Время сгорания бензина в цилиндре (4 видео)

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

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.

Видео:Смесеобразование и сгорание в цилиндре двигателя, 1982Скачать

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.

Читайте также: Все для гидро цилиндров

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.

Видео:Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать

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.

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.

Читайте также: Как помыть блок цилиндров при капитальном ремонте

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.

Видео:Горение бензина в цилиндреСкачать

Процесс сгорания топлива

Для обеспечения сгорания в двигателе внутреннего сгорания небольшое количество топлива смешивается с поступающим воздухом. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не может сжигать без остатка все топливо, которое он использует. Вследствие этого двигатель выпускает побочные продукты сгорания в виде отработавших газов. Некоторые из этих побочных продуктов вредны и загрязняют воздух. Борясь с этой проблемой, изготовители автомобилей разработали так называемые устройства понижения токсичности выхлопа, которые ограничивают выброс этих вредных веществ или полностью устраняют его.

Сгорание

В процессе сгорания происходят несколько химических реакций. Одни соединения разрушаются, а новые соединения образуются. Управление процессом сгорания — это ключ к управлению всей работой и токсичностью выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

Для процесса сгорания требуются три элемента:

1. Воздух
2. Топливо
3. Искра зажигания

Эти три элемента иногда упоминаются как «триада сгорания». Если один элемент триады отсутствует, сгорание невозможно. Двигатель внутреннего сгорания рассчитывается на объединение этих трех элементов, поддерживая полный контроль над процессом.

Воздух состоит из атомов азота (N), кислорода (О ) и других газов. Большую часть воздуха составляет азот, являющийся инертным, негорючим газом. Воздух не горит, но в нем содержится достаточное количество кислорода, что позволяет поддерживать сгорание.

Топливо

Бензин состоит из углеводородов, которые образуются в результате переработки сырой нефти. Углеводороды состоят из атомов водорода (Н) и углерода (С). В бензин добавляются различные химикаты, типа ингибиторов коррозии, красителей и очищающих средств. Эти химикаты называются присадками.
Тепло и давление, присутствующие в двигателе внутреннего сгорания, могут заставить бензин, находящийся в камере сгорания, воспламениться раньше, чем генерируется искра зажигания. Это называется преждевременным воспламенением и более подробно описывается дальше. Октановое число бензина указывает на то, насколько хорошо он противостоит преждевременному воспламенению. Дополнительная очистка может способствовать увеличению октанового числа.
В настоящее время в регионах с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения воздуха используется тип топлива, называемый улучшенным бензином (подвергнутым реформингу) (RFG). Такой бензин имеет специальные присадки, называемые окислителями, которые улучшают сгорание, увеличивают октановое число и уменьшают токсичность выхлопа.

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо поступают в камеру сгорания, и затем генерируется искра зажигания, вызывающая сгорание. Перед зажиганием воздушно-топливной смеси двигатель нагревается и сжимает смесь. Нагревание помогает процессу смесеобразования, а сжатие увеличивает энергию, генерируемую при сгорании.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и инициированию вращения коленчатого вала.
После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).

Видео:Система смазки автомобильного двигателя.Скачать

Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания выражается формулой:

топливо + кислород = вода и двуокись углерода

Абсолютно эффективный двигатель внутреннего сгорания на выпуске имел бы только воду (Н О) и двуокись углерода (СО ), что соответствует Данной выше химической формуле. Это означало бы, что все углеводороды в процессе сгорания разложились. К сожалению, дело обстоит не так.

Неэффективное сгорание -это главная причина наличия вредных веществ в выхлопе автомобиля. Эффективное сгорание ведет к наименьшей токсичности выхлопа. Эффективность сгорания увеличивается посредством корректировки соотношения «воздух/топливо».

Инженеры-автомобилестроители определили, что токсичность выхлопа автомобиля можно уменьшить, если бензиновый двигатель работает с соотношением «воздух/топливо», равным 14.7:1. Технический термин известен как «стехиометрическое соотношение». Стехиометрическое соотношение означает химически правильную воздушно-топливную смесь, которая производит желаемую химическую реакцию, входе которой происходит полное сгорание топлива с желаемой токсичностью выхлопа.
Соотношение «воздух/топливо» 14.7:1 обеспечивает наилучшее управление всеми тремя компонентами (углеводороды, одноокись углерода и оксиды азота) при выпуске почти во всех условиях. Соотношение «воздух/топливо» также увеличивает эффективность каталитического нейтрализатора, который является частью системы выпуска автомобиля.

Читайте также: Цилиндр выдвижения стрелы тадано z503

Бедная воздушно-топливная смесь

Обеднение воздушно-топливной смеси обычно вызывается неисправностью в двигателе. Обеднение — это состояние, когда двигатель получает слишком много воздуха или кислорода. Причиной слишком высокого уровня кислорода могут стать утечки вакуума или неисправная система подачи топлива.

Богатая воздушно-топливная смесь

Богатая воздушно-топливная смесь — это также указание на неисправность двигателя. Обогащение — это состояние, когда двигатель не может сжечь все топливо, которое вошло в камеры сгорания. Состояние обогащения может возникать в результате высокого давления топлива, проблем с опережением зажигания или низкой компрессии.

Видео:Принцип работы двигателя. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3DСкачать

Имеются два типа аномального сгорания, которое может происходить в двигателе: детонация и преждевременное воспламенение.
Детонация — это неустойчивый процесс горения, который может вызывать неисправность прокладки головки цилиндров, а также и другие повреждения двигателя. Детонация возникает, когда в камере сгорания наблюдается перегрев и повышенное давление. Когда это происходит, создается взрывная сила, которая инициирует резкий рост давления в цилиндрах, сопровождаемый сильным металлическим стуком. Ударные волны, похожие на удары молотка, генерируемые при детонации, подвергают прокладку головки цилиндров, поршень, кольца, свечу зажигания и подшипники шатуна серьезным перегрузкам.
Преждевременное воспламенение — это другое аномальное состояние горения, которое иногда путают с детонацией. Преждевременное воспламенение имеет место, когда какая-либо точка в камере сгорания становится настолько горячей, что становится источником зажигания и заставляет топливо воспламеняться до генерирования искры зажигания. Оно может сделать свой вклад в детонацию или даже стать ее причиной.
Вместо воспламенения топлива в правильный момент времени, чтобы дать коленчатому валу плавный толчок в требуемом направлении, топливо загорается преждевременно. Это вызывает мгновенный обратный удар в тот момент, когда поршень пытается повернуть коленчатый вал в неправильном направлении. Этот удар вследствие напряжений, которые он создает, может быть очень разрушительным. Кроме того, преждевременное воспламенение может локализовать тепло до такой степени, что оно может частично проплавить или прожечь отверстие в головке поршня.

Стехиометрическая воздушно-топливная смесь обеспечивает наилучший компромисс между динамическими характеристиками, экономичностью и токсичностью выхлопа.
При богатой воздушно-топливной смеси все топливо не сгорает. Поэтому увеличивается уровень выделений углеводородов и одноокиси углерода. Бедная воздушно-топливная смесь может при сгорании генерировать повышенное количество тепла. Поэтому увеличивается содержание оксидов азота. Чрезмерно обедненная воздушно-топливная смесь в результате приводит к пропускам воспламенения. Это увеличивает выделения углеводородов.
Каталитические нейтрализаторы, которые химически нейтрализуют токсичные отработавшие газы, наиболее эффективны в очень узком диапазоне, близком к стехиометрическому соотношению.

Побочные продукты сгорания

Поскольку двигатель внутреннего сгорания не имеет абсолютной эффективности, в процессе сгорания генерируются три нежелательных побочных продукта:
1. Углеводороды (НС)
2. Одноокись углерода (СО)
3. Оксиды азота (N0 X )

Неполное сгорание вызывает выделение углеводорода и одноокиси углерода. Выделения углеводорода — это углеводороды, которые не разрушились в процессе сгорания. Одноокись углерода образуется, потому что не имеется достаточного количества атомов кислорода, чтобы связать углерод.

В идеальном случае азот должен проходить камеру сгорания неизменным. Но когда температура в камере сгорания достигает приблизительно 1 371 °С (2 500 °F), атомы азота и кислорода связываются, образуя (N0 X )

Химическая формула процесса сгорания, при котором образуются оксиды азота выглядит следующим образом:

НС + О2 + N2 = Н2 О + СО + N0x

Формула «NO » используется для оксидов азота, потому что OHci отражает комбинацию атома азота и любого количества атомов кислорода. Например, оксид азота (N0) состоит из одного атома азота и одного атома кислорода, в то время как двуокись азота (N0 ) состоит из одного атома азота и двух атомов кислорода.

Высокое содержание НС может быть вызвано недостаточной эффективностью системы зажигания, неправильным опережением зажигания или неправильными фазами газораспределения, протечками вакуума, попаданием масла или низкой степенью сжатия. Доля углеводородов измеряется в количестве частиц на миллион.

Видео:Забудьте всё что слышали про бензин! Это прорыв! Двигатель на нагретом бензопаре!Скачать

Высокое содержание СО может быть вызвано такими факторами, как:
• Чрезмерно богатая воздушно-топливная смесь
• Загрязнение воздушного фильтра
• Выход из строя клапана PCV
• Загрязнение топлива маслом
• Заедание или протечки в топливной форсунке
На исправном автомобиле с каталитическим нейтрализатором выделение одноокиси углерода обычно приближается к нулю. Содержание одноокиси углерода измеряется в процентах от полного объема в воздухе.

NOx генерируются при высокой температуре горения (выше приблизительно 1 371 °С (2 500 °F)) и обычно образуются, если температура горения не контролируется. Содержание оксидов азота измеряется в количестве частиц на миллион.

Так же рекомендуем прочитать Вам интересную статью Кузовные детали