ОСНОВНЫЕ НАРУШЕНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В БЕНЗИНОВОМ ДВИГАТЕЛЕ

Как известно, с повышением степени сжатия е рабочего тела в расши­рительной машине термический КПД цикла увеличивается. Увеличение
термического КПД цикла означает, что увеличивается доля тепловой энергии в общем ее количестве, преобразованной в механическую форму (работу). Таким образом, с ростом термического КПД положительный эффект цикла возрастает. Поэтому конструкторы ДВС стремятся в пре­делах возможного увеличить степень сжатия рабочего тела в цилиндре расширительной машины (двигателя). Однако, увеличение степени сжатия рабочего тела в цилиндре двигателя сверх некоторых пределов может при­водить к отрицательным последствиям при работе двигателя. В дизельных двигателях величина степени сжатия в основном ограничена величиной нагрузки на детали цилиндропоршневой группы. Чем больше степень сжатия, тем больше давление рабочего тела при сгорании топлива. Чем больше давление рабочего тела, тем большую силу оно прикладывает к поршню. При большой механической нагрузке и значительной темпе­ратуре поршень разрушается. Для предотвращения разрушения поршни дизельных двигателей изготавливают толстостенными, особенно в верхней части. Так как дизельное топливо сгорает относительно медленно, то это позволяет в дизельных двигателях реализовать большую степень сжатия, чем в бензиновых двигателях (примерно в 2 раза).

Как отмечалось ранее, при сгорании бензина могут наблюдаться взрыв­ные эффекты. Взрывное сгорание бензина приводит к разрушению деталей двигателя (прежде всего поршня). Поэтому в бензиновых двигателях сте­пень сжатия рабочего тела в цилиндре значительно меньше. Это обусловле­но в первую очередь склонностью бензина к взрывному (детонационному) сгоранию. Детонационное сгорание топлива сопровождается специфиче­ским стуком или гудящим звуком. Поэтому на практике при увеличении степени сжатия рабочего тела в бензиновом двигателе проводят комплекс мероприятий и по повышению антидетонационных свойств бензина.

Бензин представляет собой смесь углеводородов, которые сгорают неодинаково. Многие из этих углеводородов при сгорании образуют в качестве промежуточных перекисные соединения и продукты их распада — свободные радикалы. Все эти вещества очень нестойки, склонны к взрыву. При воспламенении горючей смеси от искры по цилиндру (рис. 10.2) идет фронт пламени, а в его верхней части накапливаются перекиси. При этом давление рабочего тела резко увеличивается из-за его нагрева, вызванного сгоранием топлива (бензина). В этом случае оставшаяся горючая смесь как бы сжимается. При сжатии ее температура еще больше повышается. И когда остается примерно 15… 20% несгоревшей смеси, происходит взрыв. Скорость распространения пламени при этом увеличивается в сотни раз — до 2500 м/с. Ударная волна многократно отражается от стенок цилиндра и от поршня, начинаются вибрации, в двигателе появляется характерный металлический стук. Это и есть детонация, опасная для бензинового дви­гателя. Показатели работы двигателя резко ухудшаются.

На практике стремятся повысить антидетонационные свойства бензина. При повышении антидетонационных свойств бензина представляется воз­можность увеличить степень сжатия рабочего тела в цилиндре двигателя. Термический КПД двигателя возрастет.

Для оценки антидетонационных свойств бензина применяется специ­альный относительный показатель, называемый октановым числом (ОЧ).

Решающее влияние на детонационные свойства бензина оказывает угле­водородный состав бензина. Детонационные свойства бензина оценивают сравнительным методом. Сущность этого метода заключается в следу­ющем. Товарный бензин испытывают в специальной одноцилиндровой установке для испытания топлива УИТ-65 (УИТ-85). Установка состоит из:

• одноцилиндрового двигателя с искровым зажиганием;

• асинхронного электродвигателя для пуска и поддержания постоянного числа оборотов коленчатого вала;

• систем, обеспечивающих работу двигателя и оценку детонационной стойкости бензина.

Для приготовления топливовоздушной смеси используется трехбачко — вый карбюратор, позволяющий попеременно работать на трех топливах.

Особенностью конструкции двигателя установки УИТ-65 (УИТ-85) яв­ляется возможность изменять степень сжатия во время работы за счет перемещения цилиндра над поршнем. Цилиндр 1 (рис. 10.32) выполнен за одно целое с головкой и водяной рубашкой 2 и имеет в нижней части резьбу, на которую навинчена гайка. Эта гайка может вращаться с помощью чер­вячного привода. При вращении гайки происходит перемещение цилиндра в вертикальном направлении, в результате чего изменяется степень сжатия. Верхняя часть корпуса двигателя разрезная и служит направляющей для цилиндра. Вращению цилиндра препятствует помещенная между направ­ляющей и цилиндром шпонка. В головке цилиндра установлены клапаны 4 с направляющими 3 и седлами 5. Для устранения влияния зазоров при перемещении цилиндра 1 (рис. 10.33) в вертикальном направлении меж­ду корпусом направляющей 2 и головкой цилиндра установлены четыре пружины. Во время работы цилиндр зажимается в корпусе при помощи кулачкового рычага 4- При изменении степени сжатия поднимают рычаг 4, ослабляя зажим цилиндра 1, и вращают рукоятку 5, соединенную с червяком, сцепленным с гайкой. После установления новой степени сжатия цилиндр 1 вновь зажимают в направляющей 2. Высота подъема цилиндра

1, а, следовательно, и степень сжатия измеряется индикатором 5. В специ­альное отверстие цилиндра ввернут датчик детонации (рис. 10.34), который состоит из магнитострикционного стержня 6, корпуса 5 с мембраной, кор­пуса 4 с ребрами охлаждения, контактной головки 5, грибка 1 и обмотки

2. Для создания постоянного магнитного поля корпус датчика выполнен из стали с большой коэрцитивной силой и намагничен. Мембрана датчика воспринимает импульсы ударов детонационной волны, колебания ее пере­даются магнитострикционному стержню 6 датчика, вызывая изменение его магнитного сопротивления постоянному магнитному потоку. В результате этого в обмотке 2 стержня 6 возникает напряжение. Импульсный сигнал с датчика детонации (рис. 10.34), амплитуда которого пропорциональная скорости нарастания давления в цилиндре двигателя, поступает на вход фильтра низкой частоты детонометра, где отфильтровываются высокоча­стотные составляющие сигнала, возникающие от вибрации стенок цилин­дра, стука клапанов и собственных колебаний стержня датчика.

Рис. 10.32. Цилиндр Рис. 10.33. Цилиндр Рис. 10.34. Датчик де- двигателя УИТ-85 установки УИТ-65 в тонации Сборе

Отфильтрованный сигнал датчика детонации поступает на предвари­тельный усилитель, который усиливает слабый сигнал до значения боль­шего, чем опорное напряжение ограничителя (около 15 В). Ограничитель пропускает только пик импульса, пропорциональный интенсивности дето­нации, который затем усиливается вторым усилителем.

Так как сигналы на выходе датчика детонации значительно отличаются друг от друга, то для оценки интенсивности детонации берут среднее значение ряда сигналов за определенное время. Эту функцию выполняет интегратор, на выходе которого получается постоянное напряжение, про­порциональное усредненному значению амплитуды сигналов.

После выполнения ряда подготовительных регулировочных и других ра­бот двигатель пускают на испытуемом бензине и изменяют степень сжатия до появления детонации. После этого двигатель переключают на работу на эталонном топливе, состоящем из двух индивидуальных углеводородов:

• изооктана C8Hi6;

• нормального гептана C7Hi6.

Изооктан представляет изомер октана. Октан имеет неразветвленную структуру и склонен к детонационному сгоранию. Изомер октана — изоок­тан, наоборот, имеет разветвленную структуру, а поэтому обладает сла­быми детонирующими свойствами. Нормальный гептан имеет неразветв­ленную структуру, а поэтому сильно склонен к детонационному сгоранию. Так как изооктан не склонен к детонации, то его детонационная стойкость условно принята за 100 единиц. Склонному к детонации нормальному
гептану приписана нулевая детонационная стойкость (0 единиц). Смесь в зависимости от концентрации этих углеводородов будет иметь детонаци­онную стойкость в пределах от 0 до 100 единиц. При работе двигателя на эталонном топливе изменяют их процентное содержание до появления такой же детонации, как и при работе на испытуемом топливе. Если в эталонном топливе в данном случае имеется 80% изооктана и 20% нормального гептана, то испытуемому бензину приписывается значение детонационной стойкости 80 единиц. Эту величину называют октановым числом.

Октановое число определяют по моторному или исследовательскому методу. При определении октанового числа по моторному методу (МОЧ) топливная смесь после карбюрации нагревается до 149°С, а частота вра­щения коленчатого вала выдерживается постоянной 900 мин""1. При опре­делении октанового числа по исследовательскому методу (ИОЧ) горючая смесь вообще не подогревается.

Строго говоря, наиболее точно октановое число можно определить, ис­пользуя оба метода, усредняя полученные значения: ОЧ = (МОЧ+ИОЧ)/2.

Запись марки бензина А-76 означает, что его октановое число равно 76 единиц. Этот бензин также детонирует, как и эталонное топливо, состоящее из смеси 76% изооктана и 24% нормального гептана. Октановое число бензина определено по моторному методу.

Запись марки бензина АИ-93 означает, что октановое число определено по исследовательскому методу.

Для повышения детонационной стойкости бензина применяют различ­ные антидетонирующие присадки. Эти присадки позволяют регулировать скорость горения бензина в цилиндре двигателя. Чаще всего в качестве таких присадок применяют тетраэтилсвинец (СН3СН2)4РЬ или тетраме — тилсвинец (СН3)4РЬ. При содержании одного из соединений свинца в количестве 2… 3 мл на 3.8 литра бензина его октановое число повышается на 10… 15 единиц.

Из-за вредности свинца для окружающей среды эти соединения для по­вышения детонационной стойкости бензина в настоящее время практически не применяются. Во многих странах их применение запрещено.

В настоящее время одним из самых прогрессивных направлений повы­шения детонационной стойкости бензина является изомеризация алканов, входящих в его состав. В этом случае углеводороды, входящие в состав бензина, имеют разветвленную структуру.

На рис. 10.5 показана структура изопентана, являющегося изомером пентана. Со вторым атомом углерода соединена группа СН3. Эта группа образована из метана СН4 путем изъятия одного атома водорода Н. В этом случае, по рекомендации Международного союза чистой и прикладной хи­мии (ИЮПАК), группу СНз называют метальной, так как она образована от метана. В изомерах могут быть и другие группы. Например, от одного из атомов алкана, входящего в состав бензина, может ответвляться группа С2Н5. Эта группа образуется из этана С2Н6 путем изъятия одного атома водорода. Эту группу называют этильной. В общем случае такие группы называют алкильными, так как они образуются из алканов путем изъятия одного атома водорода. Чем больше алкильных групп содержат алканы, входящие в состав бензина, тем большей детонационной стойкостью он обладает. В настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах приме­няются специальные установки по алкилированию бензинов. В этом случае можно увеличить детонационную стойкость бензина почти до 100 единиц.