Сгорание в карбюраторных двигателях

В карбюраторных двигателях к моменту появления искры рабочая смесь, состоящая из воздуха, парообразного или газообразного топлива и остаточных газов, заполняет объем сжатия. Процессы сгорания происходят вблизи в.м.т. при малом изменении объема рабочего тела. Поэтому изучать процесс сгорания (изменения давления и температуры) удобнее на развернутых индикаторных диаграммах давления рот угла поворота коленчатого вала φ.

Если зажигание выключено ( см рис. 22, пунктирная линия ), то давление цилиндре изменяется почти симметрично относительно вертикальной линии соответствующей в.м.т., некоторая несимметричность получается вследствие теплообмена между газом и стенками, а также некоторой утечки газа через поршневые кольца и клапаны.

На рис т.1 – момент возникновения искры на свече зажигания и соответствует углу θ (угол опережения зажигания) –углу поворота коленчатого вала до положения поршня в в.м.т. В этот момент давление в

цилиндре р₁. После возникновения искры давление некоторое время, пропорциональное углу φ₁ поворота вала, продолжает изменяться (так же как и при выключенном зажигании) до давления р₂ соответствующее т.2.

Рис. 22. Процесс сгорания в карбюраторном ДВС

В т.2 происходит изменение кривизны кривой давления и давление быстро нарастает до т.3 р₃ = р_z - максимальное давление цикла значительно превосходящее р₂

Первая фаза сгорания т.1 –т.2 – фаза , соответствующая углу φ₁ , образования начального очага пламени с малым тепловыделением. Эта фаза завершается в тот момент, когда количество теплоты оказывается достаточным для заметного повышения давления. Этому соответствует сгорание объема смеси равного 6-8% объема камеры сгорания. Эта фаза называется задержкой воспламенения, а угол φ₁ – углом задержки воспламенения, и включает периоды собственно химической задержки воспламенения и образования начального очага пламени. Если количество теплоты оказывается недостаточным, то кривая давления будет продол-жать повторять кривую давления при выключенном зажигании. Угол опережения зажигания зависит от продолжительности задержки воспламенения, которая, в свою очередь, зависит от ряда факторов:

- состава рабочей смеси - αкоэффициента избытка воздуха. При α = 1 все топливо не может сгореть вследствие невозможности получения идеальной рабочей смеси. Полное сгорание смеси возможно только при

α > 1, т.е при обедненной смеси;

- степень сжатия, определяющая подготовленность топлива к воспламенению;

- энергия источника зажигания;

- скорость вращения коленчатого вала. С увеличением числа оборотов горючая смесь быстрее поступает в цилиндр, увеличивается турбулентность и интенсивность нагрева смеси – это ускоряет процесс сгорания.

Влияние числа оборотов двигателя на задержку воспламенения по времени t_φ1 и в градусах поворота коленчатого вала φ₁

Так при увеличении числа оборотов с 1100 до 2000 в мин. Время задержки воспламенения сократилось с 2,73 до 1,67 мс, а угол φ₁ увеличился с 18 до 23 ^О. При неизменном углеопережения зажигания θ

Рост числа оборотов двигателя ухудшает его экономичность. Поэтому необходимо постоянно корректировать уголθ при изменении числа оборотов. Автоматическое корректирование угла опережения зажигания происходит с помощью центробежного регулятора.

Испытания двигателя двигателя ХОНДА показали, что при увеличении оборотов двигателя с 2000 до 6000 угол опережения зажигания необходимо увеличить с 17 до42⁰.

Наивыгоднейшие углы опережения зажигания в градусах поворота коленчатого вала и в мсек при различных скоростях вращения коленчатого вала двигателя Хонда, полученные экспериментально в МАМИ

- нагруженность двигателя. Экспериментальные данные показывают,что при дросселировании (прикрытии дроссельной заслонки) и постоянном числе оборотов период задержки воспламенения и по времени и по углу поворота вала удлиняется.

На рис т.1 – момент возникновения искры на свече зажигания и соответствует углу θ (угол опережения зажигания) –углу поворота коленчатого вала до положения поршня в в.м.т. В этот момент давление в

Влияние степени открытия дроссельной заслонки на продолжительность задержки воспламенения при n = const.

цилиндре р₁. После возникновения искры давление некоторое время, пропорциональное углу φ₁ поворота вала, продолжает изменяться (так же как и при выключенном зажигании) до давления р₂ соответствующее т.2приблизит окончание его к в.м.т. Для автоматического увеличения угла опережения зажигания при дросселировании используют вакуум-корректоры. При их же отсутствии двигатель при неполных нагрузках работает с недостаточными или избыточными углами опережения зажигания и, следовательно, с перерасходами топлива. На рис. 23 приведены индикаторные диаграммы циклов с нормальным, ранним и поздним угдами опережения зажигания.

2-я фаза. Линия 2-3 фаза распространения пламени. В течении 2-й фазы происходит основное тепловыделение и резко увеличивается скорость сгорания. Скорость тепловыделения в этой фазе определяет быстроту нарастания давления по углу поворота вала φ характеризующуюся отношением dp/dφ , МПа/град. – на диаграмме это тангенс угла наклона касательной к данной точке кривой давления. Ее может характеризовать и

Рис. 23. Схемы индикаторных диаграмм при: а – слишком позднем зажигании; б – наивыгоднейшем зажигании; в – слишком раннем зажигании

отношение Δ р/Δφ, где Δ р = р_Ζ - р₂; Δφ = φ_Ζ – φ₂; , где р_Ζир₂ - давления в начале сгорания и максимальное соответственно; φ_Ζиφ₂ - углы поворота вала в начале сгорания и при максимальном давлении соответственно. Быстрота нарастания давления характеризует резкость приложения нагрузки к деталям кривошипно-шатунного механизма. С увеличением радиуса кривизны переходного участка жесткость работы уменьшается.

Примерные скорости нарастания давления:

Для ε = 5-7 Δ р/Δφ = 0,09 – 0,13 МПа,

ε = 8-9 Δ р/Δφ = 0,16 – 0,2 МПа.

На продолжительность 2-й фазы влияют дополнительно:

- расположение свечи и конфигурация камеры сгорания;

- момент возникновения искры;

- скорость движения и турбулентность рабочей смеси.

Следует отметить, что мах Т и мах р не совпадают по времени. Мах давление достигается до достижения мах температуры. Сдвиг максимумов

является результатом совместного влияния подвода теплоты при сгорании и изменения объема (увеличения) рабочего тела вследствие движения поршня.

Имеется и 3-я фаза – догорание по линии расширения. Продолжительность ее зависит от: состава смеси; момента зажигания; степени турбулизации догорающей смеси.

Детонация.

Детонация – сложный химико-тепловой процесс. Внешними признаками детонации являются появление звонких металлических стуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма. Длительная работа двигателя с детонацией приводит к прогоранию поршней и разрушению вкладышей коленчатого вала.

Детонационное сгорание (см. рис. 24) возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания (скорость 15-60 м/с) успевает

Рис. 24. Схема распространения фронта пламени в камере сгорания: 1 – продукты сгорания; 2 – несгоревшая рабочая смесь; 3 – место возникновения самовоспламенения горючей смеси; 4 – фронт движения пламени

в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов. В результате таких процессов возникает самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 – 2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию детонации и поглощению большого количества теплоты.

Факторы, вызывающие возникновение детонации: основные - это повышение температуры и давления в камере сгорания.

1 Степень сжатия. Повышение степени сжатия приводит к повышению р и Т.

2 Угол опережения зажигания. При раннем зажигании наблюдается более быстрое нарастание давления и т. мах давления приближается к в.м.т.

3 Форма камер сгорания и расположение свечи зажигания. Чем длиннее путь пламени в камере сгорания , тем благоприятнее условия возникновения детонации. То же касается и размеров цилиндра.

4 Состав смеси. Мах скорость сгорания смеси при α = 0,8 – 0,9 при этом составе она склонна к Д.

5 Интенсивность охлаждения. Недостаточное охлаждение камеры сгорания, головки, выпускных клапанов и т.д. способствуют к возникновению Д.

6 Число оборотов. Увеличение оборотов сопровождается увеличением вихревого движения в камере сгорания, повышением скорости сгорания, повышением теплоотдачи и увеличением количества остаточных газов. Все это снижает склонность двигателя к Д.

7 Свойства топлива. Склонность топлива к детонации оценивается октановым числом (ОЧ).

8 Условия на впуске и выпуске. Дросселирование на впуске и повышение сопротивления на выпуске приводит к увеличению остаточных газов, что снижает склонность двигателя к детонации.

Повышение р и Т на впуске (наддув) увеличивает склонность двигателя к Д. При наддуве требуется другое топливо с большим ОЧ.