Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

В поршневых двигателях внутреннего сгорания основная часть топлива сгорает вблизи в.м.т. Поэтому процесс сгора­ния удобнее изучать по индикаторной диаграмме, представляющей собой зави­симость давления от угла поворота ко­ленчатого вала р = f (а) (рис. 3.3).

Процесс сгорания на индикаторной диаграмме можно условно разделить на задержку воспламенения (первый пе­риод); видимое сгорание (второй пе­риод); догорание (третий период).

Первый период. Начало сгорания относится к точке 2 при искровом раз­ряде и движении поршня к в. м. т. Рабо­чая смесь сжимается. Угол поворота ко­ленчатого вала 8 от момента подачи искры до в. м. т. составляет угол опере­жения зажигания (0 = 15...45° п. к, в.). В течение первого периода (участок 2—3) происходит пред пламенное окисле­ние топлива и сгорает его не более 5-..8 %. Давление в цилиндре растет практически по закону сжатия, а тем­пература повышается незначительно и в основном расходуется на подогрев за­ряда. В конце первого периода (точка 3) заканчивается формирование очага пла­мени, создаются условия для его быст­рого распространения по всей камере сгорания. В точке 3 условно считают, что происходит отрыв линии сгорания от кривой сжатия, снятой при выключенном зажигании (участок 3—6—7). На продолжительность и характер первого периода основное влияние оказывают физико-химические свойства топлива, состав рабочей смеси и режим работы двигателя.

Ряс. 3.3. Развернутая диаграмма процесса сгорания карбюраторного двигателя.

Второй период характеризуется бы­стрым нарастанием давления и темпера­туры (участок 3—4). В течение этого периода сгорает около 90 % рабочей смеси. Продолжительность его зависит от состава смеси, степени сжатия, мо­мента зажигания, формы камеры сгора­ния, нагрузки и других факторов. Наи­большее давление на индикаторной диа­грамме будет в точке 4. Опытами уста­новлено, что полезная площадь индика­торной диаграммы, а следовательно, и полезная работа цикла будет наибольшей в случае, когда максимальное давление цикла достигает при 10...15° п.к.в. после в.м.т. Скоростью нарастания дав­ления в период видимого сгорания ха­рактеризуется жесткость работы двига­теля. Среднее значение жесткости опре­деляют отношением разности давлений в точках 3 и 4 индикаторной диаграммы к углу поворота коленчатого вала за это время (). Для карбюраторных двигателей это отношение при нормаль­ной работе двигателя равно 0,1... 0,2 МПа/град п.к.в. Если <0,1, то двигатель будет работать слишком мягко, сгорание топлива в зна­чительной степени продолжается на ли­нии расширения, что приведет к ухуд­шению мощностных и экономических по­казателей двигателя. При значениях > 0,2 двигатель работает жестко, с заметными стуками.

Третий период начинается после до­стижения максимального давления. Его длительность точно установить трудно, так как необходимо знать момент пол­ного сгорания смеси. Продолжитель­ность догорания будет зависеть от ско­рости распространения фронта пламени, которая в разные периоды сгорания име­ет разные значения. При нормальном протекании процесса сгорания она со­ставляет 40...60 м/с.

На процесс сгорания карбюраторного двигателя оказывают влияние состав ра­бочей смеси, вихревые движения за­ряда, угол опережения зажигания, ча­стота вращения коленчатого вала, на­грузка на двигатель, форма камеры сго­рания и степень сжатия. Рабочая смесь быстрее всего сгорает при коэффициенте избытка воздуха =0,85,..0,95. В этом случае мощность двигателя будет наи­большей, хотя удельный расход (эконо­мичность) будет хуже. Сгорание топ­лива при =1,1...1,15 (обедненная смесь) будет медленнее вследствие мень­шей скорости распространения пламени. Мощность двигателя несколько упадет, но будет достигнута наилучшая его эко­номичность.

Значение коэффициента избытка воз­духа при работе карбюраторного двига­теля на эксплуатационных режимах — 0,3...1,3. Смесь, имеющая значение ниже и выше указанного предела, во­обще не воспламеняется.

Наличие вихревых движений рабочей смеси в камере сгорания благоприятно сказывается на увеличении скорости сго­рания, уменьшении общей его продол­жительности вследствие сокращения вто­рого периода. Опытами установлено, что при наличии вихревых движений рабо­чей смеси скорость распространения фронта пламени в карбюраторных дви­гателях повышается в 8...12 раз.

Угол опережения зажигания значи­тельно влияет на процесс сгорания. Его нужно выбрать таким, чтобы к приходу поршня в в.м.т. большая часть смеси уже воспламенилась.

На рисунке 3.4 приведены индикатор­ные диаграммы при работе карбюра­торного двигателя с очень ранним (рис. 3.4, а) и слишком поздним (рис, 3.4, б) зажиганиями. По индикатор­ной диаграмме с наивыгоднейшим углом опережения зажигания (рис. 3.4, в) вид­но, что при большом и малом угле умень­шается полезная площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и полезная работа, что приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя.

Повышение частоты вращения колен­чатого вала увеличивает интенсивность вихревого движения заряда. Однако про­должительность первого периода, выраженная в градусах угла поворота колен­чатого вала, увеличивается

Рис. 3.4. Влияние угла опережения зажигания на площадь индикаторной диаграммы:

а - слишком раннее зажигание; б - слишком позд­нее зажигание; в - оптимальный угол опережения зажигания.

Рис. 3.5. Индикаторные диаграммы карбюратор­ного двигателя:

а - при детонации; б -- при преждевременной вспышке.

Из-за усиливающейся интенсивности движения заряда скорость распростра­нения фронта пламени при повышении частоты вращения увеличивается так, что продолжительность второго периода сгорания по углу поворота коленчатого вала практически не меняется, возра­стает также длительность третьего пе­риода. Для получения оптимальных ус­ловий сгорания необходимо с ростом частоты вращения увеличивать угол опе­режения зажигания .

На процесс сгорания существенно вли­яет степень сжатия . С ее увеличением температура и давление повышаются, уменьшается количество остаточных га­зов, что в целом положительно сказы­вается на сгорании горючей смеси. Од­нако увеличение степени сжатия у кар­бюраторных двигателей ограничивается октановым числом применяемого топ­лива, так как при неправильном подборе ее сгорание в двигателе переходит во взрывную форму, которую называют де­тонацией, и скорость сгорания при этом достигает 1500...2000 м/с. На рисун­ке 3.5, а представлена индикаторная диа­грамма карбюраторного двигателя при детонации. Внешнее проявление дето­нации, как правило, на больших нагруз­ках наблюдается в виде звонких метал­лических стуков.

В карбюраторных двигателях вслед­ствие перегрева или нагарообразования на деталях возникают преждевременные вспышки смеси. В этом случае индика­торная диаграмма двигателя похожа на диаграмму со слишком ранним зажига­нием (рис. 3.5. б).