Главная » Разное » Какая температура в камере сгорания бензинового двигателя

Какая температура в камере сгорания бензинового двигателя


Nissan Patrol GR Y61 ۞ (YOZHIK) › Бортжурнал › Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №4. Опять степень сжатия.

Давайте ещё раз посмотрим на процесс сгорания топлива в обычной "бензинке":

Если выбросить из головы привычные сказки на эту тему и посмотреть трезвым взглядом — то ВСЁ в "обычном" двигателе организовано через задницу:

1). Воспламенение топлива производится до ВМТ в довольно холодной и разряжённой атмосфере.
Да, разумеется, сжатие повышает и температуру и давление — потому условия воспламенения топлива, без спору, становятся намного более благоприятными, чем вообще без сжатия. Но оптимальными назвать их — язык не поворачивается.
Именно поэтому топливо даже при принудительном зажигании так медленно и неохотно воспламеняется — посмотрите, сколько по времени длится одно только образование очага горения…
А распространение фронта пламени?!
ПОЛОВИНУ времени "сгорания" на самом деле занимает ВОСПЛАМЕНЕНИЕ!
Зажигание и вынесли ПЕРЕД ВМТ с единственной целью — дать время топливу разгореться в неблагоприятных условиях, чтобы после ВМТ оно уже горело более-менее активно. Если воспламенять топливо ПОСЛЕ ВМТ — оно не то что сгореть не успеет, оно ВОСПЛАМЕНИТЬСЯ полностью не сможет.

2). Поскольку часть сгорания топлива происходит ДО ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал — нам в обязательном порядке придётся компенсировать это сгорание после ВМТ, что увеличивает расход топлива…
Ну или снижает КПД — если так понятнее.

3). Приблизительно до 10 градусов после ВМТ поршень еле движется вниз — потому энергия сгорающего топлива преобразуется не столько в работу, сколько в дальнейшее лавинообразное повышение температуры и давления в "камере сгорания" — что приводит к появлению детонации…
Высокая плотность сгорающих газов при высокой их температуре вызывает колоссальные теплопотери в стенки "камеры сгорания" — до 90-95(!)% всего тепла передаётся двигателю именно в зоне ВМТ.
Пик прорыва газов в картер через компрессионные кольца опять таки расположен в зоне ВМТ…

4). Пик сгорания приходится на 15 градусов после ВМТ — при этом положении коленвала все детали двигателя испытывают максимальные механические и термические нагрузки. Но кривошипно-шатунный механизм в этом положении передаёт на коленвал только четверть давления газов. Полезной работы всё ещё выполняется мизер. Если бы двигатель мог запасать энергию сгорания в давлении газов, чтобы отдать эту энергию коленвалу позже, когда тот займёт более выгодное с точки передачи момента, положение — это было бы не страшно. Но объём "камеры сгорания" начинает стремительно увеличиваться и по факту повышается только температура газов, а давление уже начинает падать. Передаточный коэффициент КШМ увеличивается, но давление падает всё стремительнее на фоне всё быстрее опускающегося поршня и стремительно увеличивающегося объёма "камеры сгорания".

5). На 30 градусах после ВМТ КШМ передаёт уже около 50% давления газов, но и объём камеры сгорания к этому моменту удваивается — давление и температура газов стремительно уменьшаются, нарастает концентрация продуктов сгорания, а концентрация топлива и кислорода стремительно падает.
Сгорание замедляется…

6). К 35-40 градусам после ВМТ активное догорание топлива прекращается. В этом положении КШМ передаёт уже больше половины давления газов в работу, но выделение тепла уже не происходит — генерация давления прекращается полностью. С этого момента давление газов в "камере сгорания" начинает снижаться прямо пропорционально увеличению объёма камеры сгорания и кривопропорционально снижению температуры.

7). К 80 градусам после ВМТ КШМ передаёт почти 100% давления, но объём "камеры сгорания" к этому моменту увеличивается уже в 5 РАЗ(!) и продолжает стремительно расти. Давление газов катастрофически снижается и работы опять производится мизер.

В итоге — КПД современной бензинки по оценкам официальной науки не превышает 30%.
Наука неофициальная иногда рожает несколько странные на первый взгляд цифры, имеющие на мой взгляд больше отношения к реальности. После начала эксплуатации первого серийного электромобиля EV1 были получены удивительные результаты, оставленные официальной наукой без должного внимания. Было подсчитано, что количество электроэнергии, затраченной EV1 с массой около 1,5 тонн на преодолении пути в 100 км — эквивалентно энергии, заключенной менее чем в одном литре бензина. Этот результат вызвал огромное недоумение у американских специалистов, ведь аналогичный автомобиль на 100 км тратит в среднем около 10 литров бензина. Действительно эти цифры невозможно объяснить, если за основу брать КПД двигателя в районе 30…40%. Однако, если реальный КПД равен 7% — то эти цифры прекрасно объясняются.

Получается — при расходе автомобиля 10 литров на сто километров на движение АВТОМОБИЛЯ тратится около одного литра бензина, остальные 9 литров своим сгоранием тупо греют атмосфэру.
Если же задуматься — а сколько тратится топлива на перемещение непосредственно ГРУЗА или ПАССАЖИРОВ — то картина получится совсем удручающая…

У "дизельного" двигателя всё тоже самое, что и у "бензинового" — с небольшими отличиями в лучшую сторону, но сама концепция — как под копирку:
1). Сжать рабочее тело в несокрушимом замкнутом объёме для обеспечения приемлемой скорости ВОСПЛАМЕНЕНИЯ топлива.
2). Спалить топливо в этом практически неменяющемся объёме и НАКОПИТЬ к концу сгорания "максимальное давление цикла", балансируя на грани взрыва и механического разрушения двигателя.
3). На этапе рабочего хода начать сливать всё накопленное давление в ненасытную утробу стремительно расширяющейся "камеры сгорания", судорожно тщась преобразовать стремительно падающее давление в момент на коленвалу с помощью кривошипа, который работает почти в противофазе и потому теряет в среднем около половины передаваемого давления.

ОСНОВНОЕ узкое место этой модели — выделяющаяся энергия преобразуется в работу не НЕМЕДЛЕННО по мере сгорания топлива, а только СПУСТЯ некоторое время, уже ПОСЛЕ фактического завершения сгорания.
Именно это и обуславливает колоссальные потери энергии.
Высокие максимальные температуры цикла вызывают ускоренную теплопередачу в стенки "камеры сгорания". Высокое максимальное давление цикла — чрезмерные потери через малейшие неплотности "камеры сгорания".

.

.

.

Что делать с этим безобразием умные головы придумали уже давно.
Нужно ходить пешком!
Нужно СИНХРОНИЗИРОВАТЬ два важнейших "механизма" ДВС таким образом, чтобы вырабатываемая при сгорании топлива энергия совершала работу НЕМЕДЛЕННО.

Тогда максимальная отдача от одного "механизма" будет оптимальным образом приумножать отдачу другого.

А добиться этого можно только повышая степень сжатия.
Повышая не на проценты, а в разы.

Давайте прикинем:
У двигателя температура смеси в конце такта всасывания достигает +65С.
При прокручивании стартером у "бензинки" со СС=9 температура в ВМТ поднимается до +380С, а давление — до 19 атмосфер. Это очень мало. Чтобы топливо успело сгореть — воспламенять смесь приходится за 15 градусов до ВМТ. Тогда в зоне ВМТ температура поднимается до +800С, а давление — до 33 атмосфер.
Получается, что дополнительное увеличение температуры на +420С и давления на 14 атмосфер на такте сжатия получено за счет топлива, сгорающего до ВМТ.
Грубо говоря — сжатие смеси поршневой группой в привычном двигателе обеспечивает только ПОЛОВИНУ давления и температуры, требуемых для нормального сгорания воздушно-топливной смеси.

Если прикинуть — при какой геометри

www.drive2.ru

Устройство двигателей внутреннего сгорания

Изучение устройства двигателей внутреннего сгорания.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания в двигателях, применяемых для привода современных строительных машин, тепловая энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую работу. Так как топливо сгорает внутри цилиндров двигателей, то они называются двигателями внутреннего сгорания.

Современные двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательно движущимися поршнями классифицируются по следующим признакам:

1. способу смесеобразования - на двигатели с внешним смесеобразованием /карбюраторные и газовые/ и внутренним /дизельные/;

2. способу воспламенения рабочей смеси на двигатели с принудительным воспламенением от электрической искры /карбюраторные и газовые/ и с воспламенением от сжатия /дизели/;

3. способу осуществления рабочего цикла - на четырех - и двухтактные;

4. числу цилиндров - на одно - и многоцилиндровые;

5. расположению цилиндров - на одноцилиндровые /линейные/ и двухрядные или V - образные, у которых угол между цилиндрами мень­ше 180°. Если угол равен 180°, двигатель называется оппозитным;

6. охлаждению - на двигатели с водяным и воздушным охлаждением.

На строительных машинах применяются четырехтактные многоцилиндровые карбюраторные и дизельные двигатели.

Во время работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в его цилиндре протекают четыре процесса: 1/ впуск в цилиндр горючей смеси /в карбюраторный двигатель/ или воздуха /в дизельный двигатель/t 2/ сжатие рабочей смеси или воздуха; 3/ рабочий ход - воспламенение рабочей смеси и расширение продуктов сгорания; 4/ выпуск из цилиндра продуктов сгорания.

Совокупность этих последовательных, периодически повторяющихся процессов называется рабочим циклом двигателя.

Принципиальное отличие рабочего цикла дизеля от карбюраторного двигателя состоит в способе смесеобразования и воспламенения смеси. В цилиндр дизеля в такте впуска поступает воздух, который подвергается сжатию в такте сжатия до 3,5...4,5 МПа, что повышает температуру воздуха до 600.„.700 °С. В конце такта сжатия впрыскивается жидкое топливо, которое, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется и сгорает.

В карбюраторном же двигателе рабочая смесь в конце такта сжатия сжимается до 0,7...1,2 МПа, а температура повышается до 300...400 °С, при этом между электродами свечи проскакивает электрическая искра и рабочая смесь воспламеняется.

Дизельный двигатель по сравнению с карбюраторным имеет следующие преимущества: более высокий КПД - 27-35% /для карбюраторных двигателей 20-24%/; высокую степень сжатия, обеспечивающую более экономичный расход топлива на единицу работы /на 20-25% меньше, чем у карбюраторного двигателя/; обладает лучшей приемистостью и развивает большой крутящий момент при малой частоте вращения; работает на тяжелых сортах топлива, которые менее опасны в пожарном отношении.

Основные недостатки дизельного двигателя по сравнению с карбюраторным: большая масса, приходящаяся на единицу мощности; тихоходность /максимальная частота вращения коленчатого вала не превышает 3000 об/мин, у карбюраторных - до 6000 об/мин/; более трудный пуск при низких температурах окружающей среда, что вызывает необходимость установки дополнительных систем подогрева и пуска двигателя.

Кривошипно-ползунный механизм

Кривошипно-ползунный механизм служит для восприятия силы давления газов, преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рис. Схема кривошипно-ползунного и распределительного механизмов: 1 - коленчатый вал; 2 - шатун; 3 - поршень; 4 - поршневой палец; 5 - поршневые кольца; 6, 9 - клапаны /впускной и выпускной/; 7 - пружина; 8 - коромысло; 10 - гильза; 11 - водяная рубашка; 12 - штанга; 13 - распределительный вал; 14 - маховик; 15 - шестерни привода распределительного вала

Механизм газораспределения

Механизм газораспределения должен удовлетворять следующим ос­новным требованиям: своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны; обеспечивать возможно лучшее наполнение цилиндров горючей смесью и очистку от отработавших газов; надежно изолировать внутреннее пространство цилиндров от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.

Для лучшего наполнения цилиндров двигателя воздухом /для дизелей/ или горючей смесью /для карбюраторных двигателей/ и более полной очистки их от отработавших газов клапаны открываются и закрываются не в тот момент, когда поршень находится в мертвых точках, а с некоторым опережением при открытии и запаздыванием - при закрытии.

Периоды открытия и закрытия клапанов выраженные в углах пово­рота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

Их соблюдение обеспечивается формой и взаиморасположением кулачков на распределительном валу.

Система охлаждения.

При работе двигателя температура газов в камере сгорания достигает 2000...2400 °С, а средняя температура цикла 800...1000 С. Вследствие этого поршни, головки цилиндров, цилиндры и клапаны сильно нагреваются. Чрезмерный перегрев двигателя приводит к разжижению и сгоранию масла, нарушению нормальных зазоров между сопряженными деталями, уменьшению наполнения цилиндров горючей смесью, а следовательно, к снижению мощности двигателя, нарушению рабочего процесса и разрушению отдельных деталей.

Для нормальной работы двигателя необходимо непрерывно отводить излишнюю теплоту от перегреваемых деталей. Это осуществляется системой охлаждения. Излишнее охлаждение неблагоприятно отражается на работе двигателя. Испарение топлива ухудшается, поэтому оно горит медленнее, мощность двигателя падает, снижается экономичность, а износ цилиндров и поршневых колец увеличивается.

Для нормальной работы двигателя необходимо поддерживать его температуру при любых условиях и режимах работы в определенных пределах.

Чтобы обеспечить нормальный тепловой режим двигателя, применяют жидкостное или воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении теплота отдается непосредственно воздуху через ребристые стенки блока цилиндров и головки блока. Жидкостная система охлаждения основана на интенсивной Циркуляции жидкости, которая обеспечивается центробежным насосом. Насос нагнетает жидкость /воду или антифриз-жидкость, замерзающую при низкой температуре/ в водяную рубашку двигателя, из которой нагретая жидкость вытесняется в радиатор. Охлажденная жидкость по патрубкам поступает в насос.

Рис. Схема системы охлаждения: 1 - радиатор; 2 - выпускной патрубок; 3 - термостат; 4 - гильза цилиндра; 5 - головка цилиндров; б - блок цилиндров; 7 - водяная рубашка; 8 - крыльчатка водяного насоса; 9 – вентилятор.

Система смазки

При работе двигателя в его сопряженных деталях возникает трение, вызывающее износ и нагрев деталей и требующее затрат некоторой части мощности двигателя. При введении между трущимися поверхностями слоя смазки характер трения и износа резко изменяется, так как молекулы масла под влиянием силы молекулярного притяжения распространяются по трущимся поверхностям и смазывают их.

Долговечность и безотказная работа двигателя зависят от качества и чистоты применяемого масла.

Система смазки двигателя - это совокупность механизмов и приборов, обеспечивающих очистку масла и его бесперебойную подачу в необходимом количестве при определенной температуре и давлении к трущимся поверхностям.

Рис. Схема системы смазки: 1 - масляный картер; 2 - маслоприемник; 3 - шестеренчатый насос; 4 - маслопровод; 5 - фильтр; 6 - главный масляный канал.

Примечание. Все остальные детали смазываются маслом, вытекающим из зазоров, или посредством разбрызгивания.

Масло, поступающее в зазоры между трущимися поверхностями, не только уменьшает потери на трение, но и охлаждает и удаляет продукты износа и мелкие частицы нагара и защищает трущиеся поверхности от коррозии.

В зависимости от способа подвода масла к трущимся поверхностям деталей применяются такие системы смазки: разбрызгиванием, под давлением и комбинированные, в которых часть деталей смазывается под давлением, а остальные - за счет разбрызгивания масла.

Система питания.

Источником энергии в двигателях внутреннего сгорания является горючая смесь, образуемая парами топлива, тщательно перемешанными с воздухом в определенных пропорциях. Смешиваясь с остаточными газами в цилиндре двигателя, горючая смесь образует рабочую.

Состав горючей смеси должен соответствовать определенному режиму работы двигателя и подразделяется на богатую, обогащенную, нормальную, обедненную и бедную.

В качестве топлива для карбюраторных двигателей применяют бензин, обладающий хорошей испаряемостью, а для дизельных двигателей с внутренним смесеобразованием - дизельное топливо, являющееся продуктом перегонки тяжелых фракций нефти с определенной вязкостью.

Система питания служит для хранения, подачи и очистки топлива, воздуха, приготовления горючей смеси нужного состава на разных режимах работы двигателя, отвода наружу продуктов сгорания .

Система пуска двигателей.

Одним из основных требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания, является быстрота и надежность пуска. Пуск осуществляется принудительным вращением коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии.

Система пуска должна развивать определенную частоту вращения коленчатого вала двигателя, обеспечивающую смесеобразование, наполнение цилиндров свежей смесью, сжатие и воспламенение смеси.

Пусковая частота вращения карбюраторных двигателей колеблется в пределах 30...60 об/мин.

Пуск дизельного двигателя по сравнению с карбюраторным более труден. Это связано с большой степенью сжатия и плохим смесеобразованием из-за малого давления впрыска топлива. Поэтому пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя с воспламенением от сжатия должна быть в пределах 200...300 об/мин.

Рис. Схема системы питания; 1 - гильза цилиндра; 2 - поршень; 3 - топливный фильтр; 4 - топливопровод; Б - диафрагмовый насос; 6 - топливный бак; 7 - воздушный фильтр; 8 – карбюратор; 9, 10 - клапаны /впускной и выпускной/; 11 - патрубок /выхлопной/; 12 – глушитель.

При пуске холодного двигателя, особенно в зимнее время, прокручивание вала двигателя и его пуск резко затрудняются из-за низкой температуры воздуха в камере сгорания в конце сжатия и эагустевания смазки. Для обеспечения пуска дизелей необходимо подогреть воздух во впускном трубопроводе и в камере сгорания, охлаждающую жидкость в системе охлаждения; применить декомпрессионный механизм.

Существуют следующие основные способы пуска двигателей:

1. от руки /вручную/ - применяется чаще у карбюраторных пусковых двигателей;

2. электрическим стартером - используется в автомобильных и пуско­вых тракторных двигателях. Для пуска дизельного двигателя требуется стартер значительно большей мощности, чем для карбюраторного;

3. вспомогательным бензиновым двигателем /пусковым двигателем/ - распространен на дизелях тракторов;

4. силовым генератором электротрансмиссии. Силовой генератор, приводящий электрические ходовые двигатели трактора с электротрансмиссией, на время пуска двигателя работает в режиме стартера и питается током от аккумуляторных батарей;

5. сжатым воздухом от баллона с давлением 15,0 МПа. Наименьшее давление воздуха в баллоне, обеспечивающее запуск дизеля,- 4,0 МПа.

В аварийных случаях можно запустить двигатель буксировкой на включенной передаче трансмиссии. У машин с электротрансмиссией тяговый электродвигатель при этом работает в режиме генератора, а силовой генератор - в режиме электродвигателя, вращая коленчатый вал дизеля.

Список литературы

1. Брянский Ю. А. и др. Тягачи строительных и дорожных машин. - М.: Высш. шк., 1976. - 360 с.

2. Гуревич A. M., Сорокин E. М. Тракторы и автомобили. - П.: Колос, 1971.

3. Делиховский С. Ф. и др. Устройство и эксплуатация автомобилей.- М.: Изд-во ДОСААФ, 1965. - 214 с.

mehanik-ua.ru

Правильная рабочая температура двигателя: бензинового и дизельного

Для автомобиля рабочая температура двигателя, в зависимости от типа двигателя: бензинового или дизельного она может отличаться. Зная правильные показатели, можно сделать вывод исправно ли работает двигатель, понять не слишком низкая температура или высокая.

В бензиновых вариантах в камере сгорания рабочая температура двигателя может подниматься до 2000 градусов, это считается нормальным: только так топливная смесь будет сгорать оптимально, давая наибольшую мощность. Однако для нормализации температуры каждый автомобиль оснащен системой охлаждения, она нужна для поддержания 90 градусов, иначе все жидкости начнут закипать. Некоторые модели нормально работают при показателях 110 градусов. Обычно это старотипные конструкции, оснащенные только воздушным охлаждением.

Если режим температуры оптимален, цилиндры будут работать лучше, мотор прослужит дольше, при этом будет стабильно запускаться. При нагреве многие элементы могут расширяться, поэтому конструктивно для них предусмотрены специальные тепловые зазоры. При перегреве детали перекрывают допустимые зазоры, трение становится более сильным, некоторые элементы могут перестать двигаться, и тогда мотор заклинит. Менее опасными явлениями являются мелкие поломки, образование зазоров в цилиндрах, из-за чего их мощность падает, наполнение цилиндров происходит плохо. Топливо может начать детонировать в неподходящий момент самостоятельно, что приводит к разрушению конструкции.

Причины повышения показателя температуры

Существует несколько причин, из-за которых температура двигателя повышается:

Многих интересует, какая рабочая температура двигателя должна быть минимально. В некоторых случаях мотор не перегревается, а, наоборот, не греется до рабочей температуры, это не так опасно, однако в этом случае не стоит ожидать от силового агрегата эффективной работы. Дело в том, что топливо не будет сгорать до конца, тяга станет слабой. Конденсат от топливной смеси попадет сначала на стенки цилиндров, затем в картер. Последнее приводит к разжижению масла и ухудшению его свойств. Из-за этого смазываться и очищаться детали изнутри будут хуже, что приведет к их повышенному износу. Больше всего страдает от этого ЦПГ, распредвал и вкладыши коленвала, могут выйти из строя и балансировочные валы.

Если игнорировать прогрев, в зимний период на внутренних поверхностях ЦПГ будет образовываться увеличенное количество конденсата, который будет попадать в масло. К тому же присадки, содержащиеся в смазочном материале, вступают в реакцию только при определенных температурах, поэтому при придвижении на небольшие расстояния на непрогретом автомобиле вы создаете для мотора повышенную нагрузку, так как автомасло почти не выполняет своих функций и не может эффективно смазывать детали.

Более густая смазка с трудом попадает в отдаленные места конструкции, для работы деталей мотора требуется прикладывать больше усилий, что приводит не только к повышенному износу частей, но и к повышению расхода топлива. Мощность тоже упадет, так как цилиндры не смогут нормально функционировать. Причины того, что двигатель не нагревается до рабочей температуры, могут быть следующими:

Учитывая все факторы, можно сделать вывод, что оптимальная температура двигателя играет огромную роль, так как только в этом случае агрегат может функционировать оптимально, без вреда для каких-либо узлов и потери мощности.

Отличия по типу двигателя

Существуют разные модели, температурный режим которых будет отличаться. Например, встречаются обычные моторы и форсированные, второй тип более сильно греется. Процессы горения в них происходят иначе, поэтому клапан термостата срабатывает в разное время. Кроме этого, у разных моделей устанавливаются различные системы охлаждения, работающие с конкретной скоростью и интенсивностью.

От того, как настроен и когда срабатывает датчик температуры, зависит момент включения вентилятора с электроприводом. Обратите внимание на то, что модели авто с инжектором и карбюратором имеют разные настройки, и термостат даже для одной и той же машины, но с разной системой питания требуется свой. Этот прибор напрямую влияет на нагрев двигателя, поэтому выбору в случае замены требуется уделить особенное внимание.

Система охлаждения может быть открытой или закрытой в зависимости от конструкции силового агрегата. Открытый тип охлаждения сообщается с атмосферным воздухом, это означает, что он может и покидать ее, но уже в парообразном состоянии. Многие типы охлаждающей жидкости закипают при температуре 100 градусов. Если система закрытая, она оснащается специальными клапанами, которые связывают конструкцию с атмосферным воздухом. Они находятся в радиаторе и могут быть в крышке расширительного бачка. Если в системе резко повышается давление, она имеет возможность выпустить пар через эти клапана.

При закрытой системе антифриз может закипать не при 100 градусах, а при более высокой температуре – 110-120 градусов. Однако опасность такой системы заключается в том, что при ее разгерметизации мотор резко закипает. Это может произойти, например, при отказе клапанов. Все жидкости устремляются наружу, при этом давление в системе образуется высокое, что может вызвать ее серьезные повреждения.

Для современных моторов, которые в угоду экологии имеют несколько другую конструкцию, при которой тепловой режим двигателя становится больше, требуется применять специальные масла на синтетической основе. Они не только сами не закипают при всяких температурах и не оставляют нагар, но и способствуют лучшему охлаждению системы. При их использовании поддерживается стабильная рабочая температура бензинового двигателя.

Чтобы тепловой режим мотора для полного сгорания топлива выдерживался в требуемом качестве, нужны и другие масла, так как нередко использующаяся продукция просто не может обеспечивать полноценную защиту при высоких температурах. Это отрицательно сказывается на ресурсе силовых установок, не рассчитанных работать в подобных температурных режимах. Оптимальный тепловой режим в пределах 85-90 градусов обеспечивает экономию топлива и минимальный износ деталей в различных условиях и режимах работы. Для поддержания системы охлаждения всегда в рабочем состоянии рекомендуется периодически проходить диагностику для беспроблемной эксплуатации вашего автомобиля.

Рабочая температура дизельного двигателя

Дизельные агрегаты имеют другую конструкцию, поэтому температура в камере сгорания при их работе в несколько раз ниже. Температура работы зависит от того, какого типа сам двигатель. При работе температура сначала значительно повышается, потом снижается, так как горючая смесь начинает воспламеняться быстрее. Она сгорает раньше, процесс становится более плавным и полноценным, почти не остается невоспламенившейся жидкости. За счет этого рабочая температура становится стабильной, больше делается КПД двигателя, сами выхлопы становятся менее токсичными.

Специалисты считают, что для дизельных конструкций нормальной температурой можно считать 70-90 градусов в зависимости от модели самого мотора. Под нагрузкой температура работы мотора может подниматься до 97 градусов, но дальнейшее ее повышение может вызвать серьезный вред для системы. Существует и обратная перегреву проблема, когда агрегат не прогревается до нужной температуры. Как и у бензинового варианта, у него начинают возникать разнообразные проблемы.

Например, при прогреве, когда система работает на холостом ходу, нужно дать ей нагреться хотя бы до 40-50°С, прежде чем начать движение. Это позволит ей работать оптимально, снизить износ деталей. Кроме этого, требуется следить за оборотами: они должны достичь 2 000 или 2500 оборотов в минуту. После этого нужно подождать, пока система прогреется до 80°С, это будет значить, что силовой агрегат можно использовать в полную силу. Особенно эта рекомендация актуальна для холодного времени года, так как многие дизели испытывают зимой проблему с запуском, применяют специальный электроподогрев.

Если мотор не достигает рабочей температуры, его КПД сильно снижается. Это отражается на тяге автомобиля в целом, он начинает хуже разгоняться, медленно едет, расход топлива при этом значительно повышается. Это может происходить по следующим причинам:

Если использовать такой автомобиль под нагрузкой, например, при езде по бездорожью или перевозке грузов, смесь будет сгорать не полностью, начнет появляться нагар на стенках камеры сгорания, топливные форсунки засорятся, сажевый фильтр быстро выйдет из строя, износ системы увеличится.

Например, при засорении форсунок солярка не будет сгорать полностью, ее расход увеличится чисто из-за того, что часть топлива будет выливаться через выхлопную трубу, так и не сгорев. Опасно данное явление тем, что догорает топливо, уже находясь на поверхности поршней, что вызывает их прогорание, засорение камер сгорания. Пострадать от этого может и впускной клапан, уменьшится компрессия, кроме этого, запустить такой двигатель на холодную будет проблематично.

В заключении

Важно обращать внимание на то, какая должна быть рабочая температура двигателя. Как перегрев, так и понижение показателей могут существенно навредить системе, поэтому важно вовремя обращать на это внимание и принимать меры по восстановлению, пока поломка не превратилась в серьезную проблему, исправление которой обойдется в круглую сумму.

vmasla.ru

Communities › Diesel Power (Дизельные ДВС) › Blog › Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №2. Краткий обзор.

На сегодняшний день ДВС в основном представлен двумя обширными группами:
1). "Бензиновые".
2). "Дизельные".

Судя по названию можно подумать — что вся разница в применяемом топливе.
На самом деле "бензиновые" двигатели прекрасно работают на целом списке горючих газов(метане, пропане, бутане и куче других), а также на легроине, газолине, керосине, метаноле, эфирах, спиртах и т.п.
"Дизельный" двигатель менее всеяден, но тоже не погнушается керосином, моторным или иным маслом(вплоть до растительного), некоторыми эфирами и спиртами, бензином с конской добавкой моторного масла, мазутом.

Есть одна тенденция — намного проще адаптировать двигатель к более "лёгким" топливам, чем к более "тяжёлым". Если добавить моторного масла или солярки в бак "бензиновому" двигателю — то сгорит только небольшая часть более "тяжелого" топлива. При том, что перемешано с бензином будет идеально(практически на молекулярном уровне) — молекулы "тяжёлого" топлива сгорают в "бензиновом" двигателе крайне неохотно…
А вот лёгкое топливо в "дизельном" двигателе и само сгорает лучше родного, и сгорание родного топлива улучшает…

Работа двигателя на "неродном" топливе или на разного рода коктейлях и суррогатах часто вызывает ухудшение характеристик двигателя, а также может вызвать ускоренный износ и даже поломку некоторых узлов — потому так не любят иностранные компании поставлять на просторы бывшего СССР некоторые свои автомобили.

С другой стороны, если собрать все углеводородные топлива на тест — испарить, смешать с воздухом в стехиометрической пропорции и запалить в ФАКЕЛЕ — то окажется что характеристики СГОРАНИЯ всех этих топлив отличаются не сильно. Такие основные характеристики как температура сгорания, теплотворная способность — всё это практически одинаково…

Кардинально отличаются только характеристики ИСПАРЕНИЯ и ВОСПЛАМЕНЕНИЯ.

Топлива для "бензиновых" двигателей характеризуются ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ.
Они НЕ должны самопроизвольно воспламеняться при повышении давления и температуры. Стойкость к САМОвоспламенению определяет низкую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "бензиновых" двигателей называется ОКТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Топлива для "дизельных" двигателей характеризуются параметрами САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ.
Склонность к САМОвоспламенению определяет высокую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "дизельных" двигателей называется ЦЕТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Если взять два стакана с этими топливами и попытаться ВОСПЛАМЕНИТЬ например спичкой — то картина воспламенения покажется обратной — "бензиновое" топливо воспламенится легче, чем "дизельное". Связано это с тем, что в ЖИДКОМ виде НИКАКИЕ топлива не горят вообще. Горит всегда и только ГАЗООБРАЗНАЯ СМЕСЬ топлива с окислителем.
А скорость испарения "бензиновых"("лёгких") топлив в разы и порядки выше, чем топлив "дизельных"("тяжёлых").

Именно ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ и определяют НАПРЯМУЮ и КОНСТРУКЦИЮ конкретных двигателей и протекающие в них ПРОЦЕССЫ:

1). "БЕНЗИНОВЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ("внешним") смесеобразованием, ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ воспламенением и КОЛИЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В этих двигателях вначале готовится ОДНОРОДНАЯ(гомогенная) смесь близкая к СТЕХИОМЕТРИИ.
СТЕХИОМЕТРИЧЕСКАЯ горючая СМЕСЬ — это такая смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего. Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения.

Все молекулы топлива и окислителя к моменту начала воспламенения уже должны буквально "держаться за руки" — находиться в непосредственной близости друг от друга. Малейшее нарушение гомогенности или стехиометрии в большую или меньшую сторону резко ухудшает поджиг смеси и последующее её сгорание.
В областях с бедной или богатой смесью топливо горит медленнее; в зонах с богатой смесью топливо полностью сгореть вообще не может — в выхлопе будет много недогоревшего топлива(углеводородов и угарного газа), мощность и КПД двигателя снизятся.

Потому в идеале в выхлопе "бензинового" двигателя не должно быть ни молекул топлива, ни молекул кислорода.

СМЕСЬ в цилиндры поступает полностью готовая к поджигу в КОЛИЧЕСТВЕ, определяемом газулькой.
Для обеспечения одинаковых условий сгорания разных количеств СМЕСИ в "бензиновом" двигателе для регулировки мощности должен меняться объём камеры сгорания. К сожалению реализовать это так и не сумели до сих пор. Вывернулись по другому — на режимах частичной мощности количество смеси, поступающей в камеру сгорания, ограничивают ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ. На холостом ходу в камеру сгорания поступает в 5 РАЗ меньше СМЕСИ, чем на режиме максимальной мощности — поэтому на холостом ходу и на режимах частичной мощности "бензиновый" двигатель сжимает сильно РАЗРЯЖЁННУЮ СМЕСЬ и к концу такта сжатия и ДАВЛЕНИЕ СМЕСИ и ТЕМПЕРАТУРА СМЕСИ отличаются очень сильно на разных режимах двигателя — потому "бензиновый" двигатель работает более-менее идеально только при полностью открытой дроссельной заслонке.
Фактически "бензиновый" двигатель(особенно ТУРБО"бензиновый") является двигателем с очень переменной степенью ФАКТИЧЕСКОГО сжатия.
НОМИНАЛЬНАЯ степень ФАКТИЧЕСКОГО сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя упирается в детонацию, про которую мы поговорим чуть ниже. Часть ФАКТИЧЕСКОГО сжатия СМЕСИ обеспечивается ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕМ — потому ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя меньше атмосферного на 1-2 единицы. На режимах частичной мощности ФАКТИЧЕСКОЕ сжатие уменьшается по мере прикрывания дроссельной заслонки и уменьшения производительности турбонагнетателя. На режиме холостого хода при минимально открытой дроссельной заслонке ФАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинок" снижается до 2-3…

Как мы знаем — КПД двигателя довольно сильно зависит от степени сжатия:

Надеюсь теперь все поняли почему так прожорливы "бензинки"(а особенно "ТУРБОбензинки") на холостом ходу и режимах частичной мощности? Почему они кипят именно в пробках надеюсь теперь тоже объяснять не нужно?

Производители конечно постоянно тужатся создать простой и надёжный механизм изменения объёма камеры сгорания, но получается у них это пока не очень. Например, вот из последнего — habr.com/ru/post/369579/
Для сокрытия истины такую систему обзывают двигателем с переменной степенью сжатия.
От игры слов суть, конечно, не меняется — но такой двигатель как раз и является двигателем с ПОСТОЯННОЙ СТЕПЕНЬЮ ФАКТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ и ИЗМЕНЯЕМЫМ ОБЪЁМОМ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ.
Такому двигателю дроссельная заслонка не нужна. Также как и "дизельному" двигателю…
Алгоритм работы системы опережения "зажигания" на таком двигателе также заметно упрощается — так как нет необходимости компенсировать разную скорость воспламенения смеси на разных режимах работы двигателя:

Сразу скажу, что объём камеры сгорания на самом деле не фига не константа на любом ДВС, как и степень сжатия. Но про всё это безобразие давайте подробно поговорим в отдельной статье про степень сжатия, а сейчас давайте посмотрим как происходит СГОРАНИЕ топлива в "бензиновом" ДВС.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси производится принудительно свечой зажигания.
Тем не менее термин "пропуски воспламенения" актуален исключительно для "бензиновых" двигателей.
И нужно чётко понимать, что с момента воспламенения сгорание в "бензиновом" двигателе становится неуправляемым — оно развивается дальше по той "программе" что была заложена до подачи искрового разряда.
Программа не сложная и данных не вагон — давление, температура и стехиометрия СМЕСИ на момент зажигания, параметры СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ и характеристика изменения ОБЪЁМА камеры сгорания на всём протяжении сгорания смеси.

Вокруг искрового разряда образуется очаг воспламенения, от которого по СМЕСИ начинает распространяться ФРОНТ ПЛАМЕНИ.

По скорости движения ФРОНТА ПЛАМЕНИ горение подразделяется на медленное горение(дефлаграция) и быстрое горение(детонация). Волна дефлаграционного горения распространяется с дозвуковой скоростью, а нагрев исходной смеси осуществляется в основном теплопроводностью. Детонационная волна движется со сверхзвуковой скоростью, при этом химическая реакция поддерживается благодаря нагреву реагентов ударной волной и, в свою очередь, поддерживает устойчивое распространение этой ударной волны.

Сгорание, при котором окислитель и горючее заранее перемешаны на молекулярном уровне, называется горением предварительно перемешанной СМЕСИ(premixed combustion) — ГОМОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ.
Наш случай.

Академическая наука обзывает ГОРЕНИЕМ любой "сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающийся интенсивным выделением тепла". Почему-то наука термодинамика настаивает на том, что в двигателе выделение тепла происходит только на фоне излучения видимого СВЕТА от ПЛАМЕНИ. Не будем в этой статье углубляться в это противоречие. Сейчас нам важно только то, что давление и температура внутри очага пламени намного выше, чем снаружи — зона пламени начинает расширяться и поджимать ещё не охваченные пламенем участки смеси к стенкам цилиндра:

Процесс этот не быстрый(и уж точно не мгновенный), медленное развитие которого и определяет относительно медленное нарастание давления и температуры в камере сгорания. Именно невысокая скорость распространения фронта пламени определяет и возникновение "бензиновой" ДЕТОНАЦИИ. В зонах ещё не охваченных пламенем из-за нарастания температуры и давления возникают очаги САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ, проявляющиеся на индикаторной диаграмме резкими скачками давления:

Поскольку "бензиновое" топливо самовоспламеняется относительно неохотно — то задержка самовоспламенения довольно значительна и обычно самовоспламенение банально не успевает развиться за то время пока движется фронт пламени. Тем не менее "бензиновый" двигатель просто вынужден всегда балансировать на грани появления детонации — потому как отсутствие детонации означает совсем низкую скорость горения смеси(соответственно — нарастания давления и температуры) — при этом топливо просто не успевает полностью воспламениться и сгореть.
Не забываем, что углеводородное топливо в ГОМОГЕННЫХ условиях выгорает этапами — вначале выгорает в основном водород с образованием воды, затем выгорает углерод с образованием угарного газа, затем уже угарный газ выгорает с образованием углекислого газа. При этом 65% энергии цикла образуется именно при сгорании угарного газа. Эта особенность также сильно влияет на динамику цикла сгорания.

Варианты "бензиновых" двигателей с форкамерами и другим "послойным" смесеобразованием, сверхмощными искровыми или лазерными системами зажигания — все они направлены на то, чтобы ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси сделать как можно более интенсивным без побочного эффекта в виде детонации.

2). "ДИЗЕЛЬНЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ("внутренним") смесеобразованием, САМОвоспламенением(воспламенением от сжатия) и КАЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В цилиндрах сжимается чистый воздух, а топливо впрыскивается в жидком виде непосредственно в камеру сгорания под сверхвысоким давлением через распылитель форсунки. Для того чтобы СТАНДАРТНОЕ дизельное топливо самовоспламенилось нужна температура и давление значительно более высокие, чем возникают на этапе сжатия в "бензиновом" двигателе. Потому изначально "дизельный" двигатель имел степень сжатия в два-три раза бОльшую, чем "бензиновый", в котором топливо воспламеняется принудительно за с

www.drive2.com

Работа двигателя. Процессы горения и передачи тепла

У бензиновых двигателей после прохождения поршнем ВМТ давление и температура в цилиндре за счет сгорания топливо-воздушной смеси достигают максимума - давления порядка 3-6 МПа и температуры свыше 2500 К. Весь процесс сгорания происходит вблизи ВМТ, длится 4060° угла поворо­та коленчатого вала (ПКВ), объем камеры сгорания при этом изменяется мало. Именно поэтому бензиновые двигатели с искровым зажиганием в литературе называют иногда двига­телями с подводом тепла при постоянном объеме или двига­телями Отто (работающими по циклу Отто).

Для дизелей условно принимают, что часть теплоты под­водится при постоянном объеме, а часть - при постоянном давлении. Поскольку у дизелей степень сжатия существенно выше, чем у бензиновых двигателей (е = 21-22), то макси­мальное давление при сгорании также выше и достигает 5,5 МПа. При этом температура газов в цилиндре меньше и, как правило, не превышает 2000-5-2200 К.

Процесс сгорания топливо-воздушной смеси в двигателе очень сложен и до конца не изучен. При горении происходят химические реакции с выделением тепла и образованием продуктов сгорания. Процесс горения существенно зависит от большого числа физических явлений в цилиндре: от геоме­трии (формы) камеры сгорания до состава, скорости и на­правления движения смеси в цилиндре в данный момент вре­мени в данной точке.

Для осуществления процесса горения необходимо, чтобы количество топлива, подаваемого в цилиндр, строго соответ­ствовало количеству воздуха, поступающего в цилиндр на такте впуска. Соотношение количеств воздуха и топлива в смеси определяется коэффициентом избытка воздуха. где 15 - постоянный (стехиометрический) коэффици­ент для данного топлива - теоретически необходимое количе­ство воздуха (кг) для полного сгорания 1 кг топлива. При а = 1, когда количество топлива точно соответствует количеству воздуха, необходимому для полного сгорания этого топлива, состав смеси называют стехиометрическим.

При сгорании коэффициент избытка воздуха а смеси для бензиновых двигателей традиционных конструкций должен находиться в интервале от 0,70-0,75 до 1,05-1,15 в зависимо­сти от режимов работы двигателя. Для этого система питания двигателя должна строго дозировать топливо. Например, при разгоне целесообразно иметь, а меньше 1 ("богатая" смесь и большой крутящий момент), в то время как для установивше­гося режима движения автомобиля желательно, чтобы а бы­ло близко к 1 (нормальная или слегка обедненная смесь, вы­сокая экономичность, а также приемлемая токсичность отработавших газов).

Для воспламенения и горения смеси у двигателей тради­ционных схем необходимо, чтобы топливо хорошо испарилось и перемешалось с воздухом еще на также сжатия, т. е. перед искровым разрядом. Это достигается внешним смесеобразо­ванием, т. е. подачей топлива заранее во впускной трубопро­вод (с помощью карбюратора или форсунок системы впрыс­ка). При этом топливо успевает практически полностью испа­риться перед воспламенением. После воспламенения смеси искровым разрядом образуется фронт пламени, распростра­няющийся по объему камеры сгорания.

Коэффициент избытка воздуха а существенно влияет не только на экономичность и мощность, но и на состав отрабо­тавших газов. Например, если основная часть продуктов сго­рания - это углекислый газ СО2 и водяные пары Н20, то при работе на богатых смесях двигатель выделяет повышенное ко­личество оксида углерода СО, а также несгоревшие углеводо­роды CnHm (СН). На некоторых режимах продукты сгорания содержат также повышенное количество оксидов азота NOx, что особенно характерно для двигателей с высокой степенью сжатия (оксиды азота образуются при высоких температурах).

Очень важное значение для состава отработавших газов имеет конструкция головки блока двигателя и особенно каме­ры сгорания - пространства между головкой и днищем порш­ня. От того, как организовано движение смеси по камере сго­рания перед и во время сгорания, сильно зависит количество вредных выбросов типа СО, NOx и СН.

В конечном счете, все указанные факторы влияют и на ко­личество выделившегося при сгорания тепла - чем оно боль­ше, тем выше основные параметры двигателя. Например, двигатель, имеющий на определенном режиме большое коли­чество СО и несгоревших углеводородов СН в отработавших газах, вряд ли обеспечит на этом режиме хорошую мощность или экономичность. С другой стороны, сгорание должно так­же происходить в строго определенной фазе цикла - слишком раннее или позднее сгорание приводит к уменьшению давле­ния в цилиндре и, в конечном счете, к ухудшению основных параметров двигателя.

При сгорании в цилиндре выделяется большое количество тепла. Часть его уходит с отработавшими газами, другая часть передается в стенки головки и гильзу цилиндра, в пор­шень. Если бы конструкция поршня не позволяла от­водить тепло от днища, то поршень очень быстро бы распла­вился и прогорел. В самом деле, температура газа в камере сгорания превышает 1800-2000°С, в то время как рабочая температура деталей из алюминиевого сплава не должна быть больше 300-350°С. Для работы в таких условиях наибо­лее важна передача тепла через поршневые кольца в стенки цилиндра. При этом через верхнее кольцо уходит до 50-60% всего тепла, переданного из камеры в поршень, а через среднее - до 15-20%. Для того, чтобы обеспечить передачу тепла через кольца, необходимо точное (плотное) прилегание коль­ца к канавке поршня и к поверхности цилиндра. Дефекты кольца (плохое прилегание к цилиндру, поломки) и поршня (деформация или разрушение перемычек) приводят к сниже­нию потока тепла от поршня и, соответственно, к его перегре­ву с последующим разрушением. Другая часть тепла от порш­ня передается через его юбку в стенку цилиндра, а также че­рез палец в шатун и далее рассеивается в картере. Незначи­тельная часть тепла уходит в картер в результате вентиляции внутри поршневого пространства при возвратно-поступатель­ном движении поршня.

Тепловое состояние (т.е. распределение температуры) поршня в значительной степени зависит от его конструкции и материала. Эти факторы влияют на такие параметры, как за­зор между поршнем и цилиндром, износ юбки и др. Чем хуже отвод тепла, тем больше температура поршня, тем больше его тепловое расширение и тем больше необходимый зазор. Если зазор между поршнем и цилиндром окажется меньше, чем на­до, поршень в цилиндре может заклинить. При очень малом зазоре увеличивается трение юбки поршня о стенки цилинд­ра, из-за чего вместо отвода тепла может происходить его подвод (разогрев юбки от трения). После заклинивания и по­следующего остывания поршень, как правило, деформируется (сжимается по юбке), а на поверхности цилиндра появляются глубокие царапины (задиры), иногда со следами алюминия, перенесенного с поршня на материал гильзы.

При определенных условиях в эксплуатации бензиновых двигателей могут возникать нарушения процесса сгорания. К ним относятся детонация и преждевременное воспламенение.

Явление детонации широко известно. Внешние проявле­ния детонации - характерный стук, появляющийся при работе на низкооктановом топливе с увеличением нагрузки (т. е. при открытии дроссельной заслонки).

Суть детонации заключается в ненормально быстром (в сотни раз быстрее обычного) сгорания части смеси. При этом образуются ударные волны, с большой скоростью распростра­няющиеся по камере сгорания. В ударной волне происходит скачкообразный рост давления и температуры среды, в кото­рой распространяется волна. А это вызывает воспламенение смеси не в результате обычного распространения пламени (скорость порядка 20-30 м/с), а из-за ее разогрева в ударной волне, движущейся со скоростью более 1000 м/с.

Механизм возникновения детонации поддается изучению с большими трудностями. Опытным путем установлено, что компактные камеры сгорания с вытеснителями имеющие форму, близкую к сферической, менее склонны к образова­нию детонационных процессов, чем длинные и узкие камеры с острыми углами и выступами. Однако в каж­дом конкретном случае при разработке нового двигателя оп­ределить наилучшую форму камеры сгорания - дело очень от­ветственное, долгое и кропотливое.

В эксплуатации детонация наиболее часто возникает на низкооктановом топливе при малых и средних частотах враще­ния и больших нагрузках. Детонация изменяет характер проте­кания давления в цилиндре по углу поворота, резко увеличивает максимальное давление, температуру и нагрузки на детали дви­гателя. Последствия длительной работы двигателя с детонацией весьма тяжелы. В первую очередь это - поломка поршней и пор­шневых колец из-за ударных нагрузок. Наиболее подвержены поломкам перемычки поршней между канавками колец. Удар­ная волна, вызывая резкое повышение давления в зазоре меж­ду днищем поршня и цилиндром, бьет по верхнему поршневому кольцу. Удар передается на перемычку поршня, причем одно­временно не по всей окружности кольца, а в конкретной доста­точно узкой области, что облегчает поломку деталей.

Детонация вызывает не только поломку перемычек, но и перегрев и разрушение краев днища поршня (каверны на по­верхности), поломку поршневых колец. Последующий перегрев поршня обычно настолько велик (из-за уменьшения теплоотвода через кольца), что выгорает огневой пояс поршня от днища до верхнего и даже нижнего поршневого кольца.

После поломки деталей падает давление в цилиндре и мощность двигателя, увеличивается прорыв газов в картер (и давление в картере), расход масла. Результатом длительной работы двигателя с детонацией может быть также износ по торцу верхней канавки поршня и верхнего кольца, износ по­верхностей сопряжения поршня и поршневого пальца. Эти случаи встречаются довольно часто, но ускоренные износы не всегда удается связать с детонацией.

Режимы детонации ограничивают углы опережения зажи­гания на некоторых режимах. Это значит, что при увеличении опережения зажигания основные параметры двигателя повы­шаются, однако, работа на этих режимах недопустима из-за опасности поломки деталей. Электронные системы управле­ния двигателем точно отлеживают эти режимы, в том числе с помощью датчиков детонации.

На некоторых двигателях (TOYOTA, NIS­SAN) вместо одной свечи устанавливают две на один цилиндр. Такая конструкция является достаточно эффективной для уменьшения склонности двигателя к детонации при повышении степени сжатия за счет сокращения длины пути фронта пламе­ни по камере сгорания. Снижает вероятность возникновения детонации более низкая температура поверхностей камеры i сгорания и днища поршня. Это достигается интенсификацией i охлаждения камеры путем уменьшения толщины стенок, увеличения скорости течения охлаждающей жидкости у стенок и даже некоторым снижением уровня температуры охлаждающей жидкости (например, с 90-95°С до 80-850С) за счет схемы и конструкции системы охлаждения двигателя.

У двигателей с впрыском топлива температура топливо-воздушной смеси на входе в цилиндр обычно меньше, чем укарбюраторных двигателей, поскольку у последних необходим подогрев смеси на впуске (иначе не будет качественного испарения и сгорания топлива). Поэтому двигатели с впрыском топлива при прочих равных условиях менее склонны к детонации, что позвопяет несколько увеличить у них степень сжатия. Аналогичное влияние оказывает промежуточное ох­лаждение воздуха у двигателей с наддувом.

Кроме детонации, на практике встречается явление преждевременного воспламенения, называемое также калильным зажиганием. При калильном зажигании происходит воспла­менение смеси не от искрового разряда свечи, а от нагретых до очень высоких температур (более 700°С) поверхностей ка­меры сгорания. В качестве таких источников воспламенения могут выступать электроды свечи зажигания, тарелка выпуск­ного клапана или частицы нагара, если нагар лежит на дета­лях достаточно толстым слоем.

Обычно калильное зажигание возникает из-за несоответ­ствия характеристики свечи, рекомендованной изготовите­лем автомобиля, в частности, когда для двигателя с высокой степенью сжатия использована "горячая" свеча от низкофор­сированного двигателя. При этом смесь в цилиндре самовос­пламеняется несколько раньше, чем происходит искровой разряд, но процесс сгорания протекает нормальным обра­зом. С ростом нагрузки и частоты вращения момент самовос­пламенения отодвигается в раннюю сторону, из-за чего теп­ловое и силовое воздействие на детали двигателя, особенно, на поршень, значительно возрастает.

Опасность калильного зажигания заключается в том, что на начальной стадии его практически невозможно отличить "на слух" от обычного сгорания, в то время как с течение вре­мени (обычно от нескольких десятков секунд до нескольких минут), когда у двигателя появляется посторонний звук и он начинает терять мощность, детали поршневой группы уже мо­гут быть повреждены. Вследствие этого на двигате­лях современных автомобилей замена свечей зажигания оказывается весьма небезопасной для двигателя, если ста­вятся первые попавшиеся свечи.{jcomments on}

www.autoezda.com

Nissan Patrol GR Y61 ۞ (YOZHIK) › Бортжурнал › Разрушители легенд. Смесеобразование и сгорание в дизельном двигателе. Часть №1. Смесеобразование.

Как ни странно это прозвучит, но дизель работает не на обеднённой, а на обогащённой смеси…
Я, как и все, хотел написать "СМЕСИ", но это неправильный и даже вредный термин. Термин, который СРАЗУ очень сильно запутывает всё вИдение процессов, происходящих в дизельном двигателе. Потому я и начну свой опус именно с этого вопроса.

Для сжигания 1 кг бензина или 1 кг керосина или 1 кг пропана или 1 кг бутана или 1кг многих прочих углеводородов требуется около 15 кг воздуха. Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется те же самые 15 кг воздуха. Теплотворная способность всех этих топлив тоже практически не отличается.
Почему же дизельному двигателю требуется в разы большее количество воздуха, чем бензинке?

Потому что дизель работает не на СМЕСИ и это нужно чётко понимать.
Хотя СМЕСЬ в камере сгорания дизельного двигателя, конечно же, присутствует. Но!

Топливо подаётся в камеру сгорания В ЖИДКОМ ВИДЕ через распылитель в виде тумана.
Пыли. Аэрозоли. Взвеси. Суспензии. Мельчайших капелек. Назовите как хотите, но это не СМЕСЬ!

СМЕСЬ — это всё таки нечто более-менее однородное. Нечто, УЖЕ смешанное. Сладкий чай — это смесь. Гомогенная смесь. Если сахар бросили на дно стакана и чай не размешивали — на дне стакана какое-то время будет колыхаться густой сироп — получится та самая "гетерогенная"(неоднородная) смесь. Но чай, в который падает кусок сахара — нихрена не смесь вообще!

В дизеле реальная СМЕСЬ начинает образовываться ВОКРУГ КАЖДОЙ мельчайшей частицы топлива сразу же после распыления топлива форсункой. У поверхности капельки СМЕСЬ будет очень богатой. Чем дальше от поверхности капельки — тем смесь будет беднее. Где-то посередине между этими двумя крайностями концентрация СМЕСИ будет около- и стехиометрической. В области этой довольно тоненькой СФЕРЫ и находятся наиболее благоприятные условия и для САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ и для СГОРАНИЯ. И именно здесь и ТОЛЬКО ЗДЕСЬ и будет происходить ВСЁ сгорание СМЕСИ топлива и… и чего? воздуха?
На первом этапе — да, воздуха. Но сразу после первого этапа СМЕСЬ начинает представлять из себя ТАКОЕ, что ни в сказке сказать, ни вслух произнести…:

Давайте посмотрим ПОДРОБНЕЕ как НА САМОМ ДЕЛЕ происходит сгорание солярки в дизельном двигателе:

Гореть не умеют ни жидкие, ни, тем более, твёрдые вещества. Мало того — гореть не умеют даже отдельные молекулы топлива, которые находятся в таки обнаруженной нами СМЕСИ. В фактическом процессе сгорания участвуют только кирпичики(радикалы) знакомых нам элементов. Потому сразу после образования вокруг капельки топлива сферы стехиометрического состава СМЕСИ процесса горения не возникает. Сразу после испарения молекула углеводородного топлива начинает стремительно нагреваться и оттого разваливаться на части. Грубо говоря — на атомы водорода и углерода. Водород чрезвычайно активный элемент и он начинает взаимодействовать с кислородом воздуха первым. Даже это взаимодействие — чрезвычайно сложный и не быстрый процесс. Можете посмотреть на него поподробнее, если интересно:

Главное в другом. Каждое такое взаимодействие — это кроме молекулы воды ещё и хорошая порция энергии. По мере нагрева таких взаимодействий становится всё больше — выделяющаяся энергия перестаёт успевать рассеиваться в пространстве и начнёт ускорять рядом идущие взаимодействия и температура СМЕСИ вокруг капельки топлива начнёт нарастать ЛАВИНООБРАЗНО. В этот момент и начнётся знакомое нам горение с выделением лучистой энергии и прочими другими сопутствующими эффектами… Кислорода много. Топлива много. Всё замечательно перемешано. Температура высокая и растёт. Давление высокое и растёт. Начинает гореть даже углерод. Вся зона околостехиометрического соотношения вокруг капельки топлива разом воспламеняется. Нечто типа взрыва сверхновой звезды:

В "научно"-популярной литературе пишется, что температура скачком повышается до 2000 градусов. Какие нафиг 2000 градусов?! В серьёзных трудах утверждается, что азот более-менее интенсивно начинает окисляться при температурах выше 2500 градусов. В дизеле окислов азота образуется страшное количество, как и сажи(судя по всему азот окисляется СНАРУЖИ сферы пламени где много кислорода, а сажа образуется ИЗНУТРИ этой сферы, где много углерода, но кислорода почти нет), но подавляющая часть окислов азота при понижении температуры опять восстанавливается до азота. Потому, скорее всего, температура в зонах богатой смеси, где и происходит реальное сгорание, взлетает намного выше 3000 градусов. Потому и сажевые частицы излучают так много лучистой энергии. Давление взлетает до небес…

Цитата из умной книжки:

Полный размер

Т.е. всё сгорание происходит ЛОКАЛЬНО. В ОЧЕНЬ ограниченных, фактически ИЗОЛИРОВАННЫХ зонах.
Согласно исследованиям — температуру больше 2600К имеет всего около 0,2% массы рабочего тела в камере сгорания, больше 2400К – около 2%, больше 2200К – 22%, больше 2000К – 27%, больше 1700К — 28%, остальная часть рабочего тела (около 20%) — никогда не разогреется даже до 1700К…
Из-за такой изолированности тепло относительно слабо передаётся стенкам камеры сгорания.

Вернёмся на мгновение из микромира в макромир. Пока первая капелька впрыснутого топлива готовилась к взрыву(самовоспламенению) форсунка продолжала впрыскивать в камеру сгорания тысячи других капелек, каждая из которых тоже тут же начинала готовится к взрыву — нагреваться, испаряться и образовывать СМЕСЬ. Но как только самовоспламеняется СМЕСЬ вокруг первой капельки — энергии её взрыва хватает на детонацию и воспламенение СМЕСИ вокруг других капелек. Фактически одномоментно воспламеняется ВСЯ образовавшаяся в камере сгорания СМЕСЬ. Хотя правильнее будет сказать так — "ВСЕ образовавшиеся в камере сгорания СМЕСИ" — ведь все эти СМЕСИ изолированы и находятся на расстоянии друг от друга… почти как звёзды в космосе…
Так или иначе — возникает та самая дизельная детонация(взрывное горение) из-за которого дизель и стукатит. Хорошо, что пригодной к сгоранию СМЕСИ к моменту самовоспламенения образуется не так уж и много…
Дальнейшее СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ будет происходить в условиях страшного дефицита кислорода. И сгорание соответственно происходит совсем не так, как это описывается в литературе.

Возвращаемся в микромир. За то время пока мы отлучались зона околостехиометрического соотношения топлива и воздуха вокруг капельки уже вся выгорела. Ни топлива, ни кислорода в ней не осталось. Только продукты сгорания, разогретые до очень высоких температур — вода, углекислота, да щепотка окислов азота… С внешней поверхности этой РАСКАЛЁННОЙ, но ВЫЗЖЕННОЙ зоны начинают ДИФФУНДИРОВАТЬ молекулы воздуха с большим количеств

www.drive2.ru

Физика камеры сгорания. Часть 4 — DRIVE2

Собственно, настало время изучить сами процессы.

12. Сгорание ТВС.

Литературные источники разбивают процесс сгорания ТВС на три стадии:
Q1 — начальная фаза сгорания,
Q2 — основная фаза сгорания,
Q3 — завершающая стадия сгорания

Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.

Вот, как описывается процесс в источнике:

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2.3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

источник: ustroistvo-avtomobilya.ru…otsess-sgoraniya-topliva/

Вот выдержка из следующего источника:

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

источник: www.motorhelp.ru/83-teoria-dvs-1.html

В этом же источнике приводятся значения для давления и температуры в цилиндре для рабочих тактов:

И вот третий источник, где указываются средние значения:

Как было показано выше, сгорание топливовоздушной смеси в двигателе происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Для существующих двигателей суммарная продолжительность І-й и ІІ-й фаз горения составляет 0,003 ÷ 0,01 сек, что соответствует повороту коленвала на угол 30÷450.

Скорость сгорания ТВС обычно оценивают по средней скорости распространения пламени по объему камеры сгорания, выраженной в метрах в секунду. Для нормально работающего двигателя величина скорости распространения пламени во второй фазе составляет 20÷30 м/сек. Температура и давление в цилиндре в точке Z (рис. 1-11) достигают максимальной величины, составляя для современных двигателей соответственно 2600÷2800К и 50÷80 кг/см2. Продолжительность сгорания зависит от температуры смеси, степени сжатия, наличия остаточных газов в цилиндре, наличия вихревых движений смеси, частоты вращения коленчатого вала, числа и расположения свечей, формы камеры сгорания и состава смеси.

Чем больше температура смеси перед воспламенением, тем больше скорость ее сгорания.

источник: studopedia.ru/3_196214_skorost-sgoraniya-tvs.html

Вся эта информация нам нужна для понимания процессов. Графики и числа нам помогут оценить качественно и количественно процесс, но так как в нашем поиске речь идет о динамической камере сгорания, для нас это только часть информации. Дело в том, что, говоря о шатунно-поршневом двигателе, нас в первую очередь интересуют законы изменения объема К.С., так только этот параметр напрямую связан с частотой КВ. Также было бы неплохо оценить законы давления (читай как силы) для оценки момента на валу. Кроме того, если мы хотим быть достаточно дотошными, то нам захочется придраться ко всяким "в среднем", "около" и так далее. Почему? Потому что в первую очередь нам непонятно, как ведет себя система при разных количествах ТВС, при разных оборотах КВ. Я не говорю о разных углах при прочих равных условиях и составах ТВС — нет, эти параметры мы считаем идеальными для конкретного условия. Значение же угла опережения зажигания в разных условиях системы являются следствием из описания процессов, к которому мы стремимся.

www.drive2.ru

основы двс. детонация или горение. + видео — DRIVE2

Статья для того, чтобы народ лучше понимал как происходит такт рабочего хода двигателя… очень простым и понятным языком.

Как обычно люди воспринимают горение какого либо топлива? самый простой пример это костер из дров или газ в газовой плите. медленный и постепенный процесс.

Как обычно люди воспринимают взрыв какого либо топлива? хлопок или другой громкий звук, какая-нибудь ударная волна, которая что-нибудь ломает, например разбиваются стекла где-то рядом, и возможно грибок дыма и/или огня в воздухе. если мощный взрыв, то большой гриб.

воспламенение газа в доме, если кто-то не закрыл газ, или паров бензина в гараже всегда воспринимается как взрыв, как в фильмах. спичка или телефонный звонок и дом разлетается на куски.

по такой логике пары бензина, а точнее топливо-воздушная смесь из бензина и воздуха в двигателе взрываются от каждой искры и газы от сгорания двигают поршни. вот, мол, двигатель потому и ревет как ужаленный и разгоняет машину.

это бытовое понятие взрыва. ничего не имеющего общего с настоящим взрывом.

все о чем было сказано выше, это обычное горение, как дрова. с той лишь небольшой разницей, что скорость этого горения очень отличается. то, что горит медленно, мы называем горит, что горит очень быстро, мы называем взрывается. на самом деле все это обычное горение, что и видно в замедленной съемке, топливо сгорает фронтом пламени от источника пламени пока не сгорит все.

настоящий взрыв называется детонацией. главное отличие в том, что детонация может проходить "мгновенно". у нее качественно другая скорость распространения.
и для детонации не нужна искра.
хороший пример для понимания — нитроглицерин. жидкость которую достаточно просто тряхнуть и она взрывается, не сгорает, а детонирует. как известно раствор нитроглицерина в твердом веществе называется динамит… ну ладно не та тема…
Я люблю Взрывчатые Вещества но не об этом речь.

итак, бензин. не детонирует как нитроглицерин, при нормальных атмосферных условиях, но это не значит, что нельзя его заставить детонировать. в правильных пропрорциях с воздухом (как раз как в бензиновом двигателе…) при высоком давлении и температуре можно довести до детонационного порога когда он будет взрываться и без помощи свечи зажигания, при этом детонационное горение идет так быстро, что поршень просто не успевает сколько нибудь существенно двигаться. вся энергия взрыва разом бъет по камере сгорания вызывая звон стенок блока цилиндров, как удар молотком по пустому ведру. этот звук слышен как треск из двигателя. и все знают что это детонация и что это плохо. при детонации энергии выделяется не больше, чем при обычном горении. но нагрузка значительно выше потому, что нормальный процесс горения идет медленно!

при нормальном сгорании бензин сгорает не в момент искры на свечке, а в течение всего рабочего хода поршня от ВМТ до НМТ. за счет этого энергия сгорания плавно совершает работу по движению поршня вниз. и чтобы этот процесс медленного сгорания максимально эффективно отработал требуется топливную смесь вовремя поджечь, раньше, чем поршень пойдет вниз, иначе в начале хода вниз давления на поршень не будет, бензин "еще не разгорелся".
поэтому так важен угол зажигания на всех режимах.

топливная смесь горит с разной скоростью в зависимости от:
1. октанового числа, чем выше, тем медленнее горит.
2. состава топливной смеси (бедно-богато)
3. давления развиваемого в конце такта сжатия.

зачем вообще нужен такт сжатия? нельзя ли просто впрыскивать бензин и поджигать не сжимая? можно. но он очень медленно и плохо горит… такой двигатель будет очень слабым. с низким КПД. за счет предварительного сжатия, топливо горит все быстрее и полнее. но… все ближе порог детонационного взрыва.

поэтому все современные двигатели делаются так, чтобы мотор был близко к границе детонационного горения топливо-воздушной смеси. но не детонировал, а то развалится.

вам уже не нужно быть профессором кафедры ДВС, все уже придумано до вас. с бензином 92 степень сжатия атмосферного мотора можно делать около 10:1 если двигатель имеет правильную камеру сгорания. это отправная точка.
если заливать 98 бензин, степень можно делать 11:1. это увеличивает КПД и мощность.

то есть в среднем стандартный двигатель средней форсировки работает на бензине 92 со степенью 10 без детонации с углом опережения зажигания 25 градусов на режиме максимальной мощности. ну так примерно грубо говоря.

это оптимальная скорость сгорания топлива. оптимальное наполнение двигателя, и оптимальная для данного топлива степень сжатия двигателя. ну и настройка состава топлива и угла зажигания.

все просто.

теперь осталось понять что с этим делать если хочется форсировать мотор. чтобы больше мощности и не развалить мотор детонацией.

да. вы можете залить в этот стандартный двигатель 98 бензин, типа спорт. или там еще 105 или еще круче. правда в том, что этот бензин горит медленнее в тех же режимах что и 92й бензин. и нихера у вас не выйдет. у вас осталась степень сжатия 10. и топливная смесь не сжимается до оптимального режима ее горения. она горит медленно и растет температура выпускных газов. ну и выпускных клапанов.
мотор не сгорит, ибо там есть приличный запас надежности.
более того, он может даже лучше тянуть. дело в том, что плотность бензина с высоким октановым чисом выше. то есть те же 10 литров топлива дают больше веса топлива в килограммах. у вас больше топлива сгорает и это может дать больше мощности, если карта состава топлива не была с перебором…
если нет. то и ехать оно лучше не будет. разница будет в пределах погрешности измерений. зависит от того, какие карты угла и топлива в стандартном контроллере впрыска зашиты.

чтобы на 98 мотор лучше работал вам нужно поднять давление в конце такта сжатия, при том же наполнении двигателя можно поднять степень сжатия…
а можно и увеличить наполнение двигателя…
например предварительным сжатием воздуха с помощью компрессора или турбонаддува.

это очень эффективный способ поднятия давления смеси в конце такта сжатия. и потому очень опасный с точки зрения перебора до уровня детонации.

существует отработанная схема. турбомотор с наддувом 1,5 бар легко работает на 98 бензине и степени сжатия 8,0. если нужен более низкооктановый бензин, то и степень сжатия нужно уменьшать до 7,5 к примеру. или не ставить наддув выше 0,8-1,0 бар

правда эти режимы требуют меньших углов зажигания, так как бОльшее количество топливной смеси горит быстрее.

надоело писать про это.
наконец. детонация бывает частичной. если вся топливная смесь детонирует. мотор сгорит за несколько секунд.
бывает что сгорание начинается от свечи и идет нормально, но до конца не сгорев давление так вырастает, что остаток смеси детонирует. чем выше детонирующая часть, тем сильнее вред мотору. то есть детонация бывает еще и в процентах. если на моторе стоят слабые поршни типа ВАЗ приора, то они дохнут быстрее и терпят маленький процент детонации. поршни старого конструктива под 121й шатун имеют огромный запас прочности. сжечь их это великий талант быть идиотом. я так считаю.
хотя если дунуть 1 бар в сток мотор со степенью 10. никакие поршни не выдержат.
хоть как вы заливайте топливом или углы валите. тут вариантов нет.

для очень трудных вот видео

www.drive2.ru

10 вещей, которые нужно знать о том, как горит бензин — NGK Spark Plugs (Eurasia) на DRIVE2

В двигателе внутреннего сгорания и вне его. Мы все что-то слышали про компрессию, богатую смесь, искру, лямбда-зонд и октановое число. Но «что-то слышать» и понимать, как это устроено — разные вещи. А есть ещё масса хитрых вопросов. Например, можно ли в бензине потушить окурок или рванёт? Правда ли, что от выстрела в бензобак начинается пожар? Как объяснить, что бензин легко загорается от малейшей искры, а дизельное топливо и зажигалкой не поджечь? И почему бензин портит дизельный движок, а дизель — бензиновый? Мы постараемся максимально ответственно и вдумчиво ответить на эти вопросы и развеять кое-какие мифы. Не зря же специализируемся на свечах зажигания.


1. Горит бензин или его пары?

Горит смесь паров бензина и кислорода, содержащегося в воздухе. Поэтому если вы слышали байку о том, как кто-то тушил в полной канистре бензина сигаретные бычки — это не байка, а вполне себе правда. Хотя это очень опасно и делать так мы не советуем. Опасно потому, что горючие пары у поверхности бензина есть всегда, если только он не охлажден до температуры ниже –40°C.

Концентрация бензина в воздухе, при которой смесь становится пожароопасной, имеет четкое минимальное и максимальное значение: от 0,8% до 8,0%. Если бензина в воздухе меньше, то смесь не загорится из-за нехватки топлива. Если больше, то тоже не загорится, но уже из-за нехватки достаточного для поддержания реакции количества кислорода.

Важно не путать пары и ничтожно малые капли бензина. Капля — это тоже жидкость, просто с точки зрения человека в крохотном объеме. Если пшикнуть из баллончика на пламя чем-нибудь горючим, то гореть будет не аэрозоль из мельчайших капель вещества, а испарения, которые окружают каждую каплю.

Полный размер


Красное кольцо — это и есть место горения, где пары бензина (1) соединяются с кислородом (2). А сама капля бензина (зеленый круг) не горит, а лишь испускает пары. Источник (здесь и далее, если не указано иное): NGK Spark Plugs

Горение паров бензина — это сложный окислительный процесс, при котором молекулы бензина распадаются, углерод и водород из топлива соединяются с кислородом из воздуха под действием высокой температуры, происходит выделение энергии. При полном сгорании бензин разлагается на воду (h3O) и монооксид углерода (CO). Это в теории, на деле всё сложнее, а сопутствующих соединений образуется больше из-за того, что воздух состоит из целого коктейля элементов, а не одного кислорода.

К сожалению, таких видео в интернете масса. А всё из-за непонимания того, что горят именно пары бензина, которые при заправке буквально струёй вырываются из горловины бака.

Всё описанное, заметим, справедливо для горения бензина на открытом воздухе. В двигателе внутреннего сгорание дело происходит иначе.


2. Что происходит с бензином в двигателе внутреннего сгорания

Сам по себе бензин горит очень медленно — это можно увидеть, поджигая маленькую лужицу топлива на улице. Чтобы ускорить его горение и, соответственно, выработку энергии, необходимо увеличить давление смеси. Двигатель внутреннего сгорания в начале каждого такта открывает клапан, в цилиндр впрыскивается смесь бензина и воздуха в нужной пропорции, а затем поршень, поднимаясь вверх, сжимает смесь, увеличивая её давление. Разницу в объеме при поднятом и опущенном поршне называют степенью сжатия, и в бензиновых ДВС она составляет 8–14:1. То есть поршень сжимает объем топливо-воздушной смеси в 8–14 раз.

Полный размер


Отношение между максимальным объёмом V1 и минимальным объёмом V2 зовётся степенью сжатия

Когда поршень находится в крайнем положении и смесь сжата максимально, свеча зажигания производит искру с температурой 10 000 °C. Если компрессия (давление) ниже необходимой, упадет мощность двигателя. Если выше, начнется детонация (об этом дальше).

От искры зажигания топливовоздушная смесь загорается, пламя распространяется от свечи зажигания по всему объёму цилиндра. Дальше происходят химические реакции, выделение газов и движение поршня вниз — с этим процессом автомобилисты хорошо знакомы.

Итак, для горения бензина необходим воздух. Сколько? Идеальное соотношение составляет 1:14,7, т. е. для полного сжигания 1 кг бензина необходимо 14,7 кг воздуха. Бензино-воздушная смесь с таким идеальным соотношением называется стехиометрической. В двигателях внутреннего сгорания это соотношение может быть чуточку больше или меньше. В таких случаях топливо-воздушную смесь называют богатой или бедной в зависимости от количества паров бензина в ней. Богатая смесь даст большую мощность двигателю, зато бедная обеспечит экономичность. За регулировку обогащения смеси топливом отвечает лямбда-зонд, анализирующий количество кислорода в выхлопных газах.


3. Что может быть не так с горением бензина в двигателе

Давление в цилиндре и высокая температура искры — это еще не гарантия, что бензин в двигателе будет загораться в нужный момент и сгорать с нужной скоростью. Огромную роль в этом процессе играют свечи и катушка зажигания.

Первая ситуация, когда ДВС работает неправильно, — детонация. Детонация есть самопроизвольное возгорание топливовоздушной смеси взрывного характера вследствие превышения некоего порога сжатия и температуры, происходящее после возникновения искры зажигания (это важный момент). В этом случае, пока топливовоздушная смесь начинает плавно гореть от свечи, где-то в другой точке объема самопроизвольно возникает еще один очаг возгорания. Фронт пламени при детонации в цилиндре распространяется со скоростью в 100 раз выше, чем при нормальной работе двигателя. Взрывная волна оказывает сильнейшую ударную нагрузку на цилиндр и буквально выгрызает в поршне каверны. Хуже того, микровзрывы разрушают свечу и стенки цилиндра и гнут шатуны. Как это происходит, можно посмотреть в нашем видео.

Детонация, помимо прочего, возникает из-за использования бензина с октановым числом ниже допустимого в конкретном двигателе — в таком топливе стойкость к детонации ниже, чем у выскооктанового бензина (об этом ниже). Также бывает виноват перегретый двигатель или высокая нагрузка при низких оборотах.

Есть ещё одно неприятное явление, по последствиям похожее на детонацию, — калильное зажигание. Во время него смесь в цилиндре воспламеняется ещё до появления искры свечи, например, от перегретого нагара на клапанах или поврежденной и тоже перегревшейся из-за неправильной установки свечи. Мы уже писали отдельный пост о калильном зажигании — обратите внимание. В лучшем случае оно приведет к сгоранию электрода свечи или повреждению её изолятора, а в худшем — к прогоранию поршней, поршневых колец и маслосъёмных колпачков, то есть к серьёзному ремонту двигателя.

Полный размер


Результат длительной езды с детонацией — расплавление поршня и колец. Источник: MrAliev / DRIVE2

Другая частая проблема, связанная с «убитыми» или некачественными свечами, — пропуски зажигания. Свеча либо вовсе не вырабатывает искру, либо зазор между электродами уменьшается из-за нагара и искра получается слабой, либо изношенная катушка зажигания уже не может выдавать необходимое напряжение. Пропуски дают о себе знать сильной вибрацией двигателя на холостом ходу и падением мощности авто. Остатки несгоревшего из-за отсутствия искры топлива попадают в нейтрализатор, воспламеняются там и сжигают его, закупоривая соты.

Полный размер


Расплавленный нейтрализатор. Это ещё ничего, в особо тяжелых случаях расплав закупоривает почти все соты. Источник:

www.drive2.ru

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия — Википедия

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) — двигатель внутреннего сгорания, в котором хорошо смешанное топливо и окислитель (обычно воздух) сжимаются до точки самовоспламенения. Как и при других видах сгорания, эта экзотермическая реакция выделяет энергию, которая может быть преобразована двигателем в тепло и полезную работу.

Такой двигатель сочетает в себе характеристики обычных бензинового и дизельного двигателей. Бензиновые двигатели используют однородную смесь и искровое зажигание. Современные дизельные двигатели используют стратифицированную смесь и зажигание от сжатия.

Также как в бензиновом двигателе, в HCCI впрыск топлива происходит на такте впуска. Однако вместо использования электрической искры для зажигания небольшой части топливной смеси, HCCI увеличивает плотность и температуру смеси до тех пор, пока по всему объёму не начнётся спонтанная реакция сгорания.

Таким же образом работают современные дизельные двигатели, однако в них впрыск происходит позже, во время цикла сжатия. Сгорание происходит на границе воздуха и топлива, создавая больше выбросов, позволяя как более обедненную смесь так и высокую температуру сгорания, что приводит к более высокому КПД.

Управление HCCI двигателем требует применения микропроцессорной системы управления и понимание физики воспламенения. Такие двигатели могут достигать сравнительно низких выбросов как бензиновые и такого же высокого КПД как дизельные.

Также HCCI двигатели достигают чрезвычайно низких выбросов оксидов азота NOx даже без применения каталитического нейтрализатора. Тем не менее для соответствия экологическим стандартам требуется нейтрализация несгоревших углеводородов и угарного газа.

Последние исследования показали что использование гибридного топлива(например смеси дизтоплива и бензина)помогает лучше контролировать процессы зажигания и сгорания в HCCI двигателях.

HCCI двигатели имеют долгую историю, хотя и не получили столь широкого распространения как бензиновые и дизельные. Такие двигатели были популярны до появления электрического искрового зажигания. Одним из таких двигателей является нефтяной(калоризаторный) двигатель в котором использовалась горячая испарительная камера для смешивания топлива с воздухом. Дополнительный нагрев совместно со сжатием создает условия для сгорания. Другим примером является компрессионный карбюраторный двигатель широко используемый в авиамоделизме.

Принцип[править | править код]

Смесь воздуха и топлива воспламеняется когда температура и давление смеси достаточно высоки. Концентрация и/или температура могут быть увеличены одним из следующих способов:

Сразу после воспламенения начинается сгорание, которое протекает очень быстро. При слишком раннем самовоспламенении или выделении чрезмерно большого количества энергии, высокое давление в цилиндрах может привести к разрушению двигателя. Поэтому при работе двигателя как правило используется обедненная смесь.

Преимущества[править | править код]

Недостатки[править | править код]

Способы управления[править | править код]

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия сложнее в управлении чем другие ДВС. В бензиновых двигателях используются свечи зажигания для воспламенения топливной смеси. В дизельных двигателях сгорание начинается когда топливо впрыскивается в предварительно сжатый воздух. И в том и в другом случае зажигание происходит в определенный момент времени. В HCCI двигателях же, сжимается однородная смесь топлива и воздуха и сгорание начинается в произвольный момент когда температура и давление становятся достаточными для самовоспламенения. Это означает отсутствие какого-либо определенного инициатора зажигания который бы можно было контролировать. Двигатель должен быть спроектирован таким образом, чтобы условия самовоспламенения достигались своевременно. Для стабильной работы система управления двигателем должна управлять условиями которые инициируют сгорание. Такими способами могут быть: степень сжатия, температура и давление наддува, изменение процента рециркуляции выхлопных газов.

Степень сжатия[править | править код]

Имеют значения две степени сжатия. Геометрическая степень сжатия может изменяться с помощью подвижного поршня в верхней части ГБЦ. Такая система используется в авиамодельных компрессионных карбюраторных двигателях. Эффективная степень сжатия может быть уменьшена относительно геометрической закрытием впускного клапана либо слишком рано, либо слишком поздно с помощью системы изменения фаз газораспределения(VVT). Оба способа требуют энергозатрат для достижения нужного быстродействия. Также они являются дорогостоящими, но эффективными. Влияние степени сжатия на процесс сгорания в HCCI двигателе является предметом исследований.

Температура наддува[править | править код]

Самовоспламенение в HCCI весьма чувствительно к температуре. Простейшим способом используемым для контроля температуры является использование резистивных нагревателей на впуске, однако быстродействие такого подхода недостаточно для изменения температуры в ходе одного такта. Другим способом является быстрое управление температурой(FTM), он реализуется путём смешивания горячего и холодного воздуха на впуске. Этот способ обладает необходимым быстродействием, но дорог и имеет ограничения по производительности.

Процент рециркуляции выхлопных газов[править | править код]

Выхлопные газы могут быть очень горячими если подаются обратно в цилиндры непосредственно из выпускного тракта, либо холодными если они прошли рециркуляцию через впуск как это делается в системах рециркуляции выхлопных газов(EGR). Выхлопные газы влияют на процесс сгорания в HCCI двояким образом. Они разбавляют свежий заряд, отсрочивая воспламенение и уменьшая выделение энергии и соответственно результирующую мощность. Горячие же продукты сгорания напротив увеличивают температуру в цилиндре и ускоряют начало зажигания. Управление HCCI двигателями с помощью EGR было продемонстрировано экспериментально.

Изменяемые фазы газораспределения[править | править код]

Изменяемые фазы газораспределения(VVA) расширяют рабочий диапазон HCCI двигателя позволяя более точно контролировать совокупность параметров температура-давление-время в камере сгорания. Это может быть достигнуто следующими способами:

Электрогидравлические и бесклапанные системы изменения фаз газораспределения хотя и дают контроль над работой двигателя чрезмерно сложны и дороги, в то время как широко распространённые механические системы могут быть настроены для достижения необходимых режимов работы двигателя.

Смесь различных видов топлива[править | править код]

Другим способом увеличения рабочего диапазона двигателя является контроль за началом самовоспламенения и тепловыделением с помощью изменения самого состава топлива. Обычно это достигается за счёт смешивания нескольких топлив "на лету" в одном двигателе. Примером являются доступные на рынке двигатели использующие природный газ и этанол совместно с бензином/дизелем. Достичь этого можно различными способами:

Непосредственный впрыск: PCCI или PPCI Сгорание[править | править код]

Непосредственный впрыск с воспламенением от сжатия(CIDI) - отработанная технология контроля момента самовоспламенения и тепловыделения использующаяся в дизельных двигателях. Двигатель с воспламенением предварительно смешанной(частично) горючей смеси от сжатия(PPCI или PCCI) это компромисс между простыми в управлении CIDI двигателями и более экологически чистыми HCCI двигателями, в частности с малым образованием сажи. Тепловыделение контролируется созданием горючей смеси которая дольше горит и менее склонна к детонации. Это делается путём впрыскивания смеси в такой момент, чтобы к началу воспламенения в цилиндре образовывались участки с различным соотношением топлива и воздуха. Сгорание начинается в разных точках камеры сгорания в различный момент времени там самым замедляя тепловыделение. Смесь формируется таким образом чтобы избежать обогащённых участков смеси приводящих к образованию сажи. Применение EGR и дизтоплива с высокой устойчивостью к воспламенению даёт больше времени на смешивание до воспламенения снижая число обогащённых участков смеси.

Предельное давление и скорость выделения тепла[править | править код]

В обычном ДВС сгорание происходит в режиме горения. Таким образом в каждый конкретный момент времени горит лишь некоторая часть топлива. Результатом этого являются сравнительно низкие давление и выделение энергии. В HCCI двигателях же вся топливовоздушная смесь воспламеняется одновременно и сгорает за меньшее время, при этом давление и выделение энергии значительно выше. Это повышает требования к прочности деталей двигателя.

Мощность[править | править код]

В ДВС изменение(увеличение) мощности происходит простым введением большего количества топлива в цилиндры. Так как скорость выделения тепла в таких двигателях сравнительно невелика, они могут выдерживать подобное увеличение мощности. Однако, в HCCI двигателях увеличение соотношения топливо/воздух приводит к росту давления и тепловыделения. К тому же многие способы управления HCCI двигателями подразумевают предварительный нагрев топлива, что приводит к уменьшению плотности, а следовательно и массы топливовоздушной смеси в камере сгорания снижая мощность. Из-за этого регулирование мощности HCCI двигателя является сложной задачей. Одним из способов является использование смешение топлив с различной стойкостью к самовоспламенению. Это уменьшает пиковое давление и тепловыделение и позволяет снизить коэффициент избытка воздуха. Другим способом является термическая стратификация топливовоздушной смеси таким образом, чтобы в разных точках сжимаемая смесь имела различную температуру и скорость горения. Третьим способом является ограничение работы двигателя в HCCI режиме только до при частичных нагрузках, переводя его в режим обычного сгорания(дизельного/бензинового) при полной мощности.

Выбросы в окружающую среду[править | править код]

Так как HCCI работает на обеднённой смеси, максимальная температура в нём меньше чем в двигатлеях с искровым зажиганием и дизелях. Это приводит к уменьшению выбросов NOx, но также ведёт и к неполному сгоранию топлива, особенно вблизи стенок камеры сгорания. Это приводит к повышенному образованию угарного газа и повышенным выбросам углеводородов. Окислительный катализатор может улавливать подобные выбросы, т.к. в выхлопе всё ещё много кислорода.

Отличия от детонации[править | править код]

Детонация происходит когда в бензиновом двигателе с искровым зажиганием несгоревшие газы самопроизвольно воспламеняются до подачи искры. Эти газы сжимаются по мере распостранения горения и давление в камере сгорания растёт. Это вызывает ударную волну исходящую от смеси вблизи поршня и волну расширения движущуюся к поршню. Две волны отражаются от стенок камеры сгорания и взаимодействуют создавая высокоамплитудные стоячие волны, тем самым формируя простейшее термоакустическое устройство где резоананс усиливается увеличивающимся выделением тепла в процессе прохождения волны также как труба Рийке. Подобный процесс происходит и в HCCI, однако в нём воспламенение происходит при поршневом сжатии более или менее одновременно по всему объёму сжимающейся смеси. Различия в давлении между различными регионами смеси, поэтому ударные волны не формируются и не происходит детонации, но достигается быстрый рост давления необходимый для достижения точки максимальной эффективности при почти изохорной реакции.

Моделирование HCCI двигателей[править | править код]

Компьютерные модели для моделирования сгорания и тепловыделения в HCCI двигателях требуют подробных химических моделей. Это связано с тем что воспламенение больше свзяано с химической кинетикой чем с турбулентностью или искровыми процессами в обычных бензиновых и дизельных двигателях. Компьютерное моделирование показало важность определения фактической однородности смеси в цилиндрах, особенно в части её температуры. Эта гомогенность достигается за счёт турбулентности и теплопередачи от стенок цилиндра. Уровень температурной стратификации определяет скорость тепловыделения и соответственно склонность к детонации. Это ограничивает полезность допущения о рассмотрении всей смеси как единой зоны, поэтому потребовалась интеграция кода трёхмерной компьютерной гидрогазодинамики, как например KIVA CFD и кода быстрого решения функции вероятностного распределения плотности.

На 2019 год до стадии серийного производства доведены только двигатели Mazda SkyActive-G второго поколения(Skyactive-X), устанавливающиеся на Mazda 3. Двухлитровый двигатель оснащён турбонаддувом и имеет степень сжатия 18:1.

Также были продемонстрированы:

На данный момент большинство HCII двигателей остаются прототипами, но исследования в этой области привели к прогрессу в разработках топлива и двигателей, например:

ru.wikipedia.org

Процесс сгорания топлива в двигателе

При сгорании рабочей смеси в поршневых двигателях увеличивается температура и повышается давление в цилиндрах. Для повышения эффективности работы двигателя желательно, чтобы сгорание происходило вблизи в.м.т. поршня, когда рабочая смесь занимает минимальный объем, имеет наименьшую поверхность соприкосновения со стенками цилиндра. Чем меньше поверхность теплоотвода, тем меньше тепла уходит в окружающую среду и тем большая доля его превращается в полезную работу.

Смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого времени. Продолжительность и характер протекания процесса сгорания зависят от типа смесеобразования. Рассмотрим процесс сгорания рабочей смеси для двигателей с искровым зажиганием и для дизелей.

Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием

О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Момент искрообразования соответствует положению точки 1 на диаграмме, а давление в камере сжатия — ординате P1.

Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.

Процесс сгорания условно делят на три фазы.

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

Влияние степени сжатия

При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.

Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.

Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.

Влияние угла опережения зажигания

Рис. Влияние угла фз, опережения зажигания на форму индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя: 1 — ф1 = 0°; 2 — ф2 = 7°; 3 — ф3 = 22°; 4 — ф4 = 27°.

Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя.

При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания.

Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный.

Влияние состава рабочей смеси

Состав рабочей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха а. Состав влияет на скорость сгорания, количество выделяемого тепла, вследствие чего изменяются давление и температура газов в цилиндре. Минимальное значение угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения и максимальное давление в цилиндре достигаются при а =0,85…0,9. При этом значении коэффициента избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность. По мере обеднения состава смеси (а>0,9) изменяется величина оптимального значения Фз, уменьшается величина максимального давления сгорания.

Для каждого двигателя принят свой оптимальный состав рабочей смеси, при котором на данном режиме достигается минимальный удельный расход топлива. Для двигателей со степенью сжатия около 8 при почти полном открытии дроссельной заслонки экономичный состав смеси получается при и =1,15…1,2. Для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя с искровым зажиганием существует также свое оптимальное значение угла опережения зажигания. Поэтому в конструкции таких двигателей предусмотрено устройство, обеспечивающее автоматически в зависимости от режима работы двигателя оптимальное значение ф3.

Влияние частоты вращения коленчатого вала

Рис. Влияние частоты вращения n и угла фз, опережения зажигания на характер индикторных диаграмм карбюраторного двигателя: а — угол фз — неизменный на всех скоростных режимах; б — углы ф2 и ф3 — подобраны для каждого скоростного режима: 1 — n = 1000 об/мин; 2 — n = 2000 об/мин; 3 — n = 3000 об/мин.

При увеличении частоты вращения n коленчатого вала увеличивается скорость движения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе и усиливаются вихревые движения смеси в камере сжатия. Опыты показывают, что с увеличением n длительность первой фазы Q1 сгорания, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала Ф, возрастает, процесс сгорания развивается с запаздыванием. Максимальное давление Р цикла снижается и все больше смещается на такт расширения. Экономичность двигателя ухудшается. Если же при увеличении n увеличить на определенную величину фз, то основная фаза сгорания приблизится к в.м.т., давление Р цикла увеличится, и несмотря на то, что третья фаза сгорания (догорание) заканчивается позже, чем при меньших значениях n, экономичность цикла улучшается (кривые 3 к 1, рис. б). Следовательно, для получения максимальной мощности и эффективности двигателя необходимо автоматически обеспечивать оптимальное значение угла опережения зажигания для каждого скоростного режима.

Детонация

В двигателях с искровым зажиганием при определенных условиях работы двигателя возникает быстрый, приближающийся к взрыву процесс сгорания рабочей смеси. Называется он детонацией. Признаки, указывающие на детонацию при работе двигателя: звонкие металлические стуки в цилиндрах, перегрев двигателя, снижение мощности, появление черного дыма (сажи) в отработавших газах.

Основные причины появления детонации:

На появление детонации также влияет материал головки цилиндров и поршней. Двигатели, у которых эти детали изготовлены из алюминиевых сплавов, меньше склонны к детонации, чем двигатели, у которых эти детали изготовлены из чугуна. Так как чугун обладает худшей теплоотдачей, то в жаркую погоду детали перегреваются, и это приводит к детонации.

Детонация повышает давление и температуру в цилиндрах, вызывает вибрацию двигателя. Вследствие этого ухудшается смазка трущихся поверхностей, обгорают клапаны, поршни, разрушаются подшипники коленчатого вала.

Преждевременное воспламенение рабочей смеси

В процессе работы двигателя иногда возникают такие условия, при которых отдельные детали внутри камеры сгорания (электроды свечи зажигания, клапаны) нагреваются выше 700…800°С. Соприкасаясь с нагретыми деталями, рабочая смесь воспламеняется раньше, чем возникает искра зажигания. Сгорание начинается до прихода поршня в в.м.т. Происходит так называемое калильное зажигание. Детали при калильном зажигании нагреваются еще больше. Воспламенение смеси при последующих циклах начинается еще раньше. В результате детали настолько перегреваются, что начинают оплавляться, увеличивается сопротивление их движению, и двигатель теряет мощность. Одной из причин возникновения калильного зажигания является применение свечей зажигания, не соответствующих конструкции двигателя.

Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании

При работе двигателей наблюдаются случаи, когда после того, как выключено зажигание, двигатель продолжает некоторое время работать. Объясняется это тем, что при прикрытой дроссельной заслонке температура рабочей смеси в конце такта сжатия повышается и смесь самовоспламеняется, если частота вращения коленчатого вала прогретого двигателя составляет 300…400 об/мин. Чтобы предотвратить это явление, в конструкцию карбюратора вводят устройство, которое автоматически прекращает подачу топлива при выключении зажигания.

Сгорание рабочей смеси в дизелях

Рис. Индикаторная диаграмма дизеля: Q1 , Q2 и Q3 — фазы сгорания топлива; Фвц — угол опережении впрыска топлива.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания дизеля за несколько градусов угла фвп поворота коленчатого вала до прихода поршня в в.м.т. К этому времени воздух в камере сжимается до 3…4 МПа и нагревается в результате этого до 450…550°С. Заканчивается подача топлива после в.м.т. На участке 1…2 давление в камере изменяется за счет сжатия воздуха поршнем — горение топлива еще не началось. Температура в камере немного понижается вследствие ввода в камеру холодного топлива. Затем топливо самовоспламеняется, пламя начинает распространяться по камере, и давление, начиная от точки 2, повышается за счет горения топлива. Угол фвп между началом впрыска (точка 1) и в.м.т. называется углом опережения впрыска. Угол Qi между началом впрыска и моментом начала подъема давления (точка 2) называется периодом задержки воспламенения. В этот период топливо под действием температуры и вихревых движений в камере переходит из жидкого состояния в газообразное, появляются отдельные очаги самовоспламенения.

Период сгорания топлива в цилиндре дизеля условно делят на три фазы:

Величина максимального давления Pz и момент достижения его зависят от того, как протекает сгорание в первой и во второй фазах.

Экономичность цикла зависит от характера и продолжительности протекания процесса подготовки топлива к самовоспламенению (период Qi — задержки самовоспламенения) и характера сгорания (первая Q1, вторая Q2 и третья Q3 фазы сгорания).

Период задержки воспламенения

За этот период в камеру сгорания поступает незначительная часть впрыскиваемого за цикл топлива. На индикаторной диаграмме в течение этого периода не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не поступает в него. При увеличении Qi в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается много топлива. Это повышает жесткость работы дизеля. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от следующих основных факторов: качества топлива, угла опережения впрыска топлива, давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска топлива, давления начала впрыска, нагрузки на дизель и частоты вращения коленчатого вала.

Рассмотрим влияние каждого фактора на величину Qi.

Химический состав дизельного топлива сильно влияет на продолжительность Qi. Лучшими дизельными топливами являются топлива парафинового ряда, обладающие более высоким цетановым числом и обеспечивающие наименьшую продолжительность Qi и мягкую работу дизеля.

Для каждой конструкции дизеля принят свой угол опережения впрыска топлива фвп. Оптимальное его значение зависит от нагрузки, теплового режима, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха. При увеличении фвп топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, попадает в холодную среду с низким давлением, т. е. меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается. В цилиндре накапливается топливо, которое сгорает до прихода поршня в в.м.т. Это вызывает повышение жесткости работы дизеля и давления Pz. При малой величине фвп топливо сгорает не полностью, ббльшая его часть сгорает в процессе расширения (в третьей фазе), увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, мощность дизеля снижается.

Увеличение давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска способствуют более раннему самовоспламенению топлива, сокращению периода задержки воспламенения, более мягкой работе двигателя.

Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска, сокращается продолжительность впрыска. При уменьшении давления начала впрыска ухудшается качество распыливания топлива и смесеобразования, что приводит к ухудшению рабочего процесса.

Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл, улучшаются условия подготовки рабочей смеси к сгоранию. Следовательно, продолжительность Qi с увеличением нагрузки сокращается.

Частота вращения коленчатого вала n влияет следующим образом на величину Qi. При изменении n изменяются фвп, давление и продолжительность впрыска топлива, качество его распыливания. Давление и температура воздуха в камере сжатия к моменту начала впрыска также изменяются. На быстроходных дизелях, предназначенных для работы с часто меняющимися скоростными режимами, устанавливают устройства, обеспечивающие автоматическое изменение величины фвп при изменении n.

Из сказанного видно, что момент начала впрыска и период задержки воспламенения оказывают большое влияние на процесс сгорания, на мощность и экономичность дизелей. Поэтому при их эксплуатации эти показатели надо поддерживать в заданных пределах.

Средняя скорость нарастания давления на участке 2…3 определяет жесткость работы дизеля. Ее считают нежесткой, если средняя скорость нарастания давления дельта_Р/дельта_ф не превышает 0,5 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала.

Чем больше поступает топлива в цилиндр в течение периода Qi задержки воспламенения, тем жестче работа двигателя и тем большей величины достигает максимальное давление сгорания Рz.

Характер поступления топлива определяется профилем кулачка, диаметром и величиной хода плунжера топливного насоса, конструкцией дизеля и качеством топлива. Так, например, применение бензина вместо дизельного топлива вызывает появление ударных волн и вибрацию давления в цилиндре дизеля.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Смотрите также