4.Сгорание в двигателях с принудительным воспламенением гомогенных смесей
Нормальное сгорание
Работа цикла ДВС и его экономичность в значительной мере зависят от скорости, своевременности и полноты сгорания топлива. Цикл необходимо организовать таким образом, чтобы сгорание всей цикловой дозы горючей смеси с максимальной полнотой произошло вблизи ВМТ. При такой организации индикаторный кпд ηi цикла приближается к термическому ηt цикла с подводом тепла при V – const, который, как известно, является наиболее экономичным. О качестве организации цикла можно судить, анализируя протекание индикаторной диаграммы. Типичный вид индикаторной диаграммы приведен на рис.
Здесь характерные точки:
1 – момент подачи искры
2 – точка отделения кривой со сгоранием от кривой без сгорания
3 – точка достижения максимального давления в цилиндре
4 – точка достижения максимальной температуры рабочего тела.
Между этими точками располагаются характерные периоды процесса сгорания:
τ1 – период задержки воспламенения;
τ2 – период видимого, или быстрого, сгорания;
τ3 – период догорания;
Ниже расположена кривая коэффициента выделения теплоты ( χ ).
χ = κ ψ, где
(каппа) κ = 1 – ΔHu/Hu коэффициент полноты сгорания, учитывает химическую неполноту сгорания;
ψ = 1 – Qдисс/(Hugт.ц.κ) коэффициент диссоциации, учитывает суммарную за цикл потерю теплоты из-за диссоциации.
Процессы, протекающие в каждом из периодов.
Процесс воспламенения гомогенной смеси был рассмотрен выше. Длительность этого периода зависит от ряда факторов:
Период быстрого (видимого) сгорания является основным. Турбулентный фронт пламени распространяется в большей части камеры сгорания и достигает стенок. Предполагается, что основное сгорание завершается к моменту достижения максимального давления в цилиндре. Длительность этого периода зависит от формы камеры сгорания и от скорости распространения фронта пламени. Факторы, влияющие на скорость, рассмотрены выше, это:
Концентрация реагирующих веществ
Давление
Соотношение концентраций реагирующих веществ (α, Tг)
Остаточные газы
Температура
максимальная скорость при α = 1
Причем, следует иметь в виду, что по мере выгорания горючей смеси, при прочих равных условиях, давление в цилиндре повышается, а вместе с ним повышается и скорость перемещения фронта пламени.
Считается, что период догорания начинается в точке достижения максимального давления в цилиндре (т.3) и завершается когда скорость тепловыделения станет равной скорости отдачи теплоты в стенки (квазиадиабатичекая точка процесса). В течение этого периода происходит окисление продуктов неполного сгорания топлива за фронтом пламени, в пристенном слое, в кольцевом зазоре между головкой поршня и гильзой цилиндра, в других защемленных объемах камеры сгорания. Кроме того, по мере расширения рабочего тела и снижения его температуры происходит рекомбинация диссоциированных молекул с выделением тепла.
Максимальная работа цикла получается при такой организации сгорания, когда максимум давления в цилиндре приходится на 12 – 15° поворота коленчатого вала после в.м.т. Для обеспечения этого условия на всех режимах работы двигателя приходится изменять угол опережения зажигания θ в зависимости от режима. Обычно значения оптимальных углов опережения зажигания для конкретных двигателей в зависимости от режима определяют экспериментально и вводят эти данные в автоматические регуляторы угла опережения зажигания. Общие закономерности зависимости оптимального θ можно выявить, анализируя влияние конструкции двигателя и изменений режима его работы на процесс сгорания и протекание индикаторной диаграммы.
Конструктивные факторы:
Степень сжатия
Расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленных объемов камеры сгорания (форма)
Уровень турбулизации заряда
Наличие наддува
Мощность запального устройства
Эксплуатационные факторы:
Состав горючей смеси
Частота вращения
Нагрузка
Степень подогрева смеси на впуске