Wart_123 писал(а):
о причинах и условиях его возникновения самовоспламенения ...
Продолжая размышлять о причинах, вызывающих жесткую перекладку поршня вблизи ВМТ, у меня никак не получалось увязать свои очень малые значения УОЗ при прогреве с тем эффектом, которые они должны производить на стучащих двигателях – резкое ускорение скорости сгорания ТВС и такой же резкий рост давления газов в КС еще до прихода поршня в ВМТ в отдельных невезучих цилиндрах. Попытка объяснить появление раннего пика давления в КС некорректным заданием управляющей программой более раннего УОЗ для отдельных цилиндров никак не согласовывалась с фактическим малым значением УОЗ по логам запуска своего, к радости, не стучащего в данный момент двигателя. Все, что удалось мне увидеть – значение УОЗ на уровне 8гр до ВМТ при Т запуска -16грС и болтание УОЗ при прогреве в пределах от 4гр до ВМТ до 4гр после ВМТ при запусках в критическом диапазоне Т от -5 до +10грС, что объяснимо изменением скорости сгорания по разному сильно обогащенной ТВС. Вполне логичным было предположить, что на стучащих двигателях этот диапазон изменения УОЗ может быть шире, что при наличии неравномерного нагара в КС отдельных невезучих цилиндрах и присутствию заброса ОГ в их камеры сгорания на низких оборотах прогрева может приводить к росту Т в конце такта сжатия и уменьшению задержки первой фазы сгорания ТВС после подачи искры. Но как объяснить тот факт, что на фото из известной темы место расположения и высота яйца, оставляемого ударами юбки на рабочей стороне цилиндра при перекладке поршня в ВМТ говорит о том, имхо, что активная вторая фаза сгорания уже присутствует при недовороте коленвала примерно на 10 градусов до ВМТ. Изначально связывал такую высоту яйца с перекладкой поршня уже на нагрузочных режимах движения еще на не прогретом двигателе.
Еще один странный момент появился совсем недавно – при прослушивании записи стучащего аж тремя поршнями на прогревочных оборотах двигателя в процессе небольшой подгазовки до 2000RPM и резкого сброса оборотов с удивлением уловил, что при высоких оборотах из трех стучащих поршней на записи остался лишь слабый стук одного. Сам ранее предложил к использованию этот метод только для диагностики стука поршневой, но разгон двигателя ограничивал до 1500…1600 оборотов, при которых стук поршней явно сохранялся. В момент резкого сброса оборотов стук, как и на других записях, исчезал, а в момент начала стабилизации и работы на низких оборотах прогрева он вновь появлялся на тех же трех поршнях.
Всегда удивляла достаточно строгая временная зависимость появления стуков при прохождении программы прогрева и изменении топливоподачи – если стуки не появлялись через 10 секунд после запуска, то очень часто заявляли о себе в начале второй минуты. Первоначальное объяснение – включение через 40 секунд после запуска двигателя Евро-4 в процесс регулирования состава ТВС первой лямбды, относительное обеднение смеси, ускорение сгорания. Но почему сила стуков при этом волнообразно изменялась, причем этот период был достаточно стабилен – 10…15 секунд? Первоначально связывал это только с самим процессом лямбда-регулирования во времени.
Давно было посчитано базовое время сгорания ТВС для прогретого двигателя: при AFR=13,2 оно для CFNA равно 2,32мСек, при AFR=11,8 и 14,6 примерно равно 2,55мСек. Ничего нового эти значения не дали, как и базовое значение УОЗ - все в пределах нормы, но в режиме прогрева скорость сгорания ТВС зависит помимо размера КС от множества других параметров. Принцип эффективной и экономичной работы ДВС прост - максимальное давление на поршень от сгорающей за определенное время после подачи искры ТВС в КС должно возникать при повороте коленвала на угол 12...15гр после ВМТ - тогда крутящий момент максимально эффективно передается на маховик. Однако, даже для нагрузочных режимов отсутствует полная теория сгорания ТВС и очень многие параметры этого процесса до сих пор настраиваются по факту на стенде - это можете оценить сами по очень далекому от теории поведению фактического УОЗ (с многочисленными откатами на определенных оборотах), полученному по результату тестирования ФПС известным многим Владимиром-Бариком.
Вложение:
CFNA УОЗ.JPG
Все это привело к очередной крамольной идее – возможно ли появление в отдельные моменты прохождения программы прогрева в невезучих цилиндрах преждевременного зажигания легкокипящей фракции бензина из состава очень сильно обогащенной ТВС, т.е. самовоспламенение части ТВС от роста температуры в КС при завершении такта сжатия ранее момента подачи искры блоком управления двигателя? Практически - дизелинг (совершенно невозможный у нас в классическом моменте возникновения для карбюраторных двигателей), но очень удивительный самим фактом своего рождения во время прогрева двигателя сильно обогащенной ТВС с AFR=6...8...10.
Поначалу мне и самому эта идея показалась чистым бредом, т.к. получить в относительно холодной КС высокую Т капле-паро-воздушной смеси вблизи ВМТ, обремененной при прогреве двигателя почти двухкратным от стехиометрической нормы запасом бензина - кажется нереально.
Но облегченный фракционный состав зимнего бензина с гораздо большим соотношением легкокипящих фракций и появившиеся сообщения о присутствии на рынке эрзац-бензинов, изготовленных с добавками газовых конденсатов, обладающих помимо низкой Т кипения и меньшей Т самовоспламенения, заставили рассчитать возможные Т в КС, возникающие на момент окончания такта сжатия, т.е. при приближении поршня к ВМТ. Штатный УОЗ при прогреве у нас очень близок к нулевым значениям и появление искры уже ничего не добавит к росту давления в КС от самовоспламенившегося примерно за 10гр до ВМТ легкого топлива - стук от жесткой перекладки поршня (нормальной или аномальной) появится обязательно.
Вложение:
Преждевременное зажигание.jpg
Температура воздуха в КС считалась по известной формуле:
Т= (273+Тначальная) х (Степень сжатия) в степени 0,286
Значение Т получается в Кельвинах, для перехода в грС вычитаем 273К.
Для определения изменения текущей степени сжатия при различном угле поворота КВ было графически вычислено изменение объема камеры сгорания CFNA вблизи ВМТ при исходном объеме 42куб.см для степени сжатия 10,5 и известном ходе поршня 86,9мм на шатуне длиной 140мм.
Для теоретического начала по значениям Т в КС получилось следующее: при сжатии поршнем полного объема только воздуха в цилиндре его температура возрастает с Тначальной +32грС до
+214грС при 30гр недоворота КВ до ВМТ,
+245грС - при 20гр до ВМТ,
+278грС при 10гр до ВМТ и
+324грС (теоретическая максимально допустимая Т в КС для двигателя со степенью сжатия 10,5) в ВМТ.
Эти значения пока не учитывают падение температуры на испарение самого топлива в КС (это примерно минус 20грС при AFR 13), теплообмен на границах КС... и дополнительный рост Т из-за влияния заброса ОГ и изменения степени сжатия (или политропности процесса) из-за присутствия нагара.
Но в режиме прогрева цикловое наполнение совершенно другое – взяв для примера свои данные по замеру абсолютного давления воздуха во впускном коллекторе =45кПа при исходной степени сжатия 10,5 и пересчитав объем сжимаемого газа для различной начальной Т получил почти линейный рост Т газа в КС:
для положения поршня в ВМТ
+152грС при Тначальной 0грС
+308грС при Тначальной +100грС
для положения поршня за 10 градусов до поворота КВ в ВМТ
+119грС при Тначальной 0грС
+264грС при Тначальной +100грС
Для сравнения те же Т, но при увеличении степени сжатия до 11,5, что при одинаковом коэффициенте политропности 1,2 соответсвует теоретическому давлению компрессии 18,7Bar, вместо в 16,8Bar при 10,5. Вспоминаете знакомые цифры по замерам компрессии АР?
Для положения поршня в ВМТ
+163грС при Тначальной 0грС
+323грС при Тначальной 100грС
для положения поршня за 10 градусов до поворота КВ в ВМТ
+130грС при Тначальной 0грС
+278грС при Тначальной 100грС
Вложение:
Т воздуха в КС в конце такта сжатия.JPG
В целом при изменении степени сжатия прибавка Т в КС небольшая – от 11 до 15грС, но у нас и критический диапазон начальных температур запуска для стуков тоже имеет длительность примерно 15грС. В плане максимально достижимых Т в КС при неполном цикловом наполнении, характерном для прогрева и для наиболее интересной точки положения КВ (поршня) за 10гр до ВМТ – то теоретически имеем разброс при сжатии только воздуха от +119грС до +130грС при нулевой Т запуска, что конечно мало по сравнения с Т самовоспламенения +260грС стехиометрической ТВС 95 бензина, но для ее последующего роста до более высоких значений под 200грС есть причины и одна из главных - заброс горяченных ОГ в КС на фазе перекрытия клапанов.
Но сейчас надо сделать и понять самое сложное – необходимо определить динамику роста Т и тепловой баланс в КС, т.е учесть потери тепла на нагрев и испарение бензина из ТВС с начальным AFR 6…8, теплопередачу на границах КС и дополнительный приход тепла от самого процесса сгорания ТВС в КС, рост Т стенок цилиндра и поршня, влияние заброса ОГ в КС.
Если Т в КС на момент приближения поршня к ВМТ окажется выше Т самовоспламенения легкокипящей фракции бензина, которая в первую очередь выпарится из его микрокапель в период движения поршня от НМТ до ВМТ, то вполне вероятно появление самовоспламенения в отдельных невезучих по нагару или забросу ОГ цилиндрах. Главное отличие такой высокообогащенной смеси AFR 6…8 по сравнению со стехиометрической в том, что большая массовая доля испарившейся легкокипящей фракции способна поддерживать имхо объемное горение ТВС при самовоспламенении не смотря на охлаждающее действие (отбор тепла на испарение) оставшейся тяжелой фракции бензина. И важнейшее отличие – Т самовоспламенения легкой фракции бензина ниже, чем у полного микса. На этом основан сам принцип запуска двигателя в сильные морозы.
Минимальная Т запуска расчитывается по известной формуле:
Тмин=0,5хТ10%-50,5, где Т10% - температура кипения пусковой фракции бензина
Для запуска в -30грС получается, что она должна быть не выше +40грС, по госту на летние бензины <55грС.
Вложение:
Фракции бензина.JPG
И если тепловой баланс в КС превысит критический уровень Т для конкретного бензина, что можно соотнести в формуле для расчета с ростом Тначальной, то процесс самовоспламенения легкокипящей фракции может имхо возникать. При этом он может сам себя и поддерживать последующим небольшим увеличением Т в КС, а может и затихать при ее уменьшении, например при относительном обеднении смеси (при этом в КС может увеличиваться доля высокотемпературной фракции испарившегося бензина), уменьшения заброса ОГ, добавки "вручную" топливоподачи. Мне кажется, что в этом сама причина появления и волнообразного усиления стуков при прогреве, но т.к. на моем двигателе сейчас этого нет, но тарахтение присутствует почти у всех, то пределы отклонения от нормы сгорания для отдельных цилиндров не так и велики. Всегда приходится иметь в виду, что процесс балансирует на какой то грани для каждого значения AFR - с одной стороны рост Т в КС приводит к увеличению доли испаряющегося бензина, с другой стороны испарение приводит к снижению самой Т в КС. И на все это накладываются еще множество факторов, например характер завихрений в самой КС и возможная неравномерная концентрация паров топлива в ее различных частях. Даже влияние многослойного нагара на поршнях во многих источниках признается как дополнительный катализатор процесса сгорания, и он еще, как хороший теплоизолятор, дополнительно прибавляет жару в КС, а вот на сколько - это очень сложный вопрос.
Рассчитывать сложнейшие составляющие динамического теплового баланс в КС у меня сейчас нет ни времени, ни знаний. Ваг за многие десятилетия разработки двигателей конечно оптимизировал и подогнал тепловой баланс для каждого двигателя и рекомендуемое топливо. Подтвердить или опровергнуть теорию самовоспламенения можно было бы очень просто на практике, если снять индикаторную диаграмму роста давления в КС, но сделать это может только Ваг или настоящие специалисты. Поэтому пока это только теория с хорошим намёком на сходство с реальными и удивительными процессами в КС. И все мои предыдущие теории основаны на ранней идее - причина стука поршней CFNA не механическая, а сложная и комплексная термодинамическая.
Какие практические выводы могут быть при такой причине стуков от жесткой перекладки поршня в ВМТ, т.е. появлении при прогреве на низких оборотах "парадоксального" дизелинга?
1. Качество бензина и его фракционный состав оказывает прямое влияние на появление стуков. Про фракции бензинов - может быть добавлю позже.
2. Количество нагара на поршнях, «высокая компрессия» и заброс ОГ приводит к росту Т в КС, а это очень сильно влияет на появление стуков в конкретных невезучих цилиндрах.
3. Замена поршней ЕМ на ЕТ ничего не дает, кроме затихания стуков до нового накопления многослойного нагара, т.к. причина появления стука совсем не в овалитете юбки и не в тепловом зазоре на жаровом поясе. Но куда исчезли 4 грамма его веса и почему Ваг так уверен, что они стучать не будут?
4. Усиление заброса ОГ и связанное с этим явлением повышение Т в КС очень сильно зависит от противодавления на выпуске – изначально неудачный для атмосферника выпускной коллектор + очень близко расположенный и непонятно как себя чувствующий КНОГ могут сильно способствовать появлению стуков в период эксплуатации.
5. Необходимо проверить возможность устранения или ослабления стуков при увеличении оборотов прогрева до 2000RPM. Теоретически это возможно, на практике тоже заметил, почти с таким же объяснением как для классического дизелинга, но с учетом сильного изменения AFR в процессе прогрева.
Что надо сделать при появлении дизелинга и вызываемого им стука при перекладке поршня в ВМТ?
Все очень "просто" - надо немного понизить Т в КС и это предотвратит возможное самовоспламенение легкой части ТВС. Например слегка обогатить смесь, т.е. добавить топливоподачу, но это палка о двух концах. Снижая таким образом Т в КС за счет отбора тепла на испарение лишнего бензина, мы повышаем количество конденсата бензина на стенках цилиндра, который смывает масляную пленку и увеличиваем прорыв его в картер. Есть еще более эффективные способы борьбы с Т в КС путем впрыска воды или водно-метанольной смеси в состав ТВС и для стритрейсеров это мегакруто, но надо ли городить такой огород? Может легче изначально не допускать образование многослойного нагара на поршнях? Давно рекомендуемый нами ПВВ полезен зимой как профилактическое средство от нарастания нагара в КС, поэтому вероятность появления утренних стуков уменьшается, но не исключается полностью. С г-бензином подогреватель бороться не в силах, хотя сильно и не добавляет проблемм при его сгорании - в первые две-три минуты после запуска влияние ПВВ на рост Т воздуха во ВК минимально по сравнению с холодным стоком.
И дополнительно оценить в полном объеме работу простого паука 4-1 вместо стокового катколлектора - первые впечатления от прослушивания записи холодного запуска положительные, заброс ОГ в соседние цилиндры точно уменьшился (а значит и Т в КС), но что будет на нагрузочных режимах покажет только "опыт - сын ошибок трудных ...". Ждем развития проекта по переделке выпуска у Дмитрия и Барика - каждый идет к своей цели своим путем.
