Двигатель работает за счет энергии, выделяющейся при сжигании в его цилиндрах бензина. Для горения необходим воздух (точнее, кислород воздуха), а чтобы сгорание успело закончиться за то время, которое отводится на это в двигателе (до 0,002 сек.), бензин должен быть хорошо перемешан с воздухом.
Образование смеси бензина с воздухом происходит в карбюраторе, где бензин смешивается с засасываемым в двигатель воздухом в нужном количестве, распыляется и частично испаряется. Дальнейшее испарение и перемешивание происходят во впускном трубопроводе и в самих цилиндрах двигателей.
Подготовленная к сжиганию смесь бензина с воздухом называется рабочей смесью.
В зависимости от того, больше или меньше бензина содержится в смеси при одном и том же количестве воздуха, различают богатые, нормальные и бедные смеси.
Нормальной рабочей смесью называется такая смесь, после сгорания которой не остается ни свободного кислорода, ни несгоревшего бензина. В нормальной смеси воздуха в 15 раз больше (по весу), чем бензина. Иначе говоря, для полноты сгорания 1 кг бензина требуется около 18 м3 воздуха.
Богатая рабочая смесь содержит больше бензина, чем нормальная, вследствие чего бензин cгорает не полностью. Существует предел обогащения смеси, при котором в цилиндрах двигателя еще происходит горение. Если бензина в смеси приблизительно в три раза больше, чем в нормальной, такая смесь гореть уже не будет.
Бедная рабочая смесь содержит меньше бензина, чем нормальная, и после ее сгорания остается неиспользованный кислород воздуха. Слишком бедные смеси также не горят в цилиндрах двигателя. Если уменьшить количество бензина в нормальной смеси на 20%, горение прекращается.
Состав смеси оказывает большое влияние на работу двигателя. Наибольшая мощность двигателя достигается при несколько обогащенной смеси, в которой воздуха не в 15, а только в 12—13 раз больше по весу, чем бензина. Такая смесь сгорает быстрее, чем смесь любого другого состава, отчего развивается наибольшее давление газов на поршни. Всякое обеднение или обогащение смеси против названного состава приводит к уменьшению мощности двигателя, причем особенно быстро мощность падает при обеднении смеси.
Наименьший расход бензина достигается при несколько обедненной рабочей смеси, в которой воздуха в 16—17 раз больше по весу, чем бензина. Такая смесь сгорает полностью и обеспечивает наилучшее использование тепла, выделяющегося при сгорании. При этом мощность двигателя оказывается на 10—15% меньше, чем в предыдущем случае.
Смесь, обеспечивающую наибольшую мощность, часто называют смесью мощностного состава. Соответственно состав смеси, при котором двигатель работает на наиболее экономичном режиме, называется экономическим.
При изменении нагрузки и оборотов двигателя экономический и мощностной составы смеси не остаются постоянными. С уменьшением нагрузки (закрытием дросселя) смесь необходимо обогащать, а при увеличении оборотов — обеднят. Наибольшее влияние на состав смеси оказывает изменение нагрузки, и при малых оборотах холостого хода экономическая смесь содержит только в 7-10 раз больше воздуха (по весу), чем бензина.
Нормальная эксплуатация карбюраторного двигателя возможна на смесях экономического состава, обеспечивающих наименьший расход бензина. Однако при, полном открытии дросселя, когда двигатель должен работать на наибольшей мощности для разгона, преодоления подъема или достижения максимальной скорости, целесообразно применять смеси мощностного состава, не считаясь с повышенным расходом бензина.
Современные карбюраторы устроены таким образом, что все изменения состава смеси при различных режимах работы двигателя осуществляются автоматически, без участия водителя. Только при запуске и прогреве двигателя изменять состав смеси приходится вручную.
Засосанная в цилиндры двигателя рабочая смесь подвергается сжатию и затем, подожженная электрической искрой, сгорает за короткий промежуток времени, пока поршень находится вблизи ВМТ. Если смесь сгорает на интервале 30-40° поворота коленчатого вала, такое горение называют нормальным. Наибольшая скорость нормального горения достигает 22 м/сек.
Большое влияние на скорость горения оказывают начальные условия, т.е. состав смеси, давление и температура в момент зажигания. Чем смесь беднее, тем медленнее она горит. Переобедненные смеси горят настолько медленно, что горение еще продолжается при следующем открытии впускного клапана; это вызывает вспышки вновь засасываемой смеси, известные как «выстрелы» в карбюратор.
Давление и температура смеси в момент зажигания определяются главным образом степенью сжатия двигателя, т. е. величиной, показывающей, во сколько раз уменьшается объем засосанной смеси при сжатии. Чем выше степень сжатия, тем больше давление и температура смеси перед воспламенением и тем быстрее горит смесь. Поэтому двигатели, имеющие повышенную степень сжатия, развивают большую мощность, а бензина расходуют меньше.
Повышение степени сжатия ограничивается возникновением горения взрывного типа, носящего название детонации.
В процессе горения впереди движущегося по горючей смеси пламени происходят дополнительное сжатие и нагрев несгоревшей части смеси. Если температура при этом достигнет большой величины, то эта несгоревшая часть смеси самовоспламеняется со скоростью до 2000 м/сек. Такая большая скорость горения вызывает практически мгновенное нарастание давления в цилиндре, действующее на стенки камеры сгорания подобно ударам молота. Эти удары воспринимаются на слух как резкий звенящий или щелкающий металлический звук. Сильная детонация может частично или даже полностью разрушить поршни.
Детонация нарушает нормальную работу двигателя и мешает дальнейшему повышению его мощности и экономичности. Поэтому борьба с детонацией является одной из самых важных задач современной техники.
Значительно повышает стойкость бензина против детонации примешивание к бензину незначительных количеств свинца в виде сложного химического соединения, называемого этиловой жидкостью. Такой бензин называется этилированным. Применение этилированных бензинов марок А-66 и А-70 позволяет работать без детонации при степенях сжатия 6,5—7,0.
Помимо качества бензина, на появление детонации при данной степени сжатия влияют:
§ состав рабочей смеси
§ величина подогрева смеси во впускном трубопроводе
§ температура
§ давление и влажность атмосферного воздуха
§ тепловое состояние двигателя
§ опережение зажигания и нагрузка двигателя (степень открытия дросселя)
Наиболее склонны к детонации бедные смеси. Смеси экономического состава детонируют сильнее, чем мощностные. Поэтому обогащением смеси часто можно устранить возникшую детонацию, хотя этот способ нежелателен, так как он вызывает перерасход бензина.
Чем сильнее подогревается рабочая смесь во впускном трубопроводе, тем выше ее температура и тем раньше начинается детонация. По этой причине в жаркую погоду или при перегреве двигателя детонация усиливается. Напротив, холодный, влажный или разреженный воздух способствует уменьшению и даже исчезновению детонации.
Изменением момента зажигания можно сравнительно легко воздействовать на детонацию. Слишком раннее зажигание всегда вызывает детонационные стуки в двигателе, которые исчезают при уменьшении опережения зажигания. Однако следует помнить, что если для устранения детонации приходится устанавливать слишком позднее зажигание, то при этом увеличивается расход бензина, двигатель теряет способность к быстрому разгону и начинает перегреваться. А это само по себе в состоянии вновь вызвать детонацию. Так получается в тех случаях, когда степень сжатия слишком высока для используемого топлива.
Решающее влияние на детонацию оказывает нагрузка двигателя. При любых прочих неблагоприятных условиях достаточно прикрыть дроссель, чтобы полностью ликвидировать детонацию. Правда, это уменьшит скорость движения, но зато сократит потери топлива.
Значительное влияние на возникновение детонации оказывает нагар в камерах горения. По мере увеличения слоя нагара ухудшаются условия охлаждения камер, и детонация возникает там, где раньше горение шло нормально. Очистка нагара со стенок камер и днищ поршней обычно не только устраняет детонацию, но и делает возможным увеличить опережение зажигания.
Легкая детонация при разгоне с полным открытием дросселя не должна внушать опасений, так как в данном случае она служит признаком правильно установленного зажигания. Однако она ни в коем случае не должна проявляться при любой установившейся скорости движения машины.
При эксплуатации автомобиля прежде всего должно быть обеспечено требуемое качество бензина. Только при соблюдении этого условия детонация будет иметь случайный характер и ее можно будет устранить одним или несколькими из указанных способов. Если не допускать перегрева двигателя, правильно установить зажигание и очищать камеры горения в соответствии с требованиями заводской инструкции, детонация не будет мешать нормальной эксплуатации автомобиля.
Влияние смесеоброзования на экономичность и экологические показатели двигателя.
Топливо воспламеняется и горит в камере сгорания неравномерно: быстрее всего горит топливо, находящееся ближе к поверхности раскалённого металла камеры сгорания. Скорость горения топлива по металлу в камере сгорания в 3 раза быстрее, чем в остальном объёме. Поэтому, часть топлива в объёме сгорать не успевает (до 34%) и на такте выпуска с выхлопными газами выходит в атмосферу. А это и есть перерасход топлива (до 34%) из-за того, что топливная смесь сгорает не полностью.
Из-за неравномерности горения возникают следующие проблемы:
— повышенное нагарообразование, коксовые и смольные отложения на деталях цилиндропоршневой группы.
— закоксовка поршневых колец
— повышенная детонация; прогар выпускных клапанов;
— низкий КПД двигателя и повышенный расход топлива;
— повышенный температурный режим, ведущий к перегреву металла камеры сгорания и, как следствие, ускоренный износ.
Что влияет на полноту сгорания топлива?
Различие химического состава топлива оказывает существенное влияние на процессы смесеобразования и сгорания бензовоздушных смесей в двигателе и тем самым определяет параметры мощности, топливной экономичности и токсичности отработавших газов.
Исследования проведенные кафедрой ДВС СПбГПУ показали, что для топлив с одинаковыми октановым числами, изменение химического состава топлив может дать весьма значительную разницу в выходных показателях бензинового ДВС. По мощности различие может составить до 6 %, а по эффективному КПД до 9%.
Особенно велико различие в показателях токсичности. Так, по компонентам СН и NОx оно может составлять до 20…25 %.
Влияние химического состава топлива на параметры работы двигателя внутреннего сгорания проявляется через изменение следующих показателей топлива:
Во-первых, с изменением состава топлива изменяется его теплотворная способность. Особенно заметно понижение теплотворной способности топлив на бензинах с высоким содержанием таких октаноповышающих присадок как МТБЭ. Сейчас Технологический Регламент (ТР ТС 013/ 2011) разрешает содержание МТБЭ в бензинах до 15%. но при превышении его содержания более 7% значительно снижается теплотворная способность бензина. Изменение теплотворной способности наиболее значимо влияет на параметры мощности и топливной экономичности бензинового двигателя.
В-вторых, состав топлива существенно меняет скорость и полноту сгорания топлива. Наименьшими скоростями сгорания обладают топлива с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие в бензинах связанного кислорода повышает скорость и полноту сгорания. Эти параметры определяют изменение как экономических характеристик двигателя, так и содержания токсичных компонент, особенно остаточных углеводородов СН и оксидов азота NOx при использовании различных бензинов. К сожалению, сейчас Технологический Регламент (ТР ТС 013/ 2011) не нормирует содержание в бензинах полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
В-третьих, бензины различного химического состава могут существенно отличаться по плотности. Этот параметр ранее действующими ГОСТами нормировался и должен был находиться в диапазоне 720…775 кг/м3. Однако в новом Техническом регламенте эта норма отсутствует. А ведь плотность топлива для реального двигателя имеет принципиальное значение. Все дозирующие элементы системы топливоподачи настроены на объемные расходы топлива. Значит масса топлива поданного в камеру сгорания на одних и тех же режимах для разных бензинов будет отличаться в зависимости от плотности топлива. Это в свою очередь меняет состав топливовоздушной смеси, причем в достаточно широком диапазоне, чтобы оказать существенное влияние на работу двигателя, особенно на высоких нагрузках.
В-четвертых, от химического состава топлива существенно зависит его фракционный состав, что в свою очередь влияет на его испаряемость, что в свою очередь влияет на легкость запуска двигателя, особенно в холода.
В-пятых, химический состав топлив оказывает значительное влияние на фактическую детонационную стойкость бензинов. Проведенные исследования показывают, что даже при весьма близких значениях октановых чисел, пределы детонации в реальных условиях сильно зависят от состава топлив, метода получения заданного октанового числа, наличия или отсутствия оксигенатов.
Так, при испытаниях разных бензинов имеющих одинаковое октановое число-92 было отмечено различие в нагрузке на двигатель, при которой фиксировались детонационные стуки, на 12…17 % в зависимости от состава бензина и скоростного режима работы двигателя. Этот эффект особенно влияет на характеристики впрысковых ДВС, где фактор детонации является одним из сигналов для системы управления, которая меняет алгоритм работы системы зажигания.
Из основных параметров состава бензинов влияние на выходные показатели двигателя в большей степени оказывают содержание ароматических углеводородов и оксигенатов, а также наличие или отсутствие моющих присадок.
Максимальную мощность и экономичность получают при содержания ароматических углеводородов порядка 40 %, т. е. в зоне бензинов класса К-3 (“Евро-3”). Минимум токсичности отработавших газов наблюдается при уменьшении содержания ароматики до уровня 30…32 %, т. е. в зоне бензинов класса К-4 (“Евро-4”). Дальнейшее снижение содержания ароматических углеводородов не приводит к существенному улучшению экологических показателей двигателя, но значительно ухудшает мощностные.
Кроме того, топлива с низким содержанием ароматических углеводородов (менее 30 %) и оксигенатов чаще всего характеризуются низкой плотностью, что существенно меняет состав топливовоздушной смеси, уводя его в зону неэффективных регулировок. Повышенные же концентрации ароматических углеводородов (более 45 %) существенно снижают скорость и полноту сгорания топлива.
Что поможет экономить топливо?
Активатор Топлива «Моторесурс» повышает полноту сгорания топлива, что приводит к его экономии (до 15%).
Активатор Топлива «Моторесурс» — это препарат новейшего поколения, относящийся к классу катализаторов горения.
Попадая в топливо Активатор Топлива «Моторесурс» связывает воду, которая находится в топливе (напр. конденсатная вода) и превращает молекулу воды в активного участника процесса горения топлива. Это позволяет обеспечить плавно нарастающее давление на поршень, исключая ударные нагрузки, что увеличивает ресурс двигателя. Образованные радикалы Н+, Н-, ОН-, О -, О+, и т.д. «заряжают» топливо и способствуют его предокислению (повышается октановое, цетановое число). В самом топливе катализаторы Активатора Топлива «Моторесурс» разрушают бензольные кольца ароматических углеводородов – происходит более полное сгорание топлива, что повышает мощность и КПД двигателя, снижает расход топлива и токсичность выхлопных газов. Сера, находящаяся в топливе, полностью сгорает, не создавая соединений, которые откладывались бы на стенках камеры сгорания. При применении Активатора Топлива «Моторесурс» повышается мощность, двигатель становится менее чувствительным к качеству топлива, увеличивается ресурс топливной аппаратуры и двигателя в целом.
С целью экономии топлива и снижения нагарообразования в двигателе мы рекомендует использовать Активатор Топлива «Моторесурс» при каждой заправке
.Используя Активатор Топлива «Моторесурс» Вы не тратите деньги, Вы их экономите, ведь экономия топлива существенно превышает цену самого Активатора Топлива. А если учесть, что Активатор Топлива защищает двигатель от суррогатного топлива, то польза от его применения несомненна!
Таким образом, совокупность показателей, характеризующих тепловое и вещественное взаимодействие работающего ДВС с окружающей средой; акустическое излучение (шум), вибрации; количества конструкционных и эксплуатационных материалов, расходуемых при изготовлении и использовании ДВС; количества энергии, затрачиваемые при производстве и использовании двигателей и материалов, следует понимать как определяющую качество экологической чистоты ДВС.