Общие сведения о повреждениях поршня из-за нарушений режима сгорания
Нарушения режима сгорания в двигателях с принудительным воспламенением смеси
Обычное сгорание топливно-воздушной смеси в цилиндре осуществляется в точно определенном процессе.
Воспламенение начинается от искры свечи зажигания незадолго до достижения верхней мертвой точки. Пламя распространяется в виде круга от свечи зажигания и проходит камеру сжигания с постоянно растущей скоростью сжигания от 5 до 30 м/с. В результате этого давление в камере сгорания резко поднимается и достигает максимального значения сразу после верхней мертвой точки. Для уменьшения нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма скорость роста давления на градус угла коленчатого вала не должна превышать 3,5 бар. Этот обычный процесс воспламенения может, однако, быть нарушен различными воздействиями, что можно обобщить, в основном, в виде трех совершенно разных случаев нарушений режима сгорания:
- Калильное зажигание (преждевременное воспламенение): оно приводит к термической перегрузке поршня
- Детонационное зажигание: оно приводит к эрозионному съему материала и к механической перегрузке на поршне и на кривошипно-шатунном механизме
- Переполнение топливом: он приводит к износу с излишним расходом масла и также к заеданию поршня.
На рис. 1 представлены различия между обычным зажиганием, детонационным зажиганием и калильным зажиганием по времени.
К пункту 1. Калильное зажигание (преждевременное воспламенение):
При калильном зажигании воспламенение начинается каленной деталью в камере сгорания уже до самого момента зажигания. Это может быть горячий выпускной клапан, свеча зажигания, детали уплотнения и отложения на названных деталях и поверхностях, находящихся вокруг камеры сгорания. При калильном зажигании пламя воздействует на конструктивные элементы неконтролируемо, в результате чего температура в днище поршня очень сильно повышается, достигая при продолжающемся калильном зажигании уже в течение нескольких секунд точки плавления материала поршня. В двигателях с камерами сгорания, в основном имеющими форму полусферы, это в днище поршня приводит к дырам, возникающим в продолжении оси свечи зажигания.
В камерах сгорания с большими сжимными поверхностями между днищем поршня и головкой цилиндра плавится жаровой пояс в точке с наибольшей нагрузкой, что доходит часто до маслосъемного кольца и до внутренней части поршня.
Объяснение:
сжимной поверхностью в производстве двигателей называется та поверхность на днище поршня, которая находится довольно близко к головке цилиндра в верхней мертвой точке. При перемещении поршня вверх в направлении верхней мертвой точки свежие газы выдавливаются из этой узкой щели в направлении середины камеры сгорания, что обеспечивает завихрение газов и тем самым улучшает сгорание смеси.
Детонационное горение, приводящее к высокой температуре поверхности отдельных деталей камеры сгорания, может также вызвать калильное зажигание.
К пункту 2: Детонационное зажигание:
При детонационном воспламенении зажигание обычно начинается искрой свечи зажигания. Распространяющееся от свечи зажигания пламя создает волну давления, вызывающую в несгоревшем газе критические реакции. В связи с этим в смеси остаточного газа во многих местах одновременно возникает самовоспламенение. Скорость сжигания возрастает в 10–15 раз. Рост давления на градус угла поворота коленчатого вала и пиковые значения давления существенно повышаются.
Кроме того, в ходе расширения образовываются высокочастотные колебания давления.
Дополнительно поверхности, замыкающие камеру сгорания, сильно нагреваются. Камеры сгорания, из которых в процессе сжигания удалены остатки, являются однозначным признаком детонационного горения. Легкие детонации с прерываниями большинство двигателей выдерживает в течение длительного времени без повреждений.
Сильные, продолжающиеся детонации приводят к эрозионному съему материала поршня на жаровом поясе и на днище поршня. Головка цилиндра и прокладки головки блока цилиндра также могут быть повреждены. Детали в камере сгорания (напр., свеча зажигания) могут при этом настолько сильно нагреться, что это приводит к калильному зажиганию (преждевременное воспламенение) с термической перегрузкой поршня (прогары и отложения).
Тяжелые постоянные детонации по истечении короткого времени приводят к поломкам перемычки колец и юбки поршня, причем обычно без прогаров и отложений и без задиров.
На рис. 1 графически представлена кривая давления в камере сгорания. Синяя линия показывает кривую давления при обычном сжигании. Красная линия показывает кривую давления при детонационном горении, на которое наложены пиковые значения давления.
К пункту 3: Переполнение топливом:
Слишком богатая смесь, уменьшающееся давление сжатия и нарушения режима зажигания вызывают неполное сжигание с переполнением топливом. Смазка поршней, поршневых колец и рабочих поверхностей цилиндров все больше и больше теряет эффективность. Последствием являются полусухое трение с износом и расходом масла, а также задиры (подробности приведены также в разделах «Расход масла» и «Задиры поршня»).
Нарушения режима сгорания в дизельных двигателях
Для оптимального процесса сжигания в дизельном двигателе наряду с механически безупречным состоянием двигателя важную роль играет также крайне тонкое и очень точное распыление форсункой, а также правильное начало впрыска. Только таким образом впрыскиваемое топливо может воспламеняться с наименьшей задержкой зажигания и сгорает без остатков при нормальной характеристике давления. На этот нормальный процесс сжигания, однако, может отрицательно повлиять ряд факторов.
В основном, имеется три существенных вида нарушений режима сжигания:
- задержка зажигания
- неполное сгорание
- подтекание топлива из форсунок
К пункту 1: Задержка зажигания:
Впрыскнутое в начале впрыска топливо воспламеняется лишь с определенной задержкой (задержка зажигания) при недостаточно тонком распылении и попадании в цилиндр не в нужный момент или если температура сжатия в момент впрыска недостаточно высока. Степень распыления зависит только от состояния форсунки. Форсунка, безупречно впрыскивающая при испытании на приборе контроля форсунок, может, однако, заклиниваться при монтаже в головке цилиндра или от температурных напряжений настолько, что в работе 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 немедленно воспламенить впрыскиваемое топливо. Лишь при продолжающемся сжатии температура зажигания достигается и впрыснутое до тех пор топливо воспламеняется внезапно. Это вызывает резкое взрывообразное повышение давления с образованием шума и сильный нагрев днища поршня. Последствием являются поломки в кривошипно-шатунном механизме, напр., перемычек колец, поршня, и трещины в днище поршня.
К пункту 2: Неполное сгорание:
Если топливо попадает в камеру сгорания не в нужный момент или без распыления, оно не может сжигаться без остатков 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, дефекты в турбонагнетателе или износ поршневых колец или клапанов. Несгоревшее или не полностью сгоревшее топливо частично отлагается на стенках цилиндра и понижает эффективность смазочной пленки или разрушает ее. Рабочие поверхности и боковые поверхности поршневых колец, боковые стороны пазов поршней, рабочая поверхность цилиндра и в конечном счете также юбка поршня из-за этого подвергаются сильному износу или же появляется заедание. В результате этого расход масла повышается и мощность понижается (примеры повреждений см. в разделах «Расход масла» и «Задиры от работы всухую»).
К пункту 3: Подтекание топлива из форсунок:
Чтобы форсунки после конца впрыска из-за колебаний давления от напорного клапана топливного насоса высокого давления через топливопроводы высокого давления до форсунок не открылись повторно, в системе снижается давление на определенную величину через напорный клапан топливного насоса высокого давления. Если давление впрыска форсунок отрегулировано на слишком низкое значение или если оно не может поддерживаться постоянно (механические форсунки), форсунки могут еще несколько раз подряд открываться из-за колебаний давления в топливопроводе высокого давления несмотря на понижение давления после конца впрыска. Негерметичные форсунки или подтекание топлива из форсунок вызывает также неконтролируемую подачу топлива в камеру сгорания.
Из-за отсутствия кислорода топливо, впрыскиваемое неконтролируемо, в обоих случаях попадает на днище поршня в несгоревшем виде. Там топливо накаливается при довольно высоких температурах и нагревает материал поршня в этом месте настолько сильно, что динамические силы и эрозия газов сжигания отрывают частицы поршня от его поверхности.
Следствием этого является существенный съем материала или эрозионное разрушение на днище.
Прогар на головке и юбке поршня (двигатель с принудительным воспламенением смеси)
Описание повреждения
На головке поршня имеется прогар поршня за кольцами. Юбка поршня не имеет задиров, лишь со стороны повреждения на юбку поршня попал материал поршня.
Оценка повреждения
Прогары в головке поршня двигателей с принудительным воспламенением смеси являются последствием калильного воспламенения на поршнях с преимущественно ровным днищем и большими сжимными поверхностями. Калильное зажигание вызывается накаленными деталями в камере сгорания, если их температура превышает температуру самовоспламенения газовой смеси. Это в основном свеча зажигания, выпускной клапан и другие остатки, прилипающие к стенкам камеры сгорания. В зоне сжимных поверхностей головка поршня очень сильно нагревается калильным зажиганием. Температура повышается до такой степени, что материал поршня становится мягким. Из-за динамических сил и проникающих в место повреждения газов сжигания материал снимается до маслосъемного ко