Как горит бензин в двигателе

14

1. Сгорание топлива в двигателе

Под «сгоранием» применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в топливе соединений с кислородом воздуха. Такая реакция сопровождается свечением и выделением значительного количества тепла. Речь идет о сложном и не до конца изученном процессе. Общая картина физико-химических превращений топлива в процессе горения разработана в трудах Н.Н. Семенова, Ю.Б. Свиридова, А.С. Соколика и других ученых.

Окисление происходит в форме горения при условии быстрого перемещения активных частиц и разветвления цепей реакций. Это возможно только в газовой среде, поэтому жидкое топливо, сначала газифицируется, а затем воспламеняется. Воспламенение жидкого топлива осуществляется как от внешнего источника, так и в результате экзотермических реакций внутри самого топлива.

В составе жидкого топлива преобладают углерод и водород. При сгорании топлива наблюдаются следующие реакции

Сера реагирует с кислородом согласно уравнению

В процессе горения происходят такие процессы: связи в молекулах разрываются, атомы меняют положение, при этом выделяются различные пары и газы (их температура достигает 1500-2400°С), образующие при соединении с кислородом пламя (остаток топлива сгорает без пламени). Углекислый газ, пары воды, окислы серы, если она содержится в топливе, – конечные продукты горения.

От количества подаваемого воздуха во многом зависит процесс сгорания. Горение протекает медленно, температура невысока, если его недостаточно. Кроме того, при этом образуются продукты неполного сгорания (окись углерода, сажа и др.), а отработавшие газы становятся темными и даже черными. Если количество воздуха выше определенного предела, то много тепла будет расходоваться на нагревание азота – основного компонента воздуха – и избыточного кислорода; тогда температура снижается, скорость сгорания уменьшается и, как следствие, перерасходуется топливо.

Количество воздуха в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Для некоторых топлив эти значения (в килограммах) следующие:

Полного сгорания топлива при условии наличия теоретически необходимого количества воздуха в действительности не происходит. Состав топливо-воздушной смеси, поступающей в камеры сгорания, при различных условиях и режимах работы двигателя может не совпадать с теоретически необходимым. Избытку или недостатку воздуха в смеси соответствует коэффициент избытка воздуха α, представляющий отношение массы действительно расходуемого воздуха к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (стехиометрическому)

где L – масса действительно расходуемого воздуха;

L₀ – масса воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива.

Горючую смесь стехиометрического (теоретического) состава называют нормальной при α = 1, богатая смесь характеризуется значением α < 1, бедная α > 1.

Коэффициент избытка воздуха при неполном сгорании определяются по формуле:

а при полном – по формуле:

где O₂ ,CO, N₂ – процентное содержание в продуктах сгорания кислорода, окиси углерода (определяют анализом на специальных приборах, называемых газоанализаторами) и азота (подсчитывают по разности

В бедных смесях (α > 1) топливо сгорает полностью, выделяя всю химическую энергию. В богатых смесях (α < 1) воздуха для полного сгорания недостаточно, поэтому они менее экономичны. В то же время богатые смеси горят быстрее и устойчивее, выделяя за единицу времени больше тепла, чем при сгорании стехиометрической и бедной смеси, и двигатель развивает большую мощность. Поэтому бедные смеси называют экономичными, а богатые смеси — мощностными. Величина α зависит от вида применяемого топлива, условий его сжигания, конструкции двигателя (табл. 1).

Двигатели внутреннего сгорания в обычных условиях работают на слегка обедненной рабочей смеси, что обеспечивает наиболее экономичный режим. При перегрузках прибегают к некоторому переобогащению смеси, хотя в этом случае топливо расходуется неэкономно.

Таблица 1 Ориентировочные значения коэффициента избытка воздуха

Бурый уголь, торф, дрова

Компоненты отработавших газов по характеру их воздействия на человека подразделяют на ядовитые (окись углерода, соединения свинца), канцерогенные бенз(а)пирен, раздражающие (окислы азота, серные соединения, альдегиды) и загрязняющие (сажа и альдегиды).

Продукты неполного сгорания топлива загрязняют, как известно, окружающую атмосферу, оказывают вредное действие на живые организмы и растительный мир. Поэтому наряду с обеспечением полного сгорания топлива, что повышает экономичность двигателя, не меньшее значение имеет проблема снижения токсичности отработавших газов автомобиля.

Автомобильные топлива и продукты их сгорания в общем загрязнении атмосферного воздуха могут составлять в крупных городах и ряде регионов страны более 80%. В табл. 2. представлен примерный состав отработавших газов автомобильных двигателей.

Таблица 2 Основной состав отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания, млн -1

Бенз(а)пирен, мкг/м 3

Озонообразующий потенциал, мг/миля

Рассмотрим влияние токсичных компонентов отработавших газов на организм человека.

Окись углерода вызывает кислородное голодание организма, поражение центральной нервной системы. Острые отравления окисью углерода могут вызвать головную боль, паралич, кровоизлияние в сетчатку, инфаркт миокарда, потерю сознания и даже привести к смертельному исходу.

Окислы азота (в бензиновых двигателях 95% окислов азота находится в виде NО, небольшое количество – в виде NО₂ и N₂О₅, попадая в организм человека, соединяются с водой, образуя азотистосодержащие кислоты. Максимальное количество окислов азота образуется при α = 1,05 … 1,10. Симптомы отравления появляются в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Альдегиды (акролеин) вызывают сильное раздражение верхних дыхательных путей и воспаление слизистых оболочек глаз.

Углеводороды, оказывая вредное воздействие на центральную нервную систему, при острых отравлениях вызывают головокружение, головную боль, тошноту, судороги, расширение зрачков, расстройство дыхания и сердечной деятельности, поражение печени и почек.

Наибольшей активностью из полициклических ароматических углеводородов обладает бенз(а)пирен: аккумулируясь организмом до критических концентраций, приводит к раковым заболеваниям.

В нашей стране действует система государственных и отраслевых стандартов, определяющих пределы содержания токсичных веществ в отработавших газах автомобилей.

На токсичность отработавших газов влияют состав топливо- воздушной смеси, нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, тепловой режим, техническое состояние двигателя и другие факторы. Для улучшения процесса сгорания топлива в двигателях и снижения токсичности отработавших газов необходимы правильный подбор бензина для двигателя в соответствии с климатическими условиями, периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом, систематическая промывка топливных и воздушного фильтров системы питания двигателя, своевременная регулировка карбюраторов для обеспечения оптимального состава смеси и другие мероприятия экс­плуатационного и организационно-технического характера.

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.

Искра зажигания

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.

Процесс сгорания

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:

НС + О2 = Н2 О + СО2

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».

Соотношение «воздух/топливо»

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.

Аномальное сгорание

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.

Токсичность выхлопа

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

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

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.

О горении бензина

Эти знания помогут производителям завоевать любовь клиентов и увеличить прибыль

На современном рынке продажи топлива господствуют и усиливают свои позиции ВИНКи. Но частнику реально работать и зарабатывать наравне с ними. Зная это, вдохновленные специалисты открывают собственные АЗС, строят мини нефтеперерабатывающие заводы и ждут прибыли и признания. Но на практике оказывается все сложнее. Автомобилисты привычно едут на заправки крупных федеральных сетей, потребитель приобретает бензин у производителей с громкими именами. Как быть? Заявить о себе, создав качественный продукт, соответствующий современным требованиям.

Что важно учесть при производстве бензина? Как завоевать потребителя? Разберем в материале.

Разнообразие — вот что важно!

Основная характеристика бензина — октановое число. Чем оно выше, тем меньше вероятность самовоспламенения топлива. Несмотря на ГОСТы, ТУ и стандарты федеральных монополий в России нет идентично одинакового бензина, даже если это одна и та же марка (АИ-95, АИ — 92 и пр.), но у разных производителей. Специалист скажет: важна не марка или бренд, а углеводородный состав. Именно от него зависит скорость горения паров воздуха и бензина.

Любой бензин имеет свой нормальный фронт воспламенения. Как правило, это от 10 до 30 м/с. Если топливо подобрано грамотно, то потенциал механической и тепловой энергии используется на 100%, двигатель работает с максимальным КПД, и его ресурс не снижается.

«Разнообразие — вот что важно. Сегодня бензин, как правило, имеет около 200 — 300 углеводородных соединений. Они бывают разные: нормального строения, изостроения, ароматические и прочие. Хорошо, если присутствуют и кислородосодержащие соединения — спирты, эфиры или все сразу. Например, тот же МТБЭ гораздо эффективнее работает со спиртом. Горение сразу равномерное, экологичное» — рассказывает Александр Владимирович Салищев, кандидат технических наук, начальник отдела контроля качества нефтепродуктов «Кузбасс Терминал».

Ароматика горит медленнее, чем парафины и изопарафины, а оксигенаты — быстрее. Если бензин содержит большое количество оксигенатов, особенно спиртов, то скорость сгорания будет самой высокой. Например, оксигенатные топлива используются для заправки гоночных автомобилей.

Чтобы оценить важность всего вышесказанного, для начала подробно разберем процесс сгорания бензина в двигателе.

3 фазы сгорания

Первая — начальная фаза сгорания или фаза формирования фронта пламени.

Она начинается в момент возникновения электрической искры (момент зажигания), а заканчивается, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до верхней мертвой точки (ВМТ) без сгорания.

Для своевременного выделения теплоты при лучших условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20-55° поворота коленчатого вала (КВ) до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота называется углом опережения зажигания. Температура искры может составлять 10000 К.

Продолжительность первой фазы — 0,5 — 1 мс, что соответствует 10-30° поворота КВ. В течение нее сгорает около 2-3 % топлива, поданного в цилиндр.

Если в камеру сгорания будет подана обедненная смесь, то продолжительность фазы увеличится, а стабильность воспламенения нарушится. Сократить продолжительность можно, увеличив степень сжатия, длительность искрового разряда.

Вторая — основная фаза сгорания.

Длится от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания. Весь процесс занимает 1- 1,2 мс, т.е. 25-30° поворота КВ. Во время второй фазы пламя распространяется по камере сгорания, выделяется 75-85% теплоты. Температура РТ в конце фазы повышается до 2300 К, а давление достигает 3,5-5 МПа. К моменту окончания сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья — фаза догорания.

Начинается в момент достижения максимального давления цикла.

В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций в разы меньше, чем в основном объеме камеры сгорания. Третья фаза не имеет четко выраженного окончания из-за замедления горения. В среднем ее продолжительность — 1-1,5 мс, т. е. 20-35° угла поворота КВ. Максимальная температура — 2300-2600 К. В третьей фазе выделяется еще 10-15 % теплоты.

В итоге, общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80-91%. Остальные 9-20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания.

Гори, гори ясно: как улучшить горение бензина?

«Частнику важно расширять функциональный состав топлива, чтобы завоевать потребителя. Это делается с помощью присадок, как правило. Конечно, можно забрендировать бензин, добавить цвет, запах и прочие вещи. Но именно функциональное разнообразие состава делает бензин богатым, полноценным. Даже хороший, простой бензин, содержащий 3-5 компонентов, нужно и можно улучшать. Простой бензин — как каша без масла» — отвечает на вопрос Александр Владимирович Салищев.

Да, действительно, присадки улучшат характеристики бензина. Производитель получит «богатый» качественный продукт, соответствующий современным нормам, и, как следствие, завоюет доверие потребителя. Самое важное, ответственно подходить к выбору присадки и доверить ее внедрение в продукт специалистам, которые с точностью определят нужную дозировку и лично проконтролируют ее внедрение на ваших мощностях.

Компания «Одуванчик» предлагает комплексный подход к изготовлению топлива, предлагая как единое сбалансированное решение для мини НПЗ и сетей АЗС, так и отдельные присадки для получения эффективной формулы топлива для бензина.

Комплексная присадка Element

Основная проблема современных мини НПЗ и частных сетей АЗС — плохо настроенное оборудование. Из-за чего компоненты и присадки топливной формулы нередко подбирается «на глаз». Результат — нестабильное качество получаемого топлива, разное содержание элементов и даже разное ОЧ от партии к партии. Кроме того, для производства топлива задействованы собственные производственные мощности — резервуары, емкости, оборудование. Есть зависимость от цены и сроков поставки компонентов топлива, расходов на логистику.

Имея 12 лет опыта работы с НПЗ и сетями АЗС и огромную исследовательскую базу, специалисты научно-исследовательского центра компании «Одуванчик» разработали единое решение для получения оптимальной формулы бензина.

Заказчик, имея базовый прямогонный бензин с ОЧ 60-70, обращается в «Одуванчик». Специалисты создают сбалансированную и экономически эффективную формулу бензина на своих производственных мощностях, тестирует ее на сырье клиента. В итоге он получает одну присадку Element5 (для ЕВРО5) или Element4 (для ЕВРО4), которая дополнительно содержит еще несколько правильно и точно подобранных присадок. Это топливо обеспечивает ровное горение, эффективную работу ДВС и, как следствие, лояльность потребителей. А это — залог успеха. Кроме того, заказчики «Одуванчика» экономят за счет сокращения издержек на производство и логистику.

Таким образом, вместе с присадкой вы получаете технологическое сопровождение и правовое консультирование по продукту вместо букета проблем и задач при производстве топлива.

Использовать присадки или нет — решать вам. Но чтобы в топливной сфере обойти конкурентов, нужно обладать особой предусмотрительностью, вниманием и расчетливостью. Тогда появляется шанс стать первыми.

За помощь в подготовке материала благодарим Александра Владимировича Салищева, кандидата технических наук, начальника отдела контроля качества нефтепродуктов «Кузбасс Терминал».

Поверхностное охлаждение смеси, или почему топливо сгорает не полностью

С ужесточением требований к экологии бензины, обладающие более низким октановым числом (А 76 или АИ 80), а значит, более грязным химическим составом, сегодня не изготавливаются.

Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием

О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Момент искрообразования соответствует положению точки 1 на диаграмме, а давление в камере сжатия — ординате P1.

Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.

Процесс сгорания условно делят на три фазы.

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

Характеристика

Сперва разберемся с обозначениями: далее A — это воздух (кислород), F — топливо. Дизельное сгорание характеризуется низким общим отношением A / F. Наименьшее среднее значение A / F часто наблюдается в условиях пикового момента. Чтобы избежать чрезмерного образования дыма, A / F при пиковом моменте обычно поддерживается выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности около 14,4:1. Это также касается всех активаторов горения дизтоплива.

В дизельных двигателях с турбонаддувом отношение A / F на холостом ходу может превышать 160:1. Следовательно, избыточный воздух, присутствующий в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже отработанными газами. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания истощается, что объясняет окислительный характер выхлопа дизеля.

Когда горит дизтопливо? Этот процесс происходит после того, как испаренное горючее смешивается с воздухом, образует локально богатую смесь. Также на этом этапе достигается надлежащая температура горения дизельного топлива. Однако общее отношение A / F невелико. Другими словами можно сказать, что большая часть воздуха, впускаемого в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избытке воздуха помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, снижая их до крайне малых концентраций в выхлопных газах. Этот процесс гораздо более важен, чем температура горения дизельного топлива.

Влияние степени сжатия

При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.

Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.

Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.

Правила транспортировки

Транспортировка большей части нефтепродуктов допускается всеми видами транспорта: автомобильным, железнодорожным, авиационным. Особые требования выдвигают к тарам – емкостям под нефтяные продукты. Они обычно изготовлены из алюминия с защитным внутренним слоем или стали. Емкости плотно закрывают крышкой с прокладкой, создаются все условия для полной герметичности. Тара должна быть обозначена соответствующей маркировкой – номер UN вещества, класс опасности. Бочки с горючим размещают вертикально и жестко фиксируют. Без оформления разрешения Минтранса и согласования маршрута допускается транспортировка 1000 литров бензина.

Цистерны автопоездов в обязательном порядке обозначают специальной маркировкой. Бензовоз должен быть оборудован заземляющим устройством. При необходимости транспортировки свыше 1000 литров горючего водитель обязан иметь при себе:

• маршрутный лист с указанным местом отправления и конечным пунктом;
• соглашение о перевозке опасных грузов;
• допуск к транспортировке грузов.

Доставкой взрывоопасных веществ, включая углеводородные смеси, могут заниматься обученные водители. У них должна быть медицинская справка. Документ подтверждает пройденный этап медицинского контроля. Компания-перевозчик обязательно должна располагать разрешением на перевозку опасных грузов внутри страны.

Влияние угла опережения зажигания

Рис. Влияние угла фз, опережения зажигания на форму индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя: 1 — ф1 = 0°; 2 — ф2 = 7°; 3 — ф3 = 22°; 4 — ф4 = 27°.

Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя.

При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания.

Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный.

Оптимизация

Важным параметром для оптимизации системы сгорания дизельного топлива в двигателе является доля доступного воздуха, участвующего в этом процессе. Коэффициент К (отношение объема поршневой чаши к зазору) является приблизительной мерой доли воздуха, доступного для сгорания. Уменьшение рабочего объема двигателя приводит к уменьшению относительного коэффициента К и к тенденции ухудшения характеристик сгорания. Для данного смещения и при постоянной степени сжатия коэффициент K можно улучшить, выбрав более длинный ход. На подбор соотношения диаметра цилиндра к двигателю может повлиять фактор K и ряд других факторов, таких как упаковка двигателя, отверстия и клапаны и так далее.

Влияние состава рабочей смеси

Состав рабочей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха а. Состав влияет на скорость сгорания, количество выделяемого тепла, вследствие чего изменяются давление и температура газов в цилиндре. Минимальное значение угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения и максимальное давление в цилиндре достигаются при а =0,85…0,9. При этом значении коэффициента избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность. По мере обеднения состава смеси (а>0,9) изменяется величина оптимального значения Фз, уменьшается величина максимального давления сгорания.

Для каждого двигателя принят свой оптимальный состав рабочей смеси, при котором на данном режиме достигается минимальный удельный расход топлива. Для двигателей со степенью сжатия около 8 при почти полном открытии дроссельной заслонки экономичный состав смеси получается при и =1,15…1,2. Для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя с искровым зажиганием существует также свое оптимальное значение угла опережения зажигания. Поэтому в конструкции таких двигателей предусмотрено устройство, обеспечивающее автоматически в зависимости от режима работы двигателя оптимальное значение ф3.

Температура вспышки бензина

Температура вспышки бензина – это такой тепловой порог, при котором свободно отделяющиеся, более лёгкие фракции бензина воспламеняются от источника открытого пламени при нахождении этого источника непосредственно над исследуемым образцом.

На практике температуру вспышки определяют методом нагрева в открытом тигле.

В небольшую открытую ёмкость наливают исследуемое топливо. Далее его медленно разогревают без привлечения открытого пламени (например, на электроплите). Параллельно контролируется температура в режиме реального времени. Каждый раз при повышении температуры бензина на 1°C на небольшой высоте над его поверхностью (так, чтобы открытое пламя не соприкасалось с бензином) проводят источником пламени. В тот момент, когда появится огонь, и фиксируют температуру вспышки.

Проще говоря, температура вспышки отмечает тот порог, при котором концентрация в воздухе свободно испаряющегося бензина достигает величины, достаточной для воспламенения под воздействием открытого источника огня.

Влияние частоты вращения коленчатого вала

Рис. Влияние частоты вращения n и угла фз, опережения зажигания на характер индикторных диаграмм карбюраторного двигателя: а — угол фз — неизменный на всех скоростных режимах; б — углы ф2 и ф3 — подобраны для каждого скоростного режима: 1 — n = 1000 об/мин; 2 — n = 2000 об/мин; 3 — n = 3000 об/мин.

При увеличении частоты вращения n коленчатого вала увеличивается скорость движения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе и усиливаются вихревые движения смеси в камере сжатия. Опыты показывают, что с увеличением n длительность первой фазы Q1 сгорания, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала Ф, возрастает, процесс сгорания развивается с запаздыванием. Максимальное давление Р цикла снижается и все больше смещается на такт расширения. Экономичность двигателя ухудшается. Если же при увеличении n увеличить на определенную величину фз, то основная фаза сгорания приблизится к в.м.т., давление Р цикла увеличится, и несмотря на то, что третья фаза сгорания (догорание) заканчивается позже, чем при меньших значениях n, экономичность цикла улучшается (кривые 3 к 1, рис. б). Следовательно, для получения максимальной мощности и эффективности двигателя необходимо автоматически обеспечивать оптимальное значение угла опережения зажигания для каждого скоростного режима.

Возможные трудности

Особенно существенная проблема при настройке максимального отношения цилиндра к рабочему ходу заключается в очень сложной упаковке головки блока цилиндров. Это необходимо для размещения конструкции с четырьмя клапанами и системы впрыска топлива Common-Rail с инжектором, расположенным в центре. Головки цилиндров имеют сложную конструкцию из-за множества каналов, включая водяное охлаждение, удерживающие болты головки цилиндров, впускные и выпускные отверстия, инжекторы, свечи накаливания, клапаны, их стержни, углубления и седла, а также другие каналы, используемые для рециркуляции выхлопных газов в некоторых конструкциях.

Камеры сгорания в современных дизельных двигателях с прямым впрыском могут называться открытыми или повторными.

Детонация

В двигателях с искровым зажиганием при определенных условиях работы двигателя возникает быстрый, приближающийся к взрыву процесс сгорания рабочей смеси. Называется он детонацией. Признаки, указывающие на детонацию при работе двигателя: звонкие металлические стуки в цилиндрах, перегрев двигателя, снижение мощности, появление черного дыма (сажи) в отработавших газах.

Основные причины появления детонации:

• применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного для данного двигателя;
• повышение степени сжатия, вызванное низким качеством ремонта или обслуживания;
• увеличение угла опережения зажигания; качество рабочей смеси не соответствует требованиям, которые предъявляются к топливу для данного двигателя. Наиболее склонна к детонации рабочая смесь при а = 0,9.

На появление детонации также влияет материал головки цилиндров и поршней. Двигатели, у которых эти детали изготовлены из алюминиевых сплавов, меньше склонны к детонации, чем двигатели, у которых эти детали изготовлены из чугуна. Так как чугун обладает худшей теплоотдачей, то в жаркую погоду детали перегреваются, и это приводит к детонации.

Детонация повышает давление и температуру в цилиндрах, вызывает вибрацию двигателя. Вследствие этого ухудшается смазка трущихся поверхностей, обгорают клапаны, поршни, разрушаются подшипники коленчатого вала.

Химическая стабильность

Рассматривая химические качества бензина, нужно делать основной акцент на то, как долго состав углеводородов будет неизменным, так как при долгом складировании более легкие компоненты исчезают, и эксплуатационные качества сильно снижаются.
В частности, остро проблема стоит тогда, если из бензина с минимальным октановым числом получилось горючее более высокой марки (АИ 95) методом добавления в его состав пропан или метана. Их антидетонационные качества выше, чем у изооктана, но и рассеиваются они моментально.

По ГОСТу химический состав топлива любой марки должен быть неизменным в течение 5 лет при соблюдении правил складирования. Но на деле часто даже только что приобретенное топливо уже имеет октановое число ниже заданного.

Виноваты в этом недобросовестные продавцы, которые добавляют сжиженный газ в емкости с горючим, время хранения которого истекло, и содержание не отвечает требованиям ГОСТа. Обычно к одному и тому же топливу добавляют различное число газа для получения октанового числа, равного 92 или 95. Подтверждением таких хитростей является резкий запах газа на АЗС.

Преждевременное воспламенение рабочей смеси

В процессе работы двигателя иногда возникают такие условия, при которых отдельные детали внутри камеры сгорания (электроды свечи зажигания, клапаны) нагреваются выше 700…800°С. Соприкасаясь с нагретыми деталями, рабочая смесь воспламеняется раньше, чем возникает искра зажигания. Сгорание начинается до прихода поршня в в.м.т. Происходит так называемое калильное зажигание. Детали при калильном зажигании нагреваются еще больше. Воспламенение смеси при последующих циклах начинается еще раньше. В результате детали настолько перегреваются, что начинают оплавляться, увеличивается сопротивление их движению, и двигатель теряет мощность. Одной из причин возникновения калильного зажигания является применение свечей зажигания, не соответствующих конструкции двигателя.

Что такое бензин?

Этот пункт идёт первым, потому что он крайне важен для понимания вопроса. Забегая вперёд, скажем так: вы никогда не найдёте химической формулы бензина. Как, например, можно без проблем отыскать формулу метана или другого однокомпонентного нефтепродукта. Любой источник, который покажет вам формулу автомобильного бензина (не важно, будь то вышедший из оборота АИ-76 или наиболее распространённый сейчас АИ-95) однозначно заблуждается.

Дело в том, что бензин – это многокомпонентная жидкость, в которой как минимум присутствует не менее десятка различных веществ и ещё больше их производных. И это только база. Перечень присадок, используемых в различных бензинах, в разные промежутки времени и для различных условий эксплуатации, занимает внушительный лист из нескольких десятков позиций. Поэтому невозможно выразить одной химической формулой состав бензина.

Краткое определение бензина можно дать такое: легковоспламеняющаяся смесь, состоящая из лёгких фракций различных углеводородов.

Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании

При работе двигателей наблюдаются случаи, когда после того, как выключено зажигание, двигатель продолжает некоторое время работать. Объясняется это тем, что при прикрытой дроссельной заслонке температура рабочей смеси в конце такта сжатия повышается и смесь самовоспламеняется, если частота вращения коленчатого вала прогретого двигателя составляет 300…400 об/мин. Чтобы предотвратить это явление, в конструкцию карбюратора вводят устройство, которое автоматически прекращает подачу топлива при выключении зажигания.

Виды горючего

Оно бывает разным. Но нефтепродукты и другое топливо легко поддаются воспламенению.

Температура возгорания керосина и других продуктов отличается. Измерять ее достаточно сложно. Также разняться правила тушения. Твердыми материалами естественно пользуются для нагрева помещений люди, имеющие котел.

Сгорание рабочей смеси в дизелях

Рис. Индикаторная диаграмма дизеля: Q1 , Q2 и Q3 — фазы сгорания топлива; Фвц — угол опережении впрыска топлива.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания дизеля за несколько градусов угла фвп поворота коленчатого вала до прихода поршня в в.м.т. К этому времени воздух в камере сжимается до 3…4 МПа и нагревается в результате этого до 450…550°С. Заканчивается подача топлива после в.м.т. На участке 1…2 давление в камере изменяется за счет сжатия воздуха поршнем — горение топлива еще не началось. Температура в камере немного понижается вследствие ввода в камеру холодного топлива. Затем топливо самовоспламеняется, пламя начинает распространяться по камере, и давление, начиная от точки 2, повышается за счет горения топлива. Угол фвп между началом впрыска (точка 1) и в.м.т. называется углом опережения впрыска. Угол Qi между началом впрыска и моментом начала подъема давления (точка 2) называется периодом задержки воспламенения. В этот период топливо под действием температуры и вихревых движений в камере переходит из жидкого состояния в газообразное, появляются отдельные очаги самовоспламенения.

Период сгорания топлива в цилиндре дизеля условно делят на три фазы:

• первая фаза Q1 — фаза быстрого сгорания. Начинается в момент начала повышения давления (точка 2) и кончается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В этот период выделяется около 30% общего тепла, заключенного во впрыскиваемом в цилиндр дизеля топливе;
• вторая фаза Q2 — фаза замедленного горения (участок 3…4). Она заканчивается в момент достижения максимальной температуры в цилиндре (точка 4). К этому периоду выделяется 70…80% тепла;
• третья фаза Q3 — фаза догорания. Условно она заканчивается в пределах 70° угла поворота коленчатого вала после в.м.т. К этому периоду выделяется около 97% тепла. Процесс является наиболее экономичным, если давление цикла в дизеле достигает своего максимума при повороте коленчатого вала на 6…10° после в.м.т.

Величина максимального давления Pz и момент достижения его зависят от того, как протекает сгорание в первой и во второй фазах.

Экономичность цикла зависит от характера и продолжительности протекания процесса подготовки топлива к самовоспламенению (период Qi — задержки самовоспламенения) и характера сгорания (первая Q1, вторая Q2 и третья Q3 фазы сгорания).

Главные качества

Главные качества топлива – его химический состав, способность к испарению, горению, самовоспламенению, возникновению отложений, а также коррозионная устойчивость и стойкость к возгоранию.

Физико-химические характеристики зависят от того, какие углеводороды и в каких соотношениях присутствуют в топливе. Температура замерзания топлива составляет -60 градусов, в случае использования особых присадок можно снизить этот показатель до -71 градуса.

Топливо активно испаряется при температуре +30 градусов, и с ростом температуры процесс испарения осуществляется активнее. Когда степень его паров в воздухе составляет 74-123 граммов на м3, формируется взрывоопасная смесь.

Состав фракции топлива воздействует на эксплуатационные качества. При изготовлении крайне необходимо получить оптимальное соотношение легких и тяжелых соединений, чтобы получить достаточно высокое испарение при низких температурах и не допустить сбоев в работе мотора из-за создания паровых пробок в топливном проводе, которые могут появиться ввиду активного испарения большого числа легких соединений.

Ввиду этого бензины, которые используются в местностях с жарким климатом и в районах полярного круга, обладают разным химическим составом для того, чтобы обеспечить нужные эксплуатационные качества. Бензин получается несколькими способами:

• путем прямой перегонки нефти;
• путем отбора конкретных фракций;
• крекинг;
• риформинг.

Главная составляющая топлива, которая получена способом прямого перегона – соединения алканов. При крекинге и риформинге они трансформируются в разветвленные алканы и ароматические компоненты. Два последних метода позволяют получить горючее с высоким октановым числом марок АИ 92 и 95.

Общая характеристика

Дизель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех практических двигателей внутреннего и внешнего сгорания благодаря очень высокой степени расширения и присущему обедненному горению, что позволяет рассеивать тепло избыточным воздухом. Небольшая потеря эффективности также предотвращается без непосредственного впрыска, поскольку несгоревшее горючее не присутствует при перекрытии клапана, а топливо не поступает непосредственно из впускного (впрыскивающего) устройства в выхлопную трубу. Низкоскоростные дизельные двигатели, которые используются, например, на судах, могут иметь тепловой КПД, превышающий 50 процентов.

Дизели могут быть сконструированы как двухтактные, так и четырехтактные. Первоначально они использовались в качестве более эффективной замены для стационарных паровых двигателей. С 1910 года они применялись на подводных лодках и кораблях. Использование в локомотивах, грузовиках, тяжелом оборудовании и электростанциях последовало позже. В тридцатых годах прошлого века они нашли место в конструкции нескольких автомобилей.

Открытые камеры

Если верхнее отверстие чаши в поршне имеет меньший диаметр, чем максимальный этот же параметр чаши, то ее называют возвратной. Такие чаши имеют «губу». Если ее нет, то это открытая камера сгорания. В дизельных двигателях данные конструкции с чашей типа «мексиканская шляпа» известны с 20-х годов прошлого века. Они использовались до 1990 года в двигателях большой грузоподъемности до того момента, когда возвратная чаша стала более важной, чем была раньше. Эта форма камеры сгорания предназначена для относительно продвинутых значений времени впрыска, где чаша содержит большую часть горящих газов. Она не очень подходит для стратегий замедленного впрыска.

Преимущества и недостатки

С 70-х годов прошлого столетия использование дизельных двигателей в более крупных дорожных и внедорожных транспортных средствах в США возросло. Согласно данным Британского общества производителей и производителей автомобилей, средний показатель по ЕС для дизельных авто составляет 50 % от общего объема продаж (среди них 70 % — во Франции и 38 % — в Великобритании).

В холодную погоду запуск высокоскоростных дизельных двигателей может быть затруднен, поскольку масса блока и головки цилиндров поглощает тепло сжатия, предотвращая воспламенение из-за более высокого отношения поверхности к объему. Предварительно такие агрегаты используют небольшие электрические нагреватели внутри камер, называемых свечами накаливания.