Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Сгорание в двигателях с искровым зажиганием

При нормальном рабочем процессе в двигателях с искровым зажиганием в достаточной мере однородная смесь испарившегося топлива, воздуха и остаточных газов воспламеняется электрической искрой и сгорает в процессе распространения по всему заряду фронта турбулентного пламени. В этом процессе могут быть выделены три фазы: I начальная, в течение которой небольшой очаг горения, возникающий в зоне высоких температур между электродами свечи (в искровом канале температура превышает 10 ООО °С), постепенно превращается в развитый фронт турбулентного пламени; II основная фаза быстрого распространения турбулентного пламени по основной части камеры сгорания при практически неизменном объеме последней, так как поршень находится вблизи в. м. т.; III фаза догорания смеси за фронтом пламени, в пристеночных слоях и в зазорах между головкой цилиндра и днищем поршня, охватывающая часть хода расширения.

Наглядное представление о характере распространения пламени дают кадры, снятые при высокоскоростной киносъемке через прозрачную (кварцевую) крышку головки цилиндра (рис. 53).

На рис. 54 приведены схемы распространения пламени в бензиновом двигателе при различном характере вихревого движения рабочей смеси в камере сгорания. Зная интервалы времени между последовательными положениями фронта пламени, можно определить скорости его распространения на любом участке. Вначале, пока очаг горения мал, скорость пламени невелика, так как на нее воздействуют только турбулентные пульсации мелких масштабов. В этот период скорость сгорания в значительной мере определяется физико-химическими свойствами горючей смеси.

По мере увеличения размеров начального очага пламени все в большей степени начинает сказываться положительное воздействие на скорость сгорания турбулентных пульсаций крупных масштабов. В основной фазе скорость распространения пламени примерно пропорциональна интенсивности турбулентности, которая, в свою очередь, возрастает пропорционально частоте вращения коленчатого вала. В результате этого длительность основной фазы сгорания, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, при прочих равных условиях почти не зависит от скоростного режима двигателя.

На рис. 54 указаны средние значения видимых скоростей распространения пламени щ на некоторых участках. При более высокой частоте вращения эти скорости существенно возрастают, и в современных быстроходных автомобильных бензиновых двигателях они в средней части камеры сгорания достигают 6080 м/с.

С приближением фронта пламени к стенкам скорость его распространения уменьшается, что объясняется меньшей интенсивностью турбулентности в пристеночных слоях. Когда пламя в большей части камеры достигает стенок, скорость сгорания падает также вследствие уменьшений поверхности фронта пламени, но горение при этом отнюдь не заканчивается. Еще в течение довольно длительного времени продолжаются процессы догорания в пристеночных слоях и за фронтом турбулентного пламени. Скорость процесса догорания, так же как и сгорания в начальной фазе, в большей мере зависит от физико-химических свойств рабочей смеси, чем скорость в основной фазе.

Провести четкие границы между отдельными фазами процесса сгорания в двигателях не представляется возможным, так как характер и скорости сгорания изменяются постепенно. За момент окончания первой фазы сгорания и начало основной фазы в двигателях с искровым зажиганием обычно принимают точку отрыва линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме, т. е. момент начала ощутимого повышения давления в результате сгорания (рис. 55). Соответственно длительность начальной фазы измеряется отрезком времени от момента проскакивания искры между электродами свечи до точки отрыва. По аналогии с дизелями иногда условно называют этот отрезок периодом задержки воспламенения, или периодом индукции, что в принципе неверно. При искровом зажигании задержка воспламенения практически отсутствует, около электродов

свечи сразу же возникает очаг горения, но есть период, в течение которого фронт пламени от этого очага распространяется относительно медленно и доля сгоревшей смеси еще настолько мала, что повышения давления на индикаторной диаграмме не удается обнаружить.

. Из сопоставления графиков (рис. 54, а п 55) видно, что к моменту начала основной фазы сгорания точке отрыва (8° до в. м. т.) средний радиус полусферы пламени составляет около 30% радиуса камеры сгорания. Такие размеры начального очага горения уже достаточны для возможности дальнейшего быстрого увеличения скорости распространения пламени под воздействием турбулентных пульсаций крупных масштабов.

За границу раздела между основной и завершающей фазами сгорания в двигателях, работающих на легком топливе, обычно условно принимают момент достижения максимума давления на индикаторной диаграмме (точка 1 на рис. 56). Сгорапие при этом еще не заканчивается и средняя температура газов в цилиндре продолжает некоторое время возрастать, достигая максимума в точке 2. Однако уменьшение скорости тепловыделения вследствие достижения фронтом пламени в большей части камеры сгорания стенок приводит к тому, что повышение давления в результате сгорания уже не может компенсировать его падения из-за расширения газов, вызываемого движением поршня и теплоотдачей в стенки.

Эффективность рабочего процесса в цилиндре двигателя определяется как общей полнотой Сгорания, так и его скоростью, т. е. зависит от своевременности тепловыделения, обеспечивающего степень расширения продуктов сгорания, близкую к геометрической степени сжатия. Максимальная работа цикла, а соответственно и максимальные мощность и экономичность двигателя, работающего на легком топливе, при прочих равных условиях достигаются при такой организации процесса сгорания, когда точки начала и конца основной фазы будут расположены примерно симметрично относительно в. м. т. Это возможно при соответствующей установке момента зажигания. Угол в градусах поворота коленчатого вала от момента проскакивания искры в свече до в. м. т. называется углом опережения зажигания ф3.

Угол опережения зажигания должен быть тем больше, чем больше длительность начальной фазы сгорания 6i (рис. 55), а также чем медленнее развивается сгорание в основной фазе.

скорость повышения давления достигает 0,150,25 МпаГ.

Связь между процессами сгорания и использованием выделяющейся теплоты в двигателях определяется характеристиками активного тепловыделения, представляющими собой изменение в функции угла ф доли теплоты, использованной на повышение температуры рабочего тела (его внутренней энергии) и на совершение внешней работы, по отношению к общей, введенной в цикле, теплоте:

На рис. 56 в качестве примера показаны часть индикаторной диаграммы от момента зажигания до начала открытия выпускного клапана, а также кривые средней температуры газов Т в цилиндре, внешней работы газов и их внутренней энергии A U и коэффициента активного тепловыделения % от угла ср для двигателя ГАЗ-21 при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой. В точке 1, соответствующей ртах, количество выделившейся активной теплоты составляет 73 %; в фазе догорания оно достигает 85 % располагаемой теплоты сгорания. Точка 2, соответствующая достижению Ттах, отстоит на 11° от точки 1. Остальные 15% составляют потери теплоты в стенки и от неполноты сгорания. При работе двигателей на средних нагрузочных режимах или на обедненных смесях значения % в точке ртах обычно не превышают 50 % и процесс догорания оказывается значительно более растянутым. Для увеличения полноты сгорания следует создавать дополнительную турбулизацию заряда в зонах догорания.

Реклама