§ 4. ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПРИ СГОРАНИИ
Вместо внешнего подвода тепла в термодинамических циклах увеличение температуры рабочего тела в действительном рабочем процессе поршневых двигателей внутреннего сгорания осуществляется сжиганием горючей смеси. Процесс сгорания происходит не мгновенно, а развивается во времени. В соответствии с изменением тепловыделения в цилиндре двигателя изменяются температура и давление рабочего тела.
Способ воспламенения рабочей смеси предопределяет протекание процесса сгорания. Поэтому изменение параметров рабочего тела в период сгорания необходимо рассмотреть отдельно для различных типов двигателей внутреннего сгорания.
Сгорание в двигателях с зажиганием от электрической искры
.В двигателях с искровым зажиганием к моменту появления электрической искры рабочая смесь, состоящая из воздуха и парообразного или газообразного топлива и примеси остаточных газов, заполняет в цилиндре объем пространства сжатия. В зависимости от числа свечей зажигания рабочая смесь воспламеняется в одной или нескольких (чаще в двух) точках. Процессы сгорания происходят вблизи в. м. т. при малом изменении объема рабочего тела. Поэтому изучать изменение давления в этом периоде удобнее на так называемых развернутых индикаторных диаграммах, показывающих изменение давления р в цилиндре по углу ср поворота коленчатого вала или по времени т. На фиг. 44 изображена развернутая индикаторная диаграмма двигателя ГАЗ-51 (кривая Р), а также показано примерное изменение средней температуры рабочего тела (кривая Т). Если зажигание выключено, то давление в цилиндре (штриховая кривая) изменяется почти симметрично относительно вертикальной линии, соответствующей в. м. т. (несимметричность получается вследствие теплообмена между газом и стенками, а также некоторой утечки газа через поршневые кольца и клапаны).
Момент проскакиваиия искры отмечен ординатой /, соответствующей углу 6 до в. м. т.; в этот момент давление в цилиндре равно р. После проскакиваиия искры давление в цилиндре в течение времени, пропорционального углу ср,- поворота вала, продолжает оставаться таким же, как и при выключенном зажигании до давления рч, соответствующего ординате 2. От точки 2 давление быстро нарастает до р = Pz - максимального давления цикла, значительно превосходящего давление конца сжатия рг.
Линия изменения давления при расширении после точки 3 также проходит выше линии расширения при отсутствии зажигания.
Фиг. 44. Диаграмма изменения давления р и температуры Т по углу f поворота коленчатого вала в двигателе с зажиганием от электрической искры.
Характер изменения давления в период сгорания в двигателе с искровым зажиганием позволяет выделить две основные фазы: фазу образования начального очага горения (участок /-2, соответствующий 9 градусов поворота вала) с малым тепловыделением и фазу распространения пламени (участок 2- 3, соответствующий 9 градусов угла поворота вала). В течение второй фазы происходит основное тепловыделение. Третья фаза - догорание по линии расширения.
Первая фаза завершается в тот момент, когда первоначальный очаг горения около свечи достигает такого размера, что количество выделившейся теплоты оказывается достаточным для заметного повышения давления в цилиндре.
Этому соответствует сгорание объема смеси, равного около 6-8% от общего объема камеры сгорания. Скорость сгорания в первой фазе в основном определяется химическими факторами (составом смеси и свойствами топлива).
Во второй фазе при распространении пламени в основной части объема камеры на скорость сгорания в основном влияет интенсивность крупно-масштабной турбулентности. В этой фазе резко увеличивается скорость сгорания и происходит выделение основной части теплоты сгорания. Максимальное давление в цилиндре достигается приблизительно в конце процесса распространения пламени, т. е. после почти полного завершения прохода фронта пламени через камеру сгорания.
Скорость тепловыделения в основной фазе сгорания определяет быстроту нарастания давления по углу поворота вала, характеризуемую отношением
щ кг1см град. Эта величина на диаграмме р - 9 определяется тангенсом
угла наклона касательной в данной точке кривой давления к оси абсцисс. Быстрота нарастания давления при сгорании может характеризоваться
также отношением кг/смград, гдеДр = Рз-р -разность максимального
давления цикла и давления в начале сгорания, а Дер = cpg =.-g = ср,- разность углов поворота вала при максимальном давлении и в начале сгорания.
Быстрота нарастания давления характеризует резкость приложения усилий к деталям кривошипно-шатунного механизма или. как принято
1называть, жесткость работы двигателя. Жесткость работы двигателя зависит от кривизны переходного участка между линиями сжатия и сгорания. С увеличением радиуса кривизны (т. е. если линия сжатия плавно переходит в линию сгорания) жесткость работы двигателя уменьшается.
В двигателях с низкими степенями сжатия (4,5-5) быстрота нарастания давления составляет 0,7-0,9 кг1см град; в двигателях со степенями сжатия 6,5-8 быстрота нарастания давления больше и составляет 1,1 - 1,6 кг!см град.
Первая фаза-так называемая задержка воспламенения, определяемая по индикаторной диаграмме углом ср, представляет собой по существу период задержки повышения давления. Эта величина включает период собственно химической задержки воспламенения и образование начального небольшого очага сгорания. Вторая фаза, определяемая углом 9,. соответствует почти полному проходу пламени по камере сгорания.
Иа продолжительность первой фазы влияют следующие факторы:
а) состав рабочей смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха, и структура молекул топлива;
б) степень сжатия, определяющая подготовленность топлива к воспламенению;
в) энергия источника зажигания.
На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы и дополнительно:
г) расположение свечи и конфигурация камеры сгорания;
д) момент зажигания;
е) скорость движения и турбулентные характеристики рабочей смеси. В действительных условиях сгорания в двигателе максимум давления и
максимум температуры рабочего тела не совпадают по времени (ср и сру- на фиг. 44). Максимальное давление достигается до окончания тепловыделения в цилиндре, хотя пламя к этому моменту уже прошло основную часть объема камеры сгорания. Достижение максимальной температуры также происходит не при полностью законченном тепловыделении.
Сдвиг максимумов давления и температуры рабочего тела в цилиндре является результатом совместного влияния подвода теплоты при сгорании и увеличения объема рабочего тела вследствие движения поршня. Несовпадение момента прохода пламени через камеру сгорания и окончания тепловыделения определяется периодом догорания смеси в камере, временем рекомбинации диссоциированных продуктов сгорания и более медленным окислением относительно холодных слоев рабочей смеси у стенок камеры.
На продолжительность периода до достижения максимума температуры влияют те же факторы, что и на вторую фазу сгорания. Продолжительность третьей фазы сгорания, так называемого догорания при расширении, зависит от состава смеси, момента зажигания и степени турбулизации догорающей смеси.
Влияние степени сжатия. С увеличением степени сжатия повышается давление и температура в период сжатия, что ускоряет подготовку топлива к сгоранию и увеличивает скорость сгорания. В двигателе с большей степенью сжатия период задержки воспламенения и продолжительность сгорания до достижения максимального давления меньше, тепловыделение происходит быстрее, давление по углу поворота вала растет также более интенсивно, а максимальное давление р достигается при положении, более близком к в. м. т.
Влияние формы камеры сгорания и расположение свечей. Конфигурация камеры сгорания и расположение свечи (или свечей) влияет на форму и величину поверхности фронта пламени, скорость его перемещения и, в результате, на интенсивность тепловыделения в зависимости от угла поворота вала.
Более быстрое увеличение давления при сгорании наблюдается в двигателях с плоскоцилиндрической формой камеры сгорания при двух боковых свечах, чем в двигателях с боковой камерой сгорания и одной свечей, так как при двух свечах, воспламеняющих смесь с двух противоположных сторон, к моменту подхода поршня к в. м. т. успевает сгореть большая часть рабочей смеси.
Путь, проходимый пламенем при боковом зажигании, длиннее, чем при зажигании из центра. Поэтому продолжительность распространения пламени в случае бокового зажигания больше, чем в случае центрального.
При одной и той же скорости движения фронта пламени скорость сгорания пропорциональна поверхности пламени. При равных углах поворота вала поверхности пламени больше при центральном расположении свечи. Поэтому при зажигании смеси сбоку камеры давление в конце прохода фронта пламени получается меньше, чем при центральном зажигании, а соответствующий угол поворота вала увеличивается. В этом случае процесс сгорания растягивается по времени, и быстрота нарастания давления по углу поворота коленчатого вала получается меньшей, чем при центральном размещении свечи.
