Что называется фазами газораспределения
Система изменяемых фаз газораспределения. Часть 1. Теория впуска.
Системами изменяемых фаз газораспределения (VVT) оснащены практически все современные двигатели. Это вполне закономерно, VVT обеспечивает существенное улучшение характеристик ДВС, моментных, эксплуатационных, экологических.
Системой VVT управляет ЭБУ двигателя, задавая требуемое положение распредвалов в зависимости от оборотов и нагрузки на двигатель. При настройке VVT инженерам приходится решать задачи, зачастую противоречащие друг другу:
— обеспечить соответствие вредных выбросов нормам EURO;
— обеспечить максимально возможные крутящий момент и мощность;
— обеспечить топливную экономичность.
Экологические нормы в данном списке стоят на первом месте и все остальные требования зачастую приносятся в жертву экологии.
В русском интернете действительно полезных материалов, касающихся настройки VVT, практически нет. Можно обратить внимание на
— toyota-club.net/files/faq/16-01-01_faq_vvt_4.htm;
— описание системы VVT от VOLKSWAGEN (Self-study programme 246);
—
Для каждой режимной области свои требования, о которых поговорим чуть позже.
Для газораспределения существенны следующие события:
Intake valve opening (IVO) — момент открытия впускного клапана. Обычно, для двигателя без VVT момент открытия впускного клапана 10 град. перед ВМТ (при фазе РВ при 0,1мм подъема);
Intake valve closing (IVC) — момент закрытия впускного клапана. Обычно, для двигателя без VVT момент закрытия впускного клапана 50 град. после НМТ (при фазе РВ при 0,1мм подъема);
Exhaust valve opening (EVO) — момент открытия выпускного клапана. Обычно, для двигателя без VVT момент открытия выпускного клапана 50 град. перед НМТ (при фазе РВ при 0,1мм подъема);
Exhaust valve closing (EVC) — момент закрытия выпускного клапана. Обычно, для двигателя без VVT момент закрытия выпускного клапана 10 град. после ВМТ (при фазе РВ при 0,1мм подъема);
В вышеуказанных документах рассматриваются восемь концепций, которые дают определенный результат:
1. Late intake valve closing (LIVC) – позднее закрытие впускного клапана;
2. Early intake valve closing (EIVC) – раннее закрытие впускного клапана;
3. Late intake valve opening (LIVO) – позднее открытие впускного клапана;
4. Early intake valve opening (EIVO) – раннее открытие впускного клапана;
5. Early exhaust valve opening (EEVO) – раннее открытие выпускного клапана;
6. Late exhaust valve opening (LEVO) – позднее открытие выпускного клапана;
7. Early exhaust valve closing (EEVC) – раннее закрытие выпускного клапана;
8. Late exhaust valve closing (LEVC) — позднее закрытие выпускного клапана;
Наименования концепций намерено пишу на английском, как в исходных документах.
Далее, подробно рассмотрим каждую концепцию:
Late intake valve closing (LIVC)
Позднее закрытие впускного клапана. Закрытие впускного клапана происходит уже в процессе такта сжатия, при этом часть заряда, поступившего на такте впуска, выдавливается обратно во впускной коллектор. Давление во впускном коллекторе повышается, что приводит к снижению насосных потерь, объемная эффективность (VE) двигателя падает. Но это происходит только на малых оборотах двигателя, с ростом оборотов начинает появлятся эффект «утрамбовки», который с ростом оборотов повышает VE дигателя.
Итак, основные эффекты:
— уменьшение VE на низких оборотах;
— увеличение VE на высоких оборотах;
— значительное снижение насосных потерь на частичных нагрузках.
Early intake valve closing (EIVC)
Раннее закрытие впускного клапана. Впускной клапан закрывается в процессе такта впуска. Это позволяет ограничивать заряд на неком желаемом уровне (эффект дросселирования). Урезание такта впуска увеличивает давление во впускном коллекторе и снижает насосные потери двигателя.
Основные эффекты:
— уменьшение VE;
— значительное снижение насосных потерь на частичных нагрузках.
Late intake valve opening (LIVO)
Позднее открытие впускного клапана. Открытие впускного клапана происходит уже в процессе такта впуска. Перепад давления на клапанной щели увеличивает насосные потери, но не вызывает снижения объемной эффективности, так как заряд поступает в цилиндр с повышенной скоростью. Эта повышенная скорость обеспечивает лучшее перемешивание ТВС.
Основные эффекты:
— улучшение условий смесеобразования;
— увеличение насосных потерь.
Early intake valve opening (EIVO)
Раннее открытие впускного клапана. Впускной клапан открывается в процессе такта выпуска, это приводит к тому, что часть отработавших газов забрасывается во впускной коллектор, замещая там заряд. Далее, в процессе впуска эти газы поступаю в цилиндр вместе со свежим зарядом. Уменьшение объема свежего заряда приводит уменьшению количества отработавших газов, что в итоге приводит к небольшому уменьшению насосных потерь.
Основные эффекты:
— снижение вредных выбросов;
— снижение объемной эффективности;
— незначительное снижение насосных потерь.
Система изменения фаз газораспределения
Система изменения фаз газораспределения (общепринятое международное название Variable Valve Timing, VVT) предназначена для регулирования параметров работы газораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя. Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов.
К регулируемым параметрам работы газораспределительного механизма относятся:
— момент открытия (закрытия) клапанов;
— продолжительность открытия клапанов;
— высота подъема клапанов.
В совокупности эти параметры составляют фазы газораспределения – продолжительность тактов впуска и выпуска, выраженную углом поворота коленчатого вала относительно «мертвых» точек. Фаза газораспределения определяется формой кулачка распределительного вала, воздействующего на клапан.
На разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при низких оборотах двигателя фазы газораспределения должны иметь минимальную продолжительность («узкие» фазы). На высоких оборотах, наоборот, фазы газораспределения должны быть максимально широкими и при этом обеспечивать перекрытие тактов впуска и выпуска (естественную рециркуляцию отработавших газов).
Кулачок распределительного вала имеет определенную форму и не может одновременно обеспечить узкие и широкие фазы газораспределения. На практике форма кулачка представляет собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах коленчатого вала. Это противоречие, как раз и разрешает система изменения фаз газораспределения.
В зависимости от регулируемых параметров работы газораспределительного механизма различают следующие способы изменяемых фаз газораспределения:
— поворот распределительного вала;
— применение кулачков с разным профилем;
— изменение высоты подъема клапанов.
Наиболее распространенными являются системы изменения фаз газораспределения, использующие поворот распределительного вала:
VANOS (Double VANOS) от BMW;
VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence от Toyota;
VVT, Variable Valve Timing от Volkswagen;
VTC, Variable Timing Control от Honda;
CVVT, Continuous Variable Valve Timing от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors;
VCP, Variable Cam Phases от Renault.
Конструкция системы изменения фаз газораспределения данного типа включает гидроуправляемую муфту и систему управления этой муфтой.
Гидроуправляемая муфта(обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол.
В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы.
Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство – электрогидравлический распределитель.
Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя.
Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах:
— холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала);
— максимальная мощность;
— максимальный крутящий момент.
Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов.
Известными такими системами являются:
VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control от Honda;
VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota;
MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control от Mitsubishi;
Valvelift System от Audi.
Данные системы имеют, в основном, схожую конструкцию и принцип действия, за исключением Valvelift System. К примеру, одна из самых известных система VTEC включает набор кулачков различного профиля и систему управления.
Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло.
Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты).
Современной системой изменения фаз газораспределения от Honda является система I-VTEC, объединяющая системы VTEC и VTC. Данная комбинация существенным образом расширяет параметры регулирования двигателя.
Наиболее совершенная с конструктивной точки зрения разновидность системы изменения фаз газораспределения основана на регулировании высоты подъема клапанов. Данная система позволяет отказаться от дроссельной заслонки на большинстве режимов работы двигателя. Пионером в этой области является компания BMW и ее система Valvetronic.
В системе Valvetronic изменение высоты подъема клапанов обеспечивает сложная кинематическая схема, в которой традиционная связь кулачок-коромысло-клапан дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал получает вращение от электродвигателя через червячную передачу. Вращение эксцентрикового вала изменяет положение промежуточного рычага, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла и соответствующее ему перемещение клапана. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя.
Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны.
Что называется фазами газораспределения что называется перекрытием клапанов
Устройство автомобилей
Фазы газораспределения
При рассмотрении рабочих циклов поршневых двигателей условно принималось, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ). 
В действительности, при работе реальных двигателей, клапаны открываются с опережением и закрываются с запаздыванием относительно мертвых точек, за счет чего достигается значительное улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом и эффективное удаление из них отработавших газов.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов, называются фазами газораспределения.
Как известно, основная функция механизма газораспределения — обеспечить максимальную эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность и мощность двигателя, а также его тяговые и динамические характеристики.
В двигателях без наддува впускной клапан открывается за 10…30˚ поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ и закрывается через 50…80˚ после прохождения поршнем НМТ. Выпускной клапан открывается за 40…70˚ до НМТ и закрывается после прохождения поршнем ВМТ через 10…50˚ поворота коленчатого вала. Чем быстроходнее двигатель, тем больше значение этих углов (шире фазы газораспределения).
Открытое состояние впускного клапана в начале такта сжатия обеспечивает продолжение наполнения цилиндра из-за инерции свежего заряда и разности давления окружающей среды и давления в цилиндре в начале сжатия. Опережение открытия впускного клапана рассчитывают так, чтобы к моменту прихода поршня в ВМТ клапан был уже открыт.
Предварение открытия выпускного клапана до прихода поршня в нижнюю мертвую точку (НМТ) обеспечивает очистку цилиндра на начальном этапе вследствие избыточного давления в цилиндре, поэтому работа поршня по выталкиванию газов при такте выпуска значительно уменьшается, что способствует повышению мощности двигателя.
Так как впускной клапан открывается в конце выпуска, а выпускной закрывается в начале впуска, то возникает период времени, когда оба клапана одновременно открыты. Этот период называется перекрытием клапанов. В двигателях с наддувом эти углы увеличивают.
Во время перекрытия клапанов, когда одновременно в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, происходит продувка цилиндров, которая улучшает газообмен. Очевидно, что наддув эффективен для дизельных двигателей, поскольку продувка цилиндров в них осуществляется чистым воздухом, а не рабочей смесью, как в карбюраторных двигателях.
Диаграмма фаз газораспределения показана на рис. 1.
Фазы газораспределения зависят от профиля кулачка распределительного вала и взаимного расположения кулачков. Если профили впускных и впускных кулачков одинаковы, то продолжительность открытого состояния клапанов тоже будет одинакова.
Изменяемые фазы газораспределения
В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах и при любых режимах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования для каждого конкретного режима.
Для примера рассмотрим, какие требования к газораспределению предъявляет двигатель при различных условиях нагрузки и работы.
Режим холостого хода
На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.
Режим низких нагрузок
При работе в режиме низких нагрузок перекрытие клапанов необходимо уменьшить для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.
Режим средних нагрузок
В этом режиме необходимо увеличить перекрытие клапанов, что позволит снизить «насосные» потери. При этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет повысить температуру рабочего цикла сжатия и уменьшить ее в процессе такта сгорания (рабочего хода), что, в свою очередь, приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах и повышению температурного КПД двигателя.
Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала
На этом режиме должно обеспечиваться раннее закрытие впускных клапанов, чтобы обеспечить увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно при движении в городском транспортном потоке.
Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала
Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить перекрытие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.
Приведенный выше анализ показывает, что механизм газораспределения должен чутко подстраиваться под конкретные условия работы двигателя, чтобы обеспечить наиболее эффективное выполнение двигателем своих функций. Очевидно, что газораспределительный механизм должен уметь изменять фазы газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.
Осознание конструкторами необходимости применения «гибких» ГРМ, способных изменять фазы газораспределения в следящем режиме в зависимости от условий работы двигателя привело к созданию различных систем и технических решений, позволивших воплотить эту идею в жизнь.
Основными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:
Чтобы варьировать фазами газораспределения во время работы двигателя необходимо каким-либо образом изменять положение распределительного вала относительно коленчатого вала. При этом принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть любым — механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.
Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др. 
В 90-е годы все больше и больше двигателей стали оборудоваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в соответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в приводную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).
В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания.
Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет, также, улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности.
Альтернативной механическим системам явилась более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения с использованием гидроуправляемой муфты — фазовозвращателя. Такая муфта способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения.
С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.
Инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами.
Например, в системе VVTL-i, разработанной специалистами фирмы Тойота, после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу включается дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иную кинематику движения клапана и изменяет фазы газораспределения. При повышении частоты вращения коленчатого вала свыше 6500. 8000 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, способное придать автомобилю динамический рывок при ускорении.
В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.
Еще одно техническое решение проблемы – изменение высоты подъема клапанов, позволяющее варьировать процесс газообмена при помощи различных систем управления. В таких системах высота подъема клапанов и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа, т. е. при помощи бездроссельного управления.
Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет 8. 15%, прирост мощности — в пределах 5. 15 %.
В последнее время механический привод управления скоростью и высотой подъема клапанов все чаще вытесняет электромагнитный привод, как более чуткий к сигналам управляющих устройств.
Высоту, время и скорость подъёма клапана в этом случае можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически не открывать «ненужные» клапаны, или вовсе отключать цилиндры от газообмена. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем.
Работа инженеров и конструкторов по оптимизации и совершенствованию систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания ведется непрерывно, чтобы полностью использовать потенциал увеличения динамических и скоростных характеристик двигателей, их экономичности и экологической безопасности.
Что называется фазами газораспределения что называется перекрытием клапанов
Фазы газораспределения четырехтактных двигателей.
Дайджест от Михаила Сорокина (aka Sharoka)
Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол Фо.в
Периоды газообмена различают, руководствуясь величиной направления и скорости во впускных или выпускных клапанах и направлением движения поршня.
Свободный выпуск. От начала открытия выпускного клапана до НМТ продолжается свободный выпуск. Истечение газов из цилиндра при увеличении его объема происходит следствии того, что давление в начале выпуска и вплоть до НМТ выше, чем в выпускном патрубке. Температура газов в цилиндре в начале такта выпуска 1300 – 700 град. Скорость истечения газов 720 – 550 м/сек. В НМТ температура и скорость понижаются до значений, характерных для принудительного выпуска.
Принудительный выпуск. Продолжается от НМТ до ВМТ.
Средняя скорость в клапанной щели 80 – 250 м/с. Давление в цилиндре в начале открытия впускного клапана выше давления во впускном трубопроводе, продукты сгорания вытекают одновременно через выпускной клапан и открывающийся впускной клапан, происходит так называемый заброс продуктов сгорания во впускной трубопровод. Заброс продолжается и после ВМТ. Поэтому наполнение начинается с запаздыванием.
Наполнение. От ВМТ до НМТ происходит наполнение. Скорость в клапанной щели 80 – 200 м/с.
Дозарядка. Поле НМТ – при перемещении поршня в направлении ВМТ в такте сжатия – давление в цилиндре остается некоторое время меньше давления перед впускным клапаном, несмотря на уменьшение объема цилиндра
Процессы воспламенения и горения
Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющегося вещества на орбиты атомов или ионов окислителя. Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и температуры и могут быть определены для гомогенных и гетерогенных смесей из законов молекулярной физики.
Развитию теории окисления углеводородов положила начало перекисная теория окисления, предложенная А. Н. Бахом в 1897 г. по которой окисление происходит через промежуточные образования перекисей, обладающих большей окислительной способностью, чем молекулярный кислород.
Предложенная в 1903 г. гидроскиляционная теория была заметным началом в познании последовательности промежуточных реакций. Согласно этой теории, на некоторой стадии происходит распад молекул кислорода на атомы и внедрение последних между атомами углерода и водорода углеводородов с образованием молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы.
Н. Н. Семеновым в 1927 г. была высказана идея о возможности цепных реакций (существование которых было обнаружено В. Нернстом в 1919 г.) при окислении углеводородов. Эта идея была развита впоследствии в стройную теорию цепных окислительных процессов, объясняющую процессы воспламенения и сгорания топлив и объединившую в себе перекисную и гндроксиляцнонную теории.
В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция. В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты или реакция не оборвется в результате местных неблагоприятных условии (мало число соударений активных частиц промежуточных продуктов из-за малой концентрации реагентов или пониженной температуры, замедляющее каталитическое действие некоторых реагентов, стенок камеры сгорания).
Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров; как следствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что концентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, так как возрастают энергия соударений и в результате дробления молекул – число центров реакций. При разветвленной цепной реакции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечности. Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реакции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а число частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере расходования смеси. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться.
После того как в реакцию вступит достаточно много молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере установится так называемая критическая температура Гкр, или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое общее повышение температуры и давления. Момент теплового равновесия можно заметить, если индикатором давления записать сначала изменение давления в камере без впрыска топлива, а затем при впрыске.
Измеренный по индикаторной диаграмме угол Фi будет зависеть от чувствительности датчика давлений: чем он чувствительнее и чем точнее записывающая часть индикатора зафиксирует сигнал датчика, тем меньше окажется угол Фi и тем точнее он будет определен. Ясно, что угол Фi зависит от физико-химических свойств топлива и условий paзвития окислительных процессов в камере. Более глубокое изучение процессов в период самовоспламенения топлива с использованием химических, оптических и ионных методов позволило установить, что в цепочно-тепловой теории воспламенения при различных условиях могут преобладать цепочные или тепловые процессы, вследствие чего А. С. Соколиком были выдвинуты гипотезы низкотемпературного многостадийного к высокотемпературного одностадийного воспламенения.
Длительность та и число образующихся очагов сгорания, как показывают эксперименты, мало зависят от тонкости распыливания топлива, так как даже при очень грубом распыливании оказывается достаточное для воспламенения количество мелких капель. Увеличение угла опережения впрыска топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, так как процессы прогрева, испарения топлива и разгона химических реакций начинаются при более низких температурах; интенсификация турбулентности увеличивает период Тi вследствие снижения температуры и концентрации паров топлива в вероятной точке образования очага сгорания.
Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 ) имеет место при высоких начальных температурах ( 800 — 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических самоускоряющихся в результате выделения теплоты превращений. Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении ( 8 – 15 ) 103 В. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т более 10000 ) образуется очаг сгорания небольшого объема. Это означает, что в данном объеме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенение происходят столь быстро (через состояние плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает ( 1 – 2 ) 10
5 с. Естественно предположить, что это возможно в гомогенной, достаточно однородной смеси.
Если объем образовавшегося очага сгорания достаточно велик, а времени его существования достаточно для прогрева и воспламенения окружающих слоев смеси, то процесс сгорания начинает распространяться, и через некоторое время т; (период задержки воспламенения) на индикаторной диаграмме давлений можно будет заметить отрыв линии давления в процессе начавшегося его рания от линии давления сжатия, которую можно эд-писать при выключенном зажигании. Если же объем очага сгорания и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухает к сгорание не развивается.
Высокотемпературное воспламенение характерно для всех двигателей с электрическим зажиганием, а также для дизелей при использовании топлива с большим содержанием ароматиков.
Опытами в бомбах установлено, что распространение сгорания по объему возможно только при определенных составах горючих смесей, ограниченных как минимальными, так и максимальными значениями а, различными для разных условий сгорания (температура, давление, количество инертных газов), В табл. 7 даны концентрационные пределы распространения пламени в воздушных смесях топлив при атмосферных условиях во время испытаний в бомбе.
После того как пламя распространится по всему объему камеры сгорания, количество смеси, вступающей в реакцию, уменьшается. Снижается и скорость реакций, так как концентрации топлива и окислителя в зонах сгорания уменьшаются, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Вместе с возрастающим отводом теплоты в стенки камеры сгорания и объемом цилиндра с началом перемещения поршня от в. м. т. это приводит к тому, что давление, достигнув максимального значения при положении поршня, соответствующем углу Фi начинает снижаться.
Надежно записанных диаграмм изменения температур в процессе сгорания еще недостаточно для количественной характеристики процессов сгорания и обобщений. Однако установлено, что температуры, полученные из уравнении состояния газов в различные моменты сгорания и расширения при использовании давлений из индикаторных диаграмм н известных конструктивных объемов камеры сгорании н цилиндра, также возрастают в процессе сгорании и достигают максимальных значений в момент Фi (см. рис. 53 ), позднее момента достижения максимальных давлений. Последнее обстоятельство объясняется совместным влиянием увеличения объема газа вследствие перемещения поршня от ВМТ и продолжающимся подводом теплоты к газу.
При некоторых условиях описанный нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на мощности и экономичности работы двигателя, шумности, токсичности отработавших газов, надежности и сроке работы двигателя. К таким нарушениям сгорания относят следующие.
Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода). В результате таких процессов возникает, самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 – 2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциации с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгоревшая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность снижаются, а перегрев двигателя и дымление на выпуске увеличиваются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается детонация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная работа двигателей с детонацией недопустима.
Если за время задержки воспламенения впрыснуто много топлива, то возникает и большее число очагов. В результате этого резко ускоряются химические реакции и образование новой смеси; скорости тепловыделения и нарастания давлений могут оказаться слишком большими, а сгорание будет характеризоваться как «жесткое».
Снижение температуры и давления заряда в конце сжатия может быть следствием засорения воздушного фильтра, закоксовывания клапанов и щелей газораспределительных органов, потери плотности клапанов и поршневых колец, изменения фаз газораспределения, попадания масла в воздух.