Примерный образец ответа на задачи итогового

Примерный образец ответа на задачи итогового междисциплинарного экзамена
по специальности 140501 – "Двигатели внутреннего сгорания"
Задача. Какие мероприятия необходимо предпринять для того, чтобы
исключить возникновение детонационного сгорания в двигателе?
Методика ответа:
Прежде всего, необходимо дать определение, описание детонационного
сгорания.
Детонационное сгорание возможно только в двигателях с объемным
смесеобразованием и принудительным воспламенением. Процесс сгорания в этом
случае начинается обычным образом: при подаче электрической искры вокруг нее
формируется и начинает распространяться по объему камеры сгорания фронт
пламени. По мере выгорания горючей смеси давление и температура в несгоревшей
части свежего заряда интенсивно повышаются. Причиной этого являются
адиабатическое сжатие этой части заряда в результате выгорания горючей смеси,
возможен, также, подогрев смеси горячими стенками камеры сгорания. Через
некоторое время после начала горения при формировании необходимых условий в
несгоревшей части горючей смеси возникает детонация.
Детонация - распространение со сверхзвуковой скоростью зоны быстрой
экзотермической химической реакции, следующей за фронтом ударной волны.
Ударная волна инициирует реакцию, сжимая и нагревая детонирующее вещество
(например, газообразную смесь горючего с окислителем). Фронт ударной волны и
зона реакции образуют в комплексе детонационную волну. Выделяющаяся при
реакции энергия поддерживает ударную волну, обеспечивая самораспространение
процесса.
Возможность возникновения детонации в цилиндре ДВС объясняется
следующими обстоятельствами. При достаточно длительном нахождении свежей
горючей смеси в условиях высокой температуры и давления в ней развиваются
предпламенные реакции с образованием и накоплением химически активных
промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода).
Завершением этого процесса может стать объемное самовоспламенение (не по
поверхности, как это происходит при нормальном сгорании) небольшой части
несгоревшей смеси. Этот очаг самовоспламенения индуцирует волну давления,
которая в результате подпитки энергией химических реакций формируется в
детонационную волну со скоростью распространения 1000 – 2500 м/сек.
Далее можно рассказать о негативных последствиях детонационного сгорания
и о внешних признаках наличия детонации. Хотя формулировка вопроса этого не
требует.
Исходя из сущности явления, определяются методы снижения вероятности
возникновения детонации:
1) снижение температуры и давления горючей смеси;
2) уменьшение времени нахождения горючей смеси в несгоревшем
состоянии;
3) повышение допустимого времени нахождения смеси в условиях камеры
сгорания без возникновения детонации.
1
Для каждого из методов можно сформулировать мероприятия, их
реализующие. Их может быть много, и не только те, что используются в
современных двигателях, желательно предложить и необычные, экзотические
решения, связанные с организацией рабочего процесса, конструкцией двигателя, его
систем, алгоритмом работы систем управления.
1) снижение температуры и давления горючей смеси:
– снижение давления начала сжатия или увеличение коэффициента
остаточных газов (далее, как это реализовать);
– улучшить условия охлаждения смеси на впуске (понятно, что много разных
вариантов);
– повысить эффективность системы охлаждения двигателя (возможно, в
ущерб экономичности двигателя и есть ли и другие ограничения по интенсивности
охлаждения);
– подача воды с топливом или воздухом (для внутреннего охлаждения);
– принудительный впрыск воды или чего-то другого (подходящего) в нужную
зону камеры сгорания;
– уменьшение угла опережения зажигания;
– снижение давления наддува (если он есть);
– некоторое обеднение горючей смеси;
– и т.д.
2) снижение времени нахождения горючей смеси в несгоревшем
состоянии:
– сокращение времени сгорания (нужно увеличить скорость выгорания –
вариантов масса): спроектировать компактную камеру сгорания; спроектировать
камеру сгорания с повышенной турбулентностью; организовать вихревое движение
смеси в процессе впуска (можно что-то нарисовать, пофантазировать); установить 2
свечи зажигания; и т.д.
3) повышение допустимого времени нахождения смеси в условиях камеры
сгорания без возникновения детонации:
– все вышеперечисленные мероприятия так или иначе увеличиваю это время.
Тем не менее, при прочих равных условиях напрашиваются еще два варианта:
применение высокооктановых бензинов (если они еще не были задействованы), если
не помогает, то использование других типов топлива (спирты, газы) или смесей
топлив разных типов.
Здесь не рассмотрены еще потенциальные возможности систем управления
(наверное, они есть) и схемные и конструкторские решения.
2
Задача. Как изменится мощность ДВС, работающего на бензине при
переводе его на газ? Почему?
Методика ответа:
Следует помнить, что подобные вопросы не всегда подразумевают получение
количественных решений, и, возможно, не имеют однозначного ответа.
В ответах на такие задачи необходимо показать фундаментальные знания,
общий кругозор, уровень самостоятельно приобретенных знаний по двигателям,
наличие здравого смысла, и способность мыслить логически.
Для ответа на данный вопрос необходимо представлять себе свойства
различных топлив и особенности их применения в поршневых двигателях.
Также следует обратить внимание на то, что вопрос поставлен в весьма общем
виде: не указан конкретный газ и каким образом осуществляется перевод двигателя
на газ. Поэтому следует ответ строить в нескольких направлениях, в идеале охватив
все возможные варианты или хотя бы продемонстрировав свое понимание
необходимости рассмотрения нескольких вариантов ответа.
Качественный анализ свойств газового топлива следует, очевидно,
производить в сравнении с бензином (исходя из условий задачи). Не имея под
руками справочников по видам применяемых топлив и их характеристикам, и,
естественно, не помня их численных характеристик, следует предположить, что
существует несколько различных газовых топлив, используемых в ДВС, часть
которых, возможно, имеет лучшие для применения в двигателе характеристики, чем
бензин, а часть - худшие.
Какие же характеристики топлива важны для применения в ДВС?
1. В первую очередь, это его объемная теплота сгорания горючих смесей
[Дж/м3], которая и характеризует работу цикла, т.е. мощность двигателя.
Рассматривают обычно стехиометрическую смесь.
Все газовые топлива на основе природного или газогенераторного газа
содержат в большем или меньшем количестве негорючие компоненты (пары воды,
двуокись углерода, азот). Эти компоненты занимают часть объема горючей смеси и
таким образом уменьшают количество воздуха и горючих компонентов,
находящихся в единице объема, уменьшая объемную теплоту сгорания смеси по
сравнению с вариантом отсутствия в топливе негорючих компонентов.
Но даже в случае отсутствия в топливе негорючих компонентов (например,
пропан-бутановая смесь) бензо-воздушная смесь имеет большую объемную
теплотворность
чем
газо-воздушная.
Объясняется
это
следующими
обстоятельствами. Газообразные топлива имеют меньшую среднюю молекулярную
массу чем бензин, т.к. состоят из более легких углеводородов. Поэтому их объем
при той же массе содержащихся горючих элементов (водорода и углерода) больше
чем у паров бензина. Отсюда следует, что для получения такого же количества
тепла как с единицы объема бензо-воздушной смеси потребуется больший объем
газовоздушной смеси. При внешнем смесеобразовании это приводит к тому, что в
цилиндр фиксированного объема при использовании газообразного топлива
поступает горючая с меньшей объемной теплотворностью и мощность двигателя
будет меньше, чем при работе на бензине.
3
При внутреннем смесеобразовании, если предложить вариант принудительной
подачи (впрыска) газа (неважно, в жидком или испаренном виде) после закрытия
органов газообмена, то возможна подача достаточного количества газа для полного
использования кислорода воздуха, поступившего в цилиндр и количество тепла
выделенного в цикле (т.е. работа цикла, мощность двигателя) будет зависеть уже от
состава топлива (соотношения количеств водорода и кислорода в нем).
2. Детонационная стойкость газовых топлив. Не зная количественных
характеристик этого параметра, можно предположить, что у каких-то топлив
детонационная стойкость ниже, а у каких-то выше, чем у бензина. Общая методика
ответа – рассмотрение обоих вариантов.
Пониженная по сравнению с бензином детонационная стойкость усугубляет
ситуацию: приходится снижать степень сжатия и дополнительно терять мощность.
Если детонационная стойкость газовых топлив несколько выше, чем у
бензина, что чаще всего и имеет место (доходит до 100 ед. шкалы октановых чисел),
то при переводе бензинового двигателя на газовое топливо можно увеличить
степень сжатия от традиционных 7,5…9 единиц до 10…12, что однозначно
повышает его мощность.
3. Пребывание топлива в газообразном состоянии. Это свойство избавляет
конструкторов двигателя от необходимости подогрева впускной системы для
испарению жидкого топлива, что обычно ухудшает наполнение рабочей камеры,
поскольку подогревает и воздух. Для газового ДВС возможно применение впускных
систем без подогрева, которые несколько увеличивают наполнение рабочей камеры
свежим зарядом. Отсутствие подогрева дает положительный эффект как для
двигателей с внешним смесеобразованием, так и с внутренним.
Таким образом, ответ на первый взгляд выглядит неконкретным,
расплывчатым и нечетким. Однако, этот ответ, вернее совокупность ответов,
является верной в условиях неопределенности условия задачи. Эти ответы как раз и
позволяют оценить те личностные качества студента.
4