Degimo procesas benzininiame variklyje

Automobilio variklis daugeliui vairuotojų tebėra paslaptinga „juodoji dėžė“, tačiau suprasti jo veikimo principus, ypač degimo procesą, yra itin svarbu siekiant užtikrinti ilgaamžiškumą ir efektyvumą. Benzininiai varikliai yra vidaus degimo varikliai, kuriuose degalai ir oras maišomi bei uždegami kibirkštimi. Šis procesas yra cikliškas, nuolat kartojantis tas pačias fazes, kurias nagrinėja termodinamika.

Pagrindiniai principai ir skirtumai

Benzininiai varikliai degina lakią degalų ir oro mišinį, kurį uždega žvakės kibirkštis. Tai suteikia jiems pranašumą tylumu ir sklandumu, lyginant su dyzeliniais varikliais, bei leidžia greičiau pasiekti aukštesnes apsukas, užtikrinant „lengvesnį“ važiavimo pojūtį.

Skirtumai tarp benzininių ir dyzelinių variklių degimo procesuose yra esminiai:

• Benzininis variklis: Degalai ir oras sumaišomi prieš suspaudimo procesą. Degimo procesui pradėti naudojama uždegimo žvakė, sukurianti elektros kibirkštį.
• Dyzelinis variklis: Oras suspaudžiamas iki tokios temperatūros, kad įpurkštas dyzelinas savaime užsidega, nereikalaujant uždegimo žvakės. Degalai įpurškiami į orą esant išsiplėtimo eigai.

Sprogstamojo degimo procese dėl itin aukštos temperatūros ore esantys azoto atomai oksiduojasi ir susidaro azoto oksidas bei azoto dioksidas. Jei įkvepiamo oro nepakanka, deguonies atomų, susietų su anglies atomais, bus mažiau, todėl anglies oksidas nesusidarys iki galo, o susidarys dalis anglies monoksido.

Kompresijos reikšmė benzininiame variklyje

Kompresija benzininiame variklyje yra didžiausio ir mažiausio variklio cilindro tūrio santykis. Šis santykis lemia, kaip gerai suspaudžiamas oro ir degalų mišinys, todėl cilindre įvyksta sklandus degimo procesas ir variklis gerai dirba. Kompresija yra maksimalus slėgis, kuriuo veikiamas oro ir degalų mišinys cilindre, kurį sukelia stūmoklis. Ji yra labai svarbi, nes nuo jos priklauso variklio darbas, kuro sąnaudos ir motoro ilgaamžiškumas.

Kompresijos mechanizmas ir įtaka

Dujų suspaudimas turi keletą tikslų:

• Didėjantis slėgis padidina dujų tankį ir sumažina atstumą tarp molekulių, todėl degalų ir deguonies molekulės suartėja, o degimas vyksta greičiau.
• Temperatūra padidina molekulinio judėjimo greitį, palengvindama kuro ir deguonies molekulių sąveiką, todėl kuro ir oro mišinį lengviau užsidegti.

Ideali kompresija priklauso nuo variklio ir naudojamų degalų rūšies. Tipiškame benzininiame variklyje standartiniu laikomas 10:1-12:1 suspaudimo santykis. Šiuolaikiniai benzininiai varikliai yra sukurti su didesniu suspaudimo laipsniu, remiantis tobulėjančiomis technologijomis ir didesnio oktaninio skaičiaus benzinu.

Kuo didesnis variklio suspaudimo laipsnis, tuo didesnis variklio efektyvumas, geresnis našumas ir degalų ekonomija. Tačiau suspaudimo laipsnis negali būti per didelis, nes tai sukels benzininio variklio detonaciją, kuri turės rimtą neigiamą poveikį variklio eksploatavimo trukmei. Tinkamiausias suspaudimo laipsnis sukurtas taip, kad variklio varomoji jėga, ekonominė nauda ir patikimumas pasiektų tobulą ir stabilų balansą.

Problemos dėl kompresijos

Dėl susidėvėjusių stūmoklio žiedų, pažeistų galvos tarpinių arba problemų su vožtuvais kompresija gali sumažėti. Vairuojant iš karto jaučiasi šis pokytis, nes variklis netenka galios ir ima vartoti daugiau kuro. Dėl variklio modifikacijų, kuriomis padidinamas suspaudimo santykis, gali būti sugeneruota pernelyg didelė kompresija, kas iššaukia problemas ir gali atsirasti kalimas.

Keturtakčio ir dvitakčio variklio degimo procesas

Stūmokliniai vidaus degimo varikliai, kurie dažniausiai įrengiami traktoriuose ir automobiliuose, veikia cikliškai. Jų cilindruose degant skysčiams ar dujoms susidaro didelio slėgio dujiniai deginiai, kurie plėsdamiesi didele jėga veikia stūmoklį, o pastarasis per švaistiklį suka variklio alkūninį veleną. Kad degalai laiku užsidegtų, jie turi būti tinkamai paruošti, sumaišyti su oru ir suspausti.

Dvitakčio vidaus degimo variklio darbo ciklas

Dvitakčio variklio darbo ciklas baigiamas dviem stūmoklio taktais, t.y., alkūninis velenas sukasi vieną ciklą. Dujų mainų procesas reiškia procesą, kai išmetamosios dujos pašalinamos iš cilindro ir pakeičiamos grynu oru.

1. Pirmasis taktas: Stūmoklis, varomas alkūninio veleno, juda iš apačios į viršutinį negyvąjį tašką (VNT). Kai stūmoklis yra apatiniame negyvajame taške (ANT), įleidimo anga uždaroma stūmokliu, o išmetimo ir prapūtimo angos yra atidarytos. Šiuo metu karteryje esantis degusis mišinys per siurbimo angą patenka į cilindrą, nušluodamas viduje esančias išmetamąsias dujas. Kai stūmoklis pasislenka link VNT, stūmoklio galvutė pirmiausia uždaro valymo angą, o išmetimo anga dar nėra uždaryta, todėl dalis išmetamųjų dujų ir degaus mišinio toliau išleidžiama. Kai stūmoklis uždaro išmetimo angą, cilindre esantis degusis mišinys pradeda spaustis. Suspaudimo procesas nesibaigia tol, kol stūmoklis nepasiekia VNT.
2. Antrasis taktas: Stūmoklis juda iš VNT į ANT. Suspaudimo proceso pabaigoje uždegimo žvakė sukuria elektros kibirkštį, uždegdama cilindre esantį degų mišinį. Dujos plečiasi, kad galėtų dirbti. Šiuo metu išmetimo ir prapūtimo angos yra uždarytos stūmokliu, tačiau įleidimo angos vis dar atviros. Oras ir benzinas toliau teka į karterį per įsiurbimo angą, kol stūmoklio gaubtas uždaro įsiurbimo angą. Stūmokliui toliau judant link ANT, karterio tūris mažėja, o viduje esantis mišinys iš anksto suspaudžiamas. Po to stūmoklio galvutė pirmiausia atidaro išmetimo angą, o išsiplėtusios degimo dujos tampa išmetamosiomis dujomis, kurios išleidžiamos per išmetimo angą. Šiuo metu darbo eiga baigiasi ir prasideda ankstyvas išmetimas. Tada stūmoklis vėl atidaro prapūtimo angą, o iš anksto suspaustas degusis mišinys patenka į cilindrą iš karterio per valymo angą, iššluodamas išmetamąsias dujas ir pradėdamas plovimo procesą.

Keturtakčio vidaus degimo variklio veikimas

Keturtakčiuose vidaus degimo varikliuose išmetimo ir įsiurbimo procesai paprastai vadinami vėdinimo procesu. Variklyje vykstantys ciklai skiriasi nuo termodinaminių ir vadinami tikraisiais. Dujas sudaro degalų ir oro mišinys, taip pat nedidelis kiekis cilindre likusių deginių. Šio dujų mišinio sudėtis ir šilumingumas procesų metu kinta. Tarp dujų ir cilindro sienelių vyksta šilumos mainai - suspaudimo ir išsiplėtimo procesai yra ne adiabatiniai, o politropiniai. Variklio cilindre vykstantis ciklas atviras, nes po kiekvieno ciklo dujos pasikeičia: išsiplėtę deginiai iš cilindro išmetami laukan ir į jį siurbiamas šviežias mišinys ar oras.

Realiame variklyje siurbimo vožtuvas pradeda atsidaryti anksčiau ir visiškai užsidaro vėliau, dėl to pagerėja cilindrų pripildymas. Pasikeitus stūmoklio slinkimo krypčiai, cilindre vyksta suspaudimo procesas. Jam baigiantis, tam tikra paskuba prieš VNT, benzininio variklio mišinys uždegamas. Išmetimo vožtuvas atsidaro anksčiau, negu stūmoklis pasiekia ANT, ir prasideda išmetimo procesas.

HCCI varikliai: Ateities perspektyvos

Mokslininkai intensyviai dirba prie jau seniai žinomo, pagal HCCI (angl. Homogeneous Charge Compression Ignition) dėsningumus veikiančio vidaus degimo variklio. Konstrukcijos požiūriu tai visiškai toks pat, įprastas benzininis arba dyzelinis variklis.

HCCI principas ir skirtumai

HCCI variklio veikimo principas skiriasi nuo tradicinių:

• Degusis mišinys: Ruošiamas už cilindro ribų. Degalai tiekiami į įsiurbimo kolektorių ir iš jo, susimaišę su oru, patenka į cilindro vidų. Taip užtenka laiko, kad degalai visiškai išgaruotų ir susimaišytų su oru. Toks mišinio paruošimo būdas leidžia išvengti liesų ar riebių mišinio zonų susidarymo.
• Uždegimas: Skirtingai nei benzininiame variklyje, kurį uždega žvakės kibirkštis, HCCI variklyje mišinys užsiliepsnoja pats savaime nuo suspaudimo takto metu kylančios temperatūros.
• Degimo procesas: Benzininiame ir dyzeliniame varikliuose degalai dega su sklindančiu liepsnos frontu. HCCI varikliuose degalų ir oro homogeninio mišinio užsiliepsnojimas ir degimas vyksta daugiataškiu principu visame cilindro tūryje vienu metu.

HCCI varikliai pasižymi galimybe naudoti įvairius degalus (benziną, dyzeliną, žibalą, metanolį, etanolį, gamtines dujas ir kitus).

Istorija ir iššūkiai

Pirmieji HCCI principu veikiantys varikliai buvo naudojami Vokietijoje 1949-1954 metais. Juos sukūrė inžinierius Hermanas Tigenas (Hermann Teegen), o gamino kompanija „Lohmann Werke AG“. Tai buvo pagalbiniai prie dviračių montuojami, vieno cilindro, dvitakčiai, karbiuratoriniai, 18 cm³ darbinio tūrio, 0,8 AG galios, esant 6 000 aps./min., varikliai. Jie neturėjo jokios degalų uždegimo sistemos, o suspaudimo laipsnį buvo galima keisti 12,5:1-125:1 ribose. Toks aukštas suspaudimo laipsnis buvo naudojamas tik paleidžiant variklį ir jį pašildant. Vėliau variklis dirbdavo 14:1-18:1 suspaudimo laipsnio ribose. Variklis buvo maitinamas benzinu, spiritu, žibalu, dyzelinu ir 100 km kelio sunaudodavo iki 1 litro degalų. Pats variklis svėrė 5 kg ir galėjo būti montuojamas prie bet kurio dviračio, sukdamas galinį ratą. Su šiuo pagalbiniu varikliu dviratis pasiekdavo iki 25 km/val. greitį. Per 5 gamybos metus buvo surinkta 51 tūkst. tokių variklių.

HCCI principu veikiantys varikliai gali dirbti nusistovėjusiuose apkrovos ir alkūninio veleno sūkių režimuose. Tačiau keičiantis bent vienam iš parametrų, keičiasi ir degalų užsiliepsnojimo sąlygos. HCCI varikliuose nėra tiesioginių būdų, kaip suvaldyti degiojo mišinio užsiliepsnojimą; procesas kontroliuojamas cheminių reakcijų kinetika. Manoma, kad tai labiausiai priklauso nuo vandenilio peroksido (H2O2) skaidymosi. Kol kas didžiausia kliūtis - suvaldyti HCCI variklio darbą, keičiantis apkrovai ir sūkiams. Šalto variklio paleidimas gali būti kompensuojamas įdiegiant kelis konstrukcinius sprendimus, pavyzdžiui, naudojant pakaitinimo žvakes, kitokios sudėties degalų mišinius ar degalų priedus, keičiant variklio suspaudimo laipsnį bei valdant vožtuvų fazes.

Valdymo metodai

HCCI procesus galima kontroliuoti keliais metodais:

• Grąžinant dalį deginių atgal į cilindrą (EGR - deginių recirkuliacija). Tai metodas, nereikalaujantis didelių variklio pakeitimų.
• Naudojant kintamą variklio suspaudimo laipsnį. Tai leidžia gana nesunkiai valdyti pereinamuosius procesus. Viena iš galimybių - sumontuoti cilindro viršuje plunžerį, kuriuo būtų galima keisti suspaudimo laipsnį hidrauliniu būdu.
• Naudojant vožtuvų sistemas su kintamomis fazėmis. Didelį suspaudimo laipsnį variklyje galima pakeisti atitinkamai vėliau uždarant įsiurbimo vožtuvą suspaudimo takto eigoje.
• Keičiant įsiurbiamo oro temperatūrą.

HCCI varikliai, veikiantys HCCI principu, gali pasiekti didelį sukimo momentą ir efektyvumą. HCCI variklių NOx ir kietųjų dalelių deginių emisijos yra labai mažos, tačiau HC (angliavandenilių) ir CO (anglies monoksido) didelės. Esant didelėms apkrovoms, variklis dirba labai triukšmingai (detonuoja), gali mechaniškai sugesti, didėja NOx emisijos. Todėl neatmetama galimybė, kad, esant didelėms apkrovoms, variklis būtų perjungtas dirbti tradiciniu benzininiu ar dyzeliniu būdu.

Šiuolaikinės technologijos ir problemos

Nors bazinis keturtaktis ciklas išliko, šiuolaikinis variklis yra sudėtinga daugelio sistemų sąveika. Variklių technologijos pastarąjį dešimtmetį vystėsi dviem kryptimis: didesnis efektyvumas ir griežtesnė emisijų kontrolė.

Kuro tiekimo sistemos

• Port fuel injection (PFI): Purškia kurą į įsiurbimo kanalą.
• Gasoline direct injection (GDI): Purškia kurą tiesiai į cilindrą. Viena ryškiausių GDI technologijos problemų - nuosėdos. Moksliniai tyrimai rodo, kad tiek įsiurbimo vožtuvų nuosėdos, tiek purkštukų apnašos gali bloginti degimo kokybę, didinti emisijas, skatinti trūkčiojimą ar praleidimus.

Kuro sistemos tiekia benziną į variklį. Kuro filtro užsikimšimas yra viena dažniausių problemų. Dirbdamas su Audi A4, pastebėjau, kad automobilis prarado beveik 30% galios vien dėl užsikimšusio kuro filtro. Kokybiški kuro priedai gali padėti išvalyti kuro sistemą ir pagerinti variklio darbą, ypač senesniuose automobiliuose. Tiesioginio įpurškimo varikliuose degalų detergentai ir kokybiški degalai gali padėti kontroliuoti purkštukų nuosėdas.

Uždegimo sistema

Uždegimo sistema - benzininio variklio širdis. Kartą klientas atvažiavo su BMW, kuris nuolat gesindavo. Patikrinus uždegimo žvakes, jos buvo visiškai apsinešusios anglimi. Priklausomai nuo automobilio modelio ir žvakių tipo, rekomenduojama keisti kas 30 000-100 000 km.

Turbokompresoriai ir emisijų kontrolė

Turbina leido gamintojams mažinti variklių tūrį neprarandant dinamikos, tačiau padidino šiluminę ir tepimo apkrovą. Gamintojo Garrett duomenimis, didžioji dalis turbokompresorių gedimų susiję su alyvos badu ar alyvos užterštumu, o ne gamybos defektais.

Modernūs GDI benzininiai varikliai kai kuriose rinkose naudoja ir benzininį kietųjų dalelių filtrą (GPF), panašų į dyzeliuose naudojamą DPF.

Variklio priežiūra ir eksploatacija

Variklio gedimai retai atsiranda „iš niekur“. Dauguma benzininių variklių problemų kyla dėl netinkamos priežiūros. Modernūs varikliai tampa efektyvesni, bet jautresni priežiūros disciplinai.

Alyva ir aušinimo sistema

• Alyva: Variklyje atlieka ne tik tepimo, bet ir aušinimo bei valymo funkciją. Netinkama klampumo klasė ar neatitinkantis specifikacijų tepalas gali paspartinti dėvėjimąsi, ypač moderniuose turbo ir tiesioginio įpurškimo varikliuose. Alyvos keitimas pagal gamintojo rekomendacijas yra viena didžiausią grąžą turinčių investicijų į variklio ilgaamžiškumą. Alyvos keitimas - pigiausia variklio apsauga.
• Aušinimo sistema: Palaiko optimalią variklio temperatūrą. Perkaitimas yra vienas pavojingiausių variklio „signalų“, nes gali greitai baigtis brangiu remontu. Aušinimo skysčio lygis turi būti normalus, o pastebėjus jo kritimą verta ieškoti nuotėkio priežasčių. Svarbu suprasti, kad galvos tarpinės gedimai labai dažnai yra perkaitimo pasekmė.

Kitos svarbios rekomendacijos

• Variklio garsai: Atkreipkite dėmesį į variklio garsus. Neįprasti garsai dažnai signalizuoja apie artėjančias problemas.
• Tuščias kuro bakas: Nevažinėkite su tuščiu kuro baku, nes kuro siurblys aušinamas kuru.
• Trumpi, šalti važiavimai: Kenkia beveik visiems šiuolaikiniams varikliams, ypač turbininiams ir dyzeliniams su DPF.
• Paskirstymo diržas: Sinchronizuoja alkūninio ir skirstomojo velenų darbą.

Kai eksploatuojamas šaltas variklis, didėja trinties nuostoliai, dėl to blogesni jo efektyvūs rodikliai. Todėl variklį reikia eksploatuoti, kai jame esančios alyvos temperatūra būna 70-95° C. Tinkamai parinktas variklio greitinis režimas taip pat svarbus. Didinant veleno sukimosi greitį, didėja inercijos jėgos, be to, didėja stūmoklių vidutiniai greičiai. Šiluma panaudojama geriausiai, kai variklis dirba visa apkrova. Kai apkrova mažesnė, daug šilumos prarandama su deginiais.

Hibridinės technologijos

Hibridinės sistemos leidžia vidaus degimo varikliui dirbti palankesniu režimu, ypač mieste, kur elektros pavara gali perimti dalį darbo. Yra keli hibridinių sistemų tipai:

• Mild hybrid (MHEV): Dažniausiai naudoja 48 V sistemą ir mažą elektros pavarą, kuri padeda startuojant, pagreitėjant bei rekuperuoja energiją stabdymo metu.
• Full hybrid (HEV): Gali važiuoti vien elektra trumpais atstumais ir dažnai turi sudėtingesnę jėgos paskirstymo logiką.
• Plug-in hybrid (PHEV): Turi didesnę bateriją, kurią galima įkrauti iš tinklo.

tags: #degimo #procesas #benziniame #variklyje