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.

К эксплуатационным относятся следующие факторы.

1. Состав смеси. Наименьшие значения первой фазы сгорания соответствуют составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшие значения (α 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 θ₁.

3. Степень сжатия. С ростом степени сжатия увеличиваются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и соответствующему сокращению продолжительности θ₁.

4. Угол опережения зажигания. Каждому режиму работы двигателя соответствует свой наивыгоднейший (оптимальный) угол опережения зажигания, при котором основная фаза сгорания θ₂ 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 θ₁), 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 (см. рис. 11) 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 θ₁ и θ₃ 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 η_v и росту коэффициента остаточных газов γ_r. 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.

К конструктивным факторам, влияющим на процесс сгорания, относятся следующие:

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 рис. 12.

Рис. 12. Различные конструкции камер сгорания двигателей
с искровым 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 определенного момента. Дальнейшее повышение энергии влияет значительно меньше и не вызывает существенного улучшения протекания первой фазы.

При повышенной энергии искрового 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 (рис. 13).

Рис. 13. 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 (α₂). В основную же камеру подается обедненная смесь (α₁> 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.

Детонация

Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь нагревается в результате роста давления со стороны фронта пламени. При достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, тем не менее, не возникают из-за местного недостатка кислорода и времени протекания первой фазы сгорания, продолжительное протекание которой характерно для пререферийных зон.

Однако несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Любое местное повышение давления и температуры вызывает самовоспламенение этой части заряда, которое носит взрывной характер.

Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают в свою очередь самовоспламенение хорошо подготовленной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500—2300 м/с, что характерно для взрывного горения.

Сгорание в цилиндрах двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным.

При отражении ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий металлический стук, который является внешним проявлением детонации.

На индикаторных диаграммах на возникновение детонации указывает колебание давления (рис. 14).

При сильной детонации мощность двигателя падает, растет расход топлива, в отработавших газах появляется черный дым. Ударные волны разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра, что приводит к его интенсивному износу. В дальнейшем могут обгореть кромки поршней, электроды свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров, произойти вы­крашивание антифрикционного сплава в подшипниках коленчатого вала и иные разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма (KШM). Таким образом, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговеч­ность деталей КШМ.

Рис. 14. Индикаторная диаграмма работы карбюраторного двигателя
при детонационном сгорании

Возникновению детонации способствуют следующие факторы:

1. Сорт топлива — характеризуется октановым числом, который оценивает антидетонационную стойкость бензина. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационные свойства топлива. Октановое число легких фракций бензина меньше, чем у средних и тяжелых фракций. При быстром открытии дроссельной заслонки (например, при интенсивном разгоне) тяжелые фракции поступают в цилиндр с некоторой задержкой, что приводит к детонации в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в цилиндр. Октановое число автомобильных бензинов (ГОСТ 2084—77) составляет от 76 до 98 единиц.

2. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вра­щения коленчатого вала приводит к росту турбулизации заряда, что влечет за собой увеличение скорости распространения пламени. В результате времени на развитие предпламенных процессов в последних частях заряда становится недостаточно, и детонация снижается. Кроме того, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается содержание остаточных газов в рабочей смеси, что также снижает интенсивность предпламенных процессов и приводит к снижению детонации.

3. Нагрузка. Уменьшение нагрузки сопровождается прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, вследствие чего давление и температура заряда в конце процесса сжатия снижается, а коэффициент остаточных газов γ_г увеличивается. Кроме этого уменьшается количество вводимого рабочего тела, а значит и выделяемая теплота, вследствие чего снижается давление в цилиндре. Поэтому уменьшение нагрузки приводит к снижению детонации и наоборот.

4. Угол опережения зажигания. Увеличение угла опережения за­жигания приводит к более раннему тепловыделению относительно прихода поршня в ВМТ. В результате резко повышается давление,что способствует возрастанию степени сжатия смеси перед фронтом пламени и вызывает появление очагов самовоспламенения. Поэтому с увеличением угла опережения склонность к детонации возрастает и наоборот.

5. Тепловое состояние двигателя. С ростом температуры деталей камеры сгорания увеличивается вероятность возникновения очагов самовоспламенения и детонации.

6. Температура и давление воздуха на впуске в цилиндр. Увеличение температуры и давления окружающей среды усиливает вероятность детонации. Поэтому применение наддува в двигателях с принудительным воспламенением затруднительно.

7. Степень сжатия. Увеличение степени сжатия ε приводит к увеличению температуры и давления в конце процесса сжатия. Следовательно, увеличение е ограничивается и ее максимально допустимое значение выбирается в зависимости от сорта топлива, формы камеры сгорания, материала поршня, головки блока цилиндров, быстроходности двигателя и способа его охлаждения.

8. Форма и размеры камеры сгорания. Двигатели с формой камеры сгорания, обеспечивающей наибольшую турбулизацию смеси, более защищены от детонации. С этой точки зрения наиболее рациональными являются камеры сгорания в поршне или клиновые и плоскоовальные камеры с вытеснителями.

Уменьшение пути пламени от свечи до периферийных зон камеры сгорания сокращает время его распространения и тем самым снижает вероятность возникновения детонации. Следовательно, детонацию ограничивает применение двух свечей зажигания вместо одной и уменьшение диаметра цилиндра.

9. Материал поршня и головки блока цилиндров. Материал этих деталей во многом определяет теплоотвод от рабочего тела. Применение алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет снизить требования к октановому числу бензина на 5—7 единиц.

Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, которое может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры в результате разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания.

Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя, поэтому в таких случаях необходимо просто прекратить подачу горючей смеси.

В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает воспламенение топлива, но от сжатия — явление дизилинга. Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала, большой нестабильностью и вибрациями. Это явление имеет место при ε > 8,5. Для его устранения применяют автоматическое перекрытие в карбюраторе канала холостого хода при выключении зажигания.