Материал: 2254

Рис. 4.9. Схема детонационного сгорания топлива:

1 – воспламенение смеси искрой свечи; 2 – фронт горения; 3 – сгоревшая смесь; 4 – несгоревшая смесь; 5 – места повышенной концентрации перекисей;

6 – очаг самовоспламенения; 7 – образование детонационной волны; 8 – детонационная волна; 9 – отраженные волны

Перекиси накапливаются в несгоревшей части рабочей смеси и при достижении критической концентрации распадаются с сопровождением взрыва и выделением большого количества теплоты, активизируя всю рабочую смесь.

Детонация – процесс очень быстрого завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью.

При детонации резко повышается температура в камере сгорания, что приводит к прогоранию поршней и выпускных клапанов, перегреву и выходу из строя свечей, а при длительной интенсивной детонации – к выходу из строя двигателя.

Внешним признаком детонации является чёрный дым. Его причи-

на заключается в забросе несгоревшего топлива в зону горения, где нет кислорода. При детонации ударная волна отражается от стенок цилиндра с частотой 2000 – 3000 Гц, при этом возникают металлические стуки. Давление в цилиндре резко повышается, мощность двигателя падает. Для устранения детонации зажигание устанавливают позже. В современных автомобилях это выполняется автоматически.

В блоке цилиндров установлен датчик с пьезокерамическим чувствительным элементом (рис. 4.10), на обкладках которого при детонации (резонансе) появляется напряжение. При появлении детонации сигнал с датчика передается на электронный блок управления двигателем, кото-

~31 ~

рый позже подает напряжение на первичную обмотку катушки зажигания. Вторичное напряжение (25 – 30 тыс. В) катушки зажигания позже подается на электроды свечи. Угол опережения зажигания уменьшается, что снижает давление, температуру в камере сгорания и детонацию.

Рис. 4.10. Устройство и крепление широкополосного датчика детонации

Широкополосный датчик детонации представляет собой два корпуса

– металлический (внутренний) и пластиковый (внешний), между которыми находится пьезокерамический чувствительный элемент и инерционная масса, повышающая чувствительность. Между инерционной массой и пьезоэлементом, а также пьезоэлементом и внутренним корпусом имеется контактная шайба, защищающая от ударных нагрузок. Пьезоэлемент имеет выход к электрическому разъему датчика детонации. Вся эта конструкция через тарельчатую пружину соединена с внешним пластиковым корпусом, который крепится к блоку цилиндров двигателя при помощи болта.

Пьезо – слово греческое и означает «давлю». Известной областью применения пьезоэлементов являются датчики давления. При действии давления или вибрации на пьезоэлемент на его обкладках возникает разность потенциалов, которую можно измерить. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (датчики давления, датчики детонации).

В пьезоэлектрическом преобразователе активными элементами является пластина, изготовленная из природного кварца. Возможно приме-

~32 ~

нение пьезокерамического материала, например ЦТБС-8 (цирконат ZrO2, титанат бария BaTiO3, окись свинца PbO). Широкое применение нашли титанат бария BaTiO3, титанат бария и кальция с добавкой кобальта (ТБК-3), титанат бария, кальция и свинца (ТБКС).

Контрольные вопросы и задания

1.Укажите главные эксплуатационные требования к бензинам.

2.Как протекает процесс сгорания бензина?

3.Поясните составляющие формулы (4.1), по которой определяют теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1кг бензина.

4.Что называют жесткостью процесса сгорания, определите её среднюю величину по анализу индикаторной диаграммы (см. рис. 4.5).

5.Что называют детонационным сгоранием бензина?

6.Укажите основные причины детонации.

7.Устройство и принцип работы датчика детонации.

~33 ~

5. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

Процесс сгорания топлива у дизеля условно разбивают на четыре фа-

зы (рис. 5.1): 1) индукционный период (период задержки воспламене-

ния, от точки 1 до точки 2); 2) период резкого нарастания давления

(фаза быстрого сгорания, от 2 до 3); 3) период основного горения (от 3

до 4); 4) период догорания [1].

Рис. 5.1. Осциллограммы перемещения иглы А, линии сжатия В, давления С и температуры в цилиндре D:

1 – начало подачи топлива; 1 –2 – индукционный период; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия; 2–3 – резкое нарастание давления в цилиндре;

3 – максимальное давление в цилиндре;

3–4 – период основного горения;

4 – максимальная температура в цилиндре;

4–5 – линия догорания топлива

Индукционный период начинается от момента впрыска топлива до начала горения. Период резкого нарастания давления наблюдается от начала горения до максимального значения давления в цилиндре.

Период основного горения продолжается от максимального давления до максимальной температуры в цилиндре двигателя. Процесс сго-

~34 ~

рания в цилиндре начинается при постоянном объеме, завершается при постоянном давлении.

Периодом задержки воспламенения называется время от начала поступления топлива в камеру сгорания (начало подъема иглы форсунки) до момента, когда в результате химических реакций количество теплоты будет достаточно для прогрева, испарения и воспламенения топлива.

Можно считать, что период индукции состоит из двух фаз. Первая фаза называется физической. В продолжительность первой фазы входит период продвижения и распыливания топливного факела в объеме КС, прогрев, испарение капель топлива, смешение паров топлива с воздухом и возникновения оптимальных условий для начала реакций. Вторую фазу назовем химической. Эта фаза связана с временем, в течение которого реакция в зоне с оптимальными условиями (необходимой температурой и давлением) приводит к появлению очага пламени (тепловой взрыв).

Чем больше скорость химической реакции, тем меньше период задержки воспламенения i или интервал времени от момента впрыска топлива в нагретый воздух до момента появления пламени. Период задержки воспламенения можно приближенно определить по формуле (5.1), используя результаты исследования академика Н.Н. Семенова [9]:

где В – постоянный множитель, зависящий от свойств топлива (цетанового числа) и состава горючей смеси, например 300 для ЦЧ = 50; Р – давление в цилиндре на такте сжатия в момент начала подачи топлива, Н/м2; m – порядок реакции (1 – 3); Е– энергия активации, равная (20 – 40) 104 Дж/моль, необходимая для преодоления разрыва межмолекулярных связей и замещения их новыми; R – универсальная газовая постоянная, которая равна 8,314 Дж/(моль К); Т – температура воздуха в момент подачи распыленного топлива в камеру сгорания, К; e – основание натурального логарифма (2,71).

Для Е = 38 000 Дж/моль, Р = 7·106 Па, Т= 700 К, В = 300, m=1,2. Ве-

личина τi определена по формуле (5.1) и равна 0,0012 с.

В табл. 5.1 показано расчетное значение i при переменной величине давления в конце такта сжатия Рс (МПа), постоянном множителе В = 300 и при температуре Тс = 700 К. Значение В соответствовало цетановому числу дизельного топлива, равному 45 – 55.

~35 ~