Сгорание в двигателях с искровым зажиганием

Во всех двигателях с принудительным воспламенением топлива в конце хода сжатия цилиндр заполнен сжатой смесью воздуха с испаренным или газообразным топливом и примесью остаточных газов. Эта смесь воспламеняется в одной или нескольких точках в зависимости от числа свечей в цилиндрах.

При нормальной работе двигателя воспламенение смеси происходит от искры в определенный момент в конце сжатия. Запал рабочей смеси происходит в момент, соответствующий по коленчатому валу некоторому углу q до ВМТ. Этот угол носит название угла опережения зажигания. Как замечено, начало видимого сгорания никогда не совпадает с моментом проскакивания искры между электродами свечи.

Рис. 10. Индикаторная диаграмма сгорания

При позднем зажигании уменьшаются:

– полезная работа,

– потери, связанные с теплоотдачей в стенки цилиндра,

– температура и давление газов в цилиндре,

– возможность детонации.

Ввиду того что в действительном цикле рабочая смесь не сгорает мгновенно, для получения наиболее полной диаграммы, а следовательно, и мощности необходимо зажигание производить не в ВМТ, а несколько раньше. Очевидно, что при различных скоростях сгорания смеси должны устанавливаться различные углы опережения зажигания для получения индикаторной диаграммы с наибольшей полезной площадью: чем скорость зажигания меньше, тем раньше следует зажигать смесь.

Угол опережения зажигания должен быть тем больше, чем больше длительность начальной фазы сгорания – от точки 1 – образование искры до точки 2 – начала горения, а также чем медленнее развивается сгорание в основной фазе.

В современных быстроходных двигателях легкого топлива со степенями сжатия e=8…9 максимальная мощность обычно соответствует достижению максимума давления при q = 12…15^○ после ВМТ, при этом длительность основной фазы сгорания составляет примерно 25…30^○ п.к.в.

Необходим определенный промежуток времени для прохождения предварительных окислительных реакций, после чего начинается заметное повышение давления за счет сгорания. Этот промежуток времени различен для различных топлив и зависит от эксплуатационных и конструктивных факторов (температуры, давления, состава смеси, числа оборотов, дросселирования и т. д.) – период скрытого сгорания (точки 1 и 2, рис. 10). В этот период возникают небольшие очаги реакции горения.

При оценке продолжительности протекания процесса сгорания не следует смешивать два понятия: скорость сгорания и скорость распространения фронта пламени. В то время, как последняя, выражаемая в м/с, характеризует быстроту перемещения фронта пламени от места запала, скорость сгорания характеризуется продолжительностью протекания процесса сгорания в с: от момента зажигания смеси до образования конечных продуктов сгорания.

Далее от точки 2 начинается резкое повышение давления вследствие начавшегося бурного сгорания топлива. За это время пламя, двигаясь от места запала, распространяется по всей камере сгорания до максимального давления в точке 3 – это фаза эффективного (видимого) сгорания. Максимальная работа цикла, мощность и экономичность бензинового двигателя при прочих равных условиях достигаются при такой организации процесса сгорания, когда точки 2 и 3 – начала и конца основной фазы – будут располагаться симметрично ВМТ.

За точкой 3 сгорание имеет место и далее на линии расширения-догорания топлива.

Начиная с момента воспламенения, пламя распространяется от свечи по всему пространству КС по концентрическим поверхностям (сферам) с некоторой переменной скоростью, зависящей от температуры и давления смеси, а также от интенсивности завихрения и a. По мере удаления от свечи скорость движения фронта пламени возрастает, достигая от 20…40 м/с до 60…80 м/с.

В первой фазе периода сгорания газы в цилиндре имеют невысокие температуру и давление, что приводит к небольшому выделению теплоты, чтобы можно было обнаружить на индикаторной диаграмме. За границу раздела между основной и завершающей фазами сгорания в карбюраторных двигателях принимают момент достижения максимума давления на индикаторной диаграмме. Сгорание при этом не заканчивается, и температура газов в цилиндре продолжает возрастать, достигая максимума в точке 2.

В двигателях с искровым зажиганием и в дизелях смесь не бывает однородной по температуре и составу, в связи с чем предпламенные реакции всегда развиваются неодинаково в отдельных частях смеси. В зависимости от степени кинетической однородности нагретой смеси и особенности развития в ней предпламенных реакций скорость распространения воспламенения от возникающих первичных очагов может колебаться в пределах от нескольких десятков метров в секунду до сверхзвуковой, т.е. это схоже с распространением детонационной волны.

Ударные волны в КС возникают в результате быстрого развития завершающих стадий предпламенных реакций в очагах самовоспламенения. Процесс завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси, сопровождающийся возникновением ударных волн, который стимулирует самовоспламенение остальной несгоревшей смеси, составляет основную сущность детонационного сгорания.