Калильное зажигание
В двигателях с высокой степенью сжатия иногда возникает так называемое калильное зажигание или воспламенение смеси от нагретых поверхностей.
Калильное зажигание – неуправляемое воспламенение топливовоздушной смеси под воздействием раскалённого тела. В зависимости от инициатора воспламенения различают:
– зажигание тлеющим нагаром;
– зажигание перегретыми деталями.
Наиболее характерным проявлением калильного зажигания является неравномерная, рывками работа двигателя после выключения зажигания. Калильное воспламенение смеси при работе двигателя вызывает преждевременное возгорание рабочей смеси в процессе такта сжатия. Неуправляемое развитие процесса горения приводит к негативным последствиям:
– появлению стука;
– нарушению плавного хода работы двигателя;
– перегреву двигателя;
– снижению мощности двигателя;
– возникновению детонации;
– износу и разрушению деталей цилиндро-поршневой группы при интенсивном калильном зажигании.
Зажигание тлеющим нагаром – происходит в основном при переходе двигателя с режима малых нагрузок, способствующих накоплению нагара в камере сгорания, на режим высоких нагрузок, при которых удаляется нагар. Отделяющиеся тлеющие частицы нагара являются источниками воспламенения смеси. Зажигание тлеющим нагаром длится несколько десятков секунд, в течение которых происходит выгорание нагара. Такое зажигание взаимосвязано с детонацией. Детонационные волны механически снимают нагар со стенок камеры сгорания, вызывая этим калильное зажигание. При этом вследствие увеличения количества очагов воспламенения и горения, скорость сгорания смеси также увеличивается. Детонация прекращается по окончании выноса частиц нагара из камеры сгорания. Интенсивность калильного зажигания увеличивается при наличии в нагаре окислов металлов, например входящих в состав антидетонаторов.
Калильное зажигание перегретыми деталями отличается от зажигания тлеющим нагаром, имеющего временный характер. Зажигание перегретыми деталями характеризуется прогрессивным самоувеличением по причине повышения температуры газа в цилиндре и увеличения продолжительности пребывания деталей при высоких температурах.
Обычно источником такого зажигания являются центральные электроды и юбки изоляторов свечей зажигания.
Для борьбы с неуправляемым воспламенением за рубежом применяются антикалильные присадки на основе фосфоросодержащих соединений. Их используют главным образом в этилированных бензинах. Действие этих присадок связано с их реакцией с продуктами сгорания тетраэтилсвинца (антидетонационной присадки) и образованием фосфатов свинца, имеющих более высокую температуру воспламенения (активного «зажигания») по сравнению с окислами свинца [1].
Конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на процесс сгорания
Влияние любого фактора связано, прежде всего, с изменением температуры, давления, состава бензовоздушной смеси, гидродинамических характеристик среды, времени развития всего процесса и отдельных его стадий.
Рассмотрим основные факторы.
1. С увеличением степени сжатия возрастают термический, индикаторный и эффективный КПД, а вместе с этим и мощность двигателя. Однако при этом повышаются температура и давление топливовоздушной смеси. Это способствует возникновению детонации при применении бензинов с недостаточной детонационной стойкостью. Степень сжатия – основной фактор, влияющий на возникновение детонации.
2. Форма камеры сгорания и расположение в ней свечи обуславливают характер изменения поверхности фронта пламени и его распространение, т. е. скорость горения. Для создания условий нормального сгорания начальные стадии горения необходимо осуществлять в наиболее нагретой части камеры сгорания, а завершаться процесс должен в наименее нагретой зоне.
3. Увеличение геометрических размеров камеры сгорания способствует детонационному сгоранию. Это обусловлено недостаточным охлаждением сжатой смеси на периферии камеры. Кроме того, увеличивается длина пути фронта пламени от свечи до отдельных участков камеры сгорания. В целях сокращения длины пути фронта пламени в ряде двигателей вместо одной устанавливают две свечи зажигания в разные места камеры сгорания.
4. Теплопроводность материала камеры сгорания и эффективность работы системы охлаждения оказывают влияние на отвод тепла и, соответственно, на температуру газов в цилиндре двигателя. Применение материалов с высокой теплопроводностью позволяет уменьшить склонность бензинов к детонационному сгоранию и увеличить степень сжатия топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя.
5. Наиболее нагретой деталью в головке блока цилиндров является выпускной клапан, температура которого может достигать 750…800 °С. Влияние выпускного клапана на образование перекисей, а следовательно, и детонацию существенно. На двигателе ЗИЛ-130 для снижения температурного режима выпускной клапан, он имеет натриевое наполнение.
6. Теплопроводность нагара на поршне и головке цилиндра примерно в 50 раз меньше теплопроводности металла. Вследствие перегрева поршня и головки блока температура в камере сгорания повышается. При сильном нагарообразовании уменьшается объём камеры сгорания, т. е. увеличивается степень сжатия. Всё это способствует образованию перекисей, увеличивая детонацию. Такое же влияние оказывает отложение накипи на стенках рубашки охлаждения.
7. С увеличением угла опережения зажигания максимальное давление при сгорании увеличивается, а максимум давления в камере сгорания приближается к ВМТ, что улучшает мощностные характеристики двигателя. Горение начинается при более низких температурах и давлении, но заканчивается при более высоких, что способствует возникновению детонации. Чем больше угол опережения зажигания, тем вероятнее детонационное сгорание смеси. Одним из способов борьбы с детонацией является уменьшение угла опережения зажигания. Однако при слишком позднем зажигании сильно увеличиваются температура и давление газов в цилиндре к моменту открытия выпускных клапанов (третья фаза сгорания). Это приводит к перегреву выпускного коллектора, падению мощности и экономичности двигателя.
8. Коэффициент
избытка воздуха оказывает влияние на
скорость сгорания рабочей смеси и
количество выделяющегося при этом
тепла. Максимальная мощность двигателя
достигается при
.
Дальнейшее обогащение рабочей смеси
снижает мощность двигателя, но одновременно
уменьшает интенсивность детонации. При
достигается максимальная температура
газов в цилиндре двигателя, т. е. наибольшая
опасность возникно-вения детонации.
9. С повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя усиливается турбулентность среды, повышается содержание продуктов сгорания в рабочей смеси, уменьшается время, отводимое на процесс сгорания. Всё это уменьшает детонацию, несмотря на некоторое повышение температуры и давления рабочей смеси.
10. Влияние атмосферных условий на процесс горения существенно. Изменение атмосферного давления и влажности воздуха вызывает соответствующие изменения давления и влажности смеси, поступающей в цилиндры. Повышение атмосферного давления увеличивает детонацию и наоборот. С повышением влажности воздуха уменьшается давление сухого воздуха, поступающего в двигатель, и возрастает количество водяного пара в рабочей смеси. Опыт показывает, что увеличение влажности воздуха в значительной степени уменьшает интенсивность детонации [5].
Всё вышеизложенное позволяет сформулировать требования к качеству автомобильных бензинов:
– оптимальные антидетонационные свойства на бедных и богатых смесях при различных режимах работы двигателя;
– хорошая испаряемость, обеспечивающая:
а) лёгкий пуск двигателя при низких температурах без последующего образования паровых пробок;
б) быстрый прогрев и высокую приемистость (резкий переход от низких на высокие обороты);
в) полноту сгорания.
– надёжная прокачиваемость в различных условиях эксплуатации, отсутствие выделяемой твёрдой фазы при низких температурах;
– высокая стабильность физико-химических свойств при хранении и применении;
– отсутствие склонности к образованию отложений в системе питания двигателя;
– нейтральность к конструкционным материалам бензинов и продуктов их сгорания;
– безопасность в обращении;
– экологичность;
– дешевизна и широкая сырьевая база;
– цветовая индикация ядовитых присадок.