2. Процес згорання палива в карбюраторному двигуні

Розвиток реакцій окислення в циліндрі двигуна з необхідною швидкістю забезпечується гомогенною (рівномірною) сумішшю палива з повітрям. Зважаючи на відмінності властивостей палива, способи сумішоутворення і займання робочої суміші, розглянемо окремо процеси згорання палива в циліндрах карбюраторних і дизельних двигунів. Процес згорання палива зручніше аналізувати по індикаторній діаграмі в координатах р-α°, на якій зображається залежність тиску газу усередині циліндра від кута повороту колінчастого валу. Така діаграма називається розгорненою.

На рис. 5.2 представлена частина розгорненої індикаторної діаграми, де показані фаза процесу згорання в карбюраторних двигунах.

Рисунок 5.2 - Процес згорання карбюраторного ДВЗ

Запалення проводиться в кінці такту стиску з випередженням, рівним куту φ. Моменту запалення відповідає крапка а. Видиме підвищення тиску починається в крапці б. Крапкою в відмічений максимальний тиск.

Період від крапки а до крапки б називається першим періодом згорання, періодом утворення вогнища горіння, або періодом затримки займання. Тривалість його змінюється залежно від властивостей палива, складу суміші, ступеня стиску, числа обертів, вихрового стану суміші і інтенсивності іскрового розряду, а також ряду інших чинників. Чим менше перший період згорання, тим повільніше наростає тиск в другий період, тим “м'якше” і з меншим зносом працює двигун.

Період від крапки б до крапки в називається другим періодом згорання, періодом розповсюдження полум'я, або періодом видимого згорання. Цей період характеризується значним підвищенням тиску і зазвичай закінчується на 12–18° після ВМТ. Після проходження поршнем крапки в, відповідною максимальному тиску згорання, починається процес розширення. При цьому тиск падає, а гази розширюються. Частина суміші, що не встигла згоріти своєчасно, догорає в процесі розширення.

Тривалість згорання характеризується швидкістю згорання і швидкістю розповсюдження полум'я.

Швидкість згорання характеризує інтенсивність протікання реакцій згорання і оцінюється кількістю тепла, що виділяється в одиницю часу. Швидкість згорання може бути визначена по індикаторній діаграмі як тривалість всього процесу згорання від моменту запалення до моменту утворення кінцевих продуктів, тобто практично до моменту, відповідного максимальному тиску згорання.

Швидкість розповсюдження полум'я характеризує швидкість переміщення по камері згорання фронту полум'я від місця його виникнення (фронтом полум'я називається зона реакції згорання, що відокремлює свіжу суміш від продуктів згорання).

Швидкість згорання пропорційна швидкості розповсюдження полум'я. Остання змінюється в значних межах (від 25 до 40 м/с) і залежить від конструкції двигуна (форми камери згорання, ступеня стиску, розташування свічки) і його експлуатаційних особливостей (властивостей палива, складу суміші, числа обертів, навантаження).

Швидкість наростання тиску залежить від інтенсивності згорання, тобто від кількості тепла, що виділяється в одиницю часу. У перший період згорання кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу, трохи. Тому лінія, що характеризує перший період згорання на індикаторній діаграмі, не відрізняється від лінії стиску при вимкненому запаленні. Другий період згорання характерний значним підвищенням тиску. Швидкість наростання тиску в цей період характеризується відношенням dP/dα що оцінює приріст тиску в період згорання на 1° кута повороту колінчастого валу. Це відношення називається також показником жорсткості роботи двигуна.

Встановлено, що швидкість наростання тиску у карбюраторних двигунів не повинна перевищувати 0,25 Мпа на 1° повороту валу. Із збільшенням швидкості наростання тиску динамічні навантаження на кривошипно-шатунний механізм значно зростають і виникають явища вібрації двигуна. При цьому збільшується знос зв'язаних вузлів і довговічність двигуна різко скорочується.

Час, що відводиться для згорання в циліндрах двигуна, визначається всього декількома тисячними долями секунди. При цьому максимальна потужність двигуна досягається тільки в тому випадку, якщо займання суміші відбувається в кінці такту стиску, декілька раніше того моменту, коли поршень прийде у ВМТ.

Кутом випередження запалення називається кут повороту колінчастого валу від моменту запалення до ВМТ, вимірюваний в градусах.

Якщо кут випередження запалення вибраний правильно, до моменту, коли поршень прийде у ВМТ, процес згорання суміші розвиватиметься сприятливо. При цьому згорання суміші закінчується на 12–18° після ВМТ, а потужність, що розвивається двигуном, досягає максимального значення. Найвигідніший момент запалення повинен відповідати максимальній потужності для кожного режиму роботи двигуна. Підбір найкращого моменту запалення проводиться дослідницьким шляхом.

За певних умов нормальний процес згорання в карбюраторних двигунах може бути порушений явищами детонації. Детонаційне згорання виникає після запалення суміші і характерний високими швидкостями розповсюдження полум'я і значним підвищенням температури і тиску газів. Якщо при нормальному згоранні швидкість розповсюдження полум'я складає 25–40 м/сек, то при детонації вона досягає 2000 м/сек. Тиск газів при детонаційному згоранні підвищується до 15–20 Мпа, що значно перевищує тиск, відповідний нормальному згоранню (2,5–5,0 Мпа). Індикаторна діаграма, знята при роботі двигуна з детонацією, показана на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 - Процес згорання з детонацією

Детонаційне згорання супроводжується падінням потужності і погіршенням економічності двигуна. При такому згоранні порушується рідинне тертя в підшипниках і деформується антифрикційний матеріал. Робота двигуна при детонаційному згоранні недопустима, оскільки детонація викликає не тільки прискорений знос, але і руйнування вузлів кривошипно-шатунового механізму.

Основними ознаками детонації є: нестійка робота і перегрів двигуна, виникнення в циліндрах різких металевих стукотів, поява чорного диму у відпрацьованих газах.

Детонаційне згорання виникає при невідповідності між ступенем стиску двигуна і детонаційною стійкістю вживаного палива. Окрім властивостей палива, на виникнення детонації роблять вплив конструктивні особливості двигуна – розмір циліндра, форма камери згорання, розташування свічки і ін., а також ряд експлуатаційних чинників – склад суміші, число обертів, положення дроселя, кут випередження запалення і ін.

Поява детонації залежить від складу суміші. Досвідчені дані показують, що найбільша схильність до детонації спостерігається при коефіцієнті надлишку повітря рівному 0.8–0.9, коли швидкість розповсюдження полум'я найбільша.

Із збільшенням числа обертів і у міру прикриття дроселя (зменшення навантаження) схильність до детонації знижується, оскільки при цьому збільшується кількість залишкових газів. Найбільша схильність до детонації спостерігається при повному навантаженні.

Перехід до ранішого (в порівнянні з найкращим) моменту запалення викликає підвищення температури і тиску в циліндрі і сприяє виникненню детонації.

Значно прискорює виникнення детонації відкладення нагарів на стінках камери згорання, клапанах і поршні, оскільки температурний режим двигуна при цьому зростає.

Детонація під час експлуатації двигунів може бути усунена прикриттям дроселя, зміною складу суміші, зменшенням кута випередження запалення або переходом на вищі оберти.

Окрім явища детонаційного горіння в процесі роботи двигуна можуть виникнути передчасні спалахи, які виникають унаслідок самозаймання суміші в процесі стиску, що відбувається до моменту запалення. Передчасні спалахи виникають в тих випадках, коли температура стислої суміші досягає температури самозаймання палива. Появі передчасних спалахів сприяє перегрів двигуна, нагароутворення, а також детонаційне згорання. Робота двигуна з передчасними спалахами супроводжується падінням потужності, перегрівом і характерна значною нерівномірністю.