Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Двигатели с воспламенением от сжатия что это

Двигатели с воспламенением от сжатия

Процесс сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия отличается от процесса в двигателе с искровым воспламенением. В этом случае топливо вводится в жидком состоянии в сильно сжатую в цилиндре двигателя порцию воздуха, имеющую высокую температуру. Каждая мельчайшая капелька топлива, как только она входит в сильно нагретый воздух, быстро окружается покрывалом из ее собственного пара. Этот пар вокруг поверхности капельки через определенное время воспламеняется. Поперечное сечение любой капельки в тот момент показало бы центральное ядро жидкости, окруженное тонкой пленкой пара, с внешним слоем пламени на ней. Эта последовательность испарения и горения сохраняется, пока продолжается процесс сгорания топлива.

Процесс сгорания (окисление) углеводородного топлива является сам по себе длительным процессом, но он может быть ускорен искусственно. Окисление топлива будет происходить в воздухе и при нормальных атмосферных температурах, но оно заметно ускорится, если поднять температуру. Окисление потребует годы при 20 «С, несколько дней при 200 «С и только несколько минут при 250 «С. В этих случаях скорость роста температуры из-за окисления меньше скорости, с которой тепло теряется из-за конвекции и теплового излучения. В конечном счете, по мере увеличения температуры достигается критическая стадия процесса, когда количество тепла, создаваемого окислением, становится больше, чем рассеивается.

Далее температура продолжает повышаться автоматически. Это, в свою очередь, ускоряет процесс окисления с высвобождением тепла. Теперь события происходят очень быстро, появляется устойчивое пламя, и топливо быстро воспламеняется. Температуру, при которой наступает критическое изменение, обычно называют температурой самовоспламенения топлива. Она зависит от многих факторов, таких как давление, время и характеристики передачи тепла от начальной точки окисления дальше в камеру сгорания.

Теперь рассмотрим впрыск топлива в виде капли в горячую камеру сгорания. При температуре намного выше точки воспламенения самая крайняя часть внешней поверхности капли немедленно начинает испаряться, окружая ядро тонкой пленкой пара. Это приводит к передаче тепла от воздуха, окружающего капельку, которое расходуется на скрытую теплоту испарения. Этот процесс сопровождается отбором тепла от всей массы горячего воздуха.

Воспламенение паровой оболочки может произойти даже тогда, когда ядро капельки все еще жидкое и относительно холодное. Как только пламя установится, процесс сгорания пойдет при более высокой скорости. Возникает период задержки с момента, как начинается впрыск, и до момента, когда наступит воспламенение. Этот период задержки зависит от:

  • превышения температурой воздуха температуры самовоспламенения топлива;
  • давления воздуха (что связано с количеством кислорода и улучшением теплопередачи между горячим воздухом и холодным топливом).

После периода задержки скорость дальнейшего горения зависит от той скорости, с которой новые порции кислорода поступают к каждой пылающей капельке. Относительная скорость капельки к ближайшему воздуху имеет, таким образом, существенное значение. В двигателе с воспламенением от сжатия топливо вводятся на интервале не более чем за 40—50″ угла поворота коленвала до ВМТ. Это означает, что топливо, введенное первым, поглощает часть кислорода и, возможно, создает дефицит кислорода для последних порций топлива.

Требуется определенная степень турбулентности воздуха, чтобы сгоревшие газы были удалены из зоны инжектора, и в контакт с топливом вошел свежий воздух. Ясно, что турбулентность должна быть создана надлежащим образом, а не быть хаотичной, как в двигателе с воспламенением от искры, где она необходима только для того, чтобы разбить фронт пламени.

Рис. Фазы сгорания топлива в дизельном двигателе

В двигателе с воспламенением от сжатия сгорание может быть представлено в трех различных фазах, показанных на рисунке:

  • период задержки;
  • быстрое повышение давления;
  • догорание топлива, то есть топливо продолжает горсть, удаляясь от инжектора.

Чем дольше задержка, тем более значительным и более быстрым будет повышение давления, так как в цилиндре будет присутствовать больше топлива до того момента, как скорость горения попадет в прямую зависимость от скорости впрыска. Цель регулирования процесса горения состоит в том, чтобы максимально уменьшить задержку для более спокойного горения, устранения детонации, а также чтобы поддерживать контроль над изменением давления. Есть, однако, нижний предел задержки, поскольку без задержки все капельки сгорали бы, как только они вылетели из сопла. Это сделало бы почти невозможным обеспечение достаточного притока воздуха в пределах концентрированной струи капель. Поэтому период задержки необходим для надлежащего распределения топлива.

Период задержки зависит, следовательно, от:

  • давления и температуры воздуха;
  • октанового числа топлива;
  • непостоянства состава и скрытой теплоты (энтальпии) топлива;
  • размера капель;
  • управляемой турбулентности.

Размер капельки важен, поскольку скорость горения капель зависит, прежде всего, от скорости, с которой кислород становится доступным для контакта с горящей каплей. Это важно для капельки, преодолевающей некоторое расстояние от сопла, вокруг которого позже сконцентрируется очаг горения. Отсюда размер капелек должен быть достаточно большим, чтобы получить необходимый импульс в процессе инжекции. С другой стороны, чем меньше капелька, тем больше относительная площадь поверхности реакции и короче период задержки. Ясно, что необходим компромисс между этими двумя факторами.

Читать еще:  Уровень охлаждающей жидкости проверяется на холодном двигателе

При высоких степенях сжатия (15:1 и выше) температура и давление поднимаются настолько, что задержка уменьшается, что является преимуществом. Однако более высокие степени сжатия создают проблемы для механики, а также для проектирования камер сгорания, особенно в маленьких двигателях, где пролет капель занимает большую часть допустимого пространства камеры сгорания.

Бензиновый и дизельные двигатели: кому достаётся больше?

ДВИГАТЕЛЬ

БЕНЗИНОВЫЙ

Образование рабочей смеси и ее горение происходит
не так быстро, как в дизельном двигателе.

ДИЗЕЛЬНЫЙ

Дизельные двигатели более теплонапряжены,
работают на более бедных горючих смесях,
а смесеобразование и сгорание у них происходит
в сотни раз быстрее.

0,8-0,9 БАР 70-120° C

На такте впуска давление в цилиндре
ниже атмосферного — 0,8-0,9 бара.
Температура топливовоздушной смеси
из-за ее контакта с нагретыми деталями двигателя
и смешивания с остаточными раскаленными газами — 70-120 °C.

110-250 БАР 550-600 ° C

Воздух в цилиндре сжимается до давления
в 28-40 бар, нагреваясь до 550-600 °C,
иначе говоря — до температуры самовоспламенения
тяжелого жидкого топлива. У верхней
мертвой точки в цилиндр впрыскивается
топливо под давлением
110-250 бар

20-40 БАР 400-600 ° C

Когда поршень сжимает рабочую смесь,
давление в камере сгорания возрастает
до 20-40 бар, сама же рабочая смесь
нагревается до 400-600 ° C.

40-80 БАР до 1800 ° C

Распыленное в среде горячего сжатого воздуха
топливо самовоспламеняется и сгорает
при температуре до 1800 ° C.
Поэтому часто говорят, что воспламенение
топливной смеси дизельных двигателей
происходит «от сжатия».
Давление образовавшихся газов на поршень
составляет 40-80 бар.

Незадолго до верхней мертвой точки тепловоздушная
смесь воспламеняется от искры свечи зажигания
и сгорает при температуре 980-1100 ° C,
выделяя большое количество тепла.
Температура образовавшихся газовв цилиндре при
этом возрастает до 1800 ° C поршень
толкается под давлением порядка 40 бар.

40-80 БАР до 1800 ° C

Распыленное в среде горячего сжатого воздуха
топливо самовоспламеняется и сгорает
при температуре до 1800 ° C. Поэтому часто говорят,
что воспламенение топливной смеси
дизельных двигателей происходит «от сжатия».
Давление образовавшихся газов на поршень
составляет 40-80 бар.

Моторное масло QUARTZ INEO MC3 5W-30
содержит самый современный пакет противоизносных
присадок, который позволит защитить бензиновый
двигатель от износа и обеспечить его максимальный
ресурс. Синтетическое базовое масло позволяет
выдерживать продленные интервалы замены
и свести к минимуму необходимость доливки
моторного масла в процессе эксплуатации автомобиля.

Пакет моюще-диспергирующих присадок в
моторном масле QUARTZ INEO MC3 5W-30
содержит все необходимые компоненты, способствующие
максимальному удалению сажи и нагаров, образующихся
при сгорании дизельного топлива,что позволяет получить
высокую степень чистоты двигателя.

Как двигатель Рудольфа Дизеля изменил мир

Автор фото, Shutterstock

Инженер Рудольф Дизель погиб при загадочных обстоятельств прежде, чем успел разбогатеть на своем гениальном изобретении.

В 10 часов вечера 29 сентября 1913 года Рудольф Дизель отправился в свою каюту на пароходе «Дрезден», шедшем из бельгийского Антверпена через Ла-Манш в Лондон. Его пижама была разложена на кровати, но он так в нее и не переоделся.

Изобретатель двигателя, названного его именем, размышлял о своих больших долгах и процентах по ним, которые он уже не мог выплачивать. В его дневнике этот день — 29 сентября — был помечен зловещим крестом: «X».

  • Почему в Европе разлюбили дизель?
  • «Шоколадный дизель» до Африки довезет
  • Клинтон за чистый дизель

Перед тем, как отправиться на пароход, 55-летний Дизель собрал все наличные деньги и сложил их в сумку вместе с документами, из которых было ясно, насколько отчаянным оказалось его финансовое положение. Он отдал сумку ничего не подозревавшей жене и велел открыть ее не раньше, чем через неделю.

Дизель вышел на палубу. Снял плащ и шляпу. Аккуратно сложил их на палубе. Посмотрел на воду. И прыгнул за борт.

Или не прыгнул? Любители конспирологии считают, что ему «помогли».

Но кто мог быть заинтересован в смерти бедного изобретателя? Есть две версии.

Для того, чтобы понять контекст, вернемся на тридцать лет назад, в 1872 год. Паровые двигатели уже широко применяются в промышленности, по железным дорогам бегают все более многочисленные паровозы, но в городах весь транспорт — по-прежнему на гужевой тяге.

Спрос на замену лошади

Осенью того года эпизоотия конского гриппа парализовала города Соединенных Штатов. Не на чем было подвозить товары в лавки, не на чем вывозить мусор.

В полумиллионном городе в те времена могло быть около ста тысяч лошадей. Каждая из них ежедневно орошала улицы 15 килограммами навоза и 4 литрами мочи.

Читать еще:  Что будет если залить антифриз на горячий двигатель

Города остро нуждались в недорогом, надежном и небольшом двигателе, который заменил бы конную тягу.

Одним из кандидатов на эту роль был паровой двигатель: автомобили на паровой тяге конструировались один за другим.

Вторым был двигатель внутреннего сгорания. Первые его модели работали на газе, на бензине, даже на порохе. Но в семидесятых годах XIX века, когда Рудольф Дизель был студентом, оба этих типа двигателей были ужасно неэффективны, с КПД всего лишь около 10%.

Поворотным пунктом в жизни молодого Дизеля стала лекция о термодинамике в Королевском Баварском политехническом институте в Мюнхене, на которой он услышал, что двигатель внутреннего сгорания, преобразующий всю энергию тепла в полезную работу, теоретически возможен.

Автор фото, Alamy

Схема-рисунок двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Рудольфом Дизелем в 1887 году

Дизель взялся за претворение теории в жизнь. И потерпел неудачу. КПД его первого двигателя составлял всего лишь 25%. КПД лучших из современных дизелей — более 50%.

Но даже 25% — это было в два с лишним раза лучше, чем у конкурентов.

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания в цилиндре сжимается смесь воздуха и паров бензина, которая затем поджигается электрической искрой. В двигателе Дизеля сжимается только воздух, при этом его температура повышается настолько, что ее достаточно для воспламенения впрыскиваемого топлива.

При этом в дизеле чем сильнее сжатие, тем меньше нужно топлива, тогда как в двигателе с зажиганием слишком сильное сжатие приводит к сбою в работе.

Ненадежные моторы

Все автомобилисты знают о главном свойстве машин с дизельным мотором: они обычно дороже стоят, зато дешевле в эксплуатации.

К несчастью для Рудольфа Дизеля, его первые модели при всем их высоком КПД отличались ненадежностью. Недовольные покупатели завалили его требованиями о возврате денег. Это и загнало изобретателя в финансовую яму, из которой он не смог выбраться.

Но он продолжал работать над своим двигателем и постепенно совершенствовал его.

Выявились другие преимущества двигателя Дизеля. Он может работать на более тяжелом, чем бензин, топливе — солярке, или, как сейчас его чаще называют, дизтопливе. Оно дешевле бензина и к тому же менее интенсивно испаряется, поэтому менее взрывоопасно.

В силу этого дизели стали особенно популярны у военных. Уже в 1904 году двигатели Рудольфа Дизеля были поставлены на французских подводных лодках.

Автор фото, Getty Images

Машины с дизельным двигателем дороже при покупке, но дешевле в эксплуатации

Здесь лежат корни первой конспирологической версии смерти Рудольфа Дизеля.

Европа, 1913 год, большая война все ближе и все неотвратимее — а тут немец, изобретатель нового двигателя, преследуемый финансовыми проблемами, отправляется в Британию. Одна газета так и написала в заголовке: «Изобретателя сбросили в море, чтобы предотвратить продажу патентов британскому правительству».

Коммерческий потенциал изобретения Дизеля, однако, стал раскрываться только после Первой мировой. Первые дизельные грузовики появились в 1920-х годах, железнодорожные локомотивы — в 1930-х. К 1939 году уже четверть морских грузов в мире перевозили суда с дизельными установками.

После Второй мировой войны были созданы еще более мощные дизельные моторы, которые позволили строить суда все большего водоизмещения и все более экономно перевозить грузы. На топливо приходится около 70% себестоимости морских перевозок.

Пар или дизель?

Чешско-канадский ученый Вацлав Смил, например, считает, что если бы международная торговля оставалась привязана к паровым двигателям и не перешла на дизель, то она росла бы гораздо медленнее.

Британско-американский экономист Брайан Артур так не считает. Он называет переход на двигатели внутреннего сгорания в течение последнего века проявлением «попадания в колею»: уже сделанные инвестиции и построенная инфраструктура заставляют человечество действовать в определенном коридоре, а если б с самого начала был выбран другой путь, то и на нем нашлись бы эффективные решения.

По мнению Брайана Артура, еще в 1914 году у паровых автомобильных двигателей перспективы были не хуже, чем у двигателей внутреннего сгорания — но растущее влияние нефтяной промышленности привело к тому, что в развитие ДВС стали вкладывать гораздо больше денег.

Если бы инвестиций было поровну, то, предполагает доктор Артур, мы бы сейчас вполне могли ездить на машинах с паровыми двигателями какого-нибудь очередного поколения.

Автор фото, Getty Images

Экспертименты Дизеля с арахисовым маслом предвосхитили современное развитие производства биотоплива

А если бы мировая экономика прислушалась к Рудольфу Дизелю, то, может быть, сейчас двигатели работали бы на арахисе.

Имя Дизеля сейчас ассоциируется с топливом из нефтепродуктов, но вообще-то он приспосабливал свой двигатель для работы с разными видами топлива, от угольной пыли до растительного масла. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже он продемонстрировал модель, работающую на арахисовом масле.

А за год до смерти, в 1912 году, Рудольф Дизель предсказывал, что растительное масло станет таким же важным видом топлива, как и нефтепродукты.

Читать еще:  Что сделать чтобы двигатель ваз 2107 работал тихо

Владельцам арахисовых плантаций это предсказание наверняка понравилось, а владельцам нефтяных месторождений — не очень.

Отсюда — вторая конспирологическая версия смерти Дизеля. Другая газета по ее поводу написала: «Убит агентами нефтяных трестов».

Арахис против нефти

В последнее время в мире возрождается интерес к дизельному биотопливу. Оно меньше загрязняет атмосферу, но есть и проблема: оно занимает сельскохозяйственные угодья, а это ведет к повышению цен на продовольствие.

Во времена Рудольфа Дизеля это не выглядело большой проблемой: население Земли тогда было гораздо меньше, а климатические изменения не сильно беспокоили людей. Поэтому Рудольф Дизель, наоборот, мечтал, что его двигатель поможет развиваться бедным, аграрным странам.

Насколько иначе сейчас выглядел бы мир, если бы самыми ценными землями считались не те, где качают нефть, а те, где хорошо растет арахис? Мы можем только гадать.

Точно так же, как мы можем только гадать, что же в точности случилось с Рудольфом Дизелем.

Его тело было найдено в море рыбаками через десять дней. К тому времени оно настолько разложилось, что рыбаки не стали брать его на борт, но забрали личные вещи — кошелек, перочинный нож, футляр для очков.

Когда рыбаки добрались до берега, эти вещи опознал младший сын Дизеля. А тело изобретателя навсегда осталось в морских глубинах.

Преждевременное воспламенение, или что такое LSPI?

Мировая тенденция совершенствования двигателей внутреннего сгорания в уменьшении рабочего объема, максимальном форсировании с помощью турбонаддува и переходе на прямой впрыск топлива. Такие двигатели имеют, как правило, рабочий объем до двух литров, оборудуются парой турбин разного диаметра и используют сверхмаловязкие масла для максимальной топливной экономии. Казалось бы, для потребителя такие двигатели несут одно удобство, высокомощные, с малым расходом топлива и небольшим весом, они по праву вытесняют более объемных старших братьев из-под капотов автомобилей. Однако на практике все оказалось не так просто. В эксплуатации стали отмечаться вроде бы беспричинные случаи разрушения поршней, в отдельных случаях заканчивающиеся и разрушением двигателя в целом. Ведущие производители таких двигателей: GM, Toyota, Ford сразу же занялись исследованием этого явления, подтянулись и основные разработчики присадок Infinium, Afton. Исследования на макетах двигателей показали, что при средних нагрузках и средних оборотах происходит самовоспламенение смеси на середине такта сжатия. Нагрузки в этот момент повышаются настолько, что одной вспышки достаточно для разрушения межпоршневых перегородок на поршне, а далее разрушается сам поршень, может согнуть или порвать шатун и пробить блок цилиндров. То есть один случай – один двигатель. Это неприятное явление назвали LSPI — Low Speed Pre-ignition – малоскоростное предварительное зажигание. То есть явление сходно с калильным зажиганием, но значительно более редкое и тяжелое по последствиям.

Дальнейшие исследования показали, что возникновение или не возникновение LSPI связано с особенностями пакета присадок в моторном масле и сделан вывод, что воспламенение возникает при попадании мельчайших частиц масла в камеру сгорания и их взрывном горении. Причем, наличие повышенной концентрации кальция в пакете моющих присадок явление усиливает, а вот цинк, фосфор и особенно молибден резко уменьшают риск LSPI. Эффект ослабевает при использовании свежего масла и усиливается вместе с его старением. Также выявлена корреляция с октановым числом бензина, менее всего случаев LSPI отмечено на «сотом» бензине. Данных получено много, но самой первой компанией, выдвинувшей практическое решение по предотвращению LSPI стала General Motors. Рецептура вышедшего в 2010 году допуска dexos 1™ была откорректирована для предотвращения эффекта и получила название dexos 1™ Gen 2. Естественно, подробности решения являются know how компании, что не помешало американским производителям приобрести лицензию и начать производство специального масла для проблемных двигателей. Подтянулись и организации по стандартизации. Уже в мае 2018 года выходит обновленная версия стандарта API –API SN plus, активно готовится обновление требований по спецификации ILSAC – ILSAC GF6, готовящейся к выходу не позднее 2019 года. Все эти стандарты уже учитывают требования по предотвращению явления LSPI.

Компания Liqui Moly, как ведущий мировой производитель высококачественных масел, не осталась в стороне и стала одной из первых европейских компаний, выпустивших масло по лицензии dexos 1™ Gen 2 — Special Tec DX1 5W-30. Это НС-синтетическое маловязкое масло предлагается использовать, прежде всего, в проблемных двигателях GM, но возможно заливать в двигатели аналогичных конструкций и других производителей, в том числе Ford EcoBoost, Toyota, Chrysler, Honda, Hyundai, Kia, Mazda, Nissan. Фирменная черта масел Liqui Moly в использовании молибденовых соединений в составе пакета присадок реализована в полной мере. Главный принцип Компании – «Все из одних рук», а также эффективность и безопасность в использовании.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector