Горение рабочей смеси в двигателе

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех основных этапов – тактов:

1. Впуск.

На этом такте происходит перемещение поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). Кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который в цилиндр всасывается новая горючая смесь.

2. Сжатие.

Поршень переходит в прежнее состояние (из НМТ в ВМТ), сжимая при этом рабочую смесь. Согласно термодинамике, температура рабочей смеси увеличивается. Степенью сжатия называется отношение рабочего объема цилиндра в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ. Это очень важный параметр, на практике, чем он больше, тем экономичнее двигатель. Однако и тут есть противоречия, для двигателей с высокой степенью сжатия требуется особенное топливо, с более высоким октановым числом, которое стоит дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня).

Перед завершением цикла сжатия смесь топлива и воздуха поджигается искрой от свечи зажигания. Топливо сгорает во время движения поршня из ВМТ в НМТ, образуется газ, который расширяется, толкая поршень. Углом опережения зажигания называется степень «недоворота» коленвала двигателя до ВМТ при поджигании смеси. Необходимость преждевременного зажигания обосновывается тем, что процесс воспламенения горючей смеси медленный относительно скорости работы поршневых систем двигателя. Только в том случае, когда основная масса топлива успеет воспламениться, польза от использования энергии сгоревшего топлива будет максимальной. Процесс сгорания топлива занимает фиксированное время, поэтому, при повышении оборотов двигателя, необходимо увеличивать угол опережения зажигания, для повышения эффективности работы двигателя. Раньше, в старых автомобилях, использовалось механическое устройство (центробежный и вакуумный регулятор, который воздействовал на прерыватель). Сейчас в автомобилях установлена электроника, которая отвечает за определение угла опережения зажигания, работающая по емкостному принципу.

4. Выпуск.

В последнем такте происходит вытеснение отработанных газов из цилиндра через выпускной клапан. Поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю, при достижении которой цикл начинается сначала. При этом совсем не необходимо, чтобы начало нового цикла совпадало с окончанием предыдущего. Положение, в котором открыты сразу два клапана: впускной и выпускной, называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров топливом, а также более качественной очистки цилиндров от продуктов сгорания.

Состав горючей смеси

Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха.

Рабочий процесс в цилиндрах бензинового двигателя протекает очень быстро, каждый такт в двигателе, работающим с числом оборотов коленчатого вала 2000 об/мин, совершается за 0,015 сек.

Горение жидкого топлива происходит относительно медленно, а необходимо, чтобы сгорание топлива в цилиндре происходило за более короткое время, чем совершается какой-либо такт. Повысить скорость сгорания до 25-30 м/сек можно лишь при том условии, если жидкое топливо будет размельчено на мельчайшие капельки, а затем испарено. Образование мельчайших капелек достигается распыливанием и испарением топлива, а быстрое сгорание происходит благодаря тщательному перемешиванию этих паров с необходимым количеством воздуха.

Для полного сгорания топлива необходимо строго определенное количество кислорода, находящегося в воздухе. Если воздуха будет недостаточно, то все топливо сгореть не сможет, при избытке воздуха топливо сгорает все, но еще остается неиспользованная часть кислорода в воздухе.

Установлено, что для сгорания 1 кг топлива необходимо иметь 15 кг воздуха. Смесь такого состава носит название нормальной (стехиометрической). Однако при соотношении 1:15 полного сгорания топлива не происходит и часть его бесцельно теряется.

Для полного сгорания соотношение топлива и воздуха должно быть 1:17 – 1:18, такая смесь носит название обедненной. Вследствие избытка воздуха в обедненной смеси понижается ее теплотворная способность, что приводит к понижению скорости сгорания и снижению мощности двигателя.

Для повышения мощности двигателя смесь должна гореть с наибольшей скоростью, а это возможно при соотношении топлива и воздуха 1:13, такая смесь называется обогащенной. При таком составе смеси полного сгорания топлива не происходит и экономичность двигателя ухудшается, зато удается получить от него наибольшую мощность.

При соотношении топлива и воздуха меньше 1:13 скорость горения уменьшается, экономичность двигателя и его мощность снижается. Смесь такого состава называют богатой. Если соотношение топлива и воздуха в смеси больше 1:18, скорость ее горения также резко снижается, что также приводит к потере экономичности и мощности. Смесь такого состава называется бедной.

Когда содержание воздуха в смеси менее 6 кг на 1 кг топлива или более 20 кг на 1 кг топлива, горючая смесь в цилиндрах не воспламеняется.

В работающем двигателе обычно различают пять основных режимов: пуск холодного двигателя, работа на малых оборотах (холостой ход), работа при частичных нагрузках (средние нагрузки), работа при полных нагрузках и работа при резком увеличении нагрузки или числа оборотов. Для каждого из режимов состав смеси должен быть разным.

При пуске холодного двигателя условия смесеобразования очень плохие: двигатель холодный, большая часть топлива конденсируется на стенках цилиндров и во впускном трубопроводе, а скорость потока воздуха невелика, так как коленчатый вал двигателя проворачивается с небольшим числом оборотов. Для обеспечения пуска холодного двигателя смесь должна быть богатой с тем, чтобы возместить ту часть топлива, которая конденсируется на стенках цилиндров.

При малых оборотах холостого хода условия смесеобразования также плохие вследствие недостаточной очистки цилиндров от отработавших газов. Количество смеси при этом режиме должно быть невелико, но по качественному составу она должна быть обогащенной.

При средних нагрузках от двигателя полной мощности не требуется и для экономии топлива смесь должна быть обедненной, т.е. такой, которая полностью сгорает.

При полных нагрузках смесь должна обладать наибольшей скоростью сгорания с тем, чтобы от двигателя получить наибольшую мощность. Этим условиям удовлетворяет обогащенная смесь, но при этом двигатель работает менее экономично, чем при средних нагрузках.

При резком увеличении нагрузки или числа оборотов коленчатого вала смесь должна быть обогащенной, в противном случае двигатель остановится.

Чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного

Характеристика	Четырехтактный двигатель	Двухтактный двигатель
Мощность	Меньшая мощность из-за большего количества тактов. Наддув дает дополнительную мощность.	При одинаковых оборотах, диаметре цилиндра и хода поршня мощность (теоретически) в 2 раза больше. На практике, из-за механических потерь – примерно в 1,5 раза.
Эксплуатационные качества	Больший эксплуатационный ресурс. Процесс ремонта может протекать сложнее, должен осуществляться с использованием сложного оборудования.	Простота конструкции, ремонта. Отсутствие сложных устройств: карбюратора, клапанов. Преимущество по показателю равномерности вращения коленвала. Меньший эксплуатационный ресурс из-за более высокой температурной нагрузки на поршневой механизм.
Экономичность	Низкий, по сравнению с двухтактным расход топлива и масла. Более высокие затраты на ремонт.	Высокие затраты мощности на продувочный насос, недостаточная очистка цилиндра от выхлопных газов. Минус – высокий расход топлива и масла, которое приходится заливать в топливо.
Вес	Больше двухтактного.	Меньший вес за счет отсутствия крупногабаритных сложных деталей.
Размер	Больше двухтактного.	Меньший размер за счет отсутствия крупногабаритных сложных деталей.
Цена	Выше двухтактного.	Ниже четырехтактного.
Сфера применения	Двигатели средней и большой мощности, в том числе стационарные. Используются как двигатель под инверторный генератор. Популярна их установка на снегоходы «Рысь» и «Тайга», мотороллеры «Муравей».	Плавсредства, сельскохозяйственная и мототехника, малолитражные автомобили.

Таким образом, четырехтактные двигатели дороже сопоставимых по объему двухтактных и сложнее в эксплуатации. В тоже время они имеют больший срок эксплуатации и более экономичны. Четырехцилиндровый 4 тактный двигатель часто ставится на автомобили и тракторы, на инвертор-генераторы.

Бедная и богатая ТВС, узлы и системы дозирования

Эмпирическая формула дает определение «нормальной» ТВС, как смеси 14,7 килограмм атмосферного воздуха и 1 килограмма жидкого топлива. Топливная смесь, количество воздуха в которой больше указанного в соотношении, называется бедной, и, соответственно, богатой, при меньшем количестве воздуха.

И хотя скорость холодного испарения может быть изменена на нефтеперерабатывающем заводе, это лишь слегка меняет ситуацию. Например, гоночный бензин имеет крайне плохое испарение на холоде и, скорее всего, не позволит двигателю работать. Для запуска холодного двигателя требуется значительно обогатить смесь; который называется дросселем. Без дросселя топливный заряд, который достигает цилиндров, будет слишком обедненным, чтобы загореться. Даже если двигатель запустился, до тех пор, пока не произойдет передача тепла, распределение топлива будет страдать из-за того, что бензин будет путаться в бегунах впускного коллектора.

бедная — воздуха > 14,7
богатая — воздуха

В двигателях внутреннего сгорания за приготовление и состав топливно-воздушной смеси отвечает карбюраторный узел, который в настоящее время практически вытеснен инжекторной системой впрыска. И одна, и другая система обеспечивает многообразие режимов работы ДВС за счет приготовления смеси с различным содержанием атмосферного воздуха.

Еще одна проблема — медленная скорость проворачивания двигателя во время запуска и чрезмерное трение, которое должно быть преодолено стартером. Когда впускной коллектор достаточно горячий для хорошего испарения топлива, функция дросселя должна быть сведена к нулю. Соотношение — части воздуха к одной части топлива. Когда число опускается ниже, на стандартное количество топлива поступает меньше воздуха. В стандартном карбюраторе нисходящего потока дроссель представляет собой просто бабочку или пластину, расположенную в воздушном рупоре.

Историческая справка.
Барботажный карбюратор – единственный в своем роде узел, позволявший приготовить идеальную топливно-воздушную смесь. Такая ТВС представляла собой смесь паров и атмосферного воздуха и позволяла достигнуть максимального КПД двигателя при минимальном расходе жидкого горючего. К сожалению, конструкция барботажного карбюратора была громоздкой и небезопасной в использовании, а отношение количества воздуха и паров топлива сильно зависело от температуры окружающей среды.

Когда он вызывается во время проворачивания, дроссель закрывается и выдает почти полный вакуум коллектора в бустерную трубку Вентури, забирая большое количество топлива через основную измерительную систему. Первые дроссельные системы были подключены водителем изнутри автомобиля. Расположенная на приборной панели ручка с надписью «дроссель» будет вытащена примерно на дюйм или около того, что закроет бабочку в карбюраторе, и оператор отрегулирует количество отверстий, чтобы обеспечить бесперебойную работу двигателя и разрешить движение автомобиля в то время как двигатель все еще был холодным.

Историческая справка.
После принятия свода норм и законов, известного как EURO 3 и регламентирующего содержание вредных для экологии веществ в выхлопных газах автомобилей, производители ДВС перешли на многоточечную инжекторную систему впрыска топлива. Каждая форсунка обслуживает «свой» цилиндр, а электронная дозирующая система подбирает необходимый состав смеси, который хоть незначительно, но отличается от цилиндра к цилиндру. На практике такое усложнение приводит к снижению надежности и усложнению ремонта в случае поломки.

Если бы смесь была слишком тощей, двигатель опустился бы, плюнул бы через карбюратор и, возможно, вспыхнул бы. По мере того, как тепло накапливалось, это была задача водителя медленно отменить дроссель, снова нажав ручку, позволяя карбюратору обеспечить нормальную смесь. Часто водитель забывал, и дроссель все равно слегка вызывался при полностью нагретом двигателе. Это вызовет чрезмерно богатую смесь, заглушает свечи зажигания, загрязняет смазочное масло бензином и создает чрезмерный углерод в цилиндрах, все время тратит впустую хорошее количество бензина.

Детонация в двигателе

Появление детонации происходит по следующей схеме. При распространении фронта пламени несгоревшая рабочая смесь подвергается сжатию: сгоревшие газы позади фронта пламени действуют на нее подобно поршню. Если при этом давление и температура превысят критические для данного топлива величины, создаются условия для самовоспламенения, которое называют детонационным. Его характерный признак — взрывная скорость распространения пламени. Принято считать, что это явление связано с образованием перекисей в каких-то участках камеры сгорания под действием высокого давления и температуры. Данный химический процесс требует определенного времени, поэтому, как правило, он происходит в зонах, наиболее удаленных от свечи и дольше всего подвергающихся действию сильного давления. Способствует этому и прогрев рабочей смеси горячими стенками камеры, что сильнее всего сказывается в узких щелях. Понятно также, что детонация тем вероятнее, чем выше степень сжатия. Когда часть заряда детонирует, образуются ударные волны, которые распространяются со скоростью до 1000 м/с и «бьют» в стенки камеры сгорания. Напрямую разрушить их они не могут, но передают часть своей кинетической энергии, вызывая местные перегревы и вибрацию. Если детонационное сгорание происходит достаточно долго, обгорают или разрушаются металлические детали, чаще всего поршень, свеча или клапан.

Детонация наиболее вероятна, когда двигатель работает с полностью открытой дроссельной заслонкой, а частота вращения коленчатого вала мала. В этом случае наполнение цилиндров свежей смесью максимальное, остаточных газов мало, а время, в течение которого отдаленные от свечи части заряда подвергаются воздействию давления и температуры, наиболее велико и достаточно для образования перекисей. Наглядное проявление этого положения знакомо каждому водителю. Если во время разгона с малой начальной скорости при полностью открытой дроссельной заслонке отчетливо слышны звонкие детонационные стуки, то это лишь вначале, а при достижении определенной скорости они пропадают. Или наоборот, когда автомобиль движется на подъем с замедлением (дроссельная заслонка опять-таки полностью открыта), то вначале детонации нет, а при падении скорости до какой-то величины она может появиться. В подобных случаях для прекращения стуков достаточно прикрыть дроссель (уменьшить наполнение цилиндров) или перейти на пониженную передачу (ускорить вращение коленчатого вала).

Характерными внешними признаками детонации являются повышенное дымление двигателя — черный дым из выхлопной трубы и падение его мощности из-за того, что горение протекает не лучшим образом.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ И СОСТАВ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ

СОСТАВ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ Для роботы двигателя внутреннего сгорания необходима смесь топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях топливо (бензин) смешивается с воздухом в определенной пропорции вне цилиндров и, частично испарившись, образует горючую смесь. Этот процесс называется карбюрацией, а прибор, приготавливающий такую смесь, — карбюратором. Смесь, пройдя по впускному трубопроводу, попадает в цилиндры двигателя, где смешивается с остатками горячих отработавших газов, образуя рабочую смесь. Частички распыленного топлива при этом испаряются. Для пуска двигателя и его работы на разных режимах, необходим различный состав горючей смеси. Поэтому карбюратор устроен так, что позволяет изменять количественное соотношение распыленного топлива и воздуха в смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Для полного сгорания 1 кг топлива необходимо около 15 кг воздуха. Топливовоздушная смесь в такой пропорции называется нормальной. Режим работы двигателя на этой смеси имеет удовлетворительные показатели по экономичности и развиваемой мощности. Незначительное увеличение количества воздуха в топливовоздушной смеси по сравнению с его нормальным содержанием (но не более 17 кг) приводит к обеднению смеси. На обедненной смеси двигатель работает в наиболее экономичном режиме, т.е. расход топлива на единицу розвиваемой мощности минимален. Полную мощность на такой смеси двигатель не разовьет.

При избытке воздуха (17 кг и более) образуется бедная смесь. Двигатель на такой смеси работает неустойчиво, при этом расход топливо но единицу вырабатываемой мощности возрастает. На смеси переобедненной, содержащей более 19 кг воздуха на 1кг топливо, работа двигателя невозможна, так как смесь не воспламеняется от искры. Небольшой недостаток воздуха в топливовоздушной смеси по сравнению с нормальным (от 15 до 13 кг) способствует образованию обогащенной смеси. Такая смесь позволяет двигателю развивать максимальную мощность при несколько повышенном расходе топлива. Если воздуха в смеси меньше 13 кг на 1 кг топлива, смесь богатая. Из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель на богатой смеси работает в неэкономичном режиме, с перебоями и при этом не развивает полной мощности. Переобогащенная смесь, содержащая менее 5 кг воздуха на 1 кг топлива, не воспламеняется — работа двигателя на ней невозможна. ПУСК ДВИГАТЕЛЯ При пуске холодного двигателя часть распыляемого топлива оседает на стенках впускного трубопровода, а часть испарившегося топлива, попав в цилиндры, конденсируется на стенках. К тому же при низкой температуре воздуха смесеобразование ухудшается, т. к. замедляется испарение бензина. Поэтому для пуска холодного двигателя необходимо, чтобы карбюратор приготовил переобогащенную топливовоздушную смесь. РАБОТА НА. ХОЛОСТОМ ХОДУ На холостом ходу частота вращения коленчатого вала двигателя невелика, а дроссельные заслонки карбюратора почти полностью закрыты. Из-за этого вентиляция цилиндров не столь эффективна, по сравнению с работой на средней и высокой частотах вращения коленчатого вала и мало количество горючей смеси, поступающей в двигатель. В рабочей смеси содержится большое количество отработавших (остаточных) газов. Поэтому для устойчивой работы двигателя на холостом ходу необходима обогащенная смесь. РЕЖИМ ЧАСТИЧНЫХ НАГРУЗОК На режиме частичных нагрузок от двигателя не требуется полная мощность. Дроссельные заслонки открыты неполностью, но вентиляция цилиндров хорошая. Поэтому на этом режиме достаточно обедненной горючей смеси. Соотношение развиваемой двигателем мощности к количеству потребляемого топлива позволяет считать режим частичных нагрузок самым экономичным. РЕЖИМ ПОЛНОЙ НАГРУЗКИ На режиме полной нагрузки от двигателя требуется максимальная или близкая к максимальной мощность. Двигатель при этом работает на высоких оборотах, а дроссельные заслонки полностью (или почти полностью) открыты. Для этого режима требуется обогащенная смесь, обладающая повышенной скоростью сгорания. РЕЖИМ РЕЗКОГО УВЕЛИЧЕНИЯ НАГРУЗКИ При работе двигателя в режиме резкого увеличения нагрузки, например при разгоне автомобиля, необходима обогащенная смесь. Но поскольку процесс смесеобразования обладает некоторой инертностью, чтобы предотвратить возникновение «провала» при наборе скорости, требуется дополнительное кратковременное обогащение горючей смеси. Для этого дополнительное топливо впрыскивается непосредственно в смесительную камеру карбюратора.

Источник

Состав горючей смеси

Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Переход двигателя на режим работы с использованием послойной смеси осуществляется при следующих условиях:

нагрузка и частота вращения двигателя соответствуют режимам, на которых эффективно использование послойного смесеобразования;
системой не зарегистрирована неисправность, из/за которой может повыситься выброс вредных веществ;
температура охлаждающей жидкости выше 50 °C,
датчик окислов азота исправен;
температура накопительного нейтрализатора находится в пределах от 250°C до 500°C. Если эти предпосылки выполнены, можно перейти на послойное смесеобразование.

Понижающие редукторы для четырехтактных двигателей

Понижающий редуктор – устройство, которое должно понижать скорость с высокой с низким крутящим моментом до низкой с высоким крутящим моментом. Особенно они актуальны для сельскохозяйственной и садовой техники.

Среди самых популярных брендов, которые производят такие двигатели, обычно мощностью порядка 15лс – японская «Хонда» и китайский «Лифан» (есть модели с вариатором, автоматическим сцеплением). Также популярен американский производитель Briggs & Stratton, его двигатели используются в газонокосилках (бензотриммерах). Среди популярных двигателей с редукторами – «Чемпион» и его аналог, «Патриот Гарден».

Система выпуска

Эта система была приспособлена к двигателю с непосредственным впрыском бензина. До настоящего времени система очисткиотработавших газов двигателей с непосредственном впрыском была проблематичной. Это связано с тем, что образующиеся при работе на бедных гомогенных и послойных смесях оксиды азота не могут быть восстановлены в обычных трехкомпонентных нейтрализаторах до уровня, допускаемого законодательством. Поэтому для двигателей с непосредственным впрыском бензина применяют накопительные нейтрализаторы, которые способны удерживать оксиды азота при работе на бедных смесях. При заполнениинейтрализатора до предела производится перевод его на режим регенерации, в процессе которого накопленные в нем оксиды азотавыводятся и восстанавливаются до азота.

Охлаждение отработавших газовОхлаждение отработавших газов применяется для того, чтобы поддерживать температуру в накопительном нейтрализаторе в диапазоне от 250 до 500 °C. Только в этом температурном диапазоне обеспечивается удерживание оксидов азота в накопительном нейтрализаторе. Накопительный нейтрализатор необходимо охлаждать также из-за снижения его аккумулирующей способности при перегреве до температур свыше 850 °C.

Охлаждение выпускного коллектораВ подкапотном пространстве предусмотрен воздуховод, который позволяет преднамеренно охлаждать выпускной коллектор направляемым на него потоком свежего воздуха и таким образом снижать температуру отработавших газов.

Раздвоенный выпускной трубопроводЭтот трубопровод расположен перед накопительным нейтрализатором. Его установка является вторым мероприятием поснижению температуры отработавших газов и соответственно накопительного нейтрализатора. Температура газов снижаетсяза счет увеличения теплоотдачи через развитую поверхность трубопровода.

При одновременном использовании обоих мероприятий удается снижать температуруотработавших газов на 30*100 °C в зависимости от скорости автомобиля.

Предварительный трехкомпонентный нейтрализатор.Этот нейтрализатор встроен в выпускной коллектор. Благодаря близости к двигателю он быстро прогревается до рабочей температуры, при которой начинается очистка отработавших газов. Благодаря этому могут быть выполнены жесткие нормы на выбросы вредных веществ.

НазначениеНейтрализатор служит для каталитического преобразования образующихся при сгорании вредных веществ в безвредные вещества.