Процес згоряння

 

При згорянні однорідних вуглеводневих палив максимальна швидкість полум'я Uнмах

досягається при трохи збагачених пальних сумішах. У випадку, коли Uнмin=0,1 м/с полум'я гасне.

Збагачення суміші, при якому полум'я гасне, називається верхньою концентраційною

межею α_min, а межа можливого збідніння – нижньою концентраційною межею α_maxпоширення

полум'я. За цими межами горіння однорідних сумішей неможливо.

У ДВЗ має місце турбулентне горіння, що представляє собою процес турбулентного

змішення продуктів згоряння і свіжої суміші і потім згоряння останньої внаслідок підвищення її

температури. Швидкість згоряння визначається в основному турбулентними пульсаціями в КЗ і

інтенсивністю перемішування продуктів згоряння зі свіжою сумішшю.

Самозапалювання – це прогресуюче прискорення реакцій. Воно настає, коли швидкість

тепловиділення за рахунок хімічних реакцій перевищує швидкість відводу тепла в навколишнє

середовище.

 

У дизелі самозапалювання відбувається при впорскуванні палива в стиснене повітря; у

бензиновому двигуні – при детонації.

Запаленняйзгорянняпалива. У двигунах із примусовим запалюванням у результаті

подачі високої напруги між електродами свічі запалювання виникає іскровий розряд.

Іскра створює в робочій суміші невеликий об`єм з температурою 10000ч30000 К.

Температура цього об`єму швидко зменшується внаслідок тепловіддачі у свіжу суміш і

електроди. Навколишні шари суміші нагріваються, починається хімічна реакція та утворюється

сферичний фронт полум'я. Якщо швидкість виділення теплоти за рахунок реакцій достатня для

компенсації тепловідводу, то виниклий фронт горіння стійко розвивається. У противному

випадку полум'я гасне.

Для одержання високого індикаторного ККД двигуна необхідно повністю й вчасно

спалити паливо й виділити теплоту при знаходженні поршня поблизу ВМТ. Швидкість згоряння

суміші залежить від її однорідності й турбулізації в камері згоряння. Про якість згоряння можна

судити за допомогою індикаторної діаграми (рис. 5.11), на якій умовно виділяють три фази.

Перша фаза θ1 – період схованого згоряння – називається початковою фазою згоряння

або фазою формування фронту полум'я. Тривалість θ1 = 4ч6° повороту колінчастого вала (ПКВ).

Вона починається в момент подачі електричної іскри й закінчується, коли тиск у результаті

виділення теплоти в циліндрі буде вище, ніж при стиску суміші без згоряння. У цій фазі вогнище

горіння формується в зоні між електродами свічі при високих температурах, а потім

перетворюється у фронт полум'я. Температура підвищується без помітного збільшення тиску. У

цей період згоряє 2ч3% палива. На тривалість θ₁впливають наступні фактори.

Склад суміші: максимальна швидкість згоряння й, отже, найменше значення θ₁відповідає

складу суміші при α = 0,8ч0,9; значне збідніння суміші різко погіршує стабільність запалювання

аж до появи пропусків в окремих циліндрах.

Вихровий рух заряду: скороченню тривалості θ₁сприяє інтенсивний вихровий рух заряду

в циліндрі при застосуванні гвинтових або тангенціальних впускних каналів. Але при збільшенні

швидкості і турбулентності потоку в зоні свічі запалення суміші утрудняється внаслідок

посиленого тепловідводу від виниклого невеликого вогнища горіння, при цьому θ₁

подовжується.

Ступінь стиску: високі значення ε збільшують температуру й тиск робочої суміші; при

цьому росте швидкість згоряння й зменшується тривалість θ1.

Частота обертання: тривалість θ₁у градусах ПКВ зростає зі збільшенням частоти

обертання.

Навантаження двигуна: при прикритті дросельної заслінки росте частка відпрацьованих

газів у робочій суміші, знижується її тиск і погіршується стабільність запалення, що збільшує

тривалість θ_1.

Характеристики іскрового розряду: з ростом пробивної напруги, тривалості й

стабільності розряду θ1 зменшується.

Для нормального розвитку початкового вогнища горіння і надалі всього процесу згоряння

необхідно кут випередження запалювання φв.з. збільшувати з підвищенням n і зменшувати з

ростом Ne. 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.п.

Унаслідок неідентичності умов підпалювання пальної суміші в циліндрі двигуна розвиток

вогнища полум'я, що виникло від іскри, в окремих циклах буде відбуватися неоднаково.

 

 

 

Рисунок 5.11. Процес згоряння на індикаторній р-φ діаграмі ДВЗ з примусовим запалюванням

 

 

Друга фаза θ₁₁– період видимого (швидкого) згоряння – називається основною фазою

згоряння. Вона триває до моменту досягнення максимального тиску циклу рz. Тривалість θ₁₁

визначається турбулентним горінням, при якому максимальна швидкість поширення полум'я

може скласти 60ч80 м/с. У ній згоряє 80ч85% палива. Звичайно ефективний КПД ηе досягає

максимального значення, якщо друга фаза згоряння розташовується симетрично відносно ВМТ;

при повному навантаженні θ11 = 25ч30° ПКВ.

При підвищенні частоти обертання тривалість другої фази за часом зменшується

пропорційно зміні тривалості всього циклу, а в градусах ПКВ вона практично не змінюється

через турбулізацію заряду й підвищення швидкості фронту полум'я.

При розташуванні свічі запалювання в центрі камери згоряння значення θ11 зменшується.

Згоряння наприкінці фази θ11 не закінчується, тому середня температура циклу зростає й

досягає максимального значення після максимуму тиску (р_zmax^).

Підвищення тиску оцінюють швидкістю наростання тиску Δp/Δφ. Це відношення

характеризує жорсткість процесу згоряння:

При Δp/Δφ =0,11ч0,26 МПа/град протікання процесу згоряння вважають нормальним.

При Δp/Δφ < 0,1 МПа/град згоряння більшої частини палива відбувається на лінії

розширення.

При Δp/Δφ > 0,26 МПа/град має місце жорстка робота двигуна.

Тривалість θ11 залежить від наступних факторів:

Швидкість поширення фронту полум'я. Чим більше швидкість згоряння, тим коротше θ11.

Склад суміші. Тривалість основної фази слабко залежить від коефіцієнта надлишку

повітря, однак при збільшенні α максимальний тиск циклу (згоряння) p_zрізко падає. Зі

збільшенням α сильно зростає нестабільність процесу згоряння (розходження по pz) у

послідовних робочих циклах, що приводить до зниження потужності двигуна.

Турбулізація суміші у камері згоряння. Зі збільшенням інтенсивності завихрення суміші

швидкість полум'я росте і θ₁₁скорочується.

 

 

Ступінь стиску. При підвищенні ε період θ11 зменшується, тому що з ростом ε

збільшується швидкість полум'я.

Навантаження. Зменшення навантаження двигуна приводить до погіршення процесу

згоряння в другій фазі через хитливий початковий розвиток процесу згоряння в першому періоді.

Конструкція камери згоряння. Форма КЗ впливає на інтенсивність завихрення,

тепловіддачу в поверхні, що охолоджуються, коефіцієнт наповнення і шлях, який проходить

полум'я. Для скорочення тривалості основної фази згоряння необхідно скорочувати шлях, який

проходить полум'я, тобто застосовувати більш компактну КЗ.

 

Третя фаза θ₁₁₁називається фазою догоряння. Вона починається в момент досягнення

максимального тиску циклу. У цій фазі залишки суміші догоряють у пристіночних шарах, а

окремі об’єми робочої суміші догоряють за фронтом полум'я. Момент закінчення цієї фази

визначається кінцем тепловиділення й на діаграмі не видний.

На тривалість θ111 впливають склад суміші, кут випередження запалювання, інтенсивність

турбулентності потоку в КЗ. Зі збільшенням швидкості розташування фронту полум'я θ111

скорочується.

Завершальну фазу згоряння іноді розділяють на дві: θ′₁₁₁і θ″₁₁₁.

Фазу θ′111 називають періодом уповільненого згоряння. До кінця θ′111 закінчується згоряння

основної маси палива. Фаза θ″₁₁₁– власне, період догоряння, сильно залежить від α. При роботі

двигуна на багатих і бідних сумішах паливо, що не згоріло у циліндрі, займається у випускному

трубопроводі, і тому постріли виходять у глушник.

Протягом θ₁₁і θ′111 відбувається дисоціація (розпад) молекул під дією високої

температури близько 2000°С: