

Возникали вопросы: нужен ли двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, даст ли он эффект? Если да то, до каких величин можно увеличивать степень сжатия?

Для меня ответы на эти вопросы, как тогда, так и теперь не однозначны. С одной стороны при расчетах термического КПД получалось, что степень сжатия можно увеличивать до любых величин. С другой стороны индикаторный и эффективный КПД ДВС зависят от тепловых и механических потерь. Чем выше степень сжатия двигателя, тем выше эти потери. Не зря практикой эксплуатации дизельных и бензиновых двигателей признано нецелесообразным повышать степень сжатия вследствие неэффективности ее повышения больше определенной величины, называемой «наивыгоднейшей степенью сжатия». Вместе с тем проецирование этого вопроса на работу двигателя с переменной (или регулируемой) степенью сжатия и на работу двигателя с высокой степенью наддува позволял предположить следующее:

В ДВС с переменной степенью сжатия в зависимости от степени дросселирования уменьшается объем камеры сгорания, т.е. увеличивается степень сжатия.

Если взять двигатель со степенью сжатия 10, в котором степень сжатия изменяется пропорционально степени дросселирования, допустим от 10 до 20, то окажется, что при расходе от 39% до 100% смеси, процесс сжатия в нем завершается при одних и тех же значениях Рс и Тс.

В серийном двигателе Ауди 1,8 ТТ со степенью сжатия 9 при частоте вращения выше 1700 об/мин достигается давление наддува 1,4 бар. Расчетное давление в конце сжатия при этом составляет 46 бар. В атмосферном двигателе при Ра=0,9 такое давление в конце сжатия может быть получено при степени сжатия 18.

Т.е. в первом случае мы имеем двигатель, который работает при высокой степени сжатия на частичной характеристике, а во втором случае- двигатель, который работает на внешней характеристике с Рс и Тс, соответствующими примерно такой же степени сжатия.

Это позволяло предположить, что увеличение степени сжатия (по крайней мере, бензинового двигателя) до определенных величин даст рост КПД почти в линейной зависимости. Дальнейшее увеличение степени сжатия из-за роста доли отрицательной работы будет давать все меньшее увеличение КПД. В определенной точке произойдет пересечение линий. При дальнейшем увеличении степени сжатия эффективный КПД начнет падать.

Ответа на вопрос п. 4 на тот период у меня не было. Тем не менее, сделанные выводы показались достаточными для того, чтобы попытаться найти поддержку у ученых и, естесственно у производственников. Чтобы построить двигатель с ограничением наполнения и уже в ходе самой работы и испытаний найти ответ.

Тут, наверное, будет уместно сказать, что у меня нет технического образования. К тому же склад ума такой, что умею хорошо мыслить, но очень плохо озвучиваю эти мысли в понятной для окружающих форме. Честно говоря, в этой части мне и сегодня бывает довольно трудно.

В конце 2001 года я познакомился с Николаем Антоновичем Иващенко. Спустя некоторое время по его рекомендации с Шатровым Михаилом Георгиевичем. Это сейчас, после стольких лет работы мое изложение звучит в какой-то мере складно и понятно. А тогда? Честно скажу. К моему огорчению, кроме меня самого, никто не мог понять о чем я хочу сказать. После первой встречи и трехчасовой беседы Николай Антонович сказал, что слушал меня только потому, что я ставлю вопросы интересно и оригинально. Поэтому обещал и дальше выслушивать и помогать. И действительно в дальнейшем терпеливо выслушивал, анализировал и советовал. Михаил Георгиевич с присущим ему чувством юмора честно сказал, что я нес полный бред и он ничего не понял. Но ему нравится моя убежденность и он готов оказывать мне все возможное содействие. И действительно в дальнейшем безотказно помогал.

После нескольких встреч и дискуссий они сказали, что ход моих размышлений стал более понятен и может заинтересовать производственников. Дали согласие на то, чтобы я в своих обращениях ссылался на их мнение.

Уже ссылаясь на авторитет Иващенко Н.А. и Шатрова М.Г., сделал несколько попыток убедить представителей АвтоВАЗа помочь мне с изготовлением действующего образца. Меня каждый раз слушали, кивали головами. После четвертой поездки в г. Тольятти, сказали, что я им надоел. Сказали, чтобы больше не приезжал.

Убедить кого-либо помочь мне построить опытный образец двигателя мне не удалось. Поэтому в сентябре-октябре 2002 года на базе шестицилиндрового двигателя БМВ самостоятельно, своими силами построил первый бензиновый двигатель со степенью сжатия 17. До апреля 2003 года ездил на ней с ограничителем хода педали газа, т. к. не знал, как быть с процессом расширения.

Но вдруг выяснилось, что для решения вопроса, поставленного в п. 4, т.е. как синхронизировать процессы увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания на начале расширения для обеспечения постоянства давления Р1, вообще ничего не надо делать. Оказалось, что задача уже решена, а я просто не догадывался об этом. Выходило следующее:

При условии работы двигателя без детонации, скорость распространения пламени по фронту величина постоянная. (Первая константа).

Скорость изменения объема камеры сгорания зависит от оборотов двигателя. Но для конкретной частоты вращения эта скорость величина постоянная. Т.е., например, для частоты вращения 1500 об/мин скорость изменения объема камеры сгорания и на сжатии и на расширении величина известная, конкретная и постоянная. (Вторая константа).

Для данной частоты вращения степень допустимого наполнения цилиндра (или величина ограничения) будет иметь конкретное значение. Соответственно, масса рабочего тела, поступающего в цилиндр, тоже будет постоянной величиной. (Третья константа).

При этих условиях, получаемая в конце сжатия величина давления Р1 и температура рабочего тела также будут постоянными величинами. (Четвертая константа).

Для данных давления Р1 и температуры рабочего тела время задержки самовоспламенения также будет постоянной величиной. (Пятая константа).

При таком соотношении постоянных величин (констант), формирующих процесс горения и расширения, синхронизация процессов увеличения объема камеры сгорания и давления рабочего тела происходит сама по себе.

Поняв это, снял ограничитель хода педали. Машина стала ездить на полном дросселе, никаких проблем с синхронизацией не возникло.

В дальнейшем стал строить двигатели на базе ВАЗ-2110. Чередуя работу на стенде с ездой на автомашине, решал многочисленные проблемы.


^ Результат всей этой работы получился такой.

В бензиновом ДВС с внешним смесеобразованием со сверхвысокой степенью сжатия рабочий цикл происходит следующим образом: степень сжатия двигателя, например, составляет 22, частота вращения коленчатого вала выше 1800 об/мин, например, 2000 об/мин, режим работы-внешняя скоростная характеристика.

При перечисленных условиях дроссельная заслонка открыта полностью, расход воздуха максимальный для данных оборотов. Угол опережения зажигания (УОЗ) 6 градусов до ВМТ. При нахождении поршня в 0 градусов ВМТ начинается распространение пламени по фронту. До 6000 об/мин двигатель работает при полностью открытом дросселе, только изменяется УОЗ.

При уменьшении частоты вращения коленчатого вала ниже 1800 об/мин, например, до 1200 об/мин дроссельная заслонка меняет положение и ограничивает наполнение цилиндра. При этом, если при полностью открытой дроссельной заслонке наполнение цилиндра составило бы 360 мг смеси, то при реальной работе на внешней скоростной характеристике при указанной частоте вращения коленчатого вала дроссельная заслонка должна занять такое положение, при котором максимальное поступление смеси в цилиндр должно составить не более 270 мг на рабочий такт.

Для двигателя со сверхвысокой степенью сжатия понятие работы на внешней скоростной характеристике имеет другой смысл, чем для традиционного двигателя. На низких оборотах для него это - работа при максимально допустимом наполнении цилиндра.


На данный момент по поводу двигателя со сверхвысокой степенью сжатия существует два мнения.

^ Первое мнение: Открыт новый термодинамический цикл. На основе этого цикла создан и построен новый вид ДВС. На основе нового цикла будут строиться ДВС с наиболее эффективными степенями сжатия и максимально достижимым КПД.

^ Второе мнение: Путем использования известных теории ДВС способов борьбы с детонацией построен двигатель со сверхвысокой степенью сжатия, который работает без детонации.

В основе этих мнений лежит вопрос: есть синхронизация процессов на расширении или нет ее. Противоаргументом моей позиции выдвигается следующее:

Из теории следует, что 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, но не остается таким, как в зоне возмущения.

В замкнутом сосуде неизменного объема при нагревании газа происходит увеличение давления, при его охлаждении – уменьшение давления и температуры. Если стенки объема деформируются, то происходит увеличение и объема и давления. Увеличивается давление в этом случае меньше, чем при отсутствии деформации стенок. С началом процесса сгорания интенсивность подвода теплоты такова, что скорость увеличения давления рабочего тела опережает скорость увеличения объема камеры. В виду этого принято считать, что выровнять скорости увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания невозможно. Поэтому в камере сгорания происходит поджатие зоны смеси, до которого фронт сгорания еще не дошел. Если интенсивность поджатия смеси окажется слишком высокой, произойдет детонация.

Но, как указано выше, путем дросселирования можно регулировать интенсивность увеличения давления рабочего тела. А раз ее можно регулировать, то для каждого конкретного рабочего цикла путем дросселирования (ограничения наполнения цилиндра) можно подобрать и установить такую интенсивность увеличения давления, которая соответствовала бы скорости увеличения объема камеры сгорания. Т.е., как выяснилось, процесс можно синхронизировать.

Поэтому, если в период распространения фронта пламени, синхронизировать скорости увеличения давления рабочего тела и объема камеры сгорания, давление останется неизменным.

Процесс синхронизации в моем двигателе можно нарушить приведенными выше тремя способами: 1. При сохранении всех данных (УОЗ, расход воздуха, состав смеси и пр.) уменьшить обороты. 2. При сохранении всех данных (УОЗ, обороты, состав смеси и пр.) увеличить расход смеси. 3. При сохранении всех данных изменить УОЗ.

Эксперименты с нарушением синхронизации проводились неоднократно. По приведенным пунктам могу привести такие данные: Обороты 1700, дроссель открыт полностью, расчетный Рс=60 кг/см2. Двигатель работает без детонации. Уменьшение оборотов до 1680, т.е. всего на 20 об/мин, вызывает детонацию. Другой пример: Обороты 1680, дроссель прикрыт, расход смеси 355 мг на цикл. Расчетный Рс=58 кг/см2. Детонации нет. Дроссель открывается полностью. Расход смеси становится 360 мг на цикл. Двигатель детонирует. Третий пример: Перенос угла зажигания на 10 градусов выше или ниже оптимальной точки в двигателе ЗМЗ-406 со степенью сжатия 9,5 каких-либо заметных изменений в его работе не вызывает. В моем же двигателе максимально возможное смещение угла зажигания от оптимальной точки составляет всего 1-1,5 градуса в сторону его увеличения и 2-3 градуса в сторону уменьшения. И то в первом случае возникает сильная детонация, а во втором случае резко падает эффективность.

Рс и Тс это давление и температура в той точке, которая называется концом сжатия-началом расширения. Сформировавшись в момент завершения сжатия, они в таковом качестве вступают в процесс расширения. Соответственно этому приведенные выше примеры экспериментов касаются давления Р1 и показывают, что даже незначительное, всего на 2 кг/см2, увеличение Р1 приводит к детонации.

Синхронизация процесса расширения есть отличительный признак цикла и основа, на котором строится работа двигателя со сверхвысокой степенью сжатия. Можно сказать так: есть синхронизация, есть работающий двигатель, нет синхронизации, нет работающего двигателя.

Особенности индикаторной работы двигателя следующие:

^ 1). При работе на внешней скоростной характеристике

При работе двигателя от минимальных до максимальных оборотов на внешней скоростной характеристике имеются 3 зоны, в которых работа двигателя строится по совершенно разным принципам.

Зона № 1 (рис. 1 и 6).

Это зона ограничения наполнения. Существование указанной зоны отличает мой цикл от остальных известных. Границы зоны зависят от степени сжатия двигателя, детонационной стойкости топлива и пр. Например, для двигателя со степенью сжатия 22 при использовании бензина Аи-98 зона ограничения наполнения завершается при частоте вращения коленчатого вала 1800 об/мин. В указанной зоне при работе двигателя на внешней скоростной характеристике дроссельная заслонка не может открываться на больший угол (по расходу воздуха), чем это предусмотрено в диаграмме на рис. 6. Индикаторная диаграмма имеет уступ, ввод теплоты начинается в ВМТ. На период распространения пламени по фронту обеспечивается постоянство давления Р1.

Зона № 2 (рис. 2). Указанная зона состоит из 2-х переходных этапов. Первый переходный этап. Располагается за зоной ограничения наполнения. В указанной зоне дроссельная заслонка открыта полностью. Но ввод теплоты начинается в ВМТ. Угол зажигания изменяется незначительно, с коррекцией на увеличение частоты вращения. Ширина зоны- диапазон частот, примерно, 100-200 об/мин. Для двигателя со степенью сжатия 22 первый переходный этап завершается при частоте вращения коленчатого вала 2000 об/мин. Существование зоны объясняется следующим: По мере увеличения частоты вращения уменьшается время сжатия смеси. Увеличение интенсивности процессов сжатия увеличивает степень подготовки смеси к горению и увеличивает интенсивность процессов горения. Поэтому в указанном диапазоне частот точка начала ввода теплоты остается в ВМТ.

Второй переходный этап. Протяженность этапа по диапазону частот 300-500 об/мин. В указанной части зоны точка ввода теплоты переходит на такт сжатия и постепенно смещается в сторону НМТ. На индикаторной диаграмме правый конец уступа постепенно поднимается в сторону Рz. К концу второго этапа переходной зоны № 2 уступ исчезает полностью.

Зона № 3 (рис. 3). В указанной зоне начало ввода теплоты и начало распространения пламени по фронту начинается на такте сжатия. Индикаторная диаграмма по показателям Рс и Рz соответствует индикаторной диаграмме двигателя с высокой степенью наддува.

^ 2). При работе на режимах частичных нагрузок.

У двигателя со степенью сжатия 22 при расходе 34% воздуха (см. рис. 4) от максимально возможного индикаторная диаграмма по показателям Рс и Рz соответствует индикаторной диаграмме двигателя со степенью сжатия 10, работающего на внешней скоростной характеристике. При дальнейшем увеличении наполнения в зависимости от оборотов происходит следующее:

1. Если двигатель работает в зоне ограничения наполнения, по мере увеличения наполнения в диаграмме появляется уступ.

2. Если двигатель работает за пределами зоны ограничения, Рс и Рz увеличиваются до максимальных величин для данного наполнения.

Какова величина уступа по углам поворота коленчатого вала точно не знаю. Но ясно одно. В зоне ограничения наполнения период синхронизации должен соответствовать периоду распространения пламени по фронту. В противном случае возникнет детонация.

Изложенные выводы и решения пришли не все вместе и не сразу. Это была работа нескольких лет. Большую помощь в практической работе мне оказал М.Г. Шатров. Все эти годы научным руководителем моих поисков был Иващенко Н.А. Сегодняшнее мое сообщение есть не только результат моей работы, но и в значительной степени результат той бескорыстной помощи, которую они мне оказали.

Осмысление с помощью Иващенко Н.А. проделанной работы привело меня к выводу о том, что найдено не просто решение, как избавиться от детонации в бензиновом двигателе и недопустимой жесткости в дизельном двигателе. Открыт термодинамический цикл, который позволит строить ДВС с наиболее эффективными степенями сжатия и максимально достижимым КПД.

Почему я считаю, что имею право говорить о термодинамическом цикле? Потому что ни один из существующих циклов не в состоянии обеспечить работу ДВС со сверхвысокими степенями сжатия. Ни один из циклов не содержит в себе такой последовательной совокупности признаков, которые есть у моего цикла. Поэтому он новый и будет располагаться в ряду существующих циклов, как отдельное и самостоятельное явление.

^ Предлагаю вашему вниманию следующую формулу цикла:

Смешанный цикл работы бензинового ДВС со сверхвысокой степенью сжатия, в котором на первом такте производится впуск свежего заряда воздуха (либо топливно-воздушной смеси), на втором такте производится сжатие этого заряда до давления Р1, на третьем такте происходит расширение продуктов горения, на четвертом такте производится удаление из цилиндра продуктов сгорания, отличающийся тем, что при работе на внешней скоростной характеристике, в зависимости от частоты вращения, на такте впуска производится ограничение наполнения цилиндра рабочим телом для обеспечения на рабочем такте на период распространения пламени по фронту постоянства давления Р1 путем синхронизации процесса увеличения объема камеры сгорания и давления рабочего тела. При этом точка начала ввода теплоты находится в ВМТ (верхней мертвой точке) на рабочем такте, часть теплоты вводится при постоянном давлении Р1, а остальная часть теплоты вводится при увеличивающемся до значения Рz давлении.










Диаграммы удельного расхода топлива двигателя ЗМЗ-406 (ε =9,5. V=2,4 л.) и макета двигателя ИГА (ε =20,5. V=1,6 л.) в зависимости от положения дросселя (3200 мин-1).


ge

гр/квт/ч


414


367


325

293 294

260 ЗМЗ

253 245 241 245 239

246 ИГА




50 60 70 80 90 100

Дроссель %


Динамика изменения крутящего момента в зависимости от положения дросселя двигателя ЗМЗ-406 и макета двигателя ИГА(3200 мин-1)


Ме

Н/м


181 ЗМЗ


145

116 139 ИГА

126

106

90

77 90

62 70

52

50 60 70 80 90 100

Дроссель %


Индикаторная диаграмма бензинового ДВС с ε =22 при 1800 об/мин.


Р Рz Рb

140кг/см2


60кг/см2

Рс=Р1





Ра




ВМТ Vc Vh 140* НМТ

Рис. 1

Индикаторная диаграмма бензинового ДВС с ε =22 при 2000 об/мин.


Р Рz Рb

140кг/см2


60кг/см2

Рс





Ра




ВМТ Vc Vh 140* НМТ

Рис. 2


Индикаторная диаграмма бензинового ДВС с ε =22 при 2300 об/мин.


Р Рz Рb

140кг/см2


75кг/см2

60кг/см2

Рс





Ра




ВМТ Vc Vh 140* НМТ

Рис. 3


Индикаторная диаграмма бензинового ДВС с ε =22 при 1800 об/мин.

При расходе 50% воздуха.


Р Рz Рb

60кг/см2




Рс





Ра




ВМТ Vc Vh 140* НМТ

Рис. 4


Диаграмма

максимального наполнения цилиндра бензинового ДВС со степенью сжатия 9 с турбокомпрессорным наддувом в зависимости от оборотов

3



2,5

2


1,5



1



0,5



800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 2000 6000


Рис. 5


Диаграмма

Максимально допустимого наполнения цилидра бензинового ДВС в зависимости от оборотов при степени сжатия 22 (полное наполнение принимается за 1)



1

0,9

0,8


0,7

0,6



0,5



800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 2000 6000

Рис.6


Г.А. Ибадуллаев





^

Выступление Ибадуллаева Г.А. на конференции







Профессор Кавтарадзе Р.З., доцент Онищенко Д.О., профессор Зигфрид Блудсцувайт, доцент Фатахов М.М. (слева направо) при демонстрации работы двигателя





Замеряется давление сжатия. У контрольной ВАЗ-2110 оно составило 14,5 кг/см2.





Обсуждение.


^

Бензиновый двигатель с высокой степенью сжатия


Фатахов. М.М.

Махачкалинский филиал МАДИ (ГТУ)


Современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания является достаточно совершенной и сложной машиной. Трудно даже представить, что в столь привычных для многих двигателях автомобилей семейства ВАЗ каждый из 4х поршней способен совершать 200 ходов в секунду. В мире существуют двигатели с номинальной частотой в 2, а то даже в 3 раза большей, чем у ВАЗа, т.е. каждый из поршней этих двигателей способен совершать по 400-600 ходов за секунду. Какие же огромные должны быть при этом силы инерции деталей КШМ, какими напряжениями по времени являются процессы двигателя? Но с другой стороны в бензиновом двигателе всего не более 30% энергии заключенного в сгораемом топливе удается преобразовать в полезную механическую работу и то на режимах полных нагрузок, а на частичных режимах, на которых в основном и работает автомобильный двигатель, эффективный КПД в разы меньше. С этой стороны считать автомобильный двигатель совершенной машиной не справедливо. Отсюда и понятны более столетние поиски ученых, исследователей, конструкторов путей повышения эффективного КПД двигателя. На мой взгляд, единственным способом существенного повышения эффективного КПД двигателя, является повышение степени сжатия. Всем известно, что ограничение на повышение степени сжатия в бензиновом двигателе ставит детонационное сгорание. Ибадуллаевым Г.А изготовлены экспериментальные образцы бензиновых двигателей со степенями сжатия 20, 25 и 30, хотя экспериментальными образцами их можно назвать условно, поскольку они изготовлены не в заводских, а в кустарных условиях. Двигатели эти работают без детонации, один из них установлен на автомобиль ВАЗ-2110 и на сегодняшний день имеет пробег 40 тыс. км. Со слов автора, двигатель не раз перебирался и состояние деталей КШМ идеальное. Работа двигателя Ибадуллаева Г.А. построена по следующему циклу. При работе по внешней скоростной характеристике угол опережения зажигания задается таким, что по времени он равен периоду задержки воспламенения, т.е. в момент прихода поршня в ВМТ формирование очага пламени уже завершено. От ВМТ начинается процесс распространения пламени по фронту. Начиная от этого момента, в надпоршневой полости формируются три области разных физических состояний: область сгоревшей смеси, область пламени и область смеси. При этом не будет иметь место детонационное сгорание, если в области смеси не произойдет повышение давления, пока фронт пламени не распространится по всему объему. Давление в области смеси зависит: во-первых, от скорости увеличения объема надпоршневой полости вследствие перемещения поршня от ВМТ к НМТ, в свою очередь, зависящая от частоты вращения коленчатого вала; во-вторых, от скорости тепловыделения и теплообменных процессов между отдельными областями рабочего тела и между рабочей смесью и поверхностью, образующей надпоршневое пространство, в свою очередь, при данной степени сжатия, зависящая от наполнения. Регулированием наполнения, т.е. дросселированием, добиваемся равенства скорости расширения и скорости увеличения объема рабочего тела, чему на диаграмме соответствует изобара „c-z'”.

После распространения пламени по всему объему камеры сгорания происходит интенсивное тепловыделение, приводящее к резкому повышению давления и температуры. Чему на диаграмме соответствует изохора „z'-z”. Далее идет процесс расширения „z-в”. Всему этому предшествовал процесс сжатия „а-с”. На основе общеизвестных термодинамических соотношений и допущения, что процессы „а-с” и „z-в” адиабатные, для теоретического цикла, по которому работает рассматриваемой двигатель, получено выражение для определения термического КПД – ηt (1)


(1)


Также на основе общепринятых положений теории ДВС получено выражение для среднего индикаторного давления цикла (2)


(2)





Рис. 1.

Результаты расчета термического КПД цикла при реальных, на мой взгляд, степенях предварительного расширения и увеличения давления (ρ = 1,4; λ = 2,0) при степени сжатия ε = 25 дает ηt = 0,69, а при ε = 30 дает ηt = 0,71, что на 15÷20% выше, чем у двигателя со степенью сжатия ε = 10 с подводом тепла по изохоре.

Результаты расчета среднего индикаторного давления показывают, что оно на 40 и 55% выше, чем у серийного двигателя, соответственно при ε = 25 и ε = 30. Эти цифры свидетельствуют о том, что это огромный шаг в развитии поршневых двигателей внутреннего сгорания.


Расчет

Термического КПД и среднего индикаторного давления бензинового

ДВС по циклу Ибадуллаева.



Литература

1.Ленин И. М. Автомобильные и тракторные двигатели. -М.:Высшая школа. 1976 г.

2.Воинов А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. -М.: -Машиностроение, 1977 г.
^

Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия


Период 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 фронту

Чем 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




Скачать 451.35 Kb.
оставить комментарий
Дата12.10.2011
Размер451.35 Kb.
ТипРешение, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  1
отлично
  17
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх