Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир 5 страница

Самую высокую теплоту сгорания имеют смеси нормального

состава с á = 1. Обогащение рабочей смеси до á = 0,9 повышает мощ-

ность двигателя, не повышая теплоту сгорания. Увеличение мощно-

сти происходит за счет увеличения скорости горения обогащенной

смеси (рис. 3.3). Увеличения скорости горения происходит за счет то-

го, что в обогащенной смеси молекуле, а особенно атому кислорода

легче найти партнера для горения.

Обеднение рабочей

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Коэффициент избытка воздухáа

Рис. 3.3. Зависимость скорости сгорания

рабочей смеси от коэффициента избытка

воздуха

смеси до á = 1,2 приводит

к уменьшению теплоты

сгорания на 15–20 %, а

также к уменьшению

мощности, развиваемой

двигателем. Однако сни-

жение мощности менее

заметно, чем снижение

расхода топлива из-за бо-

лее полного сгорания топ-

лива и высокого коэффи-

циента полезного дейст-

вия двигателя.

Развиваемая двига-

телем мощность зависит

от характера сгорания ра-

бочей смеси. При работе

двигателя различают три вида сгорания или горения смеси: 1) нор-

мальное, 2) в результате самовоспламенения или калильного зажига-

ния и 3) детонационное.

Нормальное сгорание рабочей смеси. Такт сжатия рабочей сме-

си завершается повышением давления до 1,0–1,6 МПа и повышением

температуры до 350–380°С.

Конечное давление и соответствующая ему температура такта

сжатия зависят от конструктивных особенностей двигателя, режима

его работы и технического состояния. К конструктивным особенно-

стям, прежде всего, следует отнести степень сжатия двигателя, к ре-

жиму работы – нагрузку и частоту вращения коленчатого вала, к тех-

ническому состоянию – изношенность цилиндропоршневой группы

(компрессия). Чем выше степень сжатия, тем выше максимально воз-

можное давление и температура такта сжатия; высокие обороты дви-

гателя также способствуют росту температуры, поскольку возни-

кающая теплота не успевает рассеиваться системой охлаждения дви-

гателя, от изношенности зависит компрессия в цилиндрах двигателя.

Воспламенение смеси происходит от свечи зажигания, и пламя с

температурой 2000–2500°С распространяется со скоростью 25–30 м/с

(рис. 3.4). Такая скорость распространения пламени обеспечивает

полное сгорание топлива в цилиндре и плавное нарастание давления.

Между скоростью распространения пламени и температурой ра-

бочей смеси, а также

частотой вращения

коленчатого вала дви-

гателя существует

почти прямо пропор-

циональная зависи-

мость, обеспечиваю-

щая нормальную ра-

боту двигателя на пе-

ременных режимах.

Влияние частоты

вращения коленчатого

Рис. 3.4. Схема нормального распространения

пламени:

1 – сгоревшая смесь; 2 – фронт пламени; 3 – зона

беспламенного горения; 4 – несгоревшая смесь

вала двигателя на

скорость сгорания ра-

бочей смеси зависит

не столько от роста и

интенсифицирующей

окислительные процессы температуры, сколько от скорости рабочей

смеси во впускном тракте и вихревого движения ее в цилиндре дви-

гателя. Вихревое движение газового потока в замкнутом пространст-

ве более чем на 50 % состоящего из почти "инертного" азота способ-

ствует ускоренным контактам углеводородов с кислородом.

Самовоспламенение или калильное зажигание происходит в

том случае, когда рабочая смесь воспламеняется не только от искры,

а часть ее самопроизвольно воспламеняется от перегретых деталей

камеры сгорания: выпускного клапана, днища поршня, электродов

свечи зажигания, раскаленных (тлеющих) частиц нагара.

Возникновению самовоспламенения способствуют большое ко-

личество нагара в камере сгорания, перегрев двигателя, уменьшение

угла опережения зажигания, обеднение рабочей смеси.

ками.

Детонационное сгорание части рабочей смеси происходит со

У современных форсированных двигателей калильное зажига-

ние довольно частое явление, и сколько-нибудь заметного влияния на

работу двигателя оно не оказывает только до тех пор, пока возникает

позже искры зажигания. Характерный внешний признак наличия ка-

лильного зажигания в карбюраторном двигателе – это продолжение

лихорадочной, неравномерной, с металлическим стуком работы дви-

гателя, с очень низкой частотой вращения коленчатого вала 200–

300 мин –1 (об/мин) после выключения зажигания.

В случае появления

такого режима работы

двигателя, когда калильное

зажигание в том или ином

цилиндре возникает раньше

искры, падает мощность и

повышается износ

двигателя вплоть до

поломок кривошипно-

шатунного механизма

(эффект раннего

Рис. 3.5. Схема детонационного появления зажигания). Такая работа

пламени: 1 – сгоревшая смесь; 2 – фронт пла- двигателя обычно сопрово-

мени; 3 – зона возникновения перекисей – оча- ждается слышимыми сту-

га детонации

сверхзвуковой скоростью2 2000–2500 м/с, т.е. примерно в 100 раз бы-

стрее нормального; температура сгоревшей смеси достигает 2500–

3000°С, по существу эта часть смеси взрывается всем объемом одно-

временно, бризантно3.

Первоначальное воспламенение рабочей смеси всегда происхо-

дит от электрической искры свечи зажигания, пламя с температурой

2000–2500°С распространяется со скоростью 20–30 м/с. Нормально

Детонация – процесс химического превращения взрывчатого вещества и распро-

Бризантность – способность взрывчатого вещества производить при взрыве местное

страняющийся со сверхзвуковой скоростью (до 9 км/с) характеризуется выделением

энергии способным поддерживать высокое давление в ударной волне.

2 Скорость звука: в газах и парах от 150 до 1000 м/с; в воздухе при нормальном атмо-

сферном давлении 330 м/с; вводе 1500 м/с.

дробление твердой среды, прилегающей непосредственно к заряду.

сгорает даже при сильной детонации до 75 % (рис. 3.5), а при слабой

– 95 % рабочей смеси. В результате нормального горения в еще не-

сгоревшей части смеси 3 и 4 (см. рис. 3.4) повышается давление до

3,0–4,0 МПа, а вслед за давлением повышается и температура до 400–

450°С. По причине повышающейся температуры, по мере продвиже-

ния пламени по камере сгорания, зона беспламенного горения 3 все

время увеличивается. Внутри этой зоны все большая часть углеводо-

родов не выдерживает повышающейся температуры, и в результате

предпламенных реакций происходит окисление этих углеводородов с

образованием перекисных соединений 3 (рис. 3.5).

По предположениям, высказанным академиками А.Н. Бахом1 и

Н.Н. Семеновым2 принято считать, что при достижении определенной

концентрации весь объем перекисей взрывается со сверхзвуковой

скоростью, о чем сказано выше.

Этот взрыв является новым очагом нормального горения, на-

правленного навстречу фронту 2 нормального пламени.

От резко повысившегося давления в зоне детонационной волны

появляется новый очаг детонации, а образующаяся новая детонаци-

онная волна, в свою очередь, образует очередной новый очаг детона-

ции, и т.д. Так продолжается до тех пор, пока первоначальный фронт

нормального пламени 2 не дойдет до конца камеры сгорания.

Присоединение молекулы кислорода к углеводородам может идти:

по связи С – С в этом случае образующаяся перекись будет иметь вид

(R1 – O – O – R2)

H

C

H

O O C

H n

H

n

1 Александр Николаевич Бах (1857–1946), советский ученый, с1929 г. академик АН

СССР. С 1945 года Герой Социалистического труда. Участник революционного дви-

жения, народоволец. С 1885 по 1917 находился в эмиграции. В 1918 году организовал

физико-химический институт им. Карпова. В 1935 году организовал Институт биохи-

мии АН СССР, с 1944 года институт им. Баха. С 1937 года депутат ВС СССР. В 1926

г. присуждена премия им. В. И. Ленина, а в 1941 году премия им. И. В. Сталина.

2 Николай Николаевич Семенов (1896–1986), советский ученый в области физики и

химии. С 1932 г. академик АН СССР, дважды Герой Социалистического труда в 1966

и в 1976 г. Создал общую количественную теорию цепных реакций, Разработал тео-

рию теплового взрыва газовых смесей. Присуждены премии: в 1926 г. – Ленинская, в

1941 и в 1949 годах И. В. Сталина, в 1956 – Нобелевская.

по связи С – Н, в этом случае образуется гидроперекись вида (R1 – O – O – H)

H

C

O O H

H n

В результате детонации давление в цилиндре повышается скач-

кообразно. На такте расширения детонационная волна, отражаясь от

стенок камеры сгорания, вибрируя, затухает (рис. 3. 6).

Детонация сопровождается характерным звонким металличе-

ским стуком, возникшим вследствие вибрации днища поршня, стенок

цилиндра и камеры сгорания от ударов о них "жесткой" детонацион-

ной волны. Кроме того, у выхлопной трубы автомобиля в отработан-

ных газах можно заметить небольшое облачко черного дыма.

а) б)

Р Р

Рат Рат

V

ВМТ НМТ ВМТ НМТ

V

Рис. 3.6. Индикаторные диаграммы карбюраторного двигателя:

а – при нормальном сгорании рабочей смеси; б – при детонационном сго-

рании рабочей смеси

При детонационном сгорании двигатель перегревается, работает же-

стко и неустойчиво, мощность его падает, а расход топлива увеличивается.

Слабая детонация ведет к повышенному износу и уменьшению

срока службы двигателя. Средняя и сильная детонация приводит к

повреждению деталей двигателя, разрушаются: прокладка, днище

поршня, головка цилиндров, выхлопной клапан, прогибаются и ло-

маются шатуны, выкрашиваются коренные и шатунные подшипники.

Для появления детонации нужны: во-первых, высокая концен-

трация углеводородов в камере сгорания, поскольку только часть из

них может образовать перекиси, во-вторых, повышенная температу-

ра в еще несгоревшей части смеси (ее повышению способствует про-

гретый двигатель), в-третьих, определенный промежуток времени,

достаточный для образования перекисных соединений, который воз-

можен при низкой скорости распространения пламени, вызванной

низкими оборотами двигателя. Низкие обороты при соблюдении

первых двух условий возможны только тогда, когда двигатель рабо-

тает с высокой нагрузкой, т.е. ему предлагается работа, которую он, в

данный момент, выполнить не может и обороты падают.

При работе двигателя на холостых оборотах не будет достаточ-

ного количества углеводородов, высокой температуры в камере сго-

рания, и, следовательно, детонации не будет.

Таким образом, появление условий детонации возможно на про-

гретом двигателе, работающем с полной нагрузкой при низкой час-

тоте вращения коленчатого вала.

На появление детонации влияют: детонационная стойкость

бензина, состав рабочей смеси, режим работы и конструктивные

особенности двигателя.

Детонационная стойкость – это способность бензина проти-

востоять образованию перекисей. Детонационная стойкость оценива-

ется октановым числом, которое указывается в стандартах и техниче-

ских условиях на бензин в числе важнейших физико-химических

свойств. Оно настолько важно, что входит в маркировку бензина.

Октановое число (ОЧ) эталонного бензина равно процентному

(по объему) содержанию изооктана (С8Н18) в смеси с нормальным

гептаном (С7Н16), который по детонационной стойкости равноценен

испытуемому бензину. При этом детонационная стойкость изооктана

принята за 100, а нормального гептана – за 0 условных единиц. Эта-

лонными топливами могут быть и другие жидкие топлива, получен-

ные смешением более дешевых компонентов, но обязательно прота-

рированных по изооктану и нормальному гептану.

Октановое число определяется на моторной установке с одноци-

линдровым двигателем с переменной степенью сжатия путем срав-

нительных испытаний испытуемого бензина с эталонными топлива-

ми, октановое число которых известно.

На установке типа УИТ-85 октановое число определяется по

моторному (ОЧ/М) и исследовательскому (ОЧ/И) методам.

В обоих случаях после прогрева двигателя на испытуемом топ-

ливе моторную установку выводят на определенный эталонный ре-

жим работы, который характеризуется температурой, частотой вра-

Товарный бензин Аи-80 Аи-91 Аи-92 Аи-96 Аи-98 Чувствительность   8,5

щения и нагрузкой. Моторный метод имеет более легкий режим ра-

боты установки по сравнению с исследовательским методом. В свое

время моторный метод испытаний разрабатывался для испытания

авиационных бензинов, а исследовательский – для автомобильных.

Поэтому числовое значение октанового числа, определенного по ис-

следовательскому методу, на несколько единиц выше, чем опреде-

ленное моторным методом.

Бензин октановое число которого определено по моторному ме-

тоду обозначается буквой А (автомобильный) и через дефис цифрой

соответствующей его октановому числу. Бензин октановое число ко-

торого определено по исследовательскому методу обозначается бук-

вами Аи (автомобильный, исследовательский) и через дефис цифрой

соответствующей исследовательскому октановому числу.

При выходе на испытуемый режим постепенно увеличивают

степень сжатия до появления детонации нужной интенсивности, оп-

ределенной по шкале указателя детонации. Затем, не меняя режима

работы, на ходу переводят установку, попеременно, на работу на эта-

лонных топливах.

Две эталонные смеси готовят с разницей в две октановые еди-

ницы. На одном топливе двигатель должен детонировать сильнее, а

на другом слабее, чем на исследуемом топливе.

Разницу между октановым числом по исследовательскому и мо-

торному методам называют чувствительностью. Чем меньше разница,

тем меньше чувствительность бензина к режиму работы двигателя, тем

лучшим эксплуатационным качеством бензин обладает (табл. 3.3).

Как говорилось выше, моторный метод "авиационный" более

мягкий, его еще называют "шоссейным". Режим работы авиационного

двигателя очень похож на режим работы автомобильного во время

движения на междугородних трассах. А исследовательский метод бо-

лее жесткий, больше подходит для городского стиля езды, двигатель

достаточно часто работает в тяжелом режиме трогания с места и уско-

рения, но время от времени и "отдыхает", продолжая работать при

движении накатом и остановках, например на красный свет светофора.

Таблица 3.3

Чувствительность товарных бензинов

Чувствительность зависит в основном от углеводородного со-

става топлива и технологии его производства. Если в бензине много

ароматических углеводородов, то чувствительность его будет высо-

кой. Парафиновые углеводороды снижают чувствительность. Так,

например, алкилат имеет октановое число по моторному методу 90, а

по исследовательскому 91, то есть его чувствительность равна едини-

це. Поэтому алкилат – самый желанный компонент в автомобильном

топливе.

С уменьшением молекулярной массы как у углеводородов при-

родного происхождения одной и той же группы, так и между группа-

ми, как правило, октановое число повышается; эта закономерность

распространяется и на непредельные углеводороды. Можно предпо-

ложить, что у бензинов с более легким фракционным составом будет

выше октановое число. Тяжелые парафиновые углеводороды искус-

ственного происхождения, с изомерной структурой, имеют большую

детонационную стойкость и малую чувствительность по сравнению

с аналогичными углеводородами нормальной структуры (см. п. 1.1.

Химический состав и структура углеводородов нефти).

Появление автомобильного исследовательского метода показа-

ло, что и он недостаточно пригоден для оценки поведения двигателя

автомобиля в городском режиме движения. Он по-прежнему, как и

моторный метод больше подходит для оценки загородного движения

автомобиля.

Кроме октановых чисел, определенных моторным и исследова-

тельским методом, их иногда называют " фронтальным октановым

числом ", применяют и другие показатели для оценки детонационной

стойкости топлива.

Например, насколько октановое число головных, т.е. легких

фракций отличается от октанового числа самого бензина, определяется

показателем " дельта эр ". При производстве бензина всегда стремятся

к тому, чтобы распределение детонационной стойкости бензина по

фракциям было равномерным, добиться этого сложно, поэтому для

оценки качества детонационной стойкости топлива чаще применяют

показатель " коэффициент распределения детонационной стойкости

(К РДС)". К РДС – это отношение октанового числа фракций с температу-

рой кипения до 100°С к октановому числу фракций, кипящих при тем-

пературе выше 100°С. Этот показатель всегда меньше единицы, а по

действующим у нас нормам он должен быть не менее 0,75.

К

РДС

=

ОЧ ф 〈100 0 С

ОЧ ф 〉1000 С,

где ОЧф < 100°С – октановое число фракций с температурой кипения

до 100°С; ОЧф > 100°С – октановое число фракций с температурой

кипения выше 100°С.

При резком нажатии на педаль газа во впускной тракт ускори-

тельным насосом впрыскивается большая порция топлива. Из этой

порции легкие фракции попадут в цилиндр и сгорят в первую оче-

редь. Тяжелые фракции, отставая от легких, согласно КРДС будут про-

воцировать детонацию. Широко используемый в нашей стране бен-

зин Аи-92 с " фронтальным октановым числом " – 92, при соблюде-

нии КРДС = 0,75 имеет предельные значения детонационной стойко-

сти легких фракций около 77, а тяжелых 103.

Возникновению детонации способствуют:

а) ухудшение охлаждения двигателя. Причинами ухудшения ох-

лаждения двигателя могут быть: ухудшение вентиляции подкапотного

пространства, загрязнение двигателя и радиатора, накипь в системе ох-

лаждения, пробуксовка ремня вентилятора, нагар в камере сгорания;

б) увеличение открытия дросселя. Из-за увеличения подачи то-

плива увеличиваются нагрузка и температура, кроме того в большой

порции топлива вероятность наличия углеводородов способных обра-

зовывать перекиси увеличивается;

в) уменьшение частоты вращения коленчатого вала. Из-за

уменьшения скорости распространения пламени увеличивается время

на подготовку перекисей (рис. 3.7);

г) увеличение угла опережения зажигания. При раннем зажига-

нии процесс горения смещается в сторону такта сжатия, происходит

увеличение давления и температуры. При позднем зажигании про-

цесс горения смещается в сторону рабочего хода, т.е. расширения

объема газов, что по законам физики связано с охлаждением газов,

возможность появления детонации уменьшается. Однако чрезмерное

уменьшение угла опережения зажигания влечет увеличение расхода

бензина, снижение динамических качеств автомобиля.

Из графика видно, что с увеличением оборотов существенно па-

дают требования двигателя к октановому числу топлива. Эта зависи-

мость позволяет применять в системе зажигания двигателя, различ-

ные электронные устройства, которые при работе на малых оборотах

включают задержку импульсов искры и автоматически снимают эту