Процес згоряння палива
Для забезпечення згоряння в двигуні внутрішнього згоряння невелика кількість палива змішується з вступником повітрям. На жаль, двигун внутрішнього згоряння не може спалювати всі сто все паливо, яке він використовує. Внаслідок цього двигун випускає побічні продукти згоряння у вигляді відпрацьованих газів. Деякі з цих побічних продуктів шкідливі і забруднюють повітря. Борючись з цією проблемою, виробники автомобілів розробили так звані пристрої зниження токсичності вихлопу, які обмежують викид цих шкідливих речовин або повністю усувають його.
Від згоряння
У процесі згоряння відбуваються кілька хімічних реакцій. Одні сполуки руйнуються, а нові сполуки утворюються. Управління процесом згоряння - це ключ до управління всією роботою і токсичністю вихлопу двигуна внутрішнього згоряння.
Для процесу згоряння потрібні три елементи:
1. Повітря
2. Паливо
3. Іскра запалювання
Ці три елементи іноді згадуються як "тріада згоряння". Якщо один елемент тріади відсутня, згоряння неможливо. Двигун внутрішнього згоряння розраховується на об'єднання цих трьох елементів, підтримуючи повний контроль над процесом.
Повітря складається з атомів азоту (N), кисню (О) та інших газів. Більшу частину повітря становить азот, який є інертним, негорючим газом. Повітря не горить, але в ньому міститься достатня кількість кисню, що дозволяє підтримувати згоряння.
паливо
Бензин складається з вуглеводнів, які утворюються в результаті переробки сирої нафти. Вуглеводні складаються з атомів водню (Н) і вуглецю (С). В бензин додаються різні хімікати, типу інгібіторів корозії, барвників і очищувальних засобів. Ці хімікати називаються присадками.
Тепло і тиск, присутні в двигуні внутрішнього згоряння, можуть змусити бензин, що знаходиться в камері згоряння, запалати раніше, ніж генерується іскра запалювання. Це називається передчасним займанням і більш детально описується далі. Октанове число бензину вказує на те, наскільки добре він протистоїть передчасного займання. Додаткове очищення може сприяти збільшенню октанового числа.
В даний час в регіонах з надзвичайно високим рівнем забруднення повітря використовується тип палива, званий поліпшеним бензином (підданим риформінгу) (RFG). Такий бензин має спеціальні присадки, звані окислювачами, які покращують згорання, збільшують октанове число і зменшують токсичність вихлопу.
У двигуні внутрішнього згоряння повітря і паливо надходять в камеру згоряння, і потім генерується іскра запалювання, що викликає згоряння. Перед запалюванням повітряно-паливної суміші двигун нагрівається і стискає суміш. Нагрівання допомагає процесу сумішоутворення, а стиснення збільшує енергію, що генерується при згорянні.
У двигуні внутрішнього згоряння згоряння відбувається протягом частки секунди (приблизно протягом 2 мілісекунд). У цей момент руйнуються зв'язку між атомами водню і вуглецю. Руйнування зв'язків призводить до вивільнення енергії в камері згоряння, штовхання поршня вниз і ініціювання обертання колінчастого вала.
Після поділу атомів водню і вуглецю вони з'єднуються з атомами кисню, що містяться в повітрі. Атоми водню об'єднуються з киснем, утворюючи воду. Атоми вуглецю об'єднуються з киснем, утворюючи двоокис вуглецю (вуглекислий газ).
Якщо говорити мовою хімії, повне згорання в двигуні внутрішнього згоряння виражається формулою:
НС + О2 = Н2 О + СО2
паливо + кисень = вода і двоокис вуглецю
Абсолютно ефективний двигун внутрішнього згоряння на випуск мав би тільки воду (Н О) і двоокис вуглецю (СО), що відповідає Даною вище хімічною формулою. Це означало б, що все вуглеводні в процесі згоряння розклалися. На жаль, справа йде не так.
Неефективне згоряння це головна причина наявності шкідливих речовин у вихлопі автомобіля. Ефективне згорання веде до найменшої токсичності вихлопу. Ефективність згоряння збільшується за допомогою коректування співвідношення "повітря / паливо".
Інженери-автомобілебудівники визначили, що токсичність вихлопу автомобіля можна зменшити, якщо бензиновий двигун працює з співвідношенням "повітря / паливо", рівним 14.7: 1. Технічний термін відомий як "стехиометрическое співвідношення". Стехіометричне співвідношення означає хімічно правильну повітряно-паливну суміш, яка виробляє бажану хімічну реакцію, вході якої відбувається повне згоряння палива з бажаної токсичністю вихлопу.
Співвідношення "повітря / паливо" 14.7: 1 забезпечує оптимальне управління всіма трьома компонентами (вуглеводні, одноокись вуглецю і оксиди азоту) при випуску майже у всіх умовах. Співвідношення "повітря / паливо" також збільшує ефективність каталітичного нейтралізатора, який є частиною системи випуску автомобіля.
Бідна повітряно-паливна суміш
Збіднення повітряно-паливної суміші зазвичай викликається несправністю в двигуні. Збіднення - це стан, коли двигун отримує занадто багато повітря або кисню. Причиною надто високого рівня кисню можуть стати витоку вакууму або несправна система подачі палива.
Багата повітряно-паливна суміш
Багата повітряно-паливна суміш - це також вказівка на несправність двигуна. Збагачення - це стан, коли двигун не може спалити всі паливо, яке увійшло в камери згоряння. Стан збагачення може виникати в результаті високого тиску палива, проблем з випередженням запалювання або низької компресії.
Є два типи аномального згоряння, яке може відбуватися в двигуні: детонація і передчасне займання.
Детонація - це нестійкий процес горіння, який може викликати несправність прокладки головки циліндрів, а також і інші пошкодження двигуна. Детонація виникає, коли в камері згоряння спостерігається перегрів і підвищений тиск. Коли це відбувається, створюється вибухова сила, яка ініціює різке зростання тиску в циліндрах, супроводжуваний сильним металевим стукотом. Ударні хвилі, схожі на удари молотка, що генеруються при детонації, піддають прокладку головки циліндрів, поршень, кільця, свічку запалювання і підшипники шатуна серйозним навантаженням.
Передчасне займання - це інше аномальне стан горіння, яке іноді плутають з детонацією. Передчасне займання має місце, коли будь-яка точка в камері згоряння стає настільки гарячою, що стає джерелом запалювання і змушує паливо займатися до генерування іскри запалювання. Воно може зробити свій внесок в детонацію або навіть стати її причиною.
Замість займання палива в правильний момент часу, щоб дати колінчастого валу плавний поштовх в потрібному напрямку, паливо спалахує передчасно. Це викликає миттєвий зворотний удар в той момент, коли поршень намагається повернути колінчастий вал в неправильному напрямку. Цей удар внаслідок напруг, які він створює, може бути дуже руйнівним. Крім того, передчасне займання може локалізувати тепло до такої міри, що воно може частково проплавити або пропалити отвір в голівці поршня.
Побічні продукти згоряння
Оскільки двигун внутрішнього згоряння не має абсолютної ефективності, в процесі згоряння генеруються три небажаних побічних продукту:
1. Вуглеводні (НС)
2. одноокись вуглецю (СО)
3. Оксиди азоту (N0 X)
Неповне згоряння викликає виділення вуглеводню і одноокісі вуглецю. Виділення вуглеводню - це вуглеводні, що не зруйнувалися в процесі згоряння. Одноокись вуглецю утворюється, тому що немає достатньої кількості атомів кисню, щоб зв'язати вуглець.
В ідеальному випадку азот повинен проходити камеру згоряння незмінним. Але коли температура в камері згоряння досягає приблизно 1 371 ° С (2 500 ° F), атоми азоту і кисню зв'язуються, утворюючи (N0 X)
Хімічна формула процесу згоряння, при якому утворюються оксиди азоту виглядає наступним чином:
НС + О2 + N2 = Н2 О + СО + N0x
Формула "NO" використовується для оксидів азоту, тому що OHci відображає комбінацію атома азоту і будь-якої кількості атомів кисню. Наприклад, оксид азоту (N0) складається з одного атома азоту і одного атома кисню, в той час як двоокис азоту (N0) складається з одного атома азоту і двох атомів кисню.