Диаграмма искры зажигания Элементы тепловой теории зажигательной искрой

Все двигатели внутреннего сгорания имеют одну общую черту — сгорание топлива происходит после всасывания свежей смеси или воздуха и последующего сжатия. В поршневых двигателях это происходит, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ). Результатом является повышение давления, которое через поршень и шатун передается на коленчатый вал в виде крутящего момента (рис. «Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания» ). Вот о том, как происходит образование смеси в бензиновых двигателях, мы и поговорим в этой статье.

Последовательность сжатия и последующего сгорания топлива, с одной стороны, оказывает значительное влияние на характеристику давления и, следовательно, на к.п.д. и выходной крутящий момент. С другой стороны, эта последовательность определяет процесс образования токсичных продуктов горения. В этом отношении бензиновые и дизельные двигатели отличаются способом управления процессами.

В бензиновом двигателе (SI) про­цесс сгорания топлива инициируется внеш­ним зажиганием. Поджог сжатой топливо­воздушной смеси в нужный момент времени осуществляется системой зажигания. Зажи­гание осуществляется электрической искрой, образуемой между электродами свечи зажи­гания в камере сгорания. Вот о том, как устроена система зажигания в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Стабильное, надежное зажигание при лю­бых условиях абсолютно необходимо для обеспечения бесперебойной работы двига­теля. Сбои в системе зажигания вызывают:

Мотор-тестер позволяет детально продиагностировать состояние высоковольтной части системы зажигания по анализу осциллограммы вторичного напряжения. Цифровой осциллограф, который является основой современного мотор-тестера, способен отображать диаграмму высокого напряжения системы зажигания в реальном времени. Кроме того, встроенное программное обеспечение рассчитывает параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры. Научившись читать осциллограммы, можно понять какие процессы происходят в системе зажигания двигателя и быстро вычислить неисправность. В этой статье рассмотрим подробно анализ каждого участка осциллограммы вторичного напряжения, процессы зарождения и горения искры, а также типичные неисправности системы зажигания. Статья содержит большое количество изображений, за что я выражаю благодарность специалистам фирмы Quantex Laboratory. Типичная осциллограмма вторичного напряжения исправной системы зажигания.

В этой точке начинает заряжатся катушка энергией.

Промежуток времени, которое заряжается катушка

Момент отсечки или “насыщения” катушки

Типичный пример ВАЗовских контроллеров, когда момента “насыщения” не видно.

А вот этот случай уже дефект.

Высокий пик на осциллограмме – это момент пробоя воздушного промежутка искрой.

Чем плотнее заряд топливно-воздушной смеси, тем больше требуется напряжения для пробития искрового промежутка. Напряжение пробоя повышается, если:

Напряжение пробоя понижается, если:

Такая осциллограмма возникает из-за дефекта высоковольтных проводов.

Незначительный дефект вторичной цепи

Зачастую спорадические проявления неисправности можно выявить только при резкой перегазовке, когда напряжение пробоя достигает максимальных значений. На осциллограмме ниже дефект, который может проявляться, когда “шьет” свеча или высоковольтный провод.

Характерная “полочка” на осциллограмме – линия искры. Типичное время горения искры 0,8 – 1,5 мс.

Закон сохранения энергии в действии.

На холостом ходу линия искры практически ровная.

При резком открытии дроссельной заслонки увеличивается поток воздуха в цилиндре и повышается турбулентность, которую хорошо видно по шумам на линии искры.

Типичный дефект, когда искра стекает по угольной дорожке колпачка.

Чрезвычайно важный участок осциллограммы для диагностики катушки зажигания.

Типичный дефект катушки зажигания- межвитковое замыкание.

ВАЗовские катушки в связи с низкой индуктивностью имеют малое количество колебаний, что не является дефектом.

Теперь что касается диагностики систем зажигания с индивидуальными катушками. Для проверки можно подключится щупом к первичной цепи зажигания или же использовать индуктивный датчик. Я использую в своей работе последний вариант, при чем в качестве датчика у меня используется датчик положения коленчатого вала ВАЗ. Осциллограммы снятые с помощью индуктивного датчика немного отличаются от тех, которые снимаются емкостным датчиком. Типичные примеры приведены ниже:Это нормальный разряд.

Такой пробой в катушке обычно возникает при резком открытии дроссельной заслонки:

Это осциллограмма полностью не рабочей катушки:

Это катушка имеет межвитковое замыкание. Может работать, но обычно под нагрузкой пробивает:

Еще один вариант высоковольтного пробоя. Кстати его очень легко спутать с пробоем свечи зажигания.

Смесеобразование и энергия зажигания

Электрическая искра между электродами свечи зажигания создает высокотемператур­ную плазму. При наличии смеси соответству­ющего состава в области свечи зажигания и при подаче системой зажигания достаточ­ного количества энергии дуга создает фронт пламени, который затем распространяется независимо.

Система зажигания должна обеспечивать этот процесс при любых условиях работы двигателя. При идеальных условиях, когда топливно-воздушная смесь неподвижна, од­нородна и имеет стехиометрический состав, для каждого отдельного процесса зажига­ния требуется количество энергии, равное 0,2 мДж. В реальных условиях работы двига­теля требуется значительно больше энергии. Некоторая часть энергии искры преобразу­ется во время пробоя, а оставшаяся часть — во время горения искры.

При увеличении зазора между электро­дами искра увеличивается, однако для этого требуется более высокое напряжение за­жигания. При бедной топливно-воздушной смеси или на двигателях с наддувом также требуется увеличенное напряжение зажига­ния. При данном уровне энергии продолжи­тельность искры при увеличении напряже­ния зажигания уменьшается. Как правило, более продолжительная искра стабили­зирует процесс горения топлива; неодно­родность смеси в области свечи в момент зажигания может быть скомпенсирована за счет увеличения продолжительности искры Турбулентность топливно-воздушной смеси, подобная турбулентности, имеющей место в режиме послойного распределения заряда топлива, может вызвать значительное от­клонение искры, приводящее к ее погаса­нию. Для повторного зажигания топливно-воздушной смеси требуются многоискровые системы зажигания.

Необходимость в более высоких напря­жениях зажигания, большей продолжитель­ности искры и обеспечении многоискрового зажигания вызвала создание систем с более высокой энергией зажигания. Недостаточная энергия зажигания является причиной про­пусков зажигания топлива. Поэтому система зажигания должна обеспечивать достаточное количество энергии при любых условиях ра­боты двигателя.

Эффективное распыление топлива и сво­бодный доступ топливно-воздушной смеси к искре повышают воспламеняемость смеси и способствуют увеличению продолжительности и длины искры. Расположение и длина искры определяются размерами свечи зажигания. Продолжительность искры зависит от типа и конструкции системы зажигания, а также от условий в камере сгорания. В зависимости от особенностей двигателя (впрыск топлива во впускной трубопровод, прямой впрыск то­плива или наличие наддува) требуемая энергия искры составляет от 30 до 100 мДж.

Образование токсичных продуктов и сниже­ние содержания токсичных продуктов в вы­бросах двигателей с искровым зажиганием

Кроме таких неизбежных продуктов горения, как диоксид углерода (СO2) и вода (Н2O), концентрация которых зависит от состава топлива, основными составляющими вы­бросов двигателей с искровым зажиганием являются оксиды азота (NOх), несгоревшие углеводороды (НС) и оксид углерода (СО) (см. рис. «Выбросы бензиновых двигателей» ). Меньшее значение имеют сажа и оксиды серы.

Для образования оксидов азота (NOх) требуется наличие четырех факторов: кисло­рода, азота, высоких температур и времени. Поскольку содержание кислорода и азота определяется составом топлива, а время, необходимое для образования оксидов — величиной оборотов двигателя, снизить содер­жание оксидов азота в выбросах бензиновых двигателей можно только за счет снижения температуры в камере сгорания (например, путем сдвига момента зажигания в сторону запаздывания или за счет охлаждения путем рециркуляции отработавших газов).

Повышенное содержание в выбросах угле­водородов (НС) и оксида углерода (СО) явля­ется результатом неполного сгорания смеси. Так, повышенное содержание НС и СО имеет место при работе двигателя на богатой смеси, в условиях недостатка кислорода. При работе на бедной смеси с соответствующим сниже­нием температуры пламени имеет место бо­лее интенсивное затухание пламени, прежде всего вблизи стенок цилиндра, сопровожда­ющееся увеличением содержания в выбросах НС. В то же время, за счет избытка кислорода имеет место снижение содержания СО.

Выброс сажи имеет место в двигателях, работающих на гомогенной смеси, только в случае очень сильного обогащения смеси. Содержание в выбросах соединений серы за­висит от состава топлива.

Благодаря современным системам очистки отработавших газов, современные двигатели с искровым зажиганием, при условии достижения рабочей температуры каталитического нейтра­лизатора, становятся моторами, практически не дающими вредных выбросов. Трехступенчатые каталитические нейтрализаторы, работая при λ = 1, снижают выбросы оксидов азота, одновременно окисляя молекулы НС и СО. Работа двигателя на бедной смеси требует иного под­хода.

В этом случае на двигатели с послойным распределением заряда топлива, как правило, устанавливаются каталитические нейтрализа­торы с нейтрализацией NOх. Эти нейтрализаторы накапливают оксиды азота. Периодическая ра­бота двигателя на обогащенной смеси при высоких температурах уменьшает количество накопленных оксидов азота. Поскольку ката­литические нейтрализаторы с накоплением NOx чувствительны к загрязнению соединениями серы, необходимо периодически выполнять ци­клы десульфатации, заключающиеся в работе двигателя на несколько обогащенной смеси при температурах свыше 600 °С.

Системы зажигания двигателя

На современных автомобилях системы зажи­гания почти всегда представляют собой часть системы управления двигателем.

Автоном­ные системы зажигания в настоящее время используются только в некоторых случаях (например, на автомобилях с двигателями малого рабочего объема). В основном приме­няются системы распределения статического высокого напряжения с отдельными катуш­ками зажигания для каждого цилиндра (ин­дуктивные системы зажигания, см. рис. «Система зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндра» ). Значительно реже (на малолитражных дви­гателях) используются системы зажигания на основе высоковольтных конденсаторов (емкостное зажигание) или специальные кон­струкции, такие как магнето. В следующем разделе будут рассмотрены только системы с использованием катушек зажигания.

Техника безопасности при работе с системой зажигания

Все электронные системы зажигания являются системами высокого напряжения. Во избежание любых рисков, перед тем как приступить к работам по обслуживанию систем зажигания всегда выключайте зажигание или отсоединяйте аккумуляторную батарею. Такие работы могут включать:

Производя проверку системы зажигания, помните, что при включенном зажигании в системе присутствуют опасные высокие сопряжения. Все работы должны выполняться только квалифицированным персоналом.

Индуктивные системы зажигания

Контур индуктивной системы зажигания (см. рис. «Структура контура зажигания в системе с отдельными катушками зажигания для каждого цилиндра» ) включает:

Перед требуемым моментом зажигания за­дающий (усилительный) каскад открывается, и через первичную обмотку катушки начинает протекать электрический ток, источником ко­торого является электрическая система авто­мобиля. В течение времени протекания тока по первичной обмотке (период протекания тока), в первичной обмотке создается магнитное поле.

В момент зажигания электрический ток че­рез первичную обмотку снова прерывается, и энергия магнитного поля разряжается через вторичную обмотку катушки зажигания. В ходе этого процесса во вторичной обмотке генери­руется высокое напряжение, которое, в свою очередь, генерирует искру на свече зажигания. Требуемое напряжение зажигания на свече всегда должно быть меньше максимального возможного напряжения, которое может соз­дать система.

После электрического пробоя оставшаяся часть энергии преобразуется на свече зажи­гания в течение периода горения искры.

Функции индуктивной системы зажигания

Основными функциями индуктивной си­стемы зажигания являются:

Определение момента зажигания

Текущий момент зажигания определяется в каждом случае программным образом, в за­висимости от условий работы и эффективной выходной мощности двигателя.

Определение периода протекания электри­ческого тока

Требуемая энергия зажигания должна быть доступна в момент зажигания. Количество на­копленной энергии зависит от силы электри­ческого тока протекающего через первичную обмотку катушки (тока отсечки) и индуктив­ности первичной обмотки. Сила тока отсечки, в основном, зависит от времени протекания тока через первичную обмотку и от напряжения в электрической системе автомобиля. Значения периодов протекания тока, требуемых для до­стижения желаемого тока отсечки, содержатся в характеристических кривых или программных таблицах в функции напряжения в установив­шемся состоянии. Также может быть предусмо­трена коррекция периода протекания тока в пер­вичной обмотке в зависимости от температуры

Инициирование зажигания

Система инициирования зажигания обеспе­чивает возникновение искры в соответствую­щем цилиндре в нужный момент времени с требуемым уровнем энергии зажигания. В системах зажигания с электронной систе­мой управления на коленчатом вале закре­плен импульсный зубчатый диск (обычно 60 зубцов) с установочной меткой, который сканируется генератором импульсов индук­тивного типа (датчиком). По сигналу датчика блок управления вычисляет угол поворота коленчатого вала и моментальную скорость вращения коленчатого вала. Катушка зажи­гания может быть включена и выключена при любом требуемом положении коленча­того вала. Для системы также требуется до­полнительный фазовый сигнал положения распределительного вала для однозначной идентификации цилиндра.

Для каждого процесса сгорания топлива блок управления вычисляет момент вклю­чения, исходя из желаемого момента зажи­гания, периода протекания электрического тока и текущей частоты вращения коленча­того вала, и в этот момент включает задаю­щий (усилительный) каскад. Выключение задающего каскада в соответствии с требуе­мым моментом зажигания, производится по истечении периода протекания тока или по достижении требуемого угла поворота колен­чатого вала.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Искровое зажигание

Электрическая искра может возникнуть на свече зажигания только по достижении необхо­димого напряжения зажигания (см. рис. «Напряжение на свече зажигания при статической или полустатической топливной смеси» ). На­пряжение зажигания зависит от зазора между электродами свечи зажигания и плотности топливно-воздушной смеси на момент зажига­ния. После электрического пробоя напряжение на свече зажигания снижается до напряжения горения искры. Напряжение горения искры за­висит от длины искры (определяемой зазором между электродами и отклонением искры по­током топливно-воздушной смеси).

В течение времени горения искры энергия, запасенная в системе зажигания, преобразу­ется в искру зажигания. Затем искра гаснет, и напряжение спадает до нуля.

Предотвращение детонации

Электронные системы управления моментом опережения зажигания дают возможность точ­ного регулирования угла опережения зажигания в зависимости частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, температуры и т.д. Тем не менее, даже при отсутствии специальной системы кон­троля детонации должны быть предусмотрены средства предельно допустимых значений угла опережения зажигания.

Это необходимо, чтобы даже в экстремальных условиях, касающихся допусков изготовления, износа двигателя, окружающих условий, каче­ства топлива и т.д., ни в одном из цилиндров не могла возникать детонация. В результате прихо­дится снижать степень сжатия и сдвигать момент опережения зажигания в сторону запаздывания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению крутящего момента двигателя.

Этих недостатков позволяет избежать си­стема контроля детонации. Опыт показывает, что эта система позволяет увеличить степень сжатия, значительно снизить расход топлива и повысить крутящий момент. В настоящее время требуемая коррекция угла опережения зажигания должна быть определена не для наи­худших, а, напротив, для наилучших возможных условий (например, для минимального разброса допусков, наилучшего качества топлива, для ци­линдра, менее всего склонного к детонации и т.д.). Теперь на протяжении всего срока службы двигателя стало возможным управлять каждым отдельным цилиндром таким образом, чтобы при любых условиях он работал вблизи порога детонации, т.е. с максимальной возможной эффективностью. Для создания такой системы особенно важно иметь надежный метод опреде­ления детонации. Этот метод должен позволять определять детонацию в каждом цилиндре во всем диапазоне условий работы двигателя, на­чиная с определенной интенсивности детонации.

Система контроля детонации

Система контроля детонации (см. рис. «Блок-схема системы защиты двигателя от детонации» ) включает:

Датчик детонации

Типичным симптомом детонации является вы­сокочастотная вибрация, накладывающаяся на кривую низкого давления в камере сгорания. Лучше всего эта вибрация определяется непо­средственно в камере сгорания при помощи датчиков давления.

Однако, поскольку уста­новка датчиков давления в головке блока ци­линдров для каждого цилиндра все еще связана с высокими дополнительными затратами, эти вибрации обычно определяются при помощи датчиков детонации, устанавливаемых снаружи двигателя. Эти датчики представляют собой пье­зоэлектрические датчики ускорения (см. рис. «Датчик детонации» ), воспринимающие детонационную вибрацию и преобразующие ее в электрический сигнал.

Существуют датчики детонации двух ти­пов: широкополосный датчик с типичной полосой частот от 5 до 20 кГц и резонанс­ный датчик, передающий сигнал детонации только одной резонансной частоты. Гибкая система оценки сигнала в блоке управления дает возможность оценки различных или не­скольких резонансных частот при помощи одного широкополосного датчика детонации. Это повышает надежность системы, в связи с чем в настоящее время в основном приме­няются широкополосные датчики детонации.

Для надежного определения детонации во всех цилиндрах и при любых условиях работы двигателя количество и расположение датчиков детонации необходимо определить для каждого типа двигателя. На четырехцилиндровых ряд­ных двигателях обычно устанавливают один или два датчика детонации, на 5- и 6-цилиндровых двигателях — два, а на 8- и 12-цилиндровых дви­гателях — четыре датчика детонации.

Оценка сигнала датчика детонации

Специальный блок оценки сигнала в блоке управления обрабатывает сигнал широко­полосного датчика детонации и генерирует показательную переменную для каждого процесса сгорания топлива. Эта чрезвычайно гибкая система оценки сигнала, использую­щая широкополосный датчик детонации, дает значительно лучшие результаты по сравне­нию с резонансным датчиком детонации. Это связано с тем, что резонансный датчик передает только одну резонансную частоту для анализа состояния всех цилиндров при любых условиях работы двигателя.

Детектирование детонации

Переменная величина, генерируемая блоком оценки сигнала, классифицируется в алго­ритме детектирования детонации как «де­тонация» или «отсутствие детонации» для каждого цилиндра и каждого процесса сго­рания топлива. Это выполняется посредством сравнения величины переменной, характери­зующей текущий процесс сгорания топлива с переменной, представляющей процесс без детонации.

Адаптивная система регулирования угла опережения зажигания

В случае детектирования детонации в цилин­дре момент опережения зажигания для этого цилиндра сдвигается в сторону запаздывания (см. рис. «Система контроля детонации» ).

Когда детонация прекращается, угол опережения зажигания возвращается к исходному значению. Алгоритмы детектирования детонации и регулирования угла опережения зажигания согласованы таким образом, чтобы исключить слышимую и вредную для двигателя детонацию, несмотря на то, что каждый цилиндр работает вблизи предела детонации в пределах диапазона оптимальной эффективности.

В реальных условиях работы двигателя имеют место различные пределы детонации для отдельных цилиндров, что требует для них различных моментов опережения зажигания. Для адаптации момента опережения зажигания к пределу детонации значения запаздывания опережения зажигания для каждого цилиндра и для каждой рабочей точки двигателя записы­ваются в память блока управления. Эти значе­ния для различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала заносятся в программные таблицы, которые хранятся в энергонезависи­мом запоминающем устройстве и в ОЗУ с по­стоянным питанием. Таким образом, двигатель может работать без детонации с оптимальной эффективностью в любой рабочей точке, а также в условиях быстрого изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Эта адаптация позволяет даже использовать бензин с более низким октановым числом.

Двигатель с искровым зажиганием

Характерной чертой бензиновых двигателей является использование внешнего источника зажигания, обычно электродной свечи зажигания. В идеальном случае имеет место образование надлежащей топливовоздушной смеси, что обеспечивает требуемую воспламеняемость. Это достигается за счет внешнего смесеобразования (впрыск топлива во впускной трубопровод) или внутреннего смесеобразования (прямой впрыск топлива).

Момент зажигания

Начало сгорания топлива в двигателе вну­треннего сгорания определяется моментом зажигания. Момент зажигания всегда ука­зывается относительно верхней мертвой точки поршня. Самый ранний возможный момент зажигания определяется пределом возникновения детонации, а самый позд­ний — пределом воспламеняемости смеси или максимальной допустимой температу­рой отработавших газов. Момент зажигания оказывает влияние на:

Базовая точка зажигания

Скорость распространения фронта пламени в камере сгорания увеличивается при уве­личении заряда смеси в цилиндре и частоты вращения коленчатого вала. Для создания максимального крутящего момента двига­теля максимальная скорость сгорания и, следовательно, максимальное давление продуктов горения должны достигаться вскоре после прохождения поршнем верх­ней мертвой точки (см. рис. «Характеристика давления в камере сгорания в зависимости от момента опережения зажигания» ). Следова­тельно, зажигание должно происходить до верхней мертвой точки, и момент зажигания должен сдвигаться в сторону опережения по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала или уменьшения заряда смеси.

Коррекция момента опережения зажигания в зависимости от условий работы двигателя

Осуществляя управление моментом опереже­ния зажигания, электронные системы управ­ления двигателем, кроме частоты вращения коленчатого вала, могут учитывать и другие факторы. Базовый момент опережения зажига­ния может быть изменен посредством аддитив­ных коррекций или, для определенных рабочих точек или диапазонов, заменен в соответствии со специальными программными таблицами. В качестве примеров аддитивной коррекции можно привести коррекцию момента опереже­ния зажигания для предотвращения детонации, или при работе двигателя с системой прямого впрыска топлива на бедной смеси и во время прогрева. Примерами использования специаль­ных значений угла опережения зажигания или программных таблиц является коррекция угла опережения зажигания в режиме послойного распределения заряда смеси и во время пуска двигателя. Окончательная реализация зависит от архитектуры блока управления двигателем.

Состав отработавших газов и расход топлива

Момент опережения зажигания оказывает значи­тельное влияние на состав отработавших газов. Однако различные критерии оптимизации, такие как состав отработавших газов, расход топлива, динамика автомобиля и т.д., не всегда могут быть совместимы, поэтому определить «идеальный» момент опережения зажигания не всегда пред­ставляется возможным.

Изменения момента опережения зажигания вызывают взаимно противоположные измене­ния расхода топлива и состава отработавших газов (см. рис. «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на состав отработавших газов» и «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на расход топлива и крутящий момент» ). При увеличении опереже­ния зажигания возрастает мощность двигателя, снижается расход топлива, но также увеличи­вается содержание в отработавших газах угле­водородов и особенно оксидов азота. Слишком большое опережение зажигания может приве­сти к детонации двигателя и, как следствие, к его выходу из строя. Позднее зажигание приводит к повышению температуры отработавших газов, что также негативно влияет на работу двигателя.

Системы электронного управления работой двигателя по программируемым зависимостям изменения момента опережения зажигания обе­спечивают его корректировку в соответствии с изменениями таких параметров, как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, темпера­тура и т.п. Также электронные системы могут использоваться для получения оптимального сочетания взаимоисключающих параметров.

Образование смеси в бензиновых двигателях

В основном приготовление однородной смеси осуществляется на двигателях с искровым зажиганием, т.е. всасываемый воздух полно­стью смешивается с испаряемым и распы­ленным топливом во время тактов впуска и сжатия. Превосходная испаряемость бензина позволяет впрыскивать его во впускной трубо­провод. С другой стороны, современные дви­гатели с послойным распределением заряда топлива характеризуются частично гетероген­ным смесеобразованием.

На процесс смесеобразования оказывают значительное влияние условия испарения то­плива, давление впрыска, движение заряда топлива в цилиндре и время, необходимое для гомогенизации смеси. В сущности, сме­сеобразование связано с взаимодействием двух процессов: испарение капелек топлива, вызванного разностью температур (см. рис. «Испарение топлива» ) и их расщепления под действием аэродина­мических сил (см. рис. «Образование капель топлива» ). Здесь различают впрыск топлива во впускной трубопровод и прямой впрыск топлива (см. табл. «Приготовление рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием» ).

Впрыск топлива во впускной трубопровод

В случае впрыска топлива во впускной трубопро­вод перед впускным клапаном создается пленка топлива, масса которой уменьшается по мере воз­растания скорости движения воздуха. Эта скорость движения воздуха линейно изменяется в зависимости от скорости вращения двигателя. Вслед­ствие низкой температуры и неполного испарения топлива во впускном трубопроводе с образованием в результате топливной пленки, впрыск топлива во впускной трубопровод происходит при очень низ­ком давлении впрыска, менее 10 бар.

Динамика поведения сцепленной со стенками впускного трубопровода пленки и механизмы, действующие во время испарения, являются одними из главных причин неточного дозиро­вания топлива, прежде всего во время работы двигателя в переходных режимах. Внутренней части цилиндра достигают только капли то­плива малого размера, захваченные потоком воздуха (см. рис. «Образование капель топлива» ). Типичный диаметр капель составляет 30 мкм. Ускорение капель пропор­ционально скорости движения капель относительно воздуха в зависимости от их диаметра.

Очень высокая степень турбулентности и высокие скорости потока дают очень хорошее смесеобразование. По мере развития процесса испаряются оставшиеся капли топлива малого размера. Топливо приобретает температуру смеси (см. рис. «Испарение капель топлива» ), и происходит гомогениза­ция смеси. За счет оптимальной конструкции камеры сгорания предотвращается интенсив­ный контакт топлива с ее стенками, всегда при­водящий к риску конденсации.

Прямой впрыск топлива

В системах прямого впрыска топлива (бен­зина) механизмы смесеобразования в зазоре клапана не используются. Поэтому здесь тре­буется более высокое давление впрыска, от 50 до 100 бар. Для обеспечения достаточного для гомогенизации времени впрыск произво­дится не позже момента достижения порш­нем нижней мертвой точки.

Затем впрыснутая смесь сжимается, в зависимости, прежде всего, от положения дроссельной заслонки и степени сжатия двигателя до уровня давления от 10 до 40 бар. Это соответствует уровню температуры от 300 до 500 °С, в зависимости, прежде всего, от степени сжатия. В гетерогенных процессах впрыск производится только в конце фазы сжатия.

Преимущество прямого впрыска топлива заключается в его точном дозировании. Про­цесс испарения топлива в камере сгорания также требует надлежащего охлаждения заряда топлива в цилиндре. Это позволяет повысить степень сжатия примерно на одну единицу, что дает повышение к.п.д. двига­теля.

Во всех процессах сгорания окисление топлива происходит только в конце фазы сжатия и в начале фазы расширения.

Управление нагрузкой двигателей с искровым зажиганием

В двигателях с гомогенным зарядом топлива нагрузка регулируется путем изменения массы впрыскиваемого топлива. Соответ­ствующий массовый расход воздуха, тре­буемый для работы при λ = 1, регулируется путем изменения положения дроссельной заслонки. Этот процесс известен под на­званием количественного контроля. При работе в диапазоне частичных нагрузок это вызывает индукционное дросселирование, оказывающее неблагоприятное влияние на общий к.п.д. двигателя. Этот недостаток может быть частично скомпенсирован за счет изменения синхронизации клапанов. Типичные меры включают опережение или запаздывание момента закрытия впускного клапана, уменьшение высоты подъема кла­пана или запаздывание момента закрытия вы­пускного клапана.

В качестве альтернативной меры, с целью снижения дросселирования, возможно использование рециркуляции отра­ботавших газов. На бензиновых двигателях с турбонаддувом скорость воздушного потока и, соответственно, массовый расход топлива ре­гулируются в верхнем диапазоне нагрузок, как правило, путем изменения положения регуля­тора давления наддува на турбонагнетателе (см. «Турбонагнетатели отработавших газов» ), В двигателях с послойным зарядом то­плива нагрузка регулируется путем изме­нения массы впрыскиваемого топлива. Это называется качественным контролем. Изме­нение состава топливовоздушной смеси по признаку однородности/неоднородности в диапазоне средних нагрузок требует слож­ных инженерных решений и увеличения рас­ходов на разработки.

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием

Как при гомогенном, так и при частично гетерогенном смесеобразовании фактиче­скому сгоранию топлива предшествует ста­дия зажигания.

Зажигание обычно осуществляется при по­мощи электродной свечи зажигания. При подаче высокого напряжения происходит электрический пробой с образованием искры между электродами свечи, зависящий от со­стояния смеси (т.е. ее давления, температуры и состава). Как правило, величина высокого напряжения составляет более 10 кВ. Требуе­мая величина высокого напряжения опреде­ляется прежде всего количеством молекул между электродами. Зажженная свечой зажи­гания смесь в процессе сгорания должна вы­свободить количество энергии, достаточное для зажигания смеси, непосредственно примыкающей к области начального зажигания.

При обеднении смеси количество заключен­ной в ней энергии (при неизменном зазоре между электродами свечи) уменьшается. Это сопровождается увеличением потребности в энергии, необходимой для зажигания окружа­ющей, также бедной смеси. Путем увеличения зазора между электродами можно увеличить объем смеси, поджигаемой свечой, и тем са­мым повысить величину энергии. Однако, уве­личение зазора между электродами требует увеличения напряжения зажигания. Таким образом, эта потребность возрастает при обе­днении смеси или при увеличении нагрузки. В случае увеличения нагрузки одновременно снижается продолжительность искры, в то время как требуемая величина высокого на­пряжения возрастает (см. рис. «Продолжительность искры и требуемое напряжение зажигания» ).

В связи с тепловыми потерями на электро­дах свечи, потерями на тепловую конвекцию и циклическими изменениями состояния смеси энергия зажигания превышает теоре­тическую минимальную энергию не более чем на один порядок величины (см. рис. «Минимальная энергия искры пропано-воздушной смеси» ). Стохастические изменения состояния между электродами (поля потока и состояния смеси) являются основной причиной значи­тельных циклических изменений состояния на двигателях с искровым зажиганием. Эту ситуацию можно улучшить путем увеличения зазора между электродами. На современных двигателях эта величина уже составляет бо­лее 1 мм. Увеличение зазора между электро­дами вызывает необходимость в увеличении напряжения зажигания, что в свою очередь, приводит к повышенному износу электродов.

Целью зажигания является поджигание топливовоздушной смеси и, тем самым, инициация фактического процесса сгорания топлива. В зависимости скорости последую­щего сгорания топлива и скорости движения поршня (т.е. величины оборотов двигателя), момент зажигания должен соответствующим образом изменяться (см. рис. «Диаграмма момента зажигания» ).

Процессы сгорания гомогенных смесей

В двигателях с искровым зажиганием, рабо­тающих при гомогенном смесеобразовании, зажигание инициирует фактический процесс сгорания топлива. Пламя распространяется от свечи зажигания. При это можно опреде­лить скорость фронта пламени, равную сумме скоростей пламени и фронта пламени (дви­жения заряда топлива, расширения, вызван­ного разностью плотностей). Для двигателей с искровым зажиганием, работающих при гомогенном смесеобразовании, поскольку пламя непрерывно распространяется наружу, можно провести различие между сгоревшей и несгоревшей смесью (см. рис. «Распространение пламени и сгорание предварительно перемешанной смеси» ).

Для того чтобы пламя достигло радиуса около одного сантиметра и беспрепятственно распространялось от углубления в поршне и головки цилиндра со скоростью, значительно превышающей 10 м/с, требуется несколько миллисекунд. Решающим фактором здесь является скорость распространения пламени, также называемая турбулентной скоростью пламени. Чем быстрее распространяется пламя, тем лучше происходит сгорание то­плива внутри двигателя. Высокой скорости распространения пламени способствуют следующие факторы: низкое содержание инертных газов, повышение температуры несгоревшей смеси, повышение давления и высокий уровень турбулентности.

Для большинства видов топлива макси­мальная скорость распространения пламени достигается при работе двигателя на несколько обогащенной смеси (λ = 0,85-0,9). Дополни­тельным преимуществом несколько обога­щенной смеси является эффект охлаждения, обеспечиваемый избытком топлива. Поэтому двигатели спортивных и легковых автомо­билей в диапазоне номинальных мощностей работают с несколько обогащенной смесью. Увеличение содержания инертных газов сни­жает скорость распространения пламени. Практическим применением регулирования содержания инертных газов является система рециркуляции отработавших газов (EGR), в которой отработавшие газы с основными со­ставляющими СO2, Н2O и N2 добавляются в топливовоздушную смесь. Существует эмпи­рическое правило, в соответствии с которым при степени рециркуляции 10 % скорость распространения пламени снижается на 20 %.

Причиной, по которой современные двига­тели с искровым зажиганием, тем не менее, могут работать высокой степенью рецирку­ляции отработавших газов, является влияние температуры. Увеличение температуры в два раза повышает скорость распространения пламени в четыре раза.

Давление в цилиндре оказывает меньшее влияние; повышение давления вызывает не­большое увеличение скорости распростране­ния пламени.

Самое большое влияние на скорость рас­пространения пламени оказывает уровень турбулентности в камере сгорания. Ско­рость распространения пламени изменяется приблизительно пропорционально интен­сивности турбулентности. Интенсивность турбулентности представляет собой меру вы­сокочастотных колебаний скорости потока в данной точке камеры. Кинетическая энергия турбулентного потока пропорциональна ква­драту интенсивности турбулентности.

Интенсивность турбулентности-это трехмер­ный количественный параметр, на величину которого влияет прежде всего профиль потока заряда топлива в камере сгорания. Скорость по­тока внутри камеры сгорания, линейно возрас­тающая до максимально возможной величины с увеличением величины оборотов двигателя, является чрезвычайно важным фактором. По мере увеличения скорости потока, возрастает и интенсивность турбулентности в камере сго­рания. Благодаря этому двигатель стабильно работает в очень широком диапазоне оборо­тов коленчатого вала. В противном случае при повышении оборотов и неизменной скорости распространения пламени имели бы место на­рушения в работе двигателя из-за уменьшения времени, имеющегося для сгорания.

Однако, положительное влияние турбулентности не мо­жет полностью компенсировать влияние вели­чины оборотов, поэтому при высоких оборотах процесс сгорания топлива чрезмерно растя­гивается и занимает более широкий диапазон угла поворота коленчатого вала. Это является дополнительной причиной снижения к.п.д. дви­гателей с искровым зажиганием при работе на высоких оборотах.

В двигателях с искровым зажиганием тур­булентность в камере сгорания чрезвычайно важна для процессов преобразования энер­гии. Главным фактором, вызывающим турбу­лентность, является движение заряда топлива в цилиндре, на которое в основном влияют входной поток (зависящий от конфигурации впускных каналов в головке блока цилиндров) и форма камеры сгорания (см. рис. «Турбулентная и средняя кинетическая энергия, отнесенные к массе в зависимости от положения коленчатого вала» ).

В процессе сгорания топлива происходит повышение давления, которое также может одновременно ощущаться. В целях повышения уровня комфорта следует принимать меры к сведению этого повышения давления к минимуму. Однако это противоречит полу­чению высокого термодинамического к.п.д. двигателя. Максимально допустимый гради­ент повышения давления для двигателей с искровым зажиганием лежит в диапазоне от 0,5 до 3 бар/° угла поворота коленчатого вала.

Сгорание частично гомогенных смесей

Нормальная работа невозможна без дрос­селирования в нижней части диапазона ча­стичных нагрузок, поскольку гомогенные смеси, обедненные таким образом, сгорают значительно медленнее и, следовательно, не­ полностью. Решение заключается в локальной стратификации топлива в зоне расположения свечи зажигания посредством оптимизации впрыска топлива в конце фазы сжатия. Труд­ность здесь заключается в оптимальном со­гласовании процессов впрыска и зажигания, поскольку имеет место изменение условий между электродами (см. рис. «Изменение коэффициента избытка воздуха λ во времени в сферическом объеме (радиусом r) с центром в средней точке между электродами» ).

Движение заряда топлива

Основными процессами во время подачи заряда топлива в цилиндр являются завихряющиеся и круговые потоки, имеющие диаметры, аналогичные характеристическим размерам камеры сгорания. Здесь основ­ное различие проводится между потоками, движущимися вокруг вертикальной оси (оси цилиндра), называемыми горизонтальными завихрениями, и потоками, движущимися во­круг двух поперечных осей (оси коленчатого вала и перпендикулярной к ней оси), которые называются вертикальными завихрениями (см. табл. «Цикл подачи заряда смеси в цилиндр и профиль потока» ). Более подробно о цикле подачи заряда смеси в цилиндр я расскажу в следующей статье.

В реальности имеет место пере­крытие этих трех потоков, сопровождаю­щееся образованием сложных трехмерных полей потока. Вертикальные и горизонталь­ные завихрения существенно различаются по своему поведению в двигателе.

Поток вертикального завихрения рас­сеивается до момента достижения верхней мертвой точки такта сжатия и в основном способствует распространению пламени в течение первой половины процесса сгорания топлива.

Поток горизонтального завихрения длится дольше и имеет место также в течение части последующей фазы расширения. Расщепле­ние больших вертикальных завихрений на уменьшающиеся в размерах турбулентные потоки способствует созданию турбулентно­сти. Однако, в дальнейшем вязкость рабочей среды становится причиной расщепления по­тока, что оказывает неблагоприятное влия­ние на скорость сгорания топлива.

Созданию турбулентности способствует специальная геометрия камеры сгорания. В частности, распространению пламени способствуют потоки в области углубления в поршне или в области вытеснения.

Одной из самых больших физических проблем, связанных с управлением процес­сами сгорания гомогенных смесей, является поведение процесса на стадии расширения, поскольку, как правило, свыше 10 % топлива в момент 30° после ВМТ остается не сгорев­шим. В этот момент несгоревшая смесь все еще находится в непосредственной близости к стенкам цилиндра и еще должна сгорать после того, как она вновь выйдет из области гребня поршня над канавкой верхнего порш­невого кольца. Это явление может стать причиной неполного сгорания топлива на заключительной стадии.

Неконтролируемое сгорание топлива

Многочисленные нежелательные процессы затрудняют достижение равномерного сгора­ния топлива. Кроме циклических изменений состояния, неблагоприятное влияние оказы­вают детонация и самовоспламенение. При этом могут иметь место крайние формы ран­него зажигания, в особенности на современ­ных двигателях с мощным турбонаддувом.

Еще одну проблему представляет детона­ция. Здесь остаточная смесь вследствие воз­растания температуры в процессе сгорания топлива достигает температуры зажигания и сгорает практически мгновенно, без даль­нейшего контролируемого распространения пламени. Пульсации давления, генерируемые в ходе процесса, вызывают износ подшипни­ков двигателя и в случае длительной работы двигателя в таком режиме могут привести к его серьезному повреждению. Повреждение компонентов также могут вызвать пиковые скачки температуры. Детонация возникает, как реакция на повышение температуры и давления после начала нормального сгора­ния топлива и продолжается до тех пор, пока локальные условия стимулируют самовоспламенение. (см. рис. «Степень сжатия, детонация и сгорание топлива в условиях детонации» )

Обычно детонация возникает в ходе рабочего цикла только в том случае, если 80 % количества топлива в камере сгорания остается несгоревшим. Детона­цию особенно часто можно наблюдать при низких оборотах двигателя, когда имеется достаточное время для самовоспламенения смеси, и при больших нагрузках с высокими температурами в камере сгорания. Использо­вание топлива с высокой температурой зажи­гания, например, метана или этана снижает чувствительность к детонации. Детонацию также можно уменьшить, сдвинув момент за­жигания в сторону запаздывания. Двигатели с высокой степенью сжатия и турбонаддувом более чувствительны к детонации в связи с более высокими температурами, достигае­мыми в конце стадии сжатия. Эффективные меры по предотвращению детонации вклю­чают интенсивное охлаждение горячих обла­стей цилиндра, в том числе за счет испарения бензина при прямом впрыске топлива, повы­шение турбулентности, уменьшение степени сжатия и оптимизацию топлива, например, при помощи тех или иных добавок.

В отличие от детонации, самовоспламене­ние может возникать даже в условиях значи­тельного запаздывания зажигания. Возмож­ные причины самовоспламенения включают:

Крайние формы самовоспламенения могут возникать в бензиновых двигателях с высо­кой степенью сжатия и турбонаддувом. Они могут вызывать скачки давления свыше 150 бар, которые могут привести к серьезному повреждению двигателя. Однако такие экс­тремальные формы самовоспламенения воз­никают чрезвычайно редко и имеют вероят­ность менее 0,01 на тысячу.