Повреждениях поршня из-за нарушений режима сгорания
Нарушения режима сгорания bei ottomotoren
Сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре осуществляется в точно заданном порядке. Оно начинается от искры свечи зажигания незадолго до достижения верхней мертвой точки. Пламя распространяется в виде круга от свечи зажигания и проходит камеру сгорания с постоянно растущей скоростью сгорания от 5 до 30 м/с. В результате этого давление в камере сгорания резко поднимается и достигает максимального значения сразу после достижения верхней мертвой точки. Этот обычный процесс сгорания может, однако, быть нарушен под воздействием различных факторов. Ниже описываются три случая нарушения режима сгорания:
1. Калильное зажигание (самопроизвольное воспламенение):
приводит к термической перегрузке поршня.
2. Детонационное сгорание:
приводит к эрозионному съему материала и механической перегрузке на поршнях и кривошипношатунном механизме.
3. Избыток топлива в камере сгорания:
приводит к износу с повышенным расходом масла и образованию задиров на поршне.
1. Калильное зажигание (самопроизвольное воспламенение):
приводит к термической перегрузке поршня.
2. Детонационное сгорание:
приводит к эрозионному съему материала и механической перегрузке на поршнях и кривошипношатунном механизме.
3. Избыток топлива в камере сгорания:
приводит к износу с повышенным расходом масла и образованию задиров на поршне.
нормальное сгорание
детонационное сгорание
калильное зажигание
К пункту 1. Калильное зажигание (самопроизвольное воспламенение):
При калильном зажигании процесс сгорания начинается от находящейся в камере сгорания раскаленной детали еще до наступления момента зажигания. Это могут быть горячий выпускной клапан, свеча зажигания, уплотнительные детали и отложения на этих деталях, а также поверхности, расположенные вокруг камеры сгорания. Пламя бесконтрольно воздействует на детали, в результате чего температура днища поршня очень сильно повышается, достигая при продолжающемся калильном зажигании уже в течение нескольких секунд точки плавления материала поршня.
В двигателях с камерами сгорания, имеющими полусферическую форму, это приводит к дырам в днище поршня, возникающим большей частью в продолжении оси свечи зажигания.
В камерах сгорания с большими поверхностями сжимания между днищем поршня и головкой блока цилиндров жаровой пояс плавится преимущественно в области поверхностей сжимания (см. глоссарий), в точке с наибольшей нагрузкой, что часто доходит до маслосъемного поршневого кольца и до внутренней части поршня.
Детонационное сгорание, приводящее к высокой температуре поверхностей отдельных деталей камеры сгорания, также может вызвать калильное зажигание.
К пункту 2. Детонационное сгорание:
При детонационном сгорании зажигание начинается, как обычно, от искры свечи зажигания. Распространяющийся от свечи зажигания фронт пламени создает ударную волну, вызывающую в несгоревшем газе критические реакции. В связи с этим в смеси остаточного газа во многих местах одновременно возникает самовоспламенение, из-за чего скорость сгорания возрастает в 10–15 раз. Рост давления на градус угла поворота коленчатого вала и пиковые значения давления существенно повышаются. Помимо этого во время рабочего хода возникают колебания давления очень высокой частоты. Кроме того, поверхности, расположенные вокруг камеры сгорания, очень сильно нагреваются. Камеры сгорания, из которых в процессе сжигания удаляются остатки, являются однозначным признаком детонационного сгорания.
Легкие детонации с прерываниями большинство двигателей выдерживает – даже в течение длительного времени – без повреждений.
Сильные, продолжительные детонации приводят к эрозионному съему материала поршня на жаровом поясе и днище поршня. Головка блока цилиндров и уплотнение головки блока цилиндров также могут быть повреждены. Детали в камере сгорания (например, свеча зажигания) могут при этом настолько сильно нагреться, что это приведет к калильному зажиганию (самопроизвольному воспламенению) с перегревом поршня (прогары и отложения).
Сильная долговременная детонация по истечении короткого времени приводит к поломкам перемычек между канавками колец и юбки поршня, причем обычно без прогаров и отложений, а также без задиров.
На рис. 1 представлена кривая давления в камере сгорания. Синяя линия показывает кривую давления при обычном сгорании, а красная – при детонационном. Здесь наблюдаются пиковые значения давления.
К пункту 3. Избыток топлива в камере сгорания:
Слишком богатая смесь, уменьшающееся давление сжатия и нарушения режима зажигания вызывают неполное сгорание и избыток топлива в камере сгорания. Смазка поршней, поршневых колец и рабочих поверхностей цилиндров теряет эффективность. Вследствие этого возникают полусухое трение с износом и повышенным расходом масла, а также задиры (см. главу «Расход масла и задиры на поршне»).
При калильном зажигании процесс сгорания начинается от находящейся в камере сгорания раскаленной детали еще до наступления момента зажигания. Это могут быть горячий выпускной клапан, свеча зажигания, уплотнительные детали и отложения на этих деталях, а также поверхности, расположенные вокруг камеры сгорания. Пламя бесконтрольно воздействует на детали, в результате чего температура днища поршня очень сильно повышается, достигая при продолжающемся калильном зажигании уже в течение нескольких секунд точки плавления материала поршня.
В двигателях с камерами сгорания, имеющими полусферическую форму, это приводит к дырам в днище поршня, возникающим большей частью в продолжении оси свечи зажигания.
В камерах сгорания с большими поверхностями сжимания между днищем поршня и головкой блока цилиндров жаровой пояс плавится преимущественно в области поверхностей сжимания (см. глоссарий), в точке с наибольшей нагрузкой, что часто доходит до маслосъемного поршневого кольца и до внутренней части поршня.
Детонационное сгорание, приводящее к высокой температуре поверхностей отдельных деталей камеры сгорания, также может вызвать калильное зажигание.
К пункту 2. Детонационное сгорание:
При детонационном сгорании зажигание начинается, как обычно, от искры свечи зажигания. Распространяющийся от свечи зажигания фронт пламени создает ударную волну, вызывающую в несгоревшем газе критические реакции. В связи с этим в смеси остаточного газа во многих местах одновременно возникает самовоспламенение, из-за чего скорость сгорания возрастает в 10–15 раз. Рост давления на градус угла поворота коленчатого вала и пиковые значения давления существенно повышаются. Помимо этого во время рабочего хода возникают колебания давления очень высокой частоты. Кроме того, поверхности, расположенные вокруг камеры сгорания, очень сильно нагреваются. Камеры сгорания, из которых в процессе сжигания удаляются остатки, являются однозначным признаком детонационного сгорания.
Легкие детонации с прерываниями большинство двигателей выдерживает – даже в течение длительного времени – без повреждений.
Сильные, продолжительные детонации приводят к эрозионному съему материала поршня на жаровом поясе и днище поршня. Головка блока цилиндров и уплотнение головки блока цилиндров также могут быть повреждены. Детали в камере сгорания (например, свеча зажигания) могут при этом настолько сильно нагреться, что это приведет к калильному зажиганию (самопроизвольному воспламенению) с перегревом поршня (прогары и отложения).
Сильная долговременная детонация по истечении короткого времени приводит к поломкам перемычек между канавками колец и юбки поршня, причем обычно без прогаров и отложений, а также без задиров.
На рис. 1 представлена кривая давления в камере сгорания. Синяя линия показывает кривую давления при обычном сгорании, а красная – при детонационном. Здесь наблюдаются пиковые значения давления.
К пункту 3. Избыток топлива в камере сгорания:
Слишком богатая смесь, уменьшающееся давление сжатия и нарушения режима зажигания вызывают неполное сгорание и избыток топлива в камере сгорания. Смазка поршней, поршневых колец и рабочих поверхностей цилиндров теряет эффективность. Вследствие этого возникают полусухое трение с износом и повышенным расходом масла, а также задиры (см. главу «Расход масла и задиры на поршне»).
Нарушения режима сгорания в дизельных двигателях
Для оптимального процесса сгорания наряду с механически безупречным состоянием двигателя важную роль играет также крайне тонкое и очень точное распыление впрыскивающей форсункой, а также правильное начало впрыска. Только таким образом впрыскиваемое топливо может воспламеняться с наименьшей задержкой зажигания и сгорает без остатка при нормальной характеристике давления. Различают три существенных вида нарушений режима сгорания:
1. Задержка зажигания
2. Неполное сгорание
3. Подтекание топлива из впрыскивающих форсунок
К пункту 1. Задержка зажигания:
Топливо воспламеняется лишь с определенной задержкой (задержка зажигания), если:
Степень распыления зависит только от состояния впрыскивающей форсунки. Форсунка, безупречно впрыскивающая при испытании на приборе контроля форсунок, может, однако, заклиниваться при монтаже или от температурных напряжений настолько, что в процессе работы уже не будет безупречного распыления.
Температура сжатия зависит от давления сжатия и тем самым от механического состояния двигателя. Холодный двигатель всегда имеет определенную задержку зажигания. Холодные стенки цилиндра при сжатии забирают столько тепла из еще более холодного всасываемого воздуха, что в момент начала впрыска имеющаяся температура сжатия оказывается недостаточной для того, чтобы вызвать немедленное воспламенение впрыскиваемого топлива. Лишь при продолжающемся сжатии температура зажигания достигается, и впрыснутое до тех пор топливо воспламеняется мгновенно. Это вызывает резкое, взрывообразное повышение давления с образованием шума и сильный нагрев днища поршня. Вследствие этого возникают поломки, например, перемычек между канавками колец поршня, и трещины от термических напряжений в днище поршня.
К пункту 2. Неполное сгорание:
Если топливо попадает в камеру сгорания не в нужный момент или без распыления, оно не может сгорать без остатка за имеющееся в распоряжении короткое время. То же самое происходит, если в цилиндр попадает недостаточное количество кислорода, т. е. всасываемого воздуха. Причинами могут быть забитый воздушный фильтр, неправильное открытие впускных клапанов, неисправности турбонагнетателя или износ поршневых колец и клапанов. Несгоревшее топливо частично отлагается на поверхностях цилиндра и понижает эффективность смазочной пленки или разрушает ее. Из-за этого рабочие поверхности цилиндра и поршневых колец, а также в конечном счете поверхности юбки поршня за короткий срок подвергаются сильному износу, или же на них образуются задиры. Вследствие этого повышается расход масла и понижается мощность (примеры повреждений см. в главе «Задиры от работы всухую» и «Чрезмерный расход масла»).
К пункту 3. Подтекание топлива из впрыскивающих форсунок:
Чтобы впрыскивающие форсунки после окончания впрыска из-за колебаний давления, исходящих от нагнетательного клапана топливного насоса высокого давления, трубопроводов или впрыскивающих форсунок, не открылись повторно, в системе снижается давление на определенную величину через нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления. Если давление впрыска впрыскивающих форсунок отрегулировано на слишком низкое значение или если оно не может поддерживаться постоянно (механические впрыскивающие форсунки), форсунки могут еще несколько раз подряд открываться после окончания впрыска, несмотря на понижение давления. Негерметичные впрыскивающие форсунки или подтекание топлива из них также вызывают неконтролируемую подачу топлива в камеру сгорания. Из-за отсутствия кислорода топливо, впрыскиваемое без контроля, в обоих случаях попадает на днище поршня в несгоревшем виде. Там топливо сгорает при довольно высокой температуре и нагревает материал поршня в этом месте настолько сильно, что под действием силы инерции и эрозии отработавших газов возможен отрыв частиц поршня от его поверхности. Следствием этого является существенный съем материала или эрозионное разрушение на днище поршня.
1. Задержка зажигания
2. Неполное сгорание
3. Подтекание топлива из впрыскивающих форсунок
К пункту 1. Задержка зажигания:
Топливо воспламеняется лишь с определенной задержкой (задержка зажигания), если:
- не обеспечивается его достаточно тонкое распыление,
- оно впрыскивается в цилиндр не в нужный момент,
- или если температура сжатия в момент начала впрыска недостаточно высока.
Степень распыления зависит только от состояния впрыскивающей форсунки. Форсунка, безупречно впрыскивающая при испытании на приборе контроля форсунок, может, однако, заклиниваться при монтаже или от температурных напряжений настолько, что в процессе работы уже не будет безупречного распыления.
Температура сжатия зависит от давления сжатия и тем самым от механического состояния двигателя. Холодный двигатель всегда имеет определенную задержку зажигания. Холодные стенки цилиндра при сжатии забирают столько тепла из еще более холодного всасываемого воздуха, что в момент начала впрыска имеющаяся температура сжатия оказывается недостаточной для того, чтобы вызвать немедленное воспламенение впрыскиваемого топлива. Лишь при продолжающемся сжатии температура зажигания достигается, и впрыснутое до тех пор топливо воспламеняется мгновенно. Это вызывает резкое, взрывообразное повышение давления с образованием шума и сильный нагрев днища поршня. Вследствие этого возникают поломки, например, перемычек между канавками колец поршня, и трещины от термических напряжений в днище поршня.
К пункту 2. Неполное сгорание:
Если топливо попадает в камеру сгорания не в нужный момент или без распыления, оно не может сгорать без остатка за имеющееся в распоряжении короткое время. То же самое происходит, если в цилиндр попадает недостаточное количество кислорода, т. е. всасываемого воздуха. Причинами могут быть забитый воздушный фильтр, неправильное открытие впускных клапанов, неисправности турбонагнетателя или износ поршневых колец и клапанов. Несгоревшее топливо частично отлагается на поверхностях цилиндра и понижает эффективность смазочной пленки или разрушает ее. Из-за этого рабочие поверхности цилиндра и поршневых колец, а также в конечном счете поверхности юбки поршня за короткий срок подвергаются сильному износу, или же на них образуются задиры. Вследствие этого повышается расход масла и понижается мощность (примеры повреждений см. в главе «Задиры от работы всухую» и «Чрезмерный расход масла»).
К пункту 3. Подтекание топлива из впрыскивающих форсунок:
Чтобы впрыскивающие форсунки после окончания впрыска из-за колебаний давления, исходящих от нагнетательного клапана топливного насоса высокого давления, трубопроводов или впрыскивающих форсунок, не открылись повторно, в системе снижается давление на определенную величину через нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления. Если давление впрыска впрыскивающих форсунок отрегулировано на слишком низкое значение или если оно не может поддерживаться постоянно (механические впрыскивающие форсунки), форсунки могут еще несколько раз подряд открываться после окончания впрыска, несмотря на понижение давления. Негерметичные впрыскивающие форсунки или подтекание топлива из них также вызывают неконтролируемую подачу топлива в камеру сгорания. Из-за отсутствия кислорода топливо, впрыскиваемое без контроля, в обоих случаях попадает на днище поршня в несгоревшем виде. Там топливо сгорает при довольно высокой температуре и нагревает материал поршня в этом месте настолько сильно, что под действием силы инерции и эрозии отработавших газов возможен отрыв частиц поршня от его поверхности. Следствием этого является существенный съем материала или эрозионное разрушение на днище поршня.