Процесс смесеобразования и сгорания

Горением называется химическая реакция соединения топлива с кислородом, сопровождающаяся выделением теплоты.

При горении смеси в цилиндре двигателя выделяется теплота, в результате чего температура и давление газов возрастают. Высокое давление действует на поршень и производит полезную положительную работу в такте рабочего хода, когда поршень двигается от ВМТ к НМТ. Чем выше давление газов в цилиндре, тем больше получаемая работа.

Горячие газы, соприкасаясь со стенками цилиндра и днищем поршня, отдают им теплоту, в результате чего температура газов и их давление уменьшаются. Чем больше поверхность соприкосновения газов со стенками цилиндра, тем выше будут потери теплоты и тем меньше будет полезная работа. Увеличение поверхности соприкосновения горячих газов со стенками произойдет тогда, когда поршень переместится на значительное расстояние от ВМТ. Для уменьшения этих потерь необходимо чтобы:

1) горючая смесь, сгорая при наименьшем объеме, выделяла возможно большее количество теплоты;

2) сгорание протекало возможно быстрее.

Такт рабочего хода

После сгорания рабочей смеси давление газов в цилиндре достигает 45…55 кг/см². Это создает для диаметров цилиндров авиационных поршневых двигателей (D_ц = мм) действующую на поршень силу, равную 8000…10000 кг (8…10 т). Под действием этой силы поршень перемещается от ВМТ к НМТ, проворачивая коленчатый вал на 180º.

В ходе такта газы в цилиндре совершают положительную работу, поскольку направление действия силы, обусловленной их давлением, совпадает с направлением движения поршня (рис. 10.).

Во время рабочего хода происходит расширение газов, вследствие чего их давление и температура падают. Теплота, подведенная к газам при сгорании топлива, превращается в механическую работу.

Теоретически для получения большей положительной работы необходимо, чтобы процесс расширения газов происходил без теплообмена между ними и стенками цилиндра. Однако в действительности расширение сопровождается таким теплообменом, в результате чего происходит потеря теплоты нагретыми газами.

Рис. 10. Такт рабочего хода

Для поршневых авиадвигателей среднее значение абсолютной температуры в конце такта сжатия составляет 1500…1700 К, а давления – 4…6 кг/см².

С увеличением степени сжатия ε_а давление и температура конца процесса расширения уменьшаются, что способствует лучшему преобразованию тепловой энергии в механическую работу, повышает экономичность двигателя и понижает температуру выпускных клапанов.

На характер протекания процесса расширения, а в результате – на мощность и экономичность двигателя большое влияние оказывает догорание смеси во время расширения. Горение смеси на участке до 10…12° поворота коленчатого вала после ВМТ неизбежно и считается нормальным. Если же интенсивное горение продолжается дальше, то этот процесс снижает мощность и экономичность двигателя.

При догорании часть смеси продолжает гореть во время расширения, поддерживая высокую температуру на большем пути поршня. Результатами такого сгорания будут:

1) понижение мощности двигателя вследствие уменьшения силы давления газов на поршень;

2) перегрев конструкции двигателя из-за большой теплоотдачи стенкам цилиндра и поршня, являющейся причиной прогара клапанов и поршня, возникновению самовоспламенения смеси и детонации, нарушения смазки поршней и цилиндров и т.д.;

3) уменьшение веса свежей смеси (весового заряда) из-за перегрева двигателя;

4) понижение экономичности двигателя из-за большого отвода теплоты от газов системой охлаждения и вследствие выбрасывания газов с высокой температурой в окружающую среду.

Основными причинами излишнего догорания смеси являются:

1) установка позднего опережения зажигания – при этом смесь не успевает сгореть вблизи ВМТ, вследствие чего горение продолжается в процессе расширения при меньшей скорости горения;

2) использование слишком богатой смеси – при богатых смесях скорость горения смеси мала, поэтому горение будет продолжаться в процессе расширения;

3) использование слишком бедной смеси – при работе двигателя на бедной смеси скорость горения падает в большей степени, чем при богатой смеси, и горение может затянуться до начала очередного такта впуска.