книги из ГПНТБ / Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник

При соответствующем увеличении опережения зажигания с повыше­ нием частоты вращения можно добиваться примерно постоянного рас­ положения основной фазы сгорания. В связи с этим в двигателях уста­ навливается центробежный регулятор опережения зажигания, ко­ торый изменяет угол в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Для регулирования угла опережения зажигания при изменении нагрузки на двигатель (степени открытия дросселя) устанавливают вакуумный регулятор.

Следует отметить, что правильность характеристик регуляторов угла опережения зажигания существенно влияет на требования двига­

теля к качеству применимого топлива, к способности бензина противо­ стоять детонации.

Детонация

На некоторых режимах работы автомобиля при использовании бен­ зина, качество которого не полностью отвечает требованиям двигателя, может возникнуть особый вид сгорания рабочей смеси — детонационное сгорание. Такое сгорание сопровождается появлением характерного звонкого металлического стука, повышением дымности отработавших газов н увеличением температуры в цилиндрах двигателя.

Все внешние признаки и проявления детонации хорошо известны, однако причины возникновения и механизм этого явления до сего вре­ мени выяснены не полностью. Существует несколько теорий, объясня­

ющих сущность детонационного сгорания, но наиболее признанной из них является перекисная теория.

В основе этой теории лежат труды выдающегося русского ученого академика А. Н. Баха, который установил, что при окислении угле­ водородов первичными продуктами являются перекисные соединения. Перекиси относятся к разряду весьма нестойких соединений, облада­ ющих большой избыточной энергией. При определенных температурах п давлении перекисные соединения могут самопроизвольно разла­

гаться с выделением большого количества тепла и образованием новых активных частиц.

Окисление углеводородов бензина кислородом воздуха начинается еще в процессе производства бензина на заводе и продолжается вплоть до сгорания бензина в двигателе. Скорость окислительных процессов зависит от температуры. При повышении температуры бензина на 10° С скорость его окисления возрастает в 2,2—2,4 раза.

При хранении и транспортировке бензина температура его обыч­ но невелика, поэтому окисление углеводородов и образование пере­ писных соединений в этих условиях происходит весьма медленно. Пе­ рекисные соединения в таких случаях не накапливаются, а подверга­ ются дальнейшему окислению с образованием продуктов более глубо­ кого окисления и, в частности, смолистых веществ.

Энергичное окисление углеводородов бензина начинается в камере сгорания^в конце такта сжатия рабочей смеси. При движении поршня к верхней мертвой точке непрерывно повышаются температура и дав­ ление в рабочей смеси. При этом возрастает скорость окисления углево­

40

дородов. Процессы окисления приобретают особенно большую скорость после воспламенения смеси и образования фронта пламени. По мере сгорания рабочей смеси температура и давление в камере сгорания быстро нарастают, что способствует дальнейшей интенсификации про­ цессов окисления в несгоревшей части рабочей смеси. На последние порции несгоревшего топлива высокие температура и давление дей­ ствуют наиболее длительно. Вследствие этого в них особенно интен­ сивно накапливаются перекисные соединения, поэтому наиболее бла­ гоприятные условия для перехода нормального сгорания в детонацион­ ное создаются при сгорании именно последних порций рабочей смеси.

Описанные выше процессы окисления углеводородов с образова­ нием перекисных соединений протекают в двигателе всегда, независи­ мо от того, какое сгорание имеет место — нормальное или детона­ ционное.

Если в двигателе используется такой бензин, в составе которого преобладают углеводороды, не образующие при окислении большого количества перекисных соединений, то концентрация перекисей в по­ следних порциях смеси не достигает критических значений и сгорание заканчивается нормально без возникновения детонации.

Если при окислении бензина в последних порциях смеси накаплива­ ется много перекисных соединений, то при повышении их концентра­ ции свыше некоторого критического значения происходит их взрывной распад с образованием так называемого «холодного пламени». Продук­ тами сгорания в этом пламени являются главным образом альдегиды и СО, так что и энергия, выделяемая в «холодном пламени», составляет лишь малую часть (5—10%) от полной теплоты сгорания топлива.

Холодное пламя по рабочей смеси в отличие от нормального горя­ чего пламени распространяется исключительно диффузией в свежую смесь активных частиц, радикалов, образующихся при распаде пере­ кисей. Результатом холоднопламенной стадии является замена исходно­ го, относительно инертного углеводорода химически активной смесью органических перекисей, альдегидов и свободных радикалов. Эта активная смесь подвергается дальнейшему окислению и после некото­ рого периода индукции происходит новый взрывной распад перекис­ ных соединений, аналогичный прежнему, но с вовлечением в реакцию большей массы исходной смеси и большого количества перекисных соединений. При этом возникает особый тип пламени, промежуточный между холодным и горячим, названный А. С. Соколиком «вторичным холодным пламенем». Реакция идет в нем так же, как и в холодном пламени, не до конечных продуктов С02 и Н20, а до СО, но при этом выделяется примерно половина полной энергии сгорания и степень разогрева смеси в этом пламени уже велика, поэтому «вторичное холод­ ное пламя» распространяется с большей скоростью не только за счет диффузии активных центров, но и за счет теплопередачи. После про­ хождения «вторичного холодного пламени» остается нагретая до высокой температуры смесь СО, неиспользованного кислорода и активных центров. При достаточно высокой концентрации последних происходит цепочно-тепловой взрыв этой смеси, рождающий нас­ тоящее горячее пламя, т. е. происходит самовоспламенение.

41

Вначале самовоспламенение и образование нового фронта горя­ чего пламени происходят в одном или нескольких местах несгоревшей части рабочей смеси. Одновременно с новым фронтом горячего пламени возникает новый фронт ударной волны. Ударные волны, распростра­ няясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, стимулируют самовоспламенение остальной не­ сгоревшей части рабочей смеси. При этом скорость распространения фронта горячего пламени в оставшейся части смеси становится такой же, как и скорость распространения ударных волн,т. е, появляется де­ тонационная волна сгорания, имеющая скорость до 2000—2500 м/с.

~ Таким образом, сущность явления детонации состоит в весьма быст­ ром завершении процесса сгорания в результате многостадийного само­

всей оставшейся рабочей смеси со сверхзвуковой скоростью. Изложенные выше представления о цепном механизме детонацион­

ного сгорания топлива в двигателе основаны на трудах академика Н. Н. Семенова и подтверждаются многочисленными эксперименталь­ ными данными.

Внешние признаки детонационного сгорания мы уже отмечали: характерный стук, дымный выпуск отработавших газов и перегрев дви­ гателя.

Металлический стук является результатом многократных периоди­ ческих отражений ударных волн от стенок камер сгорания. При этом на индикаторных диаграммах в конце сгорания регистрируются вибра­ ции давления в виде ряда постепенно затухающих острых пиков (рис. 19). Частота этих вибраций давления примерно такая же, как и основ­ ная частота слышимых стуков — порядка нескольких тысяч в секунду. В связи с этим при детонации слышится звонкий металлический стук высоких тонов.

Рис. 19. Типичные индикаторные диаграммы с искровым зажиганием при рабо­

те с детонацией:

а -—слабой; б — сильной

42

Само по себе повышение давления, возникающее во фронте ударных волн, с точки зрения механической прочности деталей двигателя, не представляет особой опасности, так как эти пики давления действуют в виде крайне коротких импульсов, длящихся менее 0,0001 с. Одна­ ко ударные волны при своем многократном отражении от стенок могут механически «сдирать» масляную пленку с поверхности гильзы, что приводит к увеличению износа цилиндров и поршневых колец. Кроме того, вибрационный характер нагрузки на поршень при наличии детона­ ции может вызвать разрушение антифрикционного слоя в шатунных подшипниках.

В результате большой скорости и взрывного характера сгорания при детонации часть топлива и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается» по объему камеры, перемешивается с конечными про­ дуктами сгорания и не успевает полностью сгореть. Следствием непол­ ноты сгорания смеси при детонации является увеличение дымности отработавших газов.

Главная опасность детонации заключается в повышенной отдаче тепла от сгоревших газов в стенки камеры сгорания и днище поршня как вследствие более высоких температур в детонационной волне, так и увеличения коэффициента теплоотдачи в результате срыва погранич­ ного слоя более холодного газа.

Увеличенная теплоотдача в стенки приводит к перегреву двигате­ ля и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгора­ ния и днища поршня, первоначально выражающиеся в появле­ нии на поверхности металла небольших щербин. Часто в первую оче­ редь происходит разрушение кромок прокладки между цилиндром и головкой, завершающееся ее прогоранием. Характерно, что такие раз­ рушения располагаются во вполне определенных для данного двигате­ ля местах. Эти места зависят от конфигурации камеры сгорания и свя­ заны с зонами преимущественного возникновения детонации и усло­ виями отражения ударных волн от стенок.

Следует отметить, что еще до появления каких-либо видимых раз­ рушений работа двигателя с детонацией ведет к повышенному износу основных деталей. В табл. 6 приведены результаты исследований влия­ ния детонации на износ цилиндров. Опыты проводились на шестици­ линдровом двигателе таким образом, что три цилиндра работали с детонацией, а три без детонации. Через 200 ч испытаний проводился второй этап, во время которого три цилиндра, ранее работавшие без детонации, переводились на детонационный режим и наоборот. Иссле­ дования показали, что при работе двигателя с детонацией, в тех слу­ чаях, когда не наблюдается аварийных разрушений, происходит сни­ жение его долговечности в 1,5—3,0 раза.

Распределение износов по высоте цилиндра видно из данных, при­ веденных на рис. 20.

Основные положения перекисной теории детонации позволяют объ­ яснить влияние различных факторов на возникновение детонационно­ го сгорания в двигателе и помогают наметить пути борьбы с этим яв­ лением.

43

образования перекисных соединений и быстрейшему достижению кри­ тических концентраций, приводящих к детонации. Увеличение продол­ жительности пребывания последних порций топлива в камере сгорания также должно приводить к образованию критических концентраций перекисных соединений и возникновению детонации.

Эти положения хорошо объясняют влияние на возникновение дето­ национного сгорания таких показателей, как степень сжатия двига­

44

чем чугунные, поэтому в двигателях с алюминиевыми поршнями и го­ ловкой цилиндров детонация возникает труднее.

Отложения нагара в камере сгорания затрудняют отвод тепла и тем самым способствуют возникновению детонации.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время пребывания топлива в камере до сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени,- что приводит к сниже­ нию конечных концентраций перекисных соединений и затрудняет возникновение детонации.

Детонация в двигателе ослабевает или совсем исчезает при умень­ шении угла опрежения зажигания вследствие того, что при этом сни­ жается температура и давление газов в цилиндре двигателя и остается меньше времени на образование перекисных соединений.

Наиболее эффективное средство предотварщения детонации в дви­ гателе — это применение топлива, имеющего достаточную химиче­ скую стойкость в условиях камеры сгорания, т. е. обладающего необ­ ходимыми антидетонационными свойствами.

Неуправляемое воспламенение

Совершенствование автомобильных карбюраторных двигателей идет по пути увеличения литровой мощности и снижения их удельного веса. Это достигается за счет повышения степени сжатия, увеличения напол­ нения цилиндров рабочей смесью и повышения частоты вращения

лее компактных камер с верхним расположением клапанов приводит

панов, свечей зажигания, кромок прокладок и поверхностей камеры сгорания.

С другой стороны, с возрастанием степени сжатия и повышением тепловой напряженности двигателей рабочая смесь в конце такта сжа­ тия становится все более подготовленной к воспламенению.

Появление «горячих точек» в камере сгорания вызывает самопро­ извольное воспламенение рабочей смеси вне зависимости от времени подачи искры свечей зажигания. Это явление, вызывающее наруше­ ние нормального процесса сгорания, получило название поверхност­ ного воспламенения или калильного зажигания.

Поверхностное воспламенение по своему характеру принципиаль­ но отличается от детонационного сгорания, хотя эти явления в усло­ виях работы автомобильного двигателя тесно переплетаются. Однако процесс сгорания смеси после калильного зажигания протекает с нор­ мальными скоростями и может не сопровождаться детонацией.

Воспламенение рабочей смеси от «горячей точки» до появления искры зажигания воздействует на процесс сгорания так же, как уста­ новка более раннего угла опережения зажигания, т. е. способствует возникновению детонации. С другой стороны, детонационное сгорание вызывает значительное повышение температурного режима двигателя,

45

Повышение детонационной стойкости топлив сопровождается повы­ шением их стойкости к калильному зажиганию от нагретых металличе­ ских поверхностей. Для смесей изооктана с гептаном имеется прямоли­ нейная зависимость между этими показателями, но для других углево­ дородов и топлив строго закономерной связи не найдено, хотя и на­ блюдается общая тенденция повышения калильной стойкости с увеличе­ нием октановых чисел.

Наличие антидетонационных присадок в бензине влияет на калиль­ ную стойкость лишь постольку, поскольку оно вызывает увеличение октанового числа.

За последние годы достигнуты большие успехи в борьбе с калиль­ ным зажиганием от металлических поверхностей путем конструктивного улучшения камер сгорания, использования «холодных» свечей, клапа­ нов с натриевым охлаждением и т. д.

Схема возникновения калильного зажигания от нагара представ­ ляется следующим образом.

Наиболее интенсивное нагарообразование наблюдается на режиме малых нагрузок. При переходе на полные нагрузки температура частиц нагара, отложившихся на деталях камеры сгорания, а также отслоив­ шихся и находящихся в надпоршневом пространстве, начинает повы­ шаться вследствие увеличения теплонапряженности цикла. При этом температура частиц нагара непрерывно изменяется в результате тепло­ обмена с окружающими газами. В циклах сгорания и выпуска нагар разогревается горячими газами и температура его повышается. При впуске частицы нагара охлаждаются свежей смесью. Но нагары не яв­ ляются простыми «аккумуляторами» тепла. Установлено, что нагар при определенных температурах способен химически взаимодействовать

вышают температуру окружающей среды. Эта особенность нагара су­ щественно отличает его, как источник воспламенения, от «инертной» металлической поверхности. В отличие от последней нагар называют иногда «активной» поверхностью и его способность воспламенять горю­ чую смесь связывают с «химической активностью» нагара.

В США для оценки склонности топлив к калильному зажиганию приняты так называемые смеси ТИБ — изооктана с бензолом, содержа­ щие 0,8 мл ТЭС на литр топлива (октановое число 115). В этих смесях изооктан принят за эталон, имеющий 100 условных единиц, а бензол за эталон, имеющий 0 единиц. За число ТИБ принимают состав такой смеси, применение которой устраняет слышимое калильное зажигание при данных условиях испытаний.

Калильная активность нагара зависит от содержания в сжигаемых бензинах ароматических углеводородов. При этом установлено, что общее содержание ароматических углеводородов не всегда однозначно определяет калильную активность нагара. Решающее влияние оказыва­ ет строение ароматических углеводородов и их молекулярный вес.

Высокомолекулярные ароматические углеводороды образуют более^ ^ активный нагар.

47

Наличие тетраэтилсвинца в топливе влияет на состав и свойства образующегося нагара. Наиболее высокую температуру воспламенения имеет нагар, состоящий из чистого углерода (550—600° С). Небольшое добавление в углеродистый нагар окислов или галоидных соединений свинца (нагар этилированных топлив) приводит к резкому снижению температуры воспламенения до 200—300° С, что весьма существенно для условий камер сгорания.

Опытами установлено, что нагары, имеющие более низкую темпе­ ратуру воспламенения, вызывают более интенсивное калильное зажи­ гание. Отмечено, что наличие свинца приводит к повышению темпе­ ратуры и скорости горения нагара. Одновременно свинец способствует более полному и быстрому сгоранию углерода. Составом нагара опре­ деляется не только температура его воспламенения, но и скорость его реагирования с кислородом, т. е. скорость саморазогрева.

Основное направление борьбы с калильным зажиганием —измене­ ние свойств образующегося нагара с целью уменьшения его калильной активности. Изменение состава и свойств нагара может быть достигну­ то за счет введения присадок в топлива и масла. В качестве противокалильных присадок были исследованы различные фосфорные соеди­ нения (фосфаты, фосфиты, фосфонаты), соединения бора, брома, хлора, кремния, хрома, кобальта, бария, цинка, кальция и др. Наиболее эффективным оказалось введение фосфорсодержащих соединений в топливо.

Действие фосфорных присадок связывают с их способностью ре­ агировать с продуктами сгорания тетраэтилсвинца с образованием фос­ фатов свинца. Нагары, содержащие вместо окислов свинца фосфаты свинца, имеют более высокую температуру воспламенения (затлевания).

В СССР фосфорные присадки пока не нашли применения, хотя изу­ чение их эффективности и особенностей применения проводится. Сле­ дует ожидать, что увеличение степени сжатия в перспективных отечест­ венных автомобильных двигателях и использование в качестве бензинов высокоароматизированных продуктов каталитического риформинга приведут уже в ближайшее время к необходимости разработки эффек­ тивных мер борьбы с калильным зажиганием.§

§ 4. АНТИДЕТОНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Методы оценки

Для оценки антидетонанионных свойств автомобильных бензинов предложены различные методы, базирующиеся на испытании топлива на безмоторных установках (бомбы, машины адиабатического сжатия и др.), одноцилиндровых лабораторных и полноразмерных многоцилин­ дровых двигателях в стендовых и дорожных условиях.

Для оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов в ла­ бораторных условиях наибольшее распространение получили установ­ ки с одноцилиндровыми двигателями с переменной степенью сжатия. В СССР разработана и всесторонне испытана универсальная установка, предназначенная для определения октановых чисел — УИТ-65. Уста-

43

новка оборудована автоматическими электронными устройствами для

моторным (ГОСТ 511—66) и исследовательским (ГОСТ 8226—66). Склонность исследуемого бензина к детонации оценивается сравне­

нием его с эталонными топливами, детонационная стойкость которых заранее известна. В качестве эталонных топлив используются, как пра­ вило, чистые индивидуальные углеводороды. При определении окта­ нового числа эталонное топливо готовят смешением двух индивиду- ■ альных углеводородов. Один из них — изооктан (2, 2, 4-триметилпен-/ тан) детонирует только при высокой степени сжатия, а его детонацион­ ная стойкость принята равной 100 октановым единицам. Другой угле­

октана и гептана в различных соотношениях обладают разной детонаци­ онной стойкостью, которая характеризуется октановыми числами от' нуля до 100. :

Октановое число бензина определяют следующим образом. При ра­ боте на испытуемом бензине изменением степени сжатия двигателя добиваются появления детонации определенной интенсивности. Затем подбирают такую эталонную смесь углеводородов, которая при этой же степени сжатия детонирует с такой же интенсивностью, как и испытуемый бензин. Процентное содержание изооктана в такой смеси численно принимается за октановое число испытуемого бензина.

Октановые числа автомобильных бензинов выше 100 единиц опре­ деляются сравнением бензина с изооктаном, в который добавлена антидетонационная присадка — тетраэтилсвинец.

Моторный и исследовательский методы определения октанового числа различаются режимом проведения испытаний.

Испытания бензина по исследовательскому методу проводятся при менее напряженном режиме работы двигателя, чем по моторному ме­ тоду. Поэтому октановое число бензина, определенное по исследова­ тельскому методу, обычно несколько выше, чем октановое число, опре­ деленное по моторному методу. Разницу в октановых числах бензина,

49