Процеси згоряння в ДВЗ із примусовим запаленням

У двигунах із примусовим запаленням у результаті прикладення високої напруги між електродами свічі запалювання виникає іскровий розряд.

Іскра створює в робочій суміші невеликий об'єм з температурою 10000-30000ºС. Температура цього об'єму швидко зменшується внаслідок тепловіддачі у свіжу суміш і електроди. Навколишні шари суміші нагріваються, починається хімічна реакція й утвориться сферичний фронт полум'я. Якщо швидкість виділення теплоти за рахунок реакцій горіння достатня для компенсації тепловідвода, то виникле вогнище горіння стійко розвивається. У противному випадку полум'я гасне.

На малюнку 5.1 приведена індикаторна p-j діаграма карбюраторного двигуна. Процес згоряння починається з моменту проскакування іскри в точці 1. Після утворення каналу розряду з високою температурою в КЗ відразу ж протікають хімічні (а точніше термічні) реакції горіння. Тому в карбюраторному двигуні підготовча фаза (період затримки запалення) відсутня.

Весь період розглядають складається з трьох фаз.

Перша фаза q₁– період схованого згоряння (початкова фаза): від точки 1 до точки 2. За час q₁ згоряє 4-8% заряду від всього об'єму, що займає паливоповітряна суміш. Температура підвищується без помітного збільшення тиску. Тривалість q₁= 4-6° п.к.в.

Малюнок 5.1 – Процес згоряння в карбюраторному двигуні

Тривалість q₁ залежить від наступних факторів:

1. Енергія іскрового розряду.

Кількість тепла, переданого пальній суміші від іскри, залежить від коефіцієнта надлишку повітря a. Найкоротший період при a = 0,85-0,95.

2. Швидкості вихрового руху суміші в зоні свічі. При збільшенні швидкості і турбулентності потоку запалення суміші утрудняється внаслідок посиленого тепловідводу від виниклого невеликого вогнища горіння, при цьому q₁ подовжується.

3. Ступеня стиску ε. З підвищенням ε початковий період скорочується, тому що ростуть щільність і температура заряду, підвищується енергетичний рівень молекул.

4. Навантаження і частоти обертання колінчастого вала двигуна. Зі зменшенням N_e розвиток початкового возгоряння з прикриттям дросельної заслінки стає менш стійким, починають з'являтися пропуски запалення.

При збільшенні частоти обертання вала двигуна n зростає інтенсивність турбулізації суміші і початкова фаза подовжується q₁~n^1/2.

Для нормального розвитку початкового вогнища горіння і надалі всього процесу згоряння необхідно кут випередження запалювання j_з збільшувати з підвищенням n і зменшувати з ростом N_e. З цією метою установлюють відповідно відцентровий і вакуумний регулятори випередження запалювання. У сучасних напівпровідникових системах запалювання необхідний кут установлюється за допомогою спеціальних пристроїв у залежності від крутного моменту, складу суміші, тиску і температури навколишнього середовища і т.д.

Унаслідок неідентичності умов задпалювання пальної суміші в циліндрі двигуна розвиток возгоряння, що виникло від іскри, в окремих циклах буде відбуватися неоднаково.

Друга фаза q₂ - період видимого (швидкого) згоряння: від точки 2 до точки 3.

В другому періоді q₂ згоряє основна маса паливоповітряної суміші (до 80%) унаслідок поширення фронту полум'я в камері згоряння. У цій фазі виділяється велика кількість теплоти, швидко підвищуються тиск і температура.

Підвищення тиску оцінюють швидкістю наростання тиску.

Відношення Dp/Dj (як і в дизелі) характеризує твердість процесу згоряння:

При Dp/Dj = 0.11-0.26 МПа/град - протікання процесу згоряння вважають нормальним.

При Dp/Dj < 0.1 МПа/град згоряння більшої частини палива відбувається на лінії розширення.

При Dp/Dj > 0.26 МПа/град має місце тверда робота двигуна.

Тривалість q₂ відповідає 20-30° п.к.в. і залежить від:

1. Швидкості поширення фронту полум'я. Чим більше швидкість згоряння, тим коротше q₂.

2. Складу суміші. Тривалість основної фази слабко залежить від коефіцієнта надлишку повітря, однак при збільшенні a максимальні тиски циклу (згоряння) R_z різко падають. Зі збільшенням a сильно зростає нестабільність процесу згоряння (розходження по R_z) у послідовних робочих циклах, що приводить до зниження потужності двигуна.

3. Ступеня турбулізації суміші в КЗ. Зі збільшенням інтенсивності завихрення суміші швидкість полум'я росте і q₂ скорочується.

4. Ступеня стиску. При підвищенні e період q₂ зменшується, тому що з ростом e збільшується швидкість полум'я.

5. Зменшення навантаження двигуна приводить до погіршення процесу згоряння в другій фазі через хитливий початковий розвиток процесу згоряння в першому періоді.

6. Конструкції камери згоряння. Форма КЗ впливає на інтенсивність завихрення, тепловіддачу в охолоджувані поверхні, коефіцієнт наповнення і шлях, що проходить полум'я. Для скорочення тривалості основної фази згоряння необхідно скорочувати шлях, що проходить полум'я, тобто застосовувати більш компактну КЗ.

Третя фаза q₃ - період догорання по лінії розширення. Цей період називають завершальною фазою згоряння. Догорання суміші відбувається в пристіночних шарах і зазорах. У карбюраторних двигунах q₃ невелика і границю завершення цієї фази в індикаторній діаграмі визначити важко. Точно невідомий момент повного згоряння робочої суміші через те, що тепловиділення, досягши приблизно 85%, знижується після максимальної температури циклу T_z.

На тривалість q₃ впливають склад суміші, кут випередження запалювання, інтенсивність турбулентності потоку в КЗ. Зі збільшенням швидкості розташування фронту полум'я q₃ скорочується.

Завершальну фазу згоряння іноді розділяють на двох: q¢₃ - від точки 3 до точки 4 і q^’’₃ - від точки 4.

Фазу q¢₃ називають періодом уповільненого згоряння. До кінця q¢₃ закінчується згоряння основної маси палива. Фаза q²₃ - період особливості догорання, сильно залежить від a. При роботі двигуна на багатих і бідних сумішах незгоріле в циліндрі паливо запалюється у випускному трубопроводі і виходять постріли в глушник.

Протягом q₂ і q¢₃ відбувається дисоціація (розпад) молекул під дією температури близько 2000°С:

2СО₂=2СО+О₂

2Н₂О=2Н₂+О₂

При дисоціації частина тепла від згоряння губиться, унаслідок чого корисна робота і ККД циклу зменшується (до 10%).

У періоді q²₃ відбувається зворотна реакція асоціації з виділенням тепла. Це приводить до підвищення температури відпрацьованих газів.

У дизелях дисоціацію не враховують, тому що температура згоряння значно нижче, ніж у карбюраторних двигунах і зниження ККД у цьому випадку не перевищує 2%.