Двигатель SI особенности конструкции агрегата

Конструкция камеры сгорания двигателя SI (Spark Ignition — искровое зажигание), как показала практика, оказывает значимое влияние на характеристики агрегата и склонность такового к детонации. Особенности дизайна это форма камеры сгорания, расположение свечей зажигания, расположение впускных и выпускных клапанов. Важными требованиями к той же камере сгорания, что имеет двигатель SI, являются плавная работа агрегата, высокая тепловая эффективность, высокая выходная мощность при минимальном октановом числе топлива.

Рассмотрение отдельных факторов работы

Целью любой конструкции двигателя является плавная работа и выраженная экономичность использования. Как показывает практика на двигатель SI, достигается это вполне очевидными моментами. Умеренная скорость повышения давления, ограничение скорости роста давления, а также положение пикового давления по отношению к ВМТ (Верхняя Мёртвая Точка) влияет на плавность работы системы.

Уменьшение дефекта стука достигается сокращением расстояния распространения пламени за счёт центрального расположения свечи зажигания, а также за счёт исключения очагов застойного заряда. Удовлетворительное охлаждение области свечи зажигания и выпускного клапана являются источником горячих точек для большинства камер сгорания.

Снижение температуры последней порции заряда достигается за счёт применения высокого отношения поверхности к объёму в той части, где сгорает последняя порция топливной смеси. Для достижения высокой скорости фронта пламени необходима высокая степень турбулентности. Турбулентность вызвана конфигурацией входного потока (хлюпаньем).

Хлюпанье — быстрое радиальное движение газа, застрявшего между поршнем и головкой цилиндра, внутрь камеры или под купол. Дефект хлюпанье проявляется в двигателях с искровым зажиганием по причине наличия чаши в поршне или куполообразной головки блока цилиндров.

Высокая объёмная эффективность (больше заряда во время такта всасывания) приводит к увеличению выходной мощности. Этого можно достичь за счёт обеспечения достаточного зазора вокруг головок клапанов, применения клапанов большого диаметра и прямых проходов с минимальным перепадом давления.

Двигатель SI типичное исполнение камеры сгорания

Список камер сгорания для конструкций двигателя SI, характеризуемых конструктивно типичным исполнением, содержит четыре позиции:

• Т-образная камера сгорания,
• L-образная камера сгорания,
• I-образная камера сгорания,
• камера с двутавровым (боковым) клапаном,
• F-образная камера сгорания.

Камеры сгорания, дополненные Т-образной головкой, применялись на ранней стадии разработки такого рода агрегатов. Поскольку расстояние поперёк камеры сгорания очень велико, в двигателях этого типа отмечается высокая склонность к детонации.

Эта конфигурация обеспечивает два клапана с каждой стороны цилиндра, что требует двух распределительных валов. С производственной точки зрения, наличие двух распределительных валов является недостатком системы.

Модификацией камеры сгорания с Т-образной головкой выступает камера сгорания, дополненная L-образной головкой. Здесь два клапана находятся на одной стороне цилиндра, и приводятся в действие одним распределительным валом.

Двутавровая или боковая камера сгорания отличается тем, что здесь оба клапана расположены на головке блока цилиндров. Двигатель с верхним расположением клапанов превосходит двигатель с боковым расположением клапанов или L-образным расположением клапанов при высокой степени сжатия. Некоторые из важных характеристик I-образной системы:

• меньшее отношение поверхности к объёму (меньшие потери тепла),
• меньшая длина пути пламени (большая свобода от детонации),
• более высокий объёмный КПД.

Камера сгорания с F-образной головкой представляет собой компромисс между L-образной и I-образной системой. Камеры сгорания, где один клапан находится в головке блока цилиндров, а другой в блоке цилиндров, известны как камеры сгорания с F-образной головкой.

Двигатель SI с головками разного исполнения (таблица)

Современные двигатели с головкой F-образного исполнения имеют выпускной клапан в головке и впускной клапан в блоке цилиндров. Основным недостатком этого типа системы является то, что впускной клапан и выпускной клапан приводятся в действие по отдельности двумя кулачками. Кулачки установлены на распределительных валах, приводимых в движение коленчатым валом через шестерни. Между тем, преимущества и недостатки всех отмеченных камер сгорания двигателя SI указаны в таблице ниже:

Этапы процесса сгорания двигателя SI

Для двигателя SI однородная смесь топлива воздуха и остаточных газов воспламеняется от одиночной интенсивной и высокотемпературной искры между электродами свечи зажигания (Т=> 10 000°C). Создаётся предварительное пламя, которое распространяется на оболочку смеси для сгорания. Сгорание в двигателе SI разделено на три стадии:

I. Задержка зажигания или фаза подготовки.

II. Распространение пламени.

III. Период после сжигания.

Стадия I — задержка зажигания или фаза подготовки, обеспечивает рост и развитие частично распространяющегося ядра пламени. Формируется химический процесс, зависящий от природы топлива, как от температуры, так и от давления, доли выхлопных газов, а также от температурного коэффициента топлива. То есть отношения окисления или горения.

Стадия II — распространение пламени. Период от точки, где линия сгорания отходит от линии сжатия, до точки где максимальный подъём давления. Пламя распространяется с постоянной скоростью. Теплопередача к стенке цилиндра низкая. Скорость тепловыделения зависит от интенсивности турбулентности и скорости реакции.

Стадия III — после прожига. От точки максимального подъёма давления тепловыделение происходит за счёт впрыска топлива во фронт редуцированного пламени после начала такта расширения. Конец второй стадии означает завершение движения пламени. Но это не приводит к полному выделению тепла (сгоранию топлива).

Даже после прохождения пламени некоторые химические изменения продолжаются на протяжении всего хода расширения – у стенок и за турбулентным фронтом пламени. Скорость горения снижается из-за уменьшения поверхности фронта пламени и уменьшения турбулентности.

Влияние переменных двигателя на задержку зажигания

Задержка зажигания — это химический процесс. Задержка зажигания по углу поворота коленчатого вала составляет от 10° до 20° в секунду (0,0015 секунды). Продолжительность задержки воспламенения зависит от топлива (от химической природы топлива). Чем выше температура самовоспламенения топлива, тем дольше задержка воспламенения.

Соотношение смеси. Задержка воспламенения наименьшая для соотношения смеси, при котором достигается максимальная температура. Это соотношение смеси несколько богаче стехиометрического соотношения. Увеличение температуры впуска, давления, степени сжатия и замедление искры — всё это уменьшает задержку зажигания.

Электродный зазор — влияет на формирование ядра пламени. Если зазор слишком мал, может произойти гашение ядра пламени, и диапазон соотношения топливо-воздух для развития ядра пламени будет меньше.

Турбулентность — измеряется степенью вращения коленчатого вала, задержка зажигания увеличивается почти линейно с частотой вращения двигателя. По этой причине возникает необходимость опережать момент зажигания на более высокой скорости.

Чрезмерная турбулентность смеси в районе свечи зажигания вредна, так как увеличивает теплоотдачу из зоны горения и приводит к неустойчивому развитию очага пламени. Так свеча зажигания обычно располагается в небольшом углублении в стенке камеры сгорания.

Влияние переменных двигателя SI на распространение пламени

Скорость распространения пламени влияет на процесс сгорания в двигателях SI. Более высокая эффективность сгорания и экономия топлива достигаются за счёт более высоких скоростей распространения пламени. Однако скорость пламени для большинства видов топлива колеблется от 10 до 30 м/с. Распространение пламени зависит от следующих факторов:

1. Соотношение воздух-топливо.
2. Степень сжатия.
3. Нагрузка на двигатель.
4. Турбулентность.
5. Частота вращения двигателя.
6. Объём двигателя.
7. Другие факторы.

Соотношение воздух-топливо

Плотность смеси влияет на скорость сгорания и количество выделяемого тепла. Максимальная скорость пламени для всех углеводородных топлив достигается при обогащении смеси почти на 10%. Скорость пламени снижается как на бедной, так и на очень богатой смеси.

Бедная смесь выделяет меньше тепла, что приводит к более низкой температуре пламени и более низкой скорости пламени. Очень богатая смесь приводит к неполному сгоранию, а также к меньшему выделению тепла, и скорость пламени остается низкой.

Степень сжатия

Более высокая степень сжатия увеличивает давление и температуру смеси, а также снижает концентрацию остаточных газов. Все эти факторы уменьшают задержку воспламенения и способствуют ускорению второй фазы горения. Максимальное давление цикла, а также среднее эффективное давление цикла при увеличении степени сжатия.

Логично влияние степени сжатия на давление (косвенно на скорость сгорания) в зависимости от угла поворота коленчатого вала для того же отношения A:F и того же угла опережения зажигания. Более высокая степень сжатия увеличивает отношение поверхности к объёму и тем самым увеличивает долю смеси, которая догорает в третьей фазе.

Нагрузка на двигатель SI

С увеличением нагрузки увеличивается давление цикла, а также увеличивается скорость пламени. В двигателе SI мощность, развиваемая двигателем, регулируется дросселированием. При меньшей нагрузке и большем дросселе начальное и конечное давление смеси после сжатия уменьшаются, а смесь также разбавляется большим количеством остаточных газов.

Это уменьшает распространение пламени и увеличивает задержку воспламенения. По этой причине механизм опережения также обеспечивается изменением нагрузки на двигатель. Эту трудность можно частично преодолеть, подавая богатую смесь при частичных нагрузках, но это определенно увеличивает вероятность дожигания.

Дожигание продлевается на более богатой смеси. Фактически, плохое сгорание при частичных нагрузках и необходимость обеспечения более богатой смеси являются основными недостатками двигателей SI, что приводит к перерасходу топлива и выбросу большого количества углерода с выхлопными газами.

Фактор турбулентности

Турбулентность играет очень важную роль при сгорании топлива, так как скорость пламени прямо пропорциональна турбулентности смеси. Это связано с тем, что турбулентность увеличивает коэффициент перемешивания и теплопередачи или скорость теплопередачи между сгоревшей и несгоревшей смесью.

Турбулентность смеси можно увеличить в конце сжатия за счёт соответствующей конструкции камеры сгорания (геометрия головки блока цилиндров и днища поршня). Недостаточная турбулентность обеспечивает низкую скорость пламени и неполное сгорание, а также снижает выходную мощность.

Но чрезмерная турбулентность также нежелательна, так как быстро увеличивает горение и приводит к детонации. Чрезмерная турбулентность приводит к охлаждению генерируемого пламени и уменьшению распространения пламени.

Всегда желательна умеренная турбулентность, поскольку таковая ускоряет химическую реакцию, уменьшает задержку воспламенения, увеличивает распространение пламени и даже позволяет эффективно гореть слабой смеси.

Скорость двигателя

Турбулентность смеси увеличивается с увеличением оборотов двигателя. По этой причине скорость пламени увеличивается почти линейно с частотой вращения двигателя. Если скорость двигателя удваивается, пламя, пересекающее камеру сгорания, уменьшается вдвое.

Достаточно удвоить исходную скорость и вдвое уменьшите исходное время, чтобы получить такое же число градусов поворота коленчатого вала для распространения пламени. Угол поворота коленчатого вала, необходимый для распространения пламени, являющегося основной фазой горения, будет оставаться практически постоянным на всех скоростях. Это важная характеристика всех бензиновых двигателей.

Объём двигателя

Двигатели аналогичной конструкции обычно работают с одинаковой частотой вращения поршня. Это достигается за счёт использования небольших двигателей с более высокими оборотами и более крупных двигателей с меньшими оборотами. Из-за одинаковой скорости поршня скорость на входе, степень турбулентности и скорость пламени почти одинаковы в аналогичных двигателях независимо от размера. Однако в малых двигателях путь пламени мал, а в больших двигателях большой.

Следовательно, если мощность двигателя SI удвоится, время, необходимое для распространения пламени по камере сгорания, также удвоится. Но при более низких оборотах больших двигателей время распространения пламени по кривошипу будет почти таким же, как и в малых двигателях.

Другими словами, число градусов поворота коленчатого вала, необходимое для перемещения пламени, будет примерно одинаковым, независимо от размера агрегата, при условии, что двигатели аналогичны.

Другие факторы рабочего процесса

Среди других факторов факторами, которые увеличивают скорость пламени, являются:

• наддув двигателя,
• момент зажигания,
• остаточные газы в конце такта выпуска.

Влажность воздуха также влияет на скорость пламени, но точное влияние неизвестно. В любом случае, влияние воздуха невелико по сравнению с соотношением A:F и турбулентностью.

Детонация или стук в двигателе SI

Детонация происходит из-за самовоспламенения концевой части несгоревшего заряда в камере сгорания. По мере распространения нормального пламени по камере давление и температура несгоревшего заряда увеличиваются за счет сжатия сгоревшей частью заряда.

Этот несгоревший сжатый заряд может самовозгораться при определенных температурных условиях и высвобождать энергию с очень высокой скоростью по сравнению с нормальным процессом сгорания в цилиндре.

Это быстрое выделение энергии во время самовоспламенения вызывает высокий перепад давления в камере сгорания, и из области самовоспламенения высвобождается волна высокого давления. Движение волн сжатия под высоким давлением внутри цилиндра вызывает вибрацию деталей двигателя и стук, известный как стук или детонация.

Эта частота давления или частота вибрации в двигателе SI может достигать 5000 циклов в секунду. Обозначение нежелательно, так как влияет на работу и срок службы двигателя, так как резко увеличивает резкое увеличение количества тепловой энергии. Это также накладывает ограничение на степень сжатия, при которой может работать двигатель SI, что напрямую влияет на эффективность и мощность двигателя.

Детонационный тип аномального горения

Горение с детонацией показывает — фронт пламени достигает одного уровня, тогда как несгоревший заряд достигает критических условий для самовоспламенения. В этом случае высока вероятность детонации. Если фронт пламени может пройти от уровня к уровню и поглотить несгоревший заряд обычным образом до завершения периода задержки воспламенения, детонации не будет.

Однако если фронт пламени может распространяться, скажем, до определённого уровня в течение периода задержки воспламенения, тогда оставшаяся часть несгоревшего заряда самовоспламеняется и вызывает экстремальные колебания давления от 50 АТИ до 150-200 АТИ.

Последствия детонации

Шум и вибрация: наличие вибраций вызывает колебания коленчатого вала, двигатель работает неровно.

Механические повреждения: на головке блока цилиндров и клапанах появляются изъязвления, может наблюдаться повышенный износ.

Углеродные отложения: детонация приводит к увеличению углеродистых отложений.

Повышение теплоотдачи: происходит за счёт смыва защитного слоя неактивного застойного газа со стенок цилиндра волнами давления.

Снижение выходной мощности и КПД: отмечается по причине увеличения скорости теплообмена. Снижается выходная мощность, а также КПД детонирующего двигателя.

Преждевременное зажигание: повышенная скорость теплопередачи к стенкам вызывает локальный перегрев свечи зажигания, что приводит к воспламенению заряда раньше искры, вызывая тем самым преждевременное зажигание.

Контроль детонации в двигателях SI

Контролируя отмеченные ниже параметры двигателя, допустимо контролировать детонацию:

• увеличение оборотов двигателя,
• замедление момента зажигания,
• снижение давления во впускном коллекторе дросселированием.
• снижение давления наддува,
• регулировка соотношения обогащения смеси.
• нагнетание воды.

Конструктивными особенностями допустимо уменьшить детонацию:

• использование низкой степени сжатия,
• наращивание турбулентности,
• перемещение свечей зажигания,
• использование двух или более свечей зажигания,
• применение конструкции камеры сгорания для уменьшения длины пламени и снижения температуры остаточного газа,
• применение высокооктанового топлива или добавление в бензин присадок.

---

При помощи информации: MechoMotive