Факторы, влияющие на процесс сгорания

На скорость сгорания и выделение тепла влияет состав смеси. Минимальные значения j ₃ , q ₁ , q ₁₁ и Р_max достигаются при a = 0,85…0,9 – наибольшей скорости распространения пламени и интенсивности тепловыделения, т. е. при максимальной мощности. При a>0,9 возрастает длительность q ₁ , что вызывает необходимость увеличить j _з. В современных двигателях при e=8 при почти полном открытии дроссельной заслонки a _зк колеблется в пределах 1,15…1,2.

По мере уменьшения мощности двигателя путем дросселирования снижаются начальное и конечное давления сжатия и увеличивается степень разбавления рабочей смеси остаточными газами.

Неудовлетворительное протекание сгорания на режимах малых нагрузок и необходимость при этом обогащения смеси являются одним из главных недостатков бензинового двигателя, приводящего к перераспределению топлива и выбрасыванию в атмосферу отработавшими газами значительного количества СО и не полностью сгоревших углеводородов С_хН_у.

С увеличением e повышаются Р и Т рабочей смеси и уменьшается концентрация остаточных газов. При этом создаются более благоприятные условия для воспламенения смеси искрой, сокращается длительность начальной фазы сгорания, расширяются пределы обеднения смеси.

Большие Р и Т сжатой смеси способствуют повышению скоростей сгорания в основной фазе, но в то же время при больших e увеличивается отношение поверхности КС к ее объему, вследствие чего возрастает относительное количество смеси в пристеночных слоях, т.е. увеличивается доля смеси, догорающей в третьей фазе. Это приводит к тому, что в двигателях с большими e уменьшаются оптимальные углы опережения зажигания, сокращается продолжительность сгорания до момента достижения P_z, P_z сближается с ВМТ, но одновременно понижается коэффициент активного тепловыделения в точках P_z, T_z ивозрастает значение процесса догорания.

При повышении частоты вращения сокращается время на развитие сгорания. Если при постоянном составе смеси повышать число оборотов, сохраняя j₃ постоянным, то будет наблюдаться более позднее развитие процесса сгорания по циклу.

При соответствующем увеличении j₃ можно добиться того, что линии повышения давления в основной фазе сгорания при разных оборотах двигателя будут совпадать. С увеличением оборотов увеличивается длительность фазы сгорания q₁₁₁ , но сниженная с этим эффективность тепловыделения компенсируется уменьшением теплоотдачи в стенки из-за сокращения времени нахождения в цилиндре газов с высокими температурами.

 

Увеличение турбулизации

 

Для улучшения сгорания и снижения токсичности используются:

– интенсификация искрового зажигания путем применения транзисторных и тиристорных схем, что позволяет расширить пределы эффективного обеднения смеси на малых нагрузках и переходных режимах, снижая расход топлива и выбросы СО, C_xH_y;

– завихрение рабочего заряда в цилиндре и тангенциальный впуск заряда – для сокращения длительности сгорания;

– расслоение рабочего заряда: в зоне свечи – обогащенная смесь, а по мере удаления – обедненная. Это достигается организацией либо вихревого впуска, либо раздельного впуска обогащенной и обедненной смеси. Для этого может служить разделенная камера с форкамерно-факельным зажиганием. В основной камере смесь воспламеняется факелом из форкамеры сгораемой обогащенной смеси. Это эффективно на частичных нагрузках обедненных смесей (a>1,5).

Сгорание в дизелях

Анализ характера изменения давления, температуры и относительного количества поданного в цилиндр топлива дает возможность условно подразделить процессы воспламенения и сгорания топлива на четыре фазы (рис. 11).

Фаза 1 – период задержки воспламенения (dq/dj®0) – характеризуется углом j_i от начала топливоподачи точки b до начала видимого горения – резкого излома на кривых P=f(j) и T=f(j) точки c.

За период времени происходят процессы физико-химической подготовки топлива к самовоспламенению (предпламенной реакции). В период задержки воспламенения впрыскивается до 60…90% цикловой подачи топлива, которое частично испаряется и образует начальные очаги самовоспламенения.

Фаза II – период воспламенения и сгорания топлива (c–z) – продолжается от точки самовоспламенения до момента достижения максимального давления сгорания P_z , сопровождающийся интенсивным выделением теплоты (dq/dj®max). Фаза характеризуется взрывообразным воспламенением и сгоранием топлива. Основным показателем интенсивности процесса сгорания в течение фазы II является скорость нарастания давления сгорания по углу пкв w =dp/dj. Средняя скорость нарастания давления за фазу II составляет

w =(DP/Dj)_cp=P_z - P_c /j_z - j_c.

 

Рис. 11. Развернутая индикаторная диаграмма процесса сгорания

Фаза III – соответствует периоду от момента достижения P_z до момента получения наибольшей температуры цикла T_z, характеризуется наиболее интенсивным протеканием процесса сгорания по всему объему КС при наибольшей скорости выделения теплоты. (dp/dj)_max=const.

Фаза IV – догорание топлива на линии расширения при непрерывно понижающихся значениях Р и Т от точки z до точки z ^I, того момента, когда доля выгоревшего топлива x=f(j) достигает значения х =0,96…0,99 от полного (х =1).

Догорание характеризуется отсутствием поступления топлива, уменьшением тепловыделения (dq/dj® 0) и скорости сгорания, а также возрастанием количества конечных продуктов сгорания.

Основными факторами, оказывающими наибольшее влияние на эффективность процесса сгорания, являются: малая продолжительность периода задержки воспламенения, осуществление фазы III при Р_max и T_max, интенсификация догорания топлива, уменьшение продолжительности IV фазы.

Теплота, выделяющаяся при сгорании, используется для повышения внутренней энергии рабочего тела, а также для совершения работы. Сгорание топлива сопровождается неизбежными потерями теплоты на неполноту сгорания Q_н.с., которая обусловлена следующими факторами: во-первых, часть поданного топлива не успевает сгореть на участке c – z и, во-вторых, газы содержат некоторое количество продуктов неполного сгорания топлива.

Показателем качества теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, является коэффициент выделения теплоты

,

где Q_дис - потеря теплоты на диссоциацию.

Коэффициент c зависит от совершенства процесса сгорания и возрастает от c=0 (в точке начала выделения теплоты) до c=1 (в конце процесса догорания топлива).

Q_дис в дизелях обычно пренебрегают, так как наибольшая температура сгорания не превышает 2000 К.

Долю теплоты сгорания топлива Q_н , которую можно использовать для повышения внутренней энергии рабочего тела и совершения механической работы, оценивают коэффициентом использования теплоты

.

Для произвольной точки процесса сгорания – расширения

xQ_н=cQ_н – Q_w.

Для конца видимого сгорания x _z Q_н=c_zQ_н – Q_wz.

Для конца процесса расширения x_вQ_н=c_вQ_н – Q_wв.

Рекомендуемые значения для дизелей c_z =0,7…0,8; c_в = 0,85…0,90.

При расчетах рабочего цикла обычно задаются величиной l=P_z/P_c. Зная значения l uTx (T_max), можно определить степень предварительного расширения .