Anonim

V zážihovom spaľovacom piestovom motore horí zmes paliva a vzduchu normálne ako lesný požiar: Teplo v prednej časti plameňa zvyšuje teplotu nespáleného materiálu pred ním natoľko, aby ho zapálilo. Inžinieri a chemici nazývajú tento druh horenia deflagrácie.

Za neobvyklých okolností môžu byť časti nespálenej zmesi paliva a vzduchu chemicky zmenené teplom, takže v nej môže nastať nezvyčajná a prudká forma spaľovania - detonácia. Pri detonácii dochádza k spaľovaniu vo veľmi tenkej zóne, ktorá má hrúbku iba niekoľkých molekúl, a je poháňaná krokom tlaku, ktorý sa vyskytuje v tejto zóne, ktorá je nárazovou vlnou. Ako táto vysokorýchlostná vlna postupuje, kompresia, ktorá sa v nej vyskytuje, je dostatočne silná na to, aby iniciovala spaľovanie, nevyžaduje sa žiadne progresívne zahrievanie. Toto je detonačná vlna.

Výkon v piestovom motore sa dodáva expanziou vysokotlakového spaľovacieho plynu proti piestu. Aby sme dosiahli maximálny výkon, chceme, aby spaľovanie dosiahlo maximálny tlak práve vtedy, keď piest pri svojom výkonovom zdvihu výrazne zrýchli nadol. Dosiahnutie maximálneho tlaku skôr, ako to mrhá energiu stratou tepla, ku ktorej dochádza, čím dlhšie je horúci vysokotlakový plyn uzavretý medzi piestom a hlavou valca. Dosiahnutie maximálneho tlaku neskôr redukuje samotný maximálny tlak, pretože piest, ktorý sa posunul ďalej, znižuje tlak nad ním expanziou.

Spravidla je spaľovanie v piestovom motore do značnej miery sústredené na TDC. Ak pre najlepší krútiaci moment potrebujeme nastaviť zapaľovanie na 35 stupňov BTDC, potom spaľovanie pokračuje približne v rovnakom čase po TDC, takže celá udalosť spaľovania je asi 70 stupňov. Pri 10 000 otáčkach za minútu je to zhruba 0, 001 sekundy. Hoci ľudia náhodne označujú spaľovanie v motoroch za „výbuch“, nie je to tak. Je to plynulé progresívne horenie pri nízkej rýchlosti 50 až 150 stôp za sekundu. Naproti tomu dynamit reaguje rýchlosťou 8 800 fps a modernejšie výbušniny, ako napríklad PBX alebo HMX, spaľujú takmer 30 000 fps.

SÚVISIACE: Vačkové hriadele, ventily a iné prerušované mechanizmy

Čím pomalšie je spaľovanie, tým skôr musíme nastaviť načasovanie iskier, aby sme dosiahli maximálny tlak, keď piest začne výrazný pohyb. To vytvára dva problémy. Jedným z nich je to, že čím dlhšie obmedzíme horúce, vysokotlakové plyny medzi piestom a hlavou, tým viac tepla stratíme z týchto plynov a menej čistého výkonu sa môže dostať na kľukový hriadeľ (chýbajúca energia prechádza do chladiaceho systému motora). Druhým bodom je, že hoci kompresný pomer je pomer objemu nad piestom pri BDC k objemu nad piestom pri TDC, v skutočných motoroch sa veľká časť paliva a vzduchu horí, zatiaľ čo piest je dosť ďaleko od TDC, a to buď pred alebo po.

Pozrime sa, čo to znamená v číslach. Ak náš motor s kompresiou 12: 1 potrebuje zapálenie pri 35 stupňov BTDC, potom zmes, ktorá horí hneď na konci spaľovania, nespáli pri 12: 1, ale pri 6: 1. Ak, rovnako ako päťventilový ventil Yamaha FZR750, náš motor potrebuje zapálenie pri teplote 45 stupňov BTDC, potom spaľovanie zmesi na konci spaľovania (keď piest klesne o 18 percent svojho zdvihu) horí pri ešte nižšom kompresnom pomere 4, 7: 1. A v extrémnom prípade niektorých závodných motorov vyžadujúcich zapaľovanie pri 60 stupňov BTDC, potom koncový koniec spaľovania pôsobí na veľmi nízky kompresný pomer 3, 6: 1 (pretože pri 60 ATDC piest už prešiel cez 30 percent svojej sily mŕtvica).

Zmes spaľovaná pri TDC produkuje maximálny tlak, ale čím neskôr horí ďalej, tým ďalej sa pohyboval piest a tým nižší bol tlakový príspevok tejto zmesi s oneskoreným spaľovaním. Prečo nám záleží na tom, aký kompresný pomer zmes horí? Záleží nám na tom, pretože pravidlo odhadu maximálneho tlaku je 100-násobkom kompresného pomeru. Stavíte sa, že chceme vyšší spaľovací tlak, pretože to je to, čo vyvíja silu cez piesty, aby otáčali kľukovým hriadeľom. Ako však vidíme z vyššie uvedeného, ​​čím pomalšie je naše spaľovanie, tým viac zmesi paliva a vzduchu sa spaľuje pri nižších kompresných pomeroch, pretože piest už posunul značnú vzdialenosť do svojho silového zdvihu. Zmes spaľovaná pri TDC produkuje maximálny tlak, ale čím neskôr horí ďalej, tým ďalej sa pohyboval piest a tým nižší bol tlakový príspevok tejto zmesi s oneskoreným spaľovaním.

To sú dôvody, prečo motor DFV Formuly 1 Keitha Duckwortha z roku 1967 bol schopný dať väčší výkon a zrýchliť ťažšie ako konkurenčné motory s väčším počtom valcov a väčším počtom ventilov pracujúcich pri vyšších otáčkach. Zatiaľ čo pomalé spaľovanie v konkurenčných motoroch ich prinútilo nastaviť zapaľovanie na 45 alebo viac stupňov BTDC, DFV Duckworth potreboval iba 27 BTDC pri špičkovom krútiacom momente, pretože jeho spaľovanie bolo také rýchle. Pretože DFV obmedzil svoj horúci spalinový plyn na kratšiu dobu predtým, ako z neho vyťažil energiu expanziou (elektrický zdvih piestu), utrpel menšie tepelné straty zo svojho spaľovacieho plynu, čím nechal vyšší tlak na pohon svojich ôsmich piestov. Pretože väčšina zmesi paliva a vzduchu bola spálená bližšie k maximálnej kompresii pri TDC, tlak pôvodne vznikajúci spaľovaním bol vyšší.

Ako dosiahol Duckworth také rýchle spaľovanie? Videl, že kopuly vysokých piestov, ktoré používali iní výrobcovia, aby dosiahli vysoké stlačenie v komorách s hlbokým spaľovaním, bránili rýchlemu šíreniu plameňa. Preto vytvoril pomerne plytkú spaľovaciu komoru nad v podstate plochým piestom. Medzi nimi bol otvorený objem, v ktorom turbulentný pohyb náboja mohol spôsobiť veľmi rýchle spaľovanie. Rýchle spaľovanie znížením času potrebného na tepelné straty poslalo viac energie do piestov a menej do chladiacich a výfukových systémov. Výsledkom bola vyššia energia z daného množstva spáleného paliva. To je vyššia účinnosť.

Prečo ešte viac nezrýchliť spaľovanie? Existujú mechanické obmedzenia, do akej miery môžeme bezpečne urýchliť spaľovanie. Harry Ricardo zistil, že nárast tlaku vyšší ako 40 psi na kľukový stupeň spôsobil, že motory sa cítili nepríjemne drsne. Dokonca aj rýchlejšie spaľovanie, ako je to známe ako detonácia, môže spôsobiť rýchle zlyhanie častí, ako sú piesty a ložiská kľukového hriadeľa.