Бензинового двигателя

Рабочий процесс двигателя с искровым зажиганием, как и всех двигателей внутреннего сгорания, слагается из процессов образования горючей смеси, впуска её в цилиндр, сжатия, воспламенения и сгорания горючего. При сгорании горючего выделяется тепловая энергия, преобразуемая двигателем в механическую работу. Горючая смесь в поршневых двигателях с искровым зажиганием образуется либо в специальном приборе – карбюраторе, либо непосредственно в цилиндре двигателя, куда воздух и горючее подаются раздельно (распределённое впрыскивание). По условиям смесеобразования центральное впрыскивание (во впускной коллектор) незначительно отличается от карбюризации смеси. Соответственно различают карбюраторные двигатели и двигатели с впрыском топлива. Последние получают всё большее распространение, хотя карбюраторных двигателей очень много в эксплуатации и их продолжают выпускать.

Испарение бензина и образование горючей смеси в карбюраторном двигателе происходит в воздушном потоке на пути от карбюратора до цилиндра и завершается в цилиндре двигателя.

Скорость воздушного потока в диффузоре карбюратора составляет 40–150 м/с и в 20–30 раз превышает скорость струи подсасываемого топлива. В воздушном потоке струя горючего разбивается на капельки диаметром 0,1–0,2 мм. Но это только начальный этап смесеобразования. Воспламеняется не капельно-воздушная смесь, а паровоздушная. Иначе энергии искрового разряда будет недостаточно для надёжного воспламенения.

Постепенно скорость капель увеличивается до скорости паровоздушного потока, при этом процесс их испарения замедляется. Некоторая часть капель может попасть в цилиндры двигателя, где под действием высокой температуры испарение завершается.

Часть капель при выходе из диффузора карбюратора оседает на стенках трубопровода и образует плёнку жидкого топлива. Паровоздушный поток сдвигает плёнку по стенкам в направлении цилиндров двигателя. Скорость перемещения плёнки жидкого топлива в 50–60 раз меньше скорости паровоздушной смеси. В этих условиях происходит интенсивное испарение топлива с поверхности плёнки. Для интенсификации этого процесса впускной трубопровод на некоторых двигателях специально подогревают.

Образование жидкой плёнки приводит к неравномерному распределению смеси по цилиндрам двигателя, особенно на переменных режимах работы.

Различают количественную и качественную неравномерность.

Количественная неравномерность горючей смеси характеризуется различными коэффициентами избытка воздуха в цилиндрах двигателя.

Качественная неравномерность характеризуется различным содержанием отдельных фракций бензина и присадок в горючей смеси, поступающей в разные цилиндры двигателя. Бензин является смесью различных углеводородов, поэтому по мере испарения лёгких фракций жидкая фаза (плёнка) обогащается более тяжёлыми углеводородами. Это явление фракционирования топлива происходит в процессе подготовки горючей смеси во впускном коллекторе. В цилиндрах, куда поступает больше паровоздушной фазы, будет повышенное содержание лёгких фракций бензина. В тех цилиндрах, куда больше поступает жидкой фазы, будет больше тяжёлых фракций.

Испарение присадок, содержащихся в бензине, происходит одновременно с фракциями бензина, близкими по испаряемости к присадке. Следовательно, неравномерность распределения фракций по цилиндрам ведёт к неравномерному распределению и присадок. Особенно это явление заметно при распределении по цилиндрам двигателя антидетонационных присадок.

Установлено, что качество и равномерность распределения смеси по цилиндрам зависят от следующих факторов:

– давления насыщенных паров;

– фракционного состава бензина;

– скрытой теплоты испарения;

– коэффициента диффузии паров;

– вязкости;

– поверхностного натяжения;

– теплоёмкости;

– плотности;

– скорости и температуры воздуха;

– степени разрежения в диффузоре;

– количества поступающего тепла;

– режима работы двигателя.

При образовании горючей смеси тепло, необходимое для испарения топлива, отнимается от воздуха. При этом температура воздуха, а следовательно, и горючей смеси может понизиться настолько, что произойдёт конденсация и последующее замерзание атмосферной влаги, т. е. произойдёт так называемое обледенение карбюратора. Образование льда в основном наблюдается на дроссельной заслонке и внутренних стенках диффузора карбюратора. Обледенение усиливается при увеличении влажности воздуха. Определяющими факторами образования льда являются соотношение топлива с воздухом, теплоёмкость, скрытая теплота испарения топлива и температура воздуха.

При сильном обледенении карбюратора двигатель может остановиться. Через некоторое время лёд от тепла двигателя тает, двигатель запускается и устойчиво работает, вызывая удивление неопытных водителей.

Обледенение устраняют добавлением к бензинам антиобледенительных присадок. Присадки либо растворяют воду, образуя с ней низкозамерзающие смеси (спирты, гликоли и др.), либо образуют оболочку на частицах льда, препятствуя их росту и оседанию на стенках карбюратора (поверхностно-активные вещества).

Условия испарения улучшают путём подогрева горючей смеси или забором горячего воздуха от выпускного коллектора. Но нужно иметь в виду, что при повышенных температурах горючей смеси коэффициент наполнения цилиндров снижается и мощность двигателя падает.

При непосредственном впрыске бензин подаётся под давлением через форсунку. Объём подаваемого топлива зависит от многих факторов, определяемых датчиками. Это такие факторы, как температура и количество подаваемого в цилиндры воздуха, температура охлаждающей жидкости, частота вращения и положение коленчатого вала, количество кислорода в отработавших газах и др. Вся эта информация обрабатывается электронным блоком управления, который и определяет продолжительность открытия электромагнитного клапана форсунки.

Впрыск осуществляется чаще всего в зону впускного клапана. Бензин подхватывается потоком воздуха и поступает в цилиндры. У клапана форсунки, для обеспечения тонкости распыла (уменьшения диаметра капель), имеется распыливающий наконечник.

При непосредственном впрыске на испарение горючего отводится гораздо меньшее время, чем в случае карбюрации (0,01–0,02 с). Условиями, ускоряющими испарение, в этом случае являются усиленное вихревое движение воздуха и высокая температура внутри цилиндра. При этом способе образования горючей смеси достигается большая равномерность распределения бензина по цилиндрам двигателя. При точной регулировке усилия сжатия пружин электромагнитных клапанов форсунок разных цилиндров эту неравномерность можно вообще свести к минимуму.

Кроме того, увеличивается коэффициент наполнения, а отсюда и литровая мощность двигателя. При увеличенной мощности, для поддержания рабочего режима двигателя, необходимо меньше подавать в цилиндры бензина, т. е. экономичность двигателя повышается.

Топливные системы с впрыском бензина находят широкое применение, несмотря на имеющиеся недостатки:

– усложнение конструкции;

– избыточное давление, требующее прецизионного изготовления деталей и узлов;

– усложнение обслуживания и ремонта с применением диагностического оборудования;

– невозможность ремонта в полевых условиях.

Интерес к двигателям с впрыском топлива определяется ещё и попытками создания многотопливного двигателя на базе двигателя с воспламенением от искры [4].

Горючая смесь смешивается в цилиндрах двигателя с оставшимися от прошлого цикла продуктами сгорания, сжимается и в конце такта сжатия поджигается. В подавляющем большинстве двигателей для поджигания смеси используется система электроискрового зажигания.

Время, отводимое на процессы смесеобразования, зависит от частоты вращения коленчатого вала и угла опережения зажигания.

При зажигании электрической искрой смесь в зоне разряда нагревается практически мгновенно до температуры, намного превышающей температуру воспламенения.

Скорости химических реакций в зоне искрового разряда достигают огромных величин и приобретают самоускоряющийся характер, завершающийся возникновением пламени. После прекращения разряда между электродами свечи зажигания скорость реакций устанавливается до значений, отвечающих условиям горения данной смеси во фронте пламени.

Наполнение цилиндров смесью происходит с большими скоростями. Возникает сильное вихревое движение, которое частично сохраняется и в такте сжатия. В этих условиях горение носит турбулентный характер. Нормальная скорость распространения фронта пламени составляет 10–60 м/с. Турбулентность горючей смеси, а, следовательно, и скорость распространения фронта пламени увеличиваются с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Возрастает скорость распространения фронта пламени также при повышении давления и температуры смеси. Эти два фактора увеличиваются при повышении степени сжатия и применении наддува, т. е. не засасывании воздуха (смеси) в цилиндры под действием разрежения, создаваемого при движении поршней вниз, а нагнетании под избыточным давлением.

Скорость распространения фронта пламени зависит и от коэффициента избытка воздуха. Максимальное значение скорости соответствует значениям = 0,9. При обогащении рабочей смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается вследствие недостатка кислорода, а при обеднении – вследствие увеличения расхода тепла на нагревание избыточного количества воздуха.

Принято считать, что в условиях двигателя значения коэффициента избытка воздуха равны: для верхнего предела воспламенения бензовоздушной смеси – 0,4–0,5 и для нижнего – 1,3–1,4. Вместе с этим с точки зрения процессов смесеобразования и горения топлива необходимо обеспечить возможно более высокую температуру горючей смеси, что, с одной стороны, улучшит испарение топлива, а с другой – расширит концентрационные пределы воспламенения горючей смеси (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Зависимость воспламеняемости бензиновоздушной

смеси от температуры (Р = 0,1 МПа)

Расширение концентрационных пределов воспламенения создаёт предпосылки для обеспечения устойчивой работы двигателя на обеднённых смесях.

Сгорание топливовоздушной смеси может быть условно разделено на три фазы:

1 – начальная фаза, начинающаяся с момента возникновения искрового разряда и продолжающаяся до начала ощутимого роста давления в результате сгорания;

2 – нарастание скорости распространения фронта пламени до 10–60 м/с и горение с этой скоростью;

3 – при снижении давления в камере. Основная масса горючего уже сгорела, поршень движется вниз. Под действием турбулентных пульсаций фронт пламени искривляется и распадается на отдельные очаги. Время догорания в очагах зависит от состава смеси и скорости распространения пламени.

Количество смеси, догорающей в третьей фазе, определяет эффективность рабочего процесса, максимальную мощность и экономичность двигателя, так как при теоретическом рабочем цикле двигателя предполагается сгорание всей смеси вблизи верхней мёртвой точки. Отсюда – чем выше скорость сгорания, тем большую мощность будет развивать двигатель при одинаковом расходе горючего, так как рабочий цикл двигателя будет приближаться к теоретическому.

Всё вышеизложенное характеризует процесс нормального сгорания горючего в двигателе. Нормальное сгорание – сгорание горючего в двигателе, при котором распространение фронта пламени по объёму камеры сгорания является следствием передачи тепла путём теплопроводности и лучеиспускания. При нормальном сгорании горючего скорость распространения фронта пламени относительно невелика и не превышает 60 м/с.

При некоторых режимах работы двигателя, особенно связанных с большой нагрузкой или при использовании горючего, качество которого не полностью отвечает условиям нормального сгорания, может возникнуть так называемое детонационное сгорание.

Детонационное сгорание – взрывообразное сгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя, при котором скорость распространения фронта пламени достигает 1500–2500 м/с.

Признаки детонационного сгорания:

– характерный звонкий металлический стук;

– дымность выхлопа отработавших газов повышена;

– повышение температуры двигателя;

– падение мощности.

Причины детонационного сгорания.

Согласно современным представлениям, в рабочей смеси в тактах впуска и сжатия развиваются предпламенные химические реакции окисления с образованием активных промежуточных продуктов. Глубина и скорость этих реакций возрастает с повышением степени сжатия, т. е. с повышением температуры и давления в камере сгорания. По мере сгорания смеси температура и давление быстро нарастают, что способствует дальнейшей интенсификации реакций окислена в ещё не сгоревшей части смеси. На последние несгоревшие части смеси температура и давление действуют наиболее интенсивно. В них особенно быстро накапливаются активные промежуточные продукты окисления (перекиси углеводородов), приводящие в дальнейшем к самовоспламенению и детонационному сгоранию несгоревших продуктов смеси. Одновременно с новым фронтом пламени возникает новая ударная волна. Распространяясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, она ускоряет само-воспламенение смеси. При этом скорость распространения нового фронта пламени в оставшейся части смеси становится такой же, как и скорость распространения ударных волн. Появляется детонационная волна сгорания, представляющая собой распространение механической ударной волны и фронта пламени со скоростью 1500–2500 м/с.

Металлический стук в цилиндрах двигателя при работе с детонацией является результатом многократных периодических отражений ударных волн от стенок камеры сгорания. При этом на индикаторных диаграммах в конце сгорания регистрируются вибрации давления в виде ряда затухающих пиков (рис. 2.2).

В результате большой скорости и взрывного характера детонационного сгорания часть горючего и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается» по объёму камеры, перемешивается с конечными продуктами сгорания и не успевает полностью сгореть. Выхлоп становится дымным, мощность и экономичность двигателя падают.

Повышается отдача тепла от сгоревших газов стенкам камеры сгорания и днищу поршня из-за более высоких температур в детонационной волне и из-за срыва пограничного слоя более холодного газа с поверхности металла. Всё это приводит к перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгорания и днища поршня.

Рис. 2.2. Развёрнутая индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя:

1 – нормальное сгорание; 2 – детонационное сгорание;

3 – Р – давление в цилиндре; – угол поворота коленчатого вала.

Последствия детонационного сгорания

Одновременно с перегревом ударные волны при своём многократном отражении от стенок могут механически удалять масляную плёнку с поверхности гильзы цилиндра, что приводит к увеличению износа цилиндров и колец (табл. 2.1.)[6].

Таблица 2.1.

Износ цилиндров двигателя ЗМЗ – 53, мкм

Вибрационные нагрузки на поршень могут вызвать повышенный износ шатунных и коренных подшипников. Поэтому при длительной работе двигателя с детонацией, даже в тех случаях, когда не наблюдается аварийных разрушений, происходит уменьшение его ресурса работы в 1,5–3 раза.