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 р от 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 - α коэффициента 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

Обороты двигателя	об/мин
tφ1	мсек	2,73	1,67
φ1	град.

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 угол θ 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

N об/мин
Θ, град
Θ, мсек	1,40	1,39	1,37	1,33	1,17	1,03

- 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.

Продолжительность сгорания	Открытие дроссельной заслонки
полное	среднее	малое
tφ1, мсек.	2,57	3,18	3,95
φ1, град.

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 приблизит 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_Ζ и р₂ - давления в начале сгорания и максимальное соответственно; φ_Ζ и φ₂ - 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.