6. Процесс сгорания в поршневых двигателях

6.1. Фазы процесса сгорания в двс с искровым зажиганием

Процесс сгорания в ДВС с искровым зажиганием принято условно разделять на три фазы, которые определяют на индикаторной диаграмме по изменению давления р и температуры Т в цилиндре от угла φ поворота коленчатого вала (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Индикаторная диаграмма изменения давления

и температуры в цилиндре ДВС:

--- - --- – линия давления при отключенном зажигании

При положении в верхней мертвой точке (В.М.Т.) поршень образует с головкой цилиндра объем камеры сгорания V_c.

Первая фаза (I) – воспламенение смеси и формирование начального очага пламени. Длительностью первой фазы сгорания принято называть период от момента зажигания (точка 1) до отрыва линии давления при сгорании от линии давления при отключенном зажигании (точка 2). Значительную часть продолжительности первой фазы составляет период воспламенения смеси от электрической искры, т. е. время от момента искрового разряда до момента образования начального очага пламени. При отклонении коэффициента избытка воздуха α от значений 0,8–0,9 как в сторону уменьшения, так и увеличения, это время увеличивается и особенно сильно возрастает при обеднении горючей смеси. Развитие первой фазы сгорания зависит от соотношения между скоростью тепловыделения от реакции окисления и скоростью теплоотвода в окружающий свежий заряд и в стенки камеры сгорания. Если скорость теплоотвода от очага воспламенения будет превышать скорость тепловыделения от сгорания, то распространение пламени от очага воспламенения не будет.

Для эффективного формирования пламени необходимо, чтобы скорость выделения тепла превышала скорость его передачи в свежую смесь и в стенки камеры сгорания. Соотношение между скоростями тепловыделения и теплоотвода зависит в основном от степени завихрения свежей смеси перед сгоранием. Чем оно больше, тем больше теплоотвод в стенки и труднее формируется фронт пламени.

Вторая фаза (II) – распространение пламени по всему объему камеры сгорания. Принято считать, что вторая фаза сгорания завершается к моменту достижения в цилиндре максимального давления сгорания р_z (точка 3). Переход от первой ко второй фазе сгорания сопровождается резким увеличением скорости сгорания (скорости распространения пламени), которая определяется в основном интенсивностью крупномасштабной турбулентности. При этом, чем больше передача тепла от фронта пламени в свежую смесь, тем быстрее сгорание.

Третья фаза (IIІ) – догорание смеси. После окончания второй фазы смесь догорает в небольших объемах при расширении. Третья фаза сгорания считается завершенной при достижении в цилиндре максимальной температуры (точка 4). Протекание второй и третьей фаз сгорания зависит в основном от интенсивности турбулентности в заряде.

Таким образом, процессу сгорания в ДВС с искровым зажиганием присуще противоречие между первой фазой, требующей снижения турбулентности, и второй фазой, требующей интенсивного завихрения смеси. В третьей фазе скорость сгорания зависит, главным образом, от химической (нормальной) скорости распространения пламени u_н (табл. 6.1 и рис. 6.2).

Таблица 6.1.

Концентрационные пределы и нормальные скорости

распространения пламени

Топливо	Верхний предел αв.п	Нижний предел αн.п	(м/с) в смесях с α = 1
			с воздухом	с кислородом
Водород Оксид углерода Метан Бензин Этиловый спирт	0,22 0,17 0,78 0,30 0,40	4,0 2,3 1,5 1,3 1,7	2,50 0,42 0,37 0,12 -	9,0 1,1 - - -

Рис. 6.2. Изменение u_н от α:

─ ─ ─ ─ – области с неустойчивым горением

На сгорание в первой и в третьей фазах большое значение оказывает состав смеси, обеднение которого увеличивает продолжительность сгорания. На практике обеднение смеси ограничивается не только увеличением продолжительности сгорания, но и неустойчивой работой ДВС вследствие нарушения однообразия процесса сгорания в последовательных циклах. Причиной нестабильности сгорания является, главным образом, нестабильность первой фазы горения.

На процесс горения в ДВС с искровым зажиганием большое влияние оказывает коэффициент избытка воздуха α (рис. 6.3).

Скорость распространения фронта пламени при сгорании смесей с α = 0,8 – 0,9 является наибольшей. С обеднением смеси возрастает длительность задержки воспламенения и фазы догорания, поэтому оптимальный угол опережения зажигания θ увеличивается.

Рис. 6.3. Индикаторные диаграммы при

различных α и оптимальных углах θ:

1 – α = 0,84; 2 – α = 0,65; 3 – α = 1,0; 4 – α = 1,14

При работе двигателя на бедных смесях продолжительность сгорания возрастает и положение максимума давления смещается дальше от В.М.Т., поскольку уменьшается количество подведенной теплоты от сгорания этих смесей.