Горючая смесь в двигателе

Двигатель внутреннего сгорания

Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.

Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.

В данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.

На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты.

Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6.

Горючая смесь – это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).

Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.

Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений – $1600-1800 degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.

Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась – они начинают охлаждаться.

Что такое слишком богатая смесь

Чтобы топливо сгорало с максимальной отдачей энергии за минимальный промежуток времени необходима правильная пропорция воздуха и бензина – 14,7:1 кг. Такую смесь называют стехиометрической. Богатая горючая смесь получится в результате избытка топлива или недостаточного количества воздуха, поступающих в камеры сгорания цилиндров.

Соотношения воздуха к топливу называется: коэффициент лямбда (λ). При пропорции 14,7:1 лямбда равна 1; λ больше 1 – бедная; λ меньше 1 – богатая.

Расчет количества воздуха поступающего в цилиндры, электронный блок управления ((ЭБУ) PCM – Power Control Module) производит по показаниям датчика расхода воздуха ((ДМРВ) MAF – Mass Air Flow sensor или MAP – Manifold Absolute Pressure sensor).

Состав смеси

На основании этого расчета определяется количество топлива для создания стехиометрической смеси. Контроль осуществляется лямбда-зондом (датчик кислорода) и по его показаниям ЭБУ корректирует время открытия форсунок. Такой режим работы ДВС называется: регулировка с обратной связью (замкнутый контур).

Гомогенное распределение гоючей смеси

Г омогенное распределение горючей смеси осуществляется в тех двигателях где впрыск топлива происходит в впускной трубопровод и равномерно распределяется в камере сгорания с одинаковым избытком воздуха. (Для заметки коэффициент избытка воздуха показывает нам отношение теоретически необходимого количества воздуха к тому, что есть в наличии).

Послойное распределение горючей смеси

П ослойное распределение горючей смеси, когда воспламеняемая смесь в момент зажигания находится вблизи электродов свечи зажигания. А оставшийся объем камеры сгорания заполнен не горючим газом. Использование последнего является эффективным только в двигателях с непосредственным впрыском топлива.

Н а рисунке вы видите отличие гомогенного и послойного распределения горючей смеси.

Гомогенное распределениеПослойное распределение

Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях

Холодный пуск дизельных двигателей пред­ставляет собой особую проблему, в особен­ности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин -1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

Воспламенение горючей смеси, фронт пламени

Свеча зажигания предназначена для подачи искрового разряда в рабочую смесь. Достаточное воспламенение горючей смеси происходит при коэффициенте избытка воздуха 0,75-1,4. При подачи искры свечей зажигания горючая смесь воспламеняется и начинает образовывается фронт пламени. Скорость фронта пламени увеличивается при повышении давления сгорания и понижается в конце сгорания. Средняя скорость распространения пламени примерно 15-30 метров за секунду. Повышенная скорость сгорания обеспечит наиболее эффективную работу двигателя и будет стремится к повышению за счет незначительно обогащенной смеси при коэффициенте избытка воздуха 0,8-0,9.

Хороший КПД при высоких температурах работы двигателя получается при коэффициенте 1-1.1. Правда повышенные температуры горения обедненной смеси ведут к увеличению образования оксидов азота в отработавших газах.

Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO2, Н2O, NOx, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Выбросы NO и сажи

Для снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством сниже­ния концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажи­гания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ < 1), однако в ходе последую­щих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значе­ние имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на про­цесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, не­сгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.

Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис. «Выбросы NO и сажи» ). Уровень сложности и затрат, необ­ходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоя­щее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для сни­жения содержания оксидов азота в сочета­нии с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.

Создание и применение двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).

Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 – 1913)

В 1893 году он получил патент на свой тепловой двигатель. В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» был построен первый двигатель Рудольфа Дизеля . Его мощность составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту. Весил этот двигатель пять тонн. Двигатель Дизеля был четырехтактным.

В 1900 году, на “Всемирной выставке”, Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).

Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.

В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.

Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем – выбрасываемые из оружия пули или снаряды.

Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Заключение

Вы узнали основные причины ошибки P0172 – богатая смесь инжекторного двигателя, как определить неисправность и отрегулировать уровень топлива в карбюраторе. Зная причину, устранение неисправности остается делом техники.

Не допускайте эксплуатацию автомобиля с горящим индикатором неисправности двигателя – своевременно устраняйте возникший дефект. Это поможет избежать дорогостоящего ремонта и сэкономить топливо. Последствия, которые вызывает богатая смесь – это оплавление катализатора и выход из строя свечей зажигания.

Много полезной информации по устройству и диагностике систем автомобиля можно найти в статьях: “Компьютерная диагностика: основы обучения” и “Электронная система управления двигателем”. Это даст возможность лучше узнать принцип работы и устройство систем ДВС что позволит успешно проводить диагностику.

Если остались вопросы по интересующей теме, с удовольствием отвечу на них в комментариях. Подписывайтесь на рассылку новых статей для получения новой информации по ремонту и обслуживанию автомобиля.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий