Верхняя Мертвая Точка (Процессы Горения)|АвтоЦентр

menu
person

Верхняя Мертвая Точка (Процессы Горения)

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 40-60° 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 = 20-22), то максимальное давление при сгорании также выше и достигает 5,5-10 МПа. При этом температура газов в цилиндре меньше и, как правило, не превышает 2000+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.

При сгорании коэффициент избытка воздуха а смеси для бензиновых двигателей традиционных конструкций должен находиться в интервале от 0,70-0,75 до 1,05-1,5 в зависимости от режимов работы двигателя. Для этого система питания двигателя должна строго дозировать топливо.

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 CnHm (СН). На некоторых режимах продукты сгорания содержат также повышенное количество оксидов азота NOx, 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, NOx 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 15-5-20%. 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 внутрипоршневого 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.

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 - депо очень ответственное, долгое и кропотливое.

В эксплуатациии 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 (ALFA-ROMEO, 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 сгорания и днища поршня. 

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.

Мы будем рады если Вы ответите на вопрос: "Помогла ли Вам статья?"
0       0
Категория: Бензиновый и дизельный двигатель | Добавил: autodromcar (30.03.2020)
Просмотров: 68 | Теги: сгорание, двигатель, Камера, Поршень, детонация, температура, тепло, цилиндр, кольцо, давление | Рейтинг: 0.0/0

Похожие материалы Похожие материалы

Всего комментариев: 0
avatar