Форкамерне сумішоутворення

Рис.10. Схема ДВЗ з форкамеро-факельним запалюванням

Використання розділених камер згоряння (рис. 10) дозволяє отримати у предкамері (форкамері) невеликого об’єму (0,03–0,2·V_c), у якій встановлено свічу запалювання та невеликий впускний клапан, сильно збагачену суміш (α₂). У основній камері знаходиться бідна суміш (α₁ > 1,5). Після запалювання у форкамері факели полум’я забезпечують горіння у основній камері.

Фірмою FIAT велися розробки бензинового ДВЗ з вихровою камерою згоряння, у якому впорскування впорскування проводилося на розпечений стрижень у центрі вихрокамери. Пари палива утворювали біля електрода свічі зону багатої суміші. Максимальна потужність досягалася при α = 1,4. Недоліками ДВЗ були висока жорсткість роботи ДВЗ та димність.

§ 2. Процес згоряння

При згорянні однорідних вуглеводневих палив максимальна швидкість полум’я U_нмах досягається при трохи збагачених пальних сумішах. У випадку, коли U_нмin=0,1 м/с полум’я гасне.

Збагачення суміші, при якому полум’я гасне, називається верхньою концентраційною межею α_min, а межа можливого збідніння — нижньою концентраційною межею α_max поширення полум’я. За цими межами горіння однорідних сумішей неможливо.

У ДВЗ має місце турбулентне горіння, що представляє собою процес турбулентного змішення продуктів згоряння і свіжої суміші і потім згоряння останньої внаслідок підвищення її температури. Швидкість згоряння визначається в основному турбулентними пульсаціями в КЗ і інтенсивністю перемішування продуктів згоряння зі свіжою сумішшю.

Самозапалювання — це прогресуюче прискорення реакцій. Воно настає, коли швидкість тепловиділення за рахунок хімічних реакцій перевищує швидкість відводу тепла в навколишнє середовище.

У дизелі самозапалювання відбувається при впорскуванні палива в стиснене повітря; у бензиновому двигуні — при детонації.

Запалення й згоряння палива

У двигунах із примусовим запалюванням у результаті подачі високої напруги між електродами свічі запалювання виникає іскровий розряд.

Іскра створює в робочій суміші невеликий об’єм з температурою 10000–30000 К. Температура цього об’єму швидко зменшується внаслідок тепловіддачі у свіжу суміш і електроди. Навколишні шари суміші нагріваються, починається хімічна реакція та утворюється сферичний фронт полум’я. Якщо швидкість виділення теплоти за рахунок реакцій достатня для компенсації тепловідводу, то виниклий фронт горіння стійко розвивається. У противному випадку полум’я гасне.

Для одержання високого індикаторного ККД двигуна необхідно повністю й вчасно спалити паливо й виділити теплоту при знаходженні поршня поблизу ВМТ. Швидкість згоряння суміші залежить від її однорідності й турбулізації в камері згоряння. Про якість згоряння можна судити за допомогою індикаторної діаграми (рис. 11), на якій умовно виділяють три фази.

Перша фаза θ₁ — період схованого згоряння — називається початковою фазою згоряння або фазою формування фронту полум’я. Тривалість θ₁ = 4–6° повороту колінчастого вала (ПКВ). Вона починається в момент подачі електричної іскри й закінчується, коли тиск у результаті виділення теплоти в циліндрі буде вище, ніж при стиску суміші без згоряння. У цій фазі вогнище горіння формується в зоні між електродами свічі при високих температурах, а потім перетворюється у фронт полум’я. Температура підвищується без помітного збільшення тиску. У цей період згоряє 2–3% палива. На тривалість θ₁ впливають наступні фактори.

• Склад суміші: максимальна швидкість згоряння й, отже, найменше значення q₁ відповідає складу суміші при α = 0,8–0,9; значне збідніння суміші різко погіршує стабільність запалювання аж до появи пропусків в окремих циліндрах.

• Вихровий рух заряду: скороченню тривалості θ₁ сприяє інтенсивний вихровий рух заряду в циліндрі при застосуванні гвинтових або тангенціальних впускних каналів. Але при збільшенні швидкості і турбулентності потоку в зоні свічі запалення суміші утрудняється внаслідок посиленого тепловідводу від виниклого невеликого вогнища горіння, при цьому θ₁ подовжується.

• Ступінь стиску: високі значення ε збільшують температуру й тиск робочої суміші; при цьому росте швидкість згоряння й зменшується тривалість θ_1.

• Частота обертання: тривалість θ₁ у градусах ПКВ зростає зі збільшенням частоти обертання.

• Навантаження двигуна: при прикритті дросельної заслінки росте частка відпрацьованих газів у робочій суміші, знижується її тиск і погіршується стабільність запалення, що збільшує тривалість θ_1.

• Характеристики іскрового розряду: з ростом пробивної напруги, тривалості й стабільності розряду θ₁ зменшується.

Для нормального розвитку початкового вогнища горіння і надалі всього процесу згоряння необхідно кут випередження запалювання φ_в.з. збільшувати з підвищенням n і зменшувати з ростом N_e. З цією метою установлюють відповідно відцентровий і вакуумний регулятори випередження запалювання. У сучасних напівпровідникових системах запалювання необхідний кут установлюється за допомогою спеціальних пристроїв у залежності від крутного моменту, складу суміші, тиску і температури навколишнього середовища і т.п.

Унаслідок неідентичності умов підпалювання пальної суміші в циліндрі двигуна розвиток вогнища полум’я, що виникло від іскри, в окремих циклах буде відбуватися неоднаково.

Рис.11. Процес згоряння на індикаторній р-φ діаграмі ДВЗ з примусовим запалюванням

Друга фаза θ₂ — період видимого (швидкого) згоряння — називається основною фазою згоряння. Вона триває до моменту досягнення максимального тиску циклу р_z. Тривалість θ₂ визначається турбулентним горінням, при якому максимальна швидкість поширення полум’я може скласти 60–80 м/с. У ній згоряє 80–85% палива. Звичайно ефективний КПД η_е досягає максимального значення, якщо друга фаза згоряння розташовується симетрично відносно ВМТ; при повному навантаженні θ₂ = 25–30° ПКВ.

При підвищенні частоти обертання тривалість другої фази за часом зменшується пропорційно зміні тривалості всього циклу, а в градусах ПКВ вона практично не змінюється через турбулізацію заряду й підвищення швидкості фронту полум’я.

При розташуванні свічі запалювання в центрі камери згоряння значення θ₂ зменшується.

Згоряння наприкінці фази θ₂ не закінчується, тому середня температура циклу зростає й досягає максимального значення після максимуму тиску (р_zmax).

Підвищення тиску оцінюють швидкістю наростання тиску Δp/Δφ. Це відношення характеризує жорсткість процесу згоряння:

При Δp/Δφ =0,11–0,26 МПа/град протікання процесу згоряння вважають нормальним.

При Δp/Δφ < 0,1 МПа/град згоряння більшої частини палива відбувається на лінії розширення.

При Δp/Δφ > 0,26 МПа/град має місце жорстка робота двигуна.

Тривалість θ₂ залежить від наступних факторів:

Швидкість поширення фронту полум’я. Чим більше швидкість згоряння, тим коротше θ₂.

Склад суміші. Тривалість основної фази слабко залежить від коефіцієнта надлишку повітря, однак при збільшенні α максимальний тиск циклу (згоряння) p_z різко падає. Зі збільшенням α сильно зростає нестабільність процесу згоряння (розходження по p_z) у послідовних робочих циклах, що приводить до зниження потужності двигуна.

Турбулізація суміші у камері згоряння. Зі збільшенням інтенсивності завихрення суміші швидкість полум’я росте і θ₂ скорочується.

Ступінь стиску. При підвищенні ε період θ₂ зменшується, тому що з ростом ε збільшується швидкість полум’я.

Навантаження. Зменшення навантаження двигуна приводить до погіршення процесу згоряння в другій фазі через хитливий початковий розвиток процесу згоряння в першому періоді.

Конструкція камери згоряння. Форма КЗ впливає на інтенсивність завихрення, тепловіддачу в поверхні, що охолоджуються, коефіцієнт наповнення і шлях, який проходить полум’я. Для скорочення тривалості основної фази згоряння необхідно скорочувати шлях, який проходить полум’я, тобто застосовувати більш компактну КЗ.

Третя фаза θ₃ називається фазою догоряння. Вона починається в момент досягнення максимального тиску циклу. У цій фазі залишки суміші догоряють у пристіночних шарах, а окремі об’єми робочої суміші догоряють за фронтом полум’я. Момент закінчення цієї фази визначається кінцем тепловиділення й на діаграмі не видний.

На тривалість θ₃ впливають склад суміші, кут випередження запалювання, інтенсивність турбулентності потоку в КЗ. Зі збільшенням швидкості розташування фронту полум’я θ₃ скорочується.

Завершальну фазу згоряння іноді розділяють на дві: θ₂′ і θ₃″.

Фазу θ₃′ називають періодом уповільненого згоряння. До кінця θ₃′ закінчується згоряння основної маси палива. Фаза θ₃″ — власне, період догоряння, сильно залежить від α. При роботі двигуна на багатих і бідних сумішах паливо, що не згоріло у циліндрі, займається у випускному трубопроводі, і тому постріли виходять у глушник.

Протягом θ₂′ і θ₃′ відбувається дисоціація (розпад) молекул під дією високої температури близько 2000°С:

2СО₂=2С+О₂; 2Н₂О=2Н₂+О₂.

При дисоціації частина тепла від згоряння губиться, внаслідок чого корисна робота і ККД циклу зменшується (до 10%).

У періоді θ₃″ відбувається зворотна реакція асоціації з виділенням тепла: С+О₂=СО₂. Це приводить в основному до підвищення температури відпрацьованих газів.