Рабочая (горючая) смесь

Эта статья относится только к бензиновым двигателям. Процесс и особенности смесеобразования в дизелях описаны на соответствующей странице в этом разделе.

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.

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.

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.