Процесс сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 8

8.1 Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

Этот процесс происходит в действительности не при постоянном объеме, но близко к этим условиям. Сгорание начинается, когда поршень не доходит до ВМТ и заканчивается после ВМТ. Воспламенение смеси происходит до прихода поршня в ВМТ, – угол опережения зажигания. Кривая 3-6-7-изменение давления при выключенном зажигании. На участке кривой 2-3 давление одинаково как при включенном, так и при выключенном зажигании. На участке 3- 4 давление резко повышается. Распространение фронта пламени не заканчивается на линии 4-5. При этом давление падает, т.к. увеличивается объем. Процесс сгорания на индикаторной диаграмме можно разделить на 3 фазы.

Первая фаза ( кривая 2-3) называется периодом задержки воспламенения. На этом участке процесса происходит предпламенное окисление топлива без повышения давления. Скорость сгорания зависит от свойств топлива. Первая фаза определяется углом поворота коленчатого вала двигателя -. На продолжительность этой фазы оказывает влияние коэффициент избытка воздуха, коэффициент остаточных газов, степень сжатия, нагрузка.

Вторая фаза – период видимого или эффективного сгорания. При этом сгорает до 90% смеси, резко возрастают скорость сгорания и давление. Вторую фазу характеризует угол поворота коленчатого вала . Продолжительность второй фазы зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания. При наличии полученной или построенной индикаторной диаграммы, вторую фазу можно оценить степенью нарастания давления, т.е. увеличением давления, отнесенного к одному градусу поворота коленчатого вала. Среднее значение этого отношения называют жесткостью процесса сгорания и определяют как отношение

Если эта величина меньше указанных значений, то сгорание происходит на линии расширения, что ухудшает топливную экономичность. Если эта величина больше указанных значений, то от резкого нарастания давления двигатель работает « жестко», что вызывает усиленные износы и поломки деталей. Экспериментально установлено, что наибольшая мощность двигателя будет при повороте коленчатого вала от ВМТ на 100–150 и при этом будет максимальное давление цикла. От совершенства процесса сгорания зависит множество показателей двигателя: мощность, экономичность, износ деталей.

Третья фаза – догорание смеси – не имеет четкой границы окончания фазы. Весь процесс сгорания длится 0,001-0,002 сек и зависит от скорости распространения пламени (20-40м/с), а также от следующих факторов: состава смеси, степени ее завихрения, степени сжатия, угла опережения зажигания или впрыска топлива, формы камеры сгорания, расположения свечей зажигания, нагрузки двигателя. Можно рассчитать по формуле длительность процесса сгорания:

Где: a - угол поворота коленчатого вала в град;

ne - число оборотов коленчатого вала в минуту

Для карбюраторных двигателей продолжительность сгорания равна 0,001- 0,002 с и зависит, главным образом, от скорости распространения фронта пламени (скорости сгорания). Средняя скорость сгорания в карбюраторном двигателе находится в пределах 20-40 м/сек. А скорость сгорания смеси зависит от состава смеси, степени завихрения смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, расположения свечи зажигания, нагрузки двигателя. Повышение скорости не влияет на период задержки воспламенения топлива, поэтому необходимо с ростом скорости увеличивать угол опережения зажигания или впрыска топлива.

Состав смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха и коэффициентом остаточных газов, что оказывает большое влияние на процесс сгорания. Скорость сгорания имеет наибольшее значение при = 0,8 – 0,9. Если имеется завихрение смеси, то скорость сгорания в 8 –12 раз увеличивается. При отклонениях в сторону обогащения или обеднения, скорость сгорания увеличивается. Наибольшую топливную экономичность достигают при смесях, у которых = 1,05 – 1,15. Повышение начального давления вызывает наибольшее увеличение скорости сгорания. Зависимость сгорания от степени сжатия объясняется совместным влиянием начальной температуры, начального давления и наличием остаточных газов, при увеличении e все эти показатели увеличиваются, а количество остаточных газов уменьшается, что увеличивает скорость сгорания. От формы камеры сгорания зависит теплоотдача в окружающую среду и чем меньше отношение поверхности камеры сгорания к ее объему, тем меньше теплота, которая теряется в результате теплоотдачи, что увеличивает скорость сгорания. От формы камеры сгорания зависит теплоотдача в окружающую среду и чем меньше отношение поверхности камеры сгорания к ее объему, тем меньше теплота, которая теряется в результате теплоотдачи, что увеличивает скорость сгорания.

Чтобы обеспечить окончание сгорания вблизи ВМТ и тем самым получить наибольшую степень расширения смесь необходимо воспламенять с некоторым опережением до подхода поршня к ВМТ. При правильно установленном угле опережения зажигания видимое сгорание заканчивается на 100–150 угла поворота после ВМТ. Увеличение числа оборотов способствует увеличению скорости сгорания за счет более интенсивного завихрения смеси. Вместе с тем увеличение числа оборотов уменьшает время отводимое на сгорание, но не влияет на период задержки воспламенения. Опытным путем установлено, что с увеличением оборотов, несмотря на большую скорость сгорания, необходимо увеличивать угол опережения зажигания.

8.2 Процесс воспламенения и сгорания в дизелях

Этот процесс происходит в более сложных условиях. Процессы воспламенения и сгорания в дизелях отличаются от сгорания в карбюраторных двигателях. Происходит он в более сложных условиях, так как в цилиндре находится воздух, а не заранее подготовленная смесь. Период сгорания можно разделить на четыре фазы.

Первая фаза - период задержки воспламенения топлива. Она занимает промежуток времени от момента начала впрыска (т.1) до начала резкого повышения давления (т.2). При этом происходят физико-химические процессы подготовки топлива к сгоранию без заметного повышения давления (линия 1-2). На продолжительность первой фазы оказывают влияние физико–химические свойства топлива, температура и давление сжатого воздуха.

Вторая фаза – здесь происходит интенсивное тепловыделение и ровное повышение давление. При этом сгорает подготовленное топливо. Впрыск в цилиндр может продолжаться в течение всей второй фазы или прекратиться до ее окончания. Ступень нарастания давления зависит от периода задержки воспламенения, от скорости подачи, качества распыливания и количества впрыскиваемого топлива. Среднее значение степени нарастания давления на линии 2-3 равно

При этом работа двигателя считается нежесткой. Наилучшая топливная экономичность будет, если давление цикла достигает максимального значения при повороте коленчатого вала на 60–80 после ВМТ. На протяжении второй фазы оказывают влияние распределение топлива по объему камеры сгорания, скорость подачи количества впрыскиваемого топлива в период задержки воспламенения.

Третья фаза – соответствует периоду незначительного изменения давления (3-4) и заканчивается при повороте коленчатого вала на угол, при котором температура газа достигает наибольшего значения. Впрыск топлива к началу третьей фазы заканчивается. Третья фаза непродолжительна по времени при незначительном изменении давления, процесс сгорания замедляется из-за уменьшения концентрации кислорода. Заканчивается эта фаза на 20-25 гр. после ВМТ.

Четвертая фаза начинается при максимальной температуре. Догорание должно заканчиваться с началом расширения, иначе повысится температура отработавших газов и увеличатся тепловые потери. Уменьшению тепловых потерь способствует завихрение рабочей смеси; оптимальный коэффициент избытка воздуха – 1,2 – 1,7; оптимальный угол опережения впрыска топлива. Для улучшения экономических показателей требуется увеличить число оборотов и угол опережения впрыска топлива.

При большом угле опережения впрыска топлива снижается температура, давление, что увеличивает период задержки воспламенения топлива. В начале третьей фазы скапливается значительное количество топлива и происходит резкое нарастание давления при сгорании – наблюдается «жесткая» работа двигателя.

При малом угле – большая часть топлива сгорает в процессе расширения, что вызывает перегрев двигателя, повышение температуры отработавших газов, снижение мощности и эффективности.

По первому закону термодинамики тепло расходуется на повышение внутренней энергии и совершение механической работы, а также часть тепла отводится в окружающую среду. Кроме того часть тепла теряется в связи с несовершенством процессов сгорания топлива. Составим уравнение теплового баланса с определенными допущениями:

x - коэффициент активного тепловыделения снижает теплоту сгорания (0.85-0.95 – карб.; 0,8-0,85 – газ. ; 0,65-0,85 – диз.). Внутренняя энергия в точках с и z определится с допущениями по формулам:

Работа расширения газов

Степень повышения давления равна 3 - 4 – карб., 3 - 5 газ., 1.2 - 1.4 – диз. Подставим полученные значения в уравнение теплового баланса, перенесем все известное в левую сторону и разделим на (М1+Мr):

Числитель и знаменатель дроби разделим на М1

где - действительный коэффициент молекулярного изменения

Для карбюраторного двигателя

Из полученных уравнений определяется Тz. Давление в конце сгорания смеси

Тип двигателя	Давление Pz	температура Tz
Карбюраторные	3-5	2300-2700
Газовые	2,5-4,5	2200-2500
Дизельные	5-9	1800-2300

Процесс сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях