Количество и температуру выхлопных газов — под контроль!

Любой отказ любого двигателя любого транспортного средства вызывает массу острых ощущений, потому что он происходит (в большинстве случаев) в тот самый момент, когда Вы требуете от него максимальной отдачи: взлет, набор высоты, уход на второй круг… Можно подумать, что если в момент обгона (это уже про автомобили) двигатель чихнет с провалом мощности, то все будут в диком восторге…

Так что же лучше? Одеть розовые водительские очки — «да то ж иномарка, чё ей будет…» или, прочитав «Руководство по эксплуатации» от «А» до «Я», быть готовым к внезапному отказу? Мое мнение, что второй вариант предпочтительнее, а лучший вариант — предотвратить отказ….. А что для этого надо? — Грамотная эксплуатация при своевременном обслуживании вместе с контролем и диагностикой.

Отказы кривошипного механизма и цилиндро-поршневой группы наиболее опасны из-за «внезапности» и тяжести последствий. Основная масса таких отказов связана с нарушениями процесса сгорания. Возникает необходимость контроля и понимания данного процесса.

Нормальное сгорание топливовоздушной смеси

Топливо-воздушная смесь сжимается во время хода поршня вверх и в определенный момент, называемый «моментом зажигания», воспламеняется электрической искрой. Существует также термин «опережение зажигания» — величина, измеряемая в градусах поворота коленвала (ПКВ) или в миллиметрах движения поршня и показывающая опережение момента зажигания времени достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ).

Процесс сгорания начинается в конце такта сжатия, когда поршень, сжимая топливо-воздушную смесь, приближается к ВМТ. В момент зажигания (А) искровой разряд вызывает мгновенный (около 10-5с или одной сотой доли микросекунды) разогрев смеси до температуры более 1000°С в очень малом объеме между электродами свечи, приводящий к термическому разложению, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенению смеси. Возникает очаг горения, насыщенный продуктами сгорания, и поверхность раздела между ним и несгоревшей смесью (фронт пламени). Если объем очага достаточен для прогрева и воспламенения соприкасающихся с ним слоев смеси (это зависит, в основном, от мощности искрового разряда, температуры и давления смеси в конце такта сжатия), то процесс сгорания начинает распространяться по объему камеры сгорания от свечи в сторону еще не сгоревшей смеси со скоростью менее 1 м/с. Турбулентные потоки, возникающие при наполнении и сжатии смеси, искривляют и разрушают четкие границы фронта пламени: объемы горящих компонентов внедряются в негорящую смесь. Площадь поверхности фронта резко возрастает, а вместе с ней повышается и скорость распространения фронта — до 50-80 м/с.(точка (В) на индикаторной диаграмме).

Ускоряющееся движение фронта вызывает все более быстрое воспламенение и сгорание новых порций смеси. В результате температура и давление в камере сгорания резко увеличиваются. Точка С, соответствующая максимуму давления (5…6 МПа), примерно совпадает с моментом достижения фронтом пламени стенок цилиндра. Уменьшение количества смеси и теплоотвод от газов в стенки цилиндра приводят к падению скорости сгорания. Температура продуктов сгорания, достигнув максимума (более 2000°С) несколько позже, чем давление, начинает падать вместе с началом движения поршня вниз. Процесс сгорания, занявший З0 — 400 ПКВ, закончился. Начинается процесс расширения — такт рабочего хода.

Нормальный процесс сгорания характеризуется следующими параметрами:

• скорость распространения пламени — 50-80 м/с.
• величина и момент максимального давления — 5-6 МПа, 12…150 после ВМТ
• величина и момент максимальной температуры — 2100-2300°С, 25…300 после ВМТ.

На указанные параметры существенное влияние оказывают многие факторы:

1. Конструкция и размеры камеры сгорания;
2. Степень сжатия;
3. Количество остаточных газов;
4. Опережение зажигания;
5. Мощность искры;
6. Скорость вращения коленвала;
7. Температура стенок камеры сгорания;
8. Температура топливовоздушной смеси;
9. Давление топливовоздушной смеси;
10. Качество топливовоздушной смеси;
11. Свойства топлива;
12. Состояние двигателя.

Только часть из этих параметров эксплуатант может контролировать и еще меньшую часть обязан контролировать. При выполнении требований по установке, эксплуатации и обслуживания двигателя все параметры будут в норме, и производитель гарантирует нормальный процесс сгорания, т.е. нормальную работу двигателя.

Это в идеале, а в реальных условиях эксплуатации получить аномальный процесс сгорания не сложно, учитывая особенности национального воздухоплавания и бензиноварения.
Возникает необходимость контролировать сам процесс сгорания. Самый доступный способ — контроль температур: головки цилиндра (ТГЦ) и выхлопных газов (ТВГ).

ТГЦ — комплексный параметр. На величину ТГЦ оказывает влияние температура сгорания и эффективность система охлаждения. Инерционность параметра зависит от теплопроводности материала головки.

ТВГ — параметр, косвенно характеризующий процесс сгорания топлива. Измерение практически безинерционно. Существенным недостатком данного параметра является неоднозначность и сложность анализа. Для полноценного использования указателя ТВГ как оперативного и диагностического средства контроля необходимо, как минимум, знать нормальные значения ТВГ и влияние на них различных изменений в условиях эксплуатации и отклонений в процессе сгорания. На рис 2. Представлен типовой график зависимости ТВГ от частоты вращения коленвала.

II. Нарушения процесса сгорания

Наиболее распространенные причины нарушения процесса сгорания:
Неисправность топливной системы
Неисправность системы зажигания
Выстрелы (хлопки)
Калильное зажигание
Дизелинг
Детонационное сгорание
Бензин с низким октановым числом или фальсифицированный бензин

Неисправность топливной системы

Под данной неисправностью подразумевается любое нарушение или отказ, вызывающие обеднение или обогащение топливо-воздушной смеси.

Количество воздуха (или кислорода), необходимое и достаточное для полного окисления топлива (в СО2 и Н2О), называется теоретически необходимым количеством воздуха (или кислорода). В среднем для сгорания 1 кг топлива необходимо 14,8 кг воздуха. В действительности эта величина сильно зависит от состава бензина (способа получения) и может колебаться от 13,8 до 15,2.

Количество воздуха, при котором происходит сгорание топлива, может отличаться от теоретически необходимого. В этом случае сгорание происходит с избытком или недостатком воздуха. Для оценки соотношения между топливом и воздухом используется коэффициент избытка воздуха альфа — отношение количества располагаемого для сгорания воздуха к теоретически необходимому.

При альфа 1,0 (избыток воздуха) смесь называется бедной. Многоцилиндровый двигатель может устойчиво работать в диапазоне альфа от 0,5 до 1,15.

Влияние коэффициента избытка воздуха на процесс сгорания и тепловое состояние двигателя даны на рис. 3 и 4.
У карбюраторных авиационных двигателей коэффициент избытка воздуха заключен в пределах 0,70…1,10. Чаще всего двигатели работают на богатой смеси с недостатком воздуха. Объясняется это тем, что двигатель развивает наибольшую мощность при богатой смеси 0,85…0,90. На взлетном режиме смесь обогащается до 0,75…0,80 для снижения рабочих температур головок цилиндров и выпускных клапанов. С уменьшением нагрузки (дросселированием) тепловое состояние двигателя становится менее напряженным, что дает возможность перейти на более бедные смеси. Работа на бедной смеси (1,05…1,10) сопровождается падением мощности (на 4…6%) и увеличением экономичности (на 10…15%) по сравнению с работой на составе смеси, соответствующей максимальной мощности двигателя. У многоцилиндровых двигателей, обычно страдающих неравномерностью распределения топлива по цилиндрам, приходится устанавливать состав смеси по наиболее бедно работающим цилиндрам. В этом случае редко удается обеспечить устойчивую работу при значениях альфа > 1,05 (для всего двигателя). Работа на бедных смесях возможна только при дросселировании, при мощностях порядка 0,6…0,9 номинальной мощности. На режиме малого газа смесь необходимо обогатить до 0,65…0,70 для обеспечения устойчивой работы и улучшения приемистости. Для надежного запуска холодного двигателя требуется еще большее обогащение смеси до 0,45…0,55.

Оптимальный состав топливо-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя должен обеспечивать карбюратор. Шесть систем карбюратора:

• поплавковая камера,
• пусковая система,
• система холостого хода,
• промежуточная система,
• система частичной нагрузки,
• система полной нагрузки

отвечают за приготовление топливовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя.

Учитывая характеристику карбюратора можно сделать следующие выводы:
1. Небольшое обогащение топливо-воздушной смеси сопровождается уменьшением температуры головки цилиндра и выхлопных газов.
2. Небольшое обеднение топливо-воздушной смеси сопровождается значительным ростом температуры головки цилиндра и выхлопных газов. Наиболее опасно обеднение смеси на режимах 4500…5000 об/мин и 6000…6800 об/мин.
3. Сильное обеднение или обогащение смеси вызывает значительное падение температуры головки цилиндра и выхлопных газов. Т.к. падает скорость сгорания, максимум давления достигается в более поздний момент, что вызывает жесткую работу двигателя.
4. Сильное обеднение смеси (уменьшение подачи топлива) вызывает снижение мощности, происходит самопроизвольное падение оборотов, как правило до 4500 об/мин (наименьший удельный расход топлива).
5. Сильное обеднение или обогащение смеси в одном из цилиндров сопровождается повышенными вибрациями, падением температур данного цилиндра, пропусками зажигания и полным отключением цилиндра.

Основные причины обогащения смеси:
• загрязнения воздушного фильтра,
• нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем),
• повышенное давление топлива,
• «тяжелый» воздушный винт.
Основные причины обеднения смеси:
• подсос воздуха в топливную систему или впускной патрубок,
• нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем),
• снижение производительности насоса,
• засорение элементов топливной системы,
• неправильная установка крейсерского режима (при движении РУД от высоких оборотов к низким).
• «легкий» воздушный винт.