Представляем Вашему вниманию технические и теоретические описания процессов, которые заставляют функционировать мотоцикл, а также cписок вопросов и ответов по данной теме.
Проблема взрыва, называемая «детонацией», является очень серьезной и вредной проблемой для двигателя. Когда это происходит, то обычно значение давления, действующего на вершину поршня в течение взрыва, становится намного больше, и существует очень короткое время, как всплеск давления, в сравнении с обычным средним давлением в камере сгорания. Однако этот всплеск очень вреден для срока службы мотора, поскольку высокая постоянная ударная нагрузка на поршень, палец, коленчатый вал, подшипники и т.п. имеет весьма разрушительные последствия.
Детонация – это результат увеличения волн давления, подобных звуковым волнам, встречающихся в течение процесса сгорания, в тот момент, когда поршень находится около положения верхней мертвой точки. Фактически «детонация» или «звенящий» звук взрыва происходит от этих волн давления, которые обстреливают противоположные внутренностей поверхности камеры сгорания и вершины поршня, и она происходит в момент 'столкновения фронтов пламени' или 'фронтов взрыва, ударяющихся о стенки камеры сгорания или в поршень'.
Давайте изучим некоторые детали того, как взрыв может происходить в течение процесса сгорания. Сначала волна давления, которая произведена от начального зажигания на искровом промежутке свечи, движется через несгоревшую воздушно-топливную смесь, опережая фронт пламени. Типичные скорости этого фронта пламени для воздушно-топливной смеси находятся на уровне 40-50 сантиметров в секунду. Эта скорость значительно медленнее, чем скорость звука в цилиндре. Её значение составляет около 300 метров в секунду. В действительности же, истинная скорость за пределы размножающегося фронта пламени значительно более высока из-за турбулентности смеси. В основном «пламя» распространяется за свои границы ступенчато, небольшими вихрями, раздуваясь мелкими частями турбулентной воздушно-топливной смеси. Такую модель процесса сгорания топлива называют «вихревая модель сгорания» (Близард и Кек, 1974).
В дополнение к этому, реальный фронт поверхности пламени в большой степени «сморщен». И он обычно имеет фрагментарный характер расширения с очень большой степенью турбулентности, которая и приводит к значительному увеличению поверхности области фронта пламени. Вы должны понимать, что приведенные рисунки - это все же приблизительные компьютерные модели. Такое увеличение поверхностной области способно сжечь ещё больше смеси, так как большее количество смеси подвергается действию большей поверхности фронта пламени. Такую модель сгорания называют «фрагментарной моделью горения» (Гудин Ф.К. 1987, Абрахам. 1985). Эти эффекты изучены в так называемых «скользящих картинах», которые получены с помощью быстродействующей киносъёмки через кварцевое окно специально измененной камеры сгорания (рис. 1, выше). Скользящие картины показывают различные стадии процесса сгорания, в особенности очень морщинистый и бурный характер распространения фронта пламени, первоначально названный ядром пламени. Более высокая степень турбулентности, и, следовательно, более высокая «эффективная» скорость распространения фронта пламени может быть достигнута с помощью так называемой, хлопающей формы камеры сгорания. Иногда этот тип вихря в процессе закрутки, в котором поступающая смесь быстро вращается, достигает той же самой цели для увеличения степени сгорания смеси.
Как и следует по общему правилу, скорость локального повышения давления в камере сгорания в течение стадии сгорания имеет типичное значение 20-30 фунтов на квадратный дюйм на градус поворота коленчатого вала. Но, если в один момент повышение давления станет быстрее чем 35 фунтов на квадратный дюйм на градус поворота коленчатого вала, то двигатель будет вращаться очень неравномерно из-за механической вибрации компонентов двигателя, вызванных слишком большим ростом давления. Иногда, такая волна давления может быть достаточно сильна настолько, чтобы вызвать причинить самовоспламенение топлива, где в составе топлива уже есть свободные радикалы, например, гидрооксил или другие молекулы с такими же свободными O-H цепями, которые и вызывают это самовоспламенение зажигание волной давления. Однако все это может происходить даже без присутствия свободных радикалов, и это может происходить с большой вероятностью. Это происходит потому, что высокооктановые топлива с меньшим числом этих активных радикалов могут сильнее сопротивляться такому взрыву. Но высокооктановое топливо может взорваться даже не из-за слишком большого содержания свободных радикалов, а лишь потому, что значительное увеличение в давления цилиндре увеличивает локальную температуру, то есть скорость движения молекул, настолько высоко, что она достигает температуры самовоспламенения топлива. Эта температура воспламенения реально немного ниже, чем эта температура зажигания у главной углеводородной цепи топлива именно из-за создания дополнительных радикалов, вследствие разрыва углеводородных цепей топлива при межмолекулярных столкновениях.
Так как на гранях головки поршня происходит отражение волн давления от поршня или стенок камеры сгорания, то взрыв обычно начинается именно там, этих в точках увеличения волны давления, может конструктивно объединиться – с так называемой конструктивной интерференцией, которая и приводит к очень высокому местному давлению. Если скорость, при которой происходит это наращивание давления к взрыву, больше чем, скорость при который сгорает смесь, то волны давления и от начального зажигания в свече и волны давления, образующиеся от этих проблемных мест, например, от грани головки поршня, и так далее образуют самостоятельные взрывы. А не происходит обычного сгорание смеси поперек камеры сгорания, что приводит и к дальнейшим волнам давления и даже большему ослаблению взрыва. Всякий раз, когда встречаются и сталкиваются эти фронты давления, их разрушительная энергия распространяется на детали мотора, что очень часто приводит к механическому повреждению двигателя. Звук детонирующего взрыва - это только волны давления, обстреливающие противоположные поверхности вершины поршня и камеры сгорания. Верх поршня, его кольца, и подшипники стержня особенно подвергаются разрушению от взрыва. Кроме того, эти фронты давления, или ударные волны, могут сдувать несгоревший пограничный слой (см. рис. 2 выше) топливно-воздушной смеси около металлических поверхностей в камере сгорания.
Граничный слой - тонкий слой топливно-воздушного смеси именно над металлической поверхностью камеры сгорания (см. рис. 2, выше). Физический принцип, (очень точно названный граничными условиями) требует того, чтобы при нормальных обстоятельствах, то есть при равновесном сгорании, что означает это сгорание «хорошее, медленное и с хорошей передачей тепла». Этот граничный слой находится очень близко к металлическим поверхностям, и он обычно весьма тонкий, и возможно, что составляет доли миллиметра или толщиной не более миллиметра. Такой слой не будет гореть даже когда он будет, достигнут фронтом пламени, потому что он находится в тепловом контакте с холодным металлом, температура которого всегда значительно ниже температуры зажигания топливно-воздушного смеси что и не позволяет её загореться.
И только при этих предельных условиях детонации этот граничный слой и может быть «сдут» под действием давления фронтом ударной волны, которая происходит в течение взрыва. Именно в этом случае, и в течение этого, «далекого от равновесия» процесса, созданная детонацией ударная волна, входя в граничный слой, физически его разрушит. Степень разрушения будет зависеть от колебания давления, вызванное ударным фронтом и от агдезии и вязкости этого граничного слоя. Обычно эти граничные слои воздушно-топливной смеси остаются несгоревшими в течение нормального процесса сгорания, из-за их близкой близости к прохладным металлическим поверхностям и действуют как слой изоляции и предотвращают прямое действие пламени на металл. Так как волны давления, созданные в течение взрыва могут разрушить эти несгоревшие пограничные слои воздушно-топливной смеси, то они оставляют части вершины поршня и камеры сгорания, подвергаться действию фронта пламени. Это, в свою очередь, приводит к немедленному повышению температуры этих частей мотора, часто приводя к неисправности или, по крайней мере, к перегреву двигателя.
И только недавно ученые, и инженеры начали понимать процесс сгорания намного более детально благодаря очень честолюбивым программистам и их компьютерным симуляторам, которые моделируют детально каждую элемент процесса сгорания (Чин, 1990). В основном, полная компьютерная модель включает решение термодинамической проблемы, которая является решением уравнений сохранения и уравнения состояния, так же как массы, сжигающей заряд смеси и модель передачи тепла. Кроме того, отдельная программа, названная программой химической кинетики, моделирует химические процессы, которые происходят в течение процесса сгорания, и иногда манипулирует несколькими тысячами различных химических соединений, некоторые присутствуют в исчезающих маленьких концентрациях! Само собой разумеется, что эти программы требуют огромного количества памяти и времени работы центрального процессора, потребности которой могут обеспечить только наиболее производительные в мире суперкомпьютеры. Такие вычислительные ресурсы вне досягаемости для частных лиц и обычно используются только большими исследовательскими институтами или главными автомобильными производителями.
Список вопросов и ответов по этой статье:
В своей статье о значении бензина Вы упоминали, что «распространение пламени очень расширяется турбулентностью». Что необходимо принимать во внимание, когда изменяется расположение каналов двигателя ? Может ли быть увеличена турбулентность изменением расположения каналов, не теряя при этом качества потока на впуске ?
Если каналы изначально не созданы для создания сильного процесса образования турбулентности, образующейся в течение процесса впуска, то это не очень зависит от расположения каналов. Но это, верно, пока есть единственный канал с тем же самым общим расположением. Однако решительные изменения расположения каналов могут увеличить или уменьшить турбулентность в камере сгорания, но весьма трудно сказать что-нибудь определенное. Я думаю, что любое усовершенствование, полученное изменением расположения каналов в двигателе, вероятно, будет намного большим, чем любой возможно вредный эффект от расположения каналов, который повлиял бы на турбулентность.
Насколько я знаю, что есть только один мотоциклетный двигатель, который использует очень сильный процесс впуска вихревого типа. Это «домашней постройки» одноцилиндровый двигатель гоночного мотоцикла из Швейцарии, который использует самоочистку и имеет две пары расположенных по диагонали впускных и выпускных клапанов. Самые обычные каналы действительно вызывают очень маленькое количество вихрей, но это не важно насколько, так как производится большое количество турбулентности. Скорее, самая большая выгода может быть получена при сокращении хлопающего зазора до безопасного минимума, до примерной величины в 0,020-0,040 дюйма, в зависимости от особенности используемого двигателя. Это даст намного больший эффект увеличения турбулентности в камере сгорания, чем любая другая модификация.
Вопрос об эффектах хлюпающего зазора (squish band).
Очень важно понять две главные функции при сокращении хлопающегося зазора. Это увеличивает турбулентность из-за более быстрого всасывания двигателем смеси в камеру сгорания, следовательно, увеличивает объём сгорающей смеси. И уменьшает объем несгоревшей смеси в граничном слое холодного газа около вершины поршня и поверхностей головки цилиндра. Как правило, газ, попавший в хлопающую область, не сгорает, даже если хлопающая область достаточно большая. Охлаждающий эффект от большого соотношения поверхностности к объему этой области предотвратит любое зажигание топливно-воздушной смеси там, даже если хлопающийся зазор является довольно большим. Следовательно, любой газ, попавший хлопающую область, не будет сожжен около верхней мертвой точки, когда это будет наиболее ценно для работы мотора, но это будет позже в течение процесса сгорания, когда уже нельзя извлечь так много работы от позднее сгоревших газов. Количество газа, попавшего в хлопающую область, может быть существенно больше, чем просто в сравнении только с объёмом хлопающейся области, потому что волна давления от процесса горения буквально переполняет множеством несгоревшей смеси эту область зазора, подобно тому, как это делает сама хлопающая полоса.
Сокращение хлопающего зазора уменьшит количество несгоревшей смеси, приводя к более полному и более быстрому сгоранию, более меньшему выделению тепла и повышению мощности. Это - одна из немногих «безболезненных» модификации, которые можно выполнить на гоночных или даже на городских мотоциклах.
Даёт ли дополнительное охлаждение хлопающего зазора меньший эффект, чем добавление при этом дополнительного выделяющегося тепла?
В основном смесь в хлопающейся области находится в тепловом контакте со стенкой цилиндра и вершиной поршня и имеет примерно ту же самую температуру, которая гораздо ниже, чем температура воспламенения. Сокращение области хлопка уменьшает количество холодного газа в это и увеличит количество сгораемой смеси в области горения. Уменьшенная область хлопка немного увеличит температуру, даже если степень сжатия считать постоянной. Нет никакого «дополнительного охлаждения» механизма, если вы уменьшаете толщину хлюпающей области. Уровень охлаждения смеси в хлюпающейся зоне зависит от тепловой проводимости газо-металлического интерфейса, общей поверхностной области этого интерфейса и перепада температур между газом и металлом. Обратите внимание, что все эти факторы чрезвычайно постоянны в положении верхней мертвой точки и не зависят от толщины хлопающей области. Следовательно, уровень охлаждения один и тот же и для самой большого области хлопка, и при её самой маленькой величине. Таким образом, нет никакого «дополнительного охлаждения» механизма, если вы будете уменьшать толщину хлопающей области.
Предположим, что я смешиваюсь, один галлон бензина с октановым числом 87, и один галлон бензина с октановым числом 92. Вы говорите мне, что вместо двух галлонов с бензином в 89,5 единиц я получаю значение близкое к 92 (значение между 90 и 91) ?
Октановое число смешанного бензина вообще не будет линейной функцией от первоначальных октановых чисел, составляющих смешанного топлива. И при этом в большинстве случаев результат не будет простой функцией. Скорее всего, что октановое число становится весьма сложной, нелинейной функцией от некоторого очень малого количество свободных радикалов, типа гидроксила и гидроксен пероксида, которые содержатся в топливе. По существу, нет никакого простого аналитического способа предсказать результирующее октановое число топлива, для этого необходимы обширные испытания с калиброванным двигателем.
В то время как я это сделаю, какова будет удельная энергия смеси?
Как упомянуто прежде, удельная энергия более точно определяется для тахометрической, идеальной смеси и вообще не изменяется между различными видами обычного бензина или даже гоночного бензина.
Хорошо, я получил и прочитал статью, но теперь у меня теперь есть несколько вопросов. Не уже ли топливо становится газообразным форме из-за этого процесса ?
Рамон, воздушно-топливная смесь вдувается в камеру сгорания, но совершенно разбивается на атомы, а представляет собой взвешенные в воздухе капельки топлива, окруженными воздухом. Требуется дополнительная энергия для того, чтобы и далее раздробить этот пар, который должен нарушить гидростатические силы поверхностного натяжения в топливных каплях. Эта дополнительная энергия может быть взята от горячей поверхности (типа головки поршня и тому подобное), что и приводит тогда к охлаждению поршня. Дополнительная энергия также может быть передана через большую турбулентность и волны давления, как в хлопающей полосе двигателя, что и поможет далее раздробить топливо. Обратите внимание, что термин «атомизация», фактически вводит в заблуждение, так как молекулы все еще остаются неповрежденными, то есть углеводородными цепями (и кислородными связями для спиртов) все ещё остаются не нарушенными.
Можно ли считать что карбюрация только «распыляет» бензин в воздушный поток на крошечные капельки, которые таким образом все еще остаются превращенными в капли формой жидкости?
Да.
Если топливо действительно испаряется быстро и создает дополнительное давление, то таким образом происходит сокращение количества свежей порции топлива и следовательно, двигатель будет иметь меньше лошадиных сил, правда?
Правильно. Мощность будет зависеть от объемной эффективности двигателя, которая является функцией перепада давлений между окружающим воздухом и давлением в цилиндре. Если дополнительное топливо испарено в камере сгорания, то и давление в цилиндре повысится, и, в то время как клапаны все еще открыты, это уменьшит объемную эффективность, и таким образом, выходную мощности.
Также и то, что двухтактный мотор извлечь пользу от использования топлива, которое имеет более низкую энергию испарения?
Правильно. Топливо с более низкой удельной энергией испарения будет более легко «атомизироваться» и, таким образом улучшать охлаждение двигателя, но при этом несколько уменьшится и мощность двигателя.
Тогда, какой тип топлива имеет более низкую высокую температуру испарения ? Бензин этилированный или неэтилированный?
Высокая температура испарения топлива не зависит от содержания свинца. Скорее это зависит от главных углеводородных цепей топлива; изооктана или n-гептана, например. Обычный бензин может состоять из 20 различных компонентов с широким диапазоном индивидуальных точек кипения. Мы были очень серьезны, когда назвали эту смесь «химическим супом!». Нужно отдельно изучить лист спецификаций для каждого вида топлива. А в отношении гоночных видов топлива можно сказать, что они доступны у производителя.
Правильно ли если смешивать какой-нибудь этилированный бензин с остающимся неэтилированным бензином в бак?
Большинство видов топлива, и обычного и гоночного, даёт при одном и том октановом числе одну и туже мощность двигателя, поэтому переключение от обычного бензина на гоночное топлива не даст решительного никакого увеличение в мощности. Смешивание этилированного бензина с остающимся неэтилированным бензином в баке не имеет никакого преимущества и даст противоречивые результаты; следовательно, я не сделал бы этого на гоночном мотоцикле.
Литература
Дж. Абрахам, 1985 г., «Обсуждение турбулентной структуры пламени в предварительно смешанных объёмах смеси», SAE документ 850345.
Н.С. Близард и Дж. К. Кек, 1974 г., «Теория и практика исследований модели турбулентного сгорания для двигателя внутренних сгорания», SAE документ 740191.
Чин, 1990 г., «Диагностика и моделирование процесса сгорания в двигателях внутреннего сгорания», Токио, страницы 81-86.
Гудвин, 1987 г., «Применение фрактального метода к моделированию предварительно смешанного заряда топлива при турбулентном горении», глава 68 «Сгорание и пламя», страницы 249-266
Химический суп: тайна детонации
