|
Искал связь между составом смеси, требуемым опережением для ее горения и детонацией. Вот статейку нашел, может не только мне это интересно выложу тут:
ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
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°.
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.
_________________
Avenir Salut X SR20DE Hyper CVT 1998, pw11-003401 был
Subaru Forester III
|
Вход
Регистрация
FAQ
Поиск
