Воспламенение топлива от сжатия
Разговор об автомобиле почти никогда не обходится без упоминания о бензине. Мы говорим: бензиновый автомобиль, бензиновый двигатель, бензобак, бензозаправочная станция. Понятия «бензин» и «автомобиль» тесно связаны друг с другом в нашем сознании. Причина такой связи ясна: большинство современных автомобилей работает на бензине.
Но бензин — топливо сравнительно дорогое. Его получают в основном из нефти, где его не очень много. После удаления бензина из нефти остается менее ценная, но зато более значительная часть. Это так называемые тяжелые виды жидкого топлива — керосин, мазут и т. д. Тяжелое топливо воспламеняется не так легко, как бензин, и поэтому применение его в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с некоторыми трудностями.
Но мысль превратить сравнительно дешевое тяжелое топливо в горючее для транспортных двигателей заманчива, и конструкторы издавна работают над решением этой задачи. Серьезные успехи впервые были достигнуты русскими конструкторами. Еще в начале XX века они приспособили двигатель внутреннего сгорания, созданный Р. Дизелем и работающий на тяжелом топливе, для транспортных целей. Первые теплоходы, подводные лодки с дизелями, тепловозы были построены в нашей стране.
Гораздо более сложным делом оказался перевод на тяжелое топливо автомобиля. Долгое время не удавалось преодолеть затруднения, связанные с тем, что дизели сравнительно тяжелы и тихоходны. Только в последнее время их начали широко применять на грузовых автомобилях. . |
В Советском Союзе дизели используются на тяжелых грузовиках и автобусах. Их нетрудно узнать по характерному постукиванию. Над радиаторами ярославских грузовиков красуется фигура медведя — старинный герб города Ярославля; на машинах минского завода — могучая фигура беловежского зубра.
Предпринимаются попытки установить дизели и на легковые машины. Некоторые западногерманские, итальянские, английские фирмы снабжают до половины выпускаемых ими автомобилей дизелями. Несмотря па большой вес дизеля, шумиость работы и повышенную его стоимость, дизельные автомобили оказываются выгодными: расходы по их эксплуатации вдвое меньше, чем по эксплуатации автомобиля с карбюраторным двигателем.
Работа большинства дизелей на первый взгляд мало отли- г чается от работы четырехтактного бензинового двигателя — те же такты впуска, сжатия, воспламенения (рабочий ход) и выпуска отработавших газов сменяют друг друга. При впуске так же открывается впускной клапан, а при выпуске — выпускной. Но при тех же четырех тактах работа дизеля существенно отличается от работы бензинового двигателя.
Во время первого такта в цилиндр дизеля входит не горючая смесь, а воздух. Во время второго такта поршень сжимает воздух. Давление его доходит до 30 атмосфер, при этом температура повышается до 500 градусов. В момент наибольшего сжатия и нагрева насос впрыскивает в цилиндр порцию нефтяного топлива. Высокая температура в цилиндре заставляет топливо взорваться. В этом существенное отличие дизеля от бензинового двигателя. Дизель не имеет электрического зажигания, которое доставляло, да и по сей день доставляет автомобилистам много хлопот при регулировке и уходе.
Третий такт дизеля — рабочий ход. Газы, образовавшиеся при взрыве смеси, давят на поршень и заставляют его при помощи шатуна вращать коленчатый вал двигателя. Во время четвертого такта поршень выталкивает из цилиндра через открывшийся в этот момент выпускной клапан отработавшие газы.
Из рассказа о процессе работы дизеля отчетливо видны его достоинства. Прежде всего он не нуждается в карбюраторе — I приборе для распыливания топлива и смешивания его с воздухом. Без такого прибора не обходится двигатель легкого топлива, в цилиндры которого поступает сразу горючая смесь. Далее, дизель избавлен от капризной системы электрического зажигания. Наконец в карбюраторном двигателе топливо, входящее в состав горючей смеси, как бы вдыхается двигателем, а потому должно быть легким, хорошо испаряющимся. Дизельное топливо подается в цилиндр под давлением, а его испарению способствует высокая температура воздуха в цилиндре, поэтому оно может быть более тяжелым.
Дешевизна потребляемого топлива — дизельное топливо примерно вдвое дешевле бензина — не единственное достоинство дизеля. Практика показала, что для выполнения одной и той же работы дизель расходует раза в полтора меньше дешевого топлива, чем карбюраторный двигатель — бензина.
За счет чего достигается эта экономия? Прежде всего за счет высокой степени сжатия. В карбюраторном двигателе рабочая смесь сжимается в семь-девять раз. В цилиндре дизеля воздух сжимается в четырнадцать-шестнадцать раз. Большая степень сжатия в бензиновом двигателе трудно достижима из-за явления детонации, то есть преждевременных взрывов смеси. Помогает экономии и езда накатом, когда дизель отсоединен от силовой передачи (например, при движении автомобиля под уклон дизель вовсе не расходует топлива). Наконец при хранении и заправке дизельное топливо испаряется в атмосферу гораздо меньше, чем бензин.
Не следует, однако, думать, что дизель вовсе лишен недостатков. Прежде всего от карбюратора и электрического зажига ния он избавился ценой использования требующих очень точного изготовления и дорогих топливного насоса и форсунок для впрыска топлива.
Высокие давления, возникающие в цилиндрах дизеля, требуют прочной, а следовательно, и тяжелой конструкции. Тяжелые детали и механизмы системы впрыска топлива ограничивают число оборотов двигателя, поэтому дизель не так быстроходен, как бензиновый двигатель.
Запуск дизелей в холодную погоду, когда температура засасываемого в цилиндры воздуха низка, затруднен. Да и вообще для запуска требуется очень мощный и тяжелый электрический стартер. Вручную или с помощью легкого стартера не преодолеть высокой степени сжатия. Для питания стартера необходим мощный и тоже тяжелый аккумулятор.
Наконец дизели более шумны и дымны, чем карбюраторные двигатели.
Все это задерживает их распространение; в частности, эти причины затрудняют применение дизелей на легковых автомобилях.
Конструкторы ряда американских и советских автомобильных дизелей применили иной принцип работы, чем тот, который только что описан. Эти дизели не четырехтактные, а двухтактные. Весь процесс всасывания, сжатия, воспламенения горючей смеси, расширения образовавшихся газов и выпуска в атмосферу происходит в течение двух ходов поршня, а не четырех. За счет сокращения числа тактов коленчатый вал получает более частые толчки, и число цилиндров может быть уменьшено, что упрощает и облегчает двигатель. При том же объеме цилиндров, что и у четырехтактного, двухтактный дизель более мощный. Каждый цилиндр обладает самостоятельным насосом-форсункой. Благодаря отсутствию общего для всех цилиндров насоса каждый цилиндр как бы превращается в маленький двигатель, и выход из строя одного насоса не приводит к остановке всего двигателя.
Двухтактный двигатель работает следующим образом. Поршень подходит к верхней мертвой точке и сжимает находящийся в цилиндре воздух, насос-форсунка, управляемый от коленчатого вала двигателя, впрыскивает порцию топлива. Начинается рабочий ход. Когда поршень доходит до нижней мертвой точки, он открывает отверстия в боковых стенках цилиндра. В эти отверстия под давлением, создаваемым нагнетателем, врывается чистый воздух, который выталкивает отработавшие газы в открывшиеся в этот момент клапаны и заполняет объем цилиндра. Поршень идет снова вверх, закрывая отверстия своим телом и снова сжимая воздух.
Применение в дизеле отдельных насосов для каждого цилиндра позволило создать семейство двигателей различных размеров и мощности из одинаковых, взаимозаменяемых частей. Поршни, вставные гильзы цилиндров, шатуны, насосы всех двигателей одинаковые.
Самые маленькие члены семейства — одноцилиндровый и двухцилиндровый двигатели для сельских электростанций, для садовых тракторов и других, главным образом сельскохозяйственных, нужд.
Трехцилиндровый дизель по своему весу и мощности удобен для 4-тонных грузовых автомобилей, подобных тем, которые выпускает московский автозавод имени Лихачева. Опытная установка этого дизеля на такой грузовик, проведенная в Научном автомоторном институте (НАМИ), показала его высокие ходовые качества.
«Родство» всех двигателей — от 25-сильного до 165-сильного — между собой имеет огромное значение для народного хозяйства. Оно позволяет упростить производство сложной дизельной аппаратуры, удешевить за счет массовости выпуска изготовление взаимозаменяемых деталей, облегчить ремонт и обслуживание однотипных двигателей, в каком бы далеком уголке нашей страны они ни оказались.
На 25- и 40-тонных самосвалах Минского завода устанавливаются двухрядные V-образные четырехтактные дизели.
Перевозка одной тонны груза на дизельном грузовике обходится примерно вдвое дешевле, чем на грузовике с бензиновым двигателем.
Все это открывает перед советскими дизелями — экономичными и падежными в работе — самые широкие области применения.
Степень сжатия, компрессия, октановое число
Для понимания принципов повышения мощности и эффективности двигателя внутреннего сгорания необходимо знать, что такое степень сжатия, компрессия и октановое число. Причем, не на уровне рассуждений, что 98-ой бензин более качественный чем 95-ый. Нужно понимать, что октановое число само по себе не самоцель, а лишь один из факторов достижения наилучших эксплуатационных характеристик ДВС.
Прежде всего давайте сразу внесем ясность и оговорим, что компрессия и степень сжатия — это совершенно разные вещи. Степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра (то есть объема цилиндра плюс объема камеры сгорания) к объему одной лишь камеры сгорания.
Поскольку это отношение, называемое степенью сжатия, грубо говоря, есть отношение объема, который занимает смесь при ее подаче в цилиндр, к объему, при котором смесь воспламеняется, то давление, при котором воспламеняется топливо, пропорционально этой величине. То есть чем больше степень сжатия, тем больше давление воспламеняемой смеси.
Для лучшего понимания стоит отметить, что поскольку давление зависит не только от степени сжатия, но и от, например, давления на фазе впуска, то давление воспламеняемой смеси может быть меньше у двигателя с большей степенью сжатия. Как? Например, у турбированных двигателей степень сжатия обычно меньше чем у атмосферных (почему так делают — станет понятно ниже), при этом давление у них на всех фазах существенно выше, поскольку уже на впуск смесь подается в сжатом состоянии (в чем, собственно, и состоит их природа).
Компрессия — это, кстати, давление в конце фазы сжатия. То есть она почти равна тому самому давлению воспламеняемой смеси. Почему почти? Потому что смесь воспламеняется всегда чуть позже или чуть раньше того момента, когда давление максимально. Это «почти» определяется углом зажигания.
Оптимальная компрессия мотора очень приблизительно высчитывается умножением степени сжатия на 1.4 атм
Возвращаясь к степени сжатия, посмотрим, почему же она нам важна в контексте эффективности и мощности двигателя. А вот почему. Работа в двигателе внутреннего сгорания совершается за счет расширения рабочего тела, в качестве которого в бензиновых двигателях выступает топливо-воздушная смесь. Как в школе учили: горящая смесь расширяется, толкая при этом поршень, поступательное движение которого превращается во вращательное движение коленвала. Соответственно, при большей степени сжатия ход поршня, в рамках которого смесь может реализовать свой энергетический потенциал, оказывается больше, а следовательно совершается больше полезной работы. На самом деле это лишь один из факторов, все вместе же они определяют термический КПД — показатель эффективности расширения рабочего тела в момент сгорания. Для него даже формула есть:
Термический КПД = 1 — (1 / степень сжатия) ^ гамма — 1
Где гамма — значения некоей дискретной функции, зависящей от температуры, давления и объема востпламеняемой смеси. Проще говоря, набор констант. Итак мы видим, что чем больше степень сжатия, тем больше термический КПД. Также понятно, что это некоторое упрощение, поскольку для получения его максимального значения нужно подбирать массу параметров, где степень сжатия лишь один из многих, хоть и важный. Как говорил владелец одного из автосервисов: «Не зря двигаетли придумывают люди с двумя высшими образованиями». И правда, не зря.
Ну здорово, вроде разобрались: чем больше степень сжатия, тем лучше. Так давайте просто избавимся от камеры сгорания, подняв степень сжатия до небес, и будет нам счастье. А счастья не будет, и вот почему. Дело в том, что при повышении давления и температуры возникает два неприятных явления: детонация и преждевременное воспламенение. Для того, чтобы в полной мере их понять, нужно осознать один удивительный факт: топливная смесь в ДВС не взрывается — она горит. Причем та самая гамма, которую мы упоминали выше, зависит и от скорости горения и от формы фронта воспламенения и от температуры пламени. Скорость горения должна соотвествовать скорости движения поршня. Фронт воспламенения должен быть однородным и распространяться ровно по ходу поступательного движения. Чем меньше температура горения, тем меньше потери на тепловыделение. Это все упрощенные заявления, но общую суть явлений передают.
Вернемся к детонации и преждевременному воспламенению. Преждевременное воспламенение происходит, когда при увеличении давления в смеси она самопроизвольно воспламеняется. При этом получается, что часть работы затрачивается не на то, чтобы толкать поршень, а на то чтобы помешать завершить ему ход фазы сжатия, а та энергия расширения, которая еще останется (если останется), будет использована крайне неэффективно из-за нерассчетного профиля фронта горения.
Детонация же — это еще более неприятный эффект, когда воспламененная смесь взрывается. То есть после короткого момента, когда горение распространяется со скоростью, измеряемой дестяками сантиметров в секунду, она вдруг увеличивается в разы. Происходит это под влиянием и температуры и давления, а сам эффект обеспечивается наличием определенного количества одного из продуктов горения. Эффекты от детонации: вместо фронта горения получаем ударную волну (в принципе то же самое, но только в разы больше скорость и температура), как следствие — резкое падение термического КПД и ударные нагрузки на поршневую группу. А теперь на секундочку представьте, что происходит, если детонация возникает не после поджига смеси свечой, а после самовоспламенения — все то же самое, но только против хода поршня.
Вот и получается, что степень сжатия можно увеличивать только до тех пор, пока не начнут проявляться описанные эффекты. И тут мы приходим к следующему понятию — октановому числу. Оказываетcя, у разных видов топлива стойкость к преждевременному воспламенению и детонации различается (все вместо это называют детонационной стойкостью). Октановое число как раз и является показателем этой стойкости. Чем оно выше, тем выше и стойкость. Важно при этом отметить, что в большинстве случаев количество энергии, которую можно высвободить из литра топлива, от октанового числа не зависит.
Степень сжатия Рекомендованное топливо
7,0 — 8,0 АИ — 76
8,5 — 9,5 АИ – 92 (кроме турбо)
10,5 — 12 АИ — 95
14 — 16 АИ-102 и АИ-109
Но давайте от теоретических моментов, которыми можно заполнить несколько томов, обратимся к вопросам практическим и рассмотрим описываемые явления через призму повседневности.
Первый распространенный вопрос: прогорят ли клапаны, если залить бензин с большим октановым числом?
Действительно, в некоторых случаях использование бензина с большим октановым числом может привести к прогоранию выпускных клапанов. При этом считается, что происходит это из-за большей температуры горения смеси с более высоким октановым числом. На самом деле все наоборот. Топливо с большим октановым числом обычно горит с меньшей температурой и медленнее. Из-за скорости горения ниже рассчетной может получиться так, что на фазе выпуска через клапан вместо отработанных газов будет выпущена еще горящая смесь. Горящая смесь может оказаться и в выпускном коллекторе — тогда пострадает и он. На практике же конструкция многих двигателей позволяет реализовать потенциал топлива с более высоким октановым числом без ущерба для ресурса.
В любом случае, если вы льете бензин, отличный от рекомендованного производителем, вы должны четко понимать физику работы именно вашего мотора — тому, что говорят в сервисах, верить можно далеко не всегда.
Вопрос номер два: почему при использовании бензина с большим октановым числом на свечах образуется нагар?
Первая причина является следствием того, что в России высокооктановые бензины получают исключительно методом добавления присадок. При этом часто получается так, что для получения 95-ого бензина присадки используются менее качественные, чем для 98-ого. Так что заправившись 95-ым после 92-ого можно получить более ровную работу мотора и нагар на свечах в одном флаконе. Понятно, что тут все зависит от конкретной АЗС.
Вторая причина — угол опережения зажигания. Если в вашем двигателе нет системы, которая автоматически регулирует угол зажигания, то залив высокооктановое топливо можно опять же загадить свечи и потерять часть мощности. Как упоминалось выше, высокооктановое топливо горит медленнее, а следовательно для правильного и полного сгорания смеси ее поджиг должен осуществляться раньше.
Степень сжатия и октановое число
Некоторые водители заливают бензин, который им приглянулся по стоимости или «посоветовал» друг. А ведь давно известно, что маркировка топливу дается неспроста, и каждый из них обладает своими характеристиками. Основные из них — октановое число и степень сжатия. Использование того или иного типа бензина регламентируется производителем под каждый двигатель индивидуально.
Что такое степень сжатия?
Степень сжатия (СЖ) — соотношение общего объема цилиндра и рабочего объема камеры сгорания при нахождении поршня в ВМТ (верхней мертвой точке). Само значение имеет безразмерную величину. Бензиновые приводы имеют показатель в 8-12 единиц, дизели — 12-18. СЖ имеет прямое влияние на компрессию, оттого их часто путают или принимают одно за другое. Первая вычисляется простым соотношением объемов. Значение же второй может изменяться в зависимости от дополнительных факторов: состава рабочей смеси, температуры мотора, присутствие в клапанных приводах зазоров и т.д.
Само соотношение отражается в количестве работы, воспроизводимой двигателем автомобиля. Чем выше СЖ, тем выше показатели выделяемой энергии и, как следствие, мощности. Увеличение количества лошадиных сил под капотом без большего расхода топлива достигается путем увеличения этого показателя.
Но есть и недостатки — высокий показатель увеличивает вероятность самовоспламенения рабочей смеси под высоким давлением. Отсюда и требование к топливу с высокой СЖ — он должен иметь повышенную детонационную стойкость, называемую октановым числом (ОЧ).
Детонационная стойкость
ОЧ имеет показатель равный содержанию в топливе n-гептана и изооктана. Экспериментируя с изменением их долей в составе, можно добиться нужных характеристик бензина и не ухудшить его качество. Чем оно выше, тем сильнее может быть сжата смесь без риска преждевременного воспламенения. Чтобы данное число повысить в бензин добавляют различные присадки — эфир, спирт, антидетонационные компоненты. Без подобных добавок максимальное ОЧ достигает 100 единиц.
Октановые числа весьма разнообразны и определяются двумя методами:
- моторный (ОЧМ);
- исследовательский (ОЧИ).
Их отличие отображает восприимчивость горючего. Чтобы выявить настоящее значение нужно знать фактическое ОЧ. Вычислить его можно на работающем движке с помощью специального стенда или прибора для измерения — октанометра. Наиболее близко к этому значению «дорожный» коэффициент ОЧ. Выявить такой возможно только на самом автомобиле. Составляющий изооктан отличается низким уровнем воспламенения, его величина ОЧ обозначена постоянной и равна 100 единицам.
Процесс сожжения n-гептана при низком сжатии характеризуется постукиванием в моторе. Значение числа октанов приближенно к нулю. Горючее с ОЧ больше 100 наделяется специальной шкалой. В такие виды часто добавляются антидетонаторы и изооктан. Главный симптом несоответствующего числа октанов — металлический звон из силовой установки, порожденный волнами давления, отраженными от стенок цилиндра.
Оценка у дизельного топлива не имеет ОЧ поскольку существенно отличается по химической стороне процесса. Для этого используется цетановое число. Оно характеризует временной период, который длится от момента поступления топлива в камеру до воспламенения. Чем выше этот показатель, тем быстрее рабочая смесь будет поджигаться. Чем ниже — тем больше времени потребуется для ее воспламенения.
Добавки и вещества для увеличения ОЧ
Для увеличения числа октанов используются разные способы. Добавление жидкости — антидетонатора является самым действенным. Еще достаточно популярен метод технологического вмешательства. Среди антидетонаторов более распространены тетраэтилсвинец и спиртовые добавки.
Не самым безопасным, но достаточно эффективным является добавление первого антидетонатора в топливо. Будучи достаточно термостойким (температура закипания 2 тыс. градусов) он обладает высокой вязкостью. Его использование позволяет превысить 100 единиц ОЧ на 17. Однако, выброс свинца вместе с выхлопными газами сильно вредит окружающей среде. Более того, высока вероятность отравления такими газами. На заправках данный вид топлива маркируют как «этилосодержащий», «экобензин» или «этилированный». Стоит он порядком дешевле других, но и приятных последствий после его использования ждать не стоит.
В настоящее время для уменьшения негативных последствий его использования в бензин добавляют специальные добавки. Самые популярные — дипроэтан, этил бромистый и дибромпропан. Они предназначены для вывода продукта его сгорания — оксида свинца. Данное вещество образует обильные отложения на всех частях двигателя.
Наличие 1/10 спирта в 92-ом бензине повышает детонационную стойкость до 95. Приятным бонусом идет уменьшение токсинов в выхлопных газах. Применяются и метиловый, и этиловый спирты. Но вместе с увеличением ОЧ происходит пропорциональное увеличение парового давления. И условия эксплуатации, хранения и транспортировки такой рабочей смеси существенно усложняются. Так, при попадании влаги в топливо вероятность капитального ремонта двигателя составляет практически 95%.
Детонация
Основные понятия разобраны, можно приступить к разбору самого явления детонации (Д). Она происходит в том случае, когда бензобак был заправлен топливом с ОЧ ниже, чем предусмотрено производителем. Заключается Д в преждевременном самовоспламенении рабочей смеси в процессе ее сжатия. Последствия — пламенный фронт, распространяющийся со скоростью взрыва и наносящий ощутимый урон стенкам цилиндров и поршням. В итоге износ этих деталей сильно увеличивается.
Сопровождается данное явление характерным стуков в моторе, похожим на металлический звон. Мощность двигателя ощутимо падает, а разрушающая сила взрывных волн способна привести к его поломке. Современные модели оснащены специальным датчиком, фиксирующим Д и передающим информацию бортовому компьютеру. Последний, получив подобный сигнал, изменяет насыщение топливно-воздушной смеси, момент поджигания для предотвращения детонации.
СЖ и ОЧ бензина
Степень сжатия в современных силовых установках колеблется от 8 до 14 единиц. Чтобы повысить данное значение, требуется использование бензина с большим октановым числом (в случае с бензиновыми агрегатами). Такой метод предполагает не только увеличение мощности мотора, но и его КПД. Это означает уменьшение расхода рабочей смеси.
Маркировка бензина не является случайностью. Каждой соответствует своя степень сжатия и рекомендуемая СЖ. Причем данные значения обозначены, как стандарты и определены ГОСТом. Таблица отображает соответствие каждой марки бензина конкретным характеристикам мотора.