Процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе

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 Δh_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:

.