Процесс сгорания

Развитие реакций окисления в цилиндре двигателя с требуемой скоростью обеспечивается гомогенной (равномерной) смесью топлива с воздухом. Ввиду различий свойств топлива, способов смесеобразования и воспламенения рабочей смеси, рассмотрим отдельно процессы сгорания топлива в цилиндрах карбюраторных и дизельных двигателей. Процесс сгорания топлива удобнее анализировать по индикаторной диаграмме в координатах р - α °, на которой изображается зависимость давления газа внутри цилиндра от угла поворота коленчатого вала. Такая диаграмма называется развернутой.

Процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе.

На рис. 2.5 представлена часть развернутой индикаторной диаграммы, где показаны фаза процесса сгорания в карбюраторных двигателях.

Рис. 2.5. Процесс сгорания карбюраторного ДВС

Зажигание производится в конце такта сжатия с опережением, равным углу φ. Моменту зажигания соответствует точка а. Видимое повышение давления начинается в точке б. Точкой в отмечено максимальное давление.

Период от точки а до точки б называется первым периодом сгорания, периодом образования очага горения, или периодом задержки воспламенения. Продолжительность его изменяется в зависимости от свойств топлива, состава смеси, степени сжатия, числа оборотов, вихревого состояния смеси и интенсивности искрового разряда, а также ряда других факторов. Чем меньше первый период сгорания, тем медленнее нарастает давление во второй период, тем “мягче” и с меньшим износом работает двигатель.

Период от точки б до точки в называется вторым периодом сгорания, периодом распространения пламени, или периодом видимого сгорания. Этот период характеризуется значительным повышением давления и обычно заканчивается на 12–18° после ВМТ. После прохождения поршнем точки в, соответствующей максимальному давлению сгорания, начинается процесс расширения. При этом давление падает, а газы расширяются. Часть смеси, не успевшая сгореть своевременно, догорает в процессе расширения.

Продолжительность сгорания характеризуется скоростью сгорания и скоростью распространения пламени.

Скорость сгорания характеризует интенсивность протекания реакций сгорания и оценивается количеством тепла, выделяющимся в единицу времени. Скорость сгорания может быть определена по индикаторной диаграмме как продолжительность всего процесса сгорания от момента зажигания до момента образования конечных продуктов, т. е. практически до момента, соответствующего максимальному давлению сгорания.

Скорость распространения пламени характеризует быстроту перемещения по камере сгорания фронта пламени от места его возникновения (фронтом пламени называется зона реакции сгорания, отделяющая свежую смесь от продуктов сгорания).

Скорость сгорания пропорциональна скорости распространения пламени. Последняя изменяется в значительных пределах (от 25 до 40 м/сек) и зависит от конструкции двигателя (формы камеры сгорания, степени сжатия, расположения свечи) и его эксплуатационных особенностей (свойств топлива, состава смеси, числа оборотов, нагрузки).

Скорость нарастания давления зависит от интенсивности сгорания, т. е. от количества тепла, выделяющегося в единицу времени. В первый период сгорания количество теплоты, выделяющееся в единицу времени, незначительно. Поэтому линия, характеризующая первый период сгорания на индикаторной диаграмме, не отличается от линии сжатия при выключенном зажигании. Второй период сгорания характерен значительным повышением давления. Скорость нарастания давления в этот период характеризуется отношением dP/dα, оценивающим приращение давления в период сгорания на 1° угла поворота коленчатого вала. Это отношение называется также показателем жесткости работы двигателя.

Установлено, что скорость нарастания давления у карбюраторных двигателей не должна превышать 0.25 МПа на 1° поворота вала. С увеличением скорости нарастания давления динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм значительно возрастают и возникают явления вибрации двигателя. При этом увеличивается износ сопряженных узлов, и долговечность двигателя резко сокращается.

Время, отводимое для сгорания в цилиндрах двигателя, определяется всего несколькими тысячными долями секунды. При этом максимальная мощность двигателя достигается только в том случае, если воспламенение смеси происходит в конце такта сжатия, несколько раньше того момента, когда поршень придет в ВМТ.

Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала от момента зажигания до ВМТ, измеряемый в градусах.

Если угол опережения зажигания выбран правильно, к моменту, когда поршень придет в ВМТ, процесс сгорания смеси будет развиваться благоприятно. При этом сгорание смеси заканчивается на 12–18° после ВМТ, а мощность, развиваемая двигателем, достигает максимального значения. Наивыгоднейший момент зажигания должен соответствовать максимальной мощности для каждого режима работы двигателя. Подбор наивыгоднейшего момента зажигания производится опытным путем.

При определенных условиях нормальный процесс сгорания в карбюраторных двигателях может быть нарушен явлениями детонации. Детонационное сгорание возникает после зажигания смеси и характерно высокими скоростями распространения пламени и значительным повышением температуры и давления газов. Если при нормальном сгорании скорость распространения пламени составляет 25–40 м/сек, то при детонации она достигает 2000 м/сек. Давление газов при детонационном сгорании повышается до 15–20 МПа, что значительно превышает давление, соответствующее нормальному сгоранию (2.5–5.0 МПа). Индикаторная диаграмма, снятая при работе двигателя с детонацией, показана на рис. 2.6

Рис. 2.6. Процесс сгорания с детонацией

Детонационное сгорание сопровождается падением мощности и ухудшением экономичности двигателя. При таком сгорании нарушается жидкостное трение в подшипниках и деформируется антифрикционный материал. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как детонация вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение узлов кривошипно-шатунного механизма. Основными признаками детонации являются: неустойчивая работа и перегрев двигателя, возникновение в цилиндрах резких металлических стуков, появление черного дыма в отработавших газах.

Детонационное сгорание возникает при несоответствии между степенью сжатия двигателя и детонационной стойкостью применяемого топлива. Кроме свойств топлива, на возникновение детонации оказывают влияние конструктивные особенности двигателя – размер цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечи и др., а также ряд эксплуатационных факторов – состав смеси, число оборотов, положение дросселя, угол опережения зажигания и др.

Появление детонации зависит от состава смеси. Опытные данные показывают, что наибольшая склонность к детонации наблюдается при коэффициенте избытка воздуха равном 0.8–0.9, когда скорость распространения пламени наибольшая.

С увеличением числа оборотов и по мере прикрытия дросселя (уменьшения нагрузки) склонность к детонации понижается, так как при этом увеличивается количество остаточных газов. Наибольшая склонность к детонации наблюдается при полной нагрузке.

Переход к более раннему (по сравнению с наивыгоднейшим) моменту зажигания вызывает повышение температуры и давления в цилиндре и способствует возникновению детонации.

Значительно ускоряет возникновение детонации отложение нагара на стенках камеры сгорания, клапанах и поршне, так как температурный режим двигателя при этом возрастает.

Детонация во время эксплуатации двигателей может быть устранена прикрытием дросселя, изменением состава смеси, уменьшением угла опережения зажигания или переходом на более высокие обороты.

Кроме явления детонационного горения в процессе работы двигателя могут возникнуть преждевременные вспышки, которые возникают вследствие самовоспламенения смеси в процессе сжатия, происходящего до момента зажигания. Преждевременные вспышки возникают в тех случаях, когда температура сжатой смеси достигает температуры самовоспламенения топлива. Появлению преждевременных вспышек способствует перегрев двигателя, нагарообразование, а также детонационное сгорание. Работа двигателя с преждевременными вспышками сопровождается падением мощности, перегревом и характерна значительной неравномерностью.

Для определения температуры газов в карбюраторном двигателе составим уравнение теплового баланса

,

где Q_C - теплота газов в конце процесса сжатия;

Q_hu - теплота, выделившаяся из топлива в процессе сгорания;

Q_Z - теплота газов в конце процесса сгорания.

Выразим составляющие уравнения:

и подставив их в уравнение теплового баланса, получим:

.

Разделив полученное уравнение на M_a,имеем следующий вид уравнения:

.

После преобразований получаем уравнение сгорания для карбюраторных двигателей:

при полном сгорании a ³ 1

;

при неполном сгорании a < 1

,

где Δ h_u – потери теплоты из-за неполного сгорания топлива.

.

Решая уравнение сгорания, определяем T_Z.

Для определения давления в конце процесса сгорания карбюраторного двигателя выразим количество газов в цилиндре двигателя до и после сгорания:

Определим коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

,

и из полученного выражения выразим степень повышения давления:

.

Тогда давление в конце процесса сгорания для карбюраторного ДВС можно определить по формуле:

.

Процесс сгорания топлива в дизельном двигателе.

Развернутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Процесс сгорания в дизельном ДВС

Впрыск топлива производится с опережением, равным углу φ, который составляет 10–20° до прихода поршня в ВМТ. Моменту начала впрыска соответствует точка а. Резкое повышение давления начинается в точке б, соответствующей началу самовоспламенения топлива. В точке в характер нарастания давления изменяется. Точкой г отмечен момент конца впрыска. Следовательно, впрыск топлива производится в период, соответствующий повороту вала от точки а до точки г. Максимальному давлению сгорания соответствует точка д. Весь период сгорания принято разделять на три фазы. Первая фаза – период сгорания от точки а до точки б – называется периодом образования зон сгорания, или периодом задержки воспламенения. В этот период температура топлива, впрыскиваемого под давлением в среду сжатого (3.5–4.5 Мпа) и нагретого воздуха (600–700 °С), повышается и достигает температуры самовоспламенения (200–300 °С).

Продолжительность первой фазы сгорания составляет от 0.002 до 0.006 с или от 10 до 30° поворота коленчатого вала и зависит главным образом от физико-химических свойств топлива (и в значительной мере от его цетанового числа), степени сжатия двигателя, интенсивности распыливания топлива и вихревого движения в камере сгорания.

Вторая фаза – период сгорания от точки б до точки в – называется периодом распространения пламени по объему сгорания, или периодом быстрого сгорания. В этот период давление стремительно возрастает. Скорость нарастания давления в этот период оценивается показателем жесткости dP/dα. Продолжительность второй фазы сгорания зависит главным образом от продолжительности первой фазы, скорости подачи топлива, однородности и вихревого движения смеси.

Третья фаза – период сгорания от точки в до точки д – называется третьим периодом сгорания, или периодом медленного сгорания. Этот период характерен незначительным повышением давления. Продолжительность третьей фазы сгорания зависит главным образом от скорости движения частиц топлива и воздуха. Увеличение скорости достигается высокими давлениями и рациональным направлением струи впрыскиваемого топлива.

Период сгорания от точки б до точки д называют периодом видимого сгорания. После точки д начинается процесс расширения, при котором давление падает. Часть топлива догорает в процессе расширения.

У дизельных двигателей скорость нарастания давления должна быть не более 0.4–0.6 МПа на 1 градус поворота коленчатого вала. Работа при большей скорости нарастания давления сопровождается стуками. Испытаниями дизельных двигателей установлено, что стуки возникают вследствие повышенной скорости нарастания давления в начале второй фазы. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива поступает в цилиндр, тем выше скорость нарастания давления и выше максимальное давление цикла. Плавная работа двигателя и понижение максимального давления цикла достигаются сокращением периода задержки воспламенения. На сокращение периода задержки воспламенения в значительной мере оказывают влияние следующие причины:

• температура воспламенения топлива и его цетановое число, так как с понижением температуры самовоспламенения и повышением цетанового числа период задержки воспламенения сокращается;
• степень сжатия двигателя, так как с повышением степени сжатия увеличиваются температура и давление воздуха к моменту впрыска, понижается температура самовоспламенения топлива и увеличивается разность между температурой сжатого воздуха и температурой самовоспламенения топлива.

На индикаторной диаграмме (рис. 2.7) нанесены кривые, характеризующие подачу топлива х = f(a) и сгорание топлива у = f(a). Как видно из диаграммы и кривых, для данного двигателя угол опережения впрыска составляет ~ 10°, продолжительность впрыска равна 17°, т. е. впрыск заканчивается позже ВМТ. Около 50% топлива впрыскивается до ВМТ; период задержки воспламенения равен ~ 7°. До ВМТ сгорает сравнительно небольшая часть топлива – около 7%, к моменту, соответствующему концу впрыска, сгорает около 40% топлива; догорание топлива происходит в процессе расширения.

Сгорание в дизельном двигателе происходит при переменном давлении и изменяющемся объеме газов. Для облегчения расчетов обычно предполагается, что процесс сгорания протекает при V = const и P = const. При этом для определения температуры в конце процесса сгорания уравнение сгорания может быть выведено из баланса внесенной и использованной теплоты:

,

где Q_c – теплота, содержащаяся в газах до сгорания;

Q_hu – теплота, сообщаемая газам при сгорании топлива;

Q_z' – теплота, содержащаяся в газах после сгорания;

Q_р – теплота, эквивалентная работе расширения газов, совершаемой за период сгорания при р = const.

Выразим составляющие уравнения

и, подставив в уравнение теплового баланса, получим

Разделив полученное уравнение на M_a,имеем следующий вид уравнения:

.

После преобразований получаем уравнение сгорания для дизельных двигателей:

.

Для решения этого уравнения и определения T_Z необходимо задаться степенью повышения давления λ,зависящей от количества топлива, сгорающего при изохорическом и изобарическом процессах. Выличина степени повышения давления составляет у двигателей с раздельными камерами сгорания 1.1–1.4, у двигателей с нераздельными камерами 1.4–2.2.

Давления в конце процесса сгорания дизельного двигателя можно определить по формуле:

.

Для определения степени предварительного расширения продуктов сгорания дизельного двигателя выразим количество газов в цилиндре двигателя до и после сгорания:

Определим коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

и из полученного выражения выразим степень предварительного расширения продуктов сгорания:

На основании опытных данных установлено, что температура в конце процесса сгорания изменяется в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – от 2400 до 2800 К, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания – от 1800 до 2200 К, для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания – от 1700 до 2100 К; давление газов для карбюраторных двигателей от 4.0 до 6.0 МПа, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания от 6.5 до 12 МПа, для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания от 5.5 до 7.5 МПа.