Автомобильные двигатели вырабатывают энергию при сгорании топлива.
Для этого требуется два условия. Кислород из воздуха, и тепло для того, чтобы начать процесс сгорания. Тепло в бензиновых двигателях (также называемых двигателями Отто) исходит от свечи зажигания, которая производит искру (тепло). При начале процесса сгорания, пламя распространяется от свечи зажигания со скоростью примерно 30 м/с. Весь процесс сгорания продолжается примерно 2 м/с (2/1000 с).
Для наиболее эффективного сгорания, требуется ряд условий, включая: - Правильное соотношение между топливом и воздухом.
-Правильное соотношение между топливом и воздухом.
-Искрение в нужное время.
-Чтобы топливо было тонко распылено и хорошо смешано с воздухом.
Для этого требуется не только совершенная топливная система и система зажигания, а также оптимальная конструкция впускных и выпускных каналов, клапанов (включая люфт), распределительных валов, камеры сгорания, и т.д.
Максимальная температура при сгорании: примерно 2500°С
Максимальное давление при сгорании: примерно 60 бар
Разница между сгоранием и взрывом
Сгорание происходит со скоростью примерно 15-30 м/с.
Взрывы происходят со скоростью примерно 300 м/с.
Сколько потребляется воздуха?
Бензин состоит главным образом из различных углеводородов (HC), а кислород, требуемый для их сжигания, берется из воздуха.
Теоретически, для полного сжигания 1 кг бензина требуется примерно 14 кг сухого воздуха. Точное количество требуемого воздуха варьируется в зависимости от качества воздуха.
Коэффициент воздуха λ
Если при сгорании, количество подаваемого воздуха равно теоретическим требованиям, коэффицент воздуха равен 1. Коэффицент воздуха обозначается греческой буквой λ (лямбда).
14 кг (подаваемая масса воздуха), делённые на 14 кг (теоретическая потребность) = 1,00 ⇒ λ (коэффицент воздуха) = 1
При работе со слишком малым количеством подаваемого воздуха (богатая смесь) λ будет меньше 1. При слишком большом количестве подаваемого воздуха (более бедная смесь) λ будет больше 1.
При полном сгорании, остаточными продуктами будут только (H2O) и двуокись углерода (CO2). К сожалению, автомобильный двигатель не является идеальным механизмом и поэтому, всегда остается немного кислорода и топлива, которые полностью или частично несожжены.
Кроме этого, в определенных обстоятельствах, как например при запуске двигателя, при полностью открытой дроссельной заслонке (WOT), при ускорении, коэффицент должен отклоняться от идеала (λ = 1).
Из чего состоят бензин и воздух?
В массовом процентном соотношении бензин состоит из 84% C (углерод) и 14,8% H2 (водород). Остальными сотавляющими являются кислород и азот.
Сухой воздух при нормальном давлении состоит в объемном процентном соотношении из 78% N2 (азот), 21% O2 кислорода, 0,92 аргона и других инертных газов и 0,03% CO2 (двуокись углерода).
При нормальном давлении, 14 кг сухого воздуха соответствует примерно 12200 dm³ (л) если температура составляет примерно +20 °С (1,15 г/л).
Когда настройка зажигания является наилучшей?
Настройка зажигания является наилучшей, когда рабочая отдача топливовоздушной смеси является наивысшей.
Для извлечения максимального количества энергии, давление сгорания должно быть максимальным сразу после верхней мертвой точки (TDC) Это делается для того, чтобы использовать давление как можно больше перед тем, как угол между шатуном и рычагом коленчатого вала достигает 90°. После угла в 90°, угол снова уменьшается, и это означает, что извлеченная энергия теряется.
Так как сгорание всегда занимает определенное время, смесь должна воспламеняться перед достижением верхней мертвой точки (TDC) для того, чтобы дать давлению время для нарастания.
Почему требуются различные параметры настройки зажигания, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки?
Постоянная скорость сгорания
При одном и том же соотношении между воздухом и топливом в смеси, скорость сгорания (примерно 30м/с) и следовательно, время сгорания, (примерно 2 мс) являются постоянными.
Для более высокой частоты вращения коленчатого вала, требуется более раннее зажигание
Так как скорость/время сгорания являются в основном постоянными, сгорание должно начинаться раньше при более высоких частотах вращения коленчатого вала.
Это делается для того, чтобы было время для нарастания давления, и чтобы максимальное давление достигалось при правильном положении поршня.
В системах зажигания, управляемых прерывателем контакта это управляется центробежным регулятором(1).
При более высоких нагрузках, требуется более позднее зажигание
При высоких нагрузках (большая степень открытия дроссельной заслонки и низкая частота вращения коленчатого вала) в цилиндрах содержится большое количество топливовоздушной смеси. Это приводит к высокой степени сжатия.
Так как скорость/время сгорания являются в основном постоянными, сгорание должно начинаться позже при высоких нагрузках. В противном случае, высокая степень сжатия и большое количество воспламеняемой смеси приведет к тому, что давление сгорания будет слишком большим слишком рано.
На системах зажигания управляемых прерывателем контакта это управляется вакуумным регулятором (2).
Предварительно запрограммированные значения в модуле управления
В электронных системах все функции управления выполняются модулем управления (3). В нем содержатся предварительно запрограммированные значения, что обеспечивает точное управление. Дополнительным преимуществом электронной системы является то, что на положение зажигания могут повлиять несколько факторов, например, температура охлаждающей жидкости двигателя (ECT).
Когда настройка зажигания является правильной?
Правильная настройка зажигания (А)
Заданного значения не существует. Оно изменяется, в зависимости, например, от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, соотношения топлива к воздуху и температуры.
При выборе параметров настройки зажигания, следует принимать во внимание желаемое управление, конструкцию камеры сгорания, характеристики регулировки холостого хода, состояние двигателя и положения, касающиеся выброса выхлопных газов.
При обсуждении правильной настройки зажигания (А), имеется в виду такая настройка зажигания, при которой принимаются во внимание все факторы, на которые воздействует зажигание. Она является также компромиссом между потребностью в высоком напряжении, малом расходе топлива и наиболее чистым уровнем выбросов выхлопных газов.
Раннее зажигание (В)
Приводит к более высокой температуре сгорания, но более низкой температуре выхлопных газов.
Температура сгорания увеличивается, так как давление сгорания выше при раннем зажигании. Температура выхлопных газов падает, так как сгорание было закончено за более длительный срок прежде, чем открылись выпускные клапаны. Больше энергии в топливе используется для механической работы и меньше энергии теряется в виде тепловых потерь. В общем, преследуется цель регулирования зажигания таким образом, чтобы оно происходило как можно раньше, принимая в то же время во внимание нагрузку и частоту вращения коленчатого вала.
Однако, слишком раннее зажигание приводит к слишком высокому давлению сгорания и слишком высокой температуре сгорания. Это также увеличивает риск самовоспламенения, иными словами, в двигателе происходит детонация.Более того, выпуск выхлопных газов подвергается отрицательному воздействию, и существует опасность повреждения двигателя.
Позднее зажигание (С)
Приводит к более низкой температуре сгорания, но более высокой температуре выхлопных газов. Температура сгорания будет ниже, так как давление сгорания ниже. Это происходит потому, что больше энергии выпускается тогда, когда поршень полностью опущен вниз. Увеличение температуры выхлопных газов происходит от того, что сгорание завершается ближе к отверстию выпускного клапана, отчего достигается меньшая механическая эффективность. В результате, больше энергии преобразуется в тепло.
Запаздывающее зажигание приводит к малой мощности, так как увеличение давление происходит слишком поздно. Поэтому, энергетический содержание топлива плохо используется. Кроме этого, выброс выхлопных газов подвергается отрицательному воздействию, и увеличивается расход топлива.
Используются разные выражения для описания параметров настройки зажигания
Раннее зажигание = Увеличение зажигания = Увеличенное опережение зажигания = Зажигание происходит тогда когда поршень находится дальше от верхней мертвой точки (TDC).
Позднее зажигание = Снижение зажигания = Уменьшенное опережение зажигания = Зажигание происходит тогда, когда поршень находится ближе к верхней мертвой точке (TDC).
Что такое детонация?
Процесс сгорания обычно распространяется от свечи зажигания со скоростью примерно 30 м/с.
В некоторых случаях может случаться самовоспламенение в определенных частях топливовоздушной смеси. Самовоспламенение не является сгоранием. Это - взрыв, который случается со скоростью выше 300 м/с. В результате самовоспламенения, два или больше фронта горения распространяются по камере сгорания. Детонация (жесткий металлический звук) является последствием столкновений различных фронтов горения.
Последствия детонации
Последствием детонации является черезвычайно быстрое и мощное увеличение давления и температуры. Серия детонаций опасна для двигателя. Однако, единичная детонация обычно безвредна.
Различные типы детонации
Самовоспламенение может случаться до или после того, как свеча зажигания дала искру.
После получения искры (А)
-При распространении фронта горения от свечи зажигания, температура и давление увеличиваются. Это может вызвать самовоспламенение в другой части топливовоздушной смеси. Это иногда называется "детонацией сжатия" или "детонацией зажигания".
Перед получением искры (В)
-При распространении фронта горения от свечи зажигания, температура и давление увеличиваются. Это может вызвать самовоспламенение в другой части топливовоздушной смеси. Это иногда называется "детонацией сжатия" или "детонацией зажигания".
Как нейтрализовать детонацию?
В принципе, это может произойти двумя путями
-Более позднее зажигание, которое приводит к меньшему давлению и температуре сгорания.
-Более богатая топливовоздушная смесь, которая приводит к более низкой температуре сгорания, так как топливо охлаждается.
Некоторые возможные причины детонации
-Преждевременное зажигание. Приводит к увеличению давления сгорания и увеличению температуры.
-Топливо со слишком низким октановым числом. Уровень октана является показателем возможности топлива сопротивляться самовоспламенению.
-Слишком мало топлива (бедная топливовоздушная смесь). Приводит к высокой температуре сгорания. Может вызываться, например, низким давлением топлива, заблокированным топливным фильтром, нарушениями в обогащении смеси во время ускорения или при широко открытой дроссельной заслонке (WOT), или при просачивании воздуха в системе впуска топлива.
-Плохое распределение топлива. Если топливо смешивается с воздухом неэффективно, температура может увеличиться в некоторых участках топливовоздушной смеси. Это может быть вызвано плохим вихреобразованием. Причиной этого могут быть, например, отложения в или на форсунках или накопление углерода на клапанах или в камере сгорания.
-Неисправные или сработавшиеся свечи зажигания. В случае неправильного теплового диапазона или покрытия, свечи зажигания могут стать слишком горячими. По мере ухудшения состояния свечи зажигания, расстояния между электродами увеличиваются. В этом случае, для получения искры требуется более высокое напряжение. Это может повлиять на параметры настройки зажигания.
Свечи зажигания должны быть способны выдерживать высокие нагрузки
Свечи зажигания должны быть способны выдерживать быстрые изменения давления и температуры, которые происходят в камере сгорания. Во время фазы сжатия температура может подняться до 2500°С, и давление может достичь 60 бар. Вскоре после этого, во время фазы впуска есть небольшое отрицательное давление, и свечи зажигания входят в соприкосновение с топливовоздушной смесью. Температура топливовоздушной смеси может быть очень близкой к наружной температуре.
Правильная рабочая температура
Температура свечи зажигания должна быть примерно 400 °C. Это нужно для получения эффекта самоочищения, при котором сгорает накопившийся углерод.
Максимальная температура не должна превышать примерно 850 °C для того, чтобы свеча зажигания не вызывала самовоспламенение.
Избыток тепла должен быть отведен от свечи зажигания. Иллюстрация А показывает принцип, по которому должен отводиться избыток тепла. Примерно 17% тепла должно направляться в окружающий воздух, 63% должно отводиться на компоненты и примерно 20% выводится в камеру сгорания. Для достижения этого, черезвычайно важно, чтобы свеча зажигания была затянута правильным моментом затяжки, и чтобы все прокладки были в хорошем состоянии.
Правильная теплоустойчивость
Теплоустойчивость указывает на уровень тепла, который может выдерживать свеча зажигания не перегреваясь, и не вызывая самовоспламенения.
Свечи зажигания выпускаются с различными уровнями теплоустойчивости. Они предназначены для различных типов двигателей и условий работы, для того, чтобы они работали при правильной рабочей температуре.
Горячие свечи (B) имеют длинную изоляционную стойку, которая поглащает большое количество тепла. Они имеют малый коэффицент теплообмена.
Холодные свечи (С) имеют короткую изоляционную стойку, которая поглащает малое количество тепла. Они имеют хорошие теплообменные свойства.
Нарушения в системе зажигания
При функционировании системы зажигания, искры вырабатываются в роторе и свечах зажигания. Это вызывает пиковые значения напряжения (импульсы помех), которые отскакивают обратно в систему. Они могут, например, вызвать нарушения в приеме радиосигнала.
Ранее использовались кабели зажигания с сопротивлением для гашения этих импульсов помех. В настоящее время, использование роторов и свечей зажигания со встроенным сопротивлением является обычным. Причиной этого является то, что помехи должны гаситься как можно ближе к их источнику.
Свечи зажигания (D) со встроенным сопротивлением обычно имеют букву "R" в обозначении типа.
Система зажигания должна быть способна
Для того, чтобы дать общее описание того, каких параметров должна достигать современная система зажигания, приводится ряд примеров с цифрами. Заметьте, что цифровые показатели являются только приблизительными.
-Производит 25 искр в секунду для каждого цилиндра при 6000 rpm.
-Вырабатывает максимальное напряжение выше 30кВ (30 000 В).
-Передает искру к свече зажигания за 0,033 - 0,005 секунды.
-Вырабатывает максимальное напряжение за 0,020 - 0,004 секунды. Действительное время пребывания искры на свечах зажигания составляет 0,00300 - 0,00047 секунды. |
