6.3 Процес згоряння Швидкість згоряння

Горіння - складний фізико-хімічний процес, що дотепер цілком не вивчений. Процес згоряння завжди протікає в газовій фазі.

На величину швидкості горіння впливають каталізатори (водяні пари, платина й ін.). У карбюраторних двигунах, з метою придушення детонації, застосовують негативні каталізатори - карбоніл заліза, тетраетилсвинець і ін.

При згорянні однорідних вуглеводених палив максимальна швидкість полум'я одержується, коли пальна суміш трохи збагачена. У випадку, коли швидкість знижується до ~0,1 м/с полум'я гасне.

Збагачення суміші, при якому полум'я гасне, називається верхньою концентраційною межею _min, а межа можливого збідніння нижнею концентраційною межею _max поширення полум'я. За цими межами горіння однорідних сумішей неможливо.

Для бензинових двигунів:

_min=0,4-0,6;

_max=1,4-1,6.

У ДВЗ має місце турбулентне горіння, що представляє собою процес турбулентного змішання продуктів згоряння і свіжої суміші і потім згоряння останньої внаслідок підвищення її температури. Швидкість згоряння визначається в основному турбулентними пульсаціями в камері згоряння інтенсивністю перемішування продуктів згоряння зі свіжою сумішшю.

Самозапалювання - прогресуюче прискорення реакцій. Воно настає, коли швидкість тепловиділення за рахунок хімічних реакцій перевищує швидкість відводу тепла в навколишнє середовище.

У дизелі самозапалювання відбувається при упорскуванні палива в стиснене повітря; у карбюраторному двигуні - заряду при детонації.

Час від моменту вприскування палива в циліндр до появи видимого полум'я називають періодом затримки запалення.

Аналіз процесів згоряння в дизелі

У дизелі паливо впорскується в стиснене повітря, що має тиск 3-4 МПа і температуру 800-1000 ºС. Для аналізу процесу згоряння використовують індикаторну діаграму в координатах p-.

Малюнок 6.1 – Індикаторна діаграма в координатахp-

Позначені: точка 1- початок вприскування палива; точка 2- точка відриву лінії підвищення тиску (лінії згоряння) від лінії стиску; точки 3 і 4 - моменти досягнення максимальних тисків і температури циклу; _вп- кут випередження вприскування палива.

У дизелі весь процес згоряння складається з власне трьох періодів (фаз) згоряння _1,_2,₃ і одного підготовчого періоду _.

Підготовчий період _ - період затримки запалення. Він займає проміжок часу від точки 1 до точки 2. Затримка складається з фізичної (розпад струменя, прогрів і частковий випар крапель палива) і хімічної (реакцій попереднього окислювання). Швидкість тепловиділення в цьому періоді мала і навіть переважає витрата теплоти на випар палива, унаслідок його підвищення тиску не спостерігається.

На тривалість _ впливають наступні фактори:

1. Хімічні властивості палива (цетанове число). Чим більше цетанове число, тим більше паливо схильне до окислювання і тим _ коротше.

2. Ступінь стиску. З її ростом період затримки запалення скорочується, тому що тиск і температура в процесі стиску при збільшенні ступеня стиску підвищується.

3. Якість розпилювання. Чим дрібніше розпилене паливо, тим коротше _ унаслідок більш швидкого випару крапель.

4. Рух повітряного потоку в камері згоряння. Турбулізація приводить до швидкого випару крапель палива і їхньому перемішуванню з повітрям, що зменшує підготовчий період.

Перша фаза ₁ - період швидкого згоряння (від точки 2 до точки 3). За цей період виділяється велика кількість теплоти.

Як критерій інтенсивності згоряння в першій фазі приймають середню швидкість зростання тиску W_ср = p/.

Швидкість зростання тиску характеризує твердість роботи дизеля. Якщо W_ср=0,3-0,6 МПа/град.п.к.в., то роботу двигуна вважають м'якою; при W_ср>0,6 МПа/град.п.к.в. – твердою. Зі збільшенням твердості зростають навантаження на деталі двигуна.

Тривалість ₁ залежить від наступних факторів:

1. Конструкції камери згоряння. Більш короткий період ₁ у нерозділених камер згоряння, а самий довгий період у двигунів з передкамерою.

2. Навантаження двигуна. З ростом навантаження тривалість ₁ зростає, тому що в цьому випадку кількість палива, що впорскується, збільшується і потрібно більше часу для згоряння.

3. Закон подачі палива. Паливо можна подати в камеру швидко чи повільно. Ніж коротше тривалість вприскування _вп, тим менше ₁ .На практиці прагнуть _вп зробити мінімальним. Це поліпшує економічність, але при цьому твердість роботи двигуна підвищується.

На малюнку 6.1 показані теоретична і дійсна характеристики вприскування палива. Крива 1 показує, що подача палива на початку вприскування відбувається повільно, а потім різко зростає. Однак у реальних умовах таку криву одержати складно.

Подача палива закінчується наприкінці ₁ чи на початку другої фази _2.

Друга фаза θ₂ - період уповільненого згоряння від точки 3 до точки 4.

У цій фазі температура газів безупинно підвищується, тому що паливо ще згоряє, а тиск різкий падає внаслідок збільшення об'єму циліндра при русі поршня від ВМТ до НМТ.

На тривалість ₂ впливають закон подачі палива, інтенсивність вихрового руху заряду, коефіцієнт надлишку повітря.

Третя фаза ₃ - період догоряння палива: від точки 4 до моменту, коли тепловиділення досягає 95-97%. Завжди прагнуть скоротити ₃. Велика тривалість ₃ приводить до росту температури відпрацьованих газів, і до підвищення теплового стану двигуна. У результаті погіршуються потужність і економічність. Для зменшення ₃ скорочують подачу палива в другому періоді ₂ і підсилюють турбулізацію повітря в камері згоряння.