2.2.3. Процесс сгорания

Процесс сгорания в бензиновом двигателе и дизеле существенно различен из-за особенностей топлива, способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Для каждого двигателя принято рассматривать этот процесс по диаграмме с координатами р – φ, на которой этапы процесса сгорания представлены развернуто по углу поворота коленчатого вала. Для бензинового ДВС на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы
I — III (рис. 2.6).

Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС

Рис. 2.6. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС:
1 — момент искрового разряда; 2 — начало фазы интенсивного горения; 3 — окончание фазы интенсивного горения; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза начала горения, равная углу α1 (задержка интенсивного горения); II — фаза интенсивного горения, равная углу α2; III — фаза догорания топлива; р — давление газа; φ — угол поворота коленчатого вала; θ0.3 — угол опережения зажигания;——– расширение газа без сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I , равная углу α1— начало горения. В течение фазы I образуется фронт горения рабочей смеси от момента искрового разряда между электродами свечи в точке 1. Горение рабочей смеси начинается без повышения давления (участок 1—2). Длительность начальной фазы I определяет задержку интенсивного горения и зависит от состояния рабочего тела, угла опережения зажигания θ0.3, энергии искрового разряда. Увеличение степени сжатия ε и уменьшение угла опережения зажигания приводят к сокращению фазы I (уменьшению угла α1,). Увеличение частоты вращения коленчатого вала, снижение нагрузки на ДВС, обеднение рабочей смеси, уменьшение мощности источника воспламенения — причины удлинения фазы I (увеличения угла α1,).

Фаза II, равная углу α2, — начало интенсивного горения в точке 2 с резким повышением температуры и давления продуктов сгорания до их максимума в точке 3. Для получения большей экономичности двигателя сгорание топлива должно осуществляться вблизи ВМТ при минимальном объеме надпоршневого пространства, когда минимальны потери теплоты через стенки цилиндра.
В этот период времени сгорает основная масса топлива. Скорость распространения фронта горения 20…40 м/с, окончание этой фазы (точка 3) приходится на угол поворота коленчатого вала 12… 18° после ВМТ.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздействию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоответствии сорта бензина степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания, перегрузке двигателя и его перегреве, повышенном нагарообразован и и на стенках камеры сгорания.

Скорость процесса в условиях возможной детонации многократно увеличивается (до 2ООО…2 500 м/с). При этом часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. В камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на характер изменения давления в цилиндре. Внешним признаком детонационного сгорания является появление звонких металлических стуков. При детонационном сгорании увеличиваются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, снижается мощность, появляется дымный выхлоп и ухудшается экономичность двигателя.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси, называемое калильным зажиганием, из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (в результате отложения нагара на них) или электродов свечи зажигания. Такое явление может возникать при несоответствии тепловой характеристики свечи (калильного числа) степени сжатия е рабочей смеси. Это приводит к тому, что максимум давления газа достигается до прихода поршня в ВМТ, при этом снижается мощность двигателя, возможны значительный перегрев поршня и его прогорание.

Фаза III — догорание продуктов неполного окисления топлива (ниспадающая ветвь диаграммы), когда скорость выделения теплоты равна скорости теплоотвода в стенки цилиндра.

Для дизелей на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы I — IV (рис. 2.7).

Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле

Рис. 2.7. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле:
1— точка впрыска топлива; 2 — начало фазы быстрого горения; 3 — окончание фазы быстрого горения; 4 — окончание фазы стабильного горения топлива; р — давление газа; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза
задержки воспламенения; II — фаза быстрого горения топлива; II I — фаза стабильного горения топлива; IV — фаза догорания топлива; φ — угол поворота коленчатого вала; θ0.3 — угол опережения впрыска;——– расширение газа без
сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I — от начала впрыска топлива (точка I) до начала резкого повышения давления и температуры (точка 2) — представляет собой временной период задержки воспламенения, когда топливо впрыскивается, перемешивается со сжатым воздухом, нагревается и испаряется, т.е. период подготовки рабочей смеси к воспламенению. Продолжительность фазы I зависит от ЦЧ топлива, степени сжатия рабочей смеси, формы камеры сгорания, качества распыления топлива, момента подачи топлива в цилиндр (угла опережения впрыска θ0.3), частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель. С увеличением ЦЧ, степени сжатия ε и нагрузки на двигатель продолжительность фазы I сокращается.

Фаза II — участок 2—3 быстрого горения топлива при резком нарастании давления р и температуры Т газа. При увеличении давления со скоростью более 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала отмечается жесткая работа двигателя. Чем меньше продолжительность фазы II, тем жестче работа ДВС.

Фаза III — участок 3— 4 стабильного горения топлива заканчивается достижением максимальной температуры газа. Впрыск топлива к этому моменту обычно заканчивается. Сгорание топлива происходит при увеличивающемся объеме и практически постоянном давлении, а скорость сгорания уменьшается из-за разбавления рабочей смеси продуктами сгорания, образовавшимися в период фазы II быстрого горения топлива.

Фаза IV — догорание топлива и продуктов неполного окисления (угол тем больше, чем выше нагрузка двигателя и частота вращения коленчатого вала). Температура и давление газа в конце процесса сгорания определяются при допущении смешанного цикла подведения к нему теплоты — последовательные циклы при постоянном объеме и постоянном давлении (см. участки сz'и z'z индикаторной диаграммы на рис. 2.5, б). Для смешанного цикла согласно первому началу термодинамики теплота, полученная при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг, реализуется на участке cz следующим образом:

коэффициент использования теплоты                                                                       (2.4)

где ξ — коэффициент использования теплоты на участке сz, учитывающий потери теплоты через стенки цилиндра и неполноту сгорания топлива; hu— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; ΔUcz = Uz – Uс — изменение внутренней энергии газа на участке сг процесса сгорания, кДж/кг; Lсz — работа расширения газа при сгорании, кДж/кг. Изменение внутренней энергии рабочего тела на участке сz

внутренняя энергия

где Сvz, Сvc — теплоемкости соответственно продуктов сгорания в точке z и рабочей смеси в точке с, кДж/(кмоль- К); Тz, Тс — абсолютная температура продуктов сгорания в точке г и рабочей смеси в точке с, К; V2, V1  Vr — количество молекулярного вещества соответственно продуктов сгорания горючей смеси, в исходном состоянии до ее горения и остаточных газов, кмоль.

Работа, кДж, расширения газов на участке cz

расширения газов

В этой зависимости степень повышения давления — степень повышения давления

Исключим из уравнения работы параметры р и V, воспользовавшись уравнением Менделеева— Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, и получим

состояния газа

где R — универсальная газовая постоянная, равная работе 1 кг газа при нагревании его на1 К, R = 8,314 кДж/(кмоль К).

Разделим обе части уравнения (2.4) на (V1, + Vr). Тогда с учетом 

того, что количество молекулярного вещества  количество молекулярного веществаполучим окончательно

теплоемкости

Так как теплоемкости Сvz и Сvc являются функциями температур соответственно Тz и Тс, последнее выражение представляет собой квадратное уравнение относительно Tz, решением которого является температура Тz газа в конце процесса сгорания для дизеля.

Так как для бензиновых ДВС V= Vс, полученное выражение упрощается и при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1 имеет следующий вид:

формула

При α < 1 в данном выражении из величины низшей удельной теплотворной способности топлива hu нужно вычесть потери теплоты Δhu кДж/кг, за счет неполноты сгорания из-за недостатка кислорода

количество молекул

где V0 — теоретически необходимое количество молекул воздуха для горения, кмоль.

Для определения давления, МПа, после сгорания топлива также воспользуемся уравнениями Менделеева —Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, поделив их одно на другое:

состояния газа

Учитывая, что степень предварительного расширения  — степень предварительного расширения

 

газа  степень предварительного расширенияполучаем формулаоткуда для дизелей

формулы

Так как для бензиновых ДВС Vz = Vс (см. рис. 2.5, а), а следовательно, и р = 1, получаем

формулы

Для дизелей λ = 1,4… 1,9; ξ = 0,65…0,82; р = 1,2… 1,6; Тz = 1 700…2 200 К; pz = 5,5… 12,0 МПа.
Для бензиновых ДВС λ = 3,5… 4,5; ξ= 0,8…0,9; Tz = 2 400…2 800 К;
pz = 4,0…6,0 МПа.