Что происходит с топливом при сжатии в двигателе

Что происходит с топливом при сжатии в двигателе

2. ПОТЕРИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОВ
Теперь рассмотрим потери второго вида энергии, используемой в двигателе — тепловой энергии газов.
Начнем с потерь, вызванных окислением и горением топлива в фазе СЖАТИЕ
Как уже упоминалось, модель идеального двигателя может быть представлена в виде поршня с пружиной. В фазе СЖАТИЕ (это фаза потерь) поршень принудительно сжимает относительно слабую пружину. Ее сила противодействия определяется механическим сжатием газа, т.е. растет пропорционально текущей степени сжатия.
При достижении поршнем ВМТ начинается фаза РАСШИРЕНИЕ.
Но, во-первых, «поведение» воздушно-топливной смеси при сжатии отличается от “поведения” инертного газа. При сжатии воздушно-топливной смеси по сравнению с чистым воздухом давление и температура заметно повышаются. Это объясняется тем, что при нагреве воздушно-топливной смеси до нескольких сотен градусов начинается «холодная» (без горения) реакция окисления топлива, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Таким образом, топливо в фазе СЖАТИЕ теряет свою калорийность. Этому способствует наличие в двигателе раскаленных поверхностей (свеча зажигания, выпускной клапан). Счастье, что эти потери не превышают нескольких процентов.
Во-вторых, горение воздушно-топливной смеси не происходит мгновенно (опять же к счастью), а требует значительного времени. Финиш горения достаточно строго задан — это примерно 15° после ВМТ. Поэтому старт горения (зажигание) определяется частотой вращения коленвала двигателя. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше угол опережения зажигания. Это означает, что тепловая энергия газов все больше выделяется в фазе СЖАТИЕ и все сильнее убывает в фазе РАСШИРЕНИЕ. То есть сила пружины, которая противодействует поршню, становится все больше, а сила пружины, которая совершает полезную работу, становится все меньше. Таким образом, потери нарастают с двойной скоростью. Наступает момент, когда двигатель «визжит» на высоких оборотах, а крутящего момента нет. Тепловая энергия газов никуда не исчезла, ее вдоволь, но она выделилась слишком рано. «Дорога ложка к обеду». Первопричиной этих огромных потерь является неоправданно долгое горение воздушно-топливной смеси, а понятие «потери» носит условный характер.
Потери из-за декомпрессии физически абсолютно прозрачны. Как народная мудрость не рекомендует воду в решете носить, так не рекомендуется эксплуатировать двигатель с низкой компрессией. Декомпрессия может иметь несколько причин: износ поршневой группы, особенно колец; плохое прилегание клапанов к гнездам; дефекты свечи зажигания, резьбового соединения и др.
В результате из-за неплотностей в камере сгорания и цилиндре происходит стравливание газа высокого давления, т. е. возникают прямые потери тепловой энергии вместе с самим газом. Кроме этого, могут быть и другие негативные последствия, например, экологические.
Однако в отличие от потерь тепловой энергии потери из-за декомпрессии растут с уменьшением частоты вращения коленвала двигателя. Это объясняется прямой зависимостью потерь от времени воздействия разности давлений (закон Ома в пневматехнике).
Природа потерь в стенки камеры сгорания и цилиндра также очевидна. Горение происходит циклично, максимальная температура достигает 2500 °С, а температура стенок двигателя примерно 95 °С. Чем больше разность температур, тем больше потери тепла (закон Ома в теплотехнике). Поэтому самые большие потери там, где самая высокая температура. В соответствии с Махе-эффектом это область начала горения, где располагаются свеча зажигания и начальная часть спиральной траектории горения.
Следует отметить, что расчет тепловых потерь в стенки двигателя весьма затруднен. Объясняется это сложной формой и динамичностью объемного градиента температур, влиянием эффекта «газовой рубашки» (см. «Двигатель» № 4 — 2003), турбулентностью, различной температурой внутренней поверхности стенок камеры сгорания, различной теплопроводностью отдельных фрагментов камеры сгорания и т.д.
Используя эмпирические данные, можно оценить потери тепловой энергии газов в стенки двигателя значением порядка 20 %.
Наконец, мы подошли к самым известным и, по мнению специалистов, самым большим потерям тепловой энергии в выхлопную трубу. Минимальная величина потерь соответствует холостому ходу. Максимальные потери характерны для режима максимальной нагрузки и частоты вращения вала.
В случае с газовым топливом потери еще больше, так как выше температура выхлопных газов. Напомним, что паровоз работал при температуре пара 150 °С.
Чем объясняется высокая температура выхлопных газов в двигателях, работающих на легком топливе? Дело в том, что в камере сгорания топливо сгорает не полностью, а только на 70…80 %. Далее, когда поршень движется вниз, продолжается его догорание. Это позволяет двигателю поддерживать высокое давление в цилиндре, а следовательно, и температуру выхлопных газов. С повышением частоты вращения вала время на догорание сокращается, а температура выхлопных газов повышается. Наступает момент, когда топливо догорает уже в выхлопной трубе. Например, на спортивных машинах выхлопные трубы, находящиеся непосредственно у двигателя, раскаляются докрасна («полный гудок»).
С газовым топливом проблем еще больше. Октановое число газа выше, чем у бензина, поэтому загорается оно хуже, горит медленнее, догорает позднее.

Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №3. Степень сжатия.

На самом деле совершенно не степень сжатия является темой данной статьи. Я несколько раз менял название в ходе написания текста и в конце концов вернулся к первоначальному названию, хотя к тому времени сам почти перестал понимать — что это такое и зачем…

Итак.
Официальная трактовка:
Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра двигателя внутреннего сгорания(надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке) к объёму «камеры сгорания» (надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке):

Степень сжатия — чисто геометрическая безразмерная характеристика двигателя.

Поскольку воздух при быстром(адиабатическом) сжатии нагревается — то у двигателя со степенью сжатия 10 давление конца сжатия будет не 10 атмосфер, а около 16. Эта характеристика того же самого двигателя называется компрессия ДАВЛЕНИЕ КОНЦА ТАКТА СЖАТИЯ:

На самом деле давление в ВМТ может быть и больше(если двигатель горячий), а может быть и меньше(если двигатель холодный и сильно изношен или если используются нестандартные фазы ГРМ)…

Как я уже писал в своих предыдущих опусах — сгорание в двигателе происходит на протяжении 50-70 градусов по коленвалу в определённых «климатических» условиях. Поскольку ни СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ, ни КОМПРЕССИЯ нам об этих самых «климатических» условиях ничего толком сообщить не могут(хотя бы по той самой элементарной причине, что замеряются они в одной единственной точке на абсолютно неработающем двигателе) — то и оперировать в дальнейшем я буду ДАВЛЕНИЕМ и ТЕМПЕРАТУРОЙ.
Ибо только они показывают что происходит в цилиндре двигателя НА САМОМ ДЕЛЕ.

А НА САМОМ ДЕЛЕ там творится нечто подобное:

Синяя кривая — это давление в цилиндре НЕРАБОТАЮЩЕГО двигателя.
Ромбик в ВМТ — это «компрессия».

Вопрос залу — а что такое эдакое означают ромбики на кривых давления РАБОТАЮЩЕГО двигателя?!

А это есть СУММАРНАЯ «компрессия», которая обеспечивается не только поршневой группой двигателя — но и давлением, создаваемым сгорающим топливом, если это топливо запалить ДО верхней мёртвой точки.
Давление это до ВМТ будет толкать и поршень и коленвал в обратную сторону, ухудшая и без того низкий КПД двигателя — но именно это давление обеспечит топливу те самые ОПТИМАЛЬНЫЕ «климатические» условия, необходимые для его полного и качественного сгорания.

В том или ином виде суммарную «компрессию» повышают и турбокомпрессор, и ЕГР, и оптимальные фазы ГРМ, и всякого рода резонансные впускные коллектора… Не суть.

Давайте повнимательнее рассмотрим все кривые на рисунке.
Чем раньше(в разумных пределах) мы запалим топливо — тем выше будет давление в ВМТ, тем лучше и полнее сгорит топливо и тем больше давления мы получим — и по максимальному значению и по площади.
Не забываем — именно давление выполняет полезную работу!

Проблема заключается только в том, что КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ это ДАВЛЕНИЕ в РАБОТУ в зоне ВМТ преобразовать ЭФФЕКТИВНО не может.

Если обеспечить момент зажигания в той точке, которая обеспечит наилучшее СГОРАНИЕ топлива, то проблем получается аж три.

1). Воспламенение топлива до ВМТ значительно снижает КПД двигателя за счёт того, что выделяемая энергия ТОРМОЗИТ коленвал, пока он не перевалит через ВМТ. Для того чтобы скомпенсировать это торможение и просто выйти по нулям — нужно аннигилировать аналогичную площадь давления газов уже сразу после ВМТ.
Синий график давления самый эффективный по площади, но про жёлтый треугольник давления можно забыть — полезной работы он не создаст:

Забавная ситуация. Самый пик давления и температуры — а вся выделяемая энергия тупо идёт в нагрев двигателя — ибо именно в этот момент осуществляется максимальная теплопередача в стенки «камеры сгорания», а полезного с коленвала снять не получается вообще НИЧЕГО.
ВСЯ выделяющаяся энергия затрачивается из полезного — ТОЛЬКО на обеспечение тех самых, наилучших для сгорания топлива, «климатических условий».
Чтобы избавиться от этого безобразия нужно воспламенять топливо исключительно после ВМТ, но тогда топливо в наших двигателях не успевает сгореть…

2). Воспламенение топлива до ВМТ значительно снижает КПД двигателя и за счёт того, что выделяемая энергия не может эффективно трансформироваться коленвалом до тех пор, пока поршень находится в зоне ВМТ:

Сиреневая кривая — это усилие на коленвалу. То, что остаётся ПОЛЕЗНОГО от давления газов — от синей кривой.

Чтобы избавиться от этого безобразия нужно обеспечить пик сгорания где-то в районе 50-70 градусов после ВМТ — вот тогда толку от давления сгорающих газов будет в разы больше. Но в существующих ДВС нормальное сгорание на этом отрезке организовать вообще не возможно — так как объём «камеры сгорания» на этом участке уже раза в три-четыре больше, чем в ВМТ, и стремительно увеличивается.

3). Воспламенение топлива до ВМТ обуславливает сгорание бОльшей части топлива в зоне малого изменения объёма камеры сгорания. Полезной работы не производится вообще — и вся энергия сгорающего топлива расходуется исключительно на повышение давления и температуры внутри «камеры сгорания». Ну и на нагрев стенок «камеры сгорания», есстесственно… Если давление и температура превысят некоторый порог — детонационные процессы(которые в «бензиновом» двигателе присутствуют ВСЕГДА) начнут УСПЕВАТЬ развиваться во взрыв.
Если поршень уже интенсивно опускается(а он с каждым градусом по КВ опускается всё быстрее) — то снижение давления в «камере сгорания» детонацию активно подавляет — не даёт развиться новым очагам самовоспламенения. Если поршень вблизи ВМТ и объём «камеры сгорания» увеличивается ещё не интенсивно — то детонация будет максимальна, так как охватит всё невоспламенившееся ещё топливо. Детанационные пики на рисунке — это не набор микровзрывов. Взрыв по сути один — объёмный. Эти пики показывают как детонационная волна мечется по камере сгорания, отражаясь и переотражаясь от стенок и вызывая этим резонансные процессы:

Рисунок рисовали балбесы. Но этот рисунок самый лучший из десятков просмотренных в инэте(мне лень их рисовать самому, сорри) — он хотя бы правильно показывает ГДЕ на кривой расположена детонация в «бензиновом» двигателе.
Чем сильнее детонация — тем быстрее сгорает топливо — тем выше пик общего давления и тем быстрее он спадает.

Читать еще:  Шкала температуры двигателя меган 2

Детонация плоха двумя вещами:
Первая — это чрезмерные ударные нагрузки, разрушающие двигатель.
Вторая — резкое укорачивание сгорания опять удерживает пик давления в области ВМТ, где эффективное преобразование давления в работу невозможно.

Дросселирование в «бензиновом» двигателе значительно уменьшает суммарную степень сжатия.
«Климатические» условия в камере сгорания рушатся — температура и давление конца такта сжатия значительно снижаются — ВОСПЛАМЕНЕНИЕ значительно ухудшается. Для исправления ситуации приходится делать зажигание всё раньше и раньше — со всеми положительными и отрицательными моментами.
КПД двигателя по мере прикрытия дроссельной заслонки стремительно падает…

В «дизельном» двигателе ситуация отличается не сильно, но в лучшую сторону:

1). Топливо в «камеру сгорания» поступает дозировано — соответственно нарастанием давления можно худо-бедно управлять. Предвпрыск до ВМТ обеспечивает необходимые «климатические условия» в зоне ВМТ и, самое главное, — пламя. ПЛАМЯ во «всём» объёме «камеры сгорания»!
Потому основной впрыск топлива можно осуществлять после ВМТ — уже в пламя. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ свежих порций топлива происходит практически мгновенно.

2). Поскольку смесееобразование осуществляется параллельно со сгоранием — типичная для «бензинового» двигателя детонация не возможна в принципе.
Но попытка впрыскивать топливо слишком интенсивно приводит к тому, что образуются локальные зоны с большим содержанием топлива и зоны, вообще не содержащие топлива — это нарушает смесеобразование.
Ничего хорошего не выходит и при модном нынче у производителей затянутом впрыске — воздушный вихрь делает оборот в камере сгорания и впрыск опять осуществляется в воздушную область, где кислород уже выгорел, потому как туда топливо уже впрыскивалось на предыдущем обороте воздушного вихря.

Интенсивность впрыска топлива в «дизельном» двигателе должна чётко синхронизироваться со складывающейся турбулизацией в камере сгорания. В идеальном случае впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля должно продолжаться ровно столько по времени, за сколько воздушный вихрь совершает один полный оборот.
Это должно неплохо получаться у систем на базе CommonReil — где можно и давлением в рейке манипулировать как угодно и открытием форсунок управлять очень точно…

3). Более высокая по сравнению с «бензиновым» двигателем степень сжатия обуславливает и более высокий КПД «дизельного» двигателя на режиме максимальной мощности, и намного более высокий КПД на режиме холостого хода — ведь дросселирования на «дизельном» двигателе нет.

К сожалению быстрое и эффективное сгорание топлива в ДВС приводит к образованию окислов азота. Законодательство большинства стран прямо предписывает уменьшение азотистых выбросов из года в год. Но ДЕШЁВОГО и эффективного средства ОЧИСТКИ выхлопных газов от азотистых соединений не придумали до сих пор — потому развитие двигателестроения идёт по пути уменьшения ОБРАЗОВАНИЯ окислов азота.
Основной способ — ЗАМЕДЛЕНИЕ сгорания топлива за счёт снижения предельных температур и давления в камере сгорания. Соответственно современный трэнд развития двигателестроения — снижение степени сжатия.
Тьфу ты… зарёкся же… Снижение того, что принято обзывать степенью сжатия.
А добиться этого можно, как вы уже поняли, многими способами.

Почему нельзя заправляться бензином с «неправильным» для двигателя октановым числом?

На заправках виды бензина маркируются цифрами: 92, 95, 98 или 100. Это – октановое число бензина, и для каждого двигателя предусмотрено свое «правильное» значение. Почему важно заправляться только подходящим топливом и как его определить, читайте ниже.

На что влияет октановое число бензина и как определить подходящее?

Чем выше октановое число, тем меньше вероятность, что топливо самопроизвольно вспыхнет при сжатии (это называется детонацией). На производстве бензин обогащают сертифицированными присадками, чтобы повысить показатель с 80 единиц до 90 и более.

Оптимальный тип топлива для вашего автомобиля определен заранее: когда двигатель сходит с конвейера, он сразу рассчитан на бензин с определенным октановым числом.

Оно зависит от степени сжатия:

  • Бензин АИ-92 подходит для двигателей, у которых степень сжатия меньше 10,5 единиц.
  • Бензин АИ-95 рекомендуется заливать при степени сжатия в пределах 10,5-12 единиц.
  • Бензин АИ-98 – самый устойчивый к детонации. Его применяют для двигателей с повышенной степенью сжатия (более 12 единиц).

Важно, чтобы топливо на заправке соответствовало заявленному качеству. Заправляясь по топливной карте для юридических лиц или компаний, вы получаете качественный бензин на проверенных АЗС и можете быть спокойны.

Что будет, если залить в бак топливо с низким октановым числом?

Случается, что нужного топлива на заправке не оказалось или недобросовестный поставщик продал бензин с октановым числом ниже заявленного. В этом случае в баке оказывается «неправильное» для вашего автомобиля горючее, и могут возникнуть проблемы.

Что произойдет, если залить топливо с критически низким октановым числом:

  • Расход топлива заметно увеличится, хотя ваш стиль вождения не изменился.
  • Может возникнуть детонация – бензин произвольно возгорается, и внутри двигателя ощущаются ударные волны. Заметить детонацию можно по необычному шуму и тарахтению, едкому черному дыму из выхлопной трубы.
  • Если в машине есть автоматические датчики детонации, компьютер включит защиту двигателя. Шумы и помехи прекратятся.
  • Если датчиков нет, мотор или его элементы могут выйти из строя.

Для экстренных ситуаций разработаны специальные присадки-катализаторы. Они смешиваются с бензином и корректируют его октановое число на несколько единиц (обычно от 2 до 7). Но лучшая мера профилактики – заправляться только в проверенных местах и выбирать подходящее топливо.

Другие статьи:

Изменения в сети обслуживания карт рублевой программы

Самарская, Челябинская область.

Изменения в сети обслуживания карт литровой и рублевой программы

Санкт-Петербург, Архангельская, Иркутская область, Республика Бурятия.

Изменения в сети обслуживания карт рублевой программы

В Ростове-на-Дону появилась вторая «цифровая» АЗС «Роснефть»

В рамках расширения розничной сети автоматизированных заправок «Роснефть» открыла «цифровую» АЗС в Ростове-на-Дону.

«Роснефть» представила проект «Восток Ойл» зарубежным поставщикам и подрядчикам

«Восток Ойл» поможет в формировании новой нефтегазовой провинции на севере Красноярского края.

Модернизация НПЗ «Славнефть-ЯНОС» в Ярославле

НПЗ «Славнефть-ЯНОС» к 2024 году планирует увеличить глубину переработки нефти на 99% и выход светлых нефтепродуктов на 70%.

  • 2021
    • 2021
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2020
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2019
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2018
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2017
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2016
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2015
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2014
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2013
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2012
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2011
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2010
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2009
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2008
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2007
      • Декабрь
      • Ноябрь
      • Октябрь
      • Сентябрь
      • Август
      • Июль
      • Июнь
      • Май
      • Апрель
      • Март
      • Февраль
      • Январь
    • 2006
      • Декабрь
      • Ноябрь

Продолжая использовать ruspetrol.ru вы соглашаетесь на использование файлов cookie.

Более подробную информацию можно найти в Политике cookie файлов.

© ООО «РусПетрол», 2007-2021

Воспроизведение материалов сайта
допускается с согласия владельца

Промо: Какое топливо заливать в современные моторы

Одновременно с тем, как эволюционировал двигатель внутреннего сгорания, совершенствовалось и топливо. Сегодня качественный бензин — это не просто продукт переработки нефти, а сложное, продуманное химиками и инженерами многокомпонентное соединение. Расскажем, как правильно выбрать топливо для двигателя 21 века.

Угольная пыль и легкие фракции

Когда речь заходит об истории современного автомобиля, принято вспоминать 1885 год, когда немецкие инженеры Бенц и Даймлер, не сговариваясь, построили первые самоходные транспортные средства с ДВС. Готлиб Даймлер и его напарник Вильгельм Майбах установили двухтактный мотор на мотоцикл, рама и колеса которого были сделаны из дерева. 10 ноября 1885 года сын Готлиба, Пауль Даймлер, сел на «Рейтваген» — так назывался первый в мире мотоцикл, и совершил на нем трехкилометровую поездку по берегу Неккара — одного из крупнейших притоков Рейна.

Трехколесный «Моторваген» Карла Бенца с четырехтактным двигателем также прославился благодаря одной поездке. 5 августа 1888 года жена конструктора, Берта, не спросив мужа, взяла детей и трицикл, и отправилась на нем в 106-километровую поездку из Мангейма в Пфорцгейм и обратно, чтобы навестить свою мать.

Топливо для заправки трицикла пришлось покупать в… аптеке! Двигатель «Моторвагена» (как, кстати, и мотор «Рейтвагена») мог работать на различных продуктах перегонки нефти. Горючих смесях жидких углеводородов, таких, как легкофракционный продукт — бензин, или же более тяжелой бензинолигроиновой фракции — нафте. Именно «Лигроин», широко доступный в аптеках в качестве чистящего средства, и использовался Бертой Бенц в своей знаменитой поездке, ставшей, как позже оказалось, важным шагом к популяризации ДВС и автомобильной экспансии.

Но в действительности, все началось несколько раньше. В 1863 году немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто доработал газовый двигатель, придуманный ранее бельгийским инженером Жаном Этьеном Ленуаром, повысив его КПД в несколько раз, а затем в 1877 году, первым запатентовал четырехтактный цикл работы, ставший стандартом на более чем сотню лет эволюции ДВС. Впуск, сжатие, рабочий ход и расширение, выпуск… Первые двигатели Отто, как и их предшественники, работали на светильном газе. Но когда один ведущих инженеров компании Отто, тот самый Готлиб Даймлер, предложил сделать модификацию на жидком топливе, он не нашел поддержки, и покинул компанию. Что было потом — уже всем известно. Четырехтактные бензиновые двигатели с воспламенением смеси от искры стали новой ключевой точкой в эволюции мобильности.

Наряду с бензиновыми двигателями и электромобилями, на заре 20 века за место под солнцем автомобилизации боролись и двигатели с воспламенением от сжатия конструкции Рудольфа Дизеля. Изначально двигатели этого типа проектировались под работу на каменноугольной пыли, но первые прототипы были маломощными и превосходили по размерам сравнимые по отдаче паровые машины. На новом уровне идею Дизеля реализовал русский инженер Густав Васильевич Тринклер, еще в 1888 году построивший бескомпрессорный нефтяной двигатель с воспламенением сжатием. «Тринклеры» и «Дизели» могли работать хоть на керосине, хоть на сырой нефти.

В последующие годы, конструкция различных поршневых ДВС — как бензиновых, так и дизельных – неустанно модифицировалась, что существенно изменило и требования к применяемому топливу.

Читать еще:  Шумная работа двигателя пассат

Эволюция двигателей и требований к топливу

Важным драйвером для модификации конструкции поршневых двигателей и появления новых типов моторных бензиновых топлив стала авиация. Изначально работающие на прямогонных бензинах двигатели самолетов мало отличались от автомобильных — были тяжелыми и маломощными. Например, в 1903 году 3,3-литровая рядная четверка с жидкостным охлаждением на «Флайер-1» братьев Райт выдавала всего 12 л.с. при весе мотора в 77 кг. Уже к двадцатым годам инженеры научились значительно повышать удельную мощность моторов, форсируя и облегчая двигатели.

Разумеется, разработки коррелировали с развитием нефтеперерабатывающей промышленности, перед которой стояла не только задача совершенствования процессов перегонки (термический крекинг уступал место каталитическому), но и борьба с детонацией (аномальным горением) топливо-воздушной смеси, неизбежным при повышении степени сжатия. Для повышения стойкости к детонации, двигателей были разработаны различные антидетонационные присадки — бензол, смеси тетраэтилсвинца и бромистого этила и так далее. Показателем стойкости топлива к детонации стало так называемое октановое число. Чем оно выше — тем выше и стойкость к детонации. По своему октановому числу, топливо должно соответствовать степени сжатия конкретного двигателя.

Этилированный и неэтилированный бензин

Антидетонационный эффект от добавления в топливо тетраэтилсвинца был открыт в начале двадцатых годов — значительно раньше, чем в обществе осознали глобальный вред от использования этой присадки. Поскольку ТЭС вводился в состав топлива в виде этиловых жидкостей, такой тип топлива назвали этилированным.

Работал ТЭС следующим образом — при сгорании топлива в камере сгорания выделялся чистый свинец, замедляющий процесс окисления углеводородов топлива, и, следовательно, образование перекисных соединений и их последующее самовоспламенение и взрывное расширение (детонация). Добавив ТЭС в прямогонные бензиновые фракции, можно было с минимальными затратами получить высокооктановый бензин!

Несмотря на то, что к семидесятым годам негативные канцерогенные и токсические свойства ТЭС уже были очевидны, автомобильная индустрия начала отказываться от этилированного топлива прежде всего по другой причине. Свинцовые отложения выводили из строя становившиеся все более популярными каталитические нейтрализаторы отработавших газов. Вместо тетраэтилсвинца стали применять другие антидетонаторы — например, ныне также запрещенные по тем же соображениям дициклопентадиенил железа (ферроцен), различные соединения марганца. К слову, высокими антидетонационными свойствами обладает при добавлении в бензин и обычный этиловый спирт. До введения строгих экологических норм, наиболее популярными антидетонаторами был N-моно-метил-анилин в смеси с различными соединениями металлов (калий, литий, марганец, церий, неодим,таллий и т.д.). В настоящее время наиболее распространенным компонентом бензина с подобными свойствами считается более безопасный для здоровья людей и окружающей среды оксигенат — метил-трет-бутиловый эфир. Его разрешенное содержание в топливе согласно требованиям ТР ТС 013/2011 для класса 5 составляет не более 15 %.

Но, конечно, современное топливо отличается от первых нефтепродуктов не только этим. Повышение октанового числа (равно как и других характеристик топлива) — прежде всего технологическая задача, успешно решаемая нефтеперерабатывающей индустрией. В настоящее время ведущие нефтеперерабатывающие компании для получения качественного высокооктанового топлива применяют такие процессы как каталитический риформинг, сернокислотное алкилирование, низкотемпературная изомеризация и каталитический крекинг.

Вместе с тем, перед «локальными» производителями топлива всегда стоит дилемма — использовать дорогостоящие способы получения чистого высокооктанового топлива, либо добавление «условно-легальных» антидетонационных присадок в топливо среднего качества. Поначалу автовладелец может не почувствовать разницы. Ему и невдомек, что входящие в состав «эффективного антидетонатора» изоалкилкарбоксилаты лития способствуют образованию отложений в топливной аппаратуре и на впускных клапанах, а также ускоряют выход из строя катализаторов и кислородных датчиков.

Двигатели 21 века и топливо для них

В процессе более чем вековой эволюции, конструкция ДВС изменилась и усложнилась. Сочетание трех простых слов — мощность, экономичность, экологичность — выразилось в создании легких, термо- и энергоэффективных двигателей с высокой удельной мощностью, сравнительно малыми рабочим объемом и также небольшим объемом системы смазки. На смену карбюраторам пришел сначала центральный, потом распределенный, а потом и непосредственный впрыск топлива — с расположением топливной форсунки высокого давления прямо в цилиндре двигателя.

Благодаря высокоточному управлению впрыском, позволяющему двигателю в ряде режимов работать на сверхобедненной смеси, такие двигатели одновременно мощнее, экономичнее и экологичнее обычных. Аналогичная ситуация — и с современными дизельными двигателями с прецизионной топливной аппаратурой высокого давления и сложной системой снижения уровня вредных выбросов. Прибавьте к этому один или несколько турбокомпрессоров, и вы поймете, почему современные двигатели так чувствительны к качеству используемого топлива. Образование отложений в процессе сгорания топлива (чему и так способствует работа на обедненных смесях) способно не только нарушить работу форсунок, вызывая перебои в работе двигателя, но и вывести его из строя, что в условиях современного конструктива ДВС, не предусматривающего капитальные ремонты, ведет к замене агрегата.

Количество отложений в двигателе напрямую зависит от качества топлива. Основное влияние на уровень и скорость образования отложений на впускных клапанах, форсунках инжекторов оказывает именно компонентный состав топлива: чем больше в нем непредельных и ароматических углеводородов, тем быстрее происходит процесс смоло- и нагарообразования на деталях двигателя. Повышенное давление и высокая температура лишь ускоряют этот процесс. Для современных высоконагруженных двигателей все это действительно критично. Можно ли избавиться от смолистых отложений в камере сгорания, на клапанах, форсунках и других деталях силового агрегата? Разумеется, да. Наилучшие результаты в теории обещает полная переборка двигателя, однако это процедура долгая, дорогая и не всегда целесообразная с экономической точки зрения.

Специальные препараты, которые предполагается периодически заливать непосредственно в топливный бак, бывают как недостаточно эффективными, так и излишне агрессивными в плане химического воздействия на элементы топливной системы.

Мировая практика показывает, что есть более действенный и, самое главное, более комфортный для автовладельцев способ поддержания двигателя в чистоте. Общепринятая мировая практика борьбы с отложениями, которую рекомендуют ведущие производители автомобильной техники — использование топлива, уже содержащего в своем составе необходимый пакет многофункциональных моющих присадок, то есть, добавленных производителем топлива.

Что делать, если у автовладельца нет возможности заправить машину таким топливом? Производители рекомендуют добавлять необходимые присадки во время заправки. Вот, например, какие рекомендации дает Volkswagen по уходу и обслуживанию автомобиля:

Качество топлива влияет на эксплуатационные характеристики, КПД и срок службы двигателя. Поэтому используйте высококачественный бензин, который уже смешан поставщиком топлива с подходящими присадками к бензину, не содержащими металла. Присадки обеспечивают защиту от коррозии, очищают топливную систему и помогают предотвратить отложения на двигателе. Volkswagen рекомендует бензин с моющим средством высшего уровня. Если качественный бензин с моющими присадками, не содержащими металла, отсутствует или возникают неисправности двигателя, следует добавлять необходимые присадки во время заправки.

Правда и здесь авторы делают оговорку: не все присадки к бензину эффективны. Использование неправильных присадок может повредить двигатель и каталитический нейтрализатор. И советуют если и использовать такие добавки, то только те, что приобретались у официального дилера или в авторизованном сервисном центре.

В общем, если коротко — лучше не заниматься самодеятельностью, чтобы не испортить двигатель. Самый оптимальный вариант — заливать правильное топливо. То есть то, которое не только соответствует установленным экологическим нормам, но и очищает и защищает двигатель, тем самым обеспечивая его работу с расчетными характеристиками, и улучшая топливную экономичность. Именно такое топливо было разработано научно-исследовательской командой bp.

Как топливо защищает двигатель

Решением от технической команды bp после нескольких лет разработки и более чем 50 000 часов испытаний стали топлива BP Ultimate с технологией ACTIVE, которые не только соответствует всем требуемым нормативам, но уже изначально содержит необходимый набор компонентов для защиты двигателя. В линейку ACTIVE входят топлива BP Ultimate 100, BP Ultimate 95, BP Ultimate Diesel.

Независимо от типа, топливо BP Ultimate с технологией ACTIVE содержит миллионы активных молекул, работающих в качестве детергентов. Молекулы ACTIVE прикрепляются к отложениям, удаляя их с загрязненных деталей двигателя, например, впускных клапанов. Далее эти отложения просто сгорают в камере сгорания. Но и это еще не все. Молекулы ACTIVE формируют на очищенной поверхности деталей двигателя защитный слой, предотвращая формирование новых отложений.

Использование топлив BP Ultimate с технологией ACTIVE позволяет очистить двигатель от опасных отложений, снижая риск серьезной поломки и незапланированного ремонта. Вы можете быть уверены, что двигатель вашего автомобиля работает с максимальной, расчетной отдачей. Еще одно преимущество — экономичность. Проведенные сравнительные тесты показали, что пробег на одной заправке, например, на дизельном топливе BP Ultimate с технологией ACTIVE по сравнению с дизельным топливом ГОСТ 32511 способен увеличиться до 56 км.

Таким образом, автовладельцам нет необходимости задумываться об очищающих присадках — все необходимое для защиты двигателя вашего автомобиля вы получите вместе с топливом BP Ultimate с технологией ACTIVE в розничной сети bp в России.

Короткий ход поршня

Р удольф Дизель родился 18 марта 1858 года в семье Теодора Дизеля и Элис Штробель — эмигрантов из Германии, осевших во Франции и владевших небольшой переплетной мастерской в Париже. С самого раннего детства у Рудольфа проявился интерес к разным машинам и механизмам: излюбленным времяпровождением умного, послушного, аккуратного и трудолюбивого мальчика было посещение парижского Музея искусств и ремесел.

В 1870 году началась Франко-прусская война, и из-за роста антинемецких настроений Дизелям пришлось перебраться в Англию, где вскоре они оказались в нищете. На семейном совете было принято решение отправить Рудольфа в Германию, в семью брата, любезно согласившуюся принять племянника. Дядя Дизеля был профессором и преподавал математику в Королевском земском училище, куда в 1871 году пристроил и Рудольфа, заметив у того склонность к технике, а уже в 1873-м юноша его успешно закончил, опередив по успеваемости всех остальных учеников.

Затем Рудольф отправляется в Аугсбург, в Техническую школу, а через два года досрочно поступает в престижный Королевский баварский политехнический институт в Мюнхене. Во время учебы произошла судьбоносная для Дизеля встреча — его заметил один из преподавателей, профессор Карл фон Линде, помимо научной работы занимавшийся коммерцией, а именно созданием холодильного оборудования. В 1880 году, когда Дизель окончил институт, Линде пригласил его на работу в свою компанию на должность директора парижского филиала. В наше время Linde — одна из крупнейших и авторитетнейших в мире химических компаний, инжиниринговое подразделение которой занимается строительством «под ключ» крупнотоннажных химических производств, в том числе заводов по сжижению природного газа.

«Инженер все может»

Так ответил студент Рудольф Дизель на вопрос директора Высшей технической школы в Мюнхене профессора Бауэрфайнда о возможности создать двигатель внутреннего сгорания, способный заменить паровой. Теперь амбициозному молодому человеку предстояло доказать это на практике.

Читать еще:  График работы двигателя f16d3

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, поскольку воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания. Однако уже в 1824 году французский инженер Сати Карнопредложил более перспективную схему работы двигателя. По его мнению, следовало «сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу…». Эта схема, получившая наименование «цикла Карно», стала эталоном цикла теплового двигателя. Ее и попытался на практике реализовать Рудольф Дизель.

Забегая вперед, надо сказать, что у него это получилось не в полной мере: в дизелевском варианте в цилиндре сжималась не топливная смесь, а воздух, причем до запредельных для того времени значений.

Двенадцать лет проб и ошибок

А пока в течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, он постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру. В его качестве последовательно использовались аммиак, уголь и бензин, но все было безрезультатно.

В течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру

Помогла случайность. Использование воздуха в пневматической зажигалке для прикуривания сигар натолкнуло Рудольфа на мысль, что таким рабочим телом может стать сжатый воздух. «Не могу сказать, — писал позже изобретатель, — когда именно возникла у меня эта мысль. В неустанной погоне за целью, в итоге бесконечных расчетов родилась наконец идея, наполнившая меня огромной радостью: нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо и одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».

Основываясь на этом, Дизель разработал новую схему двигателя, в котором воздух должен был быть сжат с такой силой, чтобы при его соединении с топливом возникшая смесь воспламенилась до температуры 600–650 °С и в цилиндр начало поступать уже готовое для работы двигателя топливо.

Есть прототип!

В 1892 году Рудольф покидает компанию Линде и организовывает собственное предприятие, на котором в течение четырех лет изготавливает несколько опытных образцов. В том же году он получает свой первый патент № 67207 «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин», которым закрепил за собой право собственности на «рациональный тепловой двигатель», и издает книгу, в которой дает теоретическое обоснование созданной им конструкции такого двигателя. «Моя идея, — писал он семье в Мюнхен, — настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

«Моя идея настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

В 1897 году с третьей попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины». Кроме того, двигатель Дизеля работал на дешевых видах топлива вроде керосина и не имел системы зажигания.

Как удалось достичь такого очень высокого для того времени КПД? Главным образом за счет многократного увеличения давления сжатия с помощью специального компрессора — в двигателе англичанина Герберта Акройда-Стюарта, наиболее похожего по конструкции на дизелевский, оно равнялось шести атмосферам, а в устройстве Рудольфа достигало 36 атмосфер.

В связи с этим неоднократно вставал вопрос: кто первый изобрел ДВС, Стюарт или Дизель? Известно, что основные признаки современного дизельного двигателя — непосредственный впрыск топлива (без применения сжатого воздуха) и компрессионное зажигание. В 1890 году Стюарт получил патент № 7146 «Усовершенствование в работе двигателей при помощи взрыва воспламеняемых паров или смеси газа с воздухом». Но этот патент был дан только на компрессионное зажигание, о применении сжатого воздуха для воспламенения смеси там речи не шло.

В 1897 году попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины»

Спустя некоторое время Стюарт построил экспериментальный образец устройства, функционировавшего на бензине и проработавшего всего несколько часов. Дизель же патент на компрессионное зажигание получил только в 1892 году, но в отличие от Стюарта в его патент уже была включена идея о сжатом воздухе, которую позже, в 1897 году, он и воплотил. Так что если вести отсчет от идеи, то первенство в изобретении ДВС принадлежит, безусловно, Дизелю. А поскольку идею придумал он и он же построил реально работающий образец, то и сам двигатель стали называть по его фамилии. Топливо такого двигателя, состоит из керосиново-газойлевых фракций переработанной нефти и имеет высокую — 200–350 °С — температуру кипения, в дизельном двигателе оно самовоспламеняется при сильном сжатии. В бензиновом двигателе горючую смесь образуют бензин и воздух, она воспламеняется от искры зажигания.

Развитие изделия

Это был успех. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году изделие Дизеля произвело фурор, началась массовая скупка лицензий на производство его двигателей. Однако в начале промышленного изготовления дизелевских двигателей возникли серьезные трудности: первые партии оказывались бракованными, часто ломались и выходили из строя, на многих заводах не было необходимого оборудования и рабочей силы нужной квалификации.

Постепенно болезни роста были преодолены, и двигатель Дизеля стал постепенно использоваться во многих сферах жизнедеятельности, связанных с техникой. А его изобретатель стал миллионером. Дизеля стали приглашать повсюду — во Францию, Швейцарию, Австрию, Бельгию, Россию, Америку… Особый интерес к нему был проявлен в России. Уже в 1898 году Людвиг Нобель, купив у Дизеля лицензию на двигатель, организовал его производство на своем заводе в Санкт-Петербурге (сейчас это известное на всю страну предприятие «Русский дизель»).

Устройство быстро завоевало популярность и стало использоваться всюду — на электростанциях, водонапорном оборудовании, с его помощью освещались крупные магазины и центральные улицы Санкт-Петербурга и других известных городов Российской империи.

Велись работы по его модификации. Известный русский инженер Вадим Аршаулов создал так называемый русский дизель, который, в отличие от своего прототипа, работал на нефти, а не на керосине, и имел топливный насос высокого давления, работавший от сжатого в цилиндре воздуха. На Путиловском заводе инженер Густав Тринклер построил «Тринклер-мотор», который отличался от дизелевского варианта тем, что не имел воздушного компрессора для накачки воздуха, его роль играла гидравлическая система для нагнетания и впрыска топлива.

Дизеля наконец-таки признали и на родине: сам кайзер Вильгельм II вручил ему диплом о присвоении почетного звания доктора-инженера и пригласил в оборонные проекты. Занялся Дизель и совершенствованием конструкции реверсивного судового четырехтактного мотора и созданием двигателя для грузовых автомобилей.

Закат

Дизель жил на широкую ногу. Построил в Мюнхене дворец стоимостью 900 тысяч марок, покупал нефтяные участки в Баварии, где, как выяснялось потом, не было нефти, широко и необдуманно спекулировал акциями, вкладывал деньги в католические лотереи. В итоге финансовые дела стали настолько плохи, что, как пишут его биографы, «пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом».

Нервы Дизеля были издерганы постоянными нападками недоброжелателей и конкурентов, среди которых были как малоизвестные инженеры, так и могущественные люди вроде угольных и нефтяных магнатов, постоянно таскавшие его по судам по обвинениям в плагиате и других неблаговидных поступках.

Характерный пример — намерение его ярого противника профессора Людерса издать книгу под названием «Миф Дизеля», пытаясь доказать, что ничего нового в его изобретении нет, поскольку основа работы его двигателя была известна и раньше, а сам Дизель присвоил себе чужие заслуги.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней

Третьи вспоминали «нобелевскую» историю: незадолго до своей смерти, изобретатель обратился с письмом к председателю Нобелевского комитета Эммануилу Нобелю, в котором намекал на возможность получения Нобелевской премии за свое изобретение, рассчитывая, таким образом, поправить свои финансовые дела и заодно напомнив всем о себе. Но тот отказал. И это ввергло Дизеля в пучину черной депрессии.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней. Когда он погиб, его жена вспомнила странную фразу, которую он как-то обронил: «Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим». Затем он поехал в Баварские Альпы, где участвовал в опасных горных путешествиях и рискованных мероприятиях.

29 сентября 1913 года, в Антверпене 55-летний Рудольф Дизель и еще двое его друзей сели на паром «Дрезден», идущий в Англию, где он собирался работать инженером-консультантом на одном из двигателестроительных заводов. И ночью пропал. А через десять дней в Северном море рыбаки выловили труп. В одежде были найдены некоторые личные вещи, и сын Дизеля подтвердил, что они принадлежали его отцу.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector