Индикаторная диаграмма процесса сгорания топливовоздушных смесей

Подвод теплоты к рабочему телу в действительном термодинамическом цикле поршневого двигателя с искровым зажиганием осуществляется внутри цилиндра двигателя путем сжигания смеси топлива с воздухом. Процесс теплоподвода в результате сгорания горючей смеси развивается во времени, соответственно с изменением тепловыделения в цилиндре двигателя изменяются температура и давление рабочего тела. При анализе процесса сгорания используют индикаторную диаграмму, показывающую изменение в цилиндре двигателя давления и температуры газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала, то есть зависимость Р=Р(φ), Т=Т(φ) (рис. 2.6). Эти кривые получают экспериментальным путем или в результате расчета термодинамического цикла.



При анализе процесса сгорания на индикаторной диаграмме Р=Р(φ) карбюраторного двигателя выделяют четыре фазы.

Первая фаза — фаза формирования фронта турбулентного пламени из начального очага воспламенения, возникшего в зоне расположения электродов свечи. Фиксируется с момента проскакивания электрической искры (точка 1) до момента резкого повышения давления в цилиндре (точка 2). Развитие сгорания в течение этой фазы определяется в основном мелкомасштабными турбулентными пульсациями свежего заряда, в то время как крупные пульсации при наличии вихря могут очень быстро переносить небольшой по размерам образовавшийся очаг воспламенения в центр камеры сгорания. Перенос очага воспламенения, значительно менее плотного из-за высокой температуры, чем свежий заряд, в центр камеры сгорания происходит под действием центробежных сил, возникающих при вращении свежего заряда в камере сгорания. Уже из центра камеры сгорания фронт пламени начинает распространяться во все стороны в радиальном направлении. Первая фаза завершается в тот момент, когда очаг воспламенения и горения достигнет такого размера, что количество выделившейся теплоты оказывается достаточным для заметного повышения давления в цилиндре. Этому соответствует сгорание объема смеси. равного 6-8% от объема камеры сгорания.


Отрезок времени τ_I с момента подачи искры (точка 1) до момента отрыва кривой резкого повышения давления от кривой сжатия (точка 2), в течение которого давление в цилиндре повышается только в результате сжатия, иногда называют периодом задержки воспламенения, что естественно, не совсем правильно, так как в этот момент идет относительно медленное развитие процесса сгорания.

Первая фаза формирования фронта пламени оказывает существенное влияние на процесс дальнейшего сгорания топлива в цилиндре двигателя. На длительность первой фазы τ_I (в миллисекундах или градусах поворота коленчатого вала) влияют такие факторы, как состав смеси α, степень сжатия ε, частота вращения коленчатого вала n, нагрузка (% Др.З — процент открытия дроссельной заслонки), энергия источника зажигания. Влияние других факторов рассматривается позднее.

Вторая фаза - основная фаза быстрого сгорания. В течение второй фазы турбулентный фронт пламени быстро распространяется по большей части объема камеры сгорания, в результате бурного выделения теплоты давление в цилиндре резко повышается. Длительность второй фазы фиксируема с момента отрыва кривой давления от линии сжатия (точка 2) до момента достижения максимального давления в цилиндре Р_z=max (точка 3).

Распространение фронта пламени в основной фазе сгорания целиком определяется крупномасштабными турбулентными пульсациями свежего заряда в цилиндре, которые в свою очередь пропорциональны частоте вращения коленчатого вала. Поэтому при увеличении частоты вращения коленчатого вала длительность второй фазы по времени уменьшается, а в градусах поворота коленчатого вала практически не изменяется.


Наилучшие энергоэкономические параметры двигателя наблюдаются, когда начало быстрого нарастания давления (точка 2) соответствует положению кривошипа коленчатого вала за 10-15° до ВМТ, а максимальное давление газов Р_z достигается через 10-15° поворота коленчатого вала после ВМТ (точка 3).

Скорость тепловыделения в основной фазе сгорания определяет скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, характеризуемую отношением ΔР/Δφ (МПа/°п.к.в.). Скорость нарастания давления газов в цилиндре двигателя на градус поворота коленчатого вала принято называть жесткостью рабочего процесса Для карбюраторного двигателя скорость нарастания давления составляет 0,15-0,20 МПа/°п.к.в., что соответствует мягкому рабочему процессу.

На длительность второй фазы сгорания τ_II оказывал влияние такие факторы, как скорость движения свежего заряда и её турбулентные характеристики, момент зажигания, расположение свечи и конфигурация камеры сгорания и другие факторы.

Третья фаза — фаза завершения сгорания. Начало третьей фазы τ_III фиксируется с момента достижения максимального давления P_z на индикаторной диаграмме (точка 3) Однако сгорание топлива в этот момент еще не закончено, средняя температура газов в цилиндре продолжает повышаться. За окончание третьей фазы условно принимается момент достижения максимальной температуры газов (точка 4). В третьей фазе происходит сгорание топлива вблизи стенок цилиндров, а также догорание небольших объемов свежего заряда оказавшихся за фронтом турбулентного пламени в массе горячих продуктов сгорания.


При максимальной температуре газов давление в цилиндре снижается из-за увеличения объема рабочего тела при движении поршня к НМТ.

Четвертая фаза - фаза догорания при расширении продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Достижение максимальной температуры газов в цилиндре (точка 4) не означает окончания тепловыделения. В этой фазе идет догорание продуктов неполного окисления топлива в объеме камеры сгорания, медленное догорание рабочей смеси в холодных пристеночных слоях, происходит рекомбинация диссоциированных продуктов сгорания. За окончание четвертой фазы догорания топлива условно принимают квазиадиабатическую точку рабочего процесса - равенство скорости тепловыделения от догорания скорости теплоотдачи в стенку цилиндров (точка 5). Продолжительность фазы догорания при расширении зависит от состава смеси α, момента зажигания, степени турбулизации догорающей смеси и других факторов.

В быстроходных двигателях из-за увеличения скорости распространения пламени расширяется зона турбулентного горения, в результате чего фаза догорания несколько затягивается в такте расширения. Это приводит к увеличению теплопотерь в стенки цилиндра и с выпускными газами, что уменьшает эффективность использования и преобразования выделяемой теплоты в полезною работу.

В реальном процессе сгорания установить четкие границы между отдельными фазами сгорания топлива в цилиндре не представляется возможным. Можно лишь констатировать, что с какого-то момента преобладающим в развитии процесса сгорания является один из механизмов распространения пламени, а с некоторого следующего момента - другой механизм. Между ними находится переходная область, обеспечивающая плавный переход от одной фазы сгорания к другой.