Процесс сгорания в карбюраторном двигателе: Процесс сгорания в карбюраторном двигателе – Факторы, влияющие на процесс сгорания в карбюраторном двигателе

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе

О полноте, скорости и своевременности сгорания можно судить по развернутой индикаторной диаграмме, в которой условно выделяют три фазы.

Первая фаза сгорания (01) начинается в момент зажигания смеси. Она формирует фронт пламени. Заканчивается первая фаза, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания.

Для своевременного выделения теплоты при наивыгодных условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20—55° поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота коленчатого вала называется углом опережения зажигания (Фоз). Температура искры может составлять до 10 000 К. В течение первой фазы сгорает около 2—3 % топлива, поданного в цилиндр. Продолжительность первой фазы 0,5—1 мс, что соответствует 10—30° поворота коленчатого вала.

Развернутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Рис. Развернутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Вторая фаза сгорания (02) — основная, во время этой фазы происходит распространение пламени по объему камеры сгорания. Начинается данная фаза с окончанием первой фазы и заканчивается в момент достижения максимального давления в цикле. Продолжительность второй фазы 1 — 1,2 мс, т. е. 25-30° поворота коленчатого вала. За это время выделяется примерно 75-85 % теплоты. Температура рабочего тела в конце этой фазы повышается до 2300 К, а давление достигает 3,5—5 МПа. К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья фаза сгорания (03) — догорание смеси, начинается в момент достижения максимального давления никла. Эта фаза характеризуется замедлением горения, так как у стенок камеры сгорания усиливается теплоотвод, ослабляется турбулентность и догорание обычно происходит в условиях недостатка кислорода. Вследствие замедления конечных процессов горения третья фаза не имеет четко выраженного окончания. Ориентировочно можно считать, что ее продолжительность составляет 1 — 1,5 мс, т. е. 20—35° угла поворота коленчатого вала.

В третьей фазе выделяется еще 10—15 % теплоты. В итоге общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80—91 %. Остальные 9—20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания.

Максимальная температура в третьей фазе сгорания 2300-2600 К.

Факторы, влияющие на процесс сгорания в карбюраторном двигателе

Основными показателями, определяющими протекание процесса сгорания в карбюраторном двигателе являются:

  • температура и давление рабочей смеси в начале воспламенения;
  • концентрация топлива, воздуха и остаточных газов;
  • интенсивность тепловыделения.

Эти показатели зависят от различных конструктивных и эксплуатационных факторов.

Эксплуатационные факторы, влияющие на процесс сгорания:

  1. Состав смеси. Наименьшие значения первой фазы сгорания соответствуют составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшие значения (а от 0,8 до 0,9). При сильном обеднении смеси не только увеличивается первая фаза сгорания, но и резко ухудшается стабильность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.
  2. Вихревое движение заряда обеспечивается конструкцией: типом и формой камеры сгорания, профилем впускных клапанов и позволяет в результате улучшения однородности рабочей смеси сократить продолжительность 01.
  3. Степень сжатия. С ростом степени сжатия увеличиваются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и соответствующему сокращению продолжительности 01.
  4. Угол опережения зажигания. Каждому режиму работы двигателя соответствует свой наивыгоднейший (оптимальный) угол опережения зажигания, при котором основная фаза сгорания 02 располагается максимально близко к ВМТ, и двигатель работает с наилучшей эффективностью: развивает максимальную мощность и имеет минимальный расход топлива. Оптимальный угол опережения зажигания зависит от продолжительности фаз сгорания (в первую очередь от 01), поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала и уменьшении нагрузки угол опережения зажигания необходимо увеличить. Отклонение угла опережения зажигания от оптимального значения ведет к изменению положения кривой Т относительно ВМТ, что влечет за собой потери, связанные с динамикой сгорания. Это происходит потому, что при позднем зажигании значительная часть тепловыделения происходит уже на такте расширения, когда объем увеличивается, в результате чего максимально возможное давление не достигается. При отклонении значения угла опережения зажигания от оптимального в сторону увеличения поршню приходится в конце процесса сжатия преодолевать резко увеличивающееся от сгорания давление газов. А при чрезмерно большом значении угла опережения зажигания значительное возрастание давления и температуры в цилиндре приводит к возникновению детонационного сгорания, сущность которого рассматривается ниже.
  5. Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала возрастает скорость прохождения смеси через клапанную щель, поэтому усиливается турбулизация заряда. При этом продолжительность 01 и 03 относительно второй фазы сгорания затягивается, поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала необходимо увеличить угол опережения зажигания. В целом с увеличением частоты вращения коленчатого вала эффективность сгорания увеличивается.
  6. Нагрузка. Уменьшение нагрузки осуществляется поворотом (закрытием) дроссельной заслонки, которое приводит к уменьшению коэффициента наполнения и росту коэффициента остаточных газов. Кроме этого уменьшаются давление и температура в конце сжатия. Все это уменьшает скорость развития пламени в первой фазе сгорания и снижает скорость распространения фронта пламени во второй и третьей фазах сгорания. Их протекание замедляется, особенно при малых нагрузках и низких частотах вращения коленчатого вала. Для того чтобы в какой-то мере компенсировать ухудшение динамики сгорания на малых нагрузках прибегают к обогащению горючей смеси и увеличению угла опережения зажигания. Ухудшение сгорания на малых нагрузках является большим недостатком карбюраторного двигателя, так как оно влечет за собой перерасход топлива и увеличение окиси углерода и углеводородов в отработавших газах.

Конструктивные факторы, влияющие на процесс сгорания:

  1. Форма камеры сгорания. Турбулизация, которая возникает в процессе впуска, может быть не только сохранена, но и усилена на такте сжатия при перетекании заряда из цилиндра в камеру сгорания. Для этого камера сгорания имеет специальную форму. Завихрение улучшает однородность рабочей смеси, что особенно положительно влияет на сгорание во второй и третьей фазах. Для улучшения турбулизации применяют тангенциальное расположение впускных каналов перед клапанами и так называемые вытеснители, которые представляют собой зазоры между поверхностью головки цилиндров и днищем поршня. Различные конструкции камер сгорания представлены на рисунке.
    Различные конструкции камер сгорания двигателей с искровым зажиганием

    Рис. Различные конструкции камер сгорания двигателей с исковым зажиганием: а — полусферическая; б — плоскоовальная; в — клиновая; г — полуклиновая: д — шатровая; 1 — вытеснитель

    При выборе места расположения свечи зажигания стремятся к тому, чтобы обеспечить хорошую очистку зоны свечи от продуктов сгорания. Ее размещают ближе к центру камеры сгорания с тем, чтобы сократить путь пламени до наиболее удаленных точек.

  2. Степень сжатия. Чем больше степень сжатия, тем больше давление и температура рабочей смеси в момент искрового разряда, что улучшает воспламенение и протекание первой фазы сгорания, но продолжительность третьей фазы затягивается, так как количество смеси в пристеночных слоях увеличивается. Поэтому рост степени сжатия увеличивает только КПД цикла. Основным препятствием к увеличению степени сжатия является возникновение детонации.
  3. Параметры искрового разряда. Количество теплоты, выделяемой при искровом разряде, определяет надежность зажигания и продолжительность первой фазы сгорания. Чем больше тепловая энергия разряда, тем больше объем смеси прогревается этим разрядом до температуры воспламенения, тем меньше время формирования фронта пламени, способного к быстрому распространению. Однако положительный эффект повышения энергии разряда наблюдается только до определенною момента. Дальнейшее повышение энергии влияет значительно меньше и не вызывает существенного улучшения протекания первой фазы. При повышенной энергии искровою разряда увеличивается нижний предел воспламенения, и можно использовать бедные составы горючей смеси. Значительная часть энергии системы зажигания затрачивается на ионизацию газового промежутка между электродами свечи, а также рассеивается в камере сгорания. На нагрев смеси в зоне искры расходуется только 10-20% энергии, и, чтобы обеспечить надежное воспламенение, система зажигания должна выделять количество теплоты значительно больше, чем для этого требуется. Поэтому искровой разряд должен обладать не только достаточной энергией, но и достаточной продолжительностью выделения этой энергии.
  4. Расслоение смеси. Считается, что для улучшения сгорания в зоне свечи зажигания должна находиться обогащенная рабочая смесь, а по мере удаления от нее смесь обедняется. В обычных камерах сгорания это обеспечить очень сложно, поэтому применяют разделенные камеры сгорания с форкамерно-факельным зажиганием.
    Устройство карбюраторного двигателя с форкамерно-факельным зажиганием

    Рис. Устройство карбюраторного двигателя с форкамерно-факельным зажиганием

    В форкамере (предкамере) небольшого объема (3—20 % объема основной камеры сгорания) устанавливается свеча зажигания и небольшой впускной клапан, через который подается сильно обогащенная смесь (а2). В основную же камеру подается обедненная смесь (а, > 1,5). Смесь такого состава не загорается от искры, но хорошо воспламеняется от факелов пламени, выбрасываемых из сопловых отверстий форкамеры. В результате экономичность и мощность двигателя увеличиваются. Недостатками являются сложность газораспределительного механизма, плохие условия работы свечи зажигания, неравномерное распределение по цилиндрам форкамерной смеси.

Процесс сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях

4

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, α – 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 α = 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 α = 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 топлива в карбюраторных двигателях — Мегаобучалка

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе начинается с момента проскакивания искры между электродами свечи зажигания и включает в себя три фазы: индукционная, видимого горения и догорания.

На рисунках 1.5 а и 1.6изображена часть индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя, построенная по углу поворота коленчатого вала. Точка m на диаграмме расположена за угол φз° до ВМТ и соответствует моменту зажигания. Угол φз° называют углом опережения зажигания. Однако, несмотря на то, что искра между электродами свечи зажигания проскакивает в точке m, видимое повышение давления в цилиндре начинается лишь в точке n.

Период от момента зажигания (точка m) до момента видимого повышения давления (точка n) называют индукционной фазой процесса горения (или фазой задержки воспламенения). В течение этого периода происходит предпламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и без повышения давления. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется свойствами топлива и составом смеси.

На продолжительность этой фазы оказывают влияние:

коэффициент избытка воздуха;

коэффициент остаточных газов;

структура молекул топлива;

энергия источника зажигания;

степень сжатия;

нагрузка на двигатель;

частота вращения коленчатого вала.

В период протекания первой фазы сгорают около 6…8 % заряда смеси. Продолжительность этой фазы соответствует 4…6° угла поворота коленчатого вала двигателя.

Начиная от точки n, давление в цилиндре резко повышается, вплоть до точки О. Этот период называют фазой видимого горения. В течение этого периода сгорает около 90 % смеси с наибольшей скоростью. Продолжительность этой фазы зависит от состава смеси, степени сжатия, момента зажигания, формы камеры сгорания, степени завихрения смеси, нагрузки на двигатель. Фаза видимого горения протекает за 20…30° угла поворота коленчатого вала и характеризуется скоростью нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины называется жесткостью процесса сгорания и находится в пределах 0,12…0,26 МПа на градус поворота коленчатого вала.



Фаза догорания начинается в момент достижения максимального давления цикла (точка О). В этой фазе несгоревшие остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельные объемы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. На диаграмме эта фаза протекает по линии расширения. Момент окончания этой фазы определяется концом тепловыделения и на диаграмме не виден.

Скорость распространения пламени при нормальном протекании процесса сгорания составляет 20…40 м/с. Давление и температура конца сгорания смеси имеют следующие значения: po=2,5…4,5 МПа и То=2300…2700 К.

Оптимальное сгорание топлива в цилиндрах обеспечивает максимальную мощность и экономичность двигателя. Качественное и своевременное протекание процесса сгорания зависит от ряда факторов:

угла опережения зажигания;

состава рабочей смеси;

вихревого движения заряда;

частоты вращения коленчатого вала;

нагрузки на двигатель;

степени сжатия;

формы камеры сгорания;

места установки свечи зажигания и др.

Двигатель развивает наибольшую мощность, если рабочая смесь сгорает в минимальном объеме. Поэтому опережение зажигания должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы к приходу поршня в ВМТ основная часть смеси уже воспламенилась. Величина оптимального угла опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала, качества смеси, степени сжатия и определяется для каждого отдельного случая опытным путем. Опережение зажигания должно увеличиваться с уменьшением скорости сгорания горючей смеси и увеличением частоты вращения коленчатого вала. Повышение степени сжатия вызывает уменьшение оптимального угла опережения зажигания, что объясняется возрастанием при этом скорости сгорания смеси. При слишком раннем зажигании возможно значительное повышение давления в камере сгорания до прихода поршня в ВМТ (сопровождающееся большим противодавлением на поршень) и падение мощности. При слишком позднем зажигании происходит понижение температуры (вследствие значительных тепловых потерь) и давления (из-за значительно увеличивающегося объема камеры сгорания во время сгорания смеси).

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается действию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание в двигателе в некоторых случаях переходит во взрывную форму, называемую детонацией (или детонационным сгоранием). При детонации возникают стуки, двигатель перегревается и работает неустойчиво, из глушителя выходит черный дым. Стуки при детонации объясняются ударами волн о стенки камеры сгорания и о днище поршня, а также вибрацией деталей. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение деталей кривошипно-шатунного механизма.

Причиной возникновения детонации в двигателе является наличие в рабочей смеси активных перекисей, которые представляют собой промежуточные продукты окисления углеводородных молекул и образуются в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость распространения пламени при детонации достигает 1500…2000 м/с.

Повышение степени сжатия сопровождается увеличением давления и температуры в процессах сжатия и сгорания, что создает благоприятные условия для возникновения детонации. Выбор степени сжатия для двигателей производят с учетом предназначенного для него топлива, формы камеры сгорания. Размеров цилиндра, материала поршня и головки цилиндра.

Форма камеры сгорания в значительной степени определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допустимую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации.

Большое влияние на склонность двигателя к детонации оказывает также материал поршней и головки цилиндров. Поэтому для получения бездетонационного сгорания указанные детали изготовляют из материалов, обладающих большой теплопроводностью. Появление слоя нагара или накипи ухудшает теплопроводность деталей и увеличивает степень сжатия. Чтобы избежать детонации вследствие нагарообразования, уменьшают угол опережения зажигания.

Раннее зажигание может привести к появлению детонации за счет повышения давления и температуры сгорания. Повышение температуры охлаждающей жидкости увеличивает вероятность детонации. Детонация появляется также при обогащении горючей смеси, снижении частоты вращения коленчатого вала и увеличении нагрузки на двигатель.

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе.

 

Эффективность процесса сгорания зависит от многих факторов и прежде всего от способов смесеобразования и воспламенения топлива.

 

В отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания следует рассматривать раздельно для карбюраторных двигателей и дизелей.

Процесс сгорания топлива включает ряд сложных последовательных реакций, скорость протекания которых зависит от температуры рабочей смеси, её состава, т.е. от коэффициента избытка воздуха и т.п. Воспламенение однородной горючей смеси возможно только в определённых пределах изменения коэффициента избытка воздуха (от до ).

При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. По этой причине при изменении нагрузочного режима для карбюраторного двигателя необходимо такое одновременное изменение количества поступающего в цилиндр топлива и воздуха, при котором горючая смесь находилась бы в пределах воспламеняемости. Количество смеси в карбюраторном двигателе изменяется с помощью дроссельной заслонки при одновременном изменении состава смеси (α=0,8-1,15) в зависимости от нагрузки.

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.

 


Читайте также:


Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

Категория:

   Автомобили и трактора

Публикация:

   Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

Читать далее:



Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

Часть индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя, построенная по углу поворота коленчатого вала, показана на рис. 265, а. Процесс сгорания смеси в двигателе начинается с момента проскакивания искры между электродами свечи зажигания в точке m с опережением ер”. Однако видимое повышение давления начинается лишь в точке п.

Период от момента зажигания (точка т) до момента .видимого повышения давления (точка п) называют индукционным периодом процесса горения, или периодом задержки воспламенения. В течение этого периода происходит пред-пламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и без повышения давления. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется свойствами топлива и составом смеси. На продолжительность этой фазы оказывают влияние: коэффициенты избытка воздуха и остаточных газов, структура молекул топлива, энергия источника зажигания, степень сжатия, нагрузка и частота вращения коленчатого вала двигателя. В период протекания первой фазы сгорают около 6—8 % смеси от общего объема камеры сгорания. Продолжительность этой фазы соответствует 4—6° угла поворота коленчатого вала.

Начиная от точки п, давление резко повышается вплоть до точки О. Этот период II называют видимым периодом процесса горения. В течение его сгорает около 90% смеси с наибольшей скоростью. Продолжительность этой фазы соответствует 20—30° угла поворота коленчатого вала и зависит от состава смеси, степени сжатия, момента зажигания, формы камеры сгорания, степени завихрения смеси и нагрузки двигателя.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 265. Индикаторная диаграмма, развернутая по углу поворота коленчатого вала: а — карбюраторного двигателя; б — дизельного двигателя

Период II характеризуется скоростью нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины называется жесткостью процесса сгорания и находится в пределах 0,12—0,26 МПа на градус поворота коленчатого вала.

Опытами установлено, что максимум мощности двигателя получается при наибольшем давлении цикла (при 10—15° поворота коленчатого вала после ВМТ).

Период III называется периодом догорания смеси. Он протекает по линии расширения. Продолжительность этого периода невелика и зафиксировать ее окончание на индикаторной диаграмме трудно, так как для этого необходимо знать момент полного сгорания смеси. Скорость распространения пламени при нормальном протекании процесса сгорания составляет 20—40 м/с.

Качественное и своевременное протекание процесса сгорания зависит от ряда факторов: угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, вихревого движения заряда, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания и места установки свечи зажигания.

Двигатель развивает наибольшую мощность, если рабочая смесь сгорает в минимальном объеме. Поэтому опережение зажигания должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы к приходу поршня в ВМТ большая часть смеси уже воспламенилась. Величина наивыгоднейшего угла опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала, качества смеси, степени сжатия и устанав- . ливается для каждого отдельного случая опытным путем. Опережение зажигания должно увеличиваться с уменьшением скорости сгорания горючей смеси и увеличением частоты вращения коленчатого вала. Повышение степени сжатия вызывает уменьшение наивыгоднейшего утла опережения зажигания, что объясняется возрастанием при этом скорости сгорания.

Диаграммы, демонстрирующие полез- . ную площадь индикаторной диаграммы в случаях слишком раннего и слишком позднего, а также наивыгоднейшего момента зажигания, приведены на рис. 266. При слишком раннем зажигании (рис. 266, а) возможно значительное повышение давления в камере сгорания до прихода поршня в ВМТ, сопровождающееся большим противодавлением на поршень, и падение мощности. При слишком позднем зажигании (рис. 266, б) происходит понижение температуры вследствие значительных тепловых потерь.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается действию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание в двигателе в некоторых случаях переходит во взрывную форму, называемую детонацией, или детонационным сгоранием.

При детонации возникают стуки, двигатель перегревается и работает неустойчиво, из глушителя выходит черный дым. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение деталей кривошипно-шатунного механизма. Стуки объясняются ударами волн о стенки камеры и о днище поршня, а также вибрацией деталей.

Причиной возникновения детонации в двигателе являются активные перекиси, которые представляют собой промежуточные продукты окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость распространения пламени при детонации в двигателе достигает 1500—2000 м/с.

Повышение степени сжатия сопровождается увеличением температуры и давления в процессах сжатия и сгорания, что создает благоприятные условия для возникновения детонации. Выбор степени сжатия -для двигателей производят с учетом предназначенного для него топлива, формы камеры сгорания, размеров цилиндра, материала головки цилиндра и поршня.

Форма камеры сгорания в известной степени определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допустимую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации.

Рис. 266. Влияние угла опережения зажигания на величину полезной площади индикаторной диаграммы двигателя: а — слишком раннее зажигание; б слишком позднее зажигание; в – наивыгоднейшее опережение за-

Большое влияние на склонность двигателя к детонации оказывает также материал головки цилиндров и поршней. Поэтому для получения бездетонационного сгорания указанные детали изготовляют из материалов, обладающих большой теплопроводностью.

Появление слоя нагара вызывает ухудшение теплопроводности деталей и увеличивает степень сжатия двигателя. Чтобы избежать детонации вследствие нага-рообразования, уменьшают опережение зажигания.

Раннее зажигание может привести к появлению детонации за счет повышения давления и температуры сгорания. Повышение температуры охлаждающей жидкости увеличивает возможность детонации.

Детонация появляется также при обогащении горючей смеси, снижении частоты вращения коленчатого вала и увеличении нагрузки двигателя.

Рекламные предложения:


Читать далее: Процесс сгорания в дизельных двигателях

Категория: — Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум


Рабочие процессы четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочий процесс двигателя принято анализировать по индикаторной диаграмме, представляющей собой зависимость давления в цилиндре двигателя р от переменного объема надпоршневого пространства V.

Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя приведена на рисунке.

Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя

Рис. Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: 1 — поплавковая камера; 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка; 4 — свеча зажигания

I такт (впуск) реализуется при повороте кривошипа от 0 до 180°, чему соответствует изменение объема надпоршневого пространства от Vc (объем камеры сгорания) при ф = 0° (ВМТ) до Vа = Vc+ Vh (полный объем цилиндра) при ф = 180° (НМТ). Объем Vh называют рабочим объемом цилиндра.

В действительном цикле понятия «такт» и «процесс» не совпадают. Для лучшей организации процессов газообмена клапаны открываются до начала соответствующего такта и закрываются по его окончании.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом (линия ra на диаграмме) происходит из-за разрежения в нем, создаваемого движущимся в сторону НМТ поршнем.

Давление ра в конце тахта впуска (точка а) определяется гидравлическими потерями во впускном тракте, величина которых зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя (от скорости перемещения ТВС по впускному тракту и от степени открытия дроссельной заслонки). На режиме номинальной мощности (дроссель открыт полностью, и частота вращения коленчатого вала равна номинальной) pa = (0,8…0,9)ро.

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение за счет затрат теплоты на испарение топлива, для компенсации которых в карбюраторном двигателе осуществляется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе, ОГ или горячей жидкостью из системы охлаждения. Кроме того, температура свежего заряда увеличивается вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами.

На номинальном режиме в карбюраторном двигателе превалирует подогрев свежего заряда и Та = 320…350 К.

II такт работы двигателя (сжатие) осуществляется при повороте кривошипа на угол a = 180…360° (линия ас на диаграмме). На расчетные значения параметров рабочего тела в конце сжатия (точка с) в основном влияют их начальные значения (ра, Та) и степень сжатия E, которая равна отношению объемов Va и Vc, т. е, У = Va/Vc. При значениях E, характерных для современных карбюраторных двигателей (E = 6,5…Ю), рс = 0,9…1,5 МПа и Тс = 550…750 К.

При реализации действительного цикла давление в конце такта сжатия, т. е. при положении поршня в ВМТ, р’с > рс; р’с = (1,15…1,25)рс, что является следствием повышения давления в результате начавшегося процесса сгорания (точка f — момент искрового разряда в свече зажигания). Угловой интервал от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания.

III такт (ф = 360…540°) — такт расширения. Во время этого такта работы двигателя происходят сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и осуществляется полезная работа.

Вблизи ВМТ при повороте кривошипа на угол фz = 10…15°. давление в цилиндре достигает максимума рz = 3,5…6,5 МПа и соответственно возрастает температура рабочего тела до Тz = 2400…2800 К. Отношение A = pz/pc называют степенью повышения давления. Для современных карбюраторных двигателей A = 3,6…4,2.

По завершении такта расширения РТ имеет расчетные значения давления и температуры, соответственно рв = 0,35…0,5 МПа, Тв = 1400,.. 1700 К.

Следует заметить, что в действительном цикле процесс расширения заканчивается раньше, чем поршень приходит в НМТ, из-за раннего начала открытия выпускного клапана.

IV такт (ф = 540…720°) — такт выпуска — осуществляется под некоторым избыточным давлением рс = (1,05…1,2)ро, величина которого зависит от гидравлических потерь в выпускной системе. Отработавшие газы покидают цилиндр с Тr = 900…1000 К.

При термодинамическом расчете действительного цикла карбюраторного двигателя принимается допущение, что основная доля теплоты при сгорании топлива выделяется вблизи ВМТ, т. е. при условиях, близких к условиям подвода теплоты при постоянном объеме (V = const).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *