ТЕОРИЯ НА БУТАЛНИТЕ ДВИГАТЕЛИ С ВЪТРЕШНО ГОРЕНЕ

ТЕОРИЯ НА БУТАЛНИТЕ ДВИГАТЕЛИ С ВЪТРЕШНО ГОРЕНЕ ВЪВЕДЕНИЕ 1.1. КРАТКА ИСТОРИЧЕСКА СПРАВКА ЗА ВЪЗНИКВАНЕТО И РАЗВИТИЕТО НА БУТАЛНИ ДВИГАТЕЛИ БуталниТЕ двигатели са едно от приложенията на двигателите с вътрешно горене (ДВГ), които сa открити през ХIX век. През 1864 г. френският инженер Леноар създава първия ДВГ. Двигателят е бил двутактов и е работил със светилен газ, а запалването му се извършвало с помощта на електрическа свещ. Поради липса на сгъстяване двигателят имал малка мощност и много нисък коефициент на полезно действие (КПД). През 1878 г. германските инженери Отто и Ланген създават първия четиритактов двигател, работещ с газообразно гориво и принудително запалване от електрическа искра. Този двигател имал неголяма мощност (около 5 kW), но поради по-високия си КПД намерил практическо приложение във фабричното производство. През 1879 г. руският офицер от флота А.С.Костович построил първия четиритактов двигател за течно гориво (бензин) с искрово запалване. Двигателят е бил 8 цилиндров с противоположно (боксерно) разположение на цилиндрите и развивал мощност около 60 kW. Той е бил предназначен за дирижабъл и имал ниска специфична маса (около 4 kg/kW). През 1885 г. се появяват първите калоризаторни двигатели. За гориво се използувал керосин и по-тежки деривати на петрола (нафта, мазут и др.). Тези двигатели са работили главно на четиритактов принцип, а запалването им се осъществявало от специална, силно нагрята част от горивното пространство, наричана "калоризатор". През 1893 г. германският инженер Рудолф Дизел публикувал брошура, в която обосновал теорията и конструкцията на нов ДВГ, наречен по-късно "дизелов двигател". Идеята на Дизел е била в силно сгъстения въздух в цилиндъра на двигателя да се разпръсне с помощта на сгъстен въздух течно гориво, което да се самозапали и изгори при постоянна

температура

(изотермичен

горивен

процес),

т.е.

да

се

осъществи

термодинамичният цикъл на Карно. Построеният през 1895 г. от Рудолф Дизел двигател на този

принцип

се

оказал

на

усъвършенствуване бил изоставен.

практика

неработоспособен

и

след

многократно

През 1901 г. руският инженер Тринклер и малко по-късно (1903 г.) френският изобретател Сабатие предлагат горивото в двигателите със самовъзпламеняване да се впръсква в цилиндъра под налягане с помощта на дюза и помпа за високо налягане. Това осигурява изгарянето на горивото, частично при V = const и частично при р = const, което гарантира висок КПД и надеждна работа. На този принцип работят съвременните дизелови двигатели. Особено голям тласък в развитието на ДВГ се осъществява в периода 1905-1945 г., когато избухват двете световни войни. Този трагичен период за човечеството довежда до небивало разрастване на производството на ДВГ, които изместват парната машина от всички области на транспортната техника. Авиацията е немислима без ДВГ. Още в края на ХIX и началото на ХX век, когато се появяват първите самолети, е доказано, че двигатели за тях могат да бъдат само ДВГ - леки, мощни и надеждни при работа. В периода 1905-1915 г. се строят авиационни двигатели, като се използва опита от създаването на двигатели за земни транспортни машини - главно двигатели с водно охлаждане, четири или шестцилиндрови редови, дву- и четирицилиндрови боксерни и осемцилиндрови V-образни. Малко по-късно се появяват и двигатели с въздушно охлаждане - боксерни, V-образни и главно звездообразни. След 1915 г. се създава авиационна промишленост за производството на самолети и авиационни двигатели с широко използуване на по-съвършени технологии и материали: алуминиеви и магнезиеви сплави, легирани хром-никелови стомани и др. Към края на втората световна война (1945 г.) абсолютната мощност на двигателите за самолети нараства над 5 пъти (спрямо 1920 г.), специфичната им маса се намалява над два пъти, а моторесурсът нараства над три пъти. Този период е времето на разцвета на витломоторната авиация, сърцето на която е двигателят с вътрешно горене.

1.2. КЛАСИФИКАЦИЯ И ИЗИСКВАНИЯ КЪМ АВИАЦИОННИТЕ БУТАЛНИ ДВИГАТЕЛИ

Буталните двигатели могат да бъдат класифицирани по различни признаци. Според принципа на действие те са двутактови и четиритактови, а според вида на използуваното гориво - двигатели за леко гориво (бензинови двигатели) и двигатели за тежко гориво (дизелови двигатели). Според разположението на цилиндрите авиационните ДВГ могат да бъдат редови, V-образни, боксерни, звездообразни и др. Според начина на охлаждане ДВГ са: с водно (течностно) охлаждане и с въздушно охлаждане. Според начина на приготвяне на горивната смес ДВГ биват: с външно смесообразуване (бензиновите и газовите двигатели) и с вътрешно смесообразуване (дизеловите двигатели). Според начина на запалване на горивната смес ДВГ са с външно (искрово) запалване и със самозапалване, вследствие на високите температура и налягане на сгъстения въздух. Бензиновите двигатели, в зависимост от начина на смесването на бензина и въздуха, биват: с карбураторно смесообразуване и с впръскване на бензин. Дизеловите двигатели, в зависимост от формата и разположението на горивното пространство, са с неразделно горивно пространство (обикновено разположено в буталото) и разделено (една част в буталото, а друга - в главата на ДВГ). Според честота на въртене двигателите са бавноходни (до 1500 min 1 ); средноходни (до 2500 min 1 ) и бързоходни (над 2500 min 1 ). Според начина на напълване на цилиндрите на двигателя с работно вещество, двигателите биват: с естествено пълнене и със свръхпълнене, посредством механично задвижван компресор или чрез турбокомпресор. Основните изисквания към буталните двигатели са: 1. Да имат добри пускови качества при всякакви атмосферни условия 2. Да имат голяма литрова мощност 3. Да имат минимална маса и размери 4. Да имат надеждна работа и голям моторесурс 5. Да имат малък шум и вибрации

1.3. ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ НА ДВГ

За изясняване на процесите, протичащи в ДВГ, е целесъобразно накратко да се разгледа принципа на действие на двутактовите и четиритактовите двигатели. На фиг. 1.1 е показана принципната схема на едноцилиндров двутактов бензинов двигател с карбураторно смесообразуване, искрово запалване и въздушно охлаждане. В този двигател един работен цикъл, за който топлината от горивото може да се превърне в полезна механична работа, се осъществява с два хода на буталото на коляномотовилковия механизъм (КММ), т.е. за два такта. Първи такт: Буталото се намира в долно положение (наричано долно мъртво положение (ДМП) или долна мъртва точка (ДМТ). В цилиндъра е постъпило от картера 1 през тръбопровода 2 определено количество гориво-въздушна смес. Буталото започва да се движи нагоре към ГМП. До затварянето на пълнителния 2 и изпускателния канал 9, цилиндърът на двигателя продължава да се пълни с гориво-въздушна смес и да се очиства от остатъчните газове. Когато буталото затвори тези канали, започва процесът сгъстяване. Втори такт: Когато буталото достигне ГМП, горивовъздушната смес е сгъстена до налягане 1,2-1,6 МРа и температура 450-700 К. В този момент от запалителната свещ 5 се подава електрическа искра с високо напрежение (18 000 - 20 000 V), горивовъздушната смес се запалва и бързо изгаря. В резултат на това налягането рязко нараства (достига 3,5-5 МРа) и газът достига висока температура 2500 – 2800 K. В резултат на горенето върху буталото на КММ действува голяма газова сила (30 000 50 000 N), която бързо изтласква буталото от ГМП към ДМП, при което се извършва процес на разширение на газа или работен процес. Когато буталото достигне до продухвателните отвори, газовете, които имат все още значително налягане (0,4-0,6 МРа) и температура (1300 - 1500 К), започват да изтичат с голяма скорост навън по изпускателния тръбопровод 9. Малко по-късно се отваря и пълнителният канал 2, през който в цилиндъра започва да постъпва прясна гориво-въздушна смес от картерното пространство на двигателя, която подпомага очистването на цилиндъра от изгорелите газове и го запълва с прясно работно вещество (гориво-въздушна смес). Протича процесът пълнене и продухване на двигателя, наричан още газообмен. Следователно за два хода на буталото (два такта) и едно завъртване на вала на двигателя протичат основните процеси: пълнене, сгъстяване, изгаряне, разширение и продухване, необходими на всеки ДВГ за осъществяване на един работен цикъл, чрез който химичната енергия на горивото се превръща в полезна механична работа. Чрез КММ възвратно-постъпателното движение на буталото се превръща във въртеливо движение на коляновия вал, чрез който получената полезна механична енергия се предава на въздушното

витло, директно или през редуктор. Двутактовият принцип на изпълнение на ДВГ позволява да се получат: проста и компактна конструкция, високи мощностни и специфични показатели на двигателя и надеждна работа. Основен недостатък на този принцип е по-ниската икономичност и високата токсичност на отработените газове. Това ограничава използването на двутактовите двигатели, главно за малки самолети. На фиг. 1.2 е показана принципната схема на едноцилиндров четиритактов бензинов двигател с течно охлаждане и впръскване на бензин. Първи такт. Буталото се намира в ГМП. При движение надолу към ДМП се отваря всмукателният клапан 6 и в цилиндъра започва да постъпва въздух през всмукателния тръбопровод 5. При достигане на ДМП всмукателният клапан 6 се затваря. Завършва процесът на пълнене на цилиндъра с въздух. Втори такт. Буталото започва да се движи към ГМП, в резултат на което въздухът, намиращ се в цилиндъра, започва да се сгъстява. В определен момент чрез дюзата 7 и помпата за високо налягане 12 в цилиндъра се впръсква определено количество гориво, което бързо се изпарява и смесва със сгъстения въздух. Малко преди ГМП чрез запалителната свещ 10 в цилиндъра се подава електрическа искра, която предизвиква запалване и бързо изгаряне на гориво-въздушната смес и повишаване на налягането и температурата на газа. Трети такт. Под действието на голямата потенциална енергия на изгорелите газове буталото бързо се придвижва надолу към ДМП и чрез КММ 3 превръща тази енергия в полезна механична работа, която се предава на витлото. Това е основният работен процес на двигателя. Четвърти такт. Буталото започва движение от ДМП към ГМП. Отваря се изпускателният клапан 8 и отработените газове бързо напускат цилиндъра както под действието на остатъчната си енергия, така и под принудителното действие на буталото. При достигане на ГМП в цилиндъра остават съвсем малко отработени газове. Започва нов цикъл. Предимствата на четиритактовия принцип са главно в по-съвършеното протичане на отделните процеси в двигателя (пълнене, сгъстяване, горене, разширение и продухване), в резултат на което двигателят достига висок КПД, има надеждна работа, висока икономичност и ниска токсичност. Разбира се, четиритактовият принцип на реализация на ДВГ води до усложняване на конструкцията, повишаване масата на двигателя, изисква повече грижи в експлоатация и т.н. Независимо от това, положителните страни на четиритактовия принцип на реализация на ДВГ са наложили неговото масово използване, особено в авиационните двигатели за средни и големи мощности.

1.4. ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ, ХАРАКТЕРИЗИРАЩИ ДВГ Обикновено техническата характеристика на двигателя включва определен брой параметри, отнасящи се до принципа на действие, вида на охлаждане, броя и разположението на цилиндрите, основните геометрични размери и мощностно-икономически показатели, както и масово габаритните му размери: 1. Тип на двигателя - двутактов ( τ = 2) или четиритактов ( τ = 4) 2. Брой (i) и разположение на цилиндрите - Р-редово, V-образно, Б – боксерно, З звездообразно и др.

3. Вид на охлаждане - течностно или въздушно 4. Начин на смесообразуване - карбураторно или с впръскване на бензин 5. Степен на сгъстяване - e =

Va (фиг. 1.3) Vc

6. Диаметър на цилиндъра D, [m] и ход на буталото S, [m] 7. Ходов обем на цилиндъра Vh =

p .D 2 .S , [dm3 ] 4

8. Работен обем на двигателя (литраж) - Vл = i.Vh , [dm3 ] 9. Номинална мощност

Ne =

p e .Vh .i.n , kW 30.τ

10. Честота на въртене при номинална мощност n e , min

1

11. Максимален въртящ момент M max , Nm 12. Честота на въртене при M max , n M , min

1

( ) 13. Налягане на пълнене p a p k , MPa ( ) 14. за естествено пълнене p a = 0,85 ÷ 0,9 p 0 ( ) 15. за свръхпълнене p k = 1,2 ÷ 1,5 p 0 , където p 0 , е налягането на околната среда, МРа.

16. Часов разход на гориво G Г , kg / h 17. Часов разход на въздух G в , kg / h 18. Относителен (специфичен) разход на гориво

ge =

GГ , kg / kWh Nе

19. Средно ефективно налягане при максимална мощност Pe , MPa

20. Ефективен КПД на двигателя, η e 21. Механичен КПД на двигателя, η M 22. Суха маса на двигателя, G дв , kg 23. Габаритни размери - височина, дължина и широчина, mm 24. Литрова мощност - N = N e , kW / dm3 л Vл Ne Nб = , kW / dm 2 i.Fб 25. Бутална мощност 26. Специфична маса -

g сп =

G дв Nе

, kg / kW

27. Гарантиран моторесурс до основен ремонт, h, часа 3 28. Количество на маслото при първоначално зареждане - VM , dm

ИДЕАЛНИ ТЕРМОДИНАМИЧНИ ЦИКЛИ, ИЗПОЛЗУВАНИ В ДВГ 2.1.ПРЕДПОСТАВКИ ЗА ОСЪЩЕСТВЯВАНЕ НА ИДЕАЛЕН ЦИКЬЛ Двигателите с вътрешно горене превръщат химичната енергия на горивата (чрез изгарянето им) в механична работа. Действителните процеси, които протичат при това

превръщане, са сложни, поради което за изясняването на възможностите на ДВГ е целесъобразно да се направят известни опростявания. Полученият по този начин цикъл, състоящ се от основни термодинамични процеси, се нарича идеален цикъл. Основните предпоставки за осъществяването на идеален цикъл на ДВГ са: 1.

Термодинамичният цикъл да се осъществява с

едно и също несменяемо работно тяло.

1.

Работното тяло да представлява идеален газ.

2.

Двигателят да е идеално топлинно изолирана

машина без топлообмен с околната среда.

2.

Двигателят да е идеална механична система, в

която няма никакви вътрешни загуби.

5.Топлината, необходима за осъществяване на термодинамичния цикъл, се внася в работното тяло отвън и се отвежда навън по определен термодинамичен закон. От термодинамиката са известни много кръгови процеси за превръщането на топлина в полезна работа, но в авиационните бутални двигатели се използуват главно следните: 1. Термодинамичен цикъл на Отто с внасяне на топлина при v =const и отвеждане на топлина при v = const.

2. Термодинамичен цикъл на Дизел с внасяне на топлина при р = const и отвеждане на топлина при v = const.

3. Термодинамичен цикъл на Сабатие-Тринклер с внасяне на топлина частично при v=const и частично при р = const и отвеждане на топлина при v = const (смесен цикъл).

4. Цикъл с продължено разширение (обобщен цикъл). Този цикъл може да се реализира чрез ДВГ с газова турбина, наричан "комбиниран ДВГ". За работно тяло в идеалния термодинамичен цикъл се използува най-често въздух, поради което в този случай цикълът се нарича още "идеален въздушен цикъл на ДВГ". Характерно за идеалното работно тяло е, че специфичният му топлинен капацитет не зависи от температурното му състояние и отсъствието дисоциация, т.е. разпадане на молекулите на газа.

2.2. ИДЕАЛЕН ЦИКЪЛ НА ОТО Както е известно от термодинамиката, идеалният цикъл на Ото (фиг. 1.3) се състои от

четири процеса: адиабатно сгъстяване (а — с);

изохорно внасяне на топлина (с— z);

адиабатно разширение (z - b) и изохорно отвеждане на топлина (b — а). За опростяване на разглеждането са въведени следните означения: ε=

Va - степен на сгъстяване; Vc

λ=

pz - степен на повишаване на налягането; pc

δ=

Vb Va =ε - степен на разширение на газа; δ = Vz Vc

Основен

показател,

който

характеризира

съвършенството

на

който

и

да

термодинамичен цикъл, е степента на оползотворяване на внесената топлина в двигателя.

е

Фиг. 1.3

Това най-добре може да се изрази чрез термичния КПД на цикъла, определен по израза

ht =

(1.1)

Lt Q1

където L t е полезната термична работа, получена от цикъла. Съгласно термодинамиката, ако работно тяло е 1 kg газ, то (1.2)

Q1 = cv . ( Tz _Tc ) ,

(1.3)

Q2 = cv ( Tb _ Ta ) ,

където cv , [J/kgK] е специфичният топлинен капацитет на газа при постоянен обем. Съгласно постановката на задачата cv = const . Следователно

ht = 1 

(1.4)

cv ( Tb  Ta ) cv ( Tz  Tc )

= 1

Tb  Ta , Tz  Tc

Температурите Tc , Tz и Tb могат да бъдат изразени чрез началната температура Ta с изразите k 1

(1.5)

(1.6)

� _ V � Tc = Ta � a � = Tae k 1 Vc � � Tz = Tc

_ _ pz p = Ta e k 1 z = Ta le k 1 pc pc

Tb =

(1.7)

Tz k_1

� Vb � � � Vc � �

=

Ta le k

ek

_

1

_

1

= Ta l

Като заместим изразите (1.5), (1.6) и (1.7) в израза (1.4), получаваме

ht = 1 

(1.8) където k =

cp cv

Ta ( l  1) Ta l  Ta 1 =1 = 1  k 1 k 1 k 1 k 1 Ta le  Tae Ta ( l  1) e e

е показателя на адиабатата (за въздух k = 1, 41 );

c p , [J/kgK] е специфичния топлинен капацитет на газа при постоянно налягане. Изразът (1.8) показва, че термичният КПД на цикъла на Отто зависи главно от степента на сгъстяването

ε и термодинамичната константа на работното тяло k.

Термичният КПД не зависи от количеството на внесената в двигателя топлина. Освен от термичния КПД обикновено се интересуваме и от работата, която можем да получим от цикъла. Съгласно уравнение (1.1) имаме

(

L t = Q1.η t = Q1 1_1 / ε k

(1.9)

_

1

).

Следователно получаваната от цикъла работа ще зависи правопропорционално от внесената в двигателя топлина и КПД на цикъла. Често за характеризиране на работата, получена от термодинамичния цикъл, се използува понятието "средно термично налягане", определено по израза:

(

Lt Q 1 . 1 _1 / ε k pt = = Vh Vh

(1.10)

_

1

)

C v .Ta .ε k 1 .( λ_ 1) = .η t Vh _

От друга страна от термодинамиката е известно още, че Cv =

R ; k _1

Cp =

k .R ; k _1

p a .Va = R.Ta ;

Ta = p a .

ε Va Va = _ , ; R Vh ε 1

където R е газовата константа. За въздух R=287 J/kg.K Следователно изразът (1.10) след преработване придобива вида

(1.11)

pt =

pa ε k ( _ ) _ . _ .η t . λ 1 . k 1 ε 1

Изразите (1.10) и (1.11) показват, че средното термично налягане, което се явява критерий за енергоемкостта на двигателя, зависи от количеството на внесената топлина Q 1 , коефициента на полезно действие η t и обема на цилиндъра Vh .

Следователно основните параметри, които оказват влияние върху η t и p t са степента на сгъстяването

ε , показателят на адиабата k, началното налягане на цикъла

pa

и степента на повишаване на налягането при внасянето на топлината λ .

Фиг. 1.4 Влиянието на основния фактор - степента на сгъстяване

ε върху КПД на цикъла,

е показано на фиг. 1.4. КПД на цикъла нараства по-интензивно до ε = 5 ÷ 7 , след което нарастването му е твърде бавно. Повишаването на

ε води до интензивно нарастване на

p z . Това се вижда добре,

ако разгледаме по-подробно големината на налягането p z по израза (1.12)

� Q1 � pz = l pc = pae k � 1+ � C T e k_1 � � � v a � Уравнение (1.12) показва, че налягането p z расте по-бързо, отколкото

увеличаването на степента на сгъстяването увеличаване на

ε (фиг. 1.4). Следователно прекомерното

ε води до силно нарастване на

p z и натоварването на частите на

двигателя, без да води до съществено увеличаване на η t . Наред с увеличаването на p z , с увеличаването на

e расте интензивно и

температурата Tz . Това добре се вижда от израза (1.6). Тъй като температурата Tz зависи правопропорционално от λ (т.е. от количеството внесена топлина или от натоварването на двигателя), увеличаването на ε води до опасност от термично претоварване на двигателя, бързо излизане от строя и влошаване на неговата надеждност. Тъй като по условие се прие, че специфичният топлинен капацитет C v (респективно C p ) е постоянен, то следва че и k =

Cp Cv

= const , и следователно

показателите на цикъла не зависят от величината k. Степента на повишаване на налягането λ при внасянето на топлина в цикъла не влияе пряко на КПД, но влияе положително на големината на средното термично налягане p t . Повишаването на λ над стойности λ = ( 3 ÷ 4) обаче води до интензивно нарастване на p z и Tz . Следователно стремежът към по-високи стойности на λ и p t трябва да бъде съобразен с допустимите стойности на p z и Tz .

2.3. ИДЕАЛЕН ЦИКЪЛ НА ДИЗЕЛ Идеалният термодинамичен цикъл на Дизел, показан на фиг. 1.5 в р - V и Т - s координатни системи се характеризира с това, че количеството топлина Q1 се внася при р = const (изобарен процес), а отвеждането на топлината Q 2 става при v = const (изохорен процес).

Фиг. 1.5 Този цикъл се характеризира със следните параметри ε=

Va - степен на сгъстяване; Vc

Vz - степен на предварително разширение; Vc Vb δ= - степен на последващо разширение.

Vz Термичният КПД на този цикъл може да бъде определен по израза

ρ=

(1.13)

L t Q1 _ Q 2 Q2 ηt = = = 1_ Q1 Q1 Q1

_ _ Съгласно термодинамичните закони Q1 = C p .( Tz Tc ) и Q 2 = C v .( Tb Tc ) . След заместване в1.13 се получава Cv ( Tb  Ta ) r k 1 1 h = 1  = 1  (1.14) _ , t C p ( Tz  Tc ) k ( r  1) e k 1 където Tc = Ta .ε k 1 ; Vz Tz = Tc . = Ta .ε k 1 .ρ; Vc Tz 1 k_1 r k 1 k _ 1 r Tb = = T = T . e = T r d = Ta r k . _ _ _ z a a k 1 k 1 k 1 k_1 d d d ( Vb / Vz ) _

_

Изразът (1.14) показва, че термичният КПД на цикъла на Дизел зависи от ρ , ε и k Влиянието на

ε и k върху КПД на цикъла е положително и е аналогично, както при

цикъла на Отто. Що се отнася до влиянието на степента на предварителното разширение ρ върху КПД, лесно може да се докаже, че то е отрицателно, т.е. увеличаването на ρ води до намаляване на η t . Това е една от основните причини термодинамичният цикъл на Дизел да намира ограничено приложение в ДВГ. Лесно може да се докаже, че средното термично налягане на цикъла на Дизел се определя по израза: (1.15)

pt =

Lt pa ε k = _ . _ .η t .k.( ρ _ 1) .

Vh k 1 ε 1

Изразът (1.15) показва, че термичното налягане на цикъла зависи от началното налягане p a , степента на сгъстяване

ε , термичния КПД на цикъла и предварителното разширение ρ .

Увеличаването на ρ води до повишаване на p t , т.е. увеличаване на енергоемкостта на двигателя.

2.4. ИДЕАЛЕН СМЕСЕН ТЕРМОДИНАМИЧЕН ЦИКЪЛ НА САБАТЕТРИНКЛЕР Идеалният термодинамичен цикъл на Сабатие-Тринклер, показан на фиг. 1.6 в р — V и Т — s координатни системи се характеризира с това, че топлината Q1 се внася частично при V= const и частично при р = const. Топлината Q 2 се отвежда от цикъла при V=const.

Фиг. 1.6 Основните параметри, характеризиращи този термодинамичен цикъл, са: ε=

Vz ' - степен на сгъстяване; Vc

δ=

Vb - степен на последващо (основно) разширение.

Vz '

Термичният КПД на този цикъл се определя по израза: (1.16)

ηt =

L t Q1 _ Q 2 Q2 Q2 = = 1_ = 1_ I .

Q1 Q1 Q1 Q1 + Q1II

I II Съгласно термодинамиката Q1 = cv ( Tz  Tc ) , Q1 = c p ( Tz '  Tz ) и Q2 = cv ( Tb  Ta ) . След заместване на тези изрази в (1.16), се получава

ht = 1 

(1.17)

cv ( Tb  Ta )

cv ( Tz  Tc ) + c p ( Tz '  Tz )

=1

lr k  1 1 _ l  1 + k l ( r  1) e k 1

където

Tc = Ta .( Va / Vc ) k

_

1

_

= Ta .ε k 1 ;

pz _ = Tc .λ = λ.Ta .ε k 1 ; pc Vz ' _ Tz ' = Tz . = Tz .ρ = λ.Ta .ε k 1 .ρ; Vz

Tz = Tc .

Tb =

Tz '

( Tz ' / Vb )

k_1

= Tz '

_

1

dk

_

1

_ ek 1 = lTa r k _ 1 = lTa r k 1 r = Ta lr k . d

Средно термично налягане на цикъла може да се определи по израза (1.18)

pt =

Lt pa ε k Q = 1 .η t = _ . _ .η t .[ λ_ 1 + k.λ.( ρ _ 1) ].

Vh Vh k 1 ε 1

От изразите (1.17) и (1.18) се вижда, че цикълът на Сабатие-Тринклер е комбинация от циклите на Отто и Дизел и често се нарича "смесен термодинамичен цикъл". Тази комбинация позволява, чрез вариране с величините λ и ρ , съответно Q1I и Q II2 , да се получи висок термичен КПД (респективно голяма икономичност) при допустими налягания и температури p z и Tz . Смесеният термодинамичен цикъл е основа, върху която са създадени съвременните дизелови двигатели, известни главно с високата си икономичност. Поради относително високите налягания p z при този цикъл дизеловите двигатели имат голяма маса и габаритни размери и почти не намират приложение в авиационния транспорт. Ето защо няма да се спираме на този термодинамичен цикъл и на тези двигатели по-нататък.

3. ТЕОРЕТИЧНИ ЦИКЛИ В ДВГ Често при разглеждане на теорията на ДВГ се въвежда понятието "теоретични термодинамични цикли", което позволява на базата на идеалните термодинамични цикли и използуване на работно тяло (газ) с реални физически свойства да се търсят нови закономерности, приближаващи идеалните термодинамични цикли до реалните цикли на ДВГ. Преди всичко тук става дума за обстоятелството, че реалните газове, в това число и въздухаът, използувани като работно тяло в ДВГ, при промяна на температурните условия променят специфичния си топлинен капацитет и се осъществява процесът дисоциация, т.е.

разпадане на молекулите. Това налага разглеждането на някои особености, главно на термодинамичния цикъл на Ото при използуване на реално работно тяло.

3.1. РАБОТНО ТЯЛО НА ТЕРМОДИНАМИЧНИЯ ЦИКЪЛ Работното тяло, необходимо за осъществяване на термодинамичните цикли, оказва значително влияние върху показателите на цикъла, поради което е необходимо, макар и накратко да се спрем на неговите свойства. В процеса на сгъстяване работното тяло се състои от смес на въздух с бензинови пари (прясна смес) и малко количество остатъчни газове от предишния цикъл. Съставът на работното тяло, наричано накратко "работна смес", може да се определи въз основа на следните разсъждения. Количеството въздух, изразходвано за изгарянето на 1 kg гориво, може да се определи по израза GB = a L0 ,

(1.19)

където L 0 , [kg/kg] е теоретично необходимото количество въздух за изгаряне на 1 kg гориво. За бензина L0 = 14,95 kg (въздух)/kg (гориво).

α е коефициента на въздушно отношение или на излишък на въздух. Обикновено бензиновите двигатели работят с максимална мощност при α = 0,85 ÷ 0,95 Следователно за количеството на прясната смес, съдържаща 1 kg гориво, може да се запише G пр.с. = 1 + α.L 0 .

(1.20)

Количеството на остатъчните газове, съдържащи се в прясната работна смес, обикновено се отчита чрез коефициента на остатъчните газове

γ г , представляващ

отношение между количеството на остатъчните газове M г и количеството на прясната смес M пр.с. ,

т.е. γг =

(1.21) където β 0 =

m пр.с mг

Mг Gг / mг Gг Gг = = = .β M пр.с G пр.с / m пр.с G пр.с G пр.с 0

= 1,02 ÷ 1,12 е коефициент на молекулно изменение, характеризиращ

отношението на молекулната маса на прясната смес към молекулната маса на изгорелите (отработените) газове; M г , M пр.с - количества на остатъчните газове и на прясната смес в молни единици; m пр.с , m г -

молекулните маси на прясната смес и на изгорелите газове.

Следователно за количеството на работната смес, съдържаща въздух, гориво (1 kg бензин) и отработени газове, се получава G 1 = G р.с = G пр.с + G г =

(1.22)

= (1 + α.L 0 ) + (1 + α.L 0 ) .

γг = (1 + α.L 0 ) .(1 + γ г / β 0 ) . β0

При процеса на разширение работното тяло представлява главно смес от отработени газове и въздух, неизползван при горенето. В продуктите от горенето се съдържат: водни пари ( H 2 O ) , въглероден двуокис ( CO 2 ) , въглероден окис ( CO) , азот ( N 2 ) , въглеводороди

( CHm ) и др. Количеството на отделните компоненти зависи главно от режима на работа на двигателя и въздушното отношение

α.

Коефициентът на остатъчните газове зависи от типа на двигателя, степента на сгъстяване, съвършенството на процеса на очистване на двигателя от отработените газове и други фактори и се движи в границите γ г = 0,03 ÷ 0,10 при четиритактовите двигатели.

3.2. ИДЕАЛЕН ЦИКЪЛ НА ОТО С ПРОМЕНЛИВ СПЕЦИФИЧЕН ТОПЛИНЕН КАПАЦИТЕТ НА РАБОТНОТО ТЯЛО Както е известно от термодинамиката, специфичната топлина на газовете, респективно и на въздуха, зависи значително от температурното състояние на работното тяло и се дава от израза C v = a + b.Tz , kJ / kg.K,

(1.23)

където Tz е температурата на газа, [К] a и b са опитно установени коефициенти. За въздуха a = 0,705 ÷ 0,765; b = ( 5 �9 ) .10 5 ; за _

отработени газове а = 0,832; b = 6,65.10 5 . _

Следователно и показателят на процесите на сгъстяване и разширение на работно тяло k ще бъде променлива величина и ще се определя по израза k=

(1.24)

cp cv

=

cv + R R R = 1+ = 1+ . cv cv a + bTz

Анализът на израза (1.24) показва, че с увеличаването на температурата показателят k намалява. Това се отразява отрицателно на параметрите на газа в отделните точки на термодинамичния цикъл и в крайна сметка на КПД на цикъла. Това се вижда добре от примера, показан на фиг. 1.7.

Фиг. 1.7 Както в процеса на сгъстяването, така и при разширението, показателят на адиабатата е променлива величина. Ето защо, най-често при теоретичното разглеждане на тези процеси с отчитане на променливия характер на специфичния топлинен капацитет на работното тяло се приемат средни стойности на показателя, съответно за процеса на сгъстяване n 1 и за процеса на разширение – n2 . Поради нарастване на температурата в процеса на сгъстяването, действителният показател на процеса на сгъстяване n 1 непрекъснато намалява и средната му стойност е помалка от показателя на адиабатата k. В резултат на това намаляват и параметрите на работното тяло в края на сгъстяването, които се определят по изразите pc = pa e n1

(1.25) и

_

Tc = Tae n1 1 ,

(1.26) където за въздуха n 1 = 1,35 ÷ 1,38 .

Наличието на променлив специфичен топлинен капацитет на работното тяло води и до промяна на условията за предаване на топлината Q1 . Поради нарастването на температурата в процеса на подвеждане на топлина, връзката между Q1 и T добива вида z

(1.27)

z

T +T � � Q1 = � Cv dT = � (a + bT )dT = � a+b z c � ( Tz  Tc ) , 2 � � c c

откъдето се определя

Tz  Tc =

(1.28)

Q1 T + Tc . a+b z 2

От уравнение (1.28) се вижда, че при наличието на променлив специфичен топлинен капацитет, при едно и също подведено количество топлина Q1 разликата Tz  Tc ще бъде по-малка, отколкото при постоянен топлинен капацитет. Това се вижда добре от фиг. 1.8. В резултат на това, както Tz , така и p z ще бъдат по-ниски, отколкото при постоянен топлинен капацитет cv . От уравнение (1.28) може да се определи и температурата Tz . В действителност обаче вместо внасяне на топлина Q1 има изгаряне на гориво и отделяне на топлина. Ако няма никакви топлинни загуби и количеството топлина, която се отделя от изгарянето на 1 kg гориво e означeно с H u , за Q1 може да се запише: (1.29)

Q1 =

Hu = G1

Hu   (1 + a.L 0 ).1 +  г  .  0 

Фиг. 1.8 Като се приравнят изразите (1.28) и (1.29) се получава

a ( Tz  Tc ) +

(1.30)

b 2 ( Tz  Tc2 ) = 2

Hu �  � ( 1 + a L0 ) �1 + г �. � 0 �

От уравнение (1.30) може да се определи температурата TZ max при зададени e , paг, n1 , a ,  и 0 .

Налягането p Z max може да се определи по израза pZ max = pc

(1.31)

TZ max Tc

В процеса на разширение при наличие на променлив специфичен топлинен капацитет cv показателят n 2 също е силно променлива величина. Средната стойност на показателя за процеса на разширение n 2 , поради по-високата температура на газовете, е значително пониска от показателя на адиабатата. За продукти от горенето (отработени газове), получени от гориво-въздушна смес с a = 1 , обикновено n 2 = 1,22  1,28 . Следователно параметрите на работното тяло в края на разширението са по-ниски, отколкото при cv = const , и се определят по изразите (1.32)

pb =

pz e n2

(1.33)

Tb =

Tz e n 2 1

,

Влиянието на променливия специфичен топлинен капацитет на работното тяло върху параметрите на термодинамичния цикъл на Ото при cv �const се вижда най-добре от диаграмата, показана на фиг. 1.9.

ht

Фиг. 1.9 От фиг. 1.9 се вижда, че за получаването на определена работа L t при cv �const е необходимо внасянето на по-голямо количество топлина Q1 спрямо цикъла с cv = const . От тук следва, че и икономичността на цикъла с cv �const спрямо цикъла с cv = const ще бъде по-ниска, тъй като за получаването на дадена работа L t , поради по-ниските h t , ще се изразходва повече топлина, т.е. по-голямо количество гориво.

3.3. ИДЕАЛЕН ЦИКЪЛ НА ОТО С ПРОМЕНЛИВ СПЕЦИФИЧЕН ТОПЛИНЕН КАПАЦИТЕТ И ДИСОЦИАЦИЯ НА ГАЗОВЕТЕ Както беше подчертано по-горе, реалното работно тяло притежава свойството на термична дисоциация при високи температури. Дисоциацията представлява разпадане на молекулите при високи температури, съпроводено с поглъщане на топлина. Дисоциацията обикновено се появява при температури над 1500°С (1773К). Дисоциират главно молекулите на водната пара ( H 2 O ) , на водорода ( H 2 ) и на кислорода

( O 2 ) , а също така и на въглеродния двуокис ( CO 2 )

и на въглеродния окис ( CO ) .

Тъй като дисоциацията се съпровожда с поглъщане на топлина, това означава, че част от внесеното количество топлина ще се губи, което се отразява отрицателно на КПД на цикъла.

ht

e Фиг. 1.10 Влиянието на дисоциацията на газовете върху параметрите на цикъла се вижда от фиг.

1.8 (крива 3). При дадено количество внесена топлина Q1 и определена степен на сгъстяване

e повишаването на температурата

Tz при наличие на дисоциация е по-малко, което се

отразява неблагоприятно върху КПД на цикъла. В процеса на разширението вследствие на спадането на температурата на газовете става обратно свързване на молекулите, при което се отделя топлина. В резултат на това кривата на разширението протича по-плавно, отколкото при цикъла без дисоциация на газовете. Независимо от това, в крайна сметка дисоциацията на газовете се отразява отрицателно върху КПД на цикъла, следователно и върху икономичните показатели на двигателя. Това се вижда още по-добре от графиките, дадени на фиг. 1.10, където са показани големината и характерът на изменение на КПД на цикъла на. Ото при различни предпоставки, свързани със свойствата на реалното работно тяло, използвано при трансформация на топлината в полезна работа в ДВГ. В заключение трябва де се подчертае, че реалните свойства на работното тяло, използувано в ДВГ (въздух или смес от въздух и бензинови пари и отработени газове) водят до значително намаляване на термичния КПД на цикъла. Това намаление може да достигне до 20-25% спрямо КПД на идеалния термодинамичен цикъл.

ДЕЙСТВИТЕЛНИ ТЕРМОДИНАМИЧНИ ЦИКЛИ И ПРОЦЕСИ, ПРОТИЧАЩИ В ДВГ Превръщането на топлината, получена при изгаряне на горивото, в полезна механична работа в реалните двигатели е свързано с необходимостта от допълнителни процеси, като: пълнене на цилиндрите с прясно работно вещество и изхвърляне на отработените газове или накратко - газообмен в ДВГ, запалване и изгаряне на горивото и получаване на необходимата топлина и т.н. Наред с това реалните процеси протичат при интензивен топлообмен с околната среда, явява се необходимост от изкуствено охлаждане на двигателя и добро мазане на движещите се елементи и механизми, гарантиращи надеждната работа на двигателя.

Фиг. 1.11. Индикаторна диаграма на четиритактов двигател Следователно действителният термодинамичен цикъл, чрез който определено количество топлина, получена от изгаряне на дадено гориво, може да се превърне в полезна механична работа, се състои от редица процеси (фиг. 1.11): пълнене ( r І  r  r ІІ ) , сгъстяване

(r

ІІ

)

 c ІІ ,

горене

(c

І

)

 c ІІ  z  z І ,

разширение

(c

ІІ

 z  z І  b ІІ

)

и

изхвърляне

на

отработените газове - изпускане ( b І  b ІІ  b ІІІ ) . Диаграмата, показана на фиг. 1.11 с плътна линия, може да се снеме от реално работещ двигател с помощта на уред "индикатор", поради което се нарича "индикаторна диаграма".

Тази диаграма позволява да се анализира характера на протичане на реалните процеси в ДВГ, да се направи качествена и количествена оценка на тези процеси и да се набележат мерки за усъвършенстването им с цел повишаване КПД на двигателя.

4.2. ПРОЦЕС ПЪЛНЕНЕ НА ДВГ Процесът на пълнене на цилиндрите на двигателя с прясно работно вещество (смес от пари на горивото и въздух) в основната си част съвпада с такта "пълнене". С цел да се получи възможно най-добро запълване на цилиндрите с прясно работно вещество, което води и до получаването на по-голяма мощност, действителният процес на пълнене започва малко преди ГМТ (точка r І от диаграмата на фиг. 1.11) и завършва малко след ДМТ (точка r ІІ ). Това се постига, като съответните клапани (при четиритактовите двигатели) или прозорци (при двутактовите двигатели) се отварят и затварят от газоразпределителния механизъм на двигателя по точно определени фази (фиг. 1.12).

Фиг. 1.12. Изменение на налягането и обема на работното вещество по време на процеса пълнене При четиритактовите авиационни двигатели началото на отварянето на пълнителния клапан (точка r І ), изразено като ъгъл от завъртването на коляновия вал, се извършва с предварение преди ГМТ при ъгъл  1 = 15 0  30 0 , а затварянето на този клапан става със закъснение след ДМТ при ъгъл  2 = 40 0  60 0 . Следователно действителният процес на пълнене, изразен в градуси от завъртването на коляновия вал, се движи в границите  п = 225 0  270 0 .

Ефективността на процеса на пълнене се оценява с параметрите на работното тяло (налягане p a температура Ta и плътност r a ) в края на такта пълнене (точка а), както и с коефициента на пълнене h v . При протичане на работното вещество в пълнителната система на двигателя (фиг.

1.13), в резултат на хидравличните загуби и подгряването от нагретите стени, налягането на прясното работно вещество в края на пълненето p a е по-ниско от налягането на околната среда p 0 , а температурата Ta е по-висока от температурата на околната среда T0 . Това води до намаляване на количеството на постъпилото в цилиндъра прясно работно вещество. Ако се приложи законът на Бернули за течението от околната среда (сечение 0 - 0) до цилиндъра на двигателя (сечение а - а), може да се напише p 0 W02 p a Wa2 Wкл2 + = + + . п . r0 2 ra 2 2

(1.34)

Ако вместо Wа поставим скоростта Wкл (скорост на протичането на прясното работно вещество около пълнителния клапан), уравнение (1.34) може да се напише така p 0 W02 p a  2 .Wкл2 W2 + = + +  п . кл , r0 2 ra 2 2

(1.35) където  =

W0 е коефициент на затихване на скоростите при пълненето; Wкл

 П - коефициент на хидравличните загуби при пълненето.

Следователно, ако се приеме, че r 0  r a и W0 = 0, се получава p a = p 0  r a .( 2 +  п ).

(1.36)

Wкл2 .10  6 , Mpa, 2

Обикновено изразът  2 +  п = 2,5  4,0 . От друга страна, от уравнението за непрекъснатостта на течението при пълненето може да се запише Wкл .f кл = Vdср .Fd

(1.37) или

Wкл = Vdср .

(1.38)

Fd S.n Fd = . , f кл 30 f кл

където f кл е площ на най-тясното сечение на канала на пълнителния клапан;

Fd =

p.D 2 .S - площ на буталото; 4

S,D - ход и диаметър на буталото; n - честота на въртене на двигателя; Vdср - средна скорост на буталото: Vсрd =

S.n ; 30

Следователно (1.39)

(

)

pa = p0  ra . 2 + п . От друга страна, r 0 =

Fd2

2.( f кл )

.

2

S 2 .n 2 n2 = p  const . .r a 0 1 30 2 f кл2

p0 .10 6 = r а , R в .T0

където R в е газовата константа на въздуха

T0 - температурата на околната среда.

След преработване на израза (1.39) се получава  n2 p a = p 0 .1  const. 2 f кл 

(1.40)

 . 

Анализът на израза (1.40) показва, че налягането в края на пълненето зависи главно от налягането p 0 и температура T0 на околната среда, честотата на въртене на двигателя и проходното сечение на пълнителния клапан f кл . От друга страна, при постъпване на прясното работно вещество то се подгрява от горещите стени на пълнителната система, каналите в главата на цилиндъра и нагретите части на цилиндъра. В резултат на това температурата в края на процеса на пълнене нараства спрямо тази на околната среда. Това нарастване може да се определи от баланса на енергията в процеса на пълнене, написан във вида (1.41)

M e m c pв ( T0 + DT ) + M r m c prTr = ( M e + M r ) m c pсмTa ,

където

M e , M r са молекулните количества на прясното работно вещество и на остатъчните газове; m c pв - молекулен специфичен топлинен капацитет на въздуха при p = const температура TТ+ D ; 0 m c pr - молекулен специфичен топлинен капацитет на остатъчните газове при p = const и температура Tr ; m c рсм - молекулен специфичен топлинен капацитет на работно вещество в края на пълненето при температура Ta .

Ако се приеме, че c pв �c рсм

и j=

c рr

, където j

c рв

е коефициент, отчитащ

съотношението между c pr и c pв (обикновено j = 1,05  1,10 ), за температурата в края на пълненето се получава Ta =

(1.42)

T0 + DT + j. r .Tr , 1+  r

където

DT е подгряването на прясното работно вещество при постъпването му в цилиндъра. За различните двигатели отношението

T0 + DT = d t има различна стойност и се нарича степен T0

на подгряване на работното вещество при пълненето. Обикновено d t = 1,05  1,12 . За двигателите със свръхпълнене чрез компресор налягането и температурата на въздуха на входа в пълнителната система са съответно p k и Tk , определени по изразите p Tk = T0 . k  p0

(1.43)

  

n k 1 nk

,

и

p k = p k .p 0 ,

(1.44)

където p k е степен на повишаване на налягането на въздуха в компресора;

n k - показател на политропата на сгъстяване в компресора; n k = 1,4  1,8 .

Съвършенството на процеса на пълнене се оценява с коефициента на пълнене, който може да бъде обемен или масов. Обемният коефициент на пълнене hv представлява отношението на обема на прясното работно вещество Vh�към ходовия обем на цилиндъра Vh , т.е.

hv =

(1.45)

Vh� Vh

Масовият коефициент на пълнене h h представлява отношението на количеството пресен въздух или горивна смес (в kg или kmol), действително постъпилото в цилиндъра на двигателя, към онова количество, което би могло да постъпи в цилиндъра при условията на външната среда ( p0 , T0 или pk , Tk ).

От

уравнението

на

енергийния

баланс

в

края

на

пълненето

M a = M e + M r = M e ( 1 +  r ) , след заместване на молекулните количества M a =

(в

точка

a)

paVa p0Vhh h и Me = , RвTa RвT0

определени от уравненията на състоянието, и на обемите Va = e Vc и Vh = Vc ( e  1). , след извършване на преобразувания, за масовия коефициент на пълнене се получава

hh =

(1.46)

pa Va T0 T0 e pa = . p0 Vh Ta e  1 p0 T0 + DT + j . r .Tr

Този израз за коефициента на пълнене важи за всички двигатели (двутактови и четиритактови). Забележка! За двутактовите двигатели е необходимо в израза (1.46) да се постави действителната степен на сгъстяване e д . Отвори Продухвателен Изпускателен





Фиг. 1.14. Схема на процесите пълнене и изпускане при двутактови двигатели Необходимо е да се отбележи, че при двутактовите двигатели процесът на пълнене на цилиндъра с прясна работна смес протича с известни особености, които се виждат от схемата на фиг. 1.14. При движението на буталото в такта разширение от ГМТ към ДМТ, когато се отвори пълнителният прозорец (точка а'), в цилиндъра започва да постъпва прясно работно вещество, предварително сгъстено в картера до налягане p k . Процесът на пълнене се прекратява, когато буталото в такта на сгъстяването, движейки се от ДМТ към ГМТ, отново достигне до точка а' и затвори пълнителния прозорец. Действителният

процес

на

сгъстяване

започва,

когато

продухвателния прозорец, т.е. достигне точка a'. Следователно (1.47)

eд =

Vh ' + Vc Vh .(1   ) + Vc V = = 1 + h .(1   ) , Vc Vc Vc

буталото

затвори

където  =

Vпр Vh

е коефициент, характеризиращ загубата на обем от продухвателните

прозорци. Обикновено  = 0,10  0,25 . От друга страна, отношението e г =

Vh + Vc представлява геометричната степен на Vc

сгъстяване, т.е. e д = 1 + ( e г  1).(1   ) = e г .(1   ) +  .

(1.48)

Оптимизирането на фазите на пълнителния клапан (при четиритактовите двигатели) или на пълнителните прозорци (при двутактовите двигатели) позволява цилиндърът да се очисти по-пълно от отработените газове, както и да се получи допълнително дозареждане от инерцията на постъпващото с голяма скорост в цилиндъра работно вещество. Ето защо в действителност коефициентът на пълнене може да се напише във вида:

hh = l1

(1.49)

T0 e pa , e  1 p0 T0 + DT +  Г .j .Tr

където l 1 е коефициент на дозареждане на цилиндъра в резултат на увеличените фази на пълнителния клапан. Обикновено l 1 = 1,02  1,06. Върху коефициента на пълнене оказват влияние голям брой фактори, някои от които се виждат от анализа на израза (1.49), а други са в неявен вид и косвено оказват влияние върху него. Такива са: 1. Параметрите на околната среда ( p 0 , T0, r 0 ) и особено отношението

pa pa (или p0 pk

при двигатели със свръхпълнене). За авиационните двигатели обикновено това отношение се движи в границите 0,90  0,95 .

2. Фазите на газоразпределителния механизъм и геометричните размери на пълнителните канали (прозорци).

3. Конструкцията на пълнителната система и хидравличните загуби при пълненето.

4. Режимът на работа на двигателя по отношение на мощност, честота на въртене и топлинен режим, оказващ косвено влияние на параметрите p a , DT,  г , Tr и др.

5. Съставът на гориво-въздушната смес

a и др.

За илюстрация на влиянието на различните фактори върху коефициента на пълнене по-долу са показани графични зависимости на изменението на някои параметри, оказващи влияние на пълненето.

h 



h

d  Фиг. 1.15

На фиг. 1.15 са показани характерът на изменение и стойностите на величините p a ,  г и h v за бензинов двигател във функция от положението на дроселовата клапа d кл %.

h

d

h

D

 Фиг. 1.16 На фиг. 1.16 са показани характерът на изменение на величините p a ,  г , DT и h v на бензинов двигател в зависимост от честотата на въртене на двигателя при постоянно натоварване.

h

d

Фиг. 1.17

h

Фиг. 1.18 На фиг. 1.17 са показани графични зависимости на коефициента на пълнене на бензинов двигател при частични натоварвания, а на фиг. 1.18 влиянието на скоростта на въздуха около смукателния клапан на h v .

4.3. ПРОЦЕС СГЪСТЯВАНЕ Действителният процес сгъстяване започва след затварянето на пълнителния клапан (или прозорец) и продължава до достигане на буталото в ГМТ. Неговата продължителност е по-малка от теоретичния ход на сгъстяване (по-малка от 180° от ъгъла на завъртването на коляновия вал), а физическите процеси протичат при сложен топлообмен между работното тяло и околната среда (фиг. 1.19).

Фиг. 1.19 Следователно действителният процес сгъстяване е сложен политропен процес с променлив показател на политропата n 1 , който (както беше изяснено по-рано) има стойности, значително по-ниски от показателя на адиабата k. Това води до намаляване на показателите на работното тяло в края на сгъстяването ( p c и Tc ) и следователно до намаляване на полезната работа. В началото на сгъстяването, поради по-ниската температура на работното тяло спрямо стените на цилиндъра, започва топлообмен от цилиндъра към работното тяло. Това води до повишаване на температурата и налягането в по-голяма степен, отколкото при идеалния адиабатен процес на сгъстяване, и следователно показателят на политропата на сгъстяването n 1 е по-голям от показателя на адиабатата k. Постепенно температурата на работното тяло расте и в даден момент (точка d) се изравнява с температурата на стените на цилиндъра, т.е. n 1 = k . В този момент dQ = 0 . Понататъшното повишаване на температурата на работното тяло при сгъстяването довежда до поява на топлообмен от работното тяло към стените на цилиндъра, което води до загуба на топлина, спадане на интензивността на сгъстяването и намаляване на показателя на политропата на сгъстяване n 1 . Колкото по-ниска е средната температура на стените на цилиндъра и по-висока е степента на сгъстяване

e , толкова по-интензивно е топлоотдаването от работното тяло навън

и следователно толкова по-нисък ще бъде средният за целия процес на сгъстяване показател на политропата на сгъстяване n1ср спрямо показателя на адиабатата k. Като се има предвид и обстоятелството, че в процеса на сгъстяването се променят и специфичните топлинни капацитети на работното тяло cv и c p , то средният показател на политропата на сгъстяване се движи в границите n 1 = 1,35  1,38 . Параметрите на работното тяло в края на сгъстяването могат да се изчислят по изразите

p c = p a .e n1 ,

(1.50) и (1.51)

Tc = Ta .e n1 1 Определянето на средния показател на политропата n 1 може да стане по следните

изрази n1 =

(1.52)

lg p c  lg p a , lg e

или n 1 = 1,4  0,04.

(1.53)

nN , nx

където n N , n x , са честоти на въртене в [ об./min] на вала на двигателя при номинален режим и при произволно избран режим. Параметрите на работното тяло в края на сгъстяването зависят преди всичко от степента на сгъстяването

e и се движат в следните граници:

За e = 6  10 ; p c = 1,2  2,0MPa ;

Tc = 675K  775K .

По-точна информация за характера на изменение на параметрите p c и Tc от различни стойности на n 1 може да се получи от фиг. 1.20.

e при

e Фиг. 1.20 Върху процеса на сгъстяване оказват влияние още следните фактори: 1. Разликата между температурата на прясното работно тяло и стените на цилиндъра.

2. Относителната топлоотдаваща повърхност

Fохл .

Vh

3. Количеството на прясното работно вещество в цилиндъра.

4. Времетраенето на процеса сгъстяване (честота на въртене на двигателя).

5. Коефициента на топлопредаване между газа и стените на цилиндъра.

6. Количеството на бензина, което се изпарява в процеса на сгъстяването.

7. Пропуските на газ между уплътнителните пръстени на буталото и клапаните.

8. Формата на горивното пространство и материалите, от които са изработени детайлите на цилиндъра, и т.н. Съществено влияние върху процеса сгъстяване оказва и начинът на пълнене. При свръхпълнене на двигателя посредством компресор нараства масата на постъпващото в цилиндъра работно вещество, което води до относително намаляване на топлинните загуби, нарастване на показателя на политропата n 1 и повишаване на параметрите в края на сгъстяването.

4.4. ПРОЦЕС ГОРЕНЕ В ДВГ 4.4.1. УСЛОВИЯ, ПРИ КОИТО ПРОТИЧА ГОРЕНЕТО Горенето в ДВГ е сложен физико-химичен процес, който протича за много кратко време в условията на движещ се поток в пространство със сложна геометрична форма и работно вещество, имащо определено съотношение между горивото и въздуха, определено от въздушното отношение

a.

Фиг. 1.21 Формата на горивното пространство може да бъде най-различна. На фиг. 1.21 са дадени някои типични форми на горивни камери за авиационни двигатели. Най-широко приложение намират полусферичната и сегментната форма на горивна камера, които осигуряват удобства за разположение на клапаните и запалителните свещи, както и малка топлоотвеждаща повърхност, което е благоприятно, както за бързото изгаряне на сместа, а така също и за икономичността на двигателя. В процеса на пълнене прясното работно вещество постъпва в цилиндъра с голяма скорост, получава въртеливо движение спрямо оста на цилиндъра, което е желателно да се запази и в процесите на сгъстяване и на горене. Това движение на прясното работно вещество осигурява добро охлаждане на горивното пространство, клапаните и буталото, и гарантира бързо изгаряне на сместа.

j Фиг. 1.22 На фиг. 1.22 е показан характерът на изменение на скоростта на движение на прясното работно вещество в процеса на сгъстяването и началото на горенето на двигател с плоскоцилиндрична горивна камера и различна степен на сгъстяване. Вижда се, че скоростта на въртеливото движение на сместа не превишава 3  4 m/s. За повишаване на тази скорост и за увеличаване на скоростта на горенето понякога на пълнителните клапани се поставят специални пластини (завихрители).

a Фиг. 1.23 Съставът на гориво-въздушната смес

a оказва съществено влияние върху скоростта

на горенето. Това се вижда много добре от данните, показани на фиг. 1.23. При a = 0,4 и a = 1,3

скоростта на горенето е толкова малка, че практически горенето се прекратява. Ето

защо a = 0,4 се нарича горна граница на горенето, a = 1,3 се нарича долна граница на горенето.

a Фиг. 1.24 Подобна е картината и при изгарянето и на газообразни горива. В зависимост от химическите свойства на газообразните горива, долната граница на горенето може да се разшири до a = 1,5  2,5 , което позволява двигателят да работи стабилно при бедни смеси, гарантиращи голяма икономичност и ниска токсичност на отработените газове. Това се отнася предимно за водорода (1) и в по-малка степен за ацетилена (2), етилена (3) и други газообразни горива (фиг. 1.24).

4.4.2. ГОРИВА, ИЗПОЛЗУВАНИ ЗА АВИАЦИОННИТЕ ДВИГАТЕЛИ. ОСНОВНИ ФИЗИКО-ХИМИЧНИ СВОЙСТВА В авиационните двигатели се използват главно течните горива. Газообразните горива намират ограничено приложение поради специфичните условия на експлоатация на тези двигатели. Основните физико-химични свойства на течните горива зависят от груповия им състав, т.е. от типовете въглеводородни съединения, които се съдържат в изходния продукт земното масло (нефта). Тези групи са: Алкани. Това са наситени въглеводороди с верижен строеж на молекулата и химична формула C n H 2.n + 2 . Тези от тях, които имат неразклонена въглеродна верига се наричат "нормални алкани", а тези, които имат разклонена верига - изомери или и-алкани. Нормалните алкани имат склонност към самовъзпламеняване и са по-подходящи съставки за

дизеловите горива. И-алканите не са склонни към образуване на прекиси и са по-устойчиви спрямо детонационно горене, и са желани съставки за бензините и главно авиационните бензини.

Фиг. 1.25 Алкени. Ненаситени въглеводороди с верижен строеж на молекулите, които имат химична формула C n H 2 n . Тези въглеводороди са по-малко склонни към образуване на прекиси и детонационно горене. При продължително съхранение са склонни към образуване на смоли. Имат по-малка топлина на изгаряне. Циклани (циклопарафини). Притежават пръстеновидна верига на въглеродните атоми и имат химична формула C n H 2 n (като и алкените), имат голяма устойчивост срещу детонационно горене и са химически устойчиви при продължително съхранение, поради което са особено желани съставки за авиационните бензини. Ароматни въглеводороди. Имат пръстеновидна структура на молекулите си и

химична формула C n H 2 n  2 Имат много голяма устойчивост срещу образуване на прекиси и детонационно горене, поради което са особено желани за авиационните бензини. Имат обаче висока температура на замръзване (+5°С) и малка топлина на изгаряне. Елементен състав. 1 kg авиационен бензин съдържа около 0.855 kg въглерод и 0,145 kg водород. Сярата и водата са нежелани примеси за тези горива. В дизеловите горива има 0,855 kg въглерод, 0,140 kg водород и около 0,005 kg свободен кислород. Плътност. Относителната плътност на авиационните бензини е в границите 0,68  0,725kg / dm 3 . На дизеловите горива плътността е в границите 0,86  0,94kg / dm 3 .

Фиг. 1.26 Изпаряемост. Особено важно качество на бензините. Обикновено за това качество се съди по кривите на фракционната дестилация (фиг. 1.26). От температурата, при която се изпарява 10% от дадено гориво, се съди за пусковите качества на двигателя. От температурата, при която се изпарява 50% от горивото, се съди за устойчивата работа на двигателя при преходните режими на работа. От температурата, при която се изпарява 90% от горивото, се съди за влиянието на горивото върху износоустойчивостта на двигателя. Повишаването на тази температура води до попадане на неизпарено гориво в цилиндъра, измиване на маслото от цилиндъра и увеличаване на износването. Скрита топлина на изпарение. За бензините тази топлина е около 280-290 kJ/kg. Тя е значително по-малка от скритата топлина, например за изпарение на метиловия спирт (1170

kJ/kg). Това осигурява по-лесно пускане на двигателя и при значително по-ниски температури. Топлина на изгаряне (калоричност). Бензините имат топлина на изгаряне около 44 000 kJ/kg, метиловият спирт около 20 000 kJ/kg, водородът 120 000 kJ/kg. Пламна точка. Температура на околната среда, при която могат да се запалят парите на горивото при поднасяне на пъстър пламък. За бензина тази температура е между  25  50 0 C , а за дизеловото гориво + 45  +65 0 C . Тази пламна точка характеризира

опасността от пожар при работа с горивата. Бензинът следователно е силно пожароопасно гориво. Температура на помътняване. Температура на околната среда, при която в горивото се появяват кристали от парафиновите въглеводороди. За бензините тази температура е под -100°С, а при дизеловите  15 0  75 0 C . Съдържание на смоли. За авиационните бензини допустимото съдържание на смоли е 2 mg на 100 cm 3 гориво. Повишеното съдържание на смоли може да предизвика запушване на дозиращите жигльори на карбуратора. Устойчивост на детонация. Това качество се оценява по октановото число на горивото, което представлява условна единица, сравняваща антидетонационната устойчивост на даден бензин спрямо еталонна смес, състояща се от нормален хептан ( C 7 H 16 ) , имащ ОЧ = 0 и изооктан ( C 8 H 18 ) , с октаново число ОЧ = 100 единици. Авиационните бензини имат обикновено ОЧ в границите 86  98 . В някои силно форсирани авиационни двигатели се използува бензин с ОЧ = 103  109 . Повишаването на антидетонационните качества на изходните бензини става чрез добавянето на различни прибавки (тетраетилолово Pb ( C2 H 5 ) 4 ,

анилин,

железен

пентакарбонил

и

др.).

Най-ефикасна

прибавка

е

тетраетилоловото. Добавката на 1,0 cm 3 тетраетилолово към 1 dm 3 бензин увеличава октановото му число с 3-5 единици. Перспективни горива за авиационните двигатели. За авиационните двигатели перспективни горива са водородът, алкохолите и някои смеси от бензин, бензол и спирт. Водородът има ценни качества като гориво за ДВГ, но неговото приложение в по-широки мащаби в близките години е съпроводено от редицата трудности, свързани с добиването, съхраняването и подаването на водорода в двигателя. Известно приложение в момента намира използуването на смеси от бензин, бензол и спирт (бебал) или чист спирт - метанол, етанол и др. Използуването на такива горива

намалява опасността от детонационното горене, намалява съдържанието на токсичните компоненти в отработените газове и снижава топлинното натоварване на двигателя.

4.4.3. ХИМИЧЕСКИ РЕАКЦИИ ПРИ ГОРЕНЕТО Обикновено водородът като по-активен се окислява напълно до водна пара по реакцията 2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q 1 ,

(1.54)

където Q1 е количеството топлина, която се отделя при тази реакция. Ако в един 1kg гориво се съдържа h kg водород и с kg въглерод, се получава 4kgH 2 + 32kgO 2 = 36kgH 2 O ;

или

h h hkgH 2 + 32kgO2 = 36kgH 2O ; 4 4

или

hkgH2 +

h h kmolO2 = kmolH2O .

4 2

При пълно окисляваме на водорода до водна пара се получава двойно увеличаване на броя на моловете спрямо моловете на изразходвания кислород, т. е. DM H O = 2

Въглеродът, който се окислява по-трудно, при

h kmol .

2

a > 1 може да се окисли напълно до

СО2 по реакцията C + O 2 = CO 2 + Q I2 ;

(1.55)

12kgC + 32kgO 2 = 44kgCO 2 ;

или или

ckgC +

c c 32kgO 2 = 44kgCO 2 ; 12 12

или

ckgC +

c c kmolO 2 = kmolCO 2 .

12 12

Следователно, ако въглеродът се окисли напълно до СО 2, ще бъде необходимо c kmolO 2 и при тази реакция няма изменение на моловете, т.е. DM CO 2 = 0 .

12

Обикновено (особено при

a < 1) една част от въглерода се окислява непълно до

въглероден окис по реакцията (1.56) или или

2C + O 2 = 2CO + Q II2 ; 24kgC + 32kgO 2 = 56kgCO ; ckgC +

c c 32kgO 2 = 56kgCO ; 24 24

ckgC +

или

c c kmolO 2 = kmolCO ; 24 12

Ако цялото количество въглерод се окисли до СО, е необходимо количество кислород c c kmolO 2 . При такова горене обаче се увеличава броят на моловете, т.е. DM CO = kmol .

12 12

Следователно за изгарянето на 1 kg гориво (бензин) ще бъде необходимо следното количество кислород M O2 =

(1.57)

c h o +  , kmol / kg гориво 12 4 32

или G O2 =

(1.58)

8 c + 8h  o, kg / kg гориво 3

Но във въздуха се съдържат около 23% кислород ( O 2 ) по маса и 21% по обем и съответно около 77% (респективно 79%) азот ( N 2 ) . Следователно за пълното изгаряне на 1 kg гориво (бензин) ще бъде необходимо следното количество въздух l0 =

(1:59)

1  c h 0   +  , kmol / kg гориво 0,21  12 4 32 

или L0 =

(1.60)

1 8   c + 8h  o , kg / kg гориво 0,23  3 

За бензин, който в 1 kg се съдържа 0,855 kg с и 0,145 kg h, l 0 = 0,512kmol / kg и съответно L 0 = 14,95kg / kg . Следователно при пълно окисление на въглерода и водорода съответно до Н20 и СО2, което става при

a > 1, след горенето количеството на продуктите, изразено в молове М 2 ще

бъде: M 2 = M CO2 + M H 2O + M N 2 + M O 2 =

(1.61) =

c h + + 0,79al 0 + 0,21( a  1) L 0 , kmol/kg 12 2

a < 1 обикновено окислението на въглерода е частично до СО 2 и частично до СО, а при много ниски стойности на a дори се появява чист въглерод във вид на сажди. В При

този случай количеството на газовете след горенето ще бъде (1.62)

M 2 = M CO2 + M CO + M H 2O + M H 2 + M N 2 = =

c h + + 0,79al 0 , kmol / kg 12 2

В резултат на непълното окисляване, главно на въглерода, в продуктите от горенето се получават токсични компоненти. Такива са СО, азотните съединения от типа NO x и някои въглеводороди с обща формула CH m . Характерът и абсолютната стойност на основните компоненти от горенето се вижда от графиката, показана на фиг. 1.27.

a Фиг. 1.27 Токсичността на отработените газове от ДВГ е основен проблем за човечеството. Независимо че за авиационните двигатели този проблем не стои така остро, пътищата за намаляването на токсичните компоненти на отработените газове, които се прилагат при тях, са следните: 1. Приложение на метода впръскване на бензин (или впръскващи карбуратори), които гарантират работа на двигателя с по-бедки смеси a = (1,15  1,25) и осигуряват ниска токсичност.

2. Използуване на компактна горивна камера (тип “полусферична” др.) с две запалителни свещи, гарантиращи бързо изгаряне на сместа.

3. Използуване на невисоки степени на сгъстяване (e = 6  8) .

4. Използуване на невисоки честоти на въртене на двигателя n = ( 2500  3200 min 1 ) .

5. Използуване на свръхпълнене (главно чрез механичен компресор), което осигурява както висока мощност, така и работа с по-бедни смеси.

6. Приложение на съвременната електроника за управление на важни параметри на двигателя (момента на подаване на искрата, енергията на искрата, процесите на впръскване на горивото и др.).

7. Използуване на нови горива - смес на бензин, бензол и спирт (бебал). алкохоли и в перспектива водород.

8. Приложение на катализатори и неутрализатори на токсичните компоненти.

4.4.4. ФИЗИЧЕСКИ ПРОЦЕСИ НА ГОРЕНЕТО В БЕНЗИНОВИТЕ ДВИГАТЕЛИ За максимално приближаване на действителния цикъл на двигателя до идеалния отделянето на топлината при горенето трябва да става възможно най-близко до ГМТ. Отклонението на процеса горене в една или в друга посока от ГМТ води до неговото влошаване, намаляване на икономичността на цикъла и повишаване на съдържанието на токсичните компоненти. Следователно процесът на горене трябва да протича с достатъчно висока скорост при максимално отделяне на топлина близо до ГМТ.

j j

j

j j

j j



j Фиг. 1.28.

Процесът на горене започва от момента на подаване на електрическата искра с високо напрежение (12 000 - 15 000 V). За получаване на оптимален горивен процес електрическата искра трябва да се подава в края на сгъстяването с предварение преди ГМТ средно около 25° - 35° (фиг. 1.28). За получаване на бързо изгаряне на гориво-въздушната смес и сигурна работа в авиационните двигатели обикновено се използуват две запални свещи, разположени в противоположни краища на камерата. Фронтът на пламъка от всяка свещ се разпространява във всички направления и при неподвижна смес това става по сферични повърхнини.



Фиг. 1.29 В действителност поради интензивното движение на гориво-въздушната смес в процеса на горенето, фронтът на пламъка е силно турбулизиран и разкъсан, което осигурява висока скорост на разпространение, достигаща нормално 20-30 m/s (фиг. 1.29). Както се вижда от фиг. 1.28, след подаването на искрата до известен момент видимо изменение на параметрите на работното вещество в камерата не се наблюдава. Ето защо периодът между точките 1 и 2 се нарича подготвителен период на горенето или "индуктивен" период на горенето и се означава с j i . Точка 2 се явява начало на видимото ( j z ) , истинското горене, характеризиращо се с появата на силно светещ пламък и значително бързо нарастване на налягането и температурата на газовете в горивната камера. Обикновено се допуска, че при достигане на максималното налягане при горенето p z max , пламъковият фронт е обхванал цялата горивна камера. Това обаче не означава, че горенето е приключило. Зад фронта на движещия се горивен пламък остават все още не напълно окислени елементи от горивото, които продължават да догарят. Следователно процесът на горенето има и трета фаза - догаряне

( j дог ) ,

чиято

продължителност зависи от първите две основни фази на горенето. Максималната температура на газовете при горенето достига 2500 -2800K и се получава след ГМТ на буталото на ъгъл j T = 10 0  12 0 . Максималното налягане при горенето 0 0 достига 5  8MPa и се получава близо до ГМТ на ъгъл j p = 5  8 . В резултат на високите

температури и налягане се получава интензивен топлообмен с околната среда и загуба на топлина в границите 4-6% от общото количество топлина, отделена при горенето.

Първият период на горенето - индуктивният ( j i ) , зависи предимно от природата на горивото (груповия състав на горивото), качеството на смесообразуването (хомогенност и състав на сместа), режима на работа на двигателя (честота на въртене, натоварване, топлинно състояние и др.), енергията на електрическата искра и др. При нормални условия продължителността на първия период на горенето е около 15% от времето на пълното изгаряне. След възпламеняването на сместа, през втория период на горенето скоростта на разпространението на пламъка зависи преди всичко от скоростта на протичане на химическите процеси на окисление, зависещи главно от следните фактори: 1. Температура и налягане в края на сгъстяването (степен на сгъстяване 2. Химическия състав на сместа (въздушно отношение

e ).

a ).

3. Скорост на подгряване на незапалената смес от придвижващия се пламъков фронт (топлоотделянето при горенето). Увеличаването на температурата и налягането в края на сгъстяването увеличава скоростта на горенето. Особено голямо влияние върху горенето оказва съставът на сместа

a.

Това се вижда особено добре от фиг. 1.23. Най-голяма скорост на горене има бензиновъздушна смес, имаща a = 0,8  0,9 . Значителна роля в увеличаване на скоростта на горенето играе движението на горивовъздушната смес. Това движение зависи както от формата на горивното пространство, разположението на пълнителния клапан, честотата на въртене на двигателя, натоварването на двигателя, така и от редица други фактори. През втората фаза на горенето се отделя 92-95% от топлината. Една, макар и малка част от топлината се отделя в третата фаза на горенето – фазата на догаряне (j дог ) . Продължителността на тази фаза е желателно да бъде малка, тъй като отделянето на топлина в процеса на разширението е слабо ефективно и води до повишаване на температурата на отработените газове. Особено силно влияние върху третата фаза на горенето оказва техническото състояние на двигателя, моментът на подаване на искрата, качеството на смесообразуването, режимът на работа на двигателя и др.



j Фиг. 1.30

Особено голяма роля върху горенето оказва моментът на подаване на електрическата искра  . Опитите показват, че двигателят работи най-добре при ъгъл на изпреварването в границите 25° -35° преди ГМТ. Намаляването на ъгъла на изпреварване води до забавяне на горенето, намаляване на мощността на двигателя, удължаване на фазата на догарянето, прегряване на двигателя и т.н. Това се вижда добре от индикаторните диаграми, показани на фиг. 1.30. Увеличаването на изпреварването на запалването над оптималната му стойност води до рязко нарастване на налягането и до опасност от поява на детонационно горене, което също води до прегряване на двигателя, опасност от задиране на буталото в цилиндъра и излизането му от строя. Всичко това налага моментът на подаване на искрата да се регулира така, че когато се променят условията за протичане на горенето, да се променя и той. Такова регулиране на момента на подаване на искрата трябва да се осъществява автоматично от специални регулатори, вграждани в запалителната система на двигателя.





dкл

dкл,%





a

e

Фиг. 1.31 На фиг. 1.31 са показани зависимостите на момента на подаване на искрата от основните режимни параметри на двигателя: натоварване на двигателя - d кл %, честота на въртене - n min 1 , състав на горивовъздушната смес

a , степента на сгъстяване e и др.

Всички фактори, способствуващи за увеличаване на скоростта на горенето, водят до намаляване на изпреварването на подаване на електрическата искра. Видът на горивото също оказва влияние върху момента на подаване на искрата. Например водородът спрямо бензина има много по-голяма скорост на горене и изисква твърде малко изпреварване от порядъка 3-5° преди ГМТ. В някои случаи горенето в двигателите може да се наруши и вместо да протича плавно, в границите на оптималното, добива взривен характер. Такова ненормално горене в бензиновите двигатели се нарича "детонационно". Най-голяма склонност към детонация има горивната смес, която изгаря последна. Това се обяснява с обстоятелството, че при определени условия (силно загрят двигател, голямо изпреварване на подаване на искрата, лошо техническо състояние на двигателя, продължителна работа на голяма мощност при ниска честота на въртене и др.) последните части от горивната смес, които са подложени на допълнително свиване и нагряване от пламъковия фронт, могат да изгорят с голяма скорост 1200 — 1500 m/s, което на практика е взривно горене.

Причините за появата на това явление са химически процеси, които протичат в гориво-въздушната смес при повишени налягания и температури, довеждащи до поява на пероокиси, които са органически нестабилни съединения, изгарящи с много голяма скорост. В резултат на такова горене в определени части на горивното пространство могат да се получат високи температури (3000° — 4275К") и високи местни налягания от порядъка 12 — 15 МРа. Вследствие на появата на взривна вълна и отразените вълни от стените на цилиндъра при наличие на детонация се чува остро, почти метално чукане, от изпускателните тръби на двигателя излизат кълба от черен дим, двигателят работи неравномерно, мощността му спада: нараства динамичното натоварване на коляно-мотовилковия механизъм и двигателят може да излезе от строя. Работата на авиационния двигател с детонационно горене е недопустима. Следователно поддържането на техническото състояние на двигателя, правилната и грамотна експлоатация и вземането на бързи мерки за отстраняването на причините, които предизвикват такова горене, са основни задължения на техническия състав. Понякога след спиране на двигателя (изключване на магнетния ключ на запалването) същият продължава да работи с неравномерни запалвания в отделните цилиндри. Тези запалвания се предизвикват от силно нагрети части на двигателя: запалителните свещи, клапани, челото на буталото и др. Такова самозапалване говори, че двигателят не е работил нормално и следва да се проверят всички регулировки, качествата на горивата и маслата, състоянието на охладителната и запалителните системи на двигателя и др. Обикновено такова самозапалване се получава, когато двигателят е работил с детонационно горене.