Поршневой двигатель

Быстрое сгорание топлива передает большее количество энергии на поршни и меньшее на систему охлаждения и выхлопную систему.
В поршневом двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием топливовоздушная смесь горит подобно лесному пожару: тепло переднего фронта горения повышает температуру не сгоревшего материала настолько, что зажигает его. Инженеры и химики называют этот процесс интенсивным горением.

В ненормальных условиях химический состав не сгоревшей смеси может изменяться под действием тепла, что может привести к сильной форме сгорания – детонации. При детонации сгорание происходит в очень малой области, толщиной в несколько молекул, и оно обусловлено скачком давления, представляющим из себя ударную волну. Когда эта волна продвигается, сжатие, которое происходит внутри нее, является достаточно сильным, чтобы инициировать сгорание без предварительного нагрева. Это называется детонационной волной.

Мощность поршневого двигателя обеспечивается расширением горючего газа, которое действует на поршень. Для максимальной мощности пиковые показатели давления должны совпадать с положением поршня в самой нижней точке. Достижение пикового показателя раньше, чем происходит потеря энергии из-за потери тепла, приводит к тому, что газ под высоким давлением находится в цилиндре дольше, чем необходимо. А достижение пикового показателя позже снижает давление само по себе, потому что поршень при движении дальше уменьшает давление при расширении.
 

Скорость сгорания

Как правило, сгорание смеси должно происходить в верхней мертвой точке (ВМТ). Если для достижения лучшего крутящего момента необходимо, чтобы зажигание смеси произошло на значении 35 градусов перед верхней мертвой точкой, то оно продолжится через тот же период после прохождения верхней мертвой точки. Таким образом, весь цикл сгорания занимает 70 градусов. При 10 000 об/мин этот процесс занимает около 0,001 с. Несмотря на то, что обычно процесс сгорания топливовоздушной смеси в двигателе называют «взрывом», это не так. Процесс представляет из себя плавное поступательное горение с довольно низкой скоростью – от 15 м/с до 45 м/с. Например, взрывная волна от динамита движется со скоростью 2682 м/с. А скорость движения взрывной волны от взрыва современных видов взрывчатки может достигать 9145 м/с.

Чем медленнее сгорание, тем раньше необходимо установить момент зажигания для достижения пикового давления. Это может привести к двум проблемам. Первая проблема заключается в том, что чем дольше горячие газы находятся между поршнем и головкой, тем больше тепла мы теряем и тем меньше мощности передается на коленчатый вал (недостающая энергия передается в систему охлаждения). Вторая проблема заключается в том, что, хотя степень сжатия представляет собой отношение объема над поршнем к объему под ним, в современных двигателях сгорание большей части топливовоздушной смеси происходит, когда поршень находится далеко от верхней мертвой точки.
 

Давайте посмотрим, что это означает в цифрах.

Если в двигателе со степенью сжатия 12:1 необходимо, чтобы воспламенение произошло на показателе 35 градусов перед верхней мертвой точкой, то смесь в конце процесса сгорает при степени сжатия 6:1. Например, в двигателе FZR750 от Yamaha с пятью клапанами смесь загорается после 45 градусов хода поршня (18% общего хода поршня) и к концу процесса горения степень сжатия составляет 4,7:1. А в некоторых гоночных автомобилях зажигание смеси происходит на 60 градусов хода поршня до верхней мертвой точки. Это приводит к тому, что сгорание происходит при степени сжатия 3,6:1 (потому что поршень уже прошел 30% своего пути).

Смесь, сгоревшая в верхней мертвой точке, создает максимальное давление, но чем позже она сгорает, тем дальше перемещается поршень и тем меньше эффективность давления этой смеси.

Почему же нас волнует, при какой степени сжатия горит топливовоздушная смесь? Потому что пиковое давление в 100 раз больше степени сжатия. При сгорании необходимо получить самый высокий показатель давления, чтобы большее количество мощности передалось на коленчатый вал. Но, как мы видим, чем медленнее сгорание, тем больше топливовоздушной смеси сгорает при низкой степени сжатия, поскольку поршень уже продвинулся на значительное расстояние. Смесь, сгоревшая в верхней мертвой точке, создает максимальное давление, но чем позже она сгорает, тем дальше перемещается поршень и тем меньше эффект от давления этой смеси,
 

Именно по этой причине двигатель DFV 1967 года от Кена Дакворта, созданный для Формулы 1, производил мощность и развивал скорость выше, чем конкурирующие модели двигателей с большим количеством цилиндров и большей площадью клапана, работающие при высоких оборотах. В то время как медленная скорость сгорания топливной смеси в двигателях конкурентов вынудило их устанавливать угол зажигания на значении 45 и более градусов до верхней мертвой точки. В двигателе DFV угол зажигания составлял всего 27 градусов до верхней мертвой точки, поскольку смесь в двигателе находилась в процессе горения более короткое время, а затем двигатель отводил энергию за счет расширения. Двигатель DFV терял меньшее количество тепла, сохраняя высокое давление для движения восьми поршней. Поскольку большая часть топливовоздушной смеси сгорала ближе к верхней мертвой точке, давление, первоначально создаваемое при сгорании, было выше.

Как удалось достичь такой высокой скорости сгорания?

Дакворт понял, что высокие цилиндры препятствовали быстрому распространению пламени. Поэтому он создал неглубокую камеру сгорания с плоской вершиной над поршнем. Турбулентное движение горящей смеси приводило к ее быстрому сгоранию, что в свою очередь приводило к сокращению времени, в течение которого теряется тепло, и передавало больше энергии на поршни и меньше – на систему охлаждения и выхлопную систему. Результатом стала большая мощность при одном и том же количестве топлива.

Почему бы еще не ускорить сгорание? Существуют механические ограничения того, насколько мы можем безопасно ускорить сгорание. Гарри Рикардо обнаружил, что скорость повышения давления, превышающая 6,9 кПа на градус движения кривошипно-шатунного механизма, заставляет двигатель работать неровно. Более быстрое сгорание, такое как детонация, может привести к быстрому выходу из строя таких деталей, как поршни и подшипники коленчатого вала.