С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Температура сгорания бензина в двигателе

Температура сгорания бензина в двигателе


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:

  • применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного для данного двигателя;
  • повышение степени сжатия, вызванное низким качеством ремонта или обслуживания;
  • увеличение угла опережения зажигания; качество рабочей смеси не соответствует требованиям, которые предъявляются к топливу для данного двигателя. Наиболее склонна к детонации рабочая смесь при а = 0,9.

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:

  • первая фаза Q1 — фаза быстрого сгорания. Начинается в момент начала повышения давления (точка 2) и кончается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В этот период выделяется около 30% общего тепла, заключенного во впрыскиваемом в цилиндр дизеля топливе;
  • вторая фаза Q2 — фаза замедленного горения (участок 3…4). Она заканчивается в момент достижения максимальной температуры в цилиндре (точка 4). К этому периоду выделяется 70…80% тепла;
  • третья фаза Q3 — фаза догорания. Условно она заканчивается в пределах 70° угла поворота коленчатого вала после в.м.т. К этому периоду выделяется около 97% тепла. Процесс является наиболее экономичным, если давление цикла в дизеле достигает своего максимума при повороте коленчатого вала на 6…10° после в.м.т.

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.

Детонация — двигатель

статья доработана 23 января 13 года

СТАТЬЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛ ДЕТОНАЦИИ В РАБОТЕ СОВЕРШЕННОГО РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ Как создать детонационный двигатель?

Процесс детонации при горении Рабочей Смеси в двигателях автомобилей и двигателях всякой другой силовой техники все специалисты упоминают лишь в негативном смысле. Стрекочущий металлический стук в двигателе, особенно при использовании плохого бензина с малым октановым числом, который предваряет грядущую вскоре поломку двигателя и надвигающийся капремонт мотора – всё это и ассоциируется с весьма негативным термином «детонация». Наиболее подвержены детонации сверхфосированные спортивные двигатели, или подвергнутые тюнингу с целью повышения мощности серийные двигатели, для которых во избежание последней приходится применять специальные и очень дорогие типы бензинов с высоким октановым числом – до 120 единиц. Однако есть возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к конструированию предельно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем подобной сверх эффективности нельзя будет добиться никаким супер — тюнингом или форсированием традиционного поршневого двигателя. И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника, который будет трудиться на благо мотору. * * * Прежде всего разберемся — а что такое по своей сути есть процесс детонации. В двигателе сжатая топливо — воздушная смесь имеет возможность сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса:

А) нормальное горение — фронт горения имеет скорость 20-40 м/сек.; Б) взрывное (детонационное) сгорание — скорость около 2000 м/сек.;

При этом температура газов горения резко повышается — до 3500 — 4000 градусов Цельсия, против 2500 при обычном медленном типе горения.

Детонационное сгорание (или просто — детонация) называется так потому, что его характер резко отличается от процесса нормального, медленного и постепенного горения рабочей смеси. В нормальном процессе горения фронт пламени от искры свечи – распространяется по увеличивающемуся кругу последовательно и поступательно от этого центра поджига.

В процессе же детонации первоначальное горение от искры свечи, быстро переходит в объемный взрыв по всей толще сжатой рабочей смеси. При сгорании первой порции рабочей смеси – слоя вокруг искры свечи — сразу резко поднимается давление и температура в областях камеры сгорания еще не подверженных горению. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению присутствующим в рабочей смеси кислородом воздуха, начинается интенсивное разложение очень сильно сжатых паров бензина на так называемые перекиси (накапливание перекисных соединений), а затем их взрывной распад. При высокой концентрации перекисных соединений происходит объемный взрыв, за счет их мгновенного самовоспламенения по всей толще этого объема. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива по всей его толще, к так называемому детонационному сгоранию.

Экспериментальным путем установлено, что при степени сжатия в 8,5 крат, когда давление сжатой Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина, детонационно сгоранет от 3 до 5% паров топлива. Что считается предельно приемлемым показателем. При достижении давлений сжатия в 34 атмосфер (степерь сжатия 22-23), то Рабочая Смесь из паров 92 бензина с воздухом будет на 100% сгорать детонационно — в режиме объемного взрыва.Во время детонации в сильно сжатой и перегретой рабочей смеси происходят сложные процессы, во время которых происходят различные химические превращения углеводородов топлива в более простые элементы с выделением молекул свободного кислорода и образуются разные виды чередующегося пламени. (Соколик А.С., Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951, стр. 37.) Именно наблюдение таких процессов в случае детонации рождают мнения специалистов, которые указывают, что КПД перевода потенциальной энергии химических связей во внутреннюю энергию температуры горячих газов и потенциальную энергию высокого давления при детонационном горении (взрыве) – гораздо выше, чем при нормальном (медленном) горении. Т.е. взрывное (детонационное) горение дает ЗАМЕТНО БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ тепла и давления горячих газов, чем медленное горение. Вот как процессы взрывного горения описываются в диссертации Головастова С. В. «Управление процессами воспламенения и детонации в газовых средах» на соискание звания кандидата физико-математических наук . [Место защиты: Объединенныйинститут высоких температур РАН].- Москва, 2008.: «При детонации газов термодинамическая эффективность сжигания заметно повышается, так как степень сжатия увеличивается в 20-30 раз, а время выделения энергии составляет 10’6-10″5 микросекунд. Преимущества детонационного сжигания топлива подробно описаны в [3]. Помимо термодинамической эффективности сжигания продукты детонации имеют еще и значительную кинетическую энергию, что дополнительно увеличивает полную эффективность сжигания».В стандартных поршневых двигателях ударные волны повышенного давления детонации «сбивают» пленку масла со стенок цилиндра (поршень начинает «драть» по цилиндру), повышают температуру двигателя и приводят к его перегреву, приводят к повышенной нагрузке на шарнирные сочленения кривошипно – шатунного механизма (КШМ) двигателя и пр. В некоторых случаях давление взрывным образом нарастает еще до минования поршнем ВМТ, а это приводит к резкой потере мощности и огромным перегрузкам на весь КШМ, так как первый импульс давления рабочих газов начинает крутить коленвал «в обратную сторону». Поэтому поршневые двигатели быстро выходят из строя и разрушаются от титанических сил детонационных процессов. Особенно это видно на примере «пережатых» моторов, которые были подвергнуты тюнингу под спортивные задачи, например — в стандартном двигателе при тюнинге была критически повышена степень сжатия для достижения высоких мощностных показателей в соревнованиях по стрит-рейсингу. Так же повышенная температура — до 4000 градусов- приводит к быстрому прогоранию поршней и потере упругих свойств поршневых колец, а так же быстрому обугливанию масла на стенках цилиндра.

Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий КПД детонационного режима сгорания топлива, то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень КПД современных поршневых двигателей, а удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя – газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса. Если немного удариться в технологические фантазии, то можно было бы представить автомобильный или подвесной лодочный двигатель, который бы при весе в 12-15 килограммов имел мощность в 150 кВт (почти 200 л.с.) и расходовал 1,5 – 2 литра низкооктанового бензина на 100 км. Т.е расход топлива такого двигателя составлял бы 60-80 граммов топлива в час на одну лошадиную силу. При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход состаялет 160-170 граммов. Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов ДВС. Ни наиболее распространенные поршневые двигатели, даже в варианте их тюнинга или в спортивных версиях, ни циклоидные двигатели Ванкеля (роторные с планетарным вращением ротора), ни газовые турбины не могут использовать этот сверхмощный и сверхэффективный процесс.

Единственный образец техники, который применяет и с пользой эксплуатирует такой принцип — это строительные машины типа «копр» (привод-двигатель для забивания свай: «дизель-молот»). В копрах энергия мощного взрыва рабочей смеси (из-за огромного сжатия от сильнейшего удара двухтонным молотом) подбрасывает на десяток метров обратно вверх этот тяжелый рабочий молот весом в две тонны. Заметьте — в таком привод-двигателе даже солярка сгорает в режиме детонации. А еще энергия взрыва вполне эффективно применяется во всех типах стрелкового и артиллерийского вооружения. Вполне склонен к мгновенным взрывам на принципе детонации дымный порох, что и используется в военном деле последние 600 лет.

Но вот все существующие сегодня разновидности двигателей внутреннего сгорания не приспособлены для применения детонационного типа сгорания и использования огромных энергий этого процесса. И это не удивительно, ведь поршневая расширительная машина перешла в ДВС-ы «по наследству» от паровых двигателей, где взрывные процессы в рабочем пространстве пары «поршень – цилиндр» были невозможны в принципе и не рассматривались как подходящий рабочий процесс.

Вот поэтому в современных поршневых двигателях с их кривошипно-шатунными механизмами, да и в газовых турбинах, с их открытыми практически свободно в атмосферу камерами сгорания, использовать энергию детонационного взрыва либо крайне затруднительно, либо вообще- невозможно.

ПРЕДПОСЫЛКИ И ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Для того чтобы получить эффективно действующий двигатель внутреннего (или внешнего) сгорания, использующий детонационное сгорание топлива, и который превосходит самые форсированные и подвергнутые супер-тюнингу традиционные поршневые двигатели, нужно в подобном двигателе соблюсти несколько важных условий.

— А) камера сгорания должна не иметь движущихся частей, которые еще и нуждаются в смазке, и камера сгорания желательно не должна иметь потребности в охлаждении;

— Б) камера сгорания должна не некоторое время запираться, чтобы создавать замкнутый объем, в котором в условиях резко нарастающего давления и повышающейся температуры (изохорный процесс), могли полностью на все 100% сгорать пары топлива, даже при рабочей смеси очень бедного состава (мало паров бензина – много воздуха); — В) главный рабочий орган двигателя должен двигаться очень быстро и легко – без необходимости осуществления чередующихся циклов «разгона- торможения» с преодолением сил инерции, чтобы успевать полноценно «утилизировать» и без разрушительных перегрузок (т.е. без старта с неподвижного положения) воспринимать энергию газов рабочего тела очень высокого давления; При детонационных процессах во время объемного взрыва, да еще проходящих в запертом объеме, вся энергия химических связей углеводородов топлива при высоком коэффициенте избытка воздуха, (т.е. кислорода будет хватать на полное сжигание всех паров топлива) будет переходить в тепло и энергию высокого давления конечных газов горения. В итоге все пары топлива в двигателе будут полностью сгорать. Этот процесс будет давать 2-а результата: — приводить к практическому отсутствию элементов неполного сгорания топлива в выхлопных газах, т.е. к их высокой экологической чистоте; — приводить к созданию значительно большего давления и значительно повышенной температуре газов Рабочего Тела высокого давления в камере сгорании двигателя (по сравнению с показателями рабочего тела традиционных поршневых двигателей, рабтающих без детонации- на медленном режиме горения);

В случае, когда камера сгорания будет не охлаждаемой, и на время «взрыва» паров Рабочей Смеси запираемой (неизменного объема), то там можно будет весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную рабочую смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха. Т.е. если камеру сгорания сделать керамической и довести ее до «белого каления» — т.е. довести её стенки до температуры в 1300-1500 градусов, то в ней в условиях запертого неизменяемого объема гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная Рабочая Смесь при средней степени её предварительного сжатия. Коэффициент избытка воздуха ожидается заметно выше чем у дизеля. Если в обычном поршневом двигателе массовое соотношение паров топлива и воздуха имеет вид 1 к 15, то в детонационном двигателе оно может достигнуть (по предварительным прикидкам) показателя в 1 к 40 (и даже выше), с соответствующим ростом экономичности работы мотора. Т.е. экономичность должна заметно превзойти дизельный двигатель — который на сегодня оказывается пока рекордсменом по показателям экономичности и топливной эффективности.

 

Когда подобный адиабатный (без охлаждения) и детонационный (взрывного типа сгорания Рабочей Смеси) двигатель будет получать из камеры сгорания большое количество Рабочего Рела (горячих газов высокого давления), то подобному двигателю нужно будет иметь значительный объем сектора расширения, где будет совершать весьма длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо, в таком двигателе объём сектора расширения должен заметно превышать объем сектора предварительного сжатия. Поэтому из всего выше сказанного следует – чтобы превратить в полезную работу главного рабочего органа этот усиленное давление газов Рабочего Тела очень высокой температуры, подобному двигателю необходимо иметь большой рабочий ход главного рабочего органа. Но в поршневом двигателе это практически невозможно, так как в поршневой машине ход сжатия равен ходу расширения. Известная попытка решить эту проблему в рабочем цикле Аткинсона – Миллера получила весьма затратную схему организации процесса, а поэтому – поэтому она малоэффективна и сложно применима на практике.

ЕЩЕ ОДНА ТРУДНОСТЬ — это резкое — ПОЧТИ В 2 РАЗА — увеличение температуры рабочих газов в цилиндре. С обычных 2500 градусов до почти 4000. Это увеличение температуры никак не может прямым образом превратиться в дополнительную мощность двигателя. Ибо повышение температуры газов Рабочего Тела не ведет автоматически и прямо к повышеню их давления. В Японии в конце 80-х годов было сделано много вариантов «неохлаждаемых»- адиабатных двигателей, с корпусами из керамики и без системы охлаждения. Идея их создателей была такова — если двигатель не будет иметь охлаждения и потерь тепла через систему охлаждения, то — из-за увеличения температуры Рабочего Тела «автоматически» повысится давление рабочих газов на поршень, и «автоматом» увеличится мощность и КПД мотора. Но в итоге — только значительно повысилась температура выхлопных газов — до 1500-1700 градусов. А КПД поднялся только на 2-3 процента, что никак не компенсировало резкого удорожания мотора. Т.е. в детонационном двигателе нужно иметь механизм превращения в работу резко увеличившегося количества выделения тепла. Как видим — в поршневых моторах даже дотошным и новаторским японским автопроизводителям этого не получилось совершить.

СЛЕДОВАТЕЛЬНО, чтобы полноценно и эффективно использовать могучую силу детонационного процесса сгорания (объемного взрыва) паров топлива надо сконструировать и изготовить двигатель внутреннего(или внешнего) сгорания, в котором обязательно будут использоваться такие механизмы и элементы, что обеспечат следующие процессы: — — неохлаждаемая (высокотемпературная) камера сгорания высокой прочности неизменного объема, в которой бы без ущерба для всех остальных движущихся частей двигателя, могли происходить «взрывы» паров топлива; — — такая конструкция рабочих органов двигателя, которая бы обеспечивала возможность увеличенного технологического объема расширения Рабочего Тела, по отношению к технологическому объему предварительного сжатия; — — такая конструкция элементов и такая организация рабочих (технологических) процессов двигателя, которые бы обеспечивали способность двигателя переводить сверхвысокую температуру раскаленных газов Рабочего Тела, в работу на главном валу;

Можно заметить, что первое условие при своей реализации создает в конструкции мотора что-то похожее на вынесенный отдельно от расширительной машины паровой котел двигателя внешнего сгорания.

В поршневой конструкции привычного нам 4-х тактного двигателя все перечисленные условия обеспечить невозможно. Именно поэтому традиционные поршневые двигатели боятся детонации (за исключением дизелей) и все как один нуждаются в интенсивном внешнем охлаждении.

Две цитаты из академических книг — два авторитетных источника 1929 и 1969 года выпуска — в подтверждение согласия науки о наилучшем процессе образования Рабочего Тела при горении Рабочей Смеси в замкнутом пространстве (изохорный процесс). Скачайте сканы страниц на свой комп и читайте там, они откроются в большем размереОднако- при всей трудности своей реализации в работоспособную конструкцию двигателя — все изящество и мощь идеи адиабатного детонационного двигателя внутреннего сгорания, который эффективно работает на крайне обедненной смеси, имеет очень высокий КПД и значительную чистоту выхлопных газов, настолько привлекательна, что попытка сформулировать условия создания подобной силовой тепловой машины давно овладела автором этой статьи. Несколько лет назад я создал концепцию подобного двигателя, поэкспериментировал с несколькими действующими макетами разных типов конструкций, и на данный момент (январь 2013г.) идет изготовление очередного опытного образца такого двигателя. Предыдущие несколько моделей, уже помогли сформулировать более совершенную конструкцию нынешней компоновки двигателя.

Основной и Первой Особенностью этого двигателя будет обособление и выделение процесса «Горения -создание Рабочего Тела» в отдельный – 5-й такт. Этот такт будет происходить в отдельном технологическом объеме – вынесенной за пределы сектора расширения и периодически плотно запираемой камере сгорания неизменного объема. Эта камера планируется делаться из керамики, будет очень сильно разогреваться и не требовать охлаждения. Совмещение в одном рабочем такте разных процессов — процесса «горения» и процесса «расширения», определяют главные недостатки традиционных поршневых двигателей – смотри об этом мою отдельную статью «5-ти тактный роторный двигатель«. И как раз от этого «родового порока» поршневиков я и старался избавиться в своей конструкции роторного двигателя. В такой камере за счет использовании низкооктановых дешевых бензинов можно устраивать детонацию крайне обедненной смеси в раскаленной камере сгорания при вполне средних степенях сжатия Рабочей Смеси — около 5 или 6 крат.

Вторая Особенность моей конструкции — это использование расширительной роторной машины – «типа Тверской» (коловратная машина), с различными по объему секторами сжатия и секторами расширения. Такой подход позволит при достаточно средней степени сжатия (в 5-6 крат), за счет использования дешевых низкооктановых бензинов, получать детонационное горение (объемные взрывы) весьма бедной Рабочей Смеси в запираемой камере сгорания, и затем организовать выброс Рабочего Тела (рабочих газов высокой температуры и высокого давления) в сектора расширения значительного объема, в которых осуществляется движение рабочего хода главным рабочим органом двигателя (лопастью ротора) весьма значительной длины.

Третяя Особенность этой конструкции — «встраивание» в такт «расширение Рабочего Тела» специальной «паровой фазы«, которая за счет подачи воды будет переводить сверхвысокую температуру (до 4000 градусов) Рабочих Газов из камеры сгорания в значительно увеличенное давление Рабочего Тела многократно увеличенной массы. За счет парообразования подаваемой воды температура Рабочего Тела будет резко понижаться, а давление и суммарная масса Рабочего Тела, т.е. теперь уже паро-газовой смеси — резко увеличиваться. Что и будет приводить к возможности совершать дополнительную работу в секторе расширения. При этом двигатель будет «охлаждаться изнутри» и температура выхлопных газов будет не высокой — около 200-250 градусов.

При этом за один оборот главного вала двигателя будет осуществляться от 4 до 16 рабочих ходов с соответствующим этому показателю высоким крутящим моментом. Для справки: 4-х цилидровый 4-х тактный двигатель дает за один оборот главного вала ОДИН полный рабочий ход. Плечо приложения силы (плечо крутящего момента) чисто по геометрическим параметрам, в роторном двигателе такой конструкции в полтора – два раза больше, чем в поршневых машинах. Исходя из выше описанного – крутящий момент такого двигателя за счет значительного увеличения плеча крутящего момента и наращивания числа рабочих тактов на один оборот главного вала, будет многократно больше, чем в традиционных поршневых двигателях. Поэтому и мощность подобной конструкции детонационного адиабатного роторного двигателя – будет многократно превосходить традиционные поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Краткое резюме настоящей статьи можно изложить так — когда двигателистам удастся приручить детонационное (взрывное) горение воздушно-бензиновой смеси, и заставить предсказуемо и продуктивно работать такой процесс в камерах сгорания моторов, то возможно будет заявить о создании нового типа двигателя, небывалых до этого технических параметров. И такой двигатель будет многократно эффективнее — мощнее, легче, проще и экономичнее, чем преобладающие на данный момент поршневые двигатели, работающие на медленных процессах горения воздушно-бензиновой смеси.

Автор — Игорь Исаев

СЛЕДУЮЩАЯ СТАТЬЯ — статья №2 май 12 года СТАТЬЯ ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПАРОВОГО ХОДА В ДВС. Взгляд на «устройство» паровой фазы в рабочем цикле поршневых и роторных ДВС Пока первую часть статьи — смотрите на ПРЕДЫДУЩЕЙ страничке сайта. Развитие темы статьи постарюсь продолжить в ближайшее время.

Роторные двигатели - прошлое и будущее. Исаев И.Ю.© 2018

Особенности сгорания бензинов в двигателе

Категория:

   Автомобильные эксплуатационные материалы

Особенности сгорания бензинов в двигателе

При сгорании топлива в двигателе происходит превращение его химической энергии в тепловую и далее в механическую. От характера протекания процесса сгорания зависят не только мощностные и экономические показатели двигателя, но и его надежность и долговечность.

Различают два вида сгорания в двигателе: нормальное и аномальное. При нормальном сгорании после воспламенения топливной смеси искрой свечи зажигания обеспечивается устойчивое распространение пламени в цилиндре двигателя со скоростью 20…60 м/с. При увеличении числа оборотов двигателя скорость сгорания топливной смеси также повышается вследствие усиления турбулизации заряда, благодаря чему топливо успевает сгореть. Максимальное значение скорости сгорания соответствует составу топливно-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха а =0,9…0,95, при котором и обеспечивается наибольшая мощность двигателя. При дальнейшем обогащении смеси или ее обеднении скорость распространения пламени уменьшается; в дервом случае — из-за недостатка воздуха, во втором — вследствие расхода части тепла на его подогрев.

Следует отметить, что оптимальность процесса сгорания топлива при прочих равных условиях определяется его своевременным началом и продолжительностью (скоростью). В случае раннего воспламенения основное сгорание будет протекать еще во время сжатия, что приведет к значительным потерям мощности. Позднее зажигание сместит процесс горения на ход расширения и тоже вызовет потери мощности и экономичности. При увеличении скорости сгорания мощность двигателя повышается вследствие приближения рабочего цикла к теоретическому.

Однако при слишком быстром сгорании работа двигателя сопровождается повышенными ударными нагрузками на его детали.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма основных видов сгорания в карбюраторном двигателе: а — нормальное сгорание; б. в—калильное зажигание; г детонационное сгорание

Для повышения топливной экономичности важное значение имеет вопрос расширения предела обеднения смеси при воспламенении и горении. Обеднение смеси способствует повышению индикаторного КПД двигателя, что позволяет получить существенную экономию топлива на частичных нагрузках. На предел возможного обеднения оказывает существенное влияние химический состав топлива. Так, если для жидких углеводородных топлив предельное значение коэффициента избытка воздуха а составляет 1,15…1,2; углеводородных газов 1,2…1,3, то для спиртовых топлив 1,25… 1,30. Качественное приготовление топливно-воздушной смеси и в особенности ее полное испарение и однородность состава также способствуют расширению предела обеднения.

В ряде случаев процесс распространения пламени нарушается и возникает так называемое аномальное сгорание. Одним из распространенных видов аномального сгорания является калильное зажигание. Это явление связано с тем, что в некоторых случаях при перегреве двигателя происходит самопроизвольное воспламенение рабочей смеси от «горячих точек». Такими точками (или зонами) могут являться клапаны, наиболее выступающие части свечей зажигания, нагары, образующиеся при сгорании топлива, и др.

Наиболее характерным проявлением калильного зажигания является продолжение работы двигателя в виде кратковременного неустойчивого «дерганья» после его выключения. При работе форсированных двигателей на режимах повышенных нагрузок калильное зажигание в некоторых случаях является причиной преждевременного (т. е. до появления искры на свече зажигания) воспламенения рабочей смеси. Это ведет к перегреву двигателя, падению его мощности из-за смещения сгорания на линию сжатия, а также способствует возникновению детонации.

Вследствие увеличения нагрузок на детали калильное зажигание ведет к повышенному износу двигателя. В то же время интенсивное калильное зажигание может вызвать прогорание и разрушение поршней, обгорание их кромок и клапанов, залегание колец и даже поломку шатунов и обрыв коленчатых валов.

Калильное зажигание может вызываться двумя источниками различной природы: горячими металлическими поверхностями и нагарами. В первом случае зажигание устраняется с помощью улучшения конструкции камер сгорания, обеспечения отвода тепла от перегреваемых поверхностей, использования «холодных» клапанов и свечей и др.

В отличие от металлических поверхностей нагар при взаимодействии с кислородом воздуха может саморазогреваться и становиться источником воспламенения топливной смеси даже при низких температурах подогрева. Калильная активность нагара зависит главным образом от содержания в бензинах ароматических углеводородов, их строения и молекулярного веса. В частности, с увеличением молекулярного веса образуется более активный нагар. Поэтому основным способом борьбы с калильным зажиганием от нагара является ограничение содержания в бензинах ароматических углеводородов, а также использование в бензинах различных присадок, изменяющих состав и свойства нагара.

При использовании бензинов, не соответствующих требованиям двигателя, на ряде режимов его работы может возникать особый вид аномального сгорания — детонационное сгорание. Это широко известное явление проявляется в звонком металлическом стуке, дымлении отработавших газов и резком перегреве двигателя.

Причиной детонационного сгорания является образование неустойчивых перекисных соединений при окислении углеводородов топлива. При повышенных температурах и давлениях в камере сгорания перекисные соединения разлагаются с выделением большого количества тепла. Процесс разложения носит взрывной характер, в результате чего в цилиндре возникают ударные волны и скорость распространения пламени возрастает до 2000… 2500 м/с (рис. 10, кривая г). Перекисные соединения образуются при сгорании топлива всегда, но детонация возникает лишь при их определенном (критическом) содержании для определенных условий (давления и температуры) в цилиндре. Чем выше давление и температура в цилиндрах, тем при меньшем содержании перекисных соединений начинается переход нормального сгорания в детонационное.

Главная опасность детонации связана с перегревом камеры сгорания и днища поршня из-за высоких температур в детонационной волне и усиления теплоотдачи. Кроме того, детонационные волны, многократно отражаясь от стенок, разрушают смазочный слой на поверхности гильзы и тем самым способствуют увеличению износов цилиндра и поршневых колец. Детонация также ведет к повышенным вибрационным нагрузкам на детали цилиндро-поршневой группы. При детонации мощность двигателя падает, а расход топлива увеличивается. Поэтому длительная работа двигателя с детонацией недопустима.

Возникновению детонации способствует увеличение продолжительности пребывания последних порций топлива в камере сгорания, ведущее к ускорению образования перекисных соединений. Поэтому увеличение частоты вращения коленчатого вала и уменьшение угла опережения зажигания ведет к подавлению детонации благодаря уменьшению времени нахождения порции топливной смеси в цилиндре. Таким образом, при возникновении детонации ее можно устранить с помощью таких мер, как прикрытие дросселя, уменьшение загрузки автомобиля, переход на более высокие частоты вращения коленчатого вала двигателя путем включения низшей передачи и уменьшения угла опережения зажигания. Однако эти способы можно использовать лишь в крайних случаях и кратковременно, так как все они ведут к увеличению расхода топлива, а в ряде случаев — к снижению мощности двигателя.

Количество образующихся перекисей в наибольшей степени зависит от состава бензина. Поэтому наиболее эффективным способом борьбы с детонацией является повышение детонационной стойкости бензинов. Под детонационной стойкостью (или антидетонационными свойствами) бензинов понимается их способность противостоять возникновению детонации в двигателе. Основным показателем детонационной стойкости бензинов является октановое число, определение которого осуществляется на специальных одноцилиндровых моторных установках с переменной степенью сжатия. Детонационная стойкость бензина на этих установках оценивается по сравнению с известной детонационной стойкостью эталонных топлив. В качестве таких топлив используются смеси изооктана, детонационная стойкость которого принята за 100 единиц, и гептана, октановое число которого равно 0. Определение детонационной стойкости бензина заключается в подборе такой эталонной смеси изооктана и гептана, интенсивность детонации которой, регистрируемая с помощью прибора, соответствует интенсивности детонации испытуемого бензина при одной и той же степени сжатия. Под октановым числом бензина понимается показатель, равный процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости этому бензину.

Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя методами — моторным и исследовательским. Режим испытаний по исследовательскому методу менее напряженный, чем по моторному, в связи с чем получаемое октановое число несколько выше, чем определенное по моторному методу. Разница между исследовательским и моторным октановым числами называется «чувствительностью» бензина и зависит от его состава.

В СССР для определения октановых чисел бензинов ранее выпускались установки ИТ9-2 и ИТ9-6. Установка ИТ9-2 предназначена для определения октанового числа по моторному методу, ИТ9-6—по исследовательскому. В настоящее время эти установки сняты с производства и вместо них выпускается одна универсальная установка УИТ-65, позволяющая определять октановые числа по обоим методам. Эта установка оборудована электронным прибором для измерения интенсивности детонации и автоматическими устройствами для поддержания требуемого режима испытаний.

Условия сгорания топливной смеси в двигателе существенно отличаются от режима оценки октановых чисел бензинов на установке УИТ-65. Поэтому для определения фактической детонационной стойкости бензинов, а также требований двигателя по этому показателю используется специальная методика детонационных испытаний двигателей и автомобилей. Метод детонационных испытаний позволяет получить детонационную характеристику двигателя во всем диапазоне его рабочих частот, оценить фактическую детонационную стойкость бензина и на этой основе установить его соответствие требованиям двигателя.

Рис. 2. Установка для определения октанового числа бензина

Детонационная стойкость бензинов обусловлена, прежде всего, требованиями двигателя и главным образом его степенью сжатия. При увеличении степени сжатия на единицу требуется повысить детонационную стойкость бензина на 4…8 октановых единиц. Исторически развитие двигателей с принудительным воспламенением шло по пути непрерывного увеличения степени сжатия и соответственно повышения октановых чисел используемых бензинов., Такая тенденция обусловлена ростом мощности

и снижением расхода топлива при увеличении степени сжатия двигателя. Однако повышение детонационной стойкости бензинов связано с ростом их стоимости и, главное, увеличением затрат нефтяного сырья. Поэтому в настоящее время оптимальный уровень детонационной стойкости бензинов устанавливается с химмотологических позиций — на основе разумного компромисса между автомобильной и нефтеперерабатывающей промышленностью, обеспечивающего наибольший народнохозяйственный эффект.

Основным способом повышения детонационной стойкости бензинов является исключение из их состава или сведение к минимуму содержания углеводородов, образующих при сгорании большое количество перекисных соединений, и использование более стойких углеводородов.

Вторым способом является введение в состав бензина специальных а н-тидетонационных присадок (антидетонаторов), разрушающих в процессе горения образующиеся перекиси или препятствующие их возникновению.

Рис. 3. Схема установки УИТ-65: 1 — измеритель детонации; 2—подогреватель воздуха; 3— бачок для топлива; 4 — подогреватель топливной смеси; 5 — датчик детонации; 6 — одноцилиндровый двигатель; 7 — датчики температуры; 8 — устройство смесеобразования; 9 — прибор для автоматической регулировки температуры

Рис. 4. Влияние степени сжатия двигателя на его удельную мощность и расход топлива

Детонационная стойкость бензинов определяется их компонентным составом и строением содержащихся углеводородов. Как было показано выше, товарные бензины получаются смешением продуктов прямой перегонки нефти и вторичных процессов ее переработки. При этом одним из важнейших требований, определяющих состав бензинов, является обеспечение необходимой детонационной стойкости (октанового числа).

Большинство бензинов прямой перегонки имеет невысокие октановые числа в пределах 40…50 ед., что связано с содержанием в них большого количества парафиновых углеводородов с низкой детонационной стойкостью. Октановые числа бензинов термического крекинга выше и находятся в пределах 64…70 ед. Наибольшей детонационной стойкостью характеризуются бензины каталитического риформинга — платформинга, содержащие значительное количество ароматических углеводородов. В платформинге обычного режима получают бензины с октановым числом по исследовательскому методу 82…85 ед. При жестком режиме платформинга содержание ароматических углеводородов в бензине может быть повышено до 70%, что обеспечивает его октановое число в пределах 95…97 ед.

Перечисленные компоненты являются базовыми для приготовления товарных сортов бензинов, при этом также могут дополнительно вводиться и другие компоненты. Такие бензины обычно содержат значительное количество дорогостоящих высокооктановых компонентов, кроме того, их производство связано с дополнительным расходом нефти. Поэтому в основной массе выпускаемых бензинов требуемая детонационная стойкость достигается за счет добавки антидетонаторов.

Реклама:
Читать далее: Коррозионность бензинов

Категория: - Автомобильные эксплуатационные материалы

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Mse-Online.Ru

Основной процесс, происхо­дящий в двигателе, — сгорание топлива. От того, как он про­текает, и зависят технико-эко­номические показатели. Правильность организации про­цесса сгорания определяется многими факторами: конструк­тивными особенностями двига­теля, химическим составом сжигаемого бензина, количе­ством поступающего воздуха, давлением и температурой го­рючей смеси, моментом по­дачи искры и т. д. Для дви­гателя определяющим является химический состав топлива, т.е. в реальной эксплуатации — правильность выбора марки бензина.

В конце такта сжатия, когда через свечу подается искра, происходит реакция предпламенного окисления, и около запальной свечи начинается сгорание рабочей смеси, находящейся в камере сгорания двигателя. При нормальном горении скорость распространения фронта пламени составляет 25—35 м/с. Интенсивность сгора­ния возрастает при повышении температуры и давления, а также при небольшом обогащении рабочей смеси. Дальнейшее обогащение и обеднение смеси снижает скорость сгорания: в первом случае из-за не­достаточного количества кислорода в смеси, а во втором вследствие его избытка и затраты части тепла на нагревание лишних кислорода и азота.

В некоторых случаях (особенно при неправильном выборе бензина для двигателей с высокой степенью сжатия) процесс горения может резко измениться. В форсированных двигателях может возрасти темпе­ратура и давление горючей смеси, повыситься интенсив­ность сгорания. При этом резко ускоряются процессы окисления несгоревших углеводородов топлива, нормальный процесс сгорания нарушается и может перейти во взрывной, т. е. возникает детона­ционное горение. При детонации в конце фазы горения фронт пламени распространяется с очень вы­сокой скоростью (1500—2000 м/с).

Поскольку пространство камеры сгорания невелико, упругие детонационные волны многократно ударяются и отражаются от стенок камеры, что вызывает харак­терный для детонации  металлический стук (звон). Отражающиеся ударные волны нарушают нормальный процесс сгорания, вызывают вибрацию деталей двига­теля, в результате чего значительно возрастает их износ. Выхлопные газы становятся темными, а иногда черны­ми, так как при взрывном сгорании остаются непол­ностью сгоревшие частицы топлива. Горячие газы, уда­ряясь о стенки цилиндра, повышают коэффициент теп­лопередачи и вызывают перегрев двигателя. Темпера­тура и давление оставшейся, еще не сгоревшей части рабочей смеси, сильно повышаются, что также вызывает перегрев деталей двигателя. Мощность его заметно снижается. Обычно детонация возникает в каком-нибудь одном цилиндре, но может очень быстро передаваться на другие.

Интенсивность детонации зависит от того, какая часть циклового заряда топлива перейдет во взрывное сгорание, что определяется, главным образом, химичес­ким составом углеводородов топлива, температурой и давлением сгоревших газов. Установлено, что если нор­мально сгорает 93—95 % рабочей смеси, а детонирует 5—7%, то наблюдается слабая детонация, которая обыч­но не переходит на другие цилиндры. А если со взрывом сгорает 20—25% циклового заряда, то возникает очень сильная детонация, что приводит не только к большему износу и перерасходу топлива, но и к авариям (прогар поршней, разрушение клапанов, свечей, обрыв шатуна т.д.).

Основная причина, от которой зависит возможность детонационного сгорания — химический состав бензи­на. Согласно распространенной в настоящее время так называемой перекисной теории, детонация возникает в результате образования в топливе большого количест­ва нестойких, легковзрывающихся кислородных соеди­нений, которые разлагаются в последней фазе горения и выделяют атомарный кислород, вызывающий взрыв­ное сгорание топлива. Если детонационная стойкость бензина низкая, т.е. в нем содержится много легкоокисляющихся углеводородов, то процесс образования про­дуктов окисления (перекиси, гидроперекиси) идет очень бурно и возникает детонация, особенно если такой бен­зин подавать в двигатель с повышенной степенью сжа­тия. При высокой детонационной стойкости, когда в бензине много устойчивых трудноокисляющихся углево­дородов, кислородосодержащие вещества образуются медленно и в неболь­шом количестве. В результате к концу сгорания цикло­вого заряда их недостаточно для возникновения дето­нации даже при высоких степенях сжатия. Следователь­но, если марка бензина подобрана правильно, то дето­нации не будет при любом режиме работы двигателя.

Кроме химического состава топлива, конструктивных особенностей двигателя, главным образом степени сжа­тия, на возникновение детонации некоторое влияние оказывают условия эксплуатации. Так, сгорание топлива при значении а, близком единице, способствует возни­кновению детонации. В случае же обогащения горючей смеси концентрация кислорода снижается, его стано­вится недостаточно для образования перекисных соеди­нений. Обеднение смеси вызывает снижение температуры и скорости горения, тепло расходуется на нагревание избыточного воздуха, склонность к детонации умень­шается.

Распространенный прием снижения детонации — уменьшение угла опережения зажигания. При этом сокращается время на подготовку горючей смеси к воспламенению, а сгорание и образование кислородосодержащих веществ происходит быстрее. Увеличение часто­ты вращения коленчатого вала также снижает склонность к детонации, так как сокращается продолжительность цикла. Если прикрыть дроссельную заслонку, то умень­шится порция подаваемой горючей смеси, что также несколько снизит детонацию. Летом, особенно в южных районах, когда в двигатель поступает теплый воздух, склонность к детонации больше, поэтому двигатель не­обходимо хорошо охлаждать. В холодное время года склонность к детонации снижается. Если в двигатель поступает влажный воздух, то часть тепла затрачивается на испарение воды, и детонация уменьшается. Следова­тельно, все те причины, которые способствуют повыше­нию давления и температуры в цилиндре двигателя, увеличивают склонность, к возникновению детонации и наоборот.

Изменяя условия эксплуатации двигателя, можно лишь незначительно снизить детонацию, но полностью ликвидировать ее нельзя. Избежать возникновения де­тонации можно только при правильном подборе бензина для каждого типа двигателя.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости