Давление в цилиндре бензинового двигателя при сгорании топлива (6 видео)

Видео:Как горит топливо в цилиндре дизеляСкачать

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 C_nH_m (СН). На некоторых режимах продукты сгорания содержат также повышенное количество оксидов азота NO_x, 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, NO_x 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 80-85 0 С) за счет схемы и конструкции системы охлаждения двигателя.

У двигателей с впрыском топлива температура топливо-воздушной смеси на входе в цилиндр обычно меньше, чем у карбюраторных 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.

Читайте также: Блок цилиндров иж планета

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.

Видео:Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать

Давление в цилиндре бензинового двигателя при сгорании топлива

Положение характерных точек и участков графика давления в цилиндре бензинового двигателя внутреннего сгорания позволяет определить взаимное положение коленчатого и газораспределительных валов, а измерение и сравнение значений абсолютного давления в цилиндре в некоторых характерных точках позволяет определить состояние уплотнений диагностируемого цилиндра. Для наглядности, характерные точки и участки приведённых графиков давления в цилиндре отмечены буквами.

График давления в цилиндре и его характерные точки и участки прогретого до рабочей температуры исправного четырёхтактного четырёхцилиндрового бензинового двигателя, работающего на холостом ходу.

Тот же график, но с увеличенным усилением для лучшей наглядности участков выпуска отработавших газов и всасывания рабочей смеси.

В вершине графика (точка A) давление в цилиндре достигает своего максимума. Иногда это давление называют динамической компрессией. В этот момент поршень находится на самом близком расстоянии от головки блока цилиндров. Такое положение поршня называют Верхняя Мёртвая Точка (ВМТ). Момент, когда поршень находится в ВМТ и при этом впускные и выпускные клапаны закрыты, отмечают как ВМТ 0° или 0°.

Давление в точке A возникает в результате сжатия смеси в цилиндре (или в результате сжатия воздуха в цилиндре при проведении диагностики механической части двигателя по графику давления в цилиндре; далее по тексту смеси) начиная с момента закрытия впускного клапана (точка L) до момента достижения поршнем ВМТ 0° (точка A). Значение давления в цилиндре в точке A может значительно изменяться и зависит от степени сжатия диагностируемого цилиндра, состояния уплотнений диагностируемого цилиндра, частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества сжимаемой в диагностируемом цилиндре смеси.

1) Степень сжатия смеси в цилиндре.

Степень сжатия определяется конструкцией цилиндра — рабочий объём цилиндра и объём камеры сгорания. Степень сжатия фактически показывает во сколько раз полный объём цилиндра (сумма рабочего объёма и объёма камеры сгорания) больше объёма камеры сгорания. Рабочий объём цилиндра в период эксплуатации двигателя практически не изменяется. Объём камеры сгорания в период эксплуатации двигателя может уменьшиться из-за отложения нагара на поверхности камеры сгорания и на дне поршня. Следствием уменьшения объёма камеры сгорания является увеличение степени сжатия. Таким образом, в период эксплуатации двигателя, степень сжатия может измениться.

Чем больше степень сжатия в диагностируемом цилиндре — тем больше значение давления в цилиндре в точке A.

Качество уплотнения внутренней полости цилиндра определяется состоянием компрессионных колец, состоянием зеркала цилиндра, плотностью закрытия впускных и выпускных клапанов, целостностью прокладки головки блока цилиндров, целостностью стенки цилиндра, головки блока цилиндров и поршня.

В период эксплуатации двигателя качество уплотнений может ухудшаться вследствие износа или разрушений перечисленных элементов. Вследствие негерметичности уплотнений, часть смеси при сжатии выдавливается из цилиндра через уплотнения.

С ухудшением качества уплотнений диагностируемого цилиндра, значение давления в цилиндре в точке A уменьшается.

Количество просочившихся через уплотнения газов зависит от длительности воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре, а длительность воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. С увеличением частоты вращения двигателя, длительность воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре уменьшается, вследствие чего количество просочившихся через уплотнения газов так же уменьшается. А чем меньше утечки смеси из цилиндра, тем больше значение давления в цилиндре в точке A.

3) Количество смеси в цилиндре в момент закрытия впускного клапана.

Количество смеси в цилиндре зависит от момента закрытия впускного клапана и от значения абсолютного давления во впускном коллекторе. Момент закрытия впускного клапана определяется работой системы газораспределения. При условии, что педаль акселератора не нажата (двигатель работает на холостом ходу), значение абсолютного давления во впускном коллекторе зависит от положения исполнительного механизма регулирования частоты вращения двигателя на холостом ходу (далее по тексту клапана холостого хода). Когда двигатель работает на холостом ходу, значение абсолютного давления во впускном коллекторе ниже атмосферного давления на 0,6…0,7 Bar — то есть, воздух во впускном коллекторе разрежён. С увеличением степени открытия клапана холостого хода, значение абсолютного давления во впускном коллекторе увеличивается (разрежение во впускном коллекторе уменьшается).

Чем больше абсолютное давление во впускном коллекторе, тем большее количество смеси окажется в цилиндре в момент закрытия впускного клапана, а чем большее количество смеси будет сжиматься в цилиндре, тем большего значения достигнет давление в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше степень открытия клапана холостого хода, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

Степень открытия клапана холостого хода в свою очередь зависит в основном от нагрузки на коленчатый вал двигателя, температуры охлаждающей жидкости, соотношения количества работающих и неработающих цилиндров, угла опережения зажигания и состава сжигаемой в работающих цилиндрах топливовоздушной смеси.

а) Нагрузка на коленчатый вал двигателя.

Блок управления двигателем изменяет положение клапана холостого хода так, чтобы частота вращения двигателя была равна заданной частоте вращения на холостом ходу. С увеличением нагрузки на коленчатый вал двигателя (работает насос гидроусилителя рулевого управления в момент вращения рулевого колеса, включены мощные электрические потребители) для поддержания заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу, клапан холостого хода приоткрывается. Это вызывает увеличение абсолютного давления во впускном коллекторе, что в свою очередь приводит к увеличению количества смеси сжимаемой в цилиндре и к увеличению значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, чем выше нагрузка на коленчатый вал двигателя, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

б) Температура охлаждающей жидкости.

Заданная частота вращения двигателя на холостом ходу зависит от температуры охлаждающей жидкости — чем температура ниже, тем заданная частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу выше. Для обеспечения повышенной частоты вращения двигателя на холостом ходу при низкой температуре охлаждающей жидкости, блок управления двигателем приоткрывает клапан холостого хода. Это вызывает увеличение абсолютного давления во впускном коллекторе, что в свою очередь приводит к увеличению количества смеси сжимаемой в цилиндре и к увеличению значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, чем ниже температура охлаждающей жидкости, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

в) Количество работающих и неработающих цилиндров.

Для получения графика давления в цилиндре, датчик давления в цилиндре должен быть установлен на место свечи зажигания диагностируемого цилиндра. Высоковольтный провод диагностируемого цилиндра должен быть подключен к искровому разряднику. Разъём электромагнитной бензиновой форсунки диагностируемого цилиндра по возможности должен быть отключен от форсунки и подключен к резистору номиналом 100 ?. Таким образом, диагностируемый цилиндр оказывается отключенным и воспламенение в диагностируемом цилиндре не происходит.

Так как один из цилиндров уже не работает, для обеспечения заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу, клапан холостого хода приоткрывается, увеличивая нагрузку на работающие цилиндры — происходит перенос и распределение нагрузки с неработающего цилиндра на работающие цилиндры. Степень увеличения нагрузки на работающие цилиндры зависит от соотношения количества работающих и количества неработающих цилиндров. Например, при отключении одного из цилиндров четырёхцилиндрового двигателя, нагрузка на каждый из работающих цилиндров (нагрузка на три работающих цилиндра) увеличивается на

33%. Если же диагностируемый двигатель, к примеру, восьмицилиндровый, то при отключении одного из его цилиндров, нагрузка на каждый из семи работающих цилиндра увеличивается только на

В случае если кроме диагностируемого цилиндра отключен или по какой-либо причине не работает ещё один цилиндр, то нагрузка на работающие цилиндры возрастает ещё больше. Так, например, если при проведении диагностики работают только два цилиндра четырёхцилиндрового двигателя, то нагрузка на работающие два цилиндра оказывается увеличенной на

Увеличение нагрузки на работающие цилиндры двигателя осуществляется блоком управления путём увеличения степени открытия клапана холостого, что и обеспечивает поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу. При этом, абсолютное давление во впускном коллекторе увеличивается и как следствие — увеличивается количество сжимаемой в цилиндре смеси. А с увеличением количества смеси сжимаемой в цилиндре, увеличивается значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, значение давления в цилиндре в точке A зависит от соотношения количества работающих и неработающих цилиндров. Чем больше цилиндров двигателя не работает, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

г) Угол опережения зажигания.

С увеличением угла опережения зажигания эффективность работы каждого из работающих цилиндров увеличивается. За счёт этого, для поддержания заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу при более раннем угле опережения зажигания требуется сжигание меньшего количества топливовоздушной смеси чем при более позднем угле опережения зажигания. С увеличением угла опережения зажигания, блок управления двигателем уменьшает количество сжигаемой топливовоздушной смеси путём закрытия клапана холостого хода, что обеспечивает поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу. С закрытием клапана холостого хода абсолютное давление во впускном коллекторе уменьшается и как следствие — уменьшается количество смеси сжимаемой в цилиндре. А с уменьшением количества смеси сжимаемой в цилиндре, уменьшается значения давления в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше угол опережения зажигания рабочей смеси в работающих цилиндрах, тем ниже значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

д) Состав топливовоздушной смеси.

Эффективность работы двигателя так же сильно зависит и от состава топливовоздушной смеси. Чем ближе состав топливовоздушной смеси к стехиометрическому, тем лучше эффективность сгорания такой смеси и как следствие — выше эффективность двигателя, работающего на такой смеси. Стехиометрической называют топливовоздушную смесь такого состава, при сгорании которой в отработавших газах остаётся минимальное количество свободного кислорода и несгоревших остатков топлива. Численное значение этого соотношения для бензина равно 14,7 Kg воздуха на 1 Kg бензина.

С увеличением отклонения состава топливовоздушной смеси от стехиометрического, эффективность работы двигателя ухудшается. Из-за ухудшения эффективности работы двигателя, для поддержания заданной частоты вращения двигателя требуется сжигание уже большего количества такой смеси. Поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу при работе на бедной или богатой топливовоздушной смеси достигается за счёт увеличения количества сжигаемой в работающих цилиндрах смеси путём открытия клапана холостого хода. Вследствие увеличения степени открытия клапана холостого хода, увеличивается абсолютное давление во впускном коллекторе, а с увеличением абсолютного давления во впускном коллекторе увеличивается количество сжимаемой в цилиндре смеси. С увеличением количества сжимаемой в цилиндре смеси, увеличивается значения давления в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше отклонение состава топливовоздушной смеси в работающих цилиндрах от стехиометрического, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.