§ 10. Эксплуатационные требования

Как известно, карбюраторные двигатели работают с образованием горючей смеси в специальном приборе, называемом карбюратором (бензиновые двигатели), или в смесительной камере (газовые двигатели), Полученная смесь всасывающему коллектору посту­пает в камеру сгорания, где воспламеняется от искры, и во время рабочего хода тепловая энергия топлива переходит в механическую работу.

Однако не вся энергия сгоревшего топлива превра­щается в полезную работу. Выхлопные газы выходят в атмосферу нагретыми и уносят часть тепла. В процессе работы двигателя детали нагреваются, их охлаждают водой или воздухом, при этом значительная часть тепла расходуется бесполезно. Довольно существенны зат­раты энергии на впуск и сжатие газов, преодоление трения в цилиндропоршневой группе, подшипниках коленчатого вала и т. д. В целом, только 25—35 % энергии сгоревшего топлива расходуется на полезную работу.

Основное топливо для карбюраторных двигателей — бензин различных сортов и марок. Развиваемая мощ­ность и экономичность двигателя, его надежность и эффективность во многом зависят от выбора бензина и его свойств. Партия топлива, поступающего в хозяй­ство, должна иметь паспорт качества, в котором указаны его основные физико-химические показатели. Сравнив данные, приведенные в паспорте, с требованиями стан­дарта, можно сделать заключение об эксплуатационных свойствах топлива и возможности его использования в двигателях. Надежная и эффективная работа карбю­раторного двигателя будет обеспечена только в том случае, если бензин удовлетворяет следующим эксплуа­тационным требованиям:

1) имеет высокие карбюрационные свойства, т.е. образует такую горючую смесь, которая обеспечивает легкий пуск двигателя и устойчивую работу при всех возможных режимах;

2) не вызывает детонации двигателя при любых ре­жимах его работы, т. е. обладает высокой детонационной стойкостью;

3) образует возможно меньшее количество смол в баках, топливоподающей аппаратуре и нагаров на го­рячих деталях двигателей;

4) обладает высокой стабильностью, что обеспечи­вает сохранность его состава и свойства при длительном хранении;

5) не вызывает коррозии резервуаров, баков, трубопроводов, а продукты его сгорания — коррозии деталей двигателя,

6) теп юта сгорания горючей смеси достаточно вы­сока

Остановимся на рассмотрении основных эксплуата­ционных требований, предъявляемых к бензину.

§ 11. Сгорание топлива в карбюраторном двигателе

Основной процесс, происхо­дящий в двигателе, — сгорание топлива. От того, как он про­текает, и зависят технико-эко­номические показатели. Пра­вильность организации про­цесса сгорания определяется многими факторами конструк­тивными особенностями двига­теля, химическим составом сжигаемого бензина, количе­ством поступающего воздуха, давлением и температурой го­рючей смеси, моментом по­дачи искры и т.д. Для дви­гателя данной конструкции и условий эксплуатации (время года, интенсивность загрузки, скорости и др.) определяющим является химический состав топлива, т.е. в реальной эксплуатации — правильность выбора марки бензина

Рис.6 Схема горения рабочей смеси:

1 – горевшая смесь, 2 – фронт пламени, 3 – зона беспламенного горения, 4 – несгоревшая смесь

В конце такта сжатия, когда через свечу подается искра, происходит реакция предпламенного окисления, и около запальной свечи начинается сгорание рабочей смеси, находящейся в камере сгорания двигателя. При нормальном горении скорость распространения фронта пламени составляет 25—35 м/с Интенсивность сгора­ния возрастает при повышении температуры и давления, л также при небольшом обогащении рабочей смеси (α≈0,95) Дальнейшее обогащение и обеднение смеси снижает скорость сгорания в первом случае из-за не­достаточного количества кислорода в смеси, а во вто­ром вследствие его избытка и затраты части тепла на нагревание лишних кислорода и азота.

На рис 6 показана схема горения рабочей смеси и распространение фронта пламени при нормальном течении процесса. Здесь скорость сгорания примерно посто­янна весь период горения, а давление в цилиндре дви­гателя от расширяющихся продуктов сгорания возра­стает плавно и достигает максимального значения вблизи в м.т. Поршень движется вниз к н.м.т., объем за­нимаемый продуктами сгорания, увеличивается, и со­вершается плавная нормальная работа двигателя.

В некоторых случаях (особенно при неправильном выборе бензина для двигателей с высокой степенью сжатия) процесс горения может резко измениться. В форсированных двигателях может возрасти температура, и давление горючей смеси, повыситься интенсивность сгорания. При этом резко ускоряются процессы окисления несгоревших углеводородов топлива в зонах 3 и 4 (рис 6), нормальный процесс сгорания нарушается и может перейти во взрывной, т е возникает детонационное горение. При детонации в конце фазы горения (зона 4) фронт пламени распространяется с очень высокой скоростью (1500 — 2000 м/с).

Поскольку пространство камеры сгорания невелико, упругие детонационные волны многократно ударяются и отражаются от стенок камеры, что вызывает харак­терный для детонации металлический стук (звон). Отражающиеся ударные волны нарушают нормальный процесс сгорания, вызывают вибрацию деталей двига­теля, в результате чего значительно возрастает их износ Выхлопные газы становятся темными, а иногда черны­ми, так как при взрывном сгорании остаются не пол­ностью сгоревшие частицы топлива. Горячие газы, уда­ряясь о стенки цилиндра, повышают коэффициент теп­лопередачи и вызывают перегрев двигателя. Темпера­тура и давление оставшейся, еще не сгоревшей части рабочей смеси, сильно повышаются, что также вызывает перегрев деталей двигателя. Мощность его заметно снижается. Обычно детонация возникает в каком-нибудь одном цилиндре, но может очень быстро передаваться на другие.

Интенсивность детонации зависит от того, какая часть циклового заряда топлива перейдет во взрывное сгорание, что определяется, главным образом, химичес­ким составом углеводородов топлива, температурой и Давлением сгоревших газов Установлено, что если нормально сгорает 93—95 % рабочей смеси, а детонирует 5—7%, то наблюдается слабая детонация, которая обычно не переходит на другие цилиндры. А если с взрывом сгорает 20—25% циклового заряда, то возникает очень сильная детонация, что приводит не только к большему износу и перерасходу топлива, но и к авариям (прогар поршней, разрушение клапанов, свечей, обрыв шатуна т.д.).

Основная причина, от которой зависит возможность детонационного сгорания — химический состав бензи­на. Согласно распространенной в настоящее время так называемой перекисной теории, детонация возникает в результате образования в топливе большого количест­ва нестойких, легковзрывающихся кислородных соеди­нений, которые разлагаются в последней фазе горения и выделяют атомарный кислород, вызывающий взрыв­ное сгорание топлива. Если детонационная стойкость бензина низкая, т. е. в нем содержится много легкоокис­ляющихся углеводородов, то процесс образования про­дуктов окисления (перекиси, гидроперекиси) идет очень бурно и возникает детонация, особенно если такой бен­зин подавать в двигатель с повышенной степенью сжа­тия. При высокой детонационной стойкости, когда в бензине много устойчивых трудноокисляющихся углево­дородов (изопарафиновых, ароматических), кислородосодержащие вещества образуются медленно и в неболь­шом количестве. В результате к концу сгорания цикло­вого заряда их недостаточно для возникновения детонации даже при высоких степенях сжатия. Следователь­но, если марка бензина подобрана правильно, то дето­нации не будет при любом режиме работы двигателя. Кроме химического состава топлива, конструктивных особенностей двигателя, главным образом степени сжа­тия, на возникновение детонации некоторое влияние оказывают условия эксплуатации. Так, сгорание топлива при значении а, близком единице, способствует возни­кновению детонации. В случае же обогащения горючей смеси концентрация кислорода снижается, его стано­вится недостаточно для образования перекисных соеди­нений. Обеднение смеси вызывает снижение температу­ры и скорости горения, тепло расходуется на нагревание избыточного воздуха, склонность к детонации умень­шается.

Распространенный прием снижения детонации — уменьшение угла опережения зажигания. При этом сокращается время на подготовку горючей смеси к воспламенению, а сгорание и образование кислородосодержащих веществ происходит быстрее. Увеличение часто­ты вращения коленчатого вала также снижает склонность к детонации, так как сокращается продолжительность цикла. Если прикрыть дроссельную заслонку, то умень­шится порция подаваемой горючей смеси, что также несколько снизит детонацию. Летом, особенно в южных районах, когда в двигатель поступает теплый воздух, склонность к детонации больше, поэтому двигатель не­обходимо хорошо охлаждать. В холодное время года склонность к детонации снижается. Если в двигатель поступает влажный воздух, то часть тепла затрачивается на испарение воды, и детонация уменьшается. Следова­тельно, все те причины, которые способствуют повыше­нию давления и температуры в цилиндре двигателя, увеличивают склонность к возникновению детонации и наоборот.

Изменяя условия эксплуатации двигателя, можно лишь незначительно снизить детонацию, но полностью ликвидировать ее нельзя. Избежать возникновения де­тонации можно только при правильном подборе бензина для каждого типа двигателя.