Тема 3. Бензины

10. Рабочие процессы в ДВС с искровым зажиганием

11. Бензины авиационные и автомобильные. Испаряемость. Фракционный состав бензинов. Склонность к нагарообразованию. Экологические требования.

12. Автомобильные и авиационные бензины. Детонационная стойкость (физико-химическая сущность процесса, пути повышения стойкости, методы определения). Химическая стабильность бензинов.

13. Ассортимент, качество и состав автомобильных бензинов

14. Ассортимент, качество и состав авиационных бензинов.

15. Восстановление свойств бензинов.

11. Рабочие процессы в двс с искровым зажиганием

Рабочий процесс В ДВС начинается с приготовления рабочей смеси (топлива с воздухом) и называется карбюрацией. В результате в цилиндр подается уже газифицированная смесь воздуха и топлива в необходимом соотношении. При вращении коленчатого вала неработающего двигателя из­менение давления в его цилиндре происходит в основном вследст­вие изменения объема, занимаемого рабочей смесью. Кривая, ха­рактеризующая изменение объема (пунктирная линия Рис.1.), располо­жится примерно симметрично относительно линии, соответствую­щей моменту нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).

.

С

Рис. 1. Развернутая индикаторная диаграмма рабочего процесса двига­теля, работающего с зажиганием от искры

плошная линия характеризует изменение давления в цилиндре работающего двигателя. Точка 1соответствует моменту, в который между контактами запальной свечи проскакивает искра (Ө—угол опережения зажигания). Воспламенение топлива происходит не сразу, а с некоторой задержкой, необходимой для того, чтобы смесь, находящаяся в зоне искрового разряда, нагрелась до температуры воспламенения. В продолжение этого времени, заканчивающегося воспламенением топлива в точке 2, давление в цилиндре изменяет­ся так же, как и в неработающем двигателе, в основном за счет процесса сжатия, и поэтому до точки 2 сплошная кривая совпа­дает с пунктирной.

После воспламенения образуется поверхность горения или фронт пламени, который распространяется с некоторой скоростью от источника воспламенения по камере сгорания. Топливо сгорает, и давление в цилиндре поднимается, достигая в точке 3 максиму­ма. Это максимальное давление обычно близко к 50—60 кгс/см², а у форсированных двигателей может быть и несколько выше. За точкой 3 давление начинает снижаться, так как основная масса топлива к этому моменту уже сгорела; поршень двигается вниз (рабочий ход) и объем камеры сгорания увеличивается. Одна­ко и после точки 3 топливо продолжает еще гореть (происходит его догорание). Скорость распространения фронта пламени при сгора­нии изменяется: вначале она возрастает, достигает некоторого максимума и к концу сгорания падает. При нормальном сгорании топлива скорость распространения пламени составляет 20—40 м/с. Сгорание топлива в цилиндре двигателя—сложная цепная ре­акция. Химическая подготовка топливо-воздушной смеси к сгора­нию начинается во время сжатия. Вследствие сжатия смеси поршнем ее температура и давление значительно повышаются. Под влиянием повышенных температуры и давления а смеси начиняет­ся окисление молекул топлива.

Влияние вихревого движения смеси. Изменение интенсивности вихревых движений смеси в цилиндре оказывает заметное влияние на скорость сгорания рабочей смеси в двигателе.

Опытом установлено, что с ростом скорости движения воздуха во всасывающем клапане растет вихревое движение рабочей смеси в цилиндре и увеличивается скорость сгорания.

Влияние степени сжатия. С увеличением степени сжатия ско­рость сгорания рабочей смеси в двигателе возрастает. Это явление можно объяснить следующими причинами: при повышении степени сжатия повышается температура пламени и несколько увеличива­ется вихревое движение смеси в цилиндре двигателя, повышается скорость химических реакций, улучшается теплопередача от фрон­та пламени к несгоревшей части смеси.

Влияние частоты вращения вала двигателя. Скорость распростра­нения фронта пламени увеличивается приблизительно пропорцио­нально частоте вращения вала двигателя (рис. 20). Это является чрезвычайно важным обстоятельством, так как иначе работа дви­гателя на переменных режимах была бы невозможна. Указанная зависимость объясняется в основном усилением вихревого движе­ния рабочей смеси, что ведет к увеличению поверхности фронта пламени, а также к улучшению процессов теплообмена.

Влияние химического состава топлива. Выявление влияния химического состава топлива на скорость сгорания в двигателе представляет большой практический и теоретический интерес. Много­численные исследования показали, что химический состав топлива не оказывает существенного влияния на скорость сгорания топли­ва в двигателе до тех пор, пока двигатель работает без детонации.

Детонационное сгорание. Детонационное сгорание топлив су­щественно отличается от нормального. При детонационном сгора­нии скорость распространения фронта пламени может достигнуть 1500—2000 м/с. В результате огромной скорости распространения фронта пламени возникают детонационные волны, которые, с боль­шой силой ударяясь о стенки камеры сгорания и цилиндра, вызы­вают отраженные ударные волны. Детонацию сопровождает ха­рактерный металлический звук (вибрация стенок). Следовательно, детонация в двигателе есть особый вид сгорания рабочей смеси (взрывное), характеризующееся большой скоростью распростране­ния фронта пламени и высокими местными давлениями.

В настоящее время общепризнана перекисная теория детонации, согласно которой образуются первичные продукты окисления топ­лива — органические перекиси:

Внешние признаки детонации начинают проявляться, когда де­тонируют около 5% смеси, средняя интенсивность детонации на­блюдается в том случае, если детонируют 10—12% смеси, и проис­ходит очень сильная детонация, если детонируют 18—20% смеси. Возникновение и интенсивность детонации зависят от многих фак­торов.

Зависимость детонации от состава рабочей смеси. Наибольшая склонность к детонации проявляется при работе двигателя на бедных смесях. При ее обогащении детонация уменьшается и может совсем исчезнуть.

За счет обогащения смеси понижается температура цилиндра, так как значительное количество тепла поглощается топливом при

Наибольшая детонация в двигателе наблюдается при коэффи­циенте избытка воздуха а, близком к единице. Поршневые авиа­ционные двигатели эксплуатируются при составах смеси в диапа­зоне α=0,6—1,0.

В автомобильных двигателях применяют смеси от бедной до обогащенной в диапазоне

α= 1,1—0,8.

Зависимость детонации от температуры охлаж­дения цилиндра, атмосферного давления и влаж­ности воздуха. Повышение температуры жидкости, охлаж­дающей полость цилиндра, способствует образованию перекисей и возникновению детонации. Повышение температуры охлаждаю­щей жидкости от 100 до 165° С понижает октановое число бензина прямой перегонки на 2—3 ед.

Повышение барометрического давления увеличивает степень сжатия и коэффициент наполнения цилиндра, что, в свою очередь, увеличивает вероятность детонации.

Повышение влажности воздуха уменьшает детонацию из-за то­го, что давление влажного воздуха ниже, чем сухого (что вызы­вает снижение коэффициента наполнения цилиндра). При этом снижается температура в камере сгорания (увеличивается количе­ство водяного пара в рабочей смеси).

3 а в и с и м о с т ь детонации от н а г а р о о б р а з о в a н и я. Нагар, являясь плохим проводником тепла, ухудшает отвод тепла от стенок камеры сгорания в охлаждающую жидкость, что вызы­вает повышение температуры в камере сгорания и способствую г увеличению образовании перекисей и возникновению детонации. Кроме того, нагар, откладываясь на стенках камеры сгорания и на днище поршня, уменьшает объем камеры сгорания, уве­личивает степень сжатия, что также способствует возникнове­нию детонации.

3 а в и с н м о с г ь д е т о и а ц ии от степени с ж а т и я. Этот фактор является основным, влияющим на возникновение детонации, С увеличением степени сжатия двигателя при работе на одном и том же топливе детонация возрастает в связи с резким повышением температуры и давления в цилиндре, которые способствуют интенсивному образованию перекисей.

Зависимость детонации от давления наддува. С повышением наддува детонация усиливается, так как увеличива­ется весовой заряд топлива, при сгорании которого значительно повышаются температура и давление в цилиндре, ускоряющие предпламенные реакции окисления топлива.

З ависимость детонации от угла опережения зажигания и частоты вращения вала двигателя. Угол опережения зажигания, как и состав рабочей смеси, оказы­вает

большое влияние на

Рис. 2. Влияние величины угла опере­жения зажигания до в. м. т. на детона­цию (двигатель установки ИТ9-2, 8= =5,0, п=900 об/мин)

детонацию в, двигателе. С увеличением угла опережения зажигания детонация возрастает, с уменьшением снижается. При большом угле опережения зажигания предпламенный процесс удлиняется во времени и вызывает интенсив­ное образование перекисей. Однако, как видно из рис. 2, интенсивность детонации с увеличением угла опережения зажигания сначала растет, а затем, достигнув максимально­го значения, начинает падать.

Уменьшение детонации и понижение мощности при очень малых углах опережения зажигания объясняется тем, что последняя порция топлив­ного заряда сгорает в большом объеме рабочего пространства при меньшей температуре. Фактически угол опережения зажигания .не превышает 35— 45⁰ до в.м.т. С увеличением частоты вращения вала двигателя детонация обычно умень­шается, так как сокращаются время пребывания смеси в камере' сгорания и индукционный период, .во время которого происходит предварительное окисление части топливного заряда.

Увеличение числа свечей сокращает путь, проходимый фрон­том пламени, и время, требуемое для сгорания топлива; тем самым уменьшается возможность детонации. Весьма важным является и место расположения свечи в камере сгорания. Чем короче путь распространения пламени, тем меньше вероятность возникновения детонации.

Поверхностное воспламенение. Поверхностное воспламенение (преждевременная вспышка или калильное зажигание) происходит вследствие самопроизвольного, слишком раннего воспламенения смеси от какого-либо постороннего источника (накаленных выпу­скных клапанов, электродов свечи, нагара и т. п.), а не от электри­ческой свечи. При этом процесс сгорания протекает с нормальной скоростью (20—40 м/с), но смещается по времени и происходит при иных положениях поршня, чем при нормальном процессе.

Преждевременные вспышки возникают чаще всего при ненор­мальном температурном режиме двигателя, например перегреве го­ловок цилиндров вследствие недостаточного охлаждения и т. д. По своему характеру преждевременная вспышка имеет сходство со слишком ранним опережением зажигания. В обоих этих случаях смесь воспламеняется и сгорает до прихода поршня в в. м. т., при этом происходит значительное повышение давления, что обуслов­ливает увеличение работы, затрачиваемой на сжатие, и весьма «жесткую» работу двигателя (со стуками).

Поверхностное воспламенение приводит к тем же последствиям, что и детонация: снижает к. п. д., вызывает ударную нагрузку на детали двигателя, приводит к перегреву цилиндра и вынужденным остановкам двигателя. Разница между детонацией и поверхностным воспламенением состоит в том, что детонация в двигателе происхо­дит вследствие быстрого распространения фронта пламени и воз­никает в последней несгоревшей части топливо-воздушной смеси, а поверхностное воспламенение—в одной или одновременно в не­скольких точках камеры сгорания от раскаленных частиц нагара.

Поверхностное воспламенение может быть предотвращено при правильном подборе топлива ,масла и режима работы двигателя, а также при своевременной очистке деталей от нагара.