3.4 ПРОЦЕСИ СУМІШОУТВОРЕННЯ ТА ЗГОРЯННЯ

 

У ДВЗ процесу згоряння передує процес приготування паливо-повітряної суміші необхідного складу.

 

3.4.1 Сумішоутворення у двигунах з іскровим запалюванням

 

3.4.1.1 Утворення однорідної суміші

 

У бензинових двигунах застосовується переважно зовнішнє сумішоутворення, яке включає в себе ряд процесів: дозування палива, його розпилювання, випаровування і перемішування з повітрям. В карбюраторних двигунах компоненти горючої суміші знаходяться в різних агрегатних станах. Тому бензин спочатку потрібно розпилити і випарувати. В цих двигунах сумішоутворення погіршується внаслідок того, що частина палива осідає на стінках впускного колектора у вигляді паливної плівки. Швидкість її руху значно менша, ніж швидкість суміші. В двигунах з впорскуванням бензину пальне розпилюється форсунками на впускні клапани або прямо в циліндри. Бензин потрапляє в гаряче середовище і швидко випаровується, що сприяє хорошому сумішоутворенню. В газових двигунах процес утворення горючої суміші відбувається внаслідок дифузії одного газу в інший під час їх руху по впускному тракту.

 

3.4.1.2 Утворення розшарованих зарядів

 

Покращити показники двигуна можна відмовившись від дроселювання і перейшовши на якісне регулювання (при внутрішньому сумішоутворенні). Переваги такого переходу можуть бути реалізовані в повній мірі у випадку розділення заряду на дві частини – горючу і негорючу (без палива). Горюча частина повинна містити гомогенну суміш при =1, а негорюча – повітря

і залишкові гази. Необхідно, щоб горюча частина заряду при проскакуванню іскри розміщувалась біля свічки запалювання. Реальне використання розшарованих зарядів вдалось здійснити японським фірмам Toyota і Mitsubishi в 1996 – 1997 рр. при впорскуванні бензину в циліндр і комплексному мікропроцесорному керуванню подачею палива, а також вихровим рухом заряду.

 

3.4.2 Сумішоутворення в дизелях

 

У дизелях застосовується внутрішнє сумішоутворення, при якому наприкінці такту стиску паливо впорскується в циліндр в нагріте повітря, де і відбувається утворення паливо-повітряної суміші. Cумішоутворення в дизелях починається з початком впорскування палива і закінчується майже одночасно з кінцем його згоряння. Процеси сумішоутворення включають в себе розпилювання палива, розподіл його в об`ємі камери згоряння, нагрівання, випаровування палива, змішування парів палива з повітрям. В сучасних автомобільних дизелях застосовують три типи камер згоряння: нерозділені (однопорожнинні), розділені (двопорожнинні) і напіврозділені.

Нерозділені камери згоряння складаються з простору над поршнем і неглибокої порожнини в поршні. Розпилювання палива, сумішоутворення і згоряння відбуваються безпосередньо в циліндрі, й двигун з такими камерами називається двигуном з безпосереднім впорскуванням. В нерозділених камерах згоряння може здійснюватись один із трьох способів сумішоутворення: об`ємне, плівкове або об`ємно-плівкове.

Об`ємне сумішоутворення здійснюється в неглибоких значного діаметра камерах згоряння, наприклад типу „Гесельман” (рис. 3.4, а). Основна частина палива впорскується в об`єм над поршнем. Паливна апаратура повинна забезпечити проникнення факелів розпиленого палива до периферії камери, максимально заповнити розпиленим паливом весь об`єм. Ці вимоги жорткі та суперечливі, й виконати їх складно.

Рис. 3.4. Нерозділені камери згоряння:

а – типу „Гесельман”; б – типу „Дойтц”; в – типу ЯМЗ; г – типу ЦНДДІ

 

Бажання уникнути цих труднощів і при цьому зберегти хорошу паливну економічність призвело до розробки напіврозділених камер згоряння, виконаних в поршні. В цих камерах згоряння може здійснюватись плівкове сумішоутворення (рис.3.4, б). Для цього значна частина порції палива (90...95%), яке впорскується, подається на стінку камери згоряння в поршні під невеликим кутом, що створює умови для розтікання палива по стінці тонким шаром, решта палива впорскується в об`єм. Спочатку самозаймається та частина палива, яке впорскується в об`єм (5...10%). Паливна плівка випаровується за рахунок теплоти поршня. Після початку горіння процес випаровування різко прискорюється.

У разі плівкового сумішоутворення забезпечується висока потужність і хороша паливна економічність, зменшується жорсткість роботи дизеля. Недоліками такого сумішоутворення є утруднений запуск холодного двигуна і підвищена токсичність відпрацьованих газів на режимах холостого ходу і часткових навантажень.

Об`ємно-плівкове сумішоутворення також здійснюється в напіврозділених камерах згоряння (рис. 3.4, в, г). При цьому способі 40...60% порції палива досягає стінок камери згоряння в поршні. Попадання палива на стінку спочатку значно зменшує швидкість утворення паливо-повітряної суміші порівняно з об`ємним сумішоутворенням. Завдяки цьому знижується жорсткість роботи дизеля. Далі швидкість випаровування зростає і процес згоряння не затягується.

Розділені камери згоряння складаються з основної та допоміжної порожнин, які з`єднуються горловиною. Мета розділення камер – підвищення енергії повітряного заряду для покращення сумішоутворення. Тому основні переваги дизелів з такими камерами: висока якість згоряння, м`яка робота дизеля, невисока токсичність відпрацьованих газів завдяки якісному згорянню, низькі вимоги до паливної апаратури. Недоліками двокамерних дизелів є гірша паливна економічність і низькі пускові властивості, що вимагає застосування спеціальних пускових пристроїв. Є два види розділених камер згоряння: з вихровою камерою і передкамерою.

У вихровій камері (рис. 3.5, а) вісь з`єднувальної горловини направлена по дотичній до внутрішньої поверхні сферичної порожнини, що забезпечує під час стиску направлений вихровий рух заряду. Швидкість перетікання заряду через горловину понад 200 м/с, чим забезпечується хороше розподілення заряду і якісне сумішеутворення. Об`єм вихрової камери становить 45...60% від загального об`єму камери згоряння. При згорянні частини палива у вихровій камері тиск підвищується, в результаті чого, паливо, яке не згоріло, викидається в надпоршневий простір, де й закінчується процес згоряння.

Рис. 3.5. Розділені камери згоряння:

а – вихрова камера; б – передкамера

 

У передкамерному дизелі (рис.3.5, б) відносний об`єм додаткової порожнини і переріз горловини менші, ніж у вихорокамерних дизелів. Цим забезпечується значне підвищення швидкості перетікання заряду

(290...320 м/с). Паливо впорскується назустріч потоку повітря, і має місце добре перемішування горючої суміші. Передкамерні дизелі менш чутливі до сорту палива й умов роботи, ніж вихорокамерні. Однак мають більші втрати енергії на перетікання заряду і тому менш економічні.

 

3.4.3 Особливості згоряння горючих сумішей

 

Процес згоряння можна розділити на дві стадії: запалювання суміші та поширення полум`я.

Запалювання може бути високотемпературне одностадійне та низькотемпературне багатостадійне. В двигунах з іскровим запалюванням має місце високотемпературне запалювання. Свічка запалювання дає температуру 10000 К, внаслідок чого початкові реакції відбуваються дуже швидко. Займання відбувається в обмеженій зоні з максимальною температурою. У двигунах із самозайманням має місце низькотемпературне багатостадійне запалювання, яке виникає внаслідок нагрівання повітря до порівняно невисокої температури (450...800 К). Його стадії – спочатку виникає голубе світіння, тиск і температура в камері згоряння не підвищуються. Наступний період – зростання тиску і температури, з’являється інтенсивне вторинне світіння і в кінці – тепловий вибух. Таке запалювання відбувається одночасно в багатьох точках об’єму робочої суміші, тому його називають об’ємним самозайманням.

Поширення полум’я. Швидкість поширення фронту полум’я 40...50 м/с (до 60 м/с), товщина зони горіння 20...25 мм, причому із збільшенням частоти обертання швидкість поширення полум’я збільшується. Швидкість розповсюдження полум`я в однорідній бензоповітряній суміші значною мірою залежить від її складу. Найбільша швидкість досягається при α = 0,85...0,95.

У разі збіднення та збагачення горючої суміші швидкість згоряння зменшується до деякої межі, при якій полум’я гасне (0,1 м/с). Межу збагачення горючої суміші вище якої розповсюдження полум’я стає неможливим називають верхньою концентраційною межею α_мін, а межу збіднення - нижньою концентраційною межею α_макс.

У бензинових двигунах α_мін = 0,4...0,5 і α_макс = 1,3...1,4. В газових двигунах вони ширші в бік збіднення.

У дизелях впорскнуте паливо знаходиться в двофазному стані. Частина його переходить у парову фазу, а частина - залишається в крапельно-рідинному стані. Запалювання виникає в зонах, насичених парою палива, а від цих вогнищ запалювання полум’я поширюється всередину зон з крапельками рідкого палива. Центрами запалювання є зони, де α = 0,85...0,95, від них полум’я поширюється на більш збіднені суміші. Тому дизелі можуть працювати на малих навантаженнях при дуже бідній суміші з α > 4. Але при α<1,4...1,5, що має місце при повних навантаженнях, з’являються зони із значними місцевими перезбагаченнями суміші (з α = 0,3...0,4), в яких інтенсивно утворюється сажа. Це є причиною підвищеної димності дизелів при збільшенні навантаження понад деякої норми.

 

3.4.4 Згоряння в двигунах з іскровим запалюванням

 

Згоряння рідкого палива може відбуватися тільки в газовій фазі. Для цього потрібно, щоб бензин випарувався і його пара змішалася з повітрям. Найбільша швидкість згоряння в однорідній (гомогенній) суміші, коли молекули палива рівномірно розподілені між молекулами кисню. В реальних умовах цього важко досягти, тому робоча суміш тією чи іншою мірою завжди неоднорідна (особливо при низьких температурах).

Згоряння робочої суміші в циліндрі ДВЗ з іскровим запалюванням має такі особливості:

1) вихровий (турбулентний) рух робочої суміші, внаслідок чого фронт полум`я має нерівну поверхню;

2) в нормальних умовах максимальна середня швидкість поширення фронту полум`я становить 40...50 м/с;

3) відразу після подачі електричної іскри в робочій суміші відбуваються передполум`яні реакції без підвищення тиску, а потім починається видиме горіння і різке зростання тиску.

Згоряння відбувається дуже швидко, приблизно за 0,001 с. За період згоряння колінчастий вал повертається на 25...30. Тому електричну іскру подають з випередженням, щоб згоряння закінчилось, коли поршень проходить в.м.т. Тоді тиск на поршень буде максимальним.

Для аналізу процесу згоряння зручно використовувати розгорнуту індикаторну діаграму, тобто залежність тиску р в циліндрі двигуна від кута φ повороту колінчастого вала (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Розгорнуті індикаторні діаграми:

а – двигуна з іскровим запалюванням; б – дизеля

 

Іскра подається в точці 1 з випередженням θ до приходу поршня у положення в.м.т. θ =20...55⁰ повороту колінчастого вала (п.к.в.). На індикаторній діаграмі можна виділити три фази згоряння:

І – період прихованого згоряння – від моменту проскакування електричної іскри до початку різкого збільшення тиску на індикаторній діаграмі. В цей період осередок горіння, який формується між електродами свічки, поступово перетворюється в розвернутий фронт полум’я. Кінець першого періоду визначають накладанням діаграми з включеним запалюванням на діаграму з виключеним запалюванням, і місце розходження кривих визначає точку 2 – кінець першого періоду.

Перша фаза становить 10...30⁰ п.к.в. (0,0005...0,001с).

ІІ – період швидкого або видимого горіння. Починається в момент закінчення процесу стиску і закінчується в момент досягнення максимального тиску в циліндрі. В цей період відбувається швидке розповсюдження фронту полум’я по всьому об’єму камери згоряння. Друга фаза становить 25...30⁰ п.к.в. (0,001...0,002 с). За цей час згоряє 70-80% робочої суміші. Зменшенню тривалості другої фази сприяє розміщення свічки запалювання ближче до центру камери згоряння або установка в ній двох свічок, а також посилення турбулізації заряду.

Друга фаза згоряння характеризує жорсткість роботи двигуна, яка оцінюється швидкістю наростання тиску на кожен градус кута повороту колінчастого вала, тобто відношенням ∆р/∆φ,

де ∆р = р₃ – р₂ – різниця між максимальним тиском (т.3) і тиском на початку видимого горіння (т.2);

∆φ – кут повороту колінчастого вала від початку видимого горіння (т.2) до досягнення максимального тиску (т.3) циклу.

Якщо горіння проходить нормально, ∆р/∆φ = 0,12...0,26 МПа/ ⁰ п.к.в. Жорстка робота двигуна супроводжується стуками і створює надмірні навантаження на деталі двигуна.

Третя фаза (ІІІ) називається періодом догоряння. Вона починається від точки максимального тиску газів в надпоршневому просторі (яка знаходиться після в.м.т.) та не має чітко визначеного закінчення.

 

Фактори, що впливають на процес згоряння у двигунах з іскровим запалюванням

 

На процес згоряння в двигунах впливають експлуатаційні та конструктивні фактори.

Експлуатаційні фактори

1. Склад робочої суміші. Найбільша швидкість розповсюдження полум’я досягається при α = 0,85...0,95. При таких значеннях α забезпечуються найбільше значення максимального тиску згоряння та найбільша робота циклу. Тому з повною потужністю двигуни працюють саме при α = 0,85...0,95, незважаючи на погіршення економічності.

Найкраща економічність досягається, якщо α = 1,05...1,15. За рахунок надлишку повітря паливо згоряє практично повністю, але процес згоряння протікає повільніше і робота циклу зменшується, що призводить до деякого зниження потужності двигуна.

У разі подальшого збіднення (α > 1,2) робота двигуна стає нестійкою. За дуже значного збіднення (α > 1,25) з’являються спалахи у впускному колекторі, через те, що згоряння настільки уповільнюється, що частина палива догоряє не тільки при розширенні, але й під час випуску.

2. Кут випередження запалювання. Кожному режиму роботи двигуна відповідає свій найвигідніший кут випередження запалювання, при якому основна фаза процесу згоряння розміщується максимально близько до в.м.т. і двигун працює з найкращою ефективністю, тобто розвиває найбільшу для даного режиму потужність і, відповідно, має найменшу питому витрату палива. Оптимальний кут випередження запалювання зазвичай становить 25...40 ⁰ п.к.в. до в.м.т. При надто ранньому куті випередження запалювання тепловиділення поліпшується, але при цьому різко збільшується тиск і навіть може досягти максимального значення до завершення ходу стиску. Внаслідок цього зростає негативна робота в кінці стиску, знижується потужність і погіршується економічність.

При надто пізньому куті випередження запалювання значна частина тепловиділення відбувається під час розширення. Максимальний тиск і робота розширення знижуються, потужність падає, а температура газу в кінці розширення підвищується і двигун перегрівається.

Система запалювання забезпечує автоматичну зміну кута випередження залежно від режиму роботи та його температурного стану.

3. Частота обертання колінчастого вала. З підвищенням частоти обертання колінчастого вала час, що відводиться на процес згоряння, скорочується пропорційно збільшенню частоти обертання, тому кут випередження запалювання потрібно збільшувати із збільшенням частоти обертання. Цю функцію виконує відцентровий регулятор у розподільнику запалювання.

4. Навантаження на двигун. При постійній частоті обертання кут випередження запалювання повинен змінюватися залежно від навантаження. Під час роботи двигуна з частковим навантаженням внаслідок того, що дросельна заслінка прикрита, в циліндри надходить менша кількість свіжої суміші та вміст залишкових газів в ній більший. В той же час чим більше свіжа суміш розбавлена відпрацьованими газами, тим менша швидкість її згоряння і тим раніше необхідно її запалювати. Цю функцію виконує вакуумний регулятор.

 

Конструктивні фактори

Ступінь стиску. Збільшення ступеня стиску сприяє поліпшенню показників роботи двигуна. З іншого боку, підвищення ступеня стиску в двигунах з іскровим запалюванням обмежується небезпекою виникнення детонації, тому в сучасних двигунах ступінь стиску не роблять більшим 10.

Форма камери згоряння. Цей показник залежить від розташування клапанів у двигуні: нижнього чи верхнього. Нижнє розташування клапанів використовувалось в двигунах 50-х – 60-х років (ГАЗ-51, ЗІЛ-164, ГАЗ-20). В камері згоряння з таким розміщенням клапанів забезпечується інтенсивний вихровий рух робочої суміші в бік свічки запалювання, завдяки її витискуванню поршнем. Але в таких камерах велика поверхня тепловідводу.

Найбільш оптимальною формою камери згоряння у двигунах з верхнім розміщенням клапанів є напівсферична (рис.3.7, а). В цій камері найкоротший шлях фронту полум’я до будь-якої віддаленої частини камери. Але для такої камери потрібний більш ускладнений привод клапанів, які розташовуються в два ряди.

Рис. 3.7. Схеми основних типів камер згоряння двигунів з іскровим запалюванням:

а – напівсферична; б – плоскоовальна; в - клинова

 

Шатрова камера згоряння є близькою за властивостями до напівсферичної.

Завдяки простоті виготовлення набули широкого застосування камери згоряння з несиметричним розміщенням свічки: плоскоовальна, клинова (рис.3.7, б, в), напівклинова. В усіх цих камерах клапани розташовані в один ряд.

 У разі несиметричного розміщення свічки найкращі умови згоряння забезпечує клинова камера згоряння, оскільки в момент запалювання біля свічки міститься найбільша кількість суміші та фронт полум’я поширюється в сторону все меншого об’єму. Тому клинова камера забезпечує ”м’яку” роботу двигуна.

Зараз поширюється застосування двигунів з трьома клапанами в кожному циліндрі (два впускних) для покращення наповнення циліндрів та чотирма клапанами. В двигунах з великим діаметром циліндрів іноді встановлюють по дві свічки запалювання на циліндр, завдяки чому шлях фронту полум’я скорочується вдвічі.

 

Основні випадки ненормального згоряння у двигунах з іскровим запалюванням

 

1.Детонаційне згоряння. Детонаційним згорянням, або детонацією, називається вибухоподібне згоряння робочої суміші. У випадку детонації спочатку процес згоряння проходить нормально. Робоча суміш запалюється від іскри, і фронт полум’я поширюється по камері згоряння. Але у віддалених від свічки ділянках камери згоряння через підвищення температури і тиску інтенсивно утворюються активні перекисні сполуки. Це може бути, наприклад, у випадку використання низькооктанового бензину. У разі накопичення цих сполук більше деякого критичного значення суміш самозаймається, причому згоряння носить вибухоподібний характер з утворенням ударної хвилі тиску, що переміщається із швидкістю 1000...2200 м/с (нормальна швидкість згоряння до 50 м/с). Відбиваючись від стінок камери згоряння, ударна хвиля утворює нові хвилі. При цьому розвивається дисоціація газів з утворенням оксиду вуглецю, атомарного вуглецю і водню. Продукти дисоціації та незгоріла частина пального догорають в процесі розширення, тому лінія розширення на індикаторній діаграмі має вигляд пилки (рис.3.8, а).

Багаторазово повторювані хвилі тиску руйнують масляну плівку на стінках циліндра, можуть викликати руйнування антифрикційного шару в шатунних підшипниках. Тому робота двигуна з детонацією є недопустимою.

Рис. 3.8. Індикаторні діаграми двигунів:

а – при детонаційному згорянні; б – при передчасному запалюванні

 

Зовнішні ознаки детонації: дзвінкий металевий стукіт, падіння потужності, перегрів і нестійка робота двигуна, поява чорного диму.

 

 

Фактори, що впливають на появу детонації

 

Конструктивні фактори

Ступінь стиску. Межею підвищення ступеня стиску є небезпека виникнення детонації.

Розмір циліндра. Із збільшенням діаметра циліндра збільшується шлях фронту полум’я, що сприяє виникненню детонації.

Форма камери згоряння. Для зменшення ймовірності виникнення детонації потрібно, щоб шлях фронту полум’я в усіх напрямках був приблизно однаковий.

 

Експлуатаційні фактори

Сорт вживаного палива. Треба уникати роботи двигуна на бензині, який не рекомендований інструкцією щодо експлуатації.

Склад робочої суміші. Найбільшу схильність до детонації має робоча суміш з коефіцієнтом надлишку повітря α = 0,85...0.95, при якому забезпечуються найбільша температура і тиск в циліндрі.

Кут випередження запалювання. Виникненню детонації сприяє ранній кут випередження запалювання, тому що в цьому випадку частка теплоти виділяється в кінці стиску.

Високі значення ступеня стиску, які покращують паливну економічність сучасних двигунів та застосування бензину з октановим числом, нижчим від рекомендованого, збільшують схильність двигунів до детонації. Тому все більшого поширення набувають системи захисту двигунів від детонації (рис.3.9). Датчик детонації, розміщений у відповідному місці блока циліндрів, реагує на виникаючі при детонації високочастотні коливання блока і трансформує їх у електросигнали, які надходять в електронний блок керування системою запалювання двигуна. При цьому виконавчий механізм зміщує момент запалювання в сторону запізнення протягом певного числа тактів.

 

Рис. 3.9. Схема дії системи захисту двигуна від детонації

 

Навантаження двигуна. З підвищенням навантаження схильність до детонації зростає.

Частота обертання колінвала. Ймовірність появи детонації із збільшенням частоти обертання знижується, внаслідок посилення турбулізації свіжого заряду.

Тепловий стан двигуна. З підвищенням температури деталей камери згоряння двигуна зростає схильність до детонації.

Стан навколишнього середовища. Чим вища температура повітря, тим більша схильність до детонації. Підвищення вологості, навпаки, знижує схильність до детонації, тому що на випарування вологи в циліндрах витрачається частка теплоти і температура в них знижується.

2. Передчасне запалювання. При передчасному запалюванні робоча суміш запалюється від нагрітих ділянок камери згоряння до появи електричного розряду між електродами свічки. Таке запалювання називають жаровим. Джерелами жарового запалювання можуть бути нагріті до температури вище 1000 ⁰К центральні електроди та ізолятори свічок, випускні клапани, великі розжарені частини нагару. Жарове запалювання відбувається у процесі стиску, тиск різко підвищується і може досягти максимального значення до завершення такту стиску. Додаткова робота затрачується на стиск газів, що вже згоріли, і на індикаторній діаграмі з’являється петля.

Жарове запалювання проявляється в падінні потужності, перегріві двигуна, у вигляді глухих стуків. Треба суворо дотримуватись відповідності жарового числа свічок особливостям двигуна. В маркуванні свічки А20ДВ, 20 – жарове число, чим воно більше, тим свічка ”холодніша”, тобто може працювати в більш високому тепловому режимі. Якщо число завелике, то свічка не буде самоочищуватись.

3. Займання від стиску у разі виключеного запалювання. Часом двигун може працювати на холостому ходу при виключеному запалюванні. За достатньо високого стиску (>8) під час прокручування колінчастого вала добре прогрітого двигуна з прикритою дросельною заслінкою температура горючої суміші наприкінці процесу стиску досягає значень, достатніх для того, щоб встигло пройти самозапалювання суміші при низькій частоті обертання (n = 300...400 хв^-1).

 

3.4.5 Згоряння в дизелях

 

У дизелях паливо впорскується у рідкому стані в стиснуте до 3...5 МПа і нагріте до температури 700...900 К повітря в камері згоряння. Ця температура на 150...250 К вища за температуру самозаймання дизельного палива. Краплини палива починають швидко випаровуватися й оточуються оболонкою пари, яка через певний період самозаймається. Період затримки займання становить 0,0005...0,002 с. Під час впорскування палива не утворюється однорідна паливоповітряна суміш, тому паливо займається в зонах, де суміш перебуває в межах займистості. Якщо в двигунах з іскровим запалюванням утворена завчасно горюча суміш швидко згоряє при майже постійному об`ємі, то в дизелях процеси сумішоутворення і згоряння відбуваються одночасно і процес згоряння розтягнутий в часі.

Весь процес згоряння в дизелях можна умовно поділити на чотири фази, які зручно показати на розгорнутій індикаторній діаграмі (рис.3.6, б). Впорскування палива починається в точці 1. Кут  між початком впорскування і ВМТ називається кутом випередження впорскування. Перша фаза ( І ) згоряння - період затримки самозаймання палива. В цей період відбувається впорскування палива, його розпилення, випаровування крапель палива і розгортаються передпломеневі реакції. Період затримки самозаймання становить 12...15 п.к.в.

Друга фаза ( ІІ ) – період швидкого горіння. Починається в точці 2 і закінчується при досягненні максимального тиску (точка 3). В цій фазі закінчується впорскування палива і становить вона 10...20п.к.в. Нормальна швидкість підвищення тиску  = 0,4...0,5 МПа/п.к.в.

Третя фаза ( ІІІ ) – згоряння при майже постійному тиску. Починається в точці 3 і закінчується в точці 4. В цій точці температура робочого тіла досягає максимума (1800...2200К). Третя фаза становить 15...25п.к.в.

Четверта фаза ( ІV ) – догоряння палива та продуктів його окислення. Починається при максимальній температурі (точка 4) і не має чіткого моменту завершення.

 

Фактори, що впливають на процес згоряння в дизелях

 

1) Період затримки самозаймання. Від нього залежить жорсткість роботи дизеля. Чим більший період затримки, тим більше палива накопичується у циліндрі перед самозайманням і тим більш різко підвищується тиск у другому періоді згоряння. Залежить цей показник від цетанового числа дизельного палива. Чим воно нижче, тим більший період затримки.

2) Фізико-хімічні властивості палива. В першу чергу на процес згоряння впливають в`язкість, поверхневий натяг і випаровуваність. Перші два фактори впливають на дрібність розпилювання, а третій – на швидкість утворення горючої суміші.

3) Тиск і температура наприкінці стиску. Підвищення тиску і особливо температури в момент впорскування палива сприяє зменшенню періоду затримки самозаймання. Тому підтримання нормального теплового стану дизеля сприятливо впливає на протікання робочого процесу і довговічність дизеля.

4) Якість розпилювання палива форсункою. В розпиленому паливі не повинно бути крапель розміром більше 100 мкм, тому що вони не встигнуть випаруватися і це буде причиною підвищеної димності.

5) Кут випередження впорскування. При надто ранньому куті випередження впорскування паливо потрапляє в камеру згоряння при невеликому тиску і низькій температурі, що призводить до збільшення періоду затримки самозаймання, підвищення жорсткості роботи та зростання максимального тиску згоряння. При пізньому куті випередження впорскування значна частина процесу згоряння переходить на лінію розширення і велика частина палива згоряє у фазі догоряння. Дизель працює при цьому м`яко, але корисна робота зменшується і двигун перегрівається.

6) Склад робочої суміші. Збільшення надлишку повітря на малих навантаженнях сприяє більш повному згорянню та поліпшенню тепловикористання, це має місце до 4. У разі подальшого збіднення згоряння уповільнюється.

7) Ступінь стиску. З підвищенням ступеня стиску збільшується тиск і температура повітря до моменту впорскування палива і період затримки самозаймання палива скорочується. При цьому значно зростає максимальний тиск згоряння. З точки зору найкращого тепловикористання оптимальним є ступінь стиску = 13...14, але для забезпечення надійного запуску застосовують = 14...17, а в дизелях з розділеними камерами згоряння =20...24.

 

3.4.6 Розрахунок процесу згоряння

 

Метою розрахунку процесу згоряння є визначення температури і тиску в кінці видимого згоряння (точки z і ). Для спрощення приймається, що процес згоряння в двигуні з іскровим запалюванням відбувається, як в ідеальному циклі з підведенням теплоти при V = соnst (рис. 3.10), а в дизелі, як в ідеальному циклі із змішаним підведенням теплоти. Температура газу

Рис. 3.10. Зміна тиску в процесі згоряння:

а - в двигуні з іскровим запалюванням; б - в дизелі

 в кінці видимого згоряння визначається на основі першого закону термодинаміки. Стосовно поршневих ДВЗ:

 

 - згоряння при  >1;

 

 - згоряння при  <І,

 

де  - нижча теплота згоряння палива, кДж/кг;

 - теплота, втрачена внаслідок тепловіддачі, догоряння палива на лінії розширення і дисоціації,кДж;

 - внутрішня енергія газів в кінці видимого згоряння, кДж;

 - внутрішня енергія робочої суміші в кінці стиску, кДж;

- тепло, яке йде на роботу розширення газів від точки с до точки z (для двигунів з іскровим запалюванням  =0), кДж;

- хімічна неповнота згоряння палива через нестачу кисню (<1).

Тепловий баланс на ділянці сz можна записати в більш короткій формі у вигляді рівняння:

 

;

 

,

 

де - коефіцієнт використання тепла на ділянці cz

 

видимого згоряння:

для бензинових двигунів  = 0,80...0,95;

для дизелів з нерозділеними камерами згоряння  = 0,70...0,85;

для дизелів з розділеними камерами згоряння = 0,65...0,80;

для газових двигунів = 0,80...0,85.

Підвищення  досягається внаслідок вибору раціональної форми камери згоряння, зменшення догоряння у процесі розширення, правильного вибору коефіцієнта надлишку повітря.

Розрахункові рівняння згоряння одержують перетворенням рівнянь теплового балансу на ділянці сz.

Температура в кінці видимого процесу згоряння для бензинового двигуна може бути визначена з виразу:

 

.

 

Для дизелів:

 

,

де - теплота згоряння робочої суміші

 

, кДж/кмоль роб.суміші;

 

- теплоємність робочої суміші;

- теплоємність продуктів згоряння при постійному об’ємі;

- теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску;

- дійсний коєфіцієнт молекулярної зміни;

- ступінь підвищення тиску.

 

Для дизелів з нерозділеними камерами згоряння і об'ємним сумішоутворенням  =1.6...2.5.

Для вихорокамерних і передкамерних дизелів, а також при плівковому сумішоутворенні  = 1.2... 1.8.

Після підстановки в рівняння згоряння відповідних числових значень

 і виконання необхідних перетворень рівняння згоряння набуде вигляду:

.

 

Тоді:

 

 , К.

Тиск в кінці видимого згоряння:

для бензинових двигунів:

 , МПа;

для дизелів:

 

, МПа.

 

Ступінь попереднього розширення для дизеля:

 

.

 

Значення ,,і сучасних двигунів перебувають у межах: для бензинових двигунів:

 = 2400 ... 2990 К;  = 3.5 ... 6.5 МПа;  = 3.2...4.2;

для газових двигунів:

 = 2200 ... 2500 К;  = 3.0 ... 5.0 МПа;

для дизелів:

= 1800 ...2300 К;  = 6.0... 12 МПа; = 1.2... 1.7.

Дійсний максимальний тиск в циліндрах двигуна:

бензинового  = 0.85, МПа;

дизеля  = , МПа.

Більш низькі температури кінця згоряння дизелів порівняно з бензиновими двигунами є наслідком більшої величини коефіцієнта надлишку повітря , а, відповідно, і більших втрат на нагрівання повітря, а також меншої величини коефіцієнта використання теплоти  на ділянці видимого згоряння.