Какая температура в камере сгорания бензинового двигателя

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Температура стенок камеры сгорания и днища поршня у различных двигателей находится в пределах 250 — 400 С, а на впускных или выпускных клапанах она значительно выше. При таких температурах под действием кислорода воздуха и каталитического влияния металлических поверхностей масло претерпевает глубокие изменения, в результате чего образуются нагары.  [2]

Температура стенок камеры сгорания в карбюраторном двигателе не превышает 200 С. Наиболее высокую температуру стенок камеры сгорания имеют головки цилиндров дизелей с воздушной системой охлаждения, температура в межклапанной перемычке достигает 260 С. Введение масляного канала для отвода части тепла от головки на дизеле Д-37 М снижает температуру межклапанной перемычки до 200 С. Попытка обеспечить снижение температуры в межклапанной перемычке за счет более развитых ребер охлаждения ввиду конструктивной сложности головки не дает желаемых результатов.  [3]

Температура стенок камеры сгорания остается относительно низкой. Между приводной шестерней и внутренним кольцом верхнего подшипника находится пружина, которая компенсирует осевой зазор подшипника ( фиг.  [4]

Повышение температуры стенок камеры сгорания достигается применением теплоизолирующих вставок в камере или жароупорных накладок на днище поршня. При этом температура стенок камеры повышается на 160 — 240 С для наиболее горячей точки по сравнению с обычной конструкцией, что приводит к уменьшению задержки воспламенения с 13 85 до 12 6 м / сек.  [5]

С понижением температуры стенки камеры сгорания и температуры продуктов сгорания увеличивается зона пониженных температур, при которых может сохраниться агар.  [6]

Замечено, что при постоянной мощности двигателя температура стенки камеры сгорания снижается пропорционально увеличению в составе топлива содержания водорода. Эта особенность обнаруживается тем резче, чем больше мощность двигателя.  [7]

Из табл. 6 и 7 видно также, что температура стенки камеры сгорания ТВД ( в зоне горения) в зависимости от нагрузки двигателя почти в 2 раза превышает температуру днища поршня из алюминиевого сплава. Между тем, толщина нагара на поверхностях камеры сгорания ГТД в зо-не горения достигает 20 мм и иногда нагарный пояс перекрывает до 60 % площади поперечно-то сечения жаровой трубы ( см. ркс. На кромках поршней со стороны входа горючей смеси в четырехтактных бензиновых двигателях или продувочного воздуха в двухтактных двигателях толщина нагара меньше иди его вообще не бывает.  [9]

Для верхнеклапанных карбюраторных двигателей такая система охлаждения позволяет понизить температуру стенок камеры сгорания и повысить температуру стенок цилиндров, что несколько повышает мощностные и экономические показатели двигателя и снижает износ его цилиндров.  [11]

Считают, что в реактивном двигателе источником радиирую-щего пламени, повышающего температуру стенки камеры сгорания , является горение не непосредственно углеводородов, а продуктов их глубокой деструкции — микрочастиц углерода. Степень радиации пламени углеводородов определяется их химической структурой и отношением в рабочей смеси топлива к воздуху.  [12]

В качестве показателя теплоизоляционных свойств нагара принято теплоизоляционное число, представляющее собой отношение перепада температуры стенки камеры сгорания под слоем накопившегося нагара на испытуемом топливе к перепаду температуры стенки при проведении испытаний в определенных условиях на испытуемом топливе. Теплоизоляционное число так же, как и нагарное число, выражается в процентах.  [13]

Этиловый спирт, имея малые значения теплоты испарения по сравнению с другими применявшимися ОЖ незначительно влияет на снижение температуры стенки камеры сгорания , обдуваемой вторичным воздухом, содержащим пары и неиспарившиеся капли этилового спирта.  [14]

Индукционный период уменьшается при увеличении степени сжатия, повышении температуры и давления всасываемого в цилиндр воздуха, а также при повышении температуры стенок камеры сгорания в тех местах, куда ударяет струя топлива. Однако решающее значение имеет состав топлива. Меньшим индукционным периодом обладают парафиновые углеводороды нормального строения с длинной цепью. Топлива, содержащие много ароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, имеют чрезмерно высокую температуру самовоспламенения и длинный индукционный период. Нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными парафиновыми цепями, напротив, характеризуются коротким индукционным периодом и соответственно нормальной скоростью горения. Таким образом, условия возникновения стуков в дизелях противоположны тем, которые вызывают детонацию в двигателях с искровым зажиганием.  [15]

Как температура и давление в цилиндрах дизеля влияют на работу мотора

У бензина нет собственной химической формулы. Он состоит из десятков компонентов, без учета присадок. Привычное обозначение (А95) является показателем октанового числа.

Под температурой вспышки подразумевается минимальный порог нагрева, при котором пары способны воспламенится от открытого источника. Бензин относится к наиболее пожароопасным нефтепродуктам (воспламенение при минус 400С).

Температура воспламенения – минимальный показатель, при котором топливо-воздушная смесь вспыхивает от стороннего источника и горит от испарения не менее 5 секунд. Температура горения превышает температуру вспышки на 10-15 градусов.

Самовоспламенение – значение, при котором горячие пары бензина возгораются без постороннего источника. Этот показатель необходим для:

• разделения веществ по группам пожароопасности;
• расчета электрооборудования;
• выяснения причин возгораний.

Бензин применяют на моторах с искровым зажиганием. Перед подачей в цилиндр топливо-воздушная смесь нагревается выше температуры вспышки.

2 условия воспламенения:

1. Бензин находится в газообразном состоянии.
2. Соотношение топлива и воздуха в пределах возгорания.

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.

Цетановое число, качество воспламенения

Так как дизельный двигатель работает без внешнего воспламенения, то после впрыска дизельного топлива в горячий сжатый воздух, находящийся в камере сгорания, оно должно самовоспламениться с минимально возможной задержкой (периодом задержки воспламенения).

Качество воспламенения определяется как такое свойство топлива, которое определяет начало его самовоспламенения в дизельном двигателе. Качество воспламенения выражается с помощью так называемого цетанового числа (CN). Чем выше цетановое число, тем легче воспламенить топливо.

Углеводород цетан имеет очень хорошую характеристику воспламеняемости, которая соответствует цетановому числу 100, тогда как углеводород метилнафталин, имеющий очень плохую воспламеняемость, имеет цетановое число, равное 0, Стандарт DIN 51601 для дизельного топлива определяет минимальное цетановое число в 45 единиц.

Однако для оптимальной работы современных дизельных двигателей (тихая работа, уменьшение вредных выбросов) желательно иметь топливо с повышенным цетановым числом около 50. Высококачественное дизельное топливо содержит большое количество парафинов с высокими цетановыми числами. В противоположность этому, различного типа ароматические углеводороды, содержащиеся в крекинговых соединениях, ухудшают качество воспламенения.

Пределы взрываемости

Пределы взрываемости выражены температурой горючего вещества и характеризуют граничные концентрации паров топлива в воздухе. Величиной определяют степень взрывоопасности бензина. С превышением концентрации верхнего предела происходит сгорание жидкости. Наименьшая концентрация паров горючего в воздухе, при которой происходит воспламенение от внешнего источника пламени с последующим распространением огня на весь объем, приводит к взрыву.

Взрывчатые смеси образуются при концентрации паров в воздухе от 70 до 120 г/м3. Значения между ВКПР и НКПР именуют промежуточной взрываемостью: у бензина она составляет 0.7-8%. Итоговая величина зависит от состава реагента, наличия в топливе негорючих присадок. Для автомобильного двигателя особенно опасно детонационное топливо. Оно способствует быстрому распространению теплоты. Процесс приводит к физическому износу деталей цилиндро-поршневой группы. Предотвратить детонации можно путем регулярного технического обслуживания мотора, покупки высокооктанового горючего, установки свечей зажигания с подходящим калильным числом.

Еще одна интересная величина – температура кипения бензина. Находится в пределах от 50 до 110 градусов. Показатель зависит от состава того или иного топлива. Лишь водители со стажем помнят, как летом закипевшее в карбюраторе горючее останавливало транспортное средство. Причиной становились пробки: легкие фракции отделялись от тяжелых под видом пузырьков горючего газа из-за чрезмерного разогревания. Достаточно было постоять на обочине некоторое время. Образованные газы вновь становились жидкостью, система освобождалась от образованных пробок – машина продолжала свой путь.

Рабочая температура дизельного двигателя

Дизельные агрегаты имеют другую конструкцию, поэтому температура в камере сгорания при их работе в несколько раз ниже. Температура работы зависит от того, какого типа сам двигатель. При работе температура сначала значительно повышается, потом снижается, так как горючая смесь начинает воспламеняться быстрее. Она сгорает раньше, процесс становится более плавным и полноценным, почти не остается невоспламенившейся жидкости. За счет этого рабочая температура становится стабильной, больше делается КПД двигателя, сами выхлопы становятся менее токсичными.

Специалисты считают, что для дизельных конструкций нормальной температурой можно считать 70-90 градусов в зависимости от модели самого мотора. Под нагрузкой температура работы мотора может подниматься до 97 градусов, но дальнейшее ее повышение может вызвать серьезный вред для системы. Существует и обратная перегреву проблема, когда агрегат не прогревается до нужной температуры. Как и у бензинового варианта, у него начинают возникать разнообразные проблемы.

Например, при прогреве, когда система работает на холостом ходу, нужно дать ей нагреться хотя бы до 40-50°С, прежде чем начать движение. Это позволит ей работать оптимально, снизить износ деталей. Кроме этого, требуется следить за оборотами: они должны достичь 2 000 или 2500 оборотов в минуту. После этого нужно подождать, пока система прогреется до 80°С, это будет значить, что силовой агрегат можно использовать в полную силу. Особенно эта рекомендация актуальна для холодного времени года, так как многие дизели испытывают зимой проблему с запуском, применяют специальный электроподогрев.

Если мотор не достигает рабочей температуры, его КПД сильно снижается. Это отражается на тяге автомобиля в целом, он начинает хуже разгоняться, медленно едет, расход топлива при этом значительно повышается. Это может происходить по следующим причинам:

• Термостат вышел из строя;
• Резко ухудшилась компрессия;

Если использовать такой автомобиль под нагрузкой, например, при езде по бездорожью или перевозке грузов, смесь будет сгорать не полностью, начнет появляться нагар на стенках камеры сгорания, топливные форсунки засорятся, сажевый фильтр быстро выйдет из строя, износ системы увеличится.

Например, при засорении форсунок солярка не будет сгорать полностью, ее расход увеличится чисто из-за того, что часть топлива будет выливаться через выхлопную трубу, так и не сгорев. Опасно данное явление тем, что догорает топливо, уже находясь на поверхности поршней, что вызывает их прогорание, засорение камер сгорания. Пострадать от этого может и впускной клапан, уменьшится компрессия, кроме этого, запустить такой двигатель на холодную будет проблематично.

Частые проблемы дизелей: момент впрыска и компрессия

Если сжатие смеси в цилиндре оказывается недостаточным, во время работы двигателя можно услышать шумы и металлические стуки. Дело в том, что в таком случае смеси нужно больше времени, чтобы нагреться до температуры воспламенения.

Получается, снижение компрессии дизельного двигателя увеличивает время до воспламенения заряда.

При этом в цилиндре несгоревшей смеси будет больше, чем нужно. В результате в момент возгорания такого заряда процесс горения приобретает взрывной характер, давление резко увеличивается, появляется ударная волна и детонация, разрушая ЦПГ и оказывая значительные нагрузки на детали мотора.

Также снижение компрессии приводит к тому, что

дизель начинает дымить

. Выхлоп может быть черным или серовато-белым. В случае с белым дымом из выхлопной трубы, дизтопливо попросту неэффективно воспламеняется в момент, когда поршень доходит до ВМТ.

Затем поршень идет вниз, температура и давление дополнительно снижаются, нет условий для горения. Получается, несгоревшая солярка испаряется и далее попадает в выпускную систему

То же самое происходит и в том случае, если впрыск дизтоплива слишком поздний. Другими словами, компрессия в цилиндрах нормальная, но подача топлива с опозданием приводит к тому, что поршень уже идет вниз, нет нужного сжатия и давления для самовоспламенения.

Если же выхлоп черный, это может указывать на то, что форсунки «переливают», то есть подача горючего происходит в большем объеме, чем необходимо. Простыми словами, дизтоплива много, а кислорода просто недостаточно на такое количество горючего.

Имеющийся кислород позволяет выгореть только части топлива, а несгоревшие остатки превращаются в углерод, что и проявляется в виде характерного черного дыма из выхлопной трубы.

Еще отметим, что к похожим проблемам может приводить недостаточная подача воздуха (например, забит воздушный фильтр), завоздушивание системы питания дизельного двигателя и т.д.

В итоге, если нарушается нормальный процесс смесеобразования, это закономерно влияет на момент воспламенения и последующую эффективность сгорания топливного заряда в цилиндрах.

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.

Важно обращать внимание на то, какая должна быть рабочая температура двигателя. Как перегрев, так и понижение показателей могут существенно навредить системе, поэтому важно вовремя обращать на это внимание и принимать меры по восстановлению, пока поломка не превратилась в серьезную проблему, исправление которой обойдется в круглую сумму.

Что такое 92, 95?

Что значат данные цифры? Они обозначают октановое число топлива. Значение, описывает детонационную устойчивость топлива, т.е. возможность горючего сопротивляться самовоспламенению во время сжатия. Таким образом, при высоком октановом числе, вероятность самовоспламенения при сжатии сокращается.

При производстве топлива, октановое число, самое чистое, выходит в районе 80-85. Чтобы вывести его на необходимый уровень, размешивают с различными присадками.

Что будет, если вместо 92 залить 95?

Если зальете в двигатель, предназначенный для 92, 95-ый бензин, то ничего плохого не будет, скорее лучше. Т.е. двигатель будет работать мягче. Это необходимо понимать, что если заливаете топливо с более хорошими характеристиками, то для двигателя это еще лучше. Т.е. детонация исключается практически вообще, соответственно топливо будет воспламеняться именно от свечи зажигания, а не от степени сжатия.

Поэтому заливая топливо с более высоким октановым числом, двигатель будет чуть лучше, чуть мягче работать. Т.е. большему октановому числу нужны более высокая температура и степень сжатия. Таким образом, такое топливо дольше горит и выделяет больше тепла. Но не стоит ожидать от него большого прилива мощности, либо уменьшения расхода, Вы этого не почувствуете.

Какая температура в камере сгорания бензинового двигателя

Однако при слишком быстром сгорании работа двигателя сопровождается повышенными ударными нагрузками на его детали.

Для повышения топливной экономичности важное значение имеет вопрос расширения предела обеднения смеси при воспламенении и горении. Обеднение смеси способствует повышению индикаторного КПД двигателя, что позволяет получить существенную экономию топлива на частичных нагрузках. На предел возможного обеднения оказывает существенное влияние химический состав топлива. Так, если для жидких углеводородных топлив предельное значение коэффициента избытка воздуха а составляет 1,15…1,2; углеводородных газов 1,2…1,3, то для спиртовых топлив 1,25… 1,30. Качественное приготовление топливно-воздушной смеси и в особенности ее полное испарение и однородность состава также способствуют расширению предела обеднения.

В ряде случаев процесс распространения пламени нарушается и возникает так называемое аномальное сгорание. Одним из распространенных видов аномального сгорания является калильное зажигание. Это явление связано с тем, что в некоторых случаях при перегреве двигателя происходит самопроизвольное воспламенение рабочей смеси от «горячих точек». Такими точками (или зонами) могут являться клапаны, наиболее выступающие части свечей зажигания, нагары, образующиеся при сгорании топлива, и др.

Наиболее характерным проявлением калильного зажигания является продолжение работы двигателя в виде кратковременного неустойчивого «дерганья» после его выключения. При работе форсированных двигателей на режимах повышенных нагрузок калильное зажигание в некоторых случаях является причиной преждевременного (т. е. до появления искры на свече зажигания) воспламенения рабочей смеси. Это ведет к перегреву двигателя, падению его мощности из-за смещения сгорания на линию сжатия, а также способствует возникновению детонации.

Вследствие увеличения нагрузок на детали калильное зажигание ведет к повышенному износу двигателя. В то же время интенсивное калильное зажигание может вызвать прогорание и разрушение поршней, обгорание их кромок и клапанов, залегание колец и даже поломку шатунов и обрыв коленчатых валов.

Калильное зажигание может вызываться двумя источниками различной природы: горячими металлическими поверхностями и нагарами. В первом случае зажигание устраняется с помощью улучшения конструкции камер сгорания, обеспечения отвода тепла от перегреваемых поверхностей, использования «холодных» клапанов и свечей и др.

В отличие от металлических поверхностей нагар при взаимодействии с кислородом воздуха может саморазогреваться и становиться источником воспламенения топливной смеси даже при низких температурах подогрева. Калильная активность нагара зависит главным образом от содержания в бензинах ароматических углеводородов, их строения и молекулярного веса. В частности, с увеличением молекулярного веса образуется более активный нагар. Поэтому основным способом борьбы с калильным зажиганием от нагара является ограничение содержания в бензинах ароматических углеводородов, а также использование в бензинах различных присадок, изменяющих состав и свойства нагара.

При использовании бензинов, не соответствующих требованиям двигателя, на ряде режимов его работы может возникать особый вид аномального сгорания — детонационное сгорание. Это широко известное явление проявляется в звонком металлическом стуке, дымлении отработавших газов и резком перегреве двигателя.

Причиной детонационного сгорания является образование неустойчивых перекисных соединений при окислении углеводородов топлива. При повышенных температурах и давлениях в камере сгорания перекисные соединения разлагаются с выделением большого количества тепла. Процесс разложения носит взрывной характер, в результате чего в цилиндре возникают ударные волны и скорость распространения пламени возрастает до 2000… 2500 м/с (рис. 10, кривая г). Перекисные соединения образуются при сгорании топлива всегда, но детонация возникает лишь при их определенном (критическом) содержании для определенных условий (давления и температуры) в цилиндре. Чем выше давление и температура в цилиндрах, тем при меньшем содержании перекисных соединений начинается переход нормального сгорания в детонационное.

Главная опасность детонации связана с перегревом камеры сгорания и днища поршня из-за высоких температур в детонационной волне и усиления теплоотдачи. Кроме того, детонационные волны, многократно отражаясь от стенок, разрушают смазочный слой на поверхности гильзы и тем самым способствуют увеличению износов цилиндра и поршневых колец. Детонация также ведет к повышенным вибрационным нагрузкам на детали цилиндро-поршневой группы. При детонации мощность двигателя падает, а расход топлива увеличивается. Поэтому длительная работа двигателя с детонацией недопустима.

Возникновению детонации способствует увеличение продолжительности пребывания последних порций топлива в камере сгорания, ведущее к ускорению образования перекисных соединений. Поэтому увеличение частоты вращения коленчатого вала и уменьшение угла опережения зажигания ведет к подавлению детонации благодаря уменьшению времени нахождения порции топливной смеси в цилиндре. Таким образом, при возникновении детонации ее можно устранить с помощью таких мер, как прикрытие дросселя, уменьшение загрузки автомобиля, переход на более высокие частоты вращения коленчатого вала двигателя путем включения низшей передачи и уменьшения угла опережения зажигания. Однако эти способы можно использовать лишь в крайних случаях и кратковременно, так как все они ведут к увеличению расхода топлива, а в ряде случаев — к снижению мощности двигателя.

Количество образующихся перекисей в наибольшей степени зависит от состава бензина. Поэтому наиболее эффективным способом борьбы с детонацией является повышение детонационной стойкости бензинов. Под детонационной стойкостью (или антидетонационными свойствами) бензинов понимается их способность противостоять возникновению детонации в двигателе. Основным показателем детонационной стойкости бензинов является октановое число, определение которого осуществляется на специальных одноцилиндровых моторных установках с переменной степенью сжатия. Детонационная стойкость бензина на этих установках оценивается по сравнению с известной детонационной стойкостью эталонных топлив. В качестве таких топлив используются смеси изооктана, детонационная стойкость которого принята за 100 единиц, и гептана, октановое число которого равно 0. Определение детонационной стойкости бензина заключается в подборе такой эталонной смеси изооктана и гептана, интенсивность детонации которой, регистрируемая с помощью прибора, соответствует интенсивности детонации испытуемого бензина при одной и той же степени сжатия. Под октановым числом бензина понимается показатель, равный процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости этому бензину.

Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя методами — моторным и исследовательским. Режим испытаний по исследовательскому методу менее напряженный, чем по моторному, в связи с чем получаемое октановое число несколько выше, чем определенное по моторному методу. Разница между исследовательским и моторным октановым числами называется «чувствительностью» бензина и зависит от его состава.

В СССР для определения октановых чисел бензинов ранее выпускались установки ИТ9-2 и ИТ9-6. Установка ИТ9-2 предназначена для определения октанового числа по моторному методу, ИТ9-6—по исследовательскому. В настоящее время эти установки сняты с производства и вместо них выпускается одна универсальная установка УИТ -65, позволяющая определять октановые числа по обоим методам. Эта установка оборудована электронным прибором для измерения интенсивности детонации и автоматическими устройствами для поддержания требуемого режима испытаний.

Условия сгорания топливной смеси в двигателе существенно отличаются от режима оценки октановых чисел бензинов на установке УИТ -65. Поэтому для определения фактической детонационной стойкости бензинов, а также требований двигателя по этому показателю используется специальная методика детонационных испытаний двигателей и автомобилей. Метод детонационных испытаний позволяет получить детонационную характеристику двигателя во всем диапазоне его рабочих частот, оценить фактическую детонационную стойкость бензина и на этой основе установить его соответствие требованиям двигателя.

Детонационная стойкость бензинов обусловлена, прежде всего, требованиями двигателя и главным образом его степенью сжатия. При увеличении степени сжатия на единицу требуется повысить детонационную стойкость бензина на 4…8 октановых единиц. Исторически развитие двигателей с принудительным воспламенением шло по пути непрерывного увеличения степени сжатия и соответственно повышения октановых чисел используемых бензинов., Такая тенденция обусловлена ростом мощности

и снижением расхода топлива при увеличении степени сжатия двигателя. Однако повышение детонационной стойкости бензинов связано с ростом их стоимости и, главное, увеличением затрат нефтяного сырья. Поэтому в настоящее время оптимальный уровень детонационной стойкости бензинов устанавливается с химмотологических позиций — на основе разумного компромисса между автомобильной и нефтеперерабатывающей промышленностью, обеспечивающего наибольший народнохозяйственный эффект.

Основным способом повышения детонационной стойкости бензинов является исключение из их состава или сведение к минимуму содержания углеводородов, образующих при сгорании большое количество перекисных соединений, и использование более стойких углеводородов.

Вторым способом является введение в состав бензина специальных а н-тидетонационных присадок (антидетонаторов), разрушающих в процессе горения образующиеся перекиси или препятствующие их возникновению.

Детонационная стойкость бензинов определяется их компонентным составом и строением содержащихся углеводородов. Как было показано выше, товарные бензины получаются смешением продуктов прямой перегонки нефти и вторичных процессов ее переработки. При этом одним из важнейших требований, определяющих состав бензинов, является обеспечение необходимой детонационной стойкости (октанового числа).

Большинство бензинов прямой перегонки имеет невысокие октановые числа в пределах 40…50 ед., что связано с содержанием в них большого количества парафиновых углеводородов с низкой детонационной стойкостью. Октановые числа бензинов термического крекинга выше и находятся в пределах 64…70 ед. Наибольшей детонационной стойкостью характеризуются бензины каталитического риформинга — платформинга, содержащие значительное количество ароматических углеводородов. В платформинге обычного режима получают бензины с октановым числом по исследовательскому методу 82…85 ед. При жестком режиме платформинга содержание ароматических углеводородов в бензине может быть повышено до 70%, что обеспечивает его октановое число в пределах 95…97 ед.

Перечисленные компоненты являются базовыми для приготовления товарных сортов бензинов, при этом также могут дополнительно вводиться и другие компоненты. Такие бензины обычно содержат значительное количество дорогостоящих высокооктановых компонентов, кроме того, их производство связано с дополнительным расходом нефти. Поэтому в основной массе выпускаемых бензинов требуемая детонационная стойкость достигается за счет добавки антидетонаторов.

Какая температура в камере сгорания бензинового двигателя

Главное меню

Судовые двигатели

Главная Судовые двигатели внутреннего сгорания Идеальные циклы и тепловые процессы в двигателях Процесс сгорания топлива в двигателях с принудительным зажигание

Процесс сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя при зажигании ее электрической искрой происходит следующим образом. Между электро­дами свечи зажигания проскакивает короткая искра (только одна), которая имеет высокую температуру и оставляет после себя нить пламени. От обра­зовавшейся таким образом огненной нити пламя распространяется по ра­бочей смеси в виде тонкой пленки (фронт пламени), отделяя продукты сго­рания от несгоревшей рабочей смеси. Если рабочая смесь находится в покое, то пламя распространяется с постоянно увеличивающейся скоростью до конца процесса сгорания в виде гладкого неразрывного фронта. В действи­тельности рабочая смесь в цилиндре двигателя не находится в покое, она имеет вихревые движения различного направления. Вследствие этого фронт пламени искривляется и разрывается на отдельные поверхности; поверх­ность фронта пламени возрастает, и повышается скорость сгорания смеси. Экспериментальные наблюдения за процессом сгорания (например, через прозрачные окна в крышке цилиндра) показывают, что общее направление движения фронта пламени при этом сохраняется. Нормальная скорость пла­мени, т. е. линейная скорость распространения фронта пламени по направ­лению нормали к фронту пламени в данном месте, в потоке с крупномасштаб­ной турбулентностью мало отличается от нормальной скорости в ламинар­ном потоке. Скорость сгорания и, следовательно, скорость тепловыделения при наличии крупномасштабной турбулентности возрастают за счет увели­чения размеров фронта пламени. При возникновении мелкомасштабной тур­булентности усиливается проникновение пламени в зону несгоревшей сме­си и в результате этого возрастает нормальная скорость пламени, что также приводит к увеличению скорости сгорания. Таким образом, наличие турбу­лентного движения рабочей смеси в цилиндре двигателя ускоряет процесс сгорания и потому оно крайне желательно.

Скорость распространения пламени в цилиндре двигателя определяется различными методами: путем скоростного фотографирования пламени от­дельными кадрами в определенные короткие промежутки времени, путем ионизационного метода и путем химического анализа проб газа, отбираемых из различных мест камеры сгорания. Последний метод позволяет одновре­менно определять и состав продуктов сгорания. На рис. 62 приведены ре­зультаты замера средней скорости распространения пламени в одноцилинд­ровом бензиновом двигателе, выполненные Н. В. Иноземцевым и В. К. Кош­киным. Средняя скорость пламени на каждом участке определялась как отношение пути, пройденного пламенем между газоотборниками к проме­жутку времени (веек) прохождения пламени между этими газоотборниками.

Как видно из рис. 62, скорость распространения пламени зависит от состава рабочей смеси. Опыты велись на смеси бензин — воздух, с различ­ным коэффициентом избытка воздуха ?; кривая 1 (? = 0,78); кривая 2 (? = 0,93) и кривая 3 (? = 1,22) и по мере развития процесса сгорания воз­растает.

Наблюдаемое увеличение скорости распространения пламени объяс­няется тем, что давление и температура несгоревшей смеси в период проте­кания процесса сгорания непрерывно возрастают и ускоряются физико-хи­мические процессы во фронте пламени. Опыты, проведенные на двигателях, показывают, что на величину скорости распространения пламени влияют: состав рабочей смеси, степень сжатия, интенсивность турбулентного дви­жения, мощность электрической искры, момент зажигания, загрязненность смеси инертными газами, форма камеры сгорания и др.

На рис. 63 приведены кривые изменения скорости распространения пламени бензиновых и спиртовых смесей с воздухом с различным а. Макси­мум скорости пламени достигается в смеси с ? = 0,85 ? 0,95. Крутизна кри­вых скорости распространения пламени смеси определяет пределы воспламеняемости этих топлив. Нижним пределом воспламеняемости смеси назы­вается состав смеси, дальнейшее уменьшение содержания топлива в котором делает смесь невоспламеняемой.

Верхним пределом воспламеняемости смеси называется состав смеси, дальнейшее увеличение содержания топлива в котором делает смесь невос­пламеняемой.

Ниже приведены пределы воспламеняемости смеси с воздухом.

Приведенные пределы воспламеняемости показывают, что малые зна­чения ? при нижнем пределе воспламеняемости ограничивают область качественного регулирования в карбюраторных двигателях. При ?>1,3, т. е. при малых нагрузках двигателя, смесь выходит за предел воспламе­няемости.

О характере протекания процесса сгорания в цилиндре двигателя мож­но судить по диаграмме (индикаторной) в системе координат р — ? или р — ?, где р — давление в цилиндре в кГ/см 2 ; ? — угол поворота мотыля в град и ? — время в сек.

На рис. 64 представлена диаграмма, показывающая изменение давле­ния за периоды сжатия, сгорания и расширения смеси в двигателе с внешним источником Зажигания смеси (электрическая искра).

Нижняя кривая (см. рис. 64) показывает изменение давления в цилиндре за периоды сжатия и расширения при выключенном зажигании. Точкой 1 отмечен момент проскакивания искры между электродами свечи, однако в течение некоторого промежутка времени изменение давления остается таким же, как и без зажигания смеси. В точке 2 давление начинает резко по­вышаться (кривая отрывается от линии сжатия) и в точке 3 достигает своего максимального значения. При дальнейшем перемещении поршня от ВМТ в цилиндре происходит расширение газов, при котором давление в цилиндре падает.

Характер изменения давления в цилиндре позволяет процесс сгорания в двигателях с зажиганием смеси электрической искрой разбить на три фазы. Первая фаза (участок а, см. рис. 64) — фаза образования и развития самораспространяющегося очага пламени; вторая фаза (участок в) — рас­пространение пламени по всей камере сгорания и третья фаза (участок 3— 4) —догорание рабочей смеси на линии расширения.

В период первой фазы происходят химические процессы с малым выде­лением тепла, так как участвует в них малое количество газов и потому на индикаторной диаграмме нет отклонения линии давления от линии сжатия. Первую фазу горения называют периодом задержки воспламенения. Про­должительность периода задержки воспламенения зависит: от структуры молекулы топлива; от давления и температуры смеси в конце сжатия, т. е. от степени сжатия (чем больше степень сжатия, тем меньше период задержки воспламенения), и от мощности источ­ника зажигания.

В период второй фазы сгорания вследствие интенсивного распростра­нения пламени в цилиндре выделяет­ся большое количество тепла, а пото­му давление и температура газов рез­ко возрастают. Характеристикой вто­рой фазы процесса сгорания являет­ся скорость нарастания давления

Мгновенное значение скорости нарастания давления равно dp/d? чем больше скорость нарастания давления, тем более резкое (ударное) прило­жение усилий к шатунно-мотылевому механизму, или, иначе, тем более жестко будет работать двигатель.

Величина скорости нарастания давления зависит от многих факторов. Сорт топлива, а главное, состав рабочей смеси влияют на ?p/.
Наибольшее значение ?p/?? достигается в смеси с ? = 0,85 ? 0,9. С уве­личением скорости вихревого движения смеси значение ?p/?? возрастает. Форма камеры сгорания и расположение свечи также влияют на величину ?p/.

На рис. 65 (поданным Рикардо) приведена приблизительная зависимость температуры пламени от состава смеси при степени сжатия 5, а на рис. 66 — приближенная зависимость между составом смеси и продолжительностью процесса сгорания. На рис. 66 кривая 1 построена для бензиновой смеси, а кривая 2 — для водородной смеси.

С увеличением степени сжатия возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, а потому период задержки воспламенения сокращается, уменьшается весь период процесса сгорания и повышается максимальное давление цикла.

Для иллюстрации сказанного на рис. 67 приведены три индикаторные диаграммы с различными степенями сжатия, но при работе двигателя на смеси одинакового состава и равных углах опережения зажигания. Кривая 1 соответствует ? = 4; кривая 2 — ? = 5 и кривая 3 — ? = 6.

Продолжительность процесса сгорания влияет на температуру отрабо­тавших газов, а следовательно, на унос тепла с ними и, как следствие, — на к. п. д. двигателя. Сокращение продолжительности периода процесса сгорания повышает теплоиспользование в цилиндре двигателя. На вели­чину продолжительности и характер протекания процесса сгорания, кроме рассмотренных факторов, влияет момент начала процесса сгорания, который определяется так называемым опережением зажигания. Опытом установле­но, что для развития максимальной мощности двигателем опережение зажи­гания должно быть таким, при котором сгорание заканчивается спустя 12— 15° поворота вала после ВМТ.

С изменением числа оборотов наивыгоднейшая продолжительность опережения зажигания, выраженная в градусах поворота вала, изменяется. Для определения наивыгоднейшего угла опережения зажигания при раз­личных режимах работы двигателя снимаются характеристики по зажига­нию.

На рис. 68 приведена такая характеристика двигателя при работе с пол­ным открытием дросселя и с постоянным числом оборотов. Форма камеры сгорания, расположение и число свечей также влияют на характер проте­кания процесса сгорания, а следовательно, и на теплоиспользование в дви­гателе.

Камера сгорания должна обладать:

1) умеренной жесткостью процесса сгорания;

2) минимальным отношением поверхности к объему;

3) расположением свечи зажигания, при котором путь пламени до наиболее удаленных мест камеры является минимальным;

Закономерности теплопередачи в цилиндре двигателя

В цилиндре двигателя с некоторой периодичностью осуществляются термодинамические циклы, которые сопровождаются непрерывным изменением термодинамических параметров рабочего тела — давления, объема, температуры. Энергия сгорания топлива при изменении объема превращается в механическую работу. Условием превращения теплоты в механическую работу является последовательность тактов. К этим тактам в двигателе внутреннего сгорания относятся впуск (наполнение) цилиндров горючей смесью или воздухом, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Изменяющимся объемом является объем цилиндра, который увеличивается (уменьшается) при поступательном движении поршня. Увеличение объема происходит вследствие расширения продуктов при сгорании горючей смеси, уменьшение — при сжатии нового заряда горючей смеси или воздуха. Силы давления газов на стенки цилиндра и на поршень при такте расширения превращаются в механическую работу.

Аккумулированная в топливе энергия превращается в тепловую энергию при совершении термодинамических циклов, передается стенкам цилиндров путем теплового и светового излучения, радиацией и от стенок цилиндров — охлаждающей жидкости и массе двигателя путем теплопроводности и в окружающее пространство от поверхностей двигателя свободной и вынужденной

конвекцией. В двигателе присутствуют все виды передачи теплоты, что свидетельствует о сложности происходящих процессов.

Использование теплоты в двигателе характеризуется КПД, чем меньше теплоты сгорания топлива отдается в систему охлаждения и в массу двигателя, тем больше совершается работы и выше КПД.

Рабочий цикл двигателя осуществляется за два или четыре такта. Основными процессами каждого рабочего цикла являются такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Введение в рабочий процесс двигателей такта сжатия позволило максимально уменьшить охлаждающую поверхность и одиовремепио повысить давление сгорания топлива. Продукты горения расширяются соответственно сжатию горючей смеси. Такой процесс позволяет сократить тепловые потери в стенки цилиндров и с выпускными газами, увеличить давление газов на поршень, что значительно повышает мощностные и экономические показатели двигателя.

Реальные тепловые процессы в двигателе существенно отличаются от теоретических, основанных па законах термодинамики. Теоретический термодинамический цикл является замкнутым, обязательное условие его осуществления — передача теплоты холодному телу. В соответствии со вторым законом термодинамики и в теоретической тепловой машине полностью превратить тепловую энергию в механическую невозможно [67, с. 47J.

Двигатель внутреннего сгорания является тепловой машиной циклического действия. Рабочий цикл и его такты повторяются через строго определенный промежуток времени, т.е. с определенной периодичностью. Время совершения одного рабочего цикла определяется частотой вращения коленчатого вала и для четырехтактного двигателя равно:

где п_е — частота вращения коленчатого вала двигателя.

Частота вращения четырехтактных тракторных дизелей находится в пределах 1500. 2400 мин -1 , автомобильных дизелей —

2400. 5600 мин -1 . При указанных частотах вращения время совершения цикла рабочего процесса у тракторных дизелей находится в пределах 8 • 10 . 5 • 10 -2 с, автомобильных — 5 • 10. 2 • 10 -2 с и бензиновых двигателей — 5 • 10 -2 . 2 • 10 -2 с.

Продолжительность одного отдельно взятого такта обусловливается углом поворота коленчатого вала. Наибольшее время отводится тактам впуска и выпуска, наименьшее — сжатию и расширению вместе со временем сгорания горючей смеси. Соответственно этим промежуткам времени сохраняется значение термодинамических параметров — температуры и давления.

Продолжительность тактов определяется диаграммой фаз газораспределения и для четырехтактных двигателей равно:

где ср_т — угол поворота коленчатого вала при совершении такта, в градусах.

Среднестатистическое значение угла поворота коленчатого вала дизеля при впуске равно 245°, сжатия — 134°, расширения — 122° и выпуска — 258°. При частоте вращения коленчатого вала 2400 мин -1 продолжительность такта впуска составляет 1,67 • 10“ 2 с, сжатия — 9,31 • 1(Г 3 с, расширения — 8,47 • 1(Г 3 с и выпуска — 1,36 • 10- 2 с.

В эти бесконечно малые промежутки времени изменяется и температура в цилиндрах двигателя. Скорость изменения температуры при совершении тактов зависит от перепада температур рассматриваемого Т₂ и предыдущего 7 тактов ко времени совершения такта:

Рассмотрим подробно каждый из тактов.

При такте впуска поршень перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), вследствие увеличения объема цилиндра и снижения в нем давления цилиндр заполняется рабочей смесью у бензиновых двигателей или свежим зарядом воздуха у дизелей. Сложность тепловых процессов, происходящих в цилиндре при впуске, состоит в том, что в цилиндре сохраняются остаточные газы от предыдущего такта и достаточно высокая температура внутренних поверхностей цилиндра, головки и поршня. Свежий заряд смешивается с остаточными газами, а также подогревается вследствие контакта с горячими поверхностями

во впускном тракте и в цилиндре. Температура в конце такта впуска зависит от количества остаточных газов, оставшихся в цилиндре. Ориентировочно принимается, что 1 % в рабочем заряде остаточных газов нагревает заряд на 8 °С [2, с. 35]. В дизелях, цилиндры которых заполняются свежим зарядом воздуха и имеют высокие степени сжатия, температура горючей смеси в конце такта впуска составляет 310. 350 К, что объясняется относительно небольшим количеством остаточных газов, в бензиновых двигателях температура впуска в конце такта составляет 340. 400 К [17, с. 104]. Тепловой баланс горючей смеси при такте впуска можно представить в виде

где ?)_{р т} — количество теплоты рабочего тела в начале такта впуска; Ос.ц — количество теплоты, поступившее в рабочее тело при контакте с нагретыми поверхностями впускного тракта и цилиндра; Qo _г — количество теплоты в остаточных газах.

Из уравнения теплового баланса можно определить температуру в конце такта впуска. Примем массовое значение количества свежего заряда т_{с з}, остаточных газов — т_{о г} При известной теплоемкости свежего заряда с_Р, остаточных газов с’_р и рабочей смеси с_р уравнение (2.34) представляется [17, с. 104] в виде

где Т_с з — температура свежего заряда перед впуском; АТ_сз — подогрев свежего заряда при впуске его в цилиндр; Т_г — температура остаточных газов в конце выпуска. Возможно с достаточной точностью считать, что с’_р = с_р и с’_р — с,с_р, где с; — поправочный коэффициент, зависящий от Т_сз и состава смеси. При а = 1,8 и дизельном топливе -1 и ф_а = 260° составляет со_д = (2,9. 3,9) • 10 4 град/с. Таким образом, температура в конце такта впуска в цилиндре определяется массой и температурой остаточных газов после такта выпуска и нагревом свежего заряда от деталей двигателя. Графики функции co_rt =/(Д_е) такта впуска для дизелей и бензиновых двигателей, представленные па рис. 2.13 и 2.14, свидетельствуют о значительно большей скорости изменения температуры в цилиндре бензинового двигателя в сравнении с дизелем и, следовательно, большей интенсивности теплового потока от рабочего тела и ее росте с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Среднестатистическое расчетное значение скорости изменения температуры при такте впуска дизеля в пределах частоты вращения коленчатого вала 1500. 2500 мин -1 равно = 2,3 • 10 4 ± 0,18 град/с, а у бензинового

двигателя в пределах частоты вращения 2000. 6000 мин -1 — со_я = = 4,38 • 10 4 ± 0,16 град/с. При такте впуска температура рабочего тела примерно равна рабочей температуре охлаждающей жидкости,

Рис. 2.13. Скорость изменения температуры тактов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля

Рис. 2.14. Скорость изменения температуры тактов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала бензинового двигателя

теплота стенок цилиндра расходуется на нагрев рабочего тела и не оказывает существенного влияния на температуру охлаждающей жидкости системы охлаждения.

При такте сжатия происходят достаточно сложные процессы теплообмена внутри цилиндра. В начале такта сжатия температура заряда горючей смеси меньше температуры поверхностей стенок цилиндра и заряд нагревается, продолжая отнимать теплоту от стенок цилиндра. Механическая работа сжатия сопровождается поглощением теплоты из внешней среды. В определенный (бесконечно малый) промежуток времени температуры поверхности цилиндра и заряда смеси выравниваются, вследствие чего теплообмен между ними прекращается. При дальнейшем сжатии температура заряда горючей смеси превышает температуру поверхностей стенок цилиндра и тепловой поток изменяет направление, т.е. теплота поступает к стенкам цилиндра. Общая отдача теплоты от заряда горючей смеси незначительна, она составляет около 1,0. 1,5 % от количества теплоты, поступающей с топливом.

Температура рабочего тела в конце впуска и его же температура в конце сжатия связаны между собой уравнением политропы сжатия:

где 8 — степень сжатия; п_л — показатель политропы.

Температура в конце такта сжатия по общему правилу рассчитывается по среднему постоянному для всего процесса значению показателя политропы щ. В частном случае показатель политропы рассчитывается по балансу теплоты в процессе сжатия [33, с. 89J. На основании первого закона термодинамики

где U_c и U_а — внутренняя энергия заряда рабочего тела в точке с (конец сжатия) и в точке а (начало сжатия); L_ac — теплота, эквивалентная работе политропного сжатия па участке а-с индикаторной диаграммы.

Для количества сжимаемого рабочего тела, состоящего из свежего заряда М (кмоль) и М_г (кмоль) остаточных газов, уравнение (2.38) представляется [33, с. 89] в виде

где и_с и и» — внутренняя энергия 1 кмоля свежего заряда; и_а и и» — внутренняя энергия 1 кмоля остаточных газов.

Совместное решение уравнений (2.37) и (2.39) при известном значении температуры Т_а позволяет определить показатель политропы щ. На показатель политропы влияет интенсивность охлаждения цилиндра. При низких температурах охлаждающей жидкости температура поверхности цилиндра ниже, следовательно, и п_л будет меньше.

Значения параметров конца такта сжатия [15, с. 93] приведены в табл. 2.3.