Требования к составу горючей смеси на различных режимах работы двигателя

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.

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.

ГЛАВА 6. ГОРЮЧЕЕ И СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Главная / Издания / Литература / Книжная полка / А. Агатов. Подвесные лодочные моторы
Топливо и его сгорание.
В двигателях подвесных моторов используются для приготовления горючей смеси исключи­тельно легкие жидкие топлива, т. е. легкие фракции нефти,— газолин, бензин, керосин; или легкие фракции каменного угля —бензол, толуол; или различные спирты; или, нако­нец, смеси их друг с другом в известной пропорции.

Главными требованиями, предъявляемыми к топливу, яв­ляются: 1) высокая теплотворная способность; 2) хорошие пусковые качества, зависимые от испаряемости; 3) высокая температура самовоспламенения; 4) высокие противовзрывные (антидетонационные) свойства; 5) отсутствие примесей, способствующих отложению на стенках нагара; 6) физико-химическая однородность и стабильность.

Одним из основных видов горючего для двигателей подвесных моторов, отвечающим указанным требованиям, яв­ляется бензин.

Двигатели, работающие на легких топливах, носят наименование легких двигателей

. К ним относятся и под­весные моторы, которые работают на бензинах марок А-66, А-70, А-74 (ГОСТ 2084—46).

Для спортивных двигателей чаще применяются автомо­бильные бензины 1-го сорта и авиабензины марок Б-70, Б-74 и Б-78, допускающие повышенные степени сжатия.

На спортивных соревнованиях часто прибегают к топлив­ным смесям, в которые, помимо бензина, в значительных количествах входят бензол и толуол.

Нередко для подвесных моторов применяют как топливо спирт. Спирт допускает повышенную степень сжатия.

Для полного сжигания одного килограмма бензина теоре­тически требуется затратить около 15 кг воздуха. Такая смесь носит название «нормальной». Однако она не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям. Наибольшая мощность получается на обогащенных смесях, т. е. когда на 1 весовую часть топлива дается меньше воздуха, чем при нормальной смеси. Но такая мощность неэкономична и приво­дит к перерасходам топлива. При составе топлива с возду­хом в пропорции 1 : 6 смесь вообще перестает гореть. При неполной нагрузке и малом числе оборотов следует перехо­дить на обедненные смеси, когда отношение топлива к воз­духу доводится до 1 : 16 — 1 : 17; сверх 1 : 17 смесь становит­ся переобедненной и мощность сильно снижается, двигатель начинает работать с перебоями и перегревается из-за мед­ленного горения смеси и догорания ее на выпуске. При от­ношении топлива к воздуху в пропорции 1 :21 горючая смесь перестает гореть.

На разных режимах работы двигателя должен приме­няться наиболее соответствующий состав рабочей смеси: при полной нагрузке — обогащенный, на средних и малых — обедненный. При прогреве двигателя и при запуске следует всегда работать на обогащенной смеси, так как часть бензи­на в холодном двигателе не будет успевать испаряться и полностью сгорать. При прогретом двигателе на холостом ходу надо для получения устойчивой работы при минимально малых числах оборотов применять тоже обогащенную смесь, дросселируя заряд.

Самовоспламенение смеси и детонация в двигателе. Мы уже говорили о преимуществах работы двигателя при высо­ких степенях сжатия.

Сжатие смеси в цилиндре обычно в зависимости от сорта бензина доводят до давления 7—9 атм, что поднимает темпе­ратуру свежего заряда примерно до 600—650°. Более высо­кие температуры для обычного бензина уже дают самовоспламенение рабочего заряда, т. е. вспышку горючей смеси в цилиндре значительно раньше проскакивания искры в свече цилиндра.

Самовоспламенение происходит только в перегретом дви­гателе, при скорости распространения пламени в цилиндре, равной примерно 30—40 м/сек, т. е скоростях горения нор­мальной смеси при воспламенении ее от искры.

Самовоспламенение происходит всегда до ВМТ. Оно со­провождается глухими ударами в ВМТ, жесткой работой и затем резкой остановкой двигателя. Если выключить зажига­ние, то при самовоспламенении двигатель до остановки спо­собен еще дать несколько хлопков.

Детонация, наоборот, возможна и в неперегретом двига­теле. Она является следствием распространения пламени с чрезвычайно большой скоростью, порядка 2500—4000 м/сек (скорость взрывной волны). Сущность детонации заклю­чается в том, что при наличии высоких температур, а глав­ным образом больших давлений, молекулы водорода топли­ва, соединившись с молекулами кислорода воздуха, дают новое химическое соединение — «пероксиды», очень нестой­кое взрывчатое вещество. Детонирующий газ при сгорании волнами, ударяясь о стенки цилиндра и поршня, создает большие местные давления, нарушающие плавную работу двигателя. Детонация сопровождается резким металличе­ским стуком из-за вибрации стенок цилиндра и кривошипно­го механизма, не похожим на стуки от самовоспламенения. Оставшийся после сгорания пероксидов углерод не сгорает полностью ввиду недостатка кислорода, ушедшего на обра­зование пероксидов, и выбрасывается из выпускной трубы в виде сажи; при этом происходит повышенная отдача тепла от газа в стенки цилиндра и поршень. Двигатель в результа­те всего перегревается, расход топлива повышается, а мощ­ность падает. Следствием перегрева и высоких давлений де­тонации являются выгорание поршня, трещины в головке и на днище поршня, разрушение изоляции свечей, подгорание электродов свечей и высокий износ двигателя.

Детонацию можно устранить отчасти обогащением смеси, т. е. за счет увеличения расхода топлива, уменьшением опе­режения зажигания, дросселированием двигателя, снижением нагрузки. Основной мерой борьбы с детонацией является под­бор топлива, менее детонирующего.

Система питания.

Система питания подвесного мотора со­стоит из бензинового бака, бензокраника с отстойником и фильтром, бензопроводной трубки и карбюратора со всасы­вающим патрубком и воздушным фильтром.

Бензобак

(рис. 28). Назначение бензобака — питать дви­гатель топливом во время работы и хранить во время рейса судна топливо в пути. Для легкости бензобак изготовляется из листовой стали или алюминиевого сплава АМЦ. Послед­ний ставится на наших отечественных моторах ЛММ-6 и ЛМР-6. Объем его 8 л. Такого объема горючего обычно хва­тает на работу двигателя в течение 1,5—2 часов.

Вверху для заливки бензина приварена горловина 1 с на­винчивающейся на нее крышкой 3 и уплотняющим коль­цом 2, не позволяющим выливаться бензину через резьбу. В середине пробки 5 установлен запорный клапан с конусом а, прижатым пружиной к своему седлу, чтобы во время стоян­ки, при запрокинутом моторе, бензин не мог выливаться. Во время работы этот клапан приподнимают и поворачивают на 90°. Клапан опирается шпилькой 4 на торец пробки, которая держит его открытым в течение всего времени работы двига­теля, вследствие чего внутренняя полость бака сообщается с атмосферным воздухом и убыль бензина не отражается на давлении внутри бака.

Чтобы при заправке мотора бензином на воде не уронить крышку в воду, ее снабжают цепочкой с разжимной шпиль­кой 7.

Рис. 28. Бензиновый бак мотора ЛМР-6: 1 — горловина; 2 — уплотняющее кольцо; 3 — крышка; 4 — шпилька; 5 — проб­ка; 6 — запорный клапан; 7 — разжимная шпилька; 8 — ребра; 9 — штуцер; 10 — бензокраник; 11 — фильтр; 12 — отстойник; 13 — рукоятка крана; 14 — кран; 15 — ручка; а — кснус запорного крана; б — сверление к отстойнику и фильтру; в — перепускное отверстие крана; г — канал, подающий бензин из бака к крану

Снизу к баку приваривается штуцер 9 под бензокраник 10. Последний снабжается краном 14 с рукояткой 13 для по­ворота крана в положение «3» — закрыто, «О» — открыто, «Р» — резерв. При «О» — открыто кран сообщает бак со сверлением б, подающим бензин к отстойнику и фильтру. В низу крана помещаются отстойник 12 и фильтр 11.

Бензокраник сообщается с карбюратором посредством бензостойкой резиновой трубки.

Бак к двигателю крепится у моторов ЛММ-6 и ЛМР-6 че­тырьмя болтами или заклепками к ребрам 8, приваренным к баку.

К баку приварена ручка 15, помогающая переноске и ус­тановке мотора на судно; при помощи ручки поворачивают мотор при заправке и при заднем ходе; она служит опорой. когда мотор кладут на землю.

Карбюратор и карбюрация.

Процесс образования рабочей смеси носит название карбюрации, а прибор, подготов­ляющий горючую смесь и регулирующий состав ее, называет­ся карбюратором. Правильно построенный карбюратор должен автоматически смешивать пары бензина с воздухом в необходимой пропорции, приготовляя горючую смесь нужного состава для разных режимов работы.

В настоящее время применяются карбюраторы, построен­ные исключительно на пульверизационном (распыливающем) принципе.

Поскольку работа двигателя на судне происходит почти всегда на одном, наивыгоднейшем режиме (этого требует и КПД гребного винта), то для подвесных моторов предпочи­тают применять простейший карбюратор в противополож­ность автомобильным, мотоциклетным и другим транспорт­ным двигателям, работающим на переменных режимах и на­грузках.

На наших отечественных моторах ЛММ-6 и ЛМР-6 при­меняется карбюратор типа К-30, модеонизированный, выпу­скаемый ленинградским карбюраторным . Его конструкция изображена на рис. 29.

Основными деталями его являются: корпус карбюратора, содержащий в себе поплавковую камеру а и смесительную камеру б; патрубки входа и выхода воздуха и каналы для прохода бензина; крышка поплавковой камеры с бензоприемником 14 и утолителем 13; золотник с дозирующей иглой 9 и регулировочной рейкой 11; зубчатый сектор управления ре­гулировкой 12 с рукояткой; воздухоприемник с колпаком 15, регулятором подачи воздуха 16 и металлическим воздушным фильтром е; поплавок 6 с запорной иглой; жиклер 7; пробка-отстойник 8.

Принцип работы карбюратора заключается в следующем: топливо из бензобака по бензостойкой резиновой трубке, через бензоприемник с узким каналом поступает в поплавковую камеру а и заполняет ее. Когда бензин достигает в поплав­ковой камере определенного уровня, игла 5 поплавка закры­вает канал и доступ бензина в поплавковую камеру прекращается.

Рис. 29. Карбюратор типа К-30 : 1 — воздухоприемник; 2 — рейка; 3 — крышка смесительной камеры; 4 — зо­лотник; 5 — запорная игла; 6 — поплавок; 7 — жиклер; 8 — пробка жиклера; 9 — дозирующая игла; 10 — корпус карбюратора; 11 — регулировочная рей­ка; 12 — зубчатый сектор; 13 — утолитель; 14 — бензоприемник; 15 — колпак; 16 — регулятор подачи воздуха; а — поплавковая камера; б — смеситель­ная камера; в — диффузор; г — впускное окно регулятора; д — впускное окно воздухоприемника; е — фильтр воздуха

Из поплавковой камеры топливо поступает в смеси­тельную камеру через жиклер. В смесительной камере поме­щается золотник с дозирующей иглой. В золотнике спереди сделан вырез в, играющий роль диффузора. Перед диффузо­ром помещаются воздухоприемник 1 и колпак 15. Последний предохраняет смесительную камеру от попадания в нее брызг воды. С колпаком жестко скреплен регулятор воздуха. Пово­ротом колпака от руки поворачивается регулятор воздуха, перекрывая впускные окна гид. Воздух проходит фильтр е, поступает в диффузор в, распыливает вытекающий через жиклер бензин, образуя горючую смесь. Смесь под влиянием разрежения через всасывающий патрубок, а затем через вса­сывающие окна поступает в картер.

Регулировка количества и качества смеси производится поворотом зубчатого сектора с рукояткой, связанного с зуб­чатым зацеплением с цилиндрической рейкой, ввернутой на резьбе в золотник. Поднятием золотника и одновременно иглы регулируется количество поступающих в мотор воздуха и топлива.

Для обогащения смеси при запуске на крышке поплавко­вой камеры поставлен утолитель, нажимом на который углуб­ляют поплавок и тем открывают доступ для добавочной порции бензина в поплавковую камеру, благодаря чему уровень в последней поднимается. От высоты уровня бензина в по­плавковой камере и скорости струи воздуха, проходящего около жиклера, в основном зависит количество поступающе­го под распыл в смесительную камеру топлива, чем и дости­гается обогащение смеси. Увеличивая или уменьшая посту­пление готовой смеси в цилиндр способом большего или мень­шего открытия золотника, мы влияем на число оборотов и мощность двигателя. Одним из основных требований к кар­бюратору является поддержание постоянства состава рабочей смеси на всех режимах работы двигателя, что достигается регулировкой открытия золотника совместно с дозирующей иглой. Игла регулируется так, что каждому поднятию золот­ника соответствует своя скорость истечения бензина, обеспе­чивающая нормальный состав рабочей смеси на всех режи­мах работы двигателя.

Регулятор воздуха позволяет менять в ту или другую сто­рону установленную качественную регулировку смеси, делая ее более богатой или более бедной по усмотрению водителя.

Вперед Оглавление Назад

Влияние нарушения состава рабочей смеси на работу двигателя

Неисправности системы питания заключаются в образовании смеси несоответствующего качества и повышенном расходе топлива. К наиболее часто встречающимся неисправностям системы питания относится образование богатой или бедной горючей смеси.

Богатая рабочая смесь обладает пониженной скоростью горения и вызывает перегрев двигателя, работа его при этом сопровождается резкими хлопками в глушителе. Хлопки появляются в результате неполного сгорания смеси в цилиндре (не хватает кислорода воздуха), и догорание ее происходит в глушителе, сопровождающееся черным дымом.

Длительная работа двигателя на богатой смеси приводит к перерасходу топлива и большому отложению нагара на стенках камеры сгорания и электродах свечей зажигания. Образованию богатой горючей смеси способствует уменьшение количества поступающего воздуха или увеличение количества поступающего топлива.

Бедная горючая смесь также обладает пониженной скоростью сгорания, двигатель перегревается, и его работа сопровождается резкими хлопками во впускном трубопроводе. Хлопки появляются в результате того, что смесь еще догорает в цилиндре, когда уже открыт впускной клапан и пламя распространяется во впускной трубопровод.

Длительная работа двигателя на бедной смеси также вызывает перерасход топлива вследствие того, что мощность двигателя в этом случае падает и чаще приходится пользоваться пониженными передачами. Образованию бедной горючей смеси способствует либо уменьшение количества поступающего топлива, либо увеличение количества поступающего воздуха.

Рабочая смесь ДВС

Само название ДВС — двигатель ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ — намекает на то, что чего-то там горит. И горит, конечно, не само топливо, а лишь его пары, смешанные с воздухом. Такую смесь обычно называют рабочей. Горение этой смеси имеет особенность — она сгорает, значительно увеличиваясь в объеме, создавая, так сказать, ударную волну для поршней цилиндров.

За создание рабочей смеси отвечает карбюратор или инжектор соответственно, в зависимости от типа двигателя.

Детонация и самовоспламенение

При нормальных условиях сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя происходит со скоростью 25-30 м/сек и давление в цилиндре нарастает плавно. Двигатель работает в нормальном тепловом режиме, без стуков и отказов.

При применении топлива более низкого качества, перегреве двигателя, установке очень раннего момента воспламенения смесь начинает гореть со скоростью, доходящей до 2000 м/сек. Такое взрывное сгорание смеси называется детонацией. При детонационном сгорании давление в отдельных частях цилиндра резко возрастает, появляются металлические стуки, мощность двигателя падает, появляется черный дым из глушителя. Наиболее вредно явление детонации сказывается на состоянии деталей кривошипно-шатунного механизма, где возможно разрушение отдельных деталей.

Склонность топлива к детонации условно оценивают октановым числом. Чем выше октановое число, тем топливо меньше склонно к детонации. Бензин с более высоким октановым числом применяют для двигателей с более высокой степенью сжатия.

Детонационное сгорание смеси иногда ошибочно путают с самовоспламенением или калильным зажиганием. Самовоспламенение может наступить в цилиндрах перегретого двигателя в тот момент, когда электрическая искра еще не поступила в цилиндр, а также при воспламенении от раскаленных частиц нагара или электродов свечи. Как в том, так и в другом случае смесь горит с нормальной скоростью. Обычно это явление наблюдается при выключении зажигания, когда двигатель еще продолжает некоторое время работать.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

• Поршень в цилиндре движется вниз.
• Открывается впускной клапан.
• В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
• Поршень поднимается.
• Выпускной клапан закрывается.
• Поршень сжимает воздух.
• Поршень доходит до верхней мертвой точки.
• Срабатывает свеча зажигания.
• Открывается выпускной клапан.
• Поршень начинает двигаться вверх.
• Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно!

Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE.

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.

Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

• Такт выпуска.
• Такт сжатия воздуха.
• Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
• Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.

Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

• Поршень двигается снизу-вверх.
• В камеру сгорания поступает топливо.
• Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
• Возникает компрессия. (давление).
• Возникает искра.
• Топливо загорается.
• Поршень продвигается вниз.
• Открывается доступ к выпускному коллектору.
• Из цилиндра выходят продукты сгорания.