Гори-гори ясно: 10 вещей, которые нужно знать о том, как горит бензин
В двигателе внутреннего сгорания и вне его. Мы все что-то слышали про компрессию, богатую смесь, искру, лямбда-зонд и октановое число. Но «что-то слышать» и понимать, как это устроено — разные вещи. А есть ещё масса хитрых вопросов. Например, можно ли в бензине потушить окурок или рванёт? Правда ли, что от выстрела в бензобак начинается пожар? Как объяснить, что бензин легко загорается от малейшей искры, а дизельное топливо и зажигалкой не поджечь? И почему бензин портит дизельный движок, а дизель — бензиновый? Мы постараемся максимально ответственно и вдумчиво ответить на эти вопросы и развеять кое-какие мифы. Не зря же специализируемся на свечах зажигания.
1. Горит бензин или его пары?
Горит смесь паров бензина и кислорода, содержащегося в воздухе. Поэтому если вы слышали байку о том, как кто-то тушил в полной канистре бензина сигаретные бычки — это не байка, а вполне себе правда. Хотя это очень опасно и делать так мы не советуем. Опасно потому, что горючие пары у поверхности бензина есть всегда, если только он не охлажден до температуры ниже –40°C.
Концентрация бензина в воздухе, при которой смесь становится пожароопасной, имеет четкое минимальное и максимальное значение: от 0,8% до 8,0%. Если бензина в воздухе меньше, то смесь не загорится из-за нехватки топлива. Если больше, то тоже не загорится, но уже из-за нехватки достаточного для поддержания реакции количества кислорода.
Важно не путать пары и ничтожно малые капли бензина. Капля — это тоже жидкость, просто с точки зрения человека в крохотном объеме. Если пшикнуть из баллончика на пламя чем-нибудь горючим, то гореть будет не аэрозоль из мельчайших капель вещества, а испарения, которые окружают каждую каплю.
Красное кольцо — это и есть место горения, где пары бензина (1) соединяются с кислородом (2). А сама капля бензина (зеленый круг) не горит, а лишь испускает пары. Источник (здесь и далее, если не указано иное): NGK Spark Plugs
Горение паров бензина — это сложный окислительный процесс, при котором молекулы бензина распадаются, углерод и водород из топлива соединяются с кислородом из воздуха под действием высокой температуры, происходит выделение энергии. При полном сгорании бензин разлагается на воду (H2O) и монооксид углерода (CO). Это в теории, на деле всё сложнее, а сопутствующих соединений образуется больше из-за того, что воздух состоит из целого коктейля элементов, а не одного кислорода.
К сожалению, таких видео в интернете масса. А всё из-за непонимания того, что горят именно пары бензина, которые при заправке буквально струёй вырываются из горловины бака.
Всё описанное, заметим, справедливо для горения бензина на открытом воздухе. В двигателе внутреннего сгорание дело происходит иначе.
2. Что происходит с бензином в двигателе внутреннего сгорания
Сам по себе бензин горит очень медленно — это можно увидеть, поджигая маленькую лужицу топлива на улице. Чтобы ускорить его горение и, соответственно, выработку энергии, необходимо увеличить давление смеси. Двигатель внутреннего сгорания в начале каждого такта открывает клапан, в цилиндр впрыскивается смесь бензина и воздуха в нужной пропорции, а затем поршень, поднимаясь вверх, сжимает смесь, увеличивая её давление. Разницу в объеме при поднятом и опущенном поршне называют степенью сжатия, и в бензиновых ДВС она составляет 8–14:1. То есть поршень сжимает объем топливо-воздушной смеси в 8–14 раз.
Отношение между максимальным объёмом V1 и минимальным объёмом V2 зовётся степенью сжатия
Когда поршень находится в крайнем положении и смесь сжата максимально, свеча зажигания производит искру с температурой 10 000 °C. Если компрессия (давление) ниже необходимой, упадет мощность двигателя. Если выше, начнется детонация (об этом дальше).
От искры зажигания топливовоздушная смесь загорается, пламя распространяется от свечи зажигания по всему объёму цилиндра. Дальше происходят химические реакции, выделение газов и движение поршня вниз — с этим процессом автомобилисты хорошо знакомы.
Итак, для горения бензина необходим воздух. Сколько? Идеальное соотношение составляет 1:14,7, т. е. для полного сжигания 1 кг бензина необходимо 14,7 кг воздуха. Бензино-воздушная смесь с таким идеальным соотношением называется стехиометрической. В двигателях внутреннего сгорания это соотношение может быть чуточку больше или меньше. В таких случаях топливо-воздушную смесь называют богатой или бедной в зависимости от количества паров бензина в ней. Богатая смесь даст большую мощность двигателю, зато бедная обеспечит экономичность. За регулировку обогащения смеси топливом отвечает лямбда-зонд, анализирующий количество кислорода в выхлопных газах.
3. Что может быть не так с горением бензина в двигателе
Давление в цилиндре и высокая температура искры — это еще не гарантия, что бензин в двигателе будет загораться в нужный момент и сгорать с нужной скоростью. Огромную роль в этом процессе играют свечи и катушка зажигания.
Первая ситуация, когда ДВС работает неправильно, — детонация. Детонация есть самопроизвольное возгорание топливовоздушной смеси взрывного характера вследствие превышения некоего порога сжатия и температуры, происходящее после возникновения искры зажигания (это важный момент). В этом случае, пока топливовоздушная смесь начинает плавно гореть от свечи, где-то в другой точке объема самопроизвольно возникает еще один очаг возгорания. Фронт пламени при детонации в цилиндре распространяется со скоростью в 100 раз выше, чем при нормальной работе двигателя. Взрывная волна оказывает сильнейшую ударную нагрузку на цилиндр и буквально выгрызает в поршне каверны. Хуже того, микровзрывы разрушают свечу и стенки цилиндра и гнут шатуны. Как это происходит, можно посмотреть в нашем видео.
Детонация, помимо прочего, возникает из-за использования бензина с октановым числом ниже допустимого в конкретном двигателе — в таком топливе стойкость к детонации ниже, чем у выскооктанового бензина (об этом ниже). Также бывает виноват перегретый двигатель или высокая нагрузка при низких оборотах.
Есть ещё одно неприятное явление, по последствиям похожее на детонацию, — калильное зажигание. Во время него смесь в цилиндре воспламеняется ещё до появления искры свечи, например, от перегретого нагара на клапанах или поврежденной и тоже перегревшейся из-за неправильной установки свечи. Мы уже писали отдельный пост о калильном зажигании — обратите внимание. В лучшем случае оно приведет к сгоранию электрода свечи или повреждению её изолятора, а в худшем — к прогоранию поршней, поршневых колец и маслосъёмных колпачков, то есть к серьёзному ремонту двигателя.
Результат длительной езды с детонацией — расплавление поршня и колец. Источник: MrAliev / DRIVE2
Другая частая проблема, связанная с «убитыми» или некачественными свечами, — пропуски зажигания. Свеча либо вовсе не вырабатывает искру, либо зазор между электродами уменьшается из-за нагара и искра получается слабой, либо изношенная катушка зажигания уже не может выдавать необходимое напряжение. Пропуски дают о себе знать сильной вибрацией двигателя на холостом ходу и падением мощности авто. Остатки несгоревшего из-за отсутствия искры топлива попадают в нейтрализатор, воспламеняются там и сжигают его, закупоривая соты.
Расплавленный нейтрализатор. Это ещё ничего, в особо тяжелых случаях расплав закупоривает почти все соты. Источник: HelpAutoKiev / DRIVE2
Тут повторим мысль, уже однажды звучавшую в этом представительстве: иридиевые и платиновые свечи зажигания — это не очередной способ вытянуть побольше денег из автолюбителей, а физика. Тонкий стержень из тугоплавкого иридия в центральном электроде значительно лучше самоочищается от нагара в сравнении с толстым никелевым сердечником. Простая свеча с толстым электродом может быстро покрыться нагаром из-за некачественного бензина, расход топлива увеличится, начнутся пропуски зажигания. Кроме того, чем тоньше электрод, тем проще вызвать искру — снижается нагрузка на катушку зажигания. Иридиевая свеча хоть и стоит дороже обычной, но в течение срока службы демонстрирует меньший расход топлива и вредных выбросов. Нет, это не методичка из PR-отдела, а исследование журнала «За рулём».
Свеча с иридиевым сердечником (слева; Laser Iridium) и с никелевым (справа) — обе NGK Spark Plugs
Платиновые напайки на электродах создают стойкость к коррозии и эрозии. То есть зазор между электродами практически не будет меняться в течение срока службы свечи, а значит, значительно снижается шанс возникновения пропусков зажигания. Платиновые и иридиевые свечи не вечные, но проходят они в среднем в 3-4 раза больше обычных (порядка 100 тыс. км), после чего требуют замены. При небольших ежегодных пробегах есть шанс, что после покупки нового автомобиля с иридиевыми свечами вы вообще их никогда не поменяете, а скорее продадите машину.
Свеча NGK с едва заметными светлыми платиновыми напайками на концах электродов — такого количества драгметалла вполне достаточно. Источник: mikelz / DRIVE2
4. Почему важно октановое число и можно ли на нём экономить
Есть много мифов, появившихся вследствие непонимания смысла октанового числа бензина. Мы постараемся последовательно их развеять. Октановое число характеризует стойкость топлива к детонации — и ничто другое. Ни качество и чистоту, ни температуру горения, ни абстрактную «эффективность» — только стойкость к детонации.
Что фактически значит число 95 в марке автомобильного бензина? Оно значит, что топливовоздушная смесь конкретного бензина имеет стойкость к детонации такую же, как смесь из 95% изооктана и 5% гептана. Изооктан — углеводород, принятый за образец стойкости к детонации (октановое число 100), а гептан, наоборот — образец склонности к детонации (октановое число 0). На их комбинировании и построена октановая шкала.
Тогда что такое бензин с октановым числом выше 100, если 100-процентный изооктан является эталоном? Это бензин, который с помощью присадок сделали более стойким к детонации, чем чистый изооктан; такой используется в гоночных автомобилях (у авиационных бензинов октановое число тоже может быть выше 100, но у них своя шкала детонационной стойкости). Главным образом этого позволяет достичь добавление тетраэтилсвинца, однако применяются также эфиры МТБЭ и ЭТБЭ, толуол и проч. Интересно, что они во-первых, делают топливо дороже, а во-вторых, в большинстве своём вредны для окружающей среды и человека. Так, тетраэтилсвинец до конца XX века добавляли в весь автомобильный бензин для повышения его октанового числа, но затем присадка попала под запрет из-за токсичности (а бензин стал неэтилированным).
Повторим же: чем выше октановое число, тем более бензин стоек к детонации. В форсированных двигателях с высокой степенью сжатия низкооктановый бензин начинает детонировать во время зажигания со всеми описанными выше последствиями для двигателя. Проще говоря, если у вас современный немецкий турбомотор и к нему приложена рекомендация заправляться Аи-98 (а в случае острой необходимости Аи-95), то заправка Аи-92 очень скоро приведёт к детонации и порче очень дорогого двигателя.
RON — исследовательский метод, согласно которому в России и обозначается марка бензина, по условиям вычисления похож на езду по трассе (буква «И» в маркировке бензина как раз от слова «исследовательский», а «А» означает «автомобильный»). MON — моторный метод, похожий на эксплуатацию в городе
А что насчёт заправки высокооктановым топливом атмосферного движка, настроенного под Аи-92 или даже ниже? Никакой детонации, естественно, не будет — будет другая проблема. Высокооктановое топливо горит медленнее, чем низкооктановое. Какой-нибудь Аи-98 просто не успеет полностью сгореть в цилиндре, и огонь пройдёт сквозь выпускной клапан в коллектор, пожжёт катализатор, а на высоких оборотах доберется и до глушителя.
5. Безнин невозможно поджечь сигаретой
А теперь немного о несерёзном. Трюк с гашением в ведре бензина работает только с сигаретой, провернуть тот же фокус с горящей спичкой не получится. Вернее, фокус получится, но совсем другой. Если оставить сигарету в покое и не затягиваться, она будет не гореть, а тлеть без образования газофазного пламени (то есть огня), необходимого для воспламенения бензина. Чисто теоретически, неудачно брошенная в лужу бензина сигара может испустить достаточно искр, чтобы поджечь пары топлива, — это единственное оправдание популярному киноходу с поджиганием бензина таким образом.
А вот с негаснущей на ветру зажигалкой типа Zippo такой трюк сработает почти наверняка (как в конце «Крепкого орешка 2»). Поэтому курение рядом с заправляющимся автомобилем опасно, но не фатально (всё равно не делайте этого), а попытка подсветить бензобак зажигалкой абсолютно гарантированно закончится пожаром.
Коротко и наглядно — бензин сигаретным бычком не зажечь. Но не повторяйте это дома!
6. Бензобак в автомобиле так просто не взрывается
Ещё один киношный миф: едва попав в аварию чудом спасшийся герой выбирается из разбитой машины, и она тут же живописно взрывается. Для съёмок такого пафосного взрыва пиротехники не просто поджигают полупустой бак автомобиля: так «бабаха» не добиться. В декорации обычно закладывают твердую взрывчатку, а чтобы добавить огня, подливают керосина. А иначе вместо взрыва получится неторопливое сжигание автомобиля, словно чучела Масленицы, и взрыв, если и произойдёт, то совсем не сразу и не тогда, когда его с нетерпением ждёт съёмочная группа.
Автомобиль, как на этом фото, может загореться даже во время стоянки — например, из-за короткого замыкания или даже поджога, — и со временем взорваться, но сначала он порядочно прогорит. Источник: Les Chatfield / Flickr
Разберём и физику попадания пули в бензобак. Допустим, что по сюжету фильма в бензобак авто попадает пуля, и происходит грандиозный взрыв — очень затасканный киноштамп, которым до сих пор пользуются сценаристы посредственных боевиков. С точки зрения зрителя это выглядит логично: пуля, пробивая бензобак, вызывает искру, от которой десятки литров топлива мгновенно детонируют, превращая машину героя в огненный факел.
В реальности всё будет совсем не так. Предположим, что пуля попадает в наполовину наполненный бензобак. Опустим, что в современных машинах их делают из пластика, а потому никакой искры там в принципе быть не может. Так вот, в баке есть необходимые нам пары бензина, и даже искра откуда-то появилась, например, от зажигательного патрона. Первое попадание, разлетающиеся искры и… ничего. А всё потому, что топливовоздушная смесь в бензобаке слишком обогащенная парами бензина, кислорода для возгорания в ней недостаточно. Затем через образовавшиеся отверстия начнет вытекать бензин, разливаясь по дороге и корпусу авто. И вот теперь с некоторой вероятностью от выстрела можно будет поджечь топливо. Только снаружи, всё ещё не в бензобаке. И даже в этом случае начнется медленное горение, но никак не взрыв.
Демонстрация того, что как в канистру с бензином не стреляй, а взрыва не выйдет:
Но хватит о кино и мифах — возвращаемся к серьёзному разговору.
7. Бензин при аварии может загореться
Правда, и тут обычно происходит не взрыв, а пожар на большой площади разлившегося по дороге бензина. Когда содержимое топливного бака за пару секунд выливается на дорожное полотно и загорается, создается ощущение взрыва, но всё же в большинстве случаев это не взрыв, а пожар с последовательным распространением огня.
Если не считать автомобили с некачественным ГБО, по-настоящему эффектно взрываются только… электромобили :
Тем не менее, пожар может начаться просто от того, что бензин попал на какой-то узел, куда он попадать не должен. Искра не нужна, достаточно очень высокой температуры поверхности, чтобы началось самовоспламенение бензина. Физика безжалостна: температура, при нагревании до которой пары бензина загораются сами, начинается с 250°C. Если бензин попадет в выпускной коллектор или в катализатор, который разогревается до 500-600°C (если крутить движок), топливо мгновенно вспыхнет. То же самое произойдет при соприкосновении топлива с тормозными дисками (300-400°C при торможении «в пол»).
В тяжелых ДТП, когда автомобиль буквально разрывает на части, нарушается целостность топливной системы, а то и самого бензобака, бензин быстро вытекает наружу и попадает на раскаленные узлы автомобиля. Далее происходит самовоспламенение испаряющегося топлива и начинается сильный пожар. А уж если после аварии и разлития горючего что-то под капотом заискрит…
8. Дизельное топливо при аварии горит гораздо хуже
При аварии дизельное топливо точно так же может растечься по раскаленным деталям автомобиля и по дороге, но воспламениться даже от искр ему не позволит химия. Дизель относится к тяжелым видам топлива с низкой летучестью, он имеет длинную углеродную цепочку, потому испаряется очень неохотно. Бензин, напротив, очень летуч — уже при температуре –40°C он начинается испаряться достаточно для того, чтобы загореться. Этот порог называется температурой вспышки. Даже в мороз достаточно любой искры, чтобы бензин заполыхал огнем. А вот температура вспышки у дизеля составляет аж +62°C. Случайные искры не смогут разогреть дизельную лужу до такой степени, чтобы та начала испаряться и гореть. Чтобы солярка загорелась на воздухе, ее нужно нагреть до температуры вспышки, например, газовой горелкой, усилив испарение. В зависимости от силы огня и количества дизеля в ёмкости топливо прогреется через 15-20 секунд и тогда наконец загорится.
9. Что будет, если дизельный автомобиль заправить бензином
Из-за свойств дизельного топлива дизельвоздушная смесь в цилиндрах воспламеняется сама, без участия свечи зажигания, при увеличении давления и сопутствующего ему увеличения температуры. С бензовоздушной смесью, как мы сказали выше, такое тоже возможно, хотя и с негативными последствиями. Тогда почему бы не залить бензин в дизельный ДВС? Тут основная проблема заключается в параметрах топлива, под которые спроектирован двигатель. Действительно, дизельный движок, в зависимости от степени технологичности (чем старше и проще, тем лучше) даже сможет немного поработать на бензине. Но из-за разницы в скорости воспламенения и горения бензина и дизеля двигатель будет подвергаться огромным разрушительным нагрузкам.
В современных движках на тяжелом топливе дизель впрыскивается в цилиндр не один, а несколько раз за один ход поршня. Сначала происходит предвпрыск небольшого количества топлива, которое загорается еще до того, как поршень достиг вершины хода. Затем, когда поршень достиг верхней мёртвой точки, и достигнуто максимальное сжатие воздуха в камере сгорания, впрыскивается оставшаяся часть дизеля. Двойной впрыск обеспечивает надежное возгорание и равномерное выделение газов, необходимых для толкания поршня вниз. Этапов впрыска в рамках одного такта двигателя может быть два, а может и все десять, тут уж как будет спроектирован двигатель.
Случайный залив бензина в дизельный авто на крупных сетевых заправках часто кончается относительно благополучно: приезжает сотрудник топливной компании и сливает бензин из бака и топливной системы. Источник: priZrak495 / DRIVE2
А вот с бензином ситуация другая. Во время предвпрыска бензин, смешанный с остатками дизеля из топливного бака, не загорится. Он понизит цетановое число солярки. Чем ниже цетановое число, тем медленней воспламеняется топливо и тем интенсивней сгорает. Когда поршень достигнет высшей точки и произойдет впрыск оставшейся части «бензинодизеля», смесь наконец загорится от высокого давления и температуры. При огромной степени сжатия бензин не будет плавно гореть, пока поршень будет двигаться вниз — он буквально сдетонирует, вызвав сильнейшую ударную нагрузку на цилиндр. Со стороны детонация бензина в дизельном ДВС звучит как удары маленькими молоточками по металлическим деталям двигателя. На самом деле это приглушенные взрывы бензина. От постоянных взрывов и ударных нагрузок портятся поршни, в цилиндре образуются микротрещины, сильно изнашивается цепь/ремень ГРМ. Чем меньше в топливной смеси осталось дизеля и чем больше в ней бензина, тем сильнее детонанция.
10. Что будет, если в бензиновый двигатель залить дизель
Если же залить дизель в бензиновый автомобиль, то практически сразу начнутся пропуски зажигания — дизелю не хватит давления и температуры в цилиндрах, чтобы стабильно самовоспламеняться, а искрой от свечи его не поджечь. Так как солярка тяжелее бензина, она сразу опустится на дно и попадёт в топливную систему.
Цилиндры наполнятся несгоревшим дизелем, топливо пойдёт в выпускной коллектор, из выхлопной трубы повалит дымок. Мотор «закашляет», потеряет мощность и вскоре заглохнет. Скорее всего, отделаетесь «малой кровью» — чисткой топливной системы и фильтров, забитых содержащимся в дизеле парафином.
Коротко о главном
Рекомендации по использованию бензинового автомобиля простые: заправляйтесь на проверенных заправках топливом с рекомендованным октановым числом, следите за свечами и, пожалуйста, никогда не пытайтесь подсветить бензобак зажигалкой!
Остались вопросы? Задавайте — постараемся ответить.
Топливная смесь
Современная система управления двигателем следит за тем, чтобы в его цилиндрах сгорала экологически чистая топливовоздушная смесь. Но некоторые автомобилисты, меняя прошивки, в том числе, влияющие на состав смеси, хотят добиться еще большей мощности или меньшего расхода топлива.
Законы физики едины для любой техники. Но то, что в поршневом двигателе скрыто от наших глаз, в реактивном порой видно снаружи. Особенно ярко — на самолетных газотурбинных двигателях. У отлично настроенного двигателя АЛ-31 пламя форсажа не желтоватое, как на двигателях многих других фирм, а прозрачно-синее, что говорит о высокой чистоте сгорания, меньшем расходе топлива. Вот только добиться такого результата, не ухудшая устойчивости работы двигателя, далеко не просто.
Вот так горит топливо и в первоклассном автомобильном двигателе. Современный автомобильный двигатель, получив подобную «идеологию», основательно поумнел. Избавляя человека от забот, машина сама себя диагностирует, сообщает о «болячках», подсказывает, когда ехать к мастерам.
В России любое горючее вещество – бензин, керосин, солярку, спирт, газ – народ называет топливом, хотя ничто не может гореть без окислителя. Чаще всего это кислород воздуха. Что же и как полыхает в цилиндрах широко распространенных бензиновых двигателей?
Распыленное форсунками горючее испаряется в каналах перед впускными клапанами. В цилиндрах же сгорает газообразная рабочая смесь горючего и воздуха. Она «гомогенная» (одного состава по всему объему), – такую электронной системе управления двигателем (ЭСУД) проще контролировать. Но если у кого-то еще трудится карбюраторный автомобиль, то многое справедливо и для него, – разница лишь в способах регулирования режимов работы.
В частности, для надежного воспламенения важно, как соотносятся в рабочей смеси массы воздуха и горючего. Смесь из 14,7 г воздуха и 1 г бензина называют стехиометрической. Воздуха ровно столько, сколько нужно для полного сгорания бензина. Отклонения от этого идеала для удобства оценивают так называемым коэффициентом избытка воздуха λ. В нашем примере. Если λ больше единицы, смесь называют бедной, меньше – богатой. При λ = 1 возможна полноценная окислительная реакция, не оставляющая неиспользованных компонентов. В отработавших газах (до первого датчика кислорода в системе выпуска) два основных продукта сгорания – углекислый газ СО2 (13,7 % по объему) и водяной пар H2O (13,1 %). Азот воздуха не горюч, – этот балласт занимает 71,5%. Правда, в реальном двигателе не все так гладко, как в теории. Даже при сжигании стехиометрической смеси в отработавших газах присутствуют СО (до 0,7 %) и СН (до 0,2 %). А на режимах с высокими температурами могут появиться и токсичные оксиды азота NOx – около 0,1 %.
С этими дозами ядов трехкомпонентный каталитический нейтрализатор справляется практически стопроцентно, это его штатный режим работы. Первые два он «доокислит» (дожжет), а оксиды NOx восстановит до безвредного азота N2.
Карбюратор и при самой грамотной регулировке не может гарантировать стехиометрии даже на основных режимах работы, не говоря уже о переходных. Отсюда экологические проблемы. Это основная причина того, что о карбюраторах (при всей их простоте и привлекательности для кого-то) автомобильный мир постепенно забывает.
Но убавим немного воздуха. При λ = 0,8. 0,9 получается смесь для режимов высокой мощности, ибо скорость ее сгорания самая высокая. Но некоторая часть «заряда» в цилиндре не успевает прореагировать, доли СО и СН, как и расход топлива, несколько выше, чем при стехиометрии.
Еще меньше воздуха? Слишком богатая смесь горит неэффективно. Расход топлива велик, мощность снижена, в отработавших газах много токсичных продуктов – СО, СН и С. Первый из них – окись углерода, «угарный газ без цвета и запаха». Из-за дефицита кислорода он «недоокислился» до СО2. Второй – «углеводороды», пары горючего, не успевшие воспламениться и выброшенные в трубу. Третий – появившиеся в ходе реакций частицы углерода (черная копоть), которым тоже не хватило воздуха, чтобы догореть.
Копоть нарушает работу свечей – угольные «мостики» прерывают искрообразование – и в нейтрализаторе дожигается слишком много топлива, он перегревается, а при температурах свыше 1000 о С ему приходит конец. Поэтому система самодиагностики, обнаружив, что в каком-то цилиндре слишком много пропусков воспламенения, отключает его форсунку – и сигнализирует: «проверь двигатель!»
Ну а если окислителя так мало, что смесь невозможно зажечь, ее называют переобогащенной. Именно поэтому плотные бензиновые пары в баке не взрываются даже при неисправном, сильно искрящем электрическом указателе уровня топлива.
Начнем обеднять смесь, добавляя к стехиометрической воздуха. Смесь с λ = 1,05. 1,1 обеспечивает наилучшую экономичность, но с ощутимым недобором мощности. Такая смесь горит медленней, а лишний воздух равносилен балласту, уносящему в трубу часть полезной теплоты. При сильном обеднении смеси (в основном, у двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндры) начинают так быстро расти выбросы NOx ,что обычный нейтрализатор с ними не справляется. Это сильно усложняет систему очистки отработавших газов. Но для двигателей, работающих преимущественно при стехиометрии (то есть обычных инжекторных) эта тема не актуальна. Наконец, смесь, в которой так много воздуха, что она не воспламеняется, называют переобедненной. Так, если при резком открытии дросселя мотор «проваливает», – значит, впрыск топлива не поспевает за поступлением воздуха. Хорошо известная причина – засорение топливного фильтра на входе в бензонасос!
Итак, сегодня для наиболее распространенных инжекторных двигателей оптимальной считается стехиометрическая смесь. Такова их основная настройка, прописанная в так называемых «заводских прошивках». Экономичность и мощность двигателя – на приемлемом уровне, вреда для экологии минимум. Ну а знать или не знать, как работает система, ваше личное дело. Немногие представляют себе устройство современного компьютера, а пользуются же! Важно вовремя замечать неполадки, – а устранить их обязан сервис.
Для простоты укрепления знаний можно обратиться к житейским примерам, – например, к газовой плите или деревенской печке. Если при работающем двигателе уменьшить подачу воздуха, закрыв дроссель, то ЭСУД синхронно снизит подачу топлива. А кухонная печка начнет выделять угарный газ СО.
О том, что угарного газа выделялось много, говорят черные, обугленные головешки. Почему уголь не сгорел? – Не хватило кислорода. Значит, оксида углерода СО было немало. Будь в печи пламя, как в кузнечном горне, – белое, ревущее – остался бы в ней только светлый (минеральный, не горючий) пепел.
Ну а с выстуженной печкой обращение иное. С поверхности холодных дров летучие углеводороды испаряются слабо. А цепная реакция горения устойчива и вообще возможна лишь при условии, что температура в очаге быстро достигнет градусов 800. Поэтому начинать растопку надо с мелкого топлива, но в большом количестве, чтобы поверхность горения была как можно большей. Это сухой хворост, стружки, щепки, береста, газеты. Налицо немало общего с двигателем.
Напомним, при пуске совсем холодного бензин слабо испаряется – и получить нужный состав смеси, не прибегая к каким-то дополнительным мерам, затруднительно. Поэтому контроллер прикажет форсункам настолько увеличить подачу бензина, чтобы смесь в цилиндрах смогла воспламеняться. А по мере прогрева двигателя расход топлива, в соответствии с «прошивкой мозгов», по определенному закону снижается.
Но печка – это пример «дикого», неорганизованного, горения. Гораздо показательнее экспериментировать с газовой горелкой. Бедную газо-воздушную смесь иной раз и не запалишь: хлопок – а огня нет! Если же загорится, то шумно, неустойчиво, временами даже отрываясь от горелки.
На снимках – опыты с портативной горелкой. При минимальном притоке воздуха богатая смесь от пьезо-искорки даже не загорается. От спички – неохотно. Пламя желтоватое, вялое – сразу закоптило наш стальной стержень. Затем прибавили воздуха – и получили смесь, которая отлично загорается от искры. Пламя голубое, ровное, горячее, копоти нет, стержень нагрелся докрасна. Вот эта регулировка – наилучшая.
Всякий двигатель, сжигающий топливо, неспроста называют тепловым – в нем есть та же «печка», только с лучше организованной работой. И задача, по большому счету, та же: максимум эффективности при минимуме вреда. Остается напомнить (см. график): невозможно при одном и том же составе смеси одновременно добиться максимума мощности и минимума расхода топлива. Посему оптимальной для наиболее распространенных инжекторных двигателей считается стехиометрическая смесь. С нею и мощность достаточная, и экономичность приемлемая, и вред природе – минимальный.
Подписи к фото:
1. Так горит богатая газово-воздушная смесь. Пламя горелки желтоватое и, в сравнении с правильной регулировкой, – «прохладное». Подопытный стержень закопчен.
2. Сжигаем газово-воздушную смесь оптимального состава. Пламя голубое, стержень нагрет докрасна. А позади него пламя уже не голубое – оно подсвечено частицами окалины и т. п., отрывающимися от поверхности металла.
1. Сгорание топлива в двигателе
Под «сгоранием» применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в топливе соединений с кислородом воздуха. Такая реакция сопровождается свечением и выделением значительного количества тепла. Речь идет о сложном и не до конца изученном процессе. Общая картина физико-химических превращений топлива в процессе горения разработана в трудах Н.Н. Семенова, Ю.Б. Свиридова, А.С. Соколика и других ученых.
Окисление происходит в форме горения при условии быстрого перемещения активных частиц и разветвления цепей реакций. Это возможно только в газовой среде, поэтому жидкое топливо, сначала газифицируется, а затем воспламеняется. Воспламенение жидкого топлива осуществляется как от внешнего источника, так и в результате экзотермических реакций внутри самого топлива.
В составе жидкого топлива преобладают углерод и водород. При сгорании топлива наблюдаются следующие реакции
Сера реагирует с кислородом согласно уравнению
В процессе горения происходят такие процессы: связи в молекулах разрываются, атомы меняют положение, при этом выделяются различные пары и газы (их температура достигает 1500-2400°С), образующие при соединении с кислородом пламя (остаток топлива сгорает без пламени). Углекислый газ, пары воды, окислы серы, если она содержится в топливе, – конечные продукты горения.
От количества подаваемого воздуха во многом зависит процесс сгорания. Горение протекает медленно, температура невысока, если его недостаточно. Кроме того, при этом образуются продукты неполного сгорания (окись углерода, сажа и др.), а отработавшие газы становятся темными и даже черными. Если количество воздуха выше определенного предела, то много тепла будет расходоваться на нагревание азота – основного компонента воздуха – и избыточного кислорода; тогда температура снижается, скорость сгорания уменьшается и, как следствие, перерасходуется топливо.
Количество воздуха в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Для некоторых топлив эти значения (в килограммах) следующие:
Полного сгорания топлива при условии наличия теоретически необходимого количества воздуха в действительности не происходит. Состав топливо-воздушной смеси, поступающей в камеры сгорания, при различных условиях и режимах работы двигателя может не совпадать с теоретически необходимым. Избытку или недостатку воздуха в смеси соответствует коэффициент избытка воздуха α, представляющий отношение массы действительно расходуемого воздуха к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (стехиометрическому)
где L – масса действительно расходуемого воздуха;
L0 – масса воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива.
Горючую смесь стехиометрического (теоретического) состава называют нормальной при α = 1, богатая смесь характеризуется значением α < 1, бедная α > 1.
Коэффициент избытка воздуха при неполном сгорании определяются по формуле:
а при полном – по формуле:
где O2 ,CO, N2 – процентное содержание в продуктах сгорания кислорода, окиси углерода (определяют анализом на специальных приборах, называемых газоанализаторами) и азота (подсчитывают по разности
В бедных смесях (α > 1) топливо сгорает полностью, выделяя всю химическую энергию. В богатых смесях (α < 1) воздуха для полного сгорания недостаточно, поэтому они менее экономичны. В то же время богатые смеси горят быстрее и устойчивее, выделяя за единицу времени больше тепла, чем при сгорании стехиометрической и бедной смеси, и двигатель развивает большую мощность. Поэтому бедные смеси называют экономичными, а богатые смеси — мощностными. Величина α зависит от вида применяемого топлива, условий его сжигания, конструкции двигателя (табл. 1).
Двигатели внутреннего сгорания в обычных условиях работают на слегка обедненной рабочей смеси, что обеспечивает наиболее экономичный режим. При перегрузках прибегают к некоторому переобогащению смеси, хотя в этом случае топливо расходуется неэкономно.
Таблица 1 Ориентировочные значения коэффициента избытка воздуха
Бурый уголь, торф, дрова
Компоненты отработавших газов по характеру их воздействия на человека подразделяют на ядовитые (окись углерода, соединения свинца), канцерогенные бенз(а)пирен, раздражающие (окислы азота, серные соединения, альдегиды) и загрязняющие (сажа и альдегиды).
Продукты неполного сгорания топлива загрязняют, как известно, окружающую атмосферу, оказывают вредное действие на живые организмы и растительный мир. Поэтому наряду с обеспечением полного сгорания топлива, что повышает экономичность двигателя, не меньшее значение имеет проблема снижения токсичности отработавших газов автомобиля.
Автомобильные топлива и продукты их сгорания в общем загрязнении атмосферного воздуха могут составлять в крупных городах и ряде регионов страны более 80%. В табл. 2. представлен примерный состав отработавших газов автомобильных двигателей.
Таблица 2 Основной состав отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания, млн -1
Бенз(а)пирен, мкг/м 3
Озонообразующий потенциал, мг/миля
Рассмотрим влияние токсичных компонентов отработавших газов на организм человека.
Окись углерода вызывает кислородное голодание организма, поражение центральной нервной системы. Острые отравления окисью углерода могут вызвать головную боль, паралич, кровоизлияние в сетчатку, инфаркт миокарда, потерю сознания и даже привести к смертельному исходу.
Окислы азота (в бензиновых двигателях 95% окислов азота находится в виде NО, небольшое количество – в виде NО2 и N2О5, попадая в организм человека, соединяются с водой, образуя азотистосодержащие кислоты. Максимальное количество окислов азота образуется при α = 1,05 … 1,10. Симптомы отравления появляются в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.
Альдегиды (акролеин) вызывают сильное раздражение верхних дыхательных путей и воспаление слизистых оболочек глаз.
Углеводороды, оказывая вредное воздействие на центральную нервную систему, при острых отравлениях вызывают головокружение, головную боль, тошноту, судороги, расширение зрачков, расстройство дыхания и сердечной деятельности, поражение печени и почек.
Наибольшей активностью из полициклических ароматических углеводородов обладает бенз(а)пирен: аккумулируясь организмом до критических концентраций, приводит к раковым заболеваниям.
В нашей стране действует система государственных и отраслевых стандартов, определяющих пределы содержания токсичных веществ в отработавших газах автомобилей.
На токсичность отработавших газов влияют состав топливо- воздушной смеси, нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, тепловой режим, техническое состояние двигателя и другие факторы. Для улучшения процесса сгорания топлива в двигателях и снижения токсичности отработавших газов необходимы правильный подбор бензина для двигателя в соответствии с климатическими условиями, периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом, систематическая промывка топливных и воздушного фильтров системы питания двигателя, своевременная регулировка карбюраторов для обеспечения оптимального состава смеси и другие мероприятия эксплуатационного и организационно-технического характера.
Огонь и жидкость: как бензин превращается в энергию в двигателе
Бензин является одним из наиболее популярных видов топлива для автомобилей. Но что происходит, когда мы заправляемся бензином и запускаем двигатель? Как жидкость превращается в движущую силу?
Окисление и сгорание
Процесс превращения бензина в энергию начинается с его окисления — присутствие кислорода необходимо для сгорания. Топливо, попадая в камеру сгорания двигателя, запускает цепную реакцию, которая приводит к выделению энергии в виде тепла и расширениями газов.
Камера сгорания и карбюратор
Для того, чтобы бензин мог сгорать, он должен попасть в камеру сгорания двигателя. Но не все виды двигателей имеют камеру сгорания. Например, в дизельном двигателе сгорание происходит благодаря высокому давлению воздуха, а в двигателе с внутренним сгоранием бензин разгоняет поршень, который передает энергию на вал.
Топливо попадает в камеру сгорания через карбюратор. Карбюратор является системой, которая смешивает топливо с воздухом. В конечном итоге, каждая молекула бензина должна встретиться с молекулой кислорода, чтобы произошло сгорание.
Использование энергии
После сгорания бензин превращается в движущую силу, которая передается на колеса автомобиля. За счет механических движений заряды аккумулятора вновь наполняются, а система охлаждения и масляная система охлаждают двигатель.
Заключение
Таким образом, процесс превращения бензина в движущую силу не такой уж сложный, как может показаться. Он зависит от множества факторов, таких как конструкция двигателя и качество топлива. Тем не менее, если все работает правильно, бензин может стать очень эффективным источником энергии для автомобилей.