Двигатели внутреннего сгорания

Страница 4

При анализе процесса сгорания в карбюраторном двигателе на индикаторной диаграмме рис.12 можно выделить три фазы.

Первая фаза θI – начальная фаза сгорания, или фаза формирования фронта пламени. Начальным моментом фазы считается момент возникновения электрической искры (точка m), а конечным – резкое повышение давления в цилиндре в результате выделения теплоты. На продолжительность фазы θI по углу поворота коленчатого вала влияет состав смеси, степень сжатия, частота вращения, нагрузка двигателя, характеристики искрового разряда.

Наименьшая продолжительность фазы θI отмечается при использовании смеси с α=0,8-0,9. Обеднение смеси увеличивает продолжительность фазы θI и ухудшает стабильность воспламенения. С возрастанием степени сжатия Е повышаются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и сокращению продолжительности фазы θI. Аналогичный результат наблюдается и при уменьшении угла опережения зажигания Фо.з Обычно , где показатель m=0,5-1,0. Чем выше мелкомасштабные пульсации при повышении частоты вращения n, тем больше показатель m.

По мере открытия дроссельной заслонки с возрастанием нагрузки на двигатель повышается относительное количество остаточных газов и уменьшается давление рабочей смеси, что приводит к увеличению продолжительности фазы θI и к ухудшению стабильности воспламенения.

Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность искрового разряда, тем короче фаза θI. Использование электронных (транзисторных) систем зажигания по сравнению с классическими батарейными системами позволяет улучшить параметры процессов воспламенения и сгорания, особенно на режимах разгона.

Вторая фаза θII – основная фаза сгорания. Её продолжительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания и зависит от закономерностей крупномасштабного турбулентного горения.

С ростом n продолжительность второй фазы по времени уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла, т.е. продолжительность фазы θII в градусах поворота коленчатого вала практически не меняется, так как интенсивность турбулизации заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения. Снижение продолжительности θII достигается расположением свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усилением турбулизации заряда.

Третья фаза θIII – фаза догорания – начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций значительно меньше, чем в основном объёме камеры сгорания. Отдельные элементарные объёмы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона горения имеет большую глубину.

На продолжительность фазы θIII идентичным образом влияют те же факторы, которые воздействуют на продолжительность фазы θI, т.е. те, от которых зависит скорость турбулентного горения. С ростом степени сжатия Е возрастает доля смеси, догорающей в пристеночных объёмах, что оказывает влияние на увеличение продолжительности третьей фазы. Определить момент окончания фазы догорания без специальных расчётов и обработки индикаторных диаграмм невозможно.

Условия эксплуатации автомобильных двигателей характеризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов. Уменьшение нагрузки и повышение частоты вращения коленчатого вала влияют на продолжительность основной фазы сгорания θII несущественно, но вызывают возрастание продолжительности первой θI и третьей θIII фаз. Для компенсации возрастающей продолжительности фаз θI и θIII возникает необходимость увеличения угла опережения зажигания. Для этого в системе зажигания карбюраторных двигателей предусмотрены специальные регуляторы (вакуумные и центробежные). Вакуумный регулятор позволяет увеличить угол опережения зажигания по мере снижения нагрузочного режима, а центробежный – при возрастании скоростного режима.

Детонационное сгорание.

Возможно в двигателях с воспламенением от электрической искры при определённых условиях. При этом работа двигателя сопровождается металлическим стуком, снижением мощности, неустойчивостью частоты вращения коленчатого вала, появлением дыма в отработавших газах и перегревом. Длительная работа двигателя с детонацией недопустима, т.к. может привести к прогоранию поршней, кроме того, в этом случае детали кривошипно-шатунного механизма воспринимает повышенные ударные нагрузки.

Развитие процесса детонационного сгорания протекает следующим образом. Под воздействием высоких температур и давлений в сжимаемой несгоревшей смеси в результате реакции окисления образуются соединения, называемые пероксидами. Скорость протекания этих реакций при высоких давлениях и температурах может возрасти настолько, что до прихода фронта пламени в эту зону в ней возникает очаг воспламенения, который с высокой скоростью распространяется к соседним слоям, подготовленным к сгоранию прошедшими предпламенными реакциями окисления. В результате появляются ударные волны, которые распространяются по камере сгорания со скоростью 1200-2300 м/с.

Стуки двигателя при детонационном сгорании возникают при ударах поршней о стенки цилиндров, а также при вибрации этих стенок в результате воздействия взрывных волн.

Дым в отработавших газах появляется вследствие выгорания масла при высокой температуре, термического разложения углеводородов и диссоциации продуктов сгорания. На детонацию оказывает влияние: степень сжатия, форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания, угол опережения, состав смеси, материал поршня и головки цилиндров, частота вращения коленчатого вала, нагрузка двигателя, свойства топлива, нагарообразование тепловое состояние двигателя, условия на впуске и выпуске, размер и число цилиндров.

При раннем зажигании в результате быстрого нарастания давления и температуры в цилиндре в начале сгорания, т.е. вследствие ускорения предпламенных реакций перед фронтом пламени опасность появления детонации возрастает.

При повышении частоты вращения коленчатого вала увеличивается коэффициент остаточных газов r, повышается скорость распространения пламени, следовательно, сокращается время на предпламенное окисление, возрастает скорость распространения пламени, снижается склонность двигателя к детонации.

С уменьшением нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки карбюратора увеличивается коэффициент остаточных газов, снижается давление рабочей смеси в конце сжатия, что уменьшает опасность возникновения детонационного сгорания.

При возрастании октанового числа.

Процесс сгорания в дизеле.

Необходимым условием для совершенного протекания реакции горения в дизеле является тщательное предварительное смешение топлива с воздухом. Наилучшее смешение обеспечивается, когда топливо находится в газообразном или парообразном состоянии. Для получения качественной смеси из жидкого топлива необходимо осуществить его предварительное распыливание и испарение. Рапыленные частицы топлива находятся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются. Пары топлива, возникающие при испарении частиц, диффундируют в окружающее пространство, в результате чего образуется горючая смесь.

Начальное воспламенение топлива в дизеле (самовоспламенение) – сложный процесс. Согласно одной из современных теорий самовоспламенение происходит вследствие быстрого распада активных продуктов, образующихся в топливовоздушной смеси в результате предварительного окисления углеводорода и последующего развития цепных реакций. При этом ведомому пламени предшествует ряд предпламенных реакций, протекающих с поглощением теплоты.

Первичные очаги пламени в камере сгорания дизеля одновременно появляются в нескольких точках камеры, т.е. воспламенение топлива в дизеле является многоочаговым. Возникновение первичных очагов вызывает нагрев близлежайших участков смеси и общее повышение температуры в цилиндре, что ускоряет испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных реакций в образующейся горючей смеси. Большая скорость сгорания топлива в первый период, обусловленная многоочаговым воспламенением – характерная особенность рабочего цикла дизеля. В дальнейшем часть топлива, поступающего в среду горящего факела, воспламеняется практически мгновенно. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны, т.к. в процессе сгорания происходит постепенное загрязнение среды образующимися инертными газами. Скорость сгорания при этом зависит от интенсивности подачи топлива в цилиндр и условий поступления кислорода в зону горения. Последняя часть подаваемого топлива обычно сгорает на линии расширения в условиях недостатка кислорода.