3. Процесс сгорания в двигателе с принудительным воспламенением и факторы его определяюшие.

 

Поскольку процесс сгорания топлива в поршневых двигателях внутреннего сго­рания начинается до прихода поршня в в. м. т. и заканчивается после нее, протекая в непосредственной близости возле в. м. т., его удобнее и нагляднее изучать по развернутой индикаторной диаграмме, представляющей график изменения давления в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала, т. е. его изменение во времени в предположении, что угловая скорость вращения коленчатого вала .

Рис.23.Развернутая диаграмма процесса сгорания в карбюраторном двигателе.

 

При выключенном зажигании процес­сы сжатия и расширения характери­зуются графиком 1-2-6-7. Некото­рая несимметричность этого графика относительно в. м. т. объясняется нали­чием теплообмена между газами и стен­ками и частичной утечкой газов через неплотности.

Процесс сгорания начинается в мо­мент зажигания смеси искрой в точ­ке 2 на графике процесса сжатия, со­ставляющей с моментом прохождения поршня в. м. т. некоторый угол поворота коленчатого вала , называемый углом опережения зажигания (обычно ). После зажигания смеси ис­крой давление в цилиндре в течение некоторого промежутка времени, назы­ваемого периодом задержки воспламенения или периодом индукции, про­должает изменяться по такому же за­кону, как и при выключенном зажи­гании (участок 2-3). В течение этого периода происходит предпламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и сгорает лишь б-8 % смеси. Продолжитель­ность периода задержки воспламенения (угол ) зависит от:

1. коэффициентов избытка воздуха и остаточных газов,

2. от структуры молекул топлива,

3. мощности источника зажигания,

4. степени сжа­тия,

5. нагрузочного и скоростного режимов работы двигателя, т. е. в основ­ном от физико-химических свойств топ­лива, состава рабочей смеси и режима эксплуатации двигателя.

К концу периода задержки воспла­менения окислительные процессы быст­ро активизируются, появляется пламя, начинается прогрессирующее повыше­ние температуры и давления газов, т. е. наступает вторая фаза сгорания, назы­ваемая периодом видимого сгорания (участок 3-4) в течение которого сгорает 80-90 % смеси. Длительность это­го периода, продолжающегося до мо­мента достижения максимального дав­ления в цилиндре, соответствует углу поворота коленчатого вала  и зависит от скорости распростра­нения фронта пламени.

Период видимого сгорания характе­ризуется скоростью нарастания давле­ния на каждый градус поворота колен­чатого вала, которая определяет жест­кость протекания процесса и жесткость работы двигателя. Среднее значение этой скорости определяется отношением , где  - разность максимального давления цикла и дав­ления  в  начале  видимого  сгорания.

Скорость нарастания давления в кар­бюраторных двигателях зависит от степени сжатия и завихрения смеси, угла опережения зажигания и других факторов и при нормальном протекании процесса  МПа/град. Если  МПа/град, сгорание топлива в значительной мере продол­жается в процессе расширения, что приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя. Ес­ли же  МПа/град, то рабо­та двигателя будет очень жесткой, что может привести к повышенным нагруз­кам в деталях кривошипно-шатунного механизма.

Установлено, что двигатель соверша­ет наибольшую работу при таком про­текании процесса сгорания, когда максимальное давление цикла  достигает­ся при 10—15° п. к. в. после в. м.т.

Распространение пламени в камере сгорания не заканчивается при достижении максимального давления, и догорание смеси с выделением теплоты и расширением продолжается еще не­которое   время,   которое   называется периодом догорания.

Общая продолжительность процесса сгорания смеси в цилиндре двигателя зависит главным образом от скорости распространения фронта пламени, на которую, в свою очередь, влияют:

1. состав смеси,

2. степень ее завихрения,

3. степень сжатия,

4. угол опережения зажигания,

5. нагрузка двигателя.

Скорость   распространения   фронта, пламени в разные периоды процесса сгорания изменяется в широких преде­лах.    В    среднем    она    составляет 20-60 м/с.

Температура в конце процесса сгорания.

Температура газов в конце сгорания в кар­бюраторных двигателях при работе с полной нагрузкой  К, в дизелях – 1800 - 2200 К.

Давление в конце процесса сгорания.

Для определения давления в конце сго­рания запишем уравнения состояния газов для начала (точка с) и конца сгорания (точка z):

,

.

Давление в конце процесса сгорания (максимальное давление цикла) в дизелях существенно зависит от способа смесеобразования. В дизелях с нераз­деленными камерами сгорания макси­мальное давление больше, чем в дизелях с разделенными камерами, а зна­чит, выше скорость нарастания давления и жесткость работы. Максимальное давление существенно зависит также от угла опережения впрыска и при боль­ших углах опережения может дости­гать 10-11 МПа.

Обычно для дизелей, работающих с полной нагрузкой,  МПа (меньшие значения относятся к двига­телям с разделенными камерами сго­рания). Максимальное давление в карбюраторных двигателях составляет 3-5 МПа и зависит от степени сжатия, нагрузки, частоты вращения коленча­того вала и состава смеси. Так, при повышении  уменьшаются объем и площадь поверхности теплообмена камеры сгорания, что приводит к увеличению . При полной нагрузке двигателя наи­большее давление имеет место на сред­них  частотах вращения   коленчатого вала, так как при этом лучше напол­нение цилиндров. Наибольшее значение  наблюдается при работе двигателя на обогащенной смеси .