Курс лекций по дисциплине «Зарубежные автомобильные эксплуатационные материалы» (стр. 1 )

Вопрос 4. Нормальное и детонационное сгорание рабочей смеси

Химический состав и количество используемого топлива, его соотношение с воздухом, а также величина остаточных газов, тем­пература и давление в цилиндре двигателя, конструкция камеры сгорания и ряд других факторов существенно влияют на скорость сгорания рабочей смеси.

Процесс нормального сгорания рабочей смеси проходит плавно с почти полным протеканием реакции окисления топлива и средней скоростью распространения пламени 10...40 м/с. Когда скорость рас­пространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и дости­гает 1500...2000 м/с, возникает детонационное сгорание.

После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания. Давление и температуры в этой части заряда повышаются до 5…6 МПа и 2000…2300°С. Наиболее удаленная от фронта пламени часть смеси нагревается в результате поджатия до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. Но при нормальном сгорании самовоспламенение не происходит, т. к. не хватает времени для его развития. Но если создать условия (факторы, влияющие на появление детонации, указаны ниже), то самовоспламенение произойдет с взрывным характером: давление в зоне резко увеличивается до 16 МПа, температура — до 3000…4000°С. Скорость распространения взрывной волны в десятки раз превышает скорость распространения пламени при нормальном сгорании и составляет 1500…2000 м/с.

Детонационное сгорание — аномальный процесс сгорания, при котором наиболее удаленная часть топливо-воздушной смеси объемно самовоспламеняется с образованием ударных волн

Детонация как химическое явление.

Основная причина возникновения детонации — образование и накопление в рабочей смеси активных перекисей (кислородсодержащих веществ), которые разлагаются в последней фазе сгорания, выделяют избыточную энергию и вызывают взрывное сгорание топлива

Детонация сопровождается ме­таллическими стуками, появлением в отработанных газах черного дыма, падением мощности и перегревом двигателя, а также имеет другие вредные последствия, вплоть до механического поврежде­ния отдельных его деталей.

В двигателе окисление топлива кислородом воздуха начинается в процессе наполнения и сжатия горючей смеси. Чем выше степень сжатия, тем больше давление и температура цикла, интенсивнее протекают процессы окисления. Эти процессы еще более энергично продолжаются после воспламенения топлива, особенно в тех порциях рабочей смеси, которые сгорают последними: здесь количество продуктов окисления максимально. Когда концентрация нестойких соединений достигает критического значения для данного вида топлива, происходит взрывное сгорание оставшейся части несгоревшей рабочей смеси.

Очевидно, что из многочисленных факторов, препятствующих детонационному сгоранию, наиболее важным является правильный подбор химического состава бензина для данного типа двигателя. Если бензин обладает малой детонационной стойкостью, то в нем накапливается много перекисных соединений, способных выделять атомарный кислород и вызывать детонацию. У бензинов с высокой детонационной стойкостью концентрация продуктов окисления недостаточна для возникновения детонации. Более того, скорость воспламенения и сгорания высокооктановых бензинов ниже, чем низкооктановых.

Кроме химического состава топлива и конструктивных особенностей двигателя (степень сжатия, форма камеры сгорания, турбулизация заряда, количество и расположение свечей) на возникновение детонации некоторое влияние оказывают и условия эксплуатации:

Например, при увеличении частоты вращения коленчатого вала детонация уменьшается, так как при этом сокращается время, отводимое на сгорание рабочей смеси, увеличивается завихрение смеси в цилиндре двигателя и уменьшается время химической под­готовки части топлива, окисляющейся в последнюю очередь.

Большое значение имеет форма камеры сгорания, так как чем больше время, в течение которого пламя от свечи может дойти до наиболее отдаленных ее точек и чем хуже они охлаждаются, тем вероятнее образование перекисей и возникновение детонации.

При увеличении размера цилиндра возрастает длина пути, кото­рый проходит пламя и, следовательно, повышается вероятность образования перекисей.

При неправильном выборе марки свечи зажигания возможен недостаточный отвод тепла от нее, а раскаленная свеча может сама служить источником детонации.

Выпускной клапан, являющийся наиболее горячей деталью в головке цилиндра (его температура может достигать 750°С), оказывает существенное влияние на образование перекисей, а сле­довательно, и на детонацию.

Нагарообразование на стенках головки цилиндра и днище поршня сильно ухудшает их теплопроводность, вследствие чего несколько повышается температура газов в процессе сгорания. Отложившийся нагар также уменьшает объем камеры сгорания и увеличивает сте­пень сжатия. Все это способствует образованию перекисей в смеси и, следовательно, увеличивает детонацию.

При изменении момента зажигания изменяются температура и давление процесса сгорания смеси, а также температура днища пор­шня и головки цилиндра, поэтому увеличение угла опережения за­жигания, сдвигая точку максимального давления ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), способствует уменьшению задержки само­воспламенения последней части топлива и возрастанию детонации.

Степень сжатия — это основной фактор, определяющий возник­новение детонации. С увеличением степени сжатия смеси возрастают температура и давление в цилиндре двигателя, что способствует ин­тенсивному образованию кислых соединений.

 На детонацию также оказывают влияние температура охлаж­дающей жидкости (при ее повышении она усиливается) и атмо­сферные условия. Например, повышение атмосферного давления уве­личивает детонацию, а повышение влажности воздуха уменьшает ее в значительной степени.

Детонация возникает в тех случаях, когда концентрация пере­кисей в порции топливовоздушной смеси, сгорающей на конеч­ном этапе, достигает критического значения.

Для подавления детонации при эксплуатации карбюраторных двигателей используют уменьшение угла опережения зажигания, прикрытие дросселя и увеличение скорости вращения коленчато­го вала.

Неуправляемое воспламенение топливовоздушной смеси от чрез­мерно нагретых деталей камеры сгорания и раскаленных частей, покрытых нагаром, называемое калильным зажиганием, устраня­ется или ослабляется правильным подбором для двигателей марок топлив и масел.

Вопрос 5. Аномальное сгорание бензиновой смеси, виды аномального сгорания.

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 (калильное зажигание) - 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.

Чтобы предотвратить появление калильного зажигания, важно не допускать работы на топливе с октановым числом ниже рекомендованного инструкцией, систематически проверять, правильно ли установлено зажигание, устанавливать свечи, соответствующие только данному двигателю.

К числу аномальных процессов сгорания в бензиновых двигателях относится и работа двигателя с самовоспламенением всего заряда рабочей смеси при выключении зажигании (процесс аналогичен дизельному). Его часто неправильно называют калильным зажиганием (калилкой). Из-за низкой частоты вращения коленчатого вала (100-200 об/мин) работа происходит с резкими рывками и стуками. Появление такого рода воспламенения может косвенно свидетельствовать об ухудшении теплоотдачи, например из-за чрезмерного отложения нагара в камере сгорания или повышенной склонности топлива к самовоспламенению. Для устранения этого явления большинство зарубежных карбюраторов и некоторые отечественные (ДААЗ-2103, 2106) снабжены специальными электромагнитными клапанами (Антидизель), отключающими подачу топлива через систему холостого хода при выключении зажигания.

Вопрос 6. Оценка детонационной стойкости. Октановое число, методы повышения октанового числа бензинов.

Определение октанового числа бензина.

Мерой детонационной стойкости бензинов является октановое число, отражающее процентное содержание изооктана в искусст­венно приготовленной смеси, состоящей из изооктана и нормаль­ного гептана и по своей детонационной стойкости равноценной испытуемому топливу.

Примерно определить октановое число можно, специализированным прибором - октанометром, он дает погрешность в октановых числах на 5-10 единиц. Поэтому, проще говоря, проверить качество бензина нет никакой возможности без лабараторных исследований. 
В лабаратории октановое число определяют двумя способами:
- моторный (MON);
- исследовательский (RON).
После исследований получаются примерно следующие показатели сведенные в таблице ниже

Исследовательский  Моторный  Октановый индекс  Торговое название
метод   метод
А-80     A-76     78       Стандарт
АИ-91   A-82,4      86,7         Регуляр
АИ-92    A-83     87,5        Регуляр
АИ-95    A-85   89        Регуляр
АИ-93    A-87        91        Премиум
АИ-98    A-89      93,5      Супер
Но в  США октановое число заменяется на так называемый октановый индекс, представляющий собой среднеарифметическое составляющее октановых чисел, полученных по моторному и исследовательскому методу для данного топлива. А вот в Японии для обозначения марок бензина используют только исследовательский метод. На наших АЗС также декларируется именно октановое число, полученное по исследовательскому методу.

Различают моторный и исследовательский методы определения октанового числа.

Для определения ОЧ моторным методом используют одноци­линдровую установку ИТ9-2М, позволяющую проводить испыта­ния топлива с переменной степенью сжатия от 4 до 10. Эталонное топливо (смесь изооктана и нормального гептана в определенном соотношении) имеет октановое число от 0 до 100. Причем ОЧ изо­октана — углеводорода парафинового ряда изомерного строения, отличающегося высокой детонационной стойкостью (он начина­ет детонировать только при очень высокой степени сжатия), при­нято за 100, а ОЧ сильно детонирующего гептана С7Н16 — угле­водорода парафинового ряда нормального строения принято за нуль.

Моторный метод имитирует работу двигателя на форсирован­ных режимах при достаточно больших и длительных нагрузках, характерных для междугородного движения (при частоте враще­ния вала 900 об/мин и подогреве рабочей смеси до 150 °С).

Октановое число бензина определяют следующим образом. При работе на испытуемом бензине изменением степени сжатия двигателя добиваются появления детонации определенной силы. Затем подбирают такую эталонную смесь углеводородов, которая при этой же степени сжатия детонирует с той же силой, что и испытуемый бензин. Процентное содержание изооктана в такой смеси численно принимается за октановое число испытуемого бензина.
Для определения детонационной стойкости бензина исследо­вательским методом используют установку ИТ9-6 и имитируют режим работы легкового автомобиля при его движении в условиях города (при частоте вращения вала 600 об/мин и без подогрева рабочей смеси).

Универсальная установка УИТ-65 служит для одновременного определения октанового числа по моторному методу (ОЧМ) и ис­следовательскому (ОЧМ), разность между которыми называют чув­ствительностью бензина. Эта величина составляет от 2 до 12 и ха­рактеризует возможные отклонения детонационной стойкости бен­зина в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определяе­мой лабораторными методами.

В последние годы стали использовать так называемое дорожное октановое число (ДОЧ), которое определяют методом дорожных детонационных испытаний и которое наиболее точно характери­зует эксплуатационные свойства высокооктановых бензинов.

ДОЧ бензинов, в ряде случаев существенно отличающееся от ОЧМ и ОЧИ, определяют с помощью специального автомобиля. Организация таких испытаний сложна, так как при этом жестко регламентируются дорожные и метеорологиче­ские условия, поэтому они в основном проводятся летом и обыч­но только при отработке конструкций автомобильных двигателей новых моделей.

Методы повышения октанового числа

Существуют следующие методы повышения детонационной стойкости (октанового числа) бензинов: воздействие на их хими­ческий состав; добавление в базовые бензины до 40 % высокоокта­новых компонентов, синтезированных из газообразных углеводо­родов; введение небольшого количества специальных присадок — антидетонаторов, увеличивающих содержание ароматических и изопарафиновых углеводородов.

Воздействие на химический состав возможно в результате при­менения современных технологий получения топлив — каталити­ческого крекинга и риформинга.

В качестве высокооктанового компонента бензинов применяется метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Введение МТБЭ в бензин в коли­честве 11 % позволяет получить неэтилированный бензин АИ-93 с вовлечением в него до 15...20 % низкооктановых компонентов.

Самым известным и эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) — РЬ(С2Н5)4, который представляет со­бой тяжелую маслянистую бесцветную и очень ядовитую жидкость. Введение ТЭС в количестве 0,3 % повышает октановое число бен­зина на 15...20 единиц, что в 600 раз больше, чем при добавлении такого же количества высокооктанового углеводорода бензола.

Так как при сгорании ТЭС до 10 % окислов свинца оседает на деталях камеры сгорания, что может нарушить работу свечей зажигания, вместе с ним в бензин вводят выносители — бромистые органические соединения, образующие летучий бромистый сви­ней РЬВг2, который на 97% удаляется из двигателя. Смесь ТЭС с выносителем называется этиловой жидкостью. В настоящее вре­мя в нашей стране ее концентрация в автомобильных бензинах достигает 0,01...0,05%.

Бензины, содержащие этиловую жидкость, окрашены. Однако при небольшом ее содержании окраска очень бледная и не всегда может быть обнаружена.

В качестве заменителя ТЭС предложено и применяется за рубе­жом органическое соединение на основе марганца — ЦТМ. По своим антидетонационным свойствам ЦТМ не уступает ТЭС, но по токсичности оно не опаснее обычных неэтилированных бензи­нов. Недостатком его является интенсивное образование окиси марганца на электродах свечей, приводящее к замыканию искрового промежутка и, следовательно, к остановке двигателя.

Одним из средств повышения октанового числа топлива явля­ется добавление в него до 2 % ароматических аминов. Например, высокоэффективной добавкой к бензину является экстралин.

Применяемый в качестве антидетонационной присадки экстра­лин, представляющий собой смесь производных ароматических соединений, хорошо смешивается с бензином. Смеси, содержа­щие до 4 % экстралина, при хранении не расслаиваются, не за­мерзают до —60 °С и имеют значительно повышенное октановое число.

Вопрос 7. Стабильность бензинов – физическая и химическая.

Физическая стабильность

Наиболее глубокие изменения свойств бензина возможны в результате двух физических процессов: нарушения однородности бензина вследствие выпадения кристаллов высокоплавких углево­дородов и испарения его легких фракций.

Кристаллизация углеводородов в стандартных отечественных автомобильных бензинах происходит при очень низких температу­рах (ниже — 60 °С), поэтому при их использовании возможна экс­плуатация автомобилей в суровых зимних условиях без нарушения работы двигателей и систем питания.

При транспортировке и хранении бензина происходит испаре­ние легких фракций, ухудшающее пусковые свойства бензина. Потери от испарения влияют на начальные точки разгонки бензи­на, его октановое число и особенно сильно на давление насыщен­ных паров, которое при испарении 3...4% бензина может сни­зиться в 2... 2,5 раза.

Химическая стабильность

Изменение свойств бензина может произойти и вследствие хи­мических превращений его компонентов и в первую очередь в результате окисления непредельных углеводородов, образующих смолы при длительном хранении бензина. По мере испарения бензина смолы оседают на деталях карбюратора и впускной сис­темы двигателя. В небольших количествах они также проникают и в камеру сгорания, где вместе с несгоревшим топливом и маслом образуют нагар, оказывающий вредное влияние на работу двига­теля.

Склонность топлив к окислению и смолообразованию при их длительном хранении характеризуется индукционным периодом — временем (выраженным в минутах), в течение которого испытуе­мый бензин в среде чистого кислорода появлением 0,7 МПа и  при температуре 100 °С практически не подвергается окислению. Чем больше индукционный период, тем стабильнее бензин и тем дольше его можно хранить (от 6 мес. до 6 лет в зависимости от климатических условий и тары, в которой он хранится). Индук­ционный период обычных отечественных бензинов составляет 600...900 мин, а бензинов со знаком качества — 1200 мин.

Прибор для определения индукционного периода топлива пред­ставлен на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Прибор для определения индукционного периода топлива:

1 — трубка для подачи кислорода; 2 —

стакан с бензином; 3 — вода; 4 —

электропечь; 5 — манометр

Рис. 2.6. Прибор для определения содержания фактических смол:

1 — железный сосуд; 2, 3 — карманы

для установки стаканов; 4 — медный

змеевик

Степень осмоления бензинов определяется содержанием в них фактических смол, т. е. всех смолообразующих продуктов, оста­ющихся в стеклянном стакане после полного испарения из него в струе воздуха 25 мл испытуемого бензина.

ГОСТами нормируется содержание в бензине фактических смол и на месте его производства, и на месте потребления. Прибор для определения содержания фактических смол показан на рис. 2.6.

В качестве присадок к автомобильным бензинам, препятству­ющих их осмолению, используют древесно-смольный антиокис­литель в количестве 0,050...0,015 % и антиокислитель ФЧ-16 в ко­личестве 0,03...0,10 %.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10