Время сгорания топлива в цилиндре (5 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.

Читайте также: Два цилиндра с равными объемами могут иметь неравные радиусы

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.

Читайте также: Рабочий цилиндр сцепления опель мокка

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

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

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

Видео:Смесеобразование и сгорание в цилиндре двигателя, 1982Скачать

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).

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».

Читайте также: Пропала компрессия в нескольких цилиндрах

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.

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.

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.

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