MPG блог – автомобили и топливо

Среди процессов, происходящих в двигателе, ключевую роль играет сгорание рабочей смеси. Если оно протекает неэффективно или с отклонениями от нормы, то неизбежно ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя, а в иных случаях возможно и аварийное разрушение его деталей.

О сущности процесса горения и его аномалиях, о возможности диагностировать эти явления и делать необходимые выводы рассказывает кандидат технических наук В. БАСС.

Протекание процесса горения

Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива. 

От первичного очага пламя начинает распространяться на окружающую рабочую смесь; фронт этого пламени имеет вид ламинарного (ровного, незавихренного) слоя толщиной меньше миллиметра, движущегося вначале с небольшой скоростью. Однако она быстро нарастает, поскольку остающиеся за фронтом сгоревшие газы, имеющие температуру около 2000°К, расширяются. Удаляясь от свечи, где рабочая смесь относительно спокойна (пристеночная зона), и приближаясь к центру камеры сгорания, пламя достигает турбулизованной (завихренной) зоны топливного заряда. Здесь фронт пламени начинает дробиться и приобретает ячеистую структуру, где участки горения перемежаются со свежей смесью и продуктами сгорания. Толщина такого турбулентного слоя становится равной нескольким сантиметрам, а скорость его распространения измеряется десятками метров в секунду, находясь в прямой зависимости от скорости движения газов внутри камеры.

Нужно заметить, что нормальная работа двигателя в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала обеспечивается именно тем, что скорость турбулентного пламени возрастает пропорционально увеличению скорости движения поршня. Когда же пламя проходит через весь объем камеры, горение в ней постепенно прекращается, а образовавшиеся горячие газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз и тем самым, совершая полезную работу. Чем выше температура и давление этих газов, тем больше отдача мощности.

Этот процесс обеспечивает наибольшую эффективность двигателя, расчетный уровень расхода топлива и токсичности отработавших газов. Но, к сожалению, так бывает не всегда. При определенных условиях ход процесса может нарушаться, вызывая разные по тяжести последствия – от неприятных ощущений у водителя до серьезного повреждения двигателя.
Что влияет на процесс горения.

Прежде всего, конечно, бензин, его характеристики, соответствие данному двигателю. Современный товарный бензин представляет собой сложную смесь разных углеводородов, а также специальных присадок. Кроме основного свойства — стойкости к детонации, что определяется октановым числом, бензин должен обладать и другим — не иметь склонности (разумеется, в определенных условиях и пределах) к самовоспламенению, к нагарообразованию и калильному зажиганию,.

Процесс сгорания существенно зависит от состава горючей смеси. Общая зависимость (при наивыгоднейшем опережении зажигания) такова: наибольшая температура и давление газов в камере сгорания достигаются при слегка обогащенной смеси. Дальнейшее ее обогащение и обеднение снижает температуру.

Отклонение угла опережения зажигания от оптимальной величины тоже оказывает прямое влияние. Увеличение угла повышает температуру внутри камеры и может довести ее до уровня, опасного для расположенных там деталей. При позднем зажигании температура в камере снижается, но на выпуске – возрастает. Это, в частности, ужесточает тепловой режим работы выпускного клапана.

Любой перегрев деталей, расположенных в камере сгорания, может нарушить нормальное протекание процесса горения топлива.
Влияние нагара.

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, они создают 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.

Продолжение читайте в статье «Процесс горения топлива в ДВС: Детонация«.