Рис. 1. Развернутая индикаторная диаграмма бензинового двигателя.

Давление в цилиндре изменяется по уравнению политропы. Поэтому кривая изменения давления рабочей смеси в цилиндре (штриховая линия) представляет собой линию второго порядка, расположенную примерно симметрично относительно линии, соответствующей положению поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.). До верхней мертвой точки идет линия сжатия, показывающая изменение давления при сжатии, а после нее — линия расширения.

Сплошная линия показывает изменение давления внутри цилиндра работающего двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Сгорание смеси в двигателях с искровым зажиганием условно разделяют на три фазы: начальную, основную и догорания. На индикаторной диаграмме (рис. 1) фазы показаны участками: 1 — начальная, 2 — основная; 3 — догорания.

Начало участка соответствует моменту проскакивания искры между электродами свечи зажигания. Электрическая искра мгновенно нагревает до высокой температуры небольшую часть рабочей смеси. Температура смеси в зоне искрового разряда превышает температуру ее горения, а скорость химических реакций достигает чрезвычайно больших величин. По окончании искрового разряда скорость сгорания резко снижается; она зависит в основном от физико-химических свойств рабочей смеси и приблизительно равна скорости ламинарного горения. В связи с тем что очаг горения очень мал, а скорость распространения фронта пламени низка, заметное повышение давления в результате горения наблюдается только в начале участка 2 — «точки отрыва» линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме. За время течения начального периода небольшой очаг горения, находящийся в зоне искрового разряда, постепенно преобразуется в развитый фронт турбулентного пламени. В начальный период давление в цилиндре двигателя изменяется почти так же, как и в неработающем двигателе при сжатии смеси. Поэтому до участка 2 штриховая линия (линия сжатия) совпадает со сплошной (линия горения).

Основная фаза начинается в «точке отрыва» и характеризуется сильным увеличением скорости сгорания рабочей смеси вследствие турбулизации. Поступление рабочей смеси в цилиндры двигателя происходит с большой скоростью, внутри камеры сгорания создается вихревое движение, турбулентный характер движения рабочей смеси остается и во время ее сжатия. Скорость распространения фронта пламени в связи е увеличением интенсивпости вихревых движений возрастает и достигает 10—40 м/с. Распространение фронта пламени происходит за счет энергии, выделяемой при сгорании предыдущего количества рабочей смеси, и может протекать диффузионно-цепным или тепловым процессами. При диффузионно-цепном процессе происходит диффузия из зоны горения в рабочую смесь активных центров, которые способствуют развитию цепных реакции в смеси. При тепловом распространении фронта пламени осуществляется процесс теплообмена между зоной горения и свежей смесью. Оба эти процесса наблюдаются при сгорании рабочей смеси в двигателе, однако первый процесс играет большую роль непосредственно после воспламенения смеси, а второй — при последующем горении.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя растет скорость поступления горючей смеси через впускной клапан, повышается ее турбулентность и скорость распространения фронта пламени. У бензиновых двигателей скорость распространения фронта пламени возрастает приблизительно пропорционально частоте вращения коленчатого вала, что имеет важное значение для работы двигателя на различных режимах. При увеличении частоты вращения коленчатого вала уменьшается время на процесс сгорания смеси в камере сгорания. Если бы скорость горения не возрастала в результате турбулизации, работа двигателя с различными режимами работы была бы затруднена.

Условно принимают, что основная фаза заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре, который на индикаторной диаграмме соответствует концу участка 2. Период догорания (участок 3) начинается в момент достижения максимума давления на индикаторной диаграмме, процесс сгорания продолжается и температура газов в цилиндре некоторое время возрастает. Скорость распространения фронта пламени в этот период начинает снижаться вследствие падения температуры рабочей смеси у стенок камеры и уменьшения ее турбулентности. Давление в цилиндре снижается в связи с уменьшением количества теплоты, выделяющейся при сгорании смеси, и увеличения объема газа при движении поршня к нижней мертвой точке (н. м. т.). При догорании скорость процесса в большей степени зависит от физико-химических свойств рабочей смеси, чем от характера ее движения.

Мощность и экономичность работы двигателя зависят от скорости сгорания и момента воспламенения рабочей смеси.

Рис. 2. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя при работе с детонацией.

Если рабочая смесь воспламеняется электрической искрой слишком рано, то сгорание смеси произойдет во время хода сжатия и поэтому будут большие потери на преодоление давления газов при движении поршня к в. м. т. Если смесь зажигается поздно, сгорание происходит при рабочем ходе, ухудшаются мощностно-экономический показатели работы двигателя. Угол опережения зажигания должен быть таким, чтобы основная фаза сгорания на индикаторной диаграмме располагалась симметрично в.м.т. Нужное расположение основной фазы достигают путем установки на двигателе центробежного регулятора опережения зажигания, который изменяет угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Детонационное сгорание.

После того как смесь воспламенилась от искры, выделяющаяся при сгорании топлива теплота вызывает дальнейшее повышение температуры и поджатие несгоревшей части горючей смеси. Пламя, распространяясь по смеси, наиболее сильно повышает температуру и давление той части смеси, которая сгорает в последнюю очередь. При этом иногда, в определенных условиях, несгоревшая часть воспламеняется с огромной скоростью. Возникшая детонационная волна распространяется со скоростью 1500—2500 м/с. Детонационная волна сопровождается появлением обратных, встречных волн, которые в виде ударных волн отражаются от стенок цилиндра, вызывая их вибрацию. При детонации появляются резкие металлические стуки в двигателе, тряска двигателя, периодически наблюдается желтое пламя в отработавших газах, чаще — черный дым. Мощность двигателя падает, его детали перегреваются, в результате чего происходит повышенный износ деталей, перерасход топлива.

На рис. 2 показана индикаторная диаграмма бензинового двигателя при работе с детонацией, возникающей в конце основной фазы, когда большая часть рабочей смесь уже сгорела. В начальной фазе и на больше части основной фазы (участок выше участка 2) сгорание протекает так же, как и при нормальном сгорании. Однако в конце сгорания на индикаторной диаграмме регистрируется вибрация давления. Сначала наблюдается резко* возрастание давления (изображено на диаграмме в вид* острых пиков), а затем давление постепенно падает (изо бражено на диаграмме в виде ряда затухающих пиков).

Возникновение детонации в двигателях объясняется наиболее признанной перекисной теорией, основоположником которой является академик А. Н. Бах. Больше? вклад в изучение процесса детонационного сгорания академики Н. Н. Семенов, А. С. Соколик и другие советские ученые.

Рис. 3. Схема детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе
а — зажигание смеси искрой; б — формирование очага горения; в — движени фронта пламени при нормальном сгорании; г — образование очагов холодяс пламенного окисления в несгоревшей смеси; д образование детонационно волны; е — движение отраженных волн;
1,2 — начало воспламенения смеси от свечи; 3 — несгоревшая смесь; 4 — фрон пламени; 5 — сгоревшая смесь; 6 — очаги колодно-пламенного окисления;7 -воспламенившаяся смесь; 8 — отраженные волны.

Детонационное сгорание бензина связано с образованием и разложением продуктов окисления углеводородов — пероксидных соединений, которые являются непрочными соединениями, мгновенно разлагающимися с выделением большого количества теплоты. Чем выше температура, тем больше скорость окисления углеводородов. На рис. 8 показана схема детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе.

В бензиновых двигателях при такте сжатия свежая горючая смесь смешивается с остаточными газами. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т. при закрытых впускном и выпускном клапанах, сжимая при этом рабочую смесь. Во время уменьшения объема рабочей смеси ее давление и температура повышаются. Давление в конце сжатия составляет 1—1,7 МПа, а температура — 330—340 °C. При этих условиях скорость окисления углеводородов повышается, особенно она возрастает после воспламенения рабочей смеси. По мере ее сгорания температура и давление в несгоревшей части рабочей смеси значительно увеличиваются, что способствует образованию большого количества пероксидных соединений. Порции рабочей смеси, сгорающие в последнюю очередь, подвергаются воздействию высоких температур и давлений наибольший период времени. Поэтому в них образуется много пероксидов и создаются благоприятные условия для перехода нормального сгорания в детонационное. Однако, если в состав бензина входят такие углеводороды, которые в этих условиях не образуют пероксидов, то концентрация пероксидных соединений не достигает критических значений и сгорание заканчивается нормально.

Если двигатель работает на бензине, при окислении которого в последних порциях рабочей смеси образуется много пероксидов, то концентрация их может достичь критического значения и произойти их взрывное расщепление. Вначале происходит холодно-пламенное окисление с выделением 5—10% общей теплоты сгорания и температура рабочей смеси несколько повышается. Наблюдается свечение смеси, так называемое «холодное пламя», продуктами сгорания которого являются альдегиды и СЮ, а не продукты полного сгорания — СО2 и Н2О. Холодное пламя распространяется в результате диффузии в свежую смесь радикалов и активных частичек, образующихся при расщеплении пероксидных соединений. В результате образуется активная смесь, которая подвергается дальнейшему окислению. Затем происходит новое взрывное расщепление пероксидных соединений с вовлечением в реакцию большей массы горючей смеси. Возникает «вторичное холодное пламя» и выделяется примерно половина общей теплоты сгорания. «Вторичное холодное пламя» распространяется с большой скоростью вследствие диффузии активных центров теплообмена. Наконец, происходит цепочно-тепловой взрыв (самовоспламенение смеси, состоящей из СО, кислорода и активных центров), в результате которого возникает настоящее горячее пламя. Из-за большой скорости сгорания рабочей смеси и резкого повышения давления возникает ударная волна, перемещающаяся по камере со сверхзвуковой скоростью.

Ударная волна стимулирует воспламенение соседних слоев рабочей смеси, скорость сгорания которой становится равной скорости распространения ударной волны и составляет 1500—2500 м/с. Таким образом, образуется детонационная волна, которая, многократно отражаясь от стенок камеры сгорания, вызывает вибрацию и характерные металлические звуки.

При детонационном сгорании значительно повышается отдача теплоты от газов стенкам камеры сгорания как за счет более высоких температур в детонационной волне, так и в связи с увеличением теплоотдачи от газов к стенкам камеры в связи с удалением со стенок более холодного пограничного слоя. При этом двигатель перегревается, появляются разрушения поверхности камеры сгорания, днища поршня и антифрикционного слоя подшипников, прокладки между блоком цилиндров и головкой прогорают. Повышается износ поршневых колец и зеркала цилиндров, так как детонационная волна, многократно отражаясь от поверхности цилиндров, снимает с них слой смазочного масла.

В связи со взрывным характером детонации часть бензина и продуктов неполного сгорания перемешивается внутри камеры сгорания с продуктами полного сгорания и не сгорает. При высокой температуре в детонационной волне наблюдается также диссоциация продуктов сгорания, то есть разложение СО2 и Н8О. Вследствие этих причин снижается мощность двигателя, повышается удельный расход бензина, увеличивается дымность выхлопа и появляется пламя в отработавших газах.

Влияние различных факторов на возникновение детонации в двигателе следует рассматривать в свете перекисной теории, согласно которой повышение давления и температуры рабочей смеси, а также увеличение времени пребывания последних несгоревших порций рабочей смеси в камере сгорания, приводит к образованию критических концентраций пероксидов и детонационному сгоранию.

На возникновение и интенсивность детонации влияют как конструктивные, так и эксплуатационные факторы двигателя. К конструктивным факторам относятся следующие: степень сжатия двигателя, диаметр цилиндров, форма камеры сгорания, материал, из которого изготовлены головки и поршни, место расположения свечей и др. При увеличении степени сжатия возрастают давление и температура рабочей смеси. Следовательно, чем выше степень сжатия, тем значительнее детонация.

У двигателей с большим диаметром цилиндров, при других одинаковых условиях, детонация увеличивается. Это происходит вследствие ухудшения условий охлаждения камеры сгорания и повышения в связи с этим температуры рабочей смеси. Камера сгорания должна иметь компактную форму без мест перегрева и поверхностей, значительно удаленных от свечей зажигания. Применение для головок и поршней алюминиевых сплавов вместо чугуна существенно улучшает отвод теплоты из камеры сгорания и снижает температуру рабочей смеси, что приводит к уменьшению детонации. Для предотвращения детонации свечи зажигания помещают вблизи нагретой зоны у выпускного клапана. В этом случае в первую очередь воспламеняется более нагретая часть рабочей смеси. У некоторых двигателей свечи располагают наклонно, сбоку в углублении в наиболее нагретом месте стенки головки цилиндра.

К эксплуатационным факторам относятся: угол опережения зажигания, частота вращения коленчатого вала, температура и влажность воздуха, состав горючей смеси, количество отложений на поршневой группе, температура охлаждающей жидкости и т. д. С уменьшением угла опережения зажигания детонация в двигателе значительно снижается или исчезает совсем. Это происходит в связи с сокращением времени на развитие процесса детонации и снижением температуры и давления газов в цилиндре во время рабочего хода поршня, С увеличением частоты вращения коленчатого вала детонация снижается, поскольку уменьшается время пребывания рабочей смеси в камере сгорания вследствие повышения скорости распространения фронта пламени. Количество пероксидных соединений при этом не успевает достигнуть критического значения, что затрудняет процесс развития детонационного сгорания смеси. Повышение влажности воздуха приводит к снижению детонации. В летний период при более высоких температурах воздуха детонация наблюдается чаще, чем зимой. Наиболее интенсивно детонирует смесь, близкая по составу к стехиометрическому. Сгорание этой смеси происходит без остатка избыточного кислорода с выделением наибольшего количества теплоты. Температура в камере сгорания повышается, что способствует возникновению детонации.

Работа двигателя как на бедных, так и на богатых горючих смесях сопровождается снижением детонации.

Отложения нагара на днище поршня увеличивают степень сжатия и тем самым способствуют детонации. Образование нагара в зоне поршневых колец затрудняет отвод теплоты, повышает температуру поршня и газов в камере сгорания и способствует детонации.

Существенное влияние на процесс сгорания в двигателе рабочей смеси оказывает температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения. С увеличением т’мпературы охлаждающей жидкости ухудшается отвод теплоты от стенок цилиндра, повышается температура рабочей смеси в камере сгорания. При несоблюдении правил технического обслуживания системы охлаждения в рубашке двигателя образуется накипь, имеющая низкую теплопроводность, в результате чего повышается температура цилиндропоршневой группы и рабочей смеси, а это приводит к повышению детонации.

Калильное зажигание. Следует отличать явление детонации от неконтролируемого сгмовоспламенения рабочей смеси в двигателе или так называемого калильного зажигания. В этом случае зажигание происходит не от электрической искры, а от тлеющих частичек нагара и перегретых участков камеры сгорания. Наиболее часто неуправляемое самовоспламенение наблюдается в современных автомобильных высокофорсированных двигателях, работающих на этилированных бензинах с повышенным содержанием ароматических углеводородов. Внешние признаки такие же, как у детонации, хотя это явление не имезт ничего общего с детонацией. Процесс сгорания при калильном зажигании протекает с нормальными скоростями. Однако в двигателе калильное зажигание может одновременно сопровождаться и детонацией, так как преждевременное самовоспламенение рабочей смеси действует на процесс сгорания так же, как и установка увеличенного угла опережения зажигания, приводящего к возникновению детонации.

Если наблюдается калильное зажигание, то в результате сильного перегрева двигателя при выключенном зажигании он продолжает работать. Калильного зажигания можно избежать введением в бензин фосфорсодержащих присадок. Образующиеся нагары, в состав которых при этом входят фосфаты свинца, обладают более высокой температурой воспламенения. Основными мерами борьбы ci калильным зажиганием являются конструктивное улучшение камер сгорания, применение «холодных» свечей и клапанов с натриевым охлаждением.

На малофорсированных двигателях внутреннего сгорания с низкой степенью сжатия устанавливают «горячие» свечи с короткой юбкой изолятора, которая хорошо прогревается и не имеет нагара. На высокофорсированных двигателях с высокой степенью сжатия устанавливают «холодные» свечи зажигания с длинной юбкой, которая хорошо отводит теплоту, тем самым предотвращая преждевременное воспламенение рабочей смеси при соприкосновении с раскаленным изолятором и электродами.