Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 31 - процесс смесеобразования с искровым зажиганием

Процессы сгорания в ДВС с принудительным воспламенением

В двигателях с принудительным воспламенением в результате приложения высокого напряжения между электродами свечи зажигания возникает искровой разряд.

Искра создает в рабочей смеси небольшой объем с температурой 10000-30000К. Температура этого объема быстро уменьшается вследствие теплоотдачи в свежую смесь и электроды. Окружающие слои смеси нагреваются, начинается химическая реакция и образуется сферический фронт пламени. Если скорость выделения теплоты за счет реакций горения достаточна для компенсации теплоотвода, то возникший очаг горения устойчиво развивается. В противном случае пламя гаснет.

На рис.5.1 приведена индикаторная p- диаграмма карбюраторного двигателя. Процесс сгорания начинается с момента проскакивания искры в точке 1. После образования канала разряда с высокой температурой в КС сразу же протекают химические (а точнее термические) реакции горения. Поэтому в карбюраторном двигателе подготовительная фаза (период задержки воспламенения) отсутствует.

Весь период рассматривают состоящим из трех фаз.

Первая фаза ₁- период скрытого сгорания (начальная фаза): от точки 1 до точки 2. За время ₁ сгорает 4-8% заряда от всего объема, занимаемого топливовоздушной смесью. Температура повышается без заметного увеличения давления. Продолжительность ₁= 4-6 п.к.в.

Р ис.5.1. Процесс сгорания в карбюраторном двигателе

Длительность ₁ зависит от следующих факторов:

1. Энергия искрового разряда.

Количество тепла, сообщенного горючей смеси от искры, зависит от коэффициента избытка воздуха . Самый короткий период при  = 0,85-0,95.

2. Скорости вихревого движения смеси в зоне свечи. При увеличении скорости и турбулентности потока воспламенение смеси затрудняется вследствие усиленного теплоотвода от возникшего небольшого очага горения, при этом ₁ удлиняется.

3. Степени сжатия . С повышением  начальный период сокращается, т.к. растут плотность и температура заряда, повышается энергетический уровень молекул.

4. Нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. С уменьшением N_e развитие начального очага пламени с прикрытием дроссельной заслонки становится менее устойчивым, начинают появляться пропуски воспламенения.

При увеличении частоты вращения вала двигателя n возрастает интенсивность турбулизации смеси и начальная фаза удлиняется ₁~n^1/2.

Для нормального развития начального очага горения и в дальнейшем всего процесса сгорания необходимо угол опережения зажигания _з увеличивать с повышением n и уменьшать с ростом N_e. С этой целью устанавливают соответственно центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания. В современных полупроводниковых системах зажигания необходимый угол устанавливается с помощью специальных устройств в зависимости от крутящегося момента, состава смеси, давления и температуры окружающей среды и т.д.

Вследствие неидентичности условий поджигания горючей смеси в цилиндре двигателя развитие очага пламени, возникшего от искры, в отдельных циклах будет происходить неодинаково.

Вторая фаза ₂ -период видимого (быстрого) сгорания: от точки 2 до точки 3.

Во втором периоде ₂ сгорает основная масса топливовоздушной смеси (до 80%) вследствие распространения фронта пламени в камере сгорания. В этой фазе выделяется большое количество теплоты, быстро повышаются давление и температура.

Повышение давления оценивают скоростью нарастания давления

Отношение p/ (как и в дизеле) характеризует жесткость процесса сгорания:

При p/ = 0.11-0.26 МПа/град - протекание процесса сгорания считают нормальным.

При p/ < 0.1 МПа/град сгорание большей части топлива происходит на линии расширения.

При p/ > 0.26 МПа/град имеет место жесткая работа двигателя.

Продолжительность ₂ соответствует 20-30 п.к.в. и зависит от:

1. Скорости распространения фронта пламени. Чем больше скорость сгорания, тем короче ₂.

2. Состава смеси. Длительность основной фазы слабо зависит от коэффициента избытка воздуха, однако при увеличении  максимальные давления цикла (сгорания) _z резко падают. С увеличением  сильно возрастает нестабильность процесса сгорания (различия по _z) в последовательных рабочих циклах, что приводит к снижению мощности двигателя.

3. Степени турбулизации смеси в КС. С увеличением интенсивности завихрения смеси скорость пламени растет и ₂ сокращается.

4. Степени сжатия. При повышении  период ₂ уменьшается, т.к. с ростом  увеличивается скорость пламени.

5. Уменьшение нагрузки двигателя приводит к ухудшению процесса сгорания во второй фазе из-за неустойчивого начального развития процесса сгорания в первом периоде.

6. Конструкции камеры сгорания. Форма КС влияет на интенсивность завихрения, теплоотдачу в охлаждаемые поверхности, коэффициент наполнения и путь, проходимый пламенем. Для сокращения продолжительности основной фазы сгорания необходимо сокращать путь, проходимый пламенем, т.е. применять более компактную КС.

Третья фаза ₃ - период догорания по линии расширения. Этот период называют завершающей фазой сгорания. Догорание смеси происходит в пристеночных слоях и зазорах. В карбюраторных двигателях ₃ невелика и границу завершения этой фазы по индикаторной диаграмме определить трудно. Точно не известен момент полного сгорания рабочей смеси из-за того, что тепловыделение, достигнув приблизительно 85%, снижается после максимальной температуры цикла T_z.

На длительность ₃ влияют состав смеси, угол опережения зажигания, интенсивность турбулентности потока в КС. С увеличением скорости расположения фронта пламени ₃ сокращается.

Завершающую фазу сгорания иногда разделяют на две: ₃ - от точки 3 до точки 4 и ^’’₃ - от точки 4.

Фазу ₃ называют периодом замедленного сгорания. К концу ₃ заканчивается сгорание основной массы топлива. Фаза ₃ - период особенности догорания, сильно зависит от . При работе двигателя на богатых и бедных смесях несгоревшее в цилиндре топливо воспламеняется в выпускном трубопроводе и получаются выстрелы в глушитель.

На протяжении ₂ и ₃ происходит диссоциация (распад) молекул под действием температуры около 2000С:

2СО₂=2СО+О₂

2Н₂О=2Н₂+О₂

При диссоциации часть тепла от сгорания теряется, вследствие чего полезная работа и КПД цикла уменьшается (до 10%).

В периоде ₃ происходит обратная реакция ассоциации с выделением тепла. Это приводит к повышению температуры отработавших газов.

В дизелях диссоциацию не учитывают, так как температура сгорания значительно ниже, чем в карбюраторных двигателях и снижение КПД в этом случае не превышает 2%.