Процесс сгорания топлива в карбюраторных двигателях

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе начинается с момента проскакивания искры между электродами свечи зажигания и включает в себя три фазы: индукционная, видимого горения и догорания.

На рисунках 1.5 а и 1.6изображена часть индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя, построенная по углу поворота коленчатого вала. Точка m на диаграмме расположена за угол φ_з° до ВМТ и соответствует моменту зажигания. Угол φ_з° называют углом опережения зажигания. Однако, несмотря на то, что искра между электродами свечи зажигания проскакивает в точке m, видимое повышение давления в цилиндре начинается лишь в точке n.

Период от момента зажигания (точка m) до момента видимого повышения давления (точка n) называют индукционной фазой процесса горения (или фазой задержки воспламенения). В течение этого периода происходит предпламенное окисление топлива с незначительным повышением температуры и без повышения давления. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется свойствами топлива и составом смеси.

На продолжительность этой фазы оказывают влияние:

коэффициент избытка воздуха;

коэффициент остаточных газов;

структура молекул топлива;

энергия источника зажигания;

степень сжатия;

нагрузка на двигатель;

частота вращения коленчатого вала.

В период протекания первой фазы сгорают около 6…8 % заряда смеси. Продолжительность этой фазы соответствует 4…6° угла поворота коленчатого вала двигателя.

Начиная от точки n, давление в цилиндре резко повышается, вплоть до точки О. Этот период называют фазой видимого горения. В течение этого периода сгорает около 90 % смеси с наибольшей скоростью. Продолжительность этой фазы зависит от состава смеси, степени сжатия, момента зажигания, формы камеры сгорания, степени завихрения смеси, нагрузки на двигатель. Фаза видимого горения протекает за 20…30° угла поворота коленчатого вала и характеризуется скоростью нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины называется жесткостью процесса сгорания и находится в пределах 0,12…0,26 МПа на градус поворота коленчатого вала.

Фаза догорания начинается в момент достижения максимального давления цикла (точка О). В этой фазе несгоревшие остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельные объемы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. На диаграмме эта фаза протекает по линии расширения. Момент окончания этой фазы определяется концом тепловыделения и на диаграмме не виден.

Скорость распространения пламени при нормальном протекании процесса сгорания составляет 20…40 м/с. Давление и температура конца сгорания смеси имеют следующие значения: p_o=2,5…4,5 МПа и Т_о=2300…2700 К.

Оптимальное сгорание топлива в цилиндрах обеспечивает максимальную мощность и экономичность двигателя. Качественное и своевременное протекание процесса сгорания зависит от ряда факторов:

угла опережения зажигания;

состава рабочей смеси;

вихревого движения заряда;

частоты вращения коленчатого вала;

нагрузки на двигатель;

степени сжатия;

формы камеры сгорания;

места установки свечи зажигания и др.

Двигатель развивает наибольшую мощность, если рабочая смесь сгорает в минимальном объеме. Поэтому опережение зажигания должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы к приходу поршня в ВМТ основная часть смеси уже воспламенилась. Величина оптимального угла опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала, качества смеси, степени сжатия и определяется для каждого отдельного случая опытным путем. Опережение зажигания должно увеличиваться с уменьшением скорости сгорания горючей смеси и увеличением частоты вращения коленчатого вала. Повышение степени сжатия вызывает уменьшение оптимального угла опережения зажигания, что объясняется возрастанием при этом скорости сгорания смеси. При слишком раннем зажигании возможно значительное повышение давления в камере сгорания до прихода поршня в ВМТ (сопровождающееся большим противодавлением на поршень) и падение мощности. При слишком позднем зажигании происходит понижение температуры (вследствие значительных тепловых потерь) и давления (из-за значительно увеличивающегося объема камеры сгорания во время сгорания смеси).

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается действию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание в двигателе в некоторых случаях переходит во взрывную форму, называемую детонацией (или детонационным сгоранием). При детонации возникают стуки, двигатель перегревается и работает неустойчиво, из глушителя выходит черный дым. Стуки при детонации объясняются ударами волн о стенки камеры сгорания и о днище поршня, а также вибрацией деталей. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение деталей кривошипно-шатунного механизма.

Причиной возникновения детонации в двигателе является наличие в рабочей смеси активных перекисей, которые представляют собой промежуточные продукты окисления углеводородных молекул и образуются в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость распространения пламени при детонации достигает 1500…2000 м/с.

Повышение степени сжатия сопровождается увеличением давления и температуры в процессах сжатия и сгорания, что создает благоприятные условия для возникновения детонации. Выбор степени сжатия для двигателей производят с учетом предназначенного для него топлива, формы камеры сгорания. Размеров цилиндра, материала поршня и головки цилиндра.

Форма камеры сгорания в значительной степени определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допустимую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации.

Большое влияние на склонность двигателя к детонации оказывает также материал поршней и головки цилиндров. Поэтому для получения бездетонационного сгорания указанные детали изготовляют из материалов, обладающих большой теплопроводностью. Появление слоя нагара или накипи ухудшает теплопроводность деталей и увеличивает степень сжатия. Чтобы избежать детонации вследствие нагарообразования, уменьшают угол опережения зажигания.

Раннее зажигание может привести к появлению детонации за счет повышения давления и температуры сгорания. Повышение температуры охлаждающей жидкости увеличивает вероятность детонации. Детонация появляется также при обогащении горючей смеси, снижении частоты вращения коленчатого вала и увеличении нагрузки на двигатель.