Сжигание топлива в камере сгорания

Следы ударов на головке поршня дизельный двигатель

Описание повреждения

На головке поршня (рис. 1) видны сильные следы удара. В этой зоне масляный нагар почти полностью удален вследствие металлического контакта поршня с головкой блока цилиндров. Изза ударов отложения масляного нагара вдавлены в днище поршня, что оставило свои следы. Поршневые кольца имеют очень сильный износ. Особенно на маслосъемном кольце невооруженным глазом видны сильные следы износа.

Поршень на рис. 2 имеет на передней кромке днища отпечаток вихревой камеры, а на правой стороне днища сильный отпечаток клапана. Рядом с вихревой камерой во время эксплуатации клапан входил в контакт с днищем поршня и в течение времени проникал все глубже в днище поршня. На юбке поршня видны первые признаки начинающихся задиров от работы всухую (рис. 4).

Оценка повреждения

Поршни ударяли в работе о головку цилиндра или о вихревую камеру и один из клапанов. Поломки в результате этого воздействия больших усилий еще не появились. Износ на поршневых кольцах, а также на юбке поршня, однако, указывает на то, что в результате этих ударов возникло нарушение режима сгорания из-за переполнения топливом. Удары поршня вызывают более или менее сильные сотрясения на головке цилиндра. В результате этих сотрясений в форсунке также возникают вибрации. Поэтому форсунка в закрытом состоянии не может поддерживать давление и впрыскивает топливо неконтролированно. Увеличенный объем впрыска топлива в цилиндр приводит к переполнению топливом. Следствием этого является повреждение масляной пленки что влечет за собой сначала полусухое трение и тем самым износ в зоне поршневых колец. В связи с этим повышается также расход масла. Лишь если масляная пленка настолько сильно повреждена, что смазка становится недостаточной, то образовываются характерные задиры от попадания топлива (см. также пункт «3.2.3 Задиры от работы без смазки из-за переполнения топливом»). Юбка поршня в начальной стадии меньше страдает, потому что она кривошипношатунным механизмом все вновь и вновь снабжается свежим маслом, имеющим еще смазочные свойства. Лишь после перемешивания абразивных частиц из зоны хода поршня со смазочным маслом и после того, как смазочное масло все больше теряет смазочную способность из-за разбавления масла износ распространяется по всем сопряженным деталям скольжения двигателя.

Возможные причины повреждения

• неправильный размер выступа поршня. Размер выступа поршня не проверен или не поправлен в рамках капитального ремонта двигателя.

• не соосно просверленная втулка нижней головки шатуна в ходе замены втулки нижней головки шатуна

• эксцентричное шлифование коленчатого вала

• эксцентричная доработка базового отверстия подшипника (при доработке крышек подшипников коленчатого вала)

• монтаж уплотнений головки блока цилиндров недостаточной толщины

• отложения масляного нагара на головке поршня и в результате этого уменьшение или полное исчезновение зазора.

• неправильные фазы газораспределения из-за неправильной регулировки, удлинения цепи, соскакивания зубчатых ремней.

• неправильная доработка торцевых поверхностей головки блока цилиндров и возникающее из-за этого смещение фаз газораспределения, (изменяется расстояние между ведущим и ведомым колесом, что в определенных конструкциях невозможно поправить в рамках регулировки ремня или цепи)

• при замене колец седла клапана не обратили внимание

на правильное положение седел клапана. Если поверхность седла клапана при обработке размещается в головке блока цилиндров недостаточно глубоко, клапаны могут выходить за кромку головки блока цилиндров.

• превышение максимально допустимого числа оборотов. Из-за повышенных динамических сил клапаны несвоевременно закрываются и сталкиваются с поршнем.

• слишком большой зазор в опорах шатунов или изношенный подшипник шатуна, особенно при очень высокой частоте вращения при движении в спусках.

Двухтактный рабочий цикл

На рисунке приведена индикаторная диаграмма двухтактных дизельных двигателей с прямоточной продувкой (ЯАЗ-М204А и ЯАЗ-М206А), устанавливаемых на автомобилях МАЗ-200, КрАЗ-219 и их модификациях. Так как этот двигатель имеет нагнетатель воздуха, то вся диаграмма располагается выше линии атмосферного давления.

Первый такт. Когда поршень находится в н.м.т. (точка 1), давление воздуха в цилиндре — около 1,5 кг/см2, температура 90°С, продувочные отверстия и выпускные клапаны открыты, происходят продувка и наполнение цилиндра воздухом. При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. кромка днища поршня перекрывает продувочные отверстия (точка 2; 46° после н.м.т.), в точке 3 (54° после н.м.т.) закрываются выпускные клапаны, и начинается сжатие воздуха. В конце такта в цилиндр, наполненный воздухом, сжатым до давления 50 кг/см2 и нагретым до температуры 600—700°С, впрыскивается под давлением до 1400 кг/см2 топливо (точка 4). Горение (линия 5—6) происходит почти при постоянном объеме. Давление в конце горения (точка 6) достигает 70—100 кг/см2, а температура 1800°С.

Второй такт. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т, происходит расширение газов. В конце расширения при давлении около 5—6 кг/см2 и температуре 800°С (точка 7, 85° до н.м.т.) открываются выпускные клапаны, а затем и продувочные ошерстия (точка 8; 46° до н.м.т.); происходят выпуск отработавших газов и продувка цилиндра воздухом.

В двухтактных двигателях процесс сгорание—расширение происходит при каждом обороте коленчатого вала, т.е. вдвое чаше, чем в четырехтактных, поэтому двухтактный двигатель при одинаковом с четырехтактным двигателем рабочем объеме цилиндров имеет большую мощность, а при одинаковом с ним числе цилиндров — лучшую равномерность хода. Недостаток двухтактный дизельных двигателей состоит в том, что при снижении скорости вращения коленчатого вала процессы выпуска отработавших газов и впуска свежего воздуха у них ухудшаются, поэтому двигатели не могут длитеьно работать при пониженных числах оборотов коленчатого вала.

Неполное сгорание — топливо

Неполное сгорание топлив в цилиндрах двигателей Дизеля в ряде случаев приводит к образованию нагаров.
 

Неполное сгорание топлива может отрицательно влиять на качество фритты.
 

Неполное сгорание топлива при малых значениях коэффициента избытка воздуха характеризуется появлением адма в отработавших газах. Кривая 2 на рис. 18 соответствует пределу повышения мошности.
 

Неполное сгорание топлива в печах обычно не допускается

Поэтому очень важно подавать в очаг горения достаточное для полного горения количество воздуха. Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого или 1 м3 газообразного топлива, называется теоретическим расходом воздуха

Практически очень трудно подать в очаг горения расчетное количество воздуха. Поэтому обычно обеспечивают некоторый избыток воздуха, что необходимо также для лучшего смешивания воздуха с топливом.
 

Неполное сгорание топлива, имеющее место в авиационных ГТД, как правило, незначительно влияет на количество выделяющейся энергии, однако приводит к нежелательным явлениям, связанным с образованием нагара в камере сгорания и дымностью отработавших газов.
 

Неполное сгорание топлива характеризуется наличием в продуктах сгорания горючих газов Н2, СН4 и СО. Обычно неполноту сгорания определяют по количеству наиболее трудносжигаемой окиси углерода СО. Образование СО сопровождается сажеобра-зованием вследствие выпадения аморфного углерода, не сгорающего при температуре ниже 700 С.
 

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты, когда водитель, форсируя работу двигателя, уменьшает соотношение воздуха и горючего, стремясь получить так называемую богатую смесь. В этих случаях за машиной тянется видимый хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бенз ( а) — пирен.
 

Продукты неполного сгорания топлива, вступающие в реакцию с находящимся в воздухе туманом в периоды температурной инверсии, являются причиной образования смога, который в прошлом уносил много человеческих жизней.
 

Ввиду неполного сгорания топлива и некоторого избытка воздуха, подаваемого в печь, в отходящем из печи rase присутствует кислород.
 

Показателем неполного сгорания топлива с образованием окиси углерода и оседания сажи на газовой поверхности нагрева котла является потемнение пламени и появление на его концах красноватого оттенка.
 

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты, когда водитель, форсируя работу двигателя, уменьшает соотношение воздуха и горючего, стремясь получить так называемую богатую смесь. В этих случаях за машиной тянется видимый хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бенз ( а) — пирен.
 

При неполном сгорании топлива в топках могут образовываться также оксид углерода СО, углеводороды СН4, С2Н6 и др., а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.
 

При неполном сгорании топлив в реактивных и ди — зельных двигателях снижаются их мощностные показатели, увеличиваются нагарообразование в камерах его — рания и дымность отработавших газов. Образование на — тара может значительно влиять на надежность и долго — вечность работы реактивных и дизельных двигателей.
 

Период задержки воспламенения

За этот период в камеру сгорания поступает незначительная часть впрыскиваемого за цикл топлива. На индикаторной диаграмме в течение этого периода не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не поступает в него. При увеличении Qi в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается много топлива. Это повышает жесткость работы дизеля. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от следующих основных факторов: качества топлива, угла опережения впрыска топлива, давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска топлива, давления начала впрыска, нагрузки на дизель и частоты вращения коленчатого вала.

Рассмотрим влияние каждого фактора на величину Qi.

Химический состав дизельного топлива сильно влияет на продолжительность Qi. Лучшими дизельными топливами являются топлива парафинового ряда, обладающие более высоким цетановым числом и обеспечивающие наименьшую продолжительность Qi и мягкую работу дизеля.

Для каждой конструкции дизеля принят свой угол опережения впрыска топлива фвп. Оптимальное его значение зависит от нагрузки, теплового режима, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха. При увеличении фвп топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, попадает в холодную среду с низким давлением, т. е. меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается. В цилиндре накапливается топливо, которое сгорает до прихода поршня в в.м.т. Это вызывает повышение жесткости работы дизеля и давления Pz. При малой величине фвп топливо сгорает не полностью, ббльшая его часть сгорает в процессе расширения (в третьей фазе), увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, мощность дизеля снижается.

Увеличение давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска способствуют более раннему самовоспламенению топлива, сокращению периода задержки воспламенения, более мягкой работе двигателя.

Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска, сокращается продолжительность впрыска. При уменьшении давления начала впрыска ухудшается качество распыливания топлива и смесеобразования, что приводит к ухудшению рабочего процесса.

Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл, улучшаются условия подготовки рабочей смеси к сгоранию. Следовательно, продолжительность Qi с увеличением нагрузки сокращается.

Частота вращения коленчатого вала n влияет следующим образом на величину Qi. При изменении n изменяются фвп, давление и продолжительность впрыска топлива, качество его распыливания. Давление и температура воздуха в камере сжатия к моменту начала впрыска также изменяются. На быстроходных дизелях, предназначенных для работы с часто меняющимися скоростными режимами, устанавливают устройства, обеспечивающие автоматическое изменение величины фвп при изменении n.

Из сказанного видно, что момент начала впрыска и период задержки воспламенения оказывают большое влияние на процесс сгорания, на мощность и экономичность дизелей. Поэтому при их эксплуатации эти показатели надо поддерживать в заданных пределах.

Средняя скорость нарастания давления на участке 2…3 определяет жесткость работы дизеля. Ее считают нежесткой, если средняя скорость нарастания давления дельта_Р/дельта_ф не превышает 0,5 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала.

Чем больше поступает топлива в цилиндр в течение периода Qi задержки воспламенения, тем жестче работа двигателя и тем большей величины достигает максимальное давление сгорания Рz.

Характер поступления топлива определяется профилем кулачка, диаметром и величиной хода плунжера топливного насоса, конструкцией дизеля и качеством топлива. Так, например, применение бензина вместо дизельного топлива вызывает появление ударных волн и вибрацию давления в цилиндре дизеля.

Влияние нагара на двигатель

Все было бы достаточно просто, если бы аномалии, о которых говорилось,
существовали каждая сама по себе. Однако тот факт, что на стенках камеры сгорания
в той или

иной степени всегда есть нагар, существенно искажает «классическую»
картину.

Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен,
а во-вторых — увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, создают более
благоприятные условия для срыва нормального процесса горения. Более того, нагар
может оказывать известное каталитическое действие и вызывать самовоспламенение рабочей
смеси, а это во многом затрудняет диагностирование аномалий.

И еще. При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинает
разрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт со стенкой,
легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бывает и так, что
чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камеры сгорания, а
остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь в самый неопределенный
момент даже на впуске. Так порождаются «дикие» стуки, не поддающиеся никакой логике
и классификации. Правильно учитывать все эти явления могут помочь только опыт и
вдумчивый подход к вопросу.

Для борьбы с отложениями (нагаром) в мировой практике получили
широкое распространение специальные добавки к бензину, которые периодически вливают
в бак. Ведется работа по созданию такой добавки и у нас. Пока же наиболее доступным
средством борьбы с нагаром без разборки мотора остается «прожигание» камер сгорания
при форсированном движении по автомагистрали. В качестве профилактической меры полезно
строить свои повседневные маршруты так, чтобы городская езда чередовалась со скоростным
шоссе.

Что следует из теории

Вряд ли есть необходимость в каких-то развернутых выводах — они
естественно следуют из самой сути рассмотренных положений. Но, видимо, краткое и
пусть несколько упрощенное резюме все же может быть полезным. Оно сводится к следующему.

Если во время форсированной езды по автомагистрали в двигателе
прослушиваются какие-то непонятные стуки — это не детонация. Логичнее объяснить
их самовоспламенением топлива из-за перегрева двигателя или обильного нагара в камерах
сгорания.

Если стуки появляются на переменных режимах, скажем, при городской
езде, то не калильное зажигание тому виной.

И, наконец, не нужно панически бояться вспышек в моторе после
выключения зажигания. Но и терпимо относиться к ним не следует; способы прекратить
их были перечислены в тексте.

Кандидат технических
наук В. БАСС.

Горение — топливо

Горение топлива — это химический процесс соединения горючих веществ топлива с кислородом воздуха, который сопровождается интенсивным выделением тепла. Горение топлива может быть полным или неполным.
 

Горение топлива — быстро протекающая химическая реакция окисления элементов топлива кислородом, сопровождающаяся выделением тепла и света.
 

Горение топлива в слоевой топке, как и во всякой другой топке, сопровождается потерями тепла.
 

Горение топлива является химическим процессом, при котором горючие вещества топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образуют новые вещества, называемые продуктами сгорания. Особенность этого процесса заключается в том, что он сопровождается выделением тепла.
 

Горение топлива может быть безотказно вызвано при попадании зажигательного снаряда внутрь протектированного самолетного топливного бака над уровнем жидкости, если в свободном объеме бака находится смесь паров горючего с воздухом; последний может проникать туда через пробоины или просачиваться через неплотности. Горение редко возникает внутри бака при попадании снаряда ниже уровня жидкости. Было потрачено много усилий на создание зажигательных снарядов и пуль, способных воспламенять горючее с первого попадания ниже уровня жидкости. Этого удалось достичь, когда были разработаны зажигательные снаряды с большей продолжительностью вспышки и с продолжительным горением частичек состава, образующихся при взрыве. Эти длительно горящие частички воспламеняют струйки и брызги горючего, выбрасываемые наружу через входное отверстие волной давления, создаваемой снарядом в жидкости. При взрыве снаряда часть топлива будет диспергироваться, образуя взвесь капелек горючего в воздухе, что также благоприятствует воспламенению. Вблизи источника воспламенения часть капель горючего испаряется, эти пары воспламеняются и создают первоначальный фронт пламени.
 

Горение топлива в камере сгорания происходит при повышенном давлении. При истечении продуктов сгорания из сопла происходит расширение газов, сопровождающееся падением давления и температуры.
 

Горение топлива происходит вследствие окисления горючей части топлива кислородом воздуха. В результате протекания процессов горения образуются продукты горения, а вследствие выделения тепла развивается определенная температура.
 

Горение топлива представляет собой химическую реакцию окисления составных частей топлива, протекающую с известной скоростью и сопровождающуюся значительным выделением тепла и повышением температуры.
 

Горение топлива представляет собой химическую реакцию окисления его составных частей с кислородом воздуха, сопровождающуюся значительным тепловым эффектом.
 

Горение топлива и ра счш прение продуктов сгорания ( рис. 6.12 в; линия cd на рис. 6.13) происходит при закрытых клапанах. Горит топливо очень быстро — от 0 01 до 0 003 с. Чем больше число оборотов двигателя, тем выше должна быть скорость горения. Для экономичной работы двигателя необходимо, чтобы еще до процесса воспламенения топливо было тщательно перемешано с воздухом. Это опережение достигает 30 угла поворота кривошипа и тем больше, чем больше число оборотов двигателя, поэтому давление в цилиндре достигает максимума непосредственно после прохождения поршнем ВМТ. При этом большая часть топлива сгорает три постоянном объеме.
 

Горение топлива является химическим процессом, при котором горючие вещества топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образуют новые вещества, называемые продуктами горения. Особенность этого процесса в том, что он сопровождается выделением теплоты.
 

Горение топлива представляет собой химическую реакцию окисления составных частей топлива, протекающую с известной скоростью, и сопровождается значительным выделением тепла и повышением температуры.
 

Горение топлива представляет собой химическую реакцию окисления его горючих составных частей кислородом воздуха, в процессе которой выделяется значительное количество тепла. Для полного сгорания топлива необходимо создать условия, при которых реакция окисления будет происходить легко и быстро.
 

Горение топлива должно быть равномерным по всему сечению печи.
 

Эксплуатационные факторы, влияющие на процесс сгорания

1. Состав смеси. Наименьшие значения первой фазы сгорания соответствуют составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшие значения (а от 0,8 до 0,9). При сильном обеднении смеси не только увеличивается первая фаза сгорания, но и резко ухудшается стабильность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.
2. Вихревое движение заряда обеспечивается конструкцией: типом и формой камеры сгорания, профилем впускных клапанов и позволяет в результате улучшения однородности рабочей смеси сократить продолжительность 01.
3. Степень сжатия. С ростом степени сжатия увеличиваются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и соответствующему сокращению продолжительности 01.
4. Угол опережения зажигания. Каждому режиму работы двигателя соответствует свой наивыгоднейший (оптимальный) угол опережения зажигания, при котором основная фаза сгорания 02 располагается максимально близко к ВМТ, и двигатель работает с наилучшей эффективностью: развивает максимальную мощность и имеет минимальный расход топлива. Оптимальный угол опережения зажигания зависит от продолжительности фаз сгорания (в первую очередь от 01), поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала и уменьшении нагрузки угол опережения зажигания необходимо увеличить. Отклонение угла опережения зажигания от оптимального значения ведет к изменению положения кривой Т относительно ВМТ, что влечет за собой потери, связанные с динамикой сгорания. Это происходит потому, что при позднем зажигании значительная часть тепловыделения происходит уже на такте расширения, когда объем увеличивается, в результате чего максимально возможное давление не достигается. При отклонении значения угла опережения зажигания от оптимального в сторону увеличения поршню приходится в конце процесса сжатия преодолевать резко увеличивающееся от сгорания давление газов. А при чрезмерно большом значении угла опережения зажигания значительное возрастание давления и температуры в цилиндре приводит к возникновению детонационного сгорания, сущность которого рассматривается ниже.
5. Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала возрастает скорость прохождения смеси через клапанную щель, поэтому усиливается турбулизация заряда. При этом продолжительность 01 и 03 относительно второй фазы сгорания затягивается, поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала необходимо увеличить угол опережения зажигания. В целом с увеличением частоты вращения коленчатого вала эффективность сгорания увеличивается.
6. Нагрузка. Уменьшение нагрузки осуществляется поворотом (закрытием) дроссельной заслонки, которое приводит к уменьшению коэффициента наполнения и росту коэффициента остаточных газов. Кроме этого уменьшаются давление и температура в конце сжатия. Все это уменьшает скорость развития пламени в первой фазе сгорания и снижает скорость распространения фронта пламени во второй и третьей фазах сгорания. Их протекание замедляется, особенно при малых нагрузках и низких частотах вращения коленчатого вала. Для того чтобы в какой-то мере компенсировать ухудшение динамики сгорания на малых нагрузках прибегают к обогащению горючей смеси и увеличению угла опережения зажигания. Ухудшение сгорания на малых нагрузках является большим недостатком карбюраторного двигателя, так как оно влечет за собой перерасход топлива и увеличение окиси углерода и углеводородов в отработавших газах.

История автомобильного двигателя

Чуть-чуть истории.  Двигатель прошёл долгую историю развития. По сути, первыми двигателями являлись парус и водяное колесо. Водяным колесом широко пользовались в странах Древнего мира(таких как Египет, Китай, Индия) для оросительных систем, а в средние века в Европе использовали как основу энергетической базы производства. Дальше появились двигатели внешнего сгорания. Широкое распространение получили паровые двигатели.

Паровой двигатель(Steam engine) — двигатель ВНЕШНЕГО сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Советую почитать очень интересную и непростую историю развития данного двигателя: http://www.bibliotekar.ru/encAuto/5.htm

Далее  в процессе развития двигателей появились двигатели внутреннего сгорания, ДВС. Одним из них, нашедший наибольшее распространение — бензиновый двигатель.

Бензиновые двигатели (petrol engine, gasoline engine) — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая смесь топлива(бензина) и воздуха поджигается электрической искрой. Главное преимущество бензинового двигателя заключается в малой массе и быстром запуске, поэтому он вытеснил паровые двигатели, а теперь он широко используется в автомобилях.

Позже появились дизельные двигатели.

Дизельный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распыленного дизельного топлива от соприкосновения с разогретым сжатым воздухом. Плюсом является экономичность топлива, более высокий крутящий момент. Однако, минусом является сложность систем, дороговизна изготовления и эксплуатации.

Ну и заглянем в будущее автомобилей. Итак, существуют так же электрические двигатели.

Электрический двигатель — Это установка, в которой электрическая энергия превращается в механическую работу и тепло. Это развивающееся направление в автомобилестроении. Однако, на дорогах большинство машин имеют бензиновый или дизельный двигатель, поэтому, оставим будущее и вернёмся к настоящему.