1 такт: впуск (
;
).
Впускной клапан открыт, поршень двигается к НМТ. В цилиндре создается разряжение и свежая ТВС поступает в цилиндр. Свежая смесь смешивается с оставшимися газами и образует рабочую смесь.
2 такт: сжатие (
;
).
Клапаны закрыты, поршень движется к ВМТ, сжимая рабочую смесь, повышается давление и температура. В конце сжатия смесь воспламеняется от электрической искры.
3 такт: рабочий ход (
;
).
Клапаны закрыты, в результате горения повышается 
и
, смесь расширяется и толкает поршень вниз. Передается усилие на коленвал, заставляя его вращаться и совершать полезную работу.
Выпускной клапан открыт, поршень движется к ВМТ, выталкивая в атмосферу продукты сгорания из цилиндра.
Полезная механическая работа на валу двигателя создается только во время рабочего хода. Остальные 3 такта работу не создают и происходит за счет энергии маховика и работы других цилиндров.
Термодинамический цикл ДВС.
Д
опущения к идеальному циклу:
рабочее тело – идеальный газ с неизменными физическими свойствами;
теплоемкость рабочего тела постоянна во всех процессах;
подвод и отвод тепла происходит мгновенно при 
;
процессы газообмена отсутствуют;
процессы сжатия и расширения адиабатные.
Термодинамический цикл используется для оценки совершенства действительного цикла двигателя.
Действительный цикл ДВС (индикаторная диаграмма рабочего процесса ДВС).
Индикаторная диаграмма – это диаграмма изменения давления в цилиндре за цикл.
В
действительном (реальном) цикле ДВС для интенсификации отдельных процессов клапаны открываются и закрываются не в «мертвых» точках, а с некоторым опережением или запаздыванием. Поэтому все процессы действительного цикла не соответствуют тактам.
–впуск;
–сжатие;
–сгорание;
–расширение;
Процессы действительного рабочего цикла.
Процессы газообмена.
Э
то процессывпуска и выпуска, а ходы поршня называются насосные ходы.
Фазы газораспределения – это продолжительность и последовательность открытия клапанов. Задаются в виде углового положения кривошипа относительно ВМТ и НМТ.
выпускной клапан
–опережения открытия;
;
–запаздывание закрытия;
.впускной клапан
–опережения открытия;
;
–запаздывание закрытия;
.
–фаза перекрытия клапанов (открыты оба клапана)
(при наддуве).
Периоды процесса газообмена.
– выхлоп
В момент открытия выпускного клапана 
газ в цилиндре обладает избыточным давлением
. В результате большого перепада давления между цилиндром и атмосферой, до 90% газов покидают цилиндр самоистечением. При протекании газов вокруг выпускного клапана их скорость возрастает до сверхзвуковой, поэтому период выхлопа сопровождается шумом.
–выталкивание
меняется незначительно. 
–продувка камеры сгорания
П
родувка необходима для удаления продуктов сгорания из объема камеры сгорания (
). При этом часть свежей смеси теряется через выпускной коллектор.
–период наполнения
Происходит при движении поршня от ВМТ (разряжение).
При перемещении поршня к ВМТ в такте сжатия на начальном участке давление в цилиндре меньше 
и свежая смесь способна поступать в цилиндр. Когда давление в цилиндре превысит
, смесь поступает еще некоторое время по инерции за счет скоростного напора.
studfiles.net
15.1. Покажите в координатах p-V индикаторную диаграмму и обозначьте на ней начало и конец фаз процесса сгорания. Опишите, какие физические и химические факторы влияют на развитие каждой фазы сгорания.
Индикаторная диаграмма показана на рис. 5.6. Первая фаза I, начальная фаза сгорания, начинается в момент проскакивания искры и заканчивается, когда давление в цилиндре становится выше, чем при сжатии без сгорания. В этот период очаг горения между электродами свечи превращается в развитый фронт пламени. На длительность этой фазы влияют: 1) Состав смеси – при возрастания I растет. 2) Вихревое движение заряда – приводит к уменьшениюI. 3) Степень сжатия – с ростом увеличиваются температура и давление рабочей смеси, что способствует улучшению сгорания и уменьшению I. 4) Частота вращения - I~nm и чем сильнее возрастают мелкомасштабные пульсации при увеличении n, тем меньше m=0,5…1,0. 5) Нагрузка двигателя – при уменьшении нагрузки возрастает количество ОГ и уменьшается давление смеси, что приводит к увеличениюI. 6) Характеристики искрового разряда – чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность, тем меньше I. Вторая фаза II называется основной фазой сгорания и длится от конца первой фазы до момента достижения максимального давления в цикле. Длительность II определяется закономерностями крупномасштабного турбулентного горения. Интенсивность турбулентности пропорциональна n и при ее росте II во времени уменьшается, в градусах же ПКВ оставаясь неизменной. Уменьшению II способствует расположение свечи ближе к центру КС и усиление турбулизации. Третья фаза сгорания III (фаза догорания) начинается в момент достижения максимума давления. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентность меньше. На длительность III влияют те же факторы, что и на I, т.е. от которых зависит скорость мелкомасштабного турбулентного горения. С ростом увеличивается доля смеси, догорающей в пристеночных слоях и зазорах, что оказывает решающее влияние на длительность III. Фаза заканчивается с концом тепловыделения.
15.2. Что такое диссоциация продуктов сгорания, от чего она зависит и какие вызывает последствия?
При высоких температурах продукты сгорания разлагаются на более простые составные части. Этот процесс и называется термической диссоциацией, он идет с поглощением теплоты. Диссоциация зависит от состава ТВС (т.е. от и ост), от температуры и давления, т.е степени сжатия. Она приводит к снижению температуры цикла и потери теплоты.
15.3. Какое влияние на длительность фаз процесса сгорания оказывают скоростной и нагрузочный режимы?
Длительность первой фазы I~nm и чем сильнее возрастают мелкомасштабные пульсации при увеличении n, тем меньше m=0,5…1,0. По мере закрытия дроссельной заслонки увеличивается количество ОГ и уменьшается давление смеси, что приводит к увеличениюI, а также к ухудшению стабильности воспламенения. Длительность II определяется в основном закономерностями крупномасштабного турбулентного горения, а интенсивность турбулентности пропорциональна n и при ее росте II во времени уменьшается пропорционально изменению длительности всего цикла, в градусах же ПКВ оставаясь неизменной. Длительность III влияют те же факторы, что и на I, т.е. от которых зависит скорость мелкомасштабного турбулентного горения.
16. Нарушение процесса сгорания в двигателях с искровым зажиганием. 16.1. Как возникает и протекает детонационное сгорание?
Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается в результате поджатия (увеличение давления от сгорания) до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. Если для самовоспламенения хватит времени, то оно может приобрести взрывной характер. При этом возможно возникновение ударных волн, которые способствуют самовоспламенению оставшейся смеси. Сгорание в цилиндре ДсИЗ последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным. Скорость этих волн может достигать 1500 м/с, что во много раз превышает скорость фронта пламени.
16.2. Какие факторы оказывают определяющее влияние на появление детонации?
Детонация вызывается из-за поджатия (увеличение давления от сгорания) до температуры, превышающей температуру самовоспламенения, т.о. она зависит от температуры и давления в цилиндре, на которые оказывают влияние следующие факторы: 1) Степень сжатия – с ростом температура и давление детонации растут, они же и являются факторами, ограничивающими . – Детонационная стойкость бензина, выраженная октановым числом (это процентное содержание изооктана с ОЧ=100 в смеси его с Н-гептаном с ОЧ=0). 2) Угол опережения зажигания – снижая его можно уменьшить скорость нарастания давления и его максимальное значение. 3) Частота вращения – при увеличении n уменьшается время цикла, т.е. снижается возможность детонации. 4) Нагрузка – дросселирование связано с уменьшением температуры и давления, при снижении нагрузки склонность к детонации снижается.
16.3. Перечислите внешние признаки сгорания с детонацией. Какие отрицательные последствия вызывает длительная работа двигателя с сильной детонацией?
Сгорание в цилиндре ДсИЗ последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным. При отражении этих волн от стенок КС возникает металлический стук, который служит внешним признаком проявления детонации. При сильной детонации стук становится громче, мощность двигателя падает, а в отработавших газах появляется черный дым. Работа двигателя при сильной детонации связана с большими тепловыми и механическими нагрузками на ряд деталей, в результате чего могут обгореть кромки поршней и прокладки головки цилиндров, а также электроды свечи. Ударные волны разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра, которая после детонации сильно разрушается.
16.4. Выбор сочетания каких факторов обеспечивает отсутствие детонации?
Подавлению детонации способствуют следующие факторы, увеличивающие задержку самовоспламенения последней порции заряда: 1) Использование топлив с высоким октановым числом. ОЧ легких фракций меньше, чем тяжелых. При интенсивном разгоне тяжелые фракции поступают в цилиндр с задержкой, что вызывает детонацию. 2) Уменьшение угла опережения зажигания. При этом снижается скорость нарастания давление и его максимальное значение. 3) Увеличение частоты вращения. В этом случае становится меньше время развития предпламенных процессов детонации. 4) Нагрузка двигателя. Дросселирование связано с уменьшением давления и температуры в процессе сгорания. 5) Конструктивные меры. Снижение степени сжатия способствует уменьшению вероятности детонации.
16.5. Как возникает и развивается преждевременное воспламенение (калильное зажигание)? Какие факторы оказывают основное влияние на возникновение преждевременного воспламенения? К каким отрицательным последствиям может привести работа двигателя с преждевременным воспламенением?
Вследствие разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи, головки выпускного клапана, а также тлеющих частиц нагара воспламенение смеси может возникнуть во время процесса сжатия еще до появления искры. Воспламенившись от накаленных поверхностей смесь сгорает затем с нормальной скоростью, однако момент воспламенения оказывается неуправляемым и наступает все раньше и раньше. Обнаружить его трудно, т.к. его сопровождают глухие шумы. При возникновении КЗ сильно увеличиваются давление и температура, максимумы которых могут достигать еще до прихода в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Погасить возможно КЗ можно прикрытием дроссельной заслонки, иначе возможен выход двигателя из строя вследствие прогара поршня. Чтобы предупредить возникновение КЗ, следует предупредить эксплуатацию свечей с низким калильным числом.
studfiles.net
1. Общие сведения
В процессе сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую. Это превращение осуществляется в течение некоторого промежутка времени, когда поршень находится вблизи в. м. т.
Эффективность протекания процесса сгорания зависит от большого количества факторов и прежде всего от способа смесеобразования и воспламенения топлива. Поэтому в отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания необходимо рассматривать отдельно для двигателей с искровым зажиганием и дизелей.
Процесс горения топлива, его развитие и полное завершение в короткий срок представляют собой ряд сложных последовательных реакций.
Если температура рабочей смеси в начальный момент реакции сгорания низкая, то реакции кислорода с топливом практически не происходит. При высоких температурах скорость этой реакции возрастает и процесс сгорания происходит очень быстро 1.
Опыты показали, что скорость реакции зависит от состава горючей смеси, т. е. от коэффициента избытка воздуха, а воспламенение однородной горючей смеси возможно в определенных пределах изменения коэффициента избытка воздуха. За пределами этих значений коэффициента избытка воздуха воспламенить однородную смесь невозможно.
Наименьший коэффициент избытка воздуха ccmin, при котором можно воспламенить смесь, называют верхним концентрационным пределом распространения пламени. Наибольший коэффициент избытка воздуха amax, при котором еще можно воспламенить смесь, называют нижним концентрационным пределом распространения пламени.
Показано изменение скорости распространения пламени ин при сгорании смеси некоторых топлив с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В применяемых для двигателей углеводородных топливах наибольшие скорости имеют смеси при а = 0,85 -=- 0,9. Дальнейшее обогащение или обеднение смеси приводит к плавному снижению скорости распространения пламени до такого значения, при котором смесь не воспламеняется. При повышении температуры в момент воспламенения топлива ин увеличивается (пропорционально квадрату температуры), при повышении давления — несколько снижается.
В двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючая смесь, состоящая из горючего газа или паров жидкого топлива и воздуха, практически однородна и ее воспламенить за пределами воспламеняемости невозможно.
При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. Поэтому в карбюраторных двигателях при изменении нагрузки необходимо одновременно изменять количество поступающего в цилиндр топлива и воздуха так, чтобы при всех нагрузках горючая смесь находилась в пределах воспламеняемости. Количество поступающей в цилиндр горючей смеси в карбюраторном двигателе регулируется изменением положения дроссельной заслонки при одновременном изменении в узких пределах (а = 0,85 н — 1,15) состава горючей смеси в зависимости от нагрузки. Такое количественное регулирование состава смеси, когда при прикрытой дроссельной заслонке приходится использовать богатую смесь,снижает экономичность двигателя.
На рис. 53 в координатах р — Vпоказан участок индикаторной диаграммы процесса сгорания (штриховой линией отмечен процесс подвода теплоты в теоретическом цикле).
В действительном цикле, где сгорание происходит за некоторыйпромежутоквремени(около0,001сек),поршень успевает несколько переместиться от в. м. т. За период сгорания коленчатый вал поворачивается на 15—25°.
На рис. 53 внизу нанесены углы поворота коленчатого вала, соответствующие перемещению поршня. Как видно из диаграммы, за период сгорания (примерно 20° угла поворота коленчатого вала) поршень проходит небольшой путь SZi, при котором отклонение линии, характеризующей процесс сгорания, от линии V= constневелико. Поэтому трудно провести анализ протекания процесса сгорания в системе координат р — V. Удобнее рассматривать этот процесс в системе координат, где по оси ординат отложено давление р, а по оси абсцисс — угол поворота коленчатого вала ф. При испытаниях быстроходных двигателей такая диаграмма записывается индикатором.
Показана индикаторная диаграмма процессов сгорания и расширения четырехтактного карбюраторного двигателя с характерными точками цикла. Штриховыми линиями изображены процесс расширения, соответствующий случаю, когда электрическая искра в камеру сгорания не подавалась и топливо не воспламенялось, процесс подвода теплоты на участке cz (V= const) и начало расширения на участке zzxдиаграммы в теоретическом цикле.
Для быстрого сгорания рабочей смеси вблизи в. м. т., при котором достигается наилучшее использование теплоты, необходимо в камеру сгорания подать электрическую искру в тот момент, когда коленчатый вал на несколько градусов не доходит до в. м. т. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий проскакиванию искры до в. м. т., называют углом опережения зажигания и обозначают через фа. В зоне проскакивания искры она оказывает тепловое и электрическое воздействие на рабочую смесь. Если рабочая смесь находится в пределах воспламеняемости, возникает очаг воспламенения.
Опыты показали, что видимое пламя появляется не мгновенно в момент проскакивания искры, так как для его образования и химической подготовки смеси к сгоранию требуется некоторый промежуток времени, равный тысячным долям секунды. При проведенииэкспериментов,уголопережениябылвыбраннаивыгоднейший (20° до в. м. т.), который обеспечивает при данном скоростном режиме оптимальные показатели двигателя.
Несмотря на то, что электрическая искра иодавалась в камеру сгорания в точке 1, повышение давления от точки 1 до точки 2 происходит так, как если бы искра не проскакивала. При фотографировании камеры в этот период времени не обнаружено видимого процесса сгорания. В точке 2, соответствующей углу поворота коленчатого вала 8° до в. м. т. заметно начало резкого повышения давления. С этого момента в связи с расширением фронта пламени количество выделившейся теплоты резко увеличивается, что приводит к заметному повышению давления и температуры. Наибольшее давление было достигнуто при ф = 11° после в. м. т.
Анализ процесса сгорания по индикаторной диаграмме (рис. 54, в) показывает, что максимальная температура цикла достигается не при наибольшем давлении, а несколько позже. Это объясняется тем, что интенсивный процесс сгорания продолжается еще после того, как давление достигнет максимального значения. Однако вследствие движения поршня с возрастающей скоростью и происходящего при этом расширения газов давление начинает уменьшаться, чему способствует также увеличивающаяся отдача теплоты от газов к стенкам.
Наблюдение за развитием процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием можно вести несколькими способами. Наиболее наглядным из них является фотографирование процесса через специально вмонтированные в головку цилиндров кварцевые окна, способные выдержать высокие давления и температуру.
При фотографировании различных периодов процесса сгорания в камере сгорания обнаружено наличие светящегося контура, отделяющего сгоревшую смесь от несгоревшей. Этот контур, называемый фронтом пламени, представляет собой тонкий слой смеси, в котором развиваются реакции сгорания.
Развитие процесса сгорания на основании обработки результатов фотографирования камеры сгорания через весьма короткие промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала примерно на 2°, показано на рис. 54, б.
Волнообразными линиями изображен фронт распространения пламени при соответствующем угле поворота коленчатого вала дляслучая,когдаотсутствует направленное движениезаряда.
Окончание процесса видимого сгорания было зафиксировано при повороте коленчатого вала на 14—16° после в. м. т.
На рис. 54, б показано среднее значение скорости распространения пламени ин в зоне, где происходит наиболее интенсивное развитие процесса сгорания (средняя зона камеры сгорания). К концу процесса, развивающегося в пристеночных слоях и в зонах, где нет интенсивного движения заряда, скорость существенно снижается.
При наличии направленного движения заряда развитие процесса значительно ускоряется. В современных быстроходных автомобильных двигателях скорость распространения пламени в средней зоне камеры достигает 60 м/сек.
Процесс сгорания можно разделить на три фазы (рис. 54, а):
Первая фаза — от момента проскакивания электрической искры до начала резкого повышения давления по индикаторной диаграмме характеризуется углом 6jи называется начальной фазой сгорания. Она включает период, в течение которого возникает небольшой очаг горения в зоне высоких температур между электродами свечи (в момент разряда температура достигает примерно 10 000° К), и период появления видимого начального очага воспламенения. За время, соответствующее первой фазе, сгорает 6—8% горючей смеси.
Вторая — основная фаза сгорания характеризуется углом 6ц от момента начала резкого повышения давления до момента достижения максимального давления Рг]тах (от точки 2 до точки 3). В течение этого периода пламя распространяется в большей части объема рабочей смеси и выделяется наибольшее количество теплоты. За время второй фазы сгорает около 80% горючей смеси.
Вторую фазу сгорания при наличии индикаторной диаграммы оценивают по скорости нарастания давления на каждый градус угла поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины, называемой жесткостью процесса,определяется отношением.
При необходимости оценить величину наибольшего приращениядавления (-г^)учитывают толькопрямолинейныйучасток нарастания давления в процессе сгорания (от точки к до точки I).
Третья фаза, обозначаемая 6Ш, начинается в точке 3 индикаторной диаграммы и характеризует догорание топлива. Окончание этой фазы зафиксировать на индикаторной диаграмме затруднительно, поскольку не представляется возможным установить момент, когда сгорает все топливо. В двигателях с искровым зажиганием топлива продолжительность третьей фазы невелика, и процесс сгорания при правильном его осуществлении заканчивается полностью на первой половине хода поршня в процессе расширения.
Величина средней жесткости процесса в этих двигателях составляет 1—2 бар/град.
2. Факторы, влияющие на продолжительность и качество сгорания
Влияние угла опережения зажигания. Для того чтобы основная масса рабочей смеси сгорала в процессе расширения вблизи в. м. т., необходимо, учитывая продолжительность начальной фазы сгорания, подавать электрическую искру с некоторым опережением до в. м. т., соответствующим нескольким градусам поворота коленчатого вала.
На рис. 55 показаны индикаторные диаграммы карбюраторного двигателя, снятые при различных углах опережения зажигания и одинаковом положении дроссельной заслонки.
Диаграмма, изображенная на рис. 55, а, получена при установке наивыгоднейшего угла опережения зажигания. Своевременная подача искры обеспечила развитие процесса сгорания вблизи в. м. т. В этом случае была получена наибольшая мощность двигателя и наилучшая его экономичность.
При установке слишком большого угла опережения зажигания (рис. 55, б) процесс сгорания начался до прихода поршня в в. м. т., давление резко увеличилось и достигло наибольшей величины еще при движении поршня к в. м. т. Затем наблюдается снижение давления и вблизи в. м. т. получается «петля», заштрихованная площадь которой определяет непроизводительно затраченную работу. Слишком раннее зажигание приводит к уменьшению мощности и ухудшению экономичности двигателя. Установка чрезмерно большого угла опережения зажигания может вызвать ненормальное детонационное сгорание.
При очень малом угле опережения зажигания (рис. 55, в) процесс сгорания происходит во время расширения, когда поршень уже находится далеко от в. м. т. В результате позднего сгорания мощность и экономичность двигателя ухудшаются, температура отработавших газов в процессе расширения и выпуска повышается и двигатель перегревается.
Наивыгоднейший угол опережения зажигания зависит от всех перечисленных выше факторов, влияющих на процесс сгорания. Выбор его производится при испытании двигателя на тормозном испытательном стенде. Метод выбора наивыгоднейшего угла опережения приводится в § 41. Влияние состава рабочей смеси. Состав рабочей смеси, определяемый коэффициентом избытка воздуха, оказывает значительное влияние на процесс сгорания. Опыты показали, что процесс сгорания имеет наименьшую продолжительность тогда, когда рабочая смесь воспламеняется при коэффициенте избытка воздуха а == 0,8 -=—^0,9, при котором достигается наибольшая скорость распространения фронта пламени. При зтих значениях коэффициента избытка воздуха начальная фаза процесса сгорания сокращается, а основная развивается быстро и при правильном выбранном угле опережения зажигания протекает вблизи в. м. т., обеспечивая наивысшие значения давления pzи наибольшую работу цикла.
При а > 0,9 продолжительность сгорания увеличивается главным образом из-за увеличения начальной фазы.
На рис. 56, а—в, показаны осциллограммы, снятые в следующих один за другим циклах при трех значениях коэффициента избытка воздуха. При а = 0,98 и особенно при а = 1,14 развитие процесса сгорания в последовательных циклах нестабильно и в отдельных циклах наблюдается очень медленное его развитие. При дальнейшем обеднении смеси все большее количество последовательных циклов протекает при медленном развитии процесса сгорания, что приводит к неустойчивой и неэффективной работе двигателя. Обеднение смеси сверх определенного предела, зависящего от формы камеры сгорания, степени сжатия и нагрузки двигателя, приводит к невозможности воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси.
Возможность получения наибольшей работы цикла при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8 н — 0,9 используется в автомобильных карбюраторных двигателях. Если по условиям движения автомобиля необходимо, чтобы двигатель развивал наибольшую мощность, дроссельную заслонку полностью открывают при одновременном включении экономайзера.
При работе двигателя на обогащенной рабочей смеси для получения наибольшей мощности не обеспечиваются условия достижения наилучшей экономичности. Ухудшение экономичности является следствием химической неполноты сгорания топлива из-за недостатка кислорода (а << 1).
Наилучшая экономичность в современных автомобильных карбюраторных двигателях достигается при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05 -т — 1,15. В этом случае, хотя процесс сгорания протекает медленно и работа цикла уменьшается, все топливо сгорает полностью. В результате этого при указанных значениях а использование теплоты в действительном цикле будет наилучшим, а его индикаторный к. н. д. наивысшим.
В связи с изменением скорости сгорания в зависимости от состава рабочей смеси меняется наивыгоднейший угол опережения зажигания.
Влияние скорости вихревого движения рабочей смеси. Увеличение скорости вихревого движения рабочей смеси способствует ускорению развития фронта пламени и резкому уменьшению общей продолжительности сгорания вследствие сокращения его второй фазы. Опыты показали, что скорость распространения пламени в карбюраторных двигателях при вихревом движении рабочей смеси составляет 15—60 м/сек, т. е. в 8—12 раз больше, чем когда оно отсутствует.
Вихревое движение рабочей смеси в цилиндре возникает в процессе впуска свежего заряда. Для увеличения скорости вихревого движения рабочей смеси в период сгорания, когда поршень приближается к в. м. т., применяют камеры сгорания с вытеснителем. В такой камере сгорания при приближении поршня к в. м. т. в зоне, противоположной размещению свечи зажигания, образуется небольшой (около 1 мм) зазор между поршнем и головкой цилиндров, из которого заряд вытесняется в направлении к свече зажигания; при этом происходит усиление вихревого движения. При наличии вытеснителя, в котором сгорает последняя порция топлива, уменьшается возможность возникновения детонационного сгорания.
Влияние числа оборотов. При повышении числа оборотов двигателя, время, отводимое на осуществление процесса сгорания, сокращается прямо пропорционально увеличению числа оборотов. Рассмотрим зависимость от числа оборотов фаз сгорания. С повышением числа оборотов время начальной фазы сгорания 6iнесколько сокращается, но это сокращение не пропорционально росту числа оборотов, вследствие этого длительность фазы 6ь выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала, увеличивается.
Из-за усиливающейся интенсивности движения заряда скорость распространения фронта пламени при увеличении числа оборотов растет так, что продолжительность основной фазы сгорания 6 ц поуглу поворотаколенчатоговалапрактическинеменяется.
С увеличением числа оборотов возрастает также длительность фазы сгораниявш-
Для компенсации увеличения угла поворота коленчатого вала, соответствующего фазе 6ь и получения оптимальных условий для сгорания, когда этот процесс происходит вблизи в. м. т., необходимо при повышении числа оборотов увеличивать угол опережения зажигания.
Изменение угла опережения зажигания производится автоматически действующим центробежным регулятором.
Влияние нагрузки двигателя. При снижении нагрузки двигателя дроссельную заслонку прикрывают,уменьшаяколичество свежей смеси, поступающей в цилиндр. При этом начальные и конечные значения давления и температуры понижаются. Количество остаточных газов остается при этом неизменным, а коэффициент остаточных газов увеличивается и, следовательно, свежая смесь больше загрязняется инертными газами. В результате этого ухудшаются условия воспламенения смеси, уменьшается скорость распространения пламени и увеличивается продолжительность начальной и основной фаз процесса сгорания.
При прикрытии дроссельной заслонки вследствие уменьшения скорости движения воздуха в диффузоре процесс смесеобразования ухудшается.
Частичное улучшение процесса сгорания при прикрытой дроссельной заслонке достигается специальной регулировкой состава горючей смеси в зависимости от положения дросселя и изменением угла опережения зажигания.
Состав горючей смеси регулируется так, чтобы при прикрытии дроссельной заслонки от положения, при котором обеспечивается наилучшая экономичность двигателя (а = 1,05 — н 1,15), смесь обогащалась. Обогащение смеси способствует ускорению процесса сгорания. Увеличение угла опережения зажигания, производимое автоматически с помощью вакуум-корректора, обеспечивает протекание второй фазы сгорания ближе кв. м. т. При обогащении смеси (а <; 1) из-за химической неполноты сгорания топлива часть теплоты не выделяется, вследствие чего расход топлива резко возрастает. Одновременно с этим с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу большое количество продуктов неполного сгорания, содержащих отравляющие вещества (окись углерода и другие ядовитые вещества).
Влияние степени сжатия. При увеличении степени сжатия давление и температура в конце процесса сжатия возрастают. С увеличением температуры и давления подготовка топлива к сгоранию ускоряется и скорость распространения пламени повышается. В результате этого общая продолжительность процесса сгорания уменьшается и показатели работы двигателя улучшаются. При увеличении степени сжатия угол опережения зажигания уменьшают.
Следует отметить, что повышение степени сжатия дает положительный эффект, если не возникает детонационного сгорания, преждевременного или последующего самовоспламенения.
Влияние формы камеры сгорания и размещения свечи зажигания. Форма камеры сгорания и расположение в ней свечи зажигания существенно влияют на продолжительность процесса сгорания. Наиболее удачной является такая форма камеры сгорания, в которой расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленной точки будет наименьшим.
На рис. 57 показаны наиболее распространенные формы камер сгорания. При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания создаются наилучшие условия для сгорания рабочей смеси, так как фронт пламени от свечи может распространяться равномерно во все стороны. Процесс сгорания в случае применения клиновидной и полуклиновой камер сгорания с клапанами, расположенными под углом, и смещенной относительно центра свечей зажигания улучшается вследствие наличия небольшого зазора между днищем поршня и головкой цилиндров (вытеснителя) в наиболее удаленной от свечи зажигания части камеры, где происходит сгорание последней порции рабочей смеси. Такое устройство камеры сгорания обеспечивает возможность бездетонационного сгорания последней порции рабочей смеси, увеличивает объем смеси, находящейся вблизи источника зажигания, и создает дополнительное вихревое движение заряда.
Полуклиновая камера сгорания получила широкое распространение в автомобильных двигателях (двигатели ЗИЛ-130, ГАЗ-21, МЗМА-408).
При нижнем размещении клапанов применяется камера сгорания, показанная на рис. 57, д. Эта камера сгорания характеризуется интенсивным вихревым движением рабочей смеси в конце процесса сжатия вследствие вытеснения из зазора между поршнем и головкой цилиндра в направлении к источнику зажигания.
Указанная камера сгорания применялась на двигателях ЗИЛ-120, ГАЗ-51 и ГАЗ-20; на двигателях новой конструкции она не используется.
При сравнительно больших диаметрах цилиндра для ускорения процесса сгорания и обеспечения безотказной работы двигателя иногда устанавливают две свечи зажигания. Такое же мероприятие целесообразно применять и в газовых двигателях, где скорость меньше, чем в карбюраторных.
3. Детонационное сгорание. Факторы, влияющие на появление детонации
При некоторых условиях в двигателях с искровым зажиганием возникают звенящие металлические стуки, которые являются признаком детонационного сгорания топлива. При слабой детонации они появляются через некоторые интервалы и похожи на стуки, возникающие при увеличении зазора между верхней втулкой шатуна и поршневым пальцем. С увеличением интенсивности детонации в цилиндре двигателя слышатся сильные непрерывные стуки. При этом работа двигателя становится неустойчивой, уменьшается число оборотов коленчатого вала, поршень, цилиндр и головка цилиндров перегреваются и появляется черный дым в отработавших газах.
В случае длительной работы двигателя с детонационным сгоранием возможно обгорание кромок поршня, прокладки между цилиндрами и головкой блока, а также электродов и изоляторов свечи зажигания. Местные высокие давления, возникающие при детонации, создают повышенные ударные нагрузки на кривошиппо-шатунный механизм и вызывают разрушения антифрикционного слоя в шатунных подшипниках. Из-за разрушения масляной пленки, а также под воздействием содержащихся в продуктах сгорания активных веществ усиливается износ гильз цилиндров в верхней части.
По указанным выше причинам длительная работа двигателя с детонацией недопустима.
Опыты показали, что в процессе сгорания перед фронтом пламени вследствие расширения продуктов сгорания несгоревшая рабочая смесь сжимается, и ее температура повышается. В результате повышения температуры и давления несгоревшей части рабочей смеси в ней возникают химические реакции окисления молекул топлива и образуются перекисные соединения. При достаточно высоких давлениях и температуре эти соединения воспламеняются еще до того, как к этой части рабочей смеси приблизится фронт пламени. Начавшийся процесс сгорания распространяется с весьма высокой скоростью на соседние слои рабочей смеси, где также произошли предварительные реакции окисления.
В результате такого развития процесса сгорания возникают ударные волны, которые распространяются с большой скоростью по всему объему камеры сгорания и, отражаясь от стенок, вызывают металлические стуки. Попадая в зоны, где указанные химические реакции близки к завершению, эти ударные волны вызывают детонационный взрыв. Распространение детонационной волны происходит со скоростью 2000—2300 м/сек.
Опытным путем установлено, что детонационное сгорание, как правило, возникает в зоне камеры сгорания, наиболее удаленной от свечи зажигания, где рабочая смесь сгорает в последнюю очередь и наиболее подвержена сжатию газами, образовавшимися от сгоревшего топлива, и воздействию высоких температур.
На рис. 58 показана индикаторная диаграмма детонационного сгорания: процессы сгорания и расширения имеют пикообразный характер протекания кривой давления.
На возникновение детонации влияют различные факторы. Степень сжатия. При увеличении степени сжатия температура и давление в конце процесса сжатия возрастают, что способствует возникновению детонации. Поэтому пределом увеличения степени сжатия является такое ее значение, при котором возникает детонационное сгорание. При прочих равных условиях возможное повышение степени сжатия зависит от октанового числа топлива и применяемой формы камеры сгорания. Поэтому степень сжатия для данного двигателя выбирают с учетом предназначаемого для него топлива и типа камеры сгорания.
Рис. 58. Индикаторнаядиаграмма карбюраторного двигателя при детонационномсгорании
Форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания. Форма камеры сгорания в известной мере определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре (см. рис. 57, б) так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допускаемую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации. При использовании камеры сгорания с вытеснителем (см. рис. 57, в, г и д), улучшается отвод теплоты от сгорающей в последнюю очередь части рабочей смеси, и склонность двигателя к детонации снижается.
Размер и число цилиндров. При больших диаметрах цилиндра путь пламени до наиболее удаленной точки камеры сгорания увеличивается, что способствует возникновению детонации. В этом случае для получения бездетонационного сгорания устанавливают две свечи зажигания, располагая их в диаметрально противоположных концах.
В многоцилиндровых двигателях с внешним смесеобразованием возможно возникновение детонации в отдельных цилиндрах из-за неравномерного распределения смеси по цилиндрам. Склонность к детонации появляется в тех цилиндрах, в которые поступает обогащенная горючая смесь (а = 0,8 -=- 0,9).
Материал головки цилиндров и поршня. Склонность двигателя к детонации можно уменьшить, улучшив отвод теплоты от деталей, образующих камеру сгорания. С этой целью для изготовления головки цилиндров и поршня следует применять материал, обладающий большой теплопроводностью. Использование алюминиевого сплава, имеющего по сравнению с чугуном большую теплопроводность, позволяет при том же топливе несколько-повысить допустимую степень сжатия.
Состав рабочей смеси. Наибольшую склонность к детонации имеет рабочая смесь при коэффициенте избытка воздуха а = = 0,8 ~г 0,9, так как при этом скорость сгорания, температура, и давление оказываются наибольшими, что способствует возникновению детонации.
Число оборотов коленчатого вала. При увеличении числа оборотов уменьшается время для химической подготовки топлива. Кроме того, из-за повышения сопротивления во впускной системе коэффициент остаточных газов возрастает. В результате этого температура и давление в процессе сгорания уменьшаются. Совместное действие этих факторов приводит к тому, что с увеличением числа оборотов склонность двигателя к детонации снижается.
Нагрузка двигателя. При уменьшении нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки увеличивается коэффициент остаточных газов, а давление и температура конца сжатия снижаются. Оба эти фактора уменьшают склонность двигателя к детонации.
Угол опережения зажигания. При увеличении угла опережения зажигания процесс сгорания развивается ближе к в. м. т., повышая давление и температуру во второй фазе процесса сгорания,чтоспособствуетвозникновению детонации.
Нагарообразование. При отложении нагара на днище поршня и поверхности головки цилиндров, обращенной к камере сгорания, отвод теплоты от них уменьшается и температура поверхности, ограничивающей камеру сгорания, повышается. Кроме того, по мере отложения нагара несколько увеличивается степень-сжатия.
Оба эти фактора приводят к повышению температуры и давления рабочей смеси, что способствует появлению детонационного-сгорания.
В случае необходимости эксплуатации двигателя с нагаром на деталях, следует уменьшить угол опережения зажигания.
Охлаждение двигателя. Часть теплоты отработавших газов-через стенки отводится в охлаждающую среду. При уменьшении отвода теплоты возникает перегрев внутренних поверхностей цилиндра, поршня и головки цилиндров, что приводит к возникновению детонационного сгорания.
4. Преждевременное самовоспламенение
В некоторых случаях при наличии сильно нагретых (более 700—800° С) зон на поверхности головки, выпускного клапана и электродов свечи или тлеющих частиц нагара возможно самовоспламенение заряда до того, как будет подана искра.
Индикаторная диаграмма в случае преждевременного воспламенения имеет вид, показанный на рис. 59, а. При таком ненормальном процессе воспламенения, сопровождающемся глухими стуками, мощность двигателя снижается, увеличиваются потери теплоты и, вследствие резкого повышения давления в процессе сжатия, возникают дополнительные динамические нагрузки на шатунно-кривошипный механизм.
5. Последующее самовоспламенение
В форсированных автомобильных карбюраторных двигателях, имеющих высокие степени сжатия и использующих высокооктановые топлива с антидетонаторами, после того как процесс сгорания начался, в отдельных зонах камеры сгорания возникают очаги самовоспламенения от частиц тлеющего нагара, отслаивающихся от стенок. В результате этого в камере сгорания распространяются дополнительные фронты пламени, резко увеличивающие скорость повышения давления в основной фазе сгорания и максимальное давление цикла. В этом случае процесс сгорания сопровождается резким стуком (грохотом), а индикаторная диаграмма имеет вид, показанный на рис. 59, б.
Последующее самовоспламенение большей частью возникает при переходе от малых нагрузок к полным.
maestria.ru
Степень сжатия двигателей с искровым зажиганием составляет от 7 до 11. Увеличение степени сжатия существенно повышает индикаторные показатели ηiи pi улучшает условия воспламенения, что позволяет на частичных нагрузках обеднять смесь. С ростом ε уменьшается поверхность камеры сгорания, но возрастает температура в цилиндре, поэтому теплообмен между рабочим телом и стенками камеры сгорания может проходить более интенсивно. При увеличении е растут механические и тепловые нагрузки налетали двигателя, выбросы N0х и СН, повышаются требования к октановому числу топлива.
Размеры цилиндра влияют на процессы теплообмена. С увеличением диаметра цилиндра для обеспечения работы без детонации следует использовать топливо с более высоким октановым числом. Увеличение D при неизменной е из-за снижения теплоотвода в стенки повышает ηi.
Состав смеси существенно влияет на процесс сгорания и на индикаторные показатели (рис. 6.1, а). Максимальные значения ηi и pi зависят от протекания процесса сгорания, конструкции двигателя, а также от частоты вращения и положения дроссельной заслонки.
Максимум ηi достигается при обедненных смесях (α = 1,05...1,1), что обусловлено улучшением полноты сгорания и ростом доли в продуктах сгорания двухатомных газов. При этом получается оптимальное сочетание полноты и скорости сгорания с теплоотводом в стенки. Дальнейшее обеднение смеси приводит к существенному снижению скорости ее сгорания и к возникновению пропусков воспламенения. По этой причине сгорание будет заканчиваться позже, а отвод теплоты в стенки увеличится.
Максимальное значение pi достигается при несколько обогащенных смесях, при которых сгорание происходит с максимальной скоростью.
При полностью открытой дроссельной заслонке ηi достигает максимума при α= 1,1 ... 1.3, а pi — при α = 0,85... 0,95.
Угол опережения зажигания определяет положение процесса сгорания топлива относительно ВМТ. Каждому режиму работы двигателя (сочетанию степени открытия дроссельной заслонки, коэффициента избытка воздуха α и частоты вращения n) соответствует свое оптимальное значение угла φо.з. опт, при котором одновременно достигают максимума ηiи pi.
При φо.з.>φо.з. опт (раннее зажигание) интенсивно увеличиваются максимальная температура Тz и давление цикла рz. Это вызывает повышенные тепловые потери в систему охлаждения, а также утечки газов через поршневые кольца.
При φо.з.<φо.з. опт (позднее зажигание) сгорание переносится на линию расширения и выделившаяся теплота превращается в работу в течение меньшей части хода поршня, а тепловые потери с отработавшими газами и в систему охлаждения возрастают.
Частота вращения (при ее увеличении) интенсифицирует в цилиндре движение рабочего заряда и сгорание. При этом время, отводимое на цикл, уменьшается, а продолжительность сгорания в градусах ПКВ несколько увеличивается. Для оптимизации процесса приходится увеличивать φо.з., что выполняет центробежный регулятор опережения зажигания или микропроцессорная система управления. При увеличении n кроме того сокращаются утечки газов через кольца и теплоотвод в систему охлаждения. Поэтому ηi и pi несколько возрастают (рис. 6.2, а).
Рис. 6.2. Зависимости индикаторных показателей от частоты вращения коленчатого вала (а) и нагрузки (б): 1 — двигатель с искровым зажиганием; 2 — дизель
Нагрузка двигателя при прикрытии дроссельной заслонки и постоянной частоте вращения снижается.. Условия воспламенения и сгорания в двигателе ухудшаются из-за повышения доли остаточных газов в рабочей смеси и снижения давления в цилиндре.
Кроме того возрастают относительные тепловые потери в систему охлаждения и с отработавшими газами. Для компенсации уменьшения скорости сгорания увеличивают угол опережения зажигания. Эту операцию выполняет вакуум-регулятор или микропроцессорная система управления.
В зависимости от нагрузки система питания двигателя формирует состав смеси. На средних нагрузках ηi достигает наибольшего значения при αэк = 1,1... 1,3. Максимум pi получают при полностью открытой дроссельной заслонке при αм = 0,8...0,95. По мере прикрытия заслонки количество свежей смеси уменьшается (количественное регулирование нагрузки) и pi, снижается.
Скорость движения заряда должна иметь на каждом режиме работы двигателя определенное оптимальное значение. Для этого используются профилированные (тангенциальные или вихревые) впускные каналы, а также специальные заслонки, изменяющие направление потока. Если скорость заряда превышает оптимальную, то из-за увеличения теплоотдачи в стенки ηi уменьшается.
studfiles.net
| Параметр | Бензиновый двигатель | Дизель без наддува | Дизель с наддувом |
| Степень сжатия ε Давление в конце сжатия рc , МПа Температура в конце сжатия Тc ,К | 7,5... 10 1,2...2,2 600... 900 | 15...23 2,9...6,0 700... 900 | 12... 15 до 8,0 1000 |
Лекция 4: ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ.1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.
2. Воспламенение и сгорание топлива.
3. Нарушения сгорания.
4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.Процессы смесеобразования и сгорания в двигателе с искровым зажиганием определяются физико-химическими свойствами топлива, способом его подачи (для бензина впрыскивание или карбюрация) или смесителем газового двигателя, а также режимом его работы.1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.
Комплекс взаимосвязанных процессов дозирования топлива и воздуха, распыливания и испарения топлива, а также перемешивания топлива с воздухом называется смесеобразованием. От состава и качества топливовоздушной смеси, полученной при смесеобразовании, зависит эффективность процесса сгорания.
В четырехтактных двигателях обычно организуют внешнее смесеобразование, которое начинается дозированием топлива и воздуха в форсунке, карбюраторе или в смесителе (газовый двигатель), продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре двигателя.
Различают два типа впрыскивания топлива: центральное — впрыскивание топлива во впускной трубопровод и распределенное — впрыскивание во впускные каналы головки цилиндров.Распыливание топлива при центральном впрыскивании и в карбюраторах начинается в период, когда струя топлива после ее выхода из отверстия форсунки или распылителя под воздействием сил аэродинамического сопротивления и за счет высокой кинетической энергии воздуха распадается на пленки и капли различных диаметров. По мере движения капли дробятся на более мелкие. С повышением мелкости распыливания растет суммарная поверхность капель, что приводит к более быстрому превращению топлива в пар.
С увеличением скорости воздуха мелкость и однородность распыливания улучшаются, а при большой вязкости и поверхностном натяжении топлива — ухудшаются. Так, при пуске карбюраторного двигателя распыливания топлива практически нет.
При впрыскивании бензина качество распыливания зависит от давления впрыскивания, формы распыливающих отверстий форсунки и скорости течения топлива в них.
В системах впрыскивания наибольшее применение получили электромагнитные форсунки, к которым топливо подводится под давлением 0,15...0,4 МПа для получения капель требуемого размера.
Распыливание пленки и капель топлива продолжается при движении топливовоздушной смеси через сечения между впускным клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках — в щели, образуемой прикрытой дроссельной заслонкой.
Образование и движение пленки топлива возникает в каналах и трубопроводах впускной системы. При движении топлива из-за взаимодействия с потоком воздуха и гравитации оно частично оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную пленку. Из-за действия сил поверхностного натяжения, сцепления со стенкой, тяжести и других сил скорость движения пленки топлива в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси. С пленки потоком воздуха могут срываться капельки топлива (вторичное распыливание).
При впрыскивании бензина обычно в пленку попадает 60...80 % топлива. Ее количество зависит от места установки форсунки, дальнобойности струи, мелкости распыливания, а в случае распределенного впрыскивания в каждый цилиндр — и от момента его начала.
В карбюраторных двигателях на режимах полных нагрузок и малой частоты вращения до 25% от общего расхода топлива попадает в пленку на выходе из впускного трубопровода. Это связано с небольшой скоростью потока воздуха и недостаточной мелкостью распыливания топлива. При прикрытии дроссельной заслонки количество пленки во впускном трубопроводе меньше из-за вторичного распыливания топлива около заслонки.Испарение топлива необходимо для получения однородной смеси топлива с воздухом и организации эффективного процесса сгорания. Во впускном канале, до поступления в цилиндр, смесь является двухфазной. Топливо в смеси находится в газовой и жидкой фазах.
При центральном впрыскивании и карбюрации для испарения пленки впускной трубопровод специально подогревают жидкостью из системы охлаждения или отработавшими газами. В зависимости от конструкции впускного тракта и режима работы на выходе из впускного трубопровода в горючей смеси топливо на 60...95 % находится в виде паров.
Процесс испарения топлива продолжается и в цилиндре во время тактов впуска и сжатия, а к началу сгорания топливо испаряется практически полностью.
При распределенном впрыскивании топлива на тарелку впускного клапана и работе двигателя на полной нагрузке испаряется 30...50 % цикловой дозы топлива до поступления в цилиндр. При впрыскивании топлива на стенки впускного канала доля испарившегося топлива возрастает до 50...70 % благодаря увеличению времени на его испарение. Подогрев впускного трубопровода в этом случае не нужен.
Условия для испарения бензина на режимах холодного пуска ухудшаются, а доля испарившегося топлива перед поступлением в цилиндр при этом составляет лишь 5... 10%.
Неравномерность состава смеси, поступающей в разные цилиндры двигателя, при центральном впрыскивании и карбюрации определяется разной геометрией и длиной каналов (неодинаковым сопротивлением ветвей впускного тракта), разницей скоростей движения воздуха и паров, капель и, главным образом, пленки топлива.
При неудачной конструкции впускного тракта степень равномерности состава смеси может достигать ±20%, что существенно снижает экономичность и мощность двигателя.
Неравномерность состава смеси зависит также от режима работы двигателя. При центральном впрыскивании и в карбюраторном двигателе с ростом частоты вращения улучшаются распыливание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении нагрузки двигателя.
При распределенном впрыскивании неравномерность состава смеси по цилиндрам зависит от идентичности работы форсунок. Наибольшая неравномерность возможна на режиме холостого хода при малых цикловых дозах.
Организация внешнего смесеобразования газовых автомобильных двигателей подобна карбюраторным двигателям. Топливо в воздушный поток вводится в газообразном состоянии. Качество топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании зависит от температуры кипения и коэффициента диффузии газа. При этом обеспечивается формирование практически однородной смеси, а ее распределение по цилиндрам равномернее, чем в карбюраторных двигателях.2. Воспламенение и сгорание топлива.Для получения высокого индикаторного КПД двигателя необходимо полностью и своевременно сжечь топливо и выделить топливо при нахождении поршня вблизи ВМТ. Скорость сгорания смеси зависит от ее однородности и турбулизации в камере сгорания. О качестве сгорания можно судить по индикаторной диаграмме (рис. 4.1), на которой условно выделяют три фазы. 
Рис. 4.1. Индикаторная диаграмм двигателя с искровым зажиганием.
Первая фаза θI, называется начальной фазой сгорания или фазой формирования фронта пламени. Она начинается в момент подачи электрической искры и заканчивается, когда давление в результате выделения теплоты в цилиндре будет выше, чем при сжатии смеси без сгорания. В этой фазе очаг горения формируется в зоне между электродами свечи при высоких температурах, а затем превращается во фронт пламени. В этот период сгорает 2... 3 % топлива. На длительность θI влияют следующие факторы.
Состав смеси: максимальная скорость сгорания и, следовательно, наименьшее значение иI соответствует составу смеси при α = 0,8... 0,9; значительное обеднение смеси резко ухудшает стабильность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.
Вихревое движение заряда: сокращению длительности θI, способствует интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре при применении винтовых или тангенциальных впускных каналов.
Степень сжатия: высокие значения ε увеличивают температуру и давление рабочей смеси; при этом растет скорость сгорания и уменьшается длительность θI.
Частота вращения: длительность θI в градусах ПКВ возрастает с увеличением частоты вращения.
Нагрузка двигателя: при прикрытии дроссельной заслонки растет доля отработавших газов в рабочей смеси, снижается ее давление и ухудшается стабильность воспламенения, что увеличивает длительности θI.
Характеристики искрового разряда: с ростом пробивного напряжения, длительности и стабильности разряда θIуменьшается.Вторая фаза θIIназывается основной фазой сгорания. Она длится до момента достижения максимального давления цикла рZ. Длительность θII определяется турбулентным горением, при котором максимальная скорость распространения пламени может составить 60 ...80 м/с. В ней сгорает 80...85 % топлива. Обычно эффективный КПД ηe достигает максимального значения, если вторая фаза сгорания располагается симметрично относительно ВМТ; при полной нагрузке θII= 25...30°.
При повышении частоты вращения длительность второй фазы по времени уменьшается пропорционально изменению длительности всего цикла, а в градусах ПКВ она практически не изменяется из-за турбулизации заряда и повышения скорости фронта пламени.
При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания значение θII уменьшается.
Сгорание в конце фазы θII не заканчивается, поэтому средняя температура цикла возрастает и достигает максимального значения после максимума давления (pzmax).Третья фаза θIII называется фазой догорания. Она начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельные объемы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. Момент окончания этой фазы определяется концом тепловыделения и на диаграмме не виден.
3. Нарушения сгорания.Детонационное сгорание в цилиндре двигателя представляет собой сгорание последних частей заряда в результате его объемного самовоспламенения. Оно сопровождается возникновением ударных волн, скорость которых может в десятки раз превышать скорость распространения фронта турбулентного пламени и достигать 1500 м/с.
В процессе сгорания часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, в результате увеличения давления от сгорания нагревается до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. В ней могут возникать очаги воспламенения. При достаточном времени в камере сгорания возможно образование и распространение ударных волн, которые также способствуют самовоспламенению рабочей смеси.
На индикаторных диаграммах детонация проявляется в виде пиковых колебаний давления (рис. 4.2, а, б). Внешним признаком детонационного сгорания является звонкий металлический стук, возникающий вследствие отражения ударных волн от стенок камеры сгорания. С увеличением детонации стуки становятся громче, мощность двигателя падает, а в отработавших газах наблюдается черный дым. При детонации растут тепловые и механические нагрузки на детали КШМ, а в результате продолжительной детонации оплавляются кромки поршней, обгорают прокладки головок цилиндров и электроды свечи, разрушаются подшипники коленчатого вала.
Рис. 4.2. Виды индикаторных диаграмм при нарушениях процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием: а — слабая детонация; б — сильная детонация; в — преждевременное воспламенениеМероприятия по подавлению детонации:
• использование топлив с октановым числом, соответствующим требованиям завода-изготовителя. У легких фракций бензина октановое число меньше, чем у средних и тяжелых. При быстром открытии дроссельной заслонки тяжелые фракции бензина поступают в цилиндр с некоторым опозданием, поэтому в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива возможно появление детонации;
• уменьшение угла опережения зажигания для снижения максимального давления и скорости нарастания давления цикла;
• увеличение частоты вращения приводит к интенсификации процесса сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени. При этом также растет концентрация отработавших газов в рабочей смеси, что снижает вероятность возникновения детонации;
• уменьшение нагрузки двигателя прикрытием дроссельной заслонки приводит к снижению давления и температуры процесса сгорания и увеличению доли отработавших газов в рабочей смеси;
• конструктивные мероприятия по снижению вероятности появления детонации сводятся к усилению турбулизации заряда, улучшению охлаждения последних порций заряда, уменьшению пути, проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных частей камеры сгорания, уменьшению диаметра цилиндра, снижению степени сжатия.Преждевременное воспламенение возникает во время процесса сжатия (до момента появления искры) от накаленных (выше 700...800 °С) зон центрального электрода свечи, головки выпускного клапана, тлеющих частиц нагара. При этом возрастают температура и давление цикла, происходит перегрев двигателя и уменьшение его мощности (рис. 4.2, в). Длительная работа в таком режиме может привести к прогоранию поршня. Для устранения преждевременного воспламенения необходимо быстро закрыть дроссельную заслонку. В эксплуатации следует использовать свечи с требуемым высоким калильным числом.Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании возникает в двигателе с ε > 8,5, когда в конце сжатия при невысокой частоте вращения (n = 300...400 мин-1) температура рабочей смеси достаточна для ее самовоспламенения. Для остановки двигателя в этом случае необходимо одновременно с выключением зажигания прекращать подачу топлива.4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.Угол опережения зажигания φо.з. на каждом режиме должен обеспечивать наилучшие показатели двигателя. Такой угол называется оптимальным φо.з. опт . При этом основная фаза процесса сгорания θII располагается одинаково по обе стороны от ВМТ. Система зажигания обеспечивает автоматическое изменение фаз в зависимости от режима его работы и температурного состояния.
Угол опережения зажигания φо.з. зависит от длительности фаз процесса сгорания. Чем больше θI, тем раньше необходимо поджигать смесь. Однако при увеличении φо.з. ухудшаются начальные условия воспламенения рабочей смеси из-за уменьшения ее температуры и давления, что в итоге приводит к возрастанию θIСостав смеси влияет на количество теплоты и скорость ее выделения при сгорании топлива, а также на токсичность отработавших газов. Минимальные значения и θI и θII , максимальные рz и pi и наибольшее тепловыделение достигаются при мощностном составе смеси αм = 0,85...0,95.
В цилиндре выделяется наибольшее количество теплоты при достаточно высокой скорости сгорания топлива. Обеднение смеси до αэк = 1,1...1,3 увеличивает индикаторный КПД ηi и повышает экономичность. При дальнейшем обеднении смеси резко ухудшаются процессы воспламенения и сгорания, растет неравномерность последовательных циклов, что приводит к снижению ηi.
Для газовых топлив характерны более широкие пределы воспламеняемости. Это позволяет эффективно сжигать сильно обедненные смеси. Например, для водорода рimах достигается при α ≈ 1,0, а ηimах при α ≈ 2,5.
Изменение α для каждого режима работы ДВС обеспечивается автоматически системой топливоподачи для получения максимальных рi или ηi и требуемой токсичности отработавших газов.Нагрузка в двигателе с искровым зажиганием уменьшается путем прикрытия дроссельной заслонки. При этом снижается количество свежего заряда и растет доля остаточных газов. В результате ухудшаются условия воспламенения и растет продолжительность θI. По мере прикрытия заслонки повышается неравномерность последовательных циклов, что требует обогащения смеси для улучшения ее воспламенения искрой. Ухудшение условий сгорания при этом вызывает дополнительный расход топлива и рост токсичных компонентов СО и СН в отработавших газах.Увеличение частоты вращения вызывает рост турбулизации заряда и улучшает смесеобразование. Так как при этом θII ≈ соnst, а θI возрастает, то для обеспечения тепловыделения у ВМТ необходимо увеличить φо.з..
topuch.ru
На рис. 8 представлены индикаторные диаграммы, снятые при нормальной работе двигателя, при работе с преждевременным воспламенением и при работе с детонацией. [c.16]
Желательно уточнить самый механизм явления горения топлива с детонацией. На индикаторных диаграммах мы весьма отчетливо фиксируем явление детонации, но эти диаграммы еще не раскрывают самого процесса. Знание механизма явления детонации не только помогло бы с большей точностью и наглядностью оценить антидетонационные качества топлива, но и дало бы в распоряжение конструктора дополнительные данные для создания наиболее рациональной конструкции двигателя. [c.24]
В случае слабой детонации участок индикаторной диаграммы непосредственно перед пиком давления представляет собой, как мы указывали, распространение по несгоревшему заряду вторичного холодного пламени. Несмотря на неполное выделение энергии и соответственно низшую по сравнению с теоретической температуру, скорость выделения энергии в этом пламени, как и скорость его распространения, очень велика. Распространение таких пламен по причинам-, изложенным в 3, должно сопровождаться образованием ударных волн, которые в действительности и регистрируются на рассматриваемом участке индикаторной диаграммы, непосредственно перед детонационным воспламенением. [c.207]
Еще более наглядным доказательством того, что такое воспламенение является, повидимому, единственной причиной детонации в двигателе, служат опыты, в которых детонация осуществлялась при искровом зажигании, а затем, при тех же начальных условиях, но без зажигания,— только за счет адиабатического самовоспламенения от сжатия поршнем. Индикаторные диаграммы таких опытов, снятые пьезокварцевым индикатором с катодным осциллографом, приведены на рис. 8. Нижняя диаграмма соответствует искровому зажиганию с углом опережения р = 18°,6. При этом детонация возникла в 2°,6 после в. м. т. Верхняя диаграмма представляет адиабатическое самовоспламенение без зажигания. Как видно из диаграмм, в обоих случаях детонация имеет примерно одинаковую интенсивность и при отсутствии зажигания лишь наступает несколька позже, а именно в 20°,5 после в. м. т. [c.223]
К аналогичному заключению приводит нас и анализ индикаторных диаграмм детонационного сгорания, на которых повышение давления при первом распространении самовоспламенения оказывается незначительным, полное же давление сгорания достигается лишь в результате нескольких повторных прохождений по камере ударной волны. В большинстве случаев индикаторные диаграммы детонационного сгорания в двигателях имеют вид, показанный на рис . 13. На этих диаграммах, полученных при помощи пьезокварцевого индикатора с катодным осциллографом как на установке одиночных циклов, так и на двигателе С. Р. К., мы видим, что до достижения максимального давления при детонации наблюдается несколько повторных отражений ударной волны от мембраны индикатора. Иногда, главным образом при сильной детонации, таких отражений бывает немного, всего 1—2, в то время как при более слабой детонации их число может доходить до 5—6 и более. Последнее, например, является характерной особенностью двигателя С. Р. В., где даже при очень сильной детонации диагр аммы имеют вид, показанный на рис. 13, в ж г. [c.232]
Сопоставление индикаторных диаграмм и фоторегистраций, полученных для одних и тех же детонационных циклов, показывает, что первое появление вибраций на диаграммах точно совпадает с появлением отчетливых следов ударных волн на регистрациях пламени. Эти ударные волны обычно возникают в тот момент, когда почти вся последняя часть заряда оказывается охваченной самовоспламенением (кроме случаев крайне раннего возникновения детонации, как, нанример, на рис. 9). При этом давление еще далеко от своего максимального значения, что дополнительно подтверждает сделанный ранее вывод о неполном выделении энергии [c.232]
Другой важный вопрос, возникающий при анализе процессов в двигателе с точки зрения теории горения, касается скорости горения при нормальной работе двигателя (в отсутствии детонации). Известно, что можно менять в широких пределах число оборотов двигателя, и при этом часть рабочего цикла, занятая процессом сгорания (выраженная, например, как угол поворота коленчатого вала), меняется сравнительно мало, как это можно заключить из анализа индикаторных диаграмм. [c.413]Детонационное горение можно охарактеризовать следующим образом некоторое количество несгоревшего заряда, оставшегося в двигателе, вдр г начинает гореть столь быстро, что практически горение происходит при постоянном объеме, занимаемом этой частью заряда. В результате температура и, при определенных условиях, давление в эт ом объеме могут значительно превышать нормальные значения. Волна сжатия, или ударная волна, образующаяся в результате такого мгновенного местного повышения давления, многократно отражается от стенок камеры с частотой, которой определяется высота получающегося при детонации звука и которая регистрируется соответствующим образом на индикаторных диаграммах. Это явление сопровождается перегревом двигателя, увеличением теплопередачи в стенки цилиндра в ходе расширения и поэтому вызывает снижение мощности. [c.179]
Р, Кинг в своих работах оценивает детонационную стойкость водорода по внешнему проявлению детонационного сгорания, по стуку в двигателе, а Г, Керим — по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы. Р. Кинг различает два вида стука детонационный стук и стук при сгорании. Для отличия двух принципиально разных видов стука он использует реакцию экспериментального двигателя на установку более позднего зажигания в обоих случаях при этом детонационные явления исчезают, однако в одном случае происходит потеря мощности — детонационный стук, а в другом — увеличение мощности — стук при сгорании. Р. Кинг зарегистрировал в водородном двигателе стук при сгорании, причиной его он считает воспламенение водородовоздушноп смеси от частиц нагара. Тщательная очистка камеры сгорания одноцилиндрового экспериментального двигателя позволила ему работать без детонации при степени сжатия, близкой к 14, и стехиометрическом составе смеси. Однако в реальных двигателях Детонационноподобные явления проявляются при работе на водороде при значительно меньших степенях сжатия. [c.49]
Индикаторная диаграмма является наиболее объективным критерием как для определения мощности и коэфициента полезного действия процесса горения в цилиндре двигателя, так и для оценки интенсивности детонации и обнаружения других аномальных явлений. Логично поэтому, пытаясь усовершенствовать процесс гореция, прежде всего решить, какги улучшения возможны в индикаторной диаграмме, а затем искать способа получения желаемых характеристик регулч-ровкой процесса горения. [c.33]
Испьггания проводились при полной нафузке и постоянной частоте врашения коленчатого вала 1 500 мин" . Коэффициент избытка воздуха измеьгялся в диапазоне 0,8 Угол опережения зажигания лежал в интервале О рабочий диапазон УОЗ сужался. При работе двигателя на смесях чуть богаче стехиометрических и угле опережения зажигания 65° п.к.в. до ВМТ возникала слабая детонация, заметная только на индикаторной диаграмме, но не различимая на слух. [c.353]
Представляют значительный интерес экспериментальные индикаторные диаграммы и полученные на их основе кривые тепловыделения и изменения температуры в цилиндре при различных концентрациях диметилового эфира в смеси, полученные для двух расходов природного газа, соответствующих = 4,0 и =7,1 (рис. 8.37). Среднее эффективное давление при этом изменялось в диапазоне 0,25-0,35 МПа. Концентрация СН3ОСН3 менялась от предела детонации (а,- о предела воспламенения (ас2Н о 14,7). При [c.452]
Р. Вишневский (R. Vi hnievsky). Французский институт нефти. Париж. В докладе, иредставленном сотрудниками нашего института на III Международном нефтяном конгрессе, уже отмечались различия форм индикаторных диаграмм, снятых на двигателе FR, в условиях стандартной детонации нри работе на ароматических и парафиновых топливах (с октановым числом 75 ио моторному методу). Мы показали также, что амплитуда колебаний, записанных при различных степенях сжатия в стандартных условиях, уменьшается с повышением степени сжатия. [c.426]
chem21.info
Рабочий цикл двигателя формируется из взаимосвязанных процессов, которые зависят от особенностей его организации в соответствии с использованными принципами функционирования двигателя. Анализируют рабочий цикл по индикаторной диаграмме, которая представляет собой зависимость давления р в цилиндре двигателя от текущего надпоршневого объема V (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Схема двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма: 1 — поплавковая камера; 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка;4 — свеча зажигания
Рабочие процессы четырехтактного бензинового двигателя. В термодинамике данный цикл моделируется циклом Отто, в котором полагают, что в процессе при V = соnst в ВМТ теплота подводится мгновенно.
Бензиновый двигатель — двигатель с принудительным искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным регулированием мощности.
На большей части режимов мощность двигателя регулируется изменением количества подаваемой в цилиндры топливовоздушной смеси при мало меняющемся ее составе.
В зависимости от режима работы двигателя свежий заряд (топливо-воздушная смесь) может иметь различное относительное содержание топлива и воздуха. Состав топливовоздушной смеси оценивают коэффициентом избытка воздуха α — отношением количества воздуха GB, содержащегося в топливовоздушной смеси, к его минимально необходимому количеству для полного сгорания топлива 
, находящегося в смеси:
, где
= 14,9 кг — количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг бензина. Если α = 1, то смесь называется стехиометрической. При α < 1 смесь называется богатой (топливом), а при α > 1 — бедной (топливом).
Для бензиновых двигателей в зависимости от режима работы α изменяется в пределах 0,7... 1,3.
Рассмотрим процессы, формирующие индикаторную диаграмму четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, описав последовательно такты рабочего цикла двигателя (на рис. 1.2 
— атмосферное давление).
Такт впуска осуществляется при повороте кривошипа на угол от φ = 0 до φ= 180°. Надпоршневое пространство при этом изменяется от объема камеры сгорания 
(ВМТ) до полного объема цилиндра
(НМТ). Такт на индикаторной диаграмме представлен линиейra.
В начале такта в объеме камеры сгорания 
находится часть продуктов сгорания от предыдущего цикла — остаточные газы. В результате их смешения со свежим зарядом в цилиндре двигателя образуется рабочая смесь. При движении поршня к НМТ закрывается выпускной клапан (в точкеb"), создается разрежение в цилиндре и он заполняется свежим зарядом.
Давление рабочего тела 
в точкеa зависит от гидравлических потерь во впускном тракте. Эти потери уменьшаются при улучшении качества впускного трубопровода, уменьшении скорости движения свежего заряда во впускном тракте, а также при увеличении степени открытия дроссельной заслонки, которые зависят от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.
Температура рабочего тела 
в точке а определяется интенсивностью теплообмена между свежим зарядом, поверхностями впускного трубопровода, по которому движется свежий заряд и стенками камеры сгорания, а также его смешиванием с остаточными газами. В карбюраторных двигателях для улучшения испарения бензина впускной трубопровод специально подогревают.
Такт сжатия происходит при повороте кривошипа на угол от φ =180° (НМТ) до φ= 360° (ВМТ). На индикаторной диаграмме такту сжатия соответствует линия ас. В конце такта сжатия (в точке с) расчетные параметры рабочего тела 
;
определяются их начальными значениями (
,
), а также степенью сжатия е (
— показатель адиабаты сжатия).
Степенью сжатия называется отношение 
, где
— рабочий объем двигателя. Для современных двигателей ε = 7,5... 10.
В действительном цикле закрытие впускного клапана происходит несколько позже НМТ (точка а") в целях увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом (дозарядка) за счет энергии его движения. В момент, обозначенный на диаграмме буквой f, происходит искровой разряд в свече зажигания. В цилиндре начинается процесс сгорания топливовоздушной смеси, поэтому параметры рабочего тела будут увеличиваться. Угловой интервал (в градусах поворота коленчатого вала) от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания 
.
Такт расширения происходит в процессе сгорания заранее подготовленной достаточно однородной рабочей смеси во время движения поршня от ВМТ (φ = 360°) к НМТ (φ = 540°). В начальный период такта сгорает основная масса топлива, а при расширении рабочего тела производится полезная работа. На индикаторной диаграмме это кривая 
. При повороте кривошипа на угол 
= 10... 15° после ВМТ давление в цилиндре максимально.
В действительном цикле до прихода поршня в НМТ в точке b' открывается выпускной клапан. Это несколько уменьшает работу расширения, но существенно улучшает очистку цилиндра от отработавших газов.
Такт выпуска осуществляется во время движения поршня от НМТ (φ= 540°) к ВМТ (φ = 720°), в ходе которого продукты сгорания выталкиваются из цилиндра при небольшом избыточном давлении 
= (1,05... 1,2)
. На индикаторной диаграмме данному такту соответствует криваяbr.
В конце такта выпуска в точке а', когда поршень еще не дошел до ВМТ, начинает открываться впускной клапан.
Рабочие процессы четырехтактного дизеля. В термодинамике данный цикл моделируется циклом Сабатэ—Тринклера, в котором полагают, что теплота подводится в процессах при V= сопst в ВМТ и при р = сonst после ВМТ.
Дизель — двигатель с воспламенением от сжатия, внутренним смесеобразованием и качественным регулированием мощности. Она регулируется путем впрыскивания различного количество топлива в неизменное количество воздушного заряда, что практически не влияет на общий объем топливовоздушной смеси, но резко изменяет ее состав (α от 1,3 до 5). В дизеле свежий заряд — воздух. Для полного сжигания 1 кг дизельного топлива требуется кислород, содержащийся в 14,5 кг воздуха. Чтобы обеспечить надежное самовоспламенение смеси, степень сжатия в дизелях принимается большей, чем в двигателях с искровым зажиганием: ε = 14... 23.
Проанализируем особенности протекания процессов, формирующих рабочий цикл дизеля (рис. 1.3), и сравним с характером протекания аналогичных процессов в двигателе с искровым зажиганием.
Такт впуска. Гидравлические потери во впускной системе дизеля меньше, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за отсутствия дроссельной заслонки.
Они не меняются при изменении нагрузки на двигатель. Нет отвода теплоты от свежего заряда на до испарение топлива. Поэтому давление в точке а в дизеле больше, чем в двигателе с искровым зажиганием.
Так как в дизеле степень сжатия больше, то к свежему заряду подмешивается относительно меньшее количество отработавших газов, температура которых меньше, чем у двигателя с искровым зажиганием. Поэтому температура 
в дизеле несколько ниже.
Рис. 1.3. Схема дизеля и его индикаторная диаграмма:
1 — кривошипно-шатунный механизм; высокого давления; 2 — редуктор; 3 — топливный насос; 4 — форсунка; 5 — механизм газораспределения
Такт сжатия. Из-за большей степени сжатия параметры рабочего тела в точке с у дизеля выше, чем в двигателе с искровым зажиганием.
Топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия. Угол поворота коленчатого вала от момента начала впрыскивания топлива (точка f) до прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения впрыскивания 
. Процесс сгорания начинается до ВМТ, а давление в цилиндре
превышает давление сжатия
.
Такт расширения. В отличие от двигателя с искровым зажиганием в дизеле подготовка топливовоздушной смеси происходит за существенно меньший интервал времени. Значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сгорания. Поэтому в дизеле при положении поршня около ВМТ сгорает меньшая доля топлива, чем в бензиновом двигателе. Часть подаваемого топлива сгорает после ВМТ. Более низкие значения 
являются следствием большего значения коэффициента избытка воздуха в дизеле.
Параметры рабочего тела в конце такта расширения в точке b ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за более высокой степени сжатия и, следовательно, большей степени расширения продуктов сгорания.
Такт выпуска. Параметры рабочего тела в точке r в дизеле также ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, что обусловлено более низкой температурой в конце такта расширения 
.
studfiles.net
