Сгорание топлива в двигателе кратко

Обновлено: 06.07.2024

Необходимым и основным условием нормальной работы ДВС - двигателя внутреннего сгорания, является сжигание внутри каждого рабочего цилиндра через равные и строго определённые промежутки времени очередной, точно отмеренной порции топлива.

В результате чего, химическая энергия топлива превращается сначала в тепловую, а затем в механическую.

Главный судовой малооборотный, двухтактный, крейцкопфный, длинно-ходовой двигатель "B&W". Палуба цилиндровых крышек, выпускные клапаны. Фото автора.

Давление газов, образовавшихся в результате сгорания порции топлива и стремящихся расшириться, передаётся через поршень и шатун коленчатому валу двигателя, заставляя последний вращаться и выполнять механическую работу.

Для того, чтобы сжечь порцию топлива в цилиндре с наибольшим эффектом, необходимо:

Смесеобразование и распыливание топлива, в морских судовых двигателях. Учебное пособие для машинной команды.

Ввести в цилиндр двигателя потребный для горения топлива воздух (или заранее приготовленную вне цилиндра смесь распыленного топлива, или горючих газов, с воздухом);
Мелко распылить топливо (если оно жидкое) и тщательно перемешать его с воздухом, в смеси с которым оно должно гореть;
Подготовить, образовавшуюся в результате перемешивания распыленного топлива с воздухом, горючую смесь к воспламенению и затем воспламенить её;

подготовка смеси к воспламенению заключается в подогреве её теплотой, выделяющейся в процессе сжатия смеси в цилиндре движущимся поршнем;

Требования, предъявляемые к распыливанию топлива в морских двигателях. Учебное пособие для мореходных школ.

4. Обеспечить быстрое и бездымное сгорание воспламенившейся смеси;

выделившееся в результате сгорания смеси тепло, нагреет образовавшиеся в процессе горения газы, и давление их возрастёт, вследствие чего, поршень в цилиндре начнёт двигаться;
таким образом, химическая энергия топлива превратится сначала в тепловую, а затем и в механическую;

5. Очистить полость рабочего цилиндра от газообразных продуктов сгорания, после возможно более полного использования их энергии.

Для выполнения этих функций, в двигателях внутреннего сгорания имеются специальные устройства, для подачи в рабочие цилиндры воздуха (или приготовленной вне цилиндров горючей смеси) и удаления из них отработавших газов, называемые органами ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ.
А также устройства для распыливания топлива, перемешивания его с воздухом и для воспламенения приготовленной горючей смеси.

Сжигание очередной порции топлива и все связанные с этим процессы могут совершаться:

а) за один оборот коленчатого вала, или, иными словами, за два хода поршня;
б) за два оборота коленчатого вала, или четыре хода поршня.

В первом случае, двигатели называются ДВУХТАКТНЫМИ.
Во втором – ЧЕТЫРЁХТАКТНЫМИ.

Под ТАКТОМ, таким образом, подразумевается промежуток времени, за который поршень совершит один ход.

Однако, это определение соответствует лишь теоретическим условиям протекания процессов в рабочем цилиндре двигателя.
В действительности, отдельные процессы протекают за больший или меньший период, чем один ход поршня.

Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом рабочем цилиндре и обусловливающих работу двигателя, называется РАБОЧИМ ЦИКЛОМ.

Для предохранения от значительных перегревов, крышки и стенки рабочих цилиндров охлаждают циркуляционной водой.

Тепло, выделившееся в результате сгорания топлива в рабочем цилиндре, лишь частично используется для полезной работы на валу двигателя.

Значительная его часть, уносится с продуктами сгорания, при очередной очистке рабочей полости цилиндра, а также с охлаждающей двигатель водой.
Часть тепла, непроизводительно расходуется на преодоление внутренних сопротивлений сил трения, возникающих в движущихся деталях.
Известно, что использование тепла увеличивается с увеличением разности температур рабочего тела в начале и в конце теплового процесса.

Сжигание топлива в цилиндре двигателя, позволяет получить весьма значительный перепад (разность) температур в начале и в конце расширения продуктов сгорания, что существенно увеличивает теплоиспользование во время этого процесса и, следовательно, увеличивает отдачу механической энергии на валу двигателя.

Для обеспечения сгорания в двигателе внутреннего сгорания небольшое количество топлива смешивается с поступающим воздухом. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не может сжигать без остатка все топливо, которое он использует. Вследствие этого двигатель выпускает побочные продукты сгорания в виде отработавших газов. Некоторые из этих побочных продуктов вредны и загрязняют воздух. Борясь с этой проблемой, изготовители автомобилей разработали так называемые устройства понижения токсичности выхлопа, которые ограничивают выброс этих вредных веществ или полностью устраняют его.

Сгорание

В процессе сгорания происходят несколько химических реакций. Одни соединения разрушаются, а новые соединения образуются. Управление процессом сгорания - это ключ к управлению всей работой и токсичностью выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

Для процесса сгорания требуются три элемента:

1. Воздух
2. Топливо
3. Искра зажигания

Эти три элемента иногда упоминаются как "триада сгорания". Если один элемент триады отсутствует, сгорание невозможно. Двигатель внутреннего сгорания рассчитывается на объединение этих трех элементов, поддерживая полный контроль над процессом.

Воздух состоит из атомов азота (N), кислорода (О ) и других газов. Большую часть воздуха составляет азот, являющийся инертным, негорючим газом. Воздух не горит, но в нем содержится достаточное количество кислорода, что позволяет поддерживать сгорание.

Топливо

Бензин состоит из углеводородов, которые образуются в результате переработки сырой нефти. Углеводороды состоят из атомов водорода (Н) и углерода (С). В бензин добавляются различные химикаты, типа ингибиторов коррозии, красителей и очищающих средств. Эти химикаты называются присадками.
Тепло и давление, присутствующие в двигателе внутреннего сгорания, могут заставить бензин, находящийся в камере сгорания, воспламениться раньше, чем генерируется искра зажигания. Это называется преждевременным воспламенением и более подробно описывается дальше. Октановое число бензина указывает на то, насколько хорошо он противостоит преждевременному воспламенению. Дополнительная очистка может способствовать увеличению октанового числа.
В настоящее время в регионах с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения воздуха используется тип топлива, называемый улучшенным бензином (подвергнутым реформингу) (RFG). Такой бензин имеет специальные присадки, называемые окислителями, которые улучшают сгорание, увеличивают октановое число и уменьшают токсичность выхлопа.

Искра зажигания

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо поступают в камеру сгорания, и затем генерируется искра зажигания, вызывающая сгорание. Перед зажиганием воздушно-топливной смеси двигатель нагревается и сжимает смесь. Нагревание помогает процессу смесеобразования, а сжатие увеличивает энергию, генерируемую при сгорании.

Процесс сгорания

В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и инициированию вращения коленчатого вала.
После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).

Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания выражается формулой:

НС + О2 = Н2 О + СО2

топливо + кислород = вода и двуокись углерода

Абсолютно эффективный двигатель внутреннего сгорания на выпуске имел бы только воду (Н О) и двуокись углерода (СО ), что соответствует Данной выше химической формуле. Это означало бы, что все углеводороды в процессе сгорания разложились. К сожалению, дело обстоит не так.

Неэффективное сгорание -это главная причина наличия вредных веществ в выхлопе автомобиля. Эффективное сгорание ведет к наименьшей токсичности выхлопа. Эффективность сгорания увеличивается посредством корректировки соотношения "воздух/топливо".

Соотношение "воздух/топливо"

Инженеры-автомобилестроители определили, что токсичность выхлопа автомобиля можно уменьшить, если бензиновый двигатель работает с соотношением "воздух/топливо", равным 14.7:1. Технический термин известен как "стехиометрическое соотношение". Стехиометрическое соотношение означает химически правильную воздушно-топливную смесь, которая производит желаемую химическую реакцию, входе которой происходит полное сгорание топлива с желаемой токсичностью выхлопа.
Соотношение "воздух/топливо" 14.7:1 обеспечивает наилучшее управление всеми тремя компонентами (углеводороды, одноокись углерода и оксиды азота) при выпуске почти во всех условиях. Соотношение "воздух/топливо" также увеличивает эффективность каталитического нейтрализатора, который является частью системы выпуска автомобиля.

Бедная воздушно-топливная смесь

Обеднение воздушно-топливной смеси обычно вызывается неисправностью в двигателе. Обеднение - это состояние, когда двигатель получает слишком много воздуха или кислорода. Причиной слишком высокого уровня кислорода могут стать утечки вакуума или неисправная система подачи топлива.

Богатая воздушно-топливная смесь

Богатая воздушно-топливная смесь - это также указание на неисправность двигателя. Обогащение - это состояние, когда двигатель не может сжечь все топливо, которое вошло в камеры сгорания. Состояние обогащения может возникать в результате высокого давления топлива, проблем с опережением зажигания или низкой компрессии.

Аномальное сгорание

Имеются два типа аномального сгорания, которое может происходить в двигателе: детонация и преждевременное воспламенение.
Детонация - это неустойчивый процесс горения, который может вызывать неисправность прокладки головки цилиндров, а также и другие повреждения двигателя. Детонация возникает, когда в камере сгорания наблюдается перегрев и повышенное давление. Когда это происходит, создается взрывная сила, которая инициирует резкий рост давления в цилиндрах, сопровождаемый сильным металлическим стуком. Ударные волны, похожие на удары молотка, генерируемые при детонации, подвергают прокладку головки цилиндров, поршень, кольца, свечу зажигания и подшипники шатуна серьезным перегрузкам.
Преждевременное воспламенение - это другое аномальное состояние горения, которое иногда путают с детонацией. Преждевременное воспламенение имеет место, когда какая-либо точка в камере сгорания становится настолько горячей, что становится источником зажигания и заставляет топливо воспламеняться до генерирования искры зажигания. Оно может сделать свой вклад в детонацию или даже стать ее причиной.
Вместо воспламенения топлива в правильный момент времени, чтобы дать коленчатому валу плавный толчок в требуемом направлении, топливо загорается преждевременно. Это вызывает мгновенный обратный удар в тот момент, когда поршень пытается повернуть коленчатый вал в неправильном направлении. Этот удар вследствие напряжений, которые он создает, может быть очень разрушительным. Кроме того, преждевременное воспламенение может локализовать тепло до такой степени, что оно может частично проплавить или прожечь отверстие в головке поршня.

Токсичность выхлопа

Стехиометрическая воздушно-топливная смесь обеспечивает наилучший компромисс между динамическими характеристиками, экономичностью и токсичностью выхлопа.
При богатой воздушно-топливной смеси все топливо не сгорает. Поэтому увеличивается уровень выделений углеводородов и одноокиси углерода. Бедная воздушно-топливная смесь может при сгорании генерировать повышенное количество тепла. Поэтому увеличивается содержание оксидов азота. Чрезмерно обедненная воздушно-топливная смесь в результате приводит к пропускам воспламенения. Это увеличивает выделения углеводородов.
Каталитические нейтрализаторы, которые химически нейтрализуют токсичные отработавшие газы, наиболее эффективны в очень узком диапазоне, близком к стехиометрическому соотношению.

Побочные продукты сгорания

Поскольку двигатель внутреннего сгорания не имеет абсолютной эффективности, в процессе сгорания генерируются три нежелательных побочных продукта:
1. Углеводороды (НС)
2. Одноокись углерода (СО)
3. Оксиды азота (N0 X )

Неполное сгорание вызывает выделение углеводорода и одноокиси углерода. Выделения углеводорода - это углеводороды, которые не разрушились в процессе сгорания. Одноокись углерода образуется, потому что не имеется достаточного количества атомов кислорода, чтобы связать углерод.

В идеальном случае азот должен проходить камеру сгорания неизменным. Но когда температура в камере сгорания достигает приблизительно 1 371 °С (2 500 °F), атомы азота и кислорода связываются, образуя (N0 X )

Химическая формула процесса сгорания, при котором образуются оксиды азота выглядит следующим образом:

НС + О2 + N2 = Н2 О + СО + N0x

Формула "NO " используется для оксидов азота, потому что OHci отражает комбинацию атома азота и любого количества атомов кислорода. Например, оксид азота (N0) состоит из одного атома азота и одного атома кислорода, в то время как двуокись азота (N0 ) состоит из одного атома азота и двух атомов кислорода.

Высокое содержание НС

Высокое содержание НС может быть вызвано недостаточной эффективностью системы зажигания, неправильным опережением зажигания или неправильными фазами газораспределения, протечками вакуума, попаданием масла или низкой степенью сжатия. Доля углеводородов измеряется в количестве частиц на миллион.

Высокое содержание СО

Высокое содержание СО может быть вызвано такими факторами, как:
• Чрезмерно богатая воздушно-топливная смесь
• Загрязнение воздушного фильтра
• Выход из строя клапана PCV
• Загрязнение топлива маслом
• Заедание или протечки в топливной форсунке
На исправном автомобиле с каталитическим нейтрализатором выделение одноокиси углерода обычно приближается к нулю. Содержание одноокиси углерода измеряется в процентах от полного объема в воздухе.

NOx генерируются при высокой температуре горения (выше приблизительно 1 371 °С (2 500 °F)) и обычно образуются, если температура горения не контролируется. Содержание оксидов азота измеряется в количестве частиц на миллион.

При сгорании рабочей смеси в поршневых двигателях увеличивается температура и повышается давление в цилиндрах. Для повышения эффективности работы двигателя желательно, чтобы сгорание происходило вблизи в.м.т. поршня, когда рабочая смесь занимает минимальный объем, имеет наименьшую поверхность соприкосновения со стенками цилиндра. Чем меньше поверхность теплоотвода, тем меньше тепла уходит в окружающую среду и тем большая доля его превращается в полезную работу.

Смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого времени. Продолжительность и характер протекания процесса сгорания зависят от типа смесеобразования. Рассмотрим процесс сгорания рабочей смеси для двигателей с искровым зажиганием и для дизелей.

Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием

О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Момент искрообразования соответствует положению точки 1 на диаграмме, а давление в камере сжатия — ординате P1.

Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.

Процесс сгорания условно делят на три фазы.

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

Влияние степени сжатия

При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.

Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.

Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.

Влияние угла опережения зажигания

Рис. Влияние угла фз, опережения зажигания на форму индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя: 1 — ф1 = 0°; 2 — ф2 = 7°; 3 — ф3 = 22°; 4 — ф4 = 27°.

Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя.

При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания.

Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный.

Влияние состава рабочей смеси

Состав рабочей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха а. Состав влияет на скорость сгорания, количество выделяемого тепла, вследствие чего изменяются давление и температура газов в цилиндре. Минимальное значение угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения и максимальное давление в цилиндре достигаются при а =0,85…0,9. При этом значении коэффициента избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность. По мере обеднения состава смеси (а>0,9) изменяется величина оптимального значения Фз, уменьшается величина максимального давления сгорания.

Для каждого двигателя принят свой оптимальный состав рабочей смеси, при котором на данном режиме достигается минимальный удельный расход топлива. Для двигателей со степенью сжатия около 8 при почти полном открытии дроссельной заслонки экономичный состав смеси получается при и =1,15…1,2. Для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя с искровым зажиганием существует также свое оптимальное значение угла опережения зажигания. Поэтому в конструкции таких двигателей предусмотрено устройство, обеспечивающее автоматически в зависимости от режима работы двигателя оптимальное значение ф3.

Влияние частоты вращения коленчатого вала

Рис. Влияние частоты вращения n и угла фз, опережения зажигания на характер индикторных диаграмм карбюраторного двигателя: а — угол фз — неизменный на всех скоростных режимах; б — углы ф2 и ф3 — подобраны для каждого скоростного режима: 1 — n = 1000 об/мин; 2 — n = 2000 об/мин; 3 — n = 3000 об/мин.

При увеличении частоты вращения n коленчатого вала увеличивается скорость движения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе и усиливаются вихревые движения смеси в камере сжатия. Опыты показывают, что с увеличением n длительность первой фазы Q1 сгорания, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала Ф, возрастает, процесс сгорания развивается с запаздыванием. Максимальное давление Р цикла снижается и все больше смещается на такт расширения. Экономичность двигателя ухудшается. Если же при увеличении n увеличить на определенную величину фз, то основная фаза сгорания приблизится к в.м.т., давление Р цикла увеличится, и несмотря на то, что третья фаза сгорания (догорание) заканчивается позже, чем при меньших значениях n, экономичность цикла улучшается (кривые 3 к 1, рис. б). Следовательно, для получения максимальной мощности и эффективности двигателя необходимо автоматически обеспечивать оптимальное значение угла опережения зажигания для каждого скоростного режима.

Детонация

В двигателях с искровым зажиганием при определенных условиях работы двигателя возникает быстрый, приближающийся к взрыву процесс сгорания рабочей смеси. Называется он детонацией. Признаки, указывающие на детонацию при работе двигателя: звонкие металлические стуки в цилиндрах, перегрев двигателя, снижение мощности, появление черного дыма (сажи) в отработавших газах.

Основные причины появления детонации:

применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного для данного двигателя;
повышение степени сжатия, вызванное низким качеством ремонта или обслуживания;
увеличение угла опережения зажигания; качество рабочей смеси не соответствует требованиям, которые предъявляются к топливу для данного двигателя. Наиболее склонна к детонации рабочая смесь при а = 0,9.

На появление детонации также влияет материал головки цилиндров и поршней. Двигатели, у которых эти детали изготовлены из алюминиевых сплавов, меньше склонны к детонации, чем двигатели, у которых эти детали изготовлены из чугуна. Так как чугун обладает худшей теплоотдачей, то в жаркую погоду детали перегреваются, и это приводит к детонации.

Детонация повышает давление и температуру в цилиндрах, вызывает вибрацию двигателя. Вследствие этого ухудшается смазка трущихся поверхностей, обгорают клапаны, поршни, разрушаются подшипники коленчатого вала.

Преждевременное воспламенение рабочей смеси

В процессе работы двигателя иногда возникают такие условия, при которых отдельные детали внутри камеры сгорания (электроды свечи зажигания, клапаны) нагреваются выше 700…800°С. Соприкасаясь с нагретыми деталями, рабочая смесь воспламеняется раньше, чем возникает искра зажигания. Сгорание начинается до прихода поршня в в.м.т. Происходит так называемое калильное зажигание. Детали при калильном зажигании нагреваются еще больше. Воспламенение смеси при последующих циклах начинается еще раньше. В результате детали настолько перегреваются, что начинают оплавляться, увеличивается сопротивление их движению, и двигатель теряет мощность. Одной из причин возникновения калильного зажигания является применение свечей зажигания, не соответствующих конструкции двигателя.

Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании

При работе двигателей наблюдаются случаи, когда после того, как выключено зажигание, двигатель продолжает некоторое время работать. Объясняется это тем, что при прикрытой дроссельной заслонке температура рабочей смеси в конце такта сжатия повышается и смесь самовоспламеняется, если частота вращения коленчатого вала прогретого двигателя составляет 300…400 об/мин. Чтобы предотвратить это явление, в конструкцию карбюратора вводят устройство, которое автоматически прекращает подачу топлива при выключении зажигания.

Сгорание рабочей смеси в дизелях

Рис. Индикаторная диаграмма дизеля: Q1 , Q2 и Q3 — фазы сгорания топлива; Фвц — угол опережении впрыска топлива.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания дизеля за несколько градусов угла фвп поворота коленчатого вала до прихода поршня в в.м.т. К этому времени воздух в камере сжимается до 3…4 МПа и нагревается в результате этого до 450…550°С. Заканчивается подача топлива после в.м.т. На участке 1…2 давление в камере изменяется за счет сжатия воздуха поршнем — горение топлива еще не началось. Температура в камере немного понижается вследствие ввода в камеру холодного топлива. Затем топливо самовоспламеняется, пламя начинает распространяться по камере, и давление, начиная от точки 2, повышается за счет горения топлива. Угол фвп между началом впрыска (точка 1) и в.м.т. называется углом опережения впрыска. Угол Qi между началом впрыска и моментом начала подъема давления (точка 2) называется периодом задержки воспламенения. В этот период топливо под действием температуры и вихревых движений в камере переходит из жидкого состояния в газообразное, появляются отдельные очаги самовоспламенения.

Период сгорания топлива в цилиндре дизеля условно делят на три фазы:

первая фаза Q1 — фаза быстрого сгорания. Начинается в момент начала повышения давления (точка 2) и кончается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В этот период выделяется около 30% общего тепла, заключенного во впрыскиваемом в цилиндр дизеля топливе;
вторая фаза Q2 — фаза замедленного горения (участок 3…4). Она заканчивается в момент достижения максимальной температуры в цилиндре (точка 4). К этому периоду выделяется 70…80% тепла;
третья фаза Q3 — фаза догорания. Условно она заканчивается в пределах 70° угла поворота коленчатого вала после в.м.т. К этому периоду выделяется около 97% тепла. Процесс является наиболее экономичным, если давление цикла в дизеле достигает своего максимума при повороте коленчатого вала на 6…10° после в.м.т.

Величина максимального давления Pz и момент достижения его зависят от того, как протекает сгорание в первой и во второй фазах.

Экономичность цикла зависит от характера и продолжительности протекания процесса подготовки топлива к самовоспламенению (период Qi — задержки самовоспламенения) и характера сгорания (первая Q1, вторая Q2 и третья Q3 фазы сгорания).

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.

На сегодняшний день ДВС в основном представлен двумя обширными группами:
1). "Бензиновые".
2). "Дизельные".

Судя по названию можно подумать — что вся разница в применяемом топливе.
На самом деле "бензиновые" двигатели прекрасно работают на целом списке горючих газов(метане, пропане, бутане и куче других), а также на легроине, газолине, керосине, метаноле, эфирах, спиртах и т.п.
"Дизельный" двигатель менее всеяден, но тоже не погнушается керосином, моторным или иным маслом(вплоть до растительного), некоторыми эфирами и спиртами, бензином с конской добавкой моторного масла, мазутом.

Есть одна тенденция — намного проще адаптировать двигатель к более "лёгким" топливам, чем к более "тяжёлым". Если добавить моторного масла или солярки в бак "бензиновому" двигателю — то сгорит только небольшая часть более "тяжелого" топлива. При том, что перемешано с бензином будет идеально(практически на молекулярном уровне) — молекулы "тяжёлого" топлива сгорают в "бензиновом" двигателе крайне неохотно…
А вот лёгкое топливо в "дизельном" двигателе и само сгорает лучше родного, и сгорание родного топлива улучшает…

Работа двигателя на "неродном" топливе или на разного рода коктейлях и суррогатах часто вызывает ухудшение характеристик двигателя, а также может вызвать ускоренный износ и даже поломку некоторых узлов — потому так не любят иностранные компании поставлять на просторы бывшего СССР некоторые свои автомобили.

С другой стороны, если собрать все углеводородные топлива на тест — испарить, смешать с воздухом в стехиометрической пропорции и запалить в ФАКЕЛЕ — то окажется что характеристики СГОРАНИЯ всех этих топлив отличаются не сильно. Такие основные характеристики как температура сгорания, теплотворная способность — всё это практически одинаково…

Кардинально отличаются только характеристики ИСПАРЕНИЯ и ВОСПЛАМЕНЕНИЯ.

Топлива для "бензиновых" двигателей характеризуются ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ.
Они НЕ должны самопроизвольно воспламеняться при повышении давления и температуры. Стойкость к САМОвоспламенению определяет низкую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "бензиновых" двигателей называется ОКТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Топлива для "дизельных" двигателей характеризуются параметрами САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ.
Склонность к САМОвоспламенению определяет высокую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "дизельных" двигателей называется ЦЕТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Если взять два стакана с этими топливами и попытаться ВОСПЛАМЕНИТЬ например спичкой — то картина воспламенения покажется обратной — "бензиновое" топливо воспламенится легче, чем "дизельное". Связано это с тем, что в ЖИДКОМ виде НИКАКИЕ топлива не горят вообще. Горит всегда и только ГАЗООБРАЗНАЯ СМЕСЬ топлива с окислителем.
А скорость испарения "бензиновых"("лёгких") топлив в разы и порядки выше, чем топлив "дизельных"("тяжёлых").

Именно ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ и определяют НАПРЯМУЮ и КОНСТРУКЦИЮ конкретных двигателей и протекающие в них ПРОЦЕССЫ:

1). "БЕНЗИНОВЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ("внешним") смесеобразованием, ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ воспламенением и КОЛИЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В этих двигателях вначале готовится ОДНОРОДНАЯ(гомогенная) смесь близкая к СТЕХИОМЕТРИИ.
СТЕХИОМЕТРИЧЕСКАЯ горючая СМЕСЬ — это такая смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего. Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения.

Все молекулы топлива и окислителя к моменту начала воспламенения уже должны буквально "держаться за руки" — находиться в непосредственной близости друг от друга. Малейшее нарушение гомогенности или стехиометрии в большую или меньшую сторону резко ухудшает поджиг смеси и последующее её сгорание.
В областях с бедной или богатой смесью топливо горит медленнее; в зонах с богатой смесью топливо полностью сгореть вообще не может — в выхлопе будет много недогоревшего топлива(углеводородов и угарного газа), мощность и КПД двигателя снизятся.

Потому в идеале в выхлопе "бензинового" двигателя не должно быть ни молекул топлива, ни молекул кислорода.

СМЕСЬ в цилиндры поступает полностью готовая к поджигу в КОЛИЧЕСТВЕ, определяемом газулькой.
Для обеспечения одинаковых условий сгорания разных количеств СМЕСИ в "бензиновом" двигателе для регулировки мощности должен меняться объём камеры сгорания. К сожалению реализовать это так и не сумели до сих пор. Вывернулись по другому — на режимах частичной мощности количество смеси, поступающей в камеру сгорания, ограничивают ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ. На холостом ходу в камеру сгорания поступает в 5 РАЗ меньше СМЕСИ, чем на режиме максимальной мощности — поэтому на холостом ходу и на режимах частичной мощности "бензиновый" двигатель сжимает сильно РАЗРЯЖЁННУЮ СМЕСЬ и к концу такта сжатия и ДАВЛЕНИЕ СМЕСИ и ТЕМПЕРАТУРА СМЕСИ отличаются очень сильно на разных режимах двигателя — потому "бензиновый" двигатель работает более-менее идеально только при полностью открытой дроссельной заслонке.
Фактически "бензиновый" двигатель(особенно ТУРБО"бензиновый") является двигателем с очень переменной степенью ФАКТИЧЕСКОГО сжатия.
НОМИНАЛЬНАЯ степень ФАКТИЧЕСКОГО сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя упирается в детонацию, про которую мы поговорим чуть ниже. Часть ФАКТИЧЕСКОГО сжатия СМЕСИ обеспечивается ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕМ — потому ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя меньше атмосферного на 1-2 единицы. На режимах частичной мощности ФАКТИЧЕСКОЕ сжатие уменьшается по мере прикрывания дроссельной заслонки и уменьшения производительности турбонагнетателя. На режиме холостого хода при минимально открытой дроссельной заслонке ФАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинок" снижается до 2-3…

Как мы знаем — КПД двигателя довольно сильно зависит от степени сжатия:

Надеюсь теперь все поняли почему так прожорливы "бензинки"(а особенно "ТУРБОбензинки") на холостом ходу и режимах частичной мощности? Почему они кипят именно в пробках надеюсь теперь тоже объяснять не нужно?

Производители конечно постоянно тужатся создать простой и надёжный механизм изменения объёма камеры сгорания, но получается у них это пока не очень. Например, вот из последнего — habr.com/ru/post/369579/
Для сокрытия истины такую систему обзывают двигателем с переменной степенью сжатия.
От игры слов суть, конечно, не меняется — но такой двигатель как раз и является двигателем с ПОСТОЯННОЙ СТЕПЕНЬЮ ФАКТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ и ИЗМЕНЯЕМЫМ ОБЪЁМОМ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ.
Такому двигателю дроссельная заслонка не нужна. Также как и "дизельному" двигателю…
Алгоритм работы системы опережения "зажигания" на таком двигателе также заметно упрощается — так как нет необходимости компенсировать разную скорость воспламенения смеси на разных режимах работы двигателя:

Сразу скажу, что объём камеры сгорания на самом деле не фига не константа на любом ДВС, как и степень сжатия. Но про всё это безобразие давайте подробно поговорим в отдельной статье про степень сжатия, а сейчас давайте посмотрим как происходит СГОРАНИЕ топлива в "бензиновом" ДВС.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси производится принудительно свечой зажигания.
Тем не менее термин "пропуски воспламенения" актуален исключительно для "бензиновых" двигателей.
И нужно чётко понимать, что с момента воспламенения сгорание в "бензиновом" двигателе становится неуправляемым — оно развивается дальше по той "программе" что была заложена до подачи искрового разряда.
Программа не сложная и данных не вагон — давление, температура и стехиометрия СМЕСИ на момент зажигания, параметры СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ и характеристика изменения ОБЪЁМА камеры сгорания на всём протяжении сгорания смеси.

Вокруг искрового разряда образуется очаг воспламенения, от которого по СМЕСИ начинает распространяться ФРОНТ ПЛАМЕНИ.

По скорости движения ФРОНТА ПЛАМЕНИ горение подразделяется на медленное горение(дефлаграция) и быстрое горение(детонация). Волна дефлаграционного горения распространяется с дозвуковой скоростью, а нагрев исходной смеси осуществляется в основном теплопроводностью. Детонационная волна движется со сверхзвуковой скоростью, при этом химическая реакция поддерживается благодаря нагреву реагентов ударной волной и, в свою очередь, поддерживает устойчивое распространение этой ударной волны.

Сгорание, при котором окислитель и горючее заранее перемешаны на молекулярном уровне, называется горением предварительно перемешанной СМЕСИ(premixed combustion) — ГОМОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ.
Наш случай.

Академическая наука обзывает ГОРЕНИЕМ любой "сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающийся интенсивным выделением тепла". Почему-то наука термодинамика настаивает на том, что в двигателе выделение тепла происходит только на фоне излучения видимого СВЕТА от ПЛАМЕНИ. Не будем в этой статье углубляться в это противоречие. Сейчас нам важно только то, что давление и температура внутри очага пламени намного выше, чем снаружи — зона пламени начинает расширяться и поджимать ещё не охваченные пламенем участки смеси к стенкам цилиндра:

Процесс этот не быстрый(и уж точно не мгновенный), медленное развитие которого и определяет относительно медленное нарастание давления и температуры в камере сгорания. Именно невысокая скорость распространения фронта пламени определяет и возникновение "бензиновой" ДЕТОНАЦИИ. В зонах ещё не охваченных пламенем из-за нарастания температуры и давления возникают очаги САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ, проявляющиеся на индикаторной диаграмме резкими скачками давления:

Поскольку "бензиновое" топливо самовоспламеняется относительно неохотно — то задержка самовоспламенения довольно значительна и обычно самовоспламенение банально не успевает развиться за то время пока движется фронт пламени. Тем не менее "бензиновый" двигатель просто вынужден всегда балансировать на грани появления детонации — потому как отсутствие детонации означает совсем низкую скорость горения смеси(соответственно — нарастания давления и температуры) — при этом топливо просто не успевает полностью воспламениться и сгореть.
Не забываем, что углеводородное топливо в ГОМОГЕННЫХ условиях выгорает этапами — вначале выгорает в основном водород с образованием воды, затем выгорает углерод с образованием угарного газа, затем уже угарный газ выгорает с образованием углекислого газа. При этом 65% энергии цикла образуется именно при сгорании угарного газа. Эта особенность также сильно влияет на динамику цикла сгорания.

Варианты "бензиновых" двигателей с форкамерами и другим "послойным" смесеобразованием, сверхмощными искровыми или лазерными системами зажигания — все они направлены на то, чтобы ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси сделать как можно более интенсивным без побочного эффекта в виде детонации.

2). "ДИЗЕЛЬНЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ("внутренним") смесеобразованием, САМОвоспламенением(воспламенением от сжатия) и КАЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В цилиндрах сжимается чистый воздух, а топливо впрыскивается в жидком виде непосредственно в камеру сгорания под сверхвысоким давлением через распылитель форсунки. Для того чтобы СТАНДАРТНОЕ дизельное топливо самовоспламенилось нужна температура и давление значительно более высокие, чем возникают на этапе сжатия в "бензиновом" двигателе. Потому изначально "дизельный" двигатель имел степень сжатия в два-три раза бОльшую, чем "бензиновый", в котором топливо воспламеняется принудительно за счёт создания ЛОКАЛЬНОГО очага со сверхвысокой температурой. В "дизельном" двигателе локальным очагом отделаться не получается — потому высокую температуру и давление в камере сгорания приходится создавать во всём объёме. Давление в "дизельном" двигателе создаётся настолько высокое, что начинают меняться характеристики топлива — например температура самовоспламенения снижается почти в два раза по сравнению с атмосферным давлением.

Поскольку скорость воспламенения дизельного топлива очень велика — его подают в камеру сгорания ДОЗИРОВАНО, на протяжении 10-50 градусов по коленвалу в зависимости от мощностного режима. Даже при этом "жёсткость" сгорания в "дизельном" двигателе намного выше, чем в "бензиновом". Особенно в момент первоначального воспламенения всего того топлива, что было впрыснуто в камеру сгорания за период задержки воспламенения:

Чтобы уменьшить "жесткость" первоначального сгорания на старых "дизелях" применяли форсунки с предвпрыском — за счёт двупружинной конструкции такая форсунка начинала подачу через жиклёр меньшего сечения:

На новых дизелях подобную функцию реализуют за счёт быстродействия запорного элемента современных форсунок с электронным управлением — перед подачей основной порции топлива такая форсунка кратковременно открывается и впрыскивает небольшую запальную дозу:

После того как воспламенится запальная доза дизельного топлива — начинает впрыскиваться основная. Поскольку впрыск осуществляется уже в пламя, при высоких температуре и давлении — предпламенные реакции у каждой капельки топлива занимают минимальное время. Но поскольку даже в условиях высокой температуры испарение каждой капельки — довольно длительный процесс, то и сгорание КАЖДОЙ КАПЕЛЬКИ происходит в течение довольно длительного времени…
На длительность сгорания каждой капельки ДТ также серьёзное влияние оказывает дефицит кислорода ВБЛИЗИ этой конкретной капельки, нарастающий по мере её сгорания.

Потому в идеале в выхлопе "дизельного" двигателя не должно быть молекул топлива, но кислорода будет довольно много даже на режиме максимальной мощности.

Для интенсификации процесса испарения капелек "дизельного" топлива применяют впрыск под очень высоким давлением. За счёт этого размер капелек значительно уменьшается, а площадь поверхности капелек(с которой и происходит испарение) — стремительно увеличивается. К тому же мелкие капельки быстрее прогреваются, что тоже ускоряет испарение и предпламенные реакции.

Поскольку сгорание происходит на границе жидкой среды(топливо) и газообразной(окислитель) — то скорость сгорания лимитируется скоростью ДИФФУЗИИ(перемешивания) молекул топлива и окислителя — соответственно и сгорание в "дизельном" двигателе — ДИФФУЗИОННОЕ(гетерогенное).
Для улучшения процесса перемешивания частиц топлива и воздуха в "дизельных" двигателях уделяют повышенное внимание ТУРБУЛИЗАЦИИ:

После того, как ВОСПЛАМЕНИТСЯ всё топливо в камере сгорания — ДАВЛЕНИЕ достигает своего максимума.
В этот момент поршень начинает стремительно набирать скорость и уходить вниз. Но температура ещё некоторое время нарастает(вопреки термодинамике) и не допускает резкого снижения давления в условиях стремительно увеличивающегося объёма камеры сгорания. Тем не менее температура завязана на давление, давление — на объём камеры сгорания, объём камеры сгорания — на положение поршня. А поршень всё стремительнее уходит вниз — вызывая столь же стремительное замедление процессов сгорания…

Эта картина едина для всех двигателей — и "бензиновых" и "дизельных".
Не будем только забывать, что в "бензиновом" двигателе горит ГОМОГЕННАЯ СМЕСЬ, в которой атомы топлива и окислителя находятся в непосредственной атомарной близости, а в "дизельном" двигателе "горят" капельки мелкораспылённого топлива — потому процесс горения идёт параллельно со смесеобразованием.
Именно скорость испарения топлива в дизельном двигателе и определяет максимальные его обороты.

Всё топливо, что не успело сгореть — вылетит в выхлопную трубу. Поскольку процессы сгорания кардинально разные — у "дизельного" двигателя недогоревшее топливо представлено в основном сажей, а у "бензинового" — угарным газом.

Есть интересный момент, который не в состоянии толком объяснить официальная наука.
По всем канонам термодинамики — скорость горения топлива есть величина постоянная при одинаковых условиях.
По факту мы наблюдаем, что процессы сгорания чудесным образом "подстраиваются" под скорость вращения коленчатого вала. Сгорание протекает без особых эксцессов и на 600 оборотах коленвала и на 6000.
И опережение "зажигания" тут совсем не при чём.
Но об этом в следующих сериях.

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;

Более детально узнать о назначении, устройстве и принципе работы карбюратора, вы можете здесь: Карбюратор: устройство и принцип работы

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

Такт первый, впуск. Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
Такт второй, сжатие. При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2—1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
Такт третий, расширение. Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
Такт четвёртый, выпуск. Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Узнать о том, что такое октановое число бензина, о его повышении и понижении, вы можете здесь: Октановое число бензина: что это такое

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры, воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

Источник питания. Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
Включатель, или замок зажигания. Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
Накопитель энергии. Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
Распределитель зажигания (трамблёр). Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

Воздухозаборник. Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
Воздушный фильтр. Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
Дроссельная заслонка. Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
Впускной коллектор. Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

О назначении и принципе работы турбины на дизельном двигателе, вы можете узнать из нашей статьи: Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Схема топливной системы ДВС

Узнать, более детально о принципе работы топливной системы дизельного двигателя, вы можете здесь: Устройство топливной системы дизельного двигателя

— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла; удаление продуктов нагара и износа; защита металла от коррозии. Система смазки ДВС включает в себя:

— Выхлопная система

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

Читайте также: