4.1 Нормальное и детонационное сгорание
Повышение мощности и экономичности бензиновых двигателей возможно прежде всего за счет увеличения степени сжатия. Эта тенденция позволяет в наиболее полной степени совершенствовать конструкции двигателей. В то же время она предъявляет более жесткие требования к детонационной стойкости бензинов: чем выше детонационная стойкость, тем экономичнее и эффективнее работа двигателя. При сгорании топлива в двигателе происходит превращение его химической энергии в тепловую и далее в механическую. Характер протекания процесса сгорания обусловливает как мощность и экономические показатели двигателя, так и его надежность и долговечность. Вид сгорания в двигателе можно разделить на нормальное и аномальное. При нормальном рабочем процессе в двигателе с искровым зажиганием сгорание смеси можно условно разделить на три фазы (рис. 8): 1 — начальную, в течение которой небольшой очаг горения, возникающий между электродами свечи, постепенно превращается в развитый фронт турбулентного пламени; // — основную фазу распространения пламени; /// — фазы догорания смеси. 
Рис. 8. Индикаторная диаграмма процесса сгорания в двигателе с зажиганием от искры I, II, III — продолжительность соответственно начальной, основной и завершающей фаз горения в градусах поворота коленчатого вала (°ПКВ); Θ — угол опережения зажигания Провести резкую грань между отдельными фазами сгорания не представляется возможным, так как изменение характера процесса происходит постепенно. Первая фаза — период скрытого сгорания или период задержания воспламенения (12-15% от общего времени сгорания топлива) характеризуется более интенсивной подготовкой рабочей смеси к сгоранию, чем в период сжатия. В этой фазе сгорания интенсифицируются окислительные процессы (прежде всего за счет подогрева смеси от электрической искры происходит низкотемпературное горение топлива), а повышение давления практически не отличается от повышения давления, вызываемого сжатием без горения. Вторая фаза — непосредственное сгорание (сопровождается более быстрым, чем при чистом сжатии, повышением давления) продолжается до максимального подъема давления и обычно заканчивается спустя несколько градусов после верхней мертвой точки (в.м.т.). Сгорание происходит интенсивнее при более высокой температуре рабочей смеси к моменту подачи искры. Скорость сгорания подчиняется закону действующих масс: где ν — скорость реакции; С1, С2, С3 — концентрация действующих веществ; k — постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ. Так как скорость сгорания пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, то по мере сгорания, когда их концентрация снижается, скорость сгорания уменьшается. Химический состав и количество топлива, его соотношение с воздухом, величина остаточных газов в цилиндре, температура и давление смеси, конструкция камеры сгорания и ряд других факторов существенно влияют на скорость сгорания. Наиболее интенсивно процесс сгорания протекает при α=0,95, что характерно для небольшого обогащения горючей смеси. Дальнейшее обогащение топлива приводит к увеличению неполноты его сгорания, а обеднение — к расходу тепла на нагревание избыточного азота. В обоих случаях снижается скорость сгорания. При повышении степени сжатия двигателя процесс сгорания интенсифицируется (повышаются температура и давление смеси). Нормальное течение процесса иллюстрирует схема сгорания рабочей смеси и распространения фронта пламени, показанная на рис. 9. Видно, что скорость сгорания примерно постоянна весь период, 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.), и занимаемый продуктами сгорания объем увеличивается. Все это характеризует нормальную работу двигателя. 
Рис. 9. Схема распространения фронта пламени по камере сгорания: А — искра При нормальном сгорании процесс проходит плавно с почти полным протеканием реакций окисления топлива и средней скоростью распространения пламени 10-60 м/с. Основными нарушениями нормального сгорания в двигателе с воспламенением от искры являются: детонация, преждевременное и последующее воспламенение (калильное зажигание), воспламенение от сжатия при выключенном зажигании. Детонация возникает при самовоспламенении части топливовоздушной смеси, до которой пламя от свечи доходит в последнюю очередь. Внешне детонация проявляется в возникновении звонких металлических стуков при работе двигателя на больших нагрузках. Скорость распространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500-2500 м/с, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости движения пламени и возникновением ударной волны (рис.10). При этом реакции окисления проходят не полностью и в отработавших газах обнаруживаются продукты неполного сгорания топлива. Детонация приводит к потере мощности двигателя из-за неполноты сгорания и увеличения теплоотдачи стенкам цилиндра. Рис. 10. Физическая картина детонационного горения в двигателе: а-а — положение фронта пламени; А — очаг самовоспламенения (детонации); Д1-ДЗ — мгновенные положения распространения зоны горения от очага А; 01-04 — ударные волны; 01′-04′ — отраженные волны При этом резко повышается температура головок цилиндра и охлаждающей жидкости, а в отработавших газах появляется дымление. Длительная работа с детонацией приводит к перегреву двигателя, вследствие чего может возникнуть преждевременное самовоспламенение рабочей смеси, а также механические повреждения отдельных деталей двигателя (рис. 11). 
Рис. 11. Поршень, разрушенный детонацией Прогар поршней и клапанов, пригорание поршневых колец, нарушение изоляции свечей, растрескивание вкладышей шатунных подшипников — все это может быть вызвано детонацией. Согласно перекисной теории (она в настоящее время общепризнанна), при детонации образуются первичные продукты окисления топлива — органические перекиси. При присоединении молекулы кислорода к углеводородам по С-С связи образуется перекись (R-O-O-R), по С-Н связи — гидроперекись (R-O-O-H). 
Перекиси, образующиеся в процессе предварительного окисления, накапливаясь в несгоревшей части рабочей смеси, распадаются (по достижении критической концентрации) со взрывом и выделением большого количества тепла. Тем самым активизируется вся смесь. Такой момент будет сопровождаться взрывным сгоранием смеси, т.е. детонацией. На рис. 12 представлена индикаторная диаграмма, снятая при работе двигателя с детонацией. 
Рис. 12. Индикаторная диаграмма основных видов сгорания в карбюраторном двигателе: а — нормальное сгорание; б, в — калильное зажигание; г — детонационное сгорание; Р — давление; γ — угол поворота коленчатого вала Для возникновения детонационной волны (детонационного очага) наиболее благоприятное место — часть бензиновоздушной смеси, которая находится в удаленных частях камеры сгорания. От очага детонации горение быстро распространяется, по всей части топливно-воздушной смеси и охватывает ее. Механизм распространения волны сгорания от детонационного очага отличен от механизма нормального горения. Фронт пламени в детонационной волне распространяется не путем теплопередачи, а за счет практически мгновенного выделения большого количества химической энергии в малом объеме. Это вызывает резкое местное повышение давления, в результате чего образуется ударная волна. Последняя, проходя со скоростью до 2500 м/с по оставшейся несгоревшей части смеси, вызывает ее сжатие, нагрев и воспламенение. Детонационная волна многократно отражается от стенок цилиндра, при этом возникает характерный металлический стук. Различают следующие группы факторов, влияющих на возникновение и интенсивность детонации: зависящие от конструкции двигателя, эксплуатационные и связанные со свойствами топлива. Конструктивными факторами, влияющими на процесс горения, являются степень сжатия, форма и размеры камеры сгорания, количество и расположение свечей, диаметр цилиндра, ход поршня, материал головки блока цилиндра двигателя. Эксплуатационными факторами, влияющими на возникновение детонации, являются коэффициент избытка воздуха, число оборотов двигателя, угол опережения зажигания, температура охлаждающей жидкости, влажность воздуха, слой нагара в камере сгорания и др. Фактором, связанным со свойствами топлива, является его детонационная стойкость. Причем при испарении топлива в процессе смесеобразования (вследствие различной детонационной стойкости отдельных фракций) детонация также может усилиться. Детонационная стойкость бензинов зависит от его углеводородного состава. Ароматические углеводороды обладают наибольшей детонационной стойкостью, меньшей детонационной стойкостью обладают изопарафиновые и олефиновые и самой низкой — парафиновые углеводороды. Когда детонирует около 5% смеси, появляются внешние признаки детонации. Если детонирует 10-12% смеси, наблюдается детонация средней интенсивности. Очень сильная детонация характерна для 18-20% детонирующей смеси. Детонационное сгорание топлива отличается характерным резким металлическим стуком в цилиндрах, перегревом головок цилиндров и падением его мощности, периодически появляющимся черным дымом отработавших газов. Детонация приводит к прогоранию поршней, выпускных клапанов, к перегреву двигателя. Одним из распространенных видов аномального сгорания является калильное зажигание. Под калильным зажиганием понимают неуправляемое воспламенение рабочей смеси от раскаленного тела: тлеющего нагара или перегретых деталей. Особенность зажигания тлеющим нагаром — его взаимосвязь с детонацией: при возникновении детонационных волн нагар со стенок камеры сгорания частично удаляется, устраняя тем самым калильное зажигание, так как исчезают «горячие точки» — причина самопроизвольного воспламенения рабочей смеси. Так как скорость сгорания смеси при этом увеличивается, детонация прекращается, однако после выброса частиц нагара она возобновляется вновь. При калильном зажигании перегретыми деталями (центральные электроды, «юбочки» изоляторов свечей, реже выпускные клапаны) воспламенение не прекращается по мере его выгорания, а прогрессивно самоусиливается. Для оценки склонности свечи к перегреву пользуются показателем, называемым калильным числом (КЧ). Его величину для данного двигателя подбирают так, чтобы, с одной стороны, исключить возможность калильного зажигания натеплонапряжен-ных режимах (в этом случае необходимо низкое КЧ), а с другой стороны, обеспечить на минимальных режимах температуру края «юбочки» и центрального изолятора не ниже 397°С во избежание их закоксовывания (для этого необходимо достаточно высокое КЧ). Активность нагара с точки зрения калильного зажигания зависит от содержания в бензинах ароматических углеводородов и зольных присадок. Так как высокомолекулярные ароматические углеводороды образуют активный нагар, склонный к саморазогреванию (присутствие в нагаре продуктов сгорания тетраэтилсвинца (ТЭС) снижает температуру воспламенения нагаров с 550-600 до 200-300 °С), особенно трудно удовлетворить этим требованиям в теплонапряженных двигателях, работающих на топливах с высокими детонационными свойствами. С калильным зажиганием борются, улучшая конструкцию камер сгорания и изменяя свойства образующегося нагара путем введения в топливо специальных присадок.
11.11.2019 65.25 Кб 35 Job hunting.docx
18.02.2016 219.59 Кб 21 KR OTTPiS Maxym Dakhno TS-31.docx
21.11.2019 521.73 Кб 2 kursov2008 очн.doc
18.02.2016 290.75 Кб 37 KURSOVOJ_vvt_lischuk.docx
18.02.2016 345.94 Кб 25 l1.pdf
16.08.2019 1.48 Mб 25 Lektsia_1-7.doc
23.07.2019 831.38 Кб 5 Levak_lazha_chyos_33__33__33__33__33__33__33__3. rtf
18.02.2016 685.57 Кб 7 Maxym Dakhno TS-21(kursak).doc
18.02.2016 1.82 Mб 16 Maykl_Midzhia_-_Ot_skeleta_do_atleta.pdf
18.02.2016 1.25 Mб 122 mod-ek_lab_2010_с31.doc
18.02.2016 1.16 Mб 30 mod-ek_lab_2_2010.doc
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Свойства топлив. Нормальное и детонационное сгорание бензина, повышение детонационной устойчивости (урок 6)
ПМ.01. Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта
МДК 01.02 Автомобильные эксплуатационные материалы
Раздел 1. Топливосмазочные материалы
Тема: Автомобильные бензины
Урок № 6. Свойства топлив
Нормалное и детонационное сгорание бензина повышение
детонационной устойчивости
Учебное пособие Ю. П. Макушев «Автомобильные Эксплуатационные Материалы»,
Глава 3. Эксплуатационные требования к топливам,
3.2. Процесс сгорания бензина. стр. 13
2.
Сгорание топлива это реакция быстрого окисления углеводородов
кислородом. При этом образуется вспышка, молекулярные связи
разрываются, накопившаяся энергия выделяется в виде теплоты
3.
При сгорании 1кг топлива выделяется следующее количество теплоты
бензин – 44·106 Дж/кг,
дизельное топливо – 42·106 Дж/кг,
метан – 33,8·106 Дж/кг.
4.
Конечная реакция сгорания водорода и углерода в результате
окисления кислородом протекает так:
2Н2 + О2 = 2Н2О;
С + О2 = СО2.
5.
Горение – сложный процесс. Факел горящих углеводородов напоминает
своеобразный организм, живущий до тех пор, пока в его огненной оболочке,
в которую поступает газифицированное топливо и кислород воздуха,
происходит правильный обмен веществ
6.
Даже простейшие газообразные (метан, этилен, пары бензина)
сами по себе не «горючи», пока не будут преобразованы до
простейших составляющих в виде молекул СО и Н2
7.
При окислении (горении) углеводородная молекула «опускается»
на более низкие энергетические уровни и достигает нулевого
уровня, когда полностью разваливается на углекислый газ СО2 и
воду Н2О
8.
Очаг горения – совокупность трех потоков: теплового
(энергетического) и двух материальных – окислителя О2 и
топлива
9.
Окисление – реакция взаимодействия молекул углеводородного топлива с
молекулами кислорода. Если температура воздуха достигает требуемого
значения, то окисление переходит в процесс горения
10.
В жидком топливе имеют место легкие, средние и тяжелые молекулы. В
процессе распыливания топлива легкие фракции уже являются
газифицированными и в окружении кислорода воздуха под действием
температуры электрической искры (10000 0С) воспламеняются, образуя
начальную зону пламени (бензиновые двигатели)
11.
Далее действует принцип цепной реакции. Под влиянием
температуры более тяжелые молекулы испаряются,
прогреваются, расщепляются на более мелкие
(газифицируются) и в упрощенном газообразном состоянии
вступают в процесс горения
12.
Теоретическое количество воздуха, необходимое для
сгорания 1кг бензина, определяют из выражения
L0 = 1/0,23(8C/3 + 8H) = 1/0,23(8·0,855/3 + 8·0,145) ≈ 15 кг.
13.
В воздухе 23 % O2; 1кг бензина содержит 0,855 кг С и 0,145 кг Н.
Коэффициент избытка воздуха – это отношение действительно
поступившего количества воздуха в цилиндр к теоретически необходимому:
α = LД/LO, идеал – LД = LО => α = 1.
14.
Если α > 1, смесь бедная; α < 1, – богатая
15.
Используя формулу Менделеева — Клапейрона
PV = mPT, можно определить массу воздуха,
поступившего в цилиндр, и требуемое
количество топлива
16.
Процесс сгорания в координатах Р – φ изображен на
рисунке (φ – угол поворота коленчатого вала). Примерно за
20 … 30 градусов до ВМТ подаётся искра (10 000 0С),
горючая смесь воспламеняется, кривая сгорания
отделяется от кривой сжатия
17.
У двигателя с искровым зажиганием процесс сгорания можно условно
разбить на три фазы: 1 – начальный период горения (сгорает 6 … 8 %
топлива от начала подачи искры до начала сгорания топлива и
повышения давления); 2 – основная фаза горения (80 % топлива); 3 –
догорание
18.
При нормальном процессе сгорания воспламенение свежих
порций рабочей смеси и перемешивание фронта пламени по
камере сгорания происходит вследствие передачи тепла под
действием теплопроводности и лучеиспускания
19.
По анализу изменения давления во второй фазе сгорания судят о
жесткости процесса сгорания (скорости повышения давления).
Двигатель дожен работать мягко, без стуков с плавным повышением
давления
20.
Нормальный процесс сгорания протекает со скоростью 20 … 50
м/с. В процессе детонации скорость сгорания достигает 2 … 3
тыс. м/с. На осциллограмме процесс сгорания (в зоне третьей
фазы) наблюдается в виде затухающих острых пиков
21.
На детонационное сгорание топлива влияют:
1. Степень сжатия (повышение степени сжатия ускоряет детонацию).
2. Угол опережения зажигания.
3. Сорт топлива (октановое число меньше, детонация больше).
4. Частота вращения коленчатого вала
22.
Причиной детонации является образование перекисей.
Кислород при высокой температуре внедряется в
углеводородную молекулу топлива,
повышая её способность к самовоспламенению
23.
Детонационному (взрывному) сгоранию подвергается та часть
горючей смеси, которая должна сгореть в последнюю очередь
24.
Перекиси накапливаются в несгоревшей части рабочей смеси и
при достижении критической концентрации
распадаются со взрывом и выделением большого количества
тепла, активизируя всю рабочую смесь
25.
В современных автомобилях в блоке цилиндров установлен датчик
детонации. При появлении детонации сигнал с датчика передается на
бортовой компьютер, который при помощи исполнительного механизма
уменьшает угол опережения зажигания и снижает детонацию
Что такое нормальное детонационное и калильное сгорание
Нормальное и детонационное сгорание бензинов
Горением называется физико-химический процесс окисления топлива, который сопровождается выделением теплоты и повышением температуры топлива и продуктов его сгорания. Для протекания процесса горения требуется топливо и окислитель. В двигателях внутреннего сгорания в качестве окислителя используется атмосферный воздух объемная доля кислорода в ко тором составляет 21%. Процесс горения должен протекать так, чтобы происходило полное сгорание топлива с минимальным избытком воздух, и с содержанием в отработавших газах минимального ко пересчитывается на метан), оксид углерода (11) и водород К продуктам полного сгорания относятся оксид углерод (IV), водяной пар и сернистый газ. Основными факторами, влияющими на скорость процесса сгорания, являются коэффициент избытка воздуха, интенсивность удаления из цилиндров двигателя продуктов сгорания, оптимальная температура процесса и поверхность реагирования, кой структивные особенности двигателя и т. п.
Нормальное сгорание. При перемещении поршня цилиндре неработающего двигателя происходит политропное сжатие и расширение горючей смеси.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
- Комплект оборудования ОМ-16394 ГОСНИТИ для очистки гидравлических и трансмиссионных масел
- Установка ОЗ-1с026 ГОСНИТИ
- Передвижная установка 03-16384 ГОСНИТИ
- Передвижная установка 03-16350 ГОСНИТИ
- Пневмонасос ПНП-0,8/0,8 марки O3-9930A ГОСНИТИ
- Комплект оборудования 08-16302 ГОСНИТИ
- Топливозаправочные установки
- Топливораздаточная колонка 1КЭД-50-0,5-1
- Требования к процессу заправки
Рис. 1. Развернутая индикаторная диаграмма бензинового двигателя.
Давление в цилиндре изменяется по уравнению политропы. Поэтому кривая изменения давления рабочей смеси в цилиндре (штриховая линия) представляет собой линию второго порядка, расположенную примерно симметрично относительно линии, соответствующей положению поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.). До верхней мертвой точки идет линия сжатия, показывающая изменение давления при сжатии, а после нее — линия расширения.
Сплошная линия показывает изменение давления внутри цилиндра работающего двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Сгорание смеси в двигателях с искровым зажиганием условно разделяют на три фазы: начальную, основную и догорания. На индикаторной диаграмме (рис. 1) фазы показаны участками: 1 — начальная, 2 — основная; 3 — догорания.
Начало участка соответствует моменту проскакивания искры между электродами свечи зажигания. Электрическая искра мгновенно нагревает до высокой температуры небольшую часть рабочей смеси. Температура смеси в зоне искрового разряда превышает температуру ее горения, а скорость химических реакций достигает чрезвычайно больших величин. По окончании искрового разряда скорость сгорания резко снижается; она зависит в основном от физико-химических свойств рабочей смеси и приблизительно равна скорости ламинарного горения. В связи с тем что очаг горения очень мал, а скорость распространения фронта пламени низка, заметное повышение давления в результате горения наблюдается только в начале участка 2 — «точки отрыва» линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме. За время течения начального периода небольшой очаг горения, находящийся в зоне искрового разряда, постепенно преобразуется в развитый фронт турбулентного пламени. В начальный период давление в цилиндре двигателя изменяется почти так же, как и в неработающем двигателе при сжатии смеси. Поэтому до участка 2 штриховая линия (линия сжатия) совпадает со сплошной (линия горения).
Основная фаза начинается в «точке отрыва» и характеризуется сильным увеличением скорости сгорания рабочей смеси вследствие турбулизации. Поступление рабочей смеси в цилиндры двигателя происходит с большой скоростью, внутри камеры сгорания создается вихревое движение, турбулентный характер движения рабочей смеси остается и во время ее сжатия. Скорость распространения фронта пламени в связи е увеличением интенсивпости вихревых движений возрастает и достигает 10—40 м/с. Распространение фронта пламени происходит за счет энергии, выделяемой при сгорании предыдущего количества рабочей смеси, и может протекать диффузионно-цепным или тепловым процессами. При диффузионно-цепном процессе происходит диффузия из зоны горения в рабочую смесь активных центров, которые способствуют развитию цепных реакции в смеси. При тепловом распространении фронта пламени осуществляется процесс теплообмена между зоной горения и свежей смесью. Оба эти процесса наблюдаются при сгорании рабочей смеси в двигателе, однако первый процесс играет большую роль непосредственно после воспламенения смеси, а второй — при последующем горении.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя растет скорость поступления горючей смеси через впускной клапан, повышается ее турбулентность и скорость распространения фронта пламени. У бензиновых двигателей скорость распространения фронта пламени возрастает приблизительно пропорционально частоте вращения коленчатого вала, что имеет важное значение для работы двигателя на различных режимах. При увеличении частоты вращения коленчатого вала уменьшается время на процесс сгорания смеси в камере сгорания. Если бы скорость горения не возрастала в результате турбулизации, работа двигателя с различными режимами работы была бы затруднена.
Условно принимают, что основная фаза заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре, который на индикаторной диаграмме соответствует концу участка 2. Период догорания (участок 3) начинается в момент достижения максимума давления на индикаторной диаграмме, процесс сгорания продолжается и температура газов в цилиндре некоторое время возрастает. Скорость распространения фронта пламени в этот период начинает снижаться вследствие падения температуры рабочей смеси у стенок камеры и уменьшения ее турбулентности. Давление в цилиндре снижается в связи с уменьшением количества теплоты, выделяющейся при сгорании смеси, и увеличения объема газа при движении поршня к нижней мертвой точке (н. м. т.). При догорании скорость процесса в большей степени зависит от физико-химических свойств рабочей смеси, чем от характера ее движения.
Мощность и экономичность работы двигателя зависят от скорости сгорания и момента воспламенения рабочей смеси.
Рис. 2. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя при работе с детонацией.
Если рабочая смесь воспламеняется электрической искрой слишком рано, то сгорание смеси произойдет во время хода сжатия и поэтому будут большие потери на преодоление давления газов при движении поршня к в. м. т. Если смесь зажигается поздно, сгорание происходит при рабочем ходе, ухудшаются мощностно-экономический показатели работы двигателя. Угол опережения зажигания должен быть таким, чтобы основная фаза сгорания на индикаторной диаграмме располагалась симметрично в.м.т. Нужное расположение основной фазы достигают путем установки на двигателе центробежного регулятора опережения зажигания, который изменяет угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.
После того как смесь воспламенилась от искры, выделяющаяся при сгорании топлива теплота вызывает дальнейшее повышение температуры и поджатие несгоревшей части горючей смеси. Пламя, распространяясь по смеси, наиболее сильно повышает температуру и давление той части смеси, которая сгорает в последнюю очередь. При этом иногда, в определенных условиях, несгоревшая часть воспламеняется с огромной скоростью. Возникшая детонационная волна распространяется со скоростью 1500—2500 м/с. Детонационная волна сопровождается появлением обратных, встречных волн, которые в виде ударных волн отражаются от стенок цилиндра, вызывая их вибрацию. При детонации появляются резкие металлические стуки в двигателе, тряска двигателя, периодически наблюдается желтое пламя в отработавших газах, чаще — черный дым. Мощность двигателя падает, его детали перегреваются, в результате чего происходит повышенный износ деталей, перерасход топлива.
На рис. 2 показана индикаторная диаграмма бензинового двигателя при работе с детонацией, возникающей в конце основной фазы, когда большая часть рабочей смесь уже сгорела. В начальной фазе и на больше части основной фазы (участок выше участка 2) сгорание протекает так же, как и при нормальном сгорании. Однако в конце сгорания на индикаторной диаграмме регистрируется вибрация давления. Сначала наблюдается резко* возрастание давления (изображено на диаграмме в вид* острых пиков), а затем давление постепенно падает (изо бражено на диаграмме в виде ряда затухающих пиков).
Возникновение детонации в двигателях объясняется наиболее признанной перекисной теорией, основоположником которой является академик А. Н. Бах. Больше? вклад в изучение процесса детонационного сгорания академики Н. Н. Семенов, А. С. Соколик и другие советские ученые.
Рис. 3. Схема детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе
а — зажигание смеси искрой; б — формирование очага горения; в — движени фронта пламени при нормальном сгорании; г — образование очагов холодяс пламенного окисления в несгоревшей смеси; д образование детонационно волны; е — движение отраженных волн;
1,2 — начало воспламенения смеси от свечи; 3 — несгоревшая смесь; 4 — фрон пламени; 5 — сгоревшая смесь; 6 — очаги колодно-пламенного окисления;7 -воспламенившаяся смесь; 8 — отраженные волны.
Детонационное сгорание бензина связано с образованием и разложением продуктов окисления углеводородов — пероксидных соединений, которые являются непрочными соединениями, мгновенно разлагающимися с выделением большого количества теплоты. Чем выше температура, тем больше скорость окисления углеводородов. На рис. 8 показана схема детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе.
В бензиновых двигателях при такте сжатия свежая горючая смесь смешивается с остаточными газами. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т. при закрытых впускном и выпускном клапанах, сжимая при этом рабочую смесь. Во время уменьшения объема рабочей смеси ее давление и температура повышаются. Давление в конце сжатия составляет 1—1,7 МПа, а температура — 330—340 °C. При этих условиях скорость окисления углеводородов повышается, особенно она возрастает после воспламенения рабочей смеси. По мере ее сгорания температура и давление в несгоревшей части рабочей смеси значительно увеличиваются, что способствует образованию большого количества пероксидных соединений. Порции рабочей смеси, сгорающие в последнюю очередь, подвергаются воздействию высоких температур и давлений наибольший период времени. Поэтому в них образуется много пероксидов и создаются благоприятные условия для перехода нормального сгорания в детонационное. Однако, если в состав бензина входят такие углеводороды, которые в этих условиях не образуют пероксидов, то концентрация пероксидных соединений не достигает критических значений и сгорание заканчивается нормально.
Если двигатель работает на бензине, при окислении которого в последних порциях рабочей смеси образуется много пероксидов, то концентрация их может достичь критического значения и произойти их взрывное расщепление. Вначале происходит холодно-пламенное окисление с выделением 5—10% общей теплоты сгорания и температура рабочей смеси несколько повышается. Наблюдается свечение смеси, так называемое «холодное пламя», продуктами сгорания которого являются альдегиды и СЮ, а не продукты полного сгорания — СО2 и Н2О. Холодное пламя распространяется в результате диффузии в свежую смесь радикалов и активных частичек, образующихся при расщеплении пероксидных соединений. В результате образуется активная смесь, которая подвергается дальнейшему окислению. Затем происходит новое взрывное расщепление пероксидных соединений с вовлечением в реакцию большей массы горючей смеси. Возникает «вторичное холодное пламя» и выделяется примерно половина общей теплоты сгорания. «Вторичное холодное пламя» распространяется с большой скоростью вследствие диффузии активных центров теплообмена. Наконец, происходит цепочно-тепловой взрыв (самовоспламенение смеси, состоящей из СО, кислорода и активных центров), в результате которого возникает настоящее горячее пламя. Из-за большой скорости сгорания рабочей смеси и резкого повышения давления возникает ударная волна, перемещающаяся по камере со сверхзвуковой скоростью.
Ударная волна стимулирует воспламенение соседних слоев рабочей смеси, скорость сгорания которой становится равной скорости распространения ударной волны и составляет 1500—2500 м/с. Таким образом, образуется детонационная волна, которая, многократно отражаясь от стенок камеры сгорания, вызывает вибрацию и характерные металлические звуки.
При детонационном сгорании значительно повышается отдача теплоты от газов стенкам камеры сгорания как за счет более высоких температур в детонационной волне, так и в связи с увеличением теплоотдачи от газов к стенкам камеры в связи с удалением со стенок более холодного пограничного слоя. При этом двигатель перегревается, появляются разрушения поверхности камеры сгорания, днища поршня и антифрикционного слоя подшипников, прокладки между блоком цилиндров и головкой прогорают. Повышается износ поршневых колец и зеркала цилиндров, так как детонационная волна, многократно отражаясь от поверхности цилиндров, снимает с них слой смазочного масла.
В связи со взрывным характером детонации часть бензина и продуктов неполного сгорания перемешивается внутри камеры сгорания с продуктами полного сгорания и не сгорает. При высокой температуре в детонационной волне наблюдается также диссоциация продуктов сгорания, то есть разложение СО2 и Н8О. Вследствие этих причин снижается мощность двигателя, повышается удельный расход бензина, увеличивается дымность выхлопа и появляется пламя в отработавших газах.
Влияние различных факторов на возникновение детонации в двигателе следует рассматривать в свете перекисной теории, согласно которой повышение давления и температуры рабочей смеси, а также увеличение времени пребывания последних несгоревших порций рабочей смеси в камере сгорания, приводит к образованию критических концентраций пероксидов и детонационному сгоранию.
На возникновение и интенсивность детонации влияют как конструктивные, так и эксплуатационные факторы двигателя. К конструктивным факторам относятся следующие: степень сжатия двигателя, диаметр цилиндров, форма камеры сгорания, материал, из которого изготовлены головки и поршни, место расположения свечей и др. При увеличении степени сжатия возрастают давление и температура рабочей смеси. Следовательно, чем выше степень сжатия, тем значительнее детонация.
У двигателей с большим диаметром цилиндров, при других одинаковых условиях, детонация увеличивается. Это происходит вследствие ухудшения условий охлаждения камеры сгорания и повышения в связи с этим температуры рабочей смеси. Камера сгорания должна иметь компактную форму без мест перегрева и поверхностей, значительно удаленных от свечей зажигания. Применение для головок и поршней алюминиевых сплавов вместо чугуна существенно улучшает отвод теплоты из камеры сгорания и снижает температуру рабочей смеси, что приводит к уменьшению детонации. Для предотвращения детонации свечи зажигания помещают вблизи нагретой зоны у выпускного клапана. В этом случае в первую очередь воспламеняется более нагретая часть рабочей смеси. У некоторых двигателей свечи располагают наклонно, сбоку в углублении в наиболее нагретом месте стенки головки цилиндра.
К эксплуатационным факторам относятся: угол опережения зажигания, частота вращения коленчатого вала, температура и влажность воздуха, состав горючей смеси, количество отложений на поршневой группе, температура охлаждающей жидкости и т. д. С уменьшением угла опережения зажигания детонация в двигателе значительно снижается или исчезает совсем. Это происходит в связи с сокращением времени на развитие процесса детонации и снижением температуры и давления газов в цилиндре во время рабочего хода поршня, С увеличением частоты вращения коленчатого вала детонация снижается, поскольку уменьшается время пребывания рабочей смеси в камере сгорания вследствие повышения скорости распространения фронта пламени. Количество пероксидных соединений при этом не успевает достигнуть критического значения, что затрудняет процесс развития детонационного сгорания смеси. Повышение влажности воздуха приводит к снижению детонации. В летний период при более высоких температурах воздуха детонация наблюдается чаще, чем зимой. Наиболее интенсивно детонирует смесь, близкая по составу к стехиометрическому. Сгорание этой смеси происходит без остатка избыточного кислорода с выделением наибольшего количества теплоты. Температура в камере сгорания повышается, что способствует возникновению детонации.
Работа двигателя как на бедных, так и на богатых горючих смесях сопровождается снижением детонации.
Отложения нагара на днище поршня увеличивают степень сжатия и тем самым способствуют детонации. Образование нагара в зоне поршневых колец затрудняет отвод теплоты, повышает температуру поршня и газов в камере сгорания и способствует детонации.
Существенное влияние на процесс сгорания в двигателе рабочей смеси оказывает температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения. С увеличением т’мпературы охлаждающей жидкости ухудшается отвод теплоты от стенок цилиндра, повышается температура рабочей смеси в камере сгорания. При несоблюдении правил технического обслуживания системы охлаждения в рубашке двигателя образуется накипь, имеющая низкую теплопроводность, в результате чего повышается температура цилиндропоршневой группы и рабочей смеси, а это приводит к повышению детонации.
Калильное зажигание. Следует отличать явление детонации от неконтролируемого сгмовоспламенения рабочей смеси в двигателе или так называемого калильного зажигания. В этом случае зажигание происходит не от электрической искры, а от тлеющих частичек нагара и перегретых участков камеры сгорания. Наиболее часто неуправляемое самовоспламенение наблюдается в современных автомобильных высокофорсированных двигателях, работающих на этилированных бензинах с повышенным содержанием ароматических углеводородов. Внешние признаки такие же, как у детонации, хотя это явление не имезт ничего общего с детонацией. Процесс сгорания при калильном зажигании протекает с нормальными скоростями. Однако в двигателе калильное зажигание может одновременно сопровождаться и детонацией, так как преждевременное самовоспламенение рабочей смеси действует на процесс сгорания так же, как и установка увеличенного угла опережения зажигания, приводящего к возникновению детонации.
Если наблюдается калильное зажигание, то в результате сильного перегрева двигателя при выключенном зажигании он продолжает работать. Калильного зажигания можно избежать введением в бензин фосфорсодержащих присадок. Образующиеся нагары, в состав которых при этом входят фосфаты свинца, обладают более высокой температурой воспламенения. Основными мерами борьбы ci калильным зажиганием являются конструктивное улучшение камер сгорания, применение «холодных» свечей и клапанов с натриевым охлаждением.
На малофорсированных двигателях внутреннего сгорания с низкой степенью сжатия устанавливают «горячие» свечи с короткой юбкой изолятора, которая хорошо прогревается и не имеет нагара. На высокофорсированных двигателях с высокой степенью сжатия устанавливают «холодные» свечи зажигания с длинной юбкой, которая хорошо отводит теплоту, тем самым предотвращая преждевременное воспламенение рабочей смеси при соприкосновении с раскаленным изолятором и электродами.
Для снижения температуры высокофорсированных двигателей тарелки выпускных клапанов делают пустотелыми и наполняют их на 50—60% металлическим натрием с температурой плавления 98 °C. Во время работы натрий плавится и образует жидкость, которая при возвратно-поступательном движении клапана омывает его внутреннюю полость, способствуя тем самым регулированию температуры клапана и хорошему отводу теплоты.
Что такое нормальное детонационное и калильное сгорание
Различают нормальное и детонационное горение топлива. При нормальном сгорании рабочей смеси, ее части воспламеняются постепенно и сгорание происходит полное. Скорость распространения пламени при таком сгорании составляет 25 … м/сек, и скорость распространения пламени можно регулировать обеднением или обогащением рабочей смеси.
При нормальном горении в цилиндре давление нарастает плавно, но в результате повышения температуры и давления может начаться детонационное горение или взрывное. При этом скорость горения нарастает скачкообразно и достигает 1500 … 2500 м/сек. В результате возникающий вибрации появляется характерный металлический стук.
В результате взрывного горения часть топлива не успевает полностью сгореть, что внешне сопровождается появлением дымного выхлопа. Взрывное горение приводит к перегреву деталей двигателя, при этом двигатель работает неуравновешенно, из-за перегрева прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, резко повышается износ цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной групп.
19.04.2011 Продаем скипидар Нижний Новгород
19.04.2011 Продаем растворители Нижний Новгород