Компрессия и долговечность двигателя
- абразивным действием пыли при подсосе нефильтруемого воздуха,
- высокой температурой из-за близости камеры сгорания,
- агрессивным действием компонентов топлива,
- повышенным давлением компрессионного кольца на стенку цилиндра,
- недостаточным поступлением масла в эту область,
- смывом масляной пленки топливом.
Из-за неравномерного износа верхней части цилиндров с формированием конусности и эллипсности увеличивается утечка топливовоздушной смеси на такте сжатия через зазор цилиндр –кольцо и снижается величина компрессии (давления, до которого сжимается топливовоздушная смесь перед воспламенением). При уменьшении компрессии ухудшается сгорание рабочей смеси и очистка цилиндров от продуктов сгорания, что ведет к ухудшению работы двигателя. Часть несгоревшего топлива по стенкам цилиндров стекает в картер и разбавляет моторное масло. Разбавленное топливом масло теряет герметизирующие и смазывающие свойства: повышается прорыв газов в картер, увеличивается расход и снижается давление масла, начинается износ кривошипношатунного и газораспределительного механизмов. Двигатель на этой стадии эксплуатации неудержимо приближается к необходимости капитального ремонта.
Рис.1 Снижение компрессии в цилиндрах при эксплуатации различных марок автомобилей
Реальная долговечность двигателя зависит от качества его изготовления, сборки и обкатки; режимов эксплуатации; состояния топливной системы и системы зажигания; применяемых топлива и моторного масла. В России, Украине и других странах СНГ предкризисное состояние бензиновых двигателей ( при котором величина компрессии в одном или нескольких цилиндрах снижается до значений меньших 10 атм) наступает при среднестатистических пробегах у автомобилей : Таврия -40-60 тыс.км , ВАЗ-2109 -около 120 тыс.км , FORD SIERRA - 160 тыс.км, BMW –320 –порядка 200-250 тыс.км.
Почему же величина компрессии в 10 атм является тем пороговым значением, после достижения которого двигатель вступает в предкризисную стадию эксплуатации с быстрым ухудшением всех рабочих параметров (перерасход топлива, расход масла на угар, снижение мощности и приемистости, повышение дымности и токсичности выхлопных газов)?
В бензиновых двигателях (с принудительным воспламенением от искры) топливо в камере сгорания для полного сгорания должно находиться в газообразном состоянии. Степень испарения топлива перед воспламенением зависит от температурных пределов его выкипания (фракционного состава) и температуры, до которой разогревается рабочая смесь в процессе сжатия.
В настоящее время с целью увеличения выхода бензина из нефти расширен фракционный состав бензинов. Если согласно ранее действовавшим ГОСТам компоненты бензина должны испаряться в диапазоне 35- 185 0С - для зимних и 195 0С - летних бензинов, то по действующим стандартам конец выкипания бензинов сдвинут до 215 0С для всех бензинов.
Рис.2 Влияние температуры конца кипения бензинов на износ цилиндров
Утяжеление фракционного состава топлива крайне отрицательно сказывается на ресурсе двигателей. Повышение температуры конца перегонки бензина со 195 0С до 215 0С приводит к ускорению износа цилиндров в 1,5 –2 раза, а при повышении этой характеристики топлива до 250 0 С износ увеличивается более чем в 5 раз.
Такой характер данной зависимости объясняется следующим. При снижении компрессии в цилиндрах одновременно уменьшается и температура, до которой разогревается топливная смесь в процессе сжатия. Для дизелей роль этого фактора на ухудшение работы очевидна: при снижении компрессии и, соответственно, температуры сжимаемой смеси ниже критического порога самовоспламеняемости (для дизельного топлива примерно 300-400 0С) дизель просто не запускается.
Разогрев топливной смеси в процессе сжатия не менее важен и для работы бензиновых двигателей с принудительным воспламенением от искры. При уменьшении температуры, до которой разогрета смесь перед воспламенением, увеличивается количество топлива, находящегося в камере сгорания не в газообразной, а в жидкой фазе. В результате этого замедляется скорость горения и уменьшается полнота сгорания топлива.
Для двигателей с высокими значениями компрессии в цилиндрах утяжеление фракционного состава топлива менее чувствительно. Для двигателей же с пониженной компрессией (при конструктивно заложенной невысокой степени сжатия, а также при уменьшении компрессии после более-менее продолжительной эксплуатации) ситуация оказывается более критичной.
Рис.3 Зависимость температуры рабочей смеси (1) и жидкофазной доли топлива в камере сгорания перед воспламенением (2) от величины компрессии в цилиндре
Как видно из рисунка 3, при величине компрессии 16 атм температура рабочей смеси в конце такта сжатия достигает 250 0С (в результате чего возможно самовоспламенение бензина без искры, с чем сталкивались многие механики при измерении компрессии на двигателях иномарок в отличном состоянии при отключенном зажигании, но без отключения подачи топлива). При таких значениях компрессии и температуры все компоненты бензина (с температурой кипения до 215 0 С) находятся перед воспламенением в газообразном состоянии.
При величине компрессии 14 атм температура топливной смеси перед ее воспламенением превышает 180 0 С, и в этом случае примерно 90 % топлива в камере сгорания находится в газообразной фазе, что обеспечивает как хорошие пусковые свойства, так и высокую полноту сгорания топлива.
При давлении в надпоршневом объеме 12 атм температура смеси ниже 120 0С; т.е. компоненты топлива с температурой кипения превышающей это значение (до 50 % от количества подаваемого бензина ) находятся в жидком состоянии. Поэтому приемистость, мощностные характеристики и расход топлива таких двигателей уступают соответствующим характеристикам двигателей с более высокими значениями компрессии.
При компрессии меньшей 10 атм повышение температуры смеси в камере сгорания составляет всего 50 0С, а значит до 90 % бензина находится в жидком состоянии. В этом случае бензин может заливать свечи при запусках, а часть топлива, конденсируясь на охлаждаемых стенках цилиндров, смывает масляную пленку с цилиндров и стекает в картер.
Попадание бензина в масло происходит в любом случае при пуске холодного двигателя; однако легкокипящие фракции топлива из масла испаряются по мере прогрева двигателя. Тяжелые же компоненты бензина (с температурой кипения свыше 160- 180 0С) накапливаются при эксплуатации в моторном масле с ухудшением его герметизирующих и смазывающих свойств. Этот процесс сопровождается постепенным увеличением расхода масла через некоторое время после его замены, снижением давления масла в системе и износом тяжелонагруженных узлов кривошипношатунного и газораспределительного механизмов. Продолжительность предкризисной стадии эксплуатации для разных двигателей различна, но ее финал одинаков - необходимость капитального ремонта.
Таким образом, высокая компрессия в цилиндрах - это барьер на пути попадания топлива в масло и залог долголетия двигателя. Уменьшение же компрессии хотя бы в одном цилиндре ниже критических значений (менее 10 атм) запускает процесс разрушения в области двигателя, где ранее моторное масло надежно справлялось со своими защитными обязанностями.
