Воспламенение и сгорание в двигателях с искровым зажиганием. Фазы сгорания

Индикаторный КПД двигателя зависит от полноты, скорости и своевременности сгорания топлива. О полноте, скорости и своевременности сгорания можно судить, анализируя индикаторную диаграмму, для чего на ней условно выделяют три фазы (рис. 24)

Первая фаза θ_I начинающаяся в момент проскакивания электрической искры и заканчивающаяся, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания, называется начальной фазой сгорания или фазой формирования фронта пламени.

На длительность θ_I (в градусах ПКВ) влияют следующие факторы.

Состав смеси. Наименьшее значение θ_I соответствует составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшее значение (α =0,8...0,9).

Рис.24

Фазы процесса сгорания в двигателях с искровым зажиганием:

φо..з —Угол опережения зажигания; θ_I ,θ_II , θ_III — фазы процесса сгорания; Х_х — коэффициент выделения теплоты

Вихревое движение заряда. Применение винтовых или тангенциальных впускных каналов позволяет создать интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре, что способствует увеличению мелкомасштабной турбулентности, а это, в свою очередь, приводит к сокращению длительности θ_I.

Степень сжатия. С ростом е увеличиваются температура и давление рабочей смеси, что способствует повышению нормальной скорости сгорания и соответствующему сокращению длительности θ_I. По этим же причинам уменьшение угла опережения зажигания приводит к некоторому снижению θI.

Частота вращения. Опыты показывают, что θ_I ~n^m, где m—0,5...1,0. Чем сильнее возрастают мелкомасштабные пульсации при увеличении частоты вращения п, тем меньше значение показателя т.

Нагрузка двигателя. По мере закрытия дроссельной заслонки увеличивается относительное количество ОГ и уменьшается давление рабочей смеси. Все это приводит к увеличению длительности θI а также к ухудшению стабильности воспламенения.

Характеристики искрового разряда. Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность разряда, тем меньше θ_I поэтому электронные (транзисторные) системы зажигания несколько улучшают по сравнению с классическими контактными системами воспламенение и сгорание, особенно на режимах разгона или при значительном обеднении смеси.

Вторая фаза θ_п называется основной фазой сгорания, ее длительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления в цикле. Длительность θ_п определяется закономерностями крупномасштабного турбулентного горения. Максимальная скорость распространения пламени в этой фазе сгорания может достигать 60...80 м/с, а доля сгоревшего топлива 80...85%.

Опыт показывает, что при оптимальном угле опережения зажигания часть основной фазы, протекающей до ВМТ, составляет 30...40% от ее общей длительности θп.

К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает возрастать, достигая максимума в точке 1 (рис. 24).

Скорость тепловыделения в основной фазе определяет интенсивность нарастания давления dp/dφ, от которой зависит так называемая жесткость работы двигателя.

Третья фаза θ_ш, или фаза догорания, начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит главным образом в пристеночных слоях, где масштабы турбулентных пульсаций и температура заметно меньше, чем в основном объеме камеры сгорания. Отдельные объемы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона турбулентного горения имеет большую глубину.

Выгорание топлива по времени характеризует показанная на (рис. 24) кривая X_x=Q_x/Q_тц. Коэффициент выделения теплоты Х_х равен отношению количества теплоты, выделившейся к текущему моменту (Q_x), к теплоте, введенной в цикл с топливом.

Коэффициент активного тепловыделения