Процессы смесеобразования и сгорания в бензиновых двигателях

ЗАНЯТИЕ 8 - ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

Раздел 3 «ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ»

Тема занятия «Действительные циклы ДВС»

ЗАДАНИЕ

Контрольные вопросы по теме занятия:

Условия сгорания топлива, понятие горючей смеси и смесеобразования;

Понятие коэффициента избытка воздуха и его показатели;

Процесс смесеобразования и сгорания топлива (фазы сгорания)

Факторы, влияющие на процесс сгорания (перечислить)

КОНСПЕКТ

ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ГОРЕНИЯ В ДВС.

Сгорание топлива может протекать только в присутствии окислителя, в качестве которого используется кислород, находящийся в воздухе.

Так как воздух является газом, а нефтяные топлива — жидкостью, то для полного окисления жидкое топливо необходимо превратить в газ, т. е. испарить. Поэтому кроме рассмотренных четырёх процессов, соответствующих названиям тактов работы двигателя, всегда присутствует ещё один — процесс смесеобразования.

Смесеобразованием называется приготовление горючей смеси из топлива и воздуха для сжигания в цилиндрах двигателя. Смесеобразование в ДВС может осуществляться как в цилиндре двигателя, так и вне цилиндра.

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление смеси воздуха с топливом начинается за пределами цилиндра в специальном приборе — карбюраторе. Такие ДВС называются карбюраторными. В двигателях с внутренним смесеобразованием смесь приготавливается непосредственно в цилиндре. К таким ДВС относятся дизели.

При неудовлетворительном смесеобразовании из-за плохого перемешивания топлива с воздухом и/или при недостатке кислорода в рабочей смеси происходит неполное сгорание, которое ведёт к снижению экономичности работы ДВС.

Экономичная работа двигателя достигается в первую очередь за счёт обеспечения наиболее полного и быстрого сгорания топлива в цилиндрах вблизи в.м.т.

Процесс горения длится очень короткое время, например, в МОД оно составляет 0,05-0,1 секунды, в ВОД - 0,003-0,015 секунды.

Для достижения полного сгорания топлива в цилиндрах необходимо обеспечить получение горючей смеси требуемого состава.

В среднем для полного сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха.

Качественным показателем состава горючей смеси является коэффициент избытка воздуха

коэффициентом избытка воздуха называют – отношение количества воздуха, поступившего в двигатель, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива, и обозначают “α”.

Коэффициент избытка воздуха — центральная величина во всей моторной технике, системах управлении двигателем и OBD. Она определяется следующими значениями:

α = 1 — теоретическая, идеальная, стехиометрическая горючая смесь;

α > 1 — избыток воздуха или недостаток топлива (бедная смесь);

α < 1 — недостаток воздуха или избыток топлива (богатая смесь).

Коэффициент избытка воздуха зависит от двух критериев – приделов воспламенения горючей смеси и режима работы двигателя.

Воспламенение и сгорание возможно лишь в определённых пределах воспламеняемости.

Реальные пределы воспламеняемости у бензиновых и дизельных двигателей сильно различаются.

Возможные пределы воспламеняемости у обычных бензиновых двигателей находятся в диапазоне α от 0,41 до 1,3.

При некоторых технологиях непосредственного впрыска, таких как GDI и FSI, может быть достигнуто значение α до 3,0.

Возможные пределы воспламеняемости у дизельных двигателей находятся в диапазоне α от 1,1 до 7,0.

У современных дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива этот показатель может достигать 10,0 при работе на холостом ходу.

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ И ВОСПЛАМЕНЕНИЕ В БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Важнейшей особенностью бензиновых двигателей является приготовление горючей смеси. Это двигатели низкого сжатия с внеш­ним смесеобразованием с принудительным зажиганием горючей смеси. Они выполняются преимущественно четырёхтактными.

бензиновых двигатели работают на лёгком жидком топливе. Процесс сгорания в этих двигателях обычно длится 1/300 – 1/400 сек. Для того чтобы в столь короткое время обеспечить полное сгорание, смесь должна быть соответствующим образом приготовлена. Процесс приго­товления горючей смеси называется карбюрацией, а прибор, в кото­ром осуществляется кар­бюрация, называется кар­бюратором

Карбюратор должен выполнять следующие операции:

а) приготовлять горю­чую смесь нужного каче­ства, т. е. при различных режимах работы смеши­вать нужное количество топлива с определённым количеством воздуха;

б) обеспечивать хороший распыл, что бы все топливо испарилось до начала сгорания;

в) осуществлять поступление в цилиндр однородной по составу смеси.

Эксплуатационные режимы работы бензиновых двигателей отличаются большим разнообразием, и для каждого из режимов должен быть приготовлен свой оптимальный состав смеси, который будет обеспечивать наивыгоднейшие показатели работы двигателя.

Двигатель развивает максимальную мощность при α <1.

Наиболее экономично двигатель работает при α >1,1, если дроссельная заслонка открыта полностью или частично.

Кроме того, чтобы поддержать устойчивую работу двигателя с минимальной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу, необходимо приготовить смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,7—0,8, а для пуска холодного двигателя — 0,4—0,6.

Таблица. Смеси для различных режимов работы двигателя

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ (ИСКРОВЫМ) ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ.

О полноте, скорости и своевременности сгорания можно судить по развёрнутой индикаторной диаграмме (рис. 1), в которой условно выделяют три фазы.

Рисунок 1 - Развёрнутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Первая фаза сгорания (θI) начинается в момент зажигания смеси. Она формирует фронт пламени. Заканчивается первая фаза, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания.

Для своевременного выделения теплоты при наевыгодных условиях электрический разряд на электроды свечи подаётся в конце хода сжатия за 20–55° поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота коленчатого вала называется углом опережения зажигания (φоз). Температура искры может составлять до 10 000 К (9726,85 ˚С). В течении первой фазы сгорает около 2–3 % топлива, поданного в цилиндр. Продолжительность первой фазы 0,5–1 мс, что соответствует 10–30° поворота коленчатого вала.

Вторая фаза сгорания (θII) — основная, во время этой фазы происходит распространение пламени по объёму камеры сгорания. Начинается данная фаза с окончанием первой фазы и заканчивается в момент достижения максимального давления в цикле.

Продолжительность второй фазы 1–1,2 мс, т. е. 25–30° поворота коленчатого вала. За это время выделяется примерно 75–85 % теплоты. Температура рабочего тела в конце этой фазы повышается до 2300 К (2026,85 ˚С), а давление достигает 3,5–5 МПа. К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья фаза сгорания (θIII) — догорание смеси, начинается в момент достижения максимального давления цикла. Эта фаза характеризуется замедлением горения, так как у стенок камеры сгорания усиливается теплоотвод, ослабляется турбулентность, и догорание обычно происходит в условиях недостатка кислорода. Вследствие замедления конечных процессов горения третья фаза не имеет чётко выраженного окончания.

Ориентировочно можно считать, что её продолжительность составляет 1–1,5 мс, т. е. 20–35° угла поворота коленчатого вала.

В третьей фазе выделяется ещё 10–15 % теплоты. В итоге общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80—91 %. Остальные 9—20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания.

Максимальная температура в третьей фазе сгорания 2300-2600 К (2026,85 – 2326,85 ˚С).

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В КАРБЮРАТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Основными показателями, определяющими протекание процесса сгорания в карбюраторном двигателе являются:

• температура и давление рабочей смеси в начале воспламенения;

• концентрация топлива, воздуха и остаточных газов;

• интенсивность тепловыделения.

Эти показатели зависят от различных конструктивных и эксплуатационных факторов.

К эксплуатационным относятся следующие факторы:

1. Состав смеси. Наименьшие значения первой фазы сгорания соответствуют составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшие значения (α от 0,8 до 0,9). При сильном обеднении смеси не только увеличивается первая фаза сгорания, но и резко ухудшается стабильность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.

2. Вихревое движение заряда обеспечивается конструкцией: типом и формой камеры сгорания, профилем впускных клапанов и позволяет в результате улучшения однородности рабочей смеси сократить продолжительность θ1.

3. Угол опережения зажигания. Каждому режиму работы двигателя соответствует свой наивыгоднейший (оптимальный) угол опережения зажигания, при котором основная фаза сгорания θ2 располагается максимально близко к ВМТ, и двигатель работает с наилучшей эффективностью: развивает максимальную мощность и имеет минимальный расход топлива. Оптимальный угол опережения зажигания зависит от продолжительности фаз сгорания (в первую очередь от θ1), поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала и уменьшении нагрузки угол опережения зажигания необходимо увеличить. Отклонение угла опережения зажигания от оптимального значения ведёт к изменению положения кривой Т (см. рис.) относительно ВМТ, что влечёт за собой потери, связанные с динамикой сгорания. Это происходит потому, что при позднем зажигании значительная часть тепловыделения происходит уже на такте расширения, когда объем увеличивается, в результате чего максимально возможное давление не достигается.

При отклонении значения угла опережения зажигания от оптимального в сторону увеличения поршню приходится в конце процесса сжатия преодолевать резко увеличивающееся от сгорания давление газов. А при чрезмерно большом значении угла опережения зажигания значительное возрастание давления и температуры в цилиндре приводит к возникновению детонационного сгорания, сущность которого рассматривается ниже.

4. Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала возрастает скорость прохождения смеси через клапанную щель, поэтому усиливается турбулизация заряда. При этом продолжительность θ1 и θ3 относительно второй фазы сгорания затягивается, поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала необходимо увеличить угол опережения зажигания. В целом с увеличением частоты вращения коленчатого вала эффективность сгорания увеличивается.

5. Нагрузка. Уменьшение нагрузки осуществляется поворотом (закрытием) дроссельной заслонки, которое приводит к уменьшению коэффициента наполнения ηv и росту коэффициента остаточных газов γr. Кроме этого уменьшаются давление и температура в конце сжатия. Все это уменьшает скорость развития пламени в первой фазе сгорания и снижает скорость распространения фронта пламени во второй и третьей фазах сгорания. Их протекание замедляется, особенно при малых нагрузках и низких частотах вращения коленчатого вала.

Для того чтобы в какой-то мере компенсировать ухудшение динамики сгорания на малых нагрузках прибегают к обогащению горючей смеси и увеличению угла опережения зажигания. Ухудшение сгорания на малых нагрузках является большим недостатком карбюраторного двигателя, так как оно влечёт за собой перерасход топлива и увеличение окиси углерода и углеводородов в отработавших газах.

К конструктивным факторам, влияющим на процесс сгорания, относятся следующие:

1. Форма камеры сгорания. Турбулизация, которая возникает в процессе впуска, может быть не только сохранена, но и усилена на такте сжатия при перетекании заряда из цилиндра в камеру сгорания. Для этого камера сгорания имеет специальную форму. Завихрение улучшает однородность рабочей смеси, что особенно положительно влияет на сгорание во второй и третьей фазах. Для улучшения турбулизации применяют тангенциальное расположение впускных каналов перед клапанами и так называемые вытеснители, которые представляют собой зазоры между поверхностью головки цилиндров и днищем поршня. Различные конструкции камер сгорания представлены на рис. .

а — полусферическая; б — полусферическая с вытеснителем; в — сферическая; г — шатровая; д — плоскоовальная; е -клиновая; з — цилиндрическая камера сгорания в поршне; ж — полуклиновая с частью камеры в поршне;

При выборе места расположения свечи зажигания стремятся к тому, чтобы обеспечить хорошую очистку зоны свечи от продуктов сгорания. Ее размещают ближе к центру камеры сгорания с тем, чтобы сократить путь пламени до наиболее удаленных точек.

2. Степень сжатия. Чем больше степень сжатия, тем больше давление и температура рабочей смеси в момент искрового разряда, что улучшает воспламенение и протекание первой фазы сгорания, но продолжительность третьей фазы затягивается, так как количество смеси в пристеночных слоях увеличивается. Поэтому рост степени сжатия увеличивает только КПД цикла. Основным препятствием к увеличению степени сжатия является возникновение детонации.

3. Параметры искрового разряда. Количество теплоты, выделяемой при искровом разряде, определяет надёжность зажигания и продолжительность первой фазы сгорания. Чем больше тепловая энергия разряда, тем больше объем смеси прогревается этим разрядом до температуры воспламенения, тем меньше время формирования фронта пламени, способного к быстрому распространению. Однако положительный эффект повышения энергии разряда наблюдается только до определённого момента. Дальнейшее повышение энергии влияет значительно меньше и не вызывает существенного улучшения протекания первой фазы.

При повышенной энергии искрового разряда увеличивается нижний предел воспламенения, и можно использовать бедные составы горючей смеси. Значительная часть энергии системы зажигания затрачивается на ионизацию газового промежутка между электродами свечи, а также рассеивается в камере сгорания. На нагрев смеси в зоне искры расходуется только 10—20 % энергии, и, чтобы обеспечить надёжное воспламенение, система зажигания должна выделять количество теплоты значительно больше, чем для этого требуется. Поэтому искровой разряд должен обладать не только достаточной энергией, но и достаточной продолжительностью выделения этой энергии.

4. Детонация. Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь нагревается в результате роста давления со стороны фронта пламени. При достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, тем не менее, не возникают из-за местного недостатка кислорода и времени протекания первой фазы сгорания, продолжительное протекание которой характерно для пререферийных зон.

Однако несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Любое местное повышение давления и температуры вызывает самовоспламенение этой части заряда, которое носит взрывной характер.

Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают в свою очередь самовоспламенение хорошо подготовленной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500—2300 м/с, что характерно для взрывного горения.

Сгорание в цилиндрах двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объёмного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным.

При отражении ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий металлический стук, который является внешним проявлением детонации.

На индикаторных диаграммах на возникновение детонации указывает колебание давления (рис. 14).

При сильной детонации мощность двигателя падает, растёт расход топлива, в отработавших газах появляется чёрный дым. Ударные волны разрушают масляную плёнку на поверхности верхней части цилиндра, что приводит к его интенсивному износу. В дальнейшем могут обгореть кромки поршней, электроды свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров, произойти вы­крашивание антифрикционного сплава в подшипниках коленчатого вала и иные разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма (KШM). Таким образом, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговеч­ность деталей КШМ.

Рис. Индикаторная диаграмма работы карбюраторного двигателя
при детонационном сгорании

Возникновению детонации способствуют следующие факторы:

1. Сорт топлива — характеризуется октановым числом, который оценивает антидетонационную стойкость бензина. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационные свойства топлива. Октановое число легких фракций бензина меньше, чем у средних и тяжелых фракций. При быстром открытии дроссельной заслонки (например, при интенсивном разгоне) тяжелые фракции поступают в цилиндр с некоторой задержкой, что приводит к детонации в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в цилиндр. Октановое число автомобильных бензинов (ГОСТ 2084—77) составляет от 76 до 98 единиц.

2. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вра­щения коленчатого вала приводит к росту турбулизации заряда, что влечет за собой увеличение скорости распространения пламени. В результате времени на развитие предпламенных процессов в последних частях заряда становится недостаточно, и детонация снижается. Кроме того, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается содержание остаточных газов в рабочей смеси, что также снижает интенсивность предпламенных процессов и приводит к снижению детонации.

3. Нагрузка. Уменьшение нагрузки сопровождается прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, вследствие чего давление и температура заряда в конце процесса сжатия снижается, а коэффициент остаточных газов γг увеличивается. Кроме этого уменьшается количество вводимого рабочего тела, а значит и выделяемая теплота, вследствие чего снижается давление в цилиндре. Поэтому уменьшение нагрузки приводит к снижению детонации и наоборот.

4. Угол опережения зажигания. Увеличение угла опережения за­жигания приводит к более раннему тепловыделению относительно прихода поршня в ВМТ. В результате резко повышается давление,что способствует возрастанию степени сжатия смеси перед фронтом пламени и вызывает появление очагов самовоспламенения. Поэтому с увеличением угла опережения склонность к детонации возрастает и наоборот.

5. Тепловое состояние двигателя. С ростом температуры деталей камеры сгорания увеличивается вероятность возникновения очагов самовоспламенения и детонации.

6. Температура и давление воздуха на впуске в цилиндр. Увеличение температуры и давления окружающей среды усиливает вероятность детонации. Поэтому применение наддува в двигателях с принудительным воспламенением затруднительно.

7. Степень сжатия. Увеличение степени сжатия ε приводит к увеличению температуры и давления в конце процесса сжатия. Следовательно, увеличение е ограничивается и ее максимально допустимое значение выбирается в зависимости от сорта топлива, формы камеры сгорания, материала поршня, головки блока цилиндров, быстроходности двигателя и способа его охлаждения.

8. Форма и размеры камеры сгорания. Двигатели с формой камеры сгорания, обеспечивающей наибольшую турбулизацию смеси, более защищены от детонации. С этой точки зрения наиболее рациональными являются камеры сгорания в поршне или клиновые и плоскоовальные камеры с вытеснителями.

Уменьшение пути пламени от свечи до периферийных зон камеры сгорания сокращает время его распространения и тем самым снижает вероятность возникновения детонации. Следовательно, детонацию ограничивает применение двух свечей зажигания вместо одной и уменьшение диаметра цилиндра.

9. Материал поршня и головки блока цилиндров. Материал этих деталей во многом определяет теплоотвод от рабочего тела. Применение алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет снизить требования к октановому числу бензина на 5—7 единиц.

Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, которое может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры в результате разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания.

Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя, поэтому в таких случаях необходимо просто прекратить подачу горючей смеси.

В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает воспламенение топлива, но от сжатия — явление дизилинга. Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала, большой нестабильностью и вибрациями. Это явление имеет место при ε > 8,5. Для его устранения применяют автоматическое перекрытие в карбюраторе канала холостого хода при выключении зажигания.