4.2 Процес стиску

При розгляді ідеальних циклів процес стиску приймався адіабатним. Реальний процес здійснюється по більш складному закону. Зв'язано це з тим, що в циліндрах двигуна в процесі стиску безупинно відбувається теплообмін заряду зі стінками, голівкою циліндра і днищем поршня. На початку стиску температура заряду менше температури стінок і показник політропи n₁ більше показника адіабати k₁. У якийсь момент вони стають рівними, а надалі тепловіддача здійснюється уже від стиску робочого тіла, що нагрілося в результаті, до стінок циліндра і поршню і тоді показник політропи менше показника адіабати.

Розрахунок процесів стиску зводиться до визначення середньої величини показника політропи стиску n₁, обчисленню кінцевих значень температури і тиску. Звичайно величину показника політропи визначають по номограмах або на підставі дослідницьких даних.

Рекомендовані значення n₁:

карбюраторні двигуни - n₁ = k₁ - (0.00...0.04);

дизелі - n₁ = k₁  0.02.

Подальші обчислення тиску і температури здійснюються за рівняннями політропного процесу:

Середня мольна теплоємність повітря в процесі стиску приймається за табличним значенням чи емпіричними формулами виду

Теплоємність залишкових газів визначається за табличним значенням для їхніх компонентів відповідно до формули теплоємності для сумішей газів

де M₂ - загальна кількість продуктів згоряння в молях.

Середня мольна теплоємність робочої суміші (свіжа суміш + залишкові гази) обчислюється рівнянням

Тема 5 процеси згоряння в двз з примусовим запаленням. Порушення процесу згоряння

5.1 Процеси згоряння в двз із примусовим запаленням

У двигунах із примусовим запаленням у результаті прикладення високої напруги між електродами свічі запалювання виникає іскровий розряд.

Іскра створює в робочій суміші невеликий об'єм з температурою 10000-30000ºС. Температура цього об'єму швидко зменшується внаслідок тепловіддачі у свіжу суміш і електроди. Навколишні шари суміші нагріваються, починається хімічна реакція й утвориться сферичний фронт полум'я. Якщо швидкість виділення теплоти за рахунок реакцій горіння достатня для компенсації тепловідвода, то виникле вогнище горіння стійко розвивається. У противному випадку полум'я гасне.

На малюнку 5.1 приведена індикаторна p- діаграма карбюраторного двигуна. Процес згоряння починається з моменту проскакування іскри в точці 1. Після утворення каналу розряду з високою температурою в КЗ відразу ж протікають хімічні (а точніше термічні) реакції горіння. Тому в карбюраторному двигуні підготовча фаза (період затримки запалення) відсутня.

Весь період розглядають складається з трьох фаз.

Перша фаза ₁ – період схованого згоряння (початкова фаза): від точки 1 до точки 2. За час ₁ згоряє 4-8% заряду від всього об'єму, що займає паливоповітряна суміш. Температура підвищується без помітного збільшення тиску. Тривалість ₁= 4-6 п.к.в.

Малюнок 5.1 – Процес згоряння в карбюраторному двигуні

Тривалість ₁ залежить від наступних факторів:

1. Енергія іскрового розряду.

Кількість тепла, переданого пальній суміші від іскри, залежить від коефіцієнта надлишку повітря . Найкоротший період при  = 0,85-0,95.

2. Швидкості вихрового руху суміші в зоні свічі. При збільшенні швидкості і турбулентності потоку запалення суміші утрудняється внаслідок посиленого тепловідводу від виниклого невеликого вогнища горіння, при цьому ₁ подовжується.

3. Ступеня стиску ε. З підвищенням ε початковий період скорочується, тому що ростуть щільність і температура заряду, підвищується енергетичний рівень молекул.

4. Навантаження і частоти обертання колінчастого вала двигуна. Зі зменшенням N_e розвиток початкового возгоряння з прикриттям дросельної заслінки стає менш стійким, починають з'являтися пропуски запалення.

При збільшенні частоти обертання вала двигуна n зростає інтенсивність турбулізації суміші і початкова фаза подовжується ₁~n^1/2.

Для нормального розвитку початкового вогнища горіння і надалі всього процесу згоряння необхідно кут випередження запалювання _з збільшувати з підвищенням n і зменшувати з ростом N_e. З цією метою установлюють відповідно відцентровий і вакуумний регулятори випередження запалювання. У сучасних напівпровідникових системах запалювання необхідний кут установлюється за допомогою спеціальних пристроїв у залежності від крутного моменту, складу суміші, тиску і температури навколишнього середовища і т.д.

Унаслідок неідентичності умов задпалювання пальної суміші в циліндрі двигуна розвиток возгоряння, що виникло від іскри, в окремих циклах буде відбуватися неоднаково.

Друга фаза ₂ - період видимого (швидкого) згоряння: від точки 2 до точки 3.

В другому періоді ₂ згоряє основна маса паливоповітряної суміші (до 80%) унаслідок поширення фронту полум'я в камері згоряння. У цій фазі виділяється велика кількість теплоти, швидко підвищуються тиск і температура.

Підвищення тиску оцінюють швидкістю наростання тиску.

Відношення p/ (як і в дизелі) характеризує твердість процесу згоряння:

При p/ = 0.11-0.26 МПа/град - протікання процесу згоряння вважають нормальним.

При p/ < 0.1 МПа/град згоряння більшої частини палива відбувається на лінії розширення.

При p/ > 0.26 МПа/град має місце тверда робота двигуна.

Тривалість ₂ відповідає 20-30 п.к.в. і залежить від:

1. Швидкості поширення фронту полум'я. Чим більше швидкість згоряння, тим коротше ₂.

2. Складу суміші. Тривалість основної фази слабко залежить від коефіцієнта надлишку повітря, однак при збільшенні  максимальні тиски циклу (згоряння) _z різко падають. Зі збільшенням  сильно зростає нестабільність процесу згоряння (розходження по _z) у послідовних робочих циклах, що приводить до зниження потужності двигуна.

3. Ступеня турбулізації суміші в КЗ. Зі збільшенням інтенсивності завихрення суміші швидкість полум'я росте і ₂ скорочується.

4. Ступеня стиску. При підвищенні  період ₂ зменшується, тому що з ростом  збільшується швидкість полум'я.

5. Зменшення навантаження двигуна приводить до погіршення процесу згоряння в другій фазі через хитливий початковий розвиток процесу згоряння в першому періоді.

6. Конструкції камери згоряння. Форма КЗ впливає на інтенсивність завихрення, тепловіддачу в охолоджувані поверхні, коефіцієнт наповнення і шлях, що проходить полум'я. Для скорочення тривалості основної фази згоряння необхідно скорочувати шлях, що проходить полум'я, тобто застосовувати більш компактну КЗ.

Третя фаза ₃ - період догорання по лінії розширення. Цей період називають завершальною фазою згоряння. Догорання суміші відбувається в пристіночних шарах і зазорах. У карбюраторних двигунах ₃ невелика і границю завершення цієї фази в індикаторній діаграмі визначити важко. Точно невідомий момент повного згоряння робочої суміші через те, що тепловиділення, досягши приблизно 85%, знижується після максимальної температури циклу T_z.

На тривалість ₃ впливають склад суміші, кут випередження запалювання, інтенсивність турбулентності потоку в КЗ. Зі збільшенням швидкості розташування фронту полум'я ₃ скорочується.

Завершальну фазу згоряння іноді розділяють на двох: ₃ - від точки 3 до точки 4 і ^’’₃ - від точки 4.

Фазу ₃ називають періодом уповільненого згоряння. До кінця ₃ закінчується згоряння основної маси палива. Фаза ₃ - період особливості догорання, сильно залежить від . При роботі двигуна на багатих і бідних сумішах незгоріле в циліндрі паливо запалюється у випускному трубопроводі і виходять постріли в глушник.

Протягом ₂ і ₃ відбувається дисоціація (розпад) молекул під дією температури близько 2000С:

2СО₂=2СО+О₂

2Н₂О=2Н₂+О₂

При дисоціації частина тепла від згоряння губиться, унаслідок чого корисна робота і ККД циклу зменшується (до 10%).

У періоді ₃ відбувається зворотна реакція асоціації з виділенням тепла. Це приводить до підвищення температури відпрацьованих газів.

У дизелях дисоціацію не враховують, тому що температура згоряння значно нижче, ніж у карбюраторних двигунах і зниження ККД у цьому випадку не перевищує 2%.