Однако при некоторых условиях наблюдаются отклонения процесса сгорания от нормального, что отражается на энергоэкономических параметрах двигателя. Рассмотрим влияние различных факторов на процесс сгорания.
Как известно, состав топливовоздушной смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха α. Стехиометрический состав смеси α=1.0 соответствует такому составу, когда действительное количество воздуха в горючей смеси соответствует количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива. Отклонения в количестве воздуха в ту другую сторону делают горючую смесь с избытком молекул кислорода (бедная смесь с α > 1,0) или с избытком молекул топлива (богатая смесь с α < 1,0).
При сильном обогащении или обеднении горючей смеси существует состав, при котором воспламенение и сгорание всей массы бензовоздушной смеси невозможно. Диапазон состава бензовоздушной смеси, соответствующий возможному воспламенению от электрической искры и распространению пламени по объему камеры сгорания, называется пределами воспламеняемости. Пределы воспламеняемости некоторых топливовоздушных смесей представлены в таблице 1.
Таблица 1. Пределы воспламеняемости топливовоздушной смесей
№ п/п | Топливовоздушная смесь | Верхний предел (богатая смесь) | Нижний предел (бедная смесь) |
1 | Бензин-воздух | 0,6 | 1,3 |
2 | Спирт-воздух | 0,4 | 1,7 |
3 | Метан-воздух | 0,65 | 1,88 |
4 | Водород-воздух | 0,14 | 9,85 |
Пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей зависят от подогрева смеси; при повышении температуры в момент воспламенения пределы воспламеняемости расширяются, а скорости распространения пламени повышаются. При увеличении относительного количества остаточных газов (при прикрытии дроссельной заслонки) из-за наличия инертных молекул пределы воспламеняемости сужаются, а скорости распространения пламени уменьшаются.
Наличие одного из реагирующих компонентов в избыточном количестве оказывает тормозящее влияние на скорость формирования очага пламени в области расположения электродов свечи и распространения фронта пламени по объему камеры сгорания. На рис. 2.7 представлена кривая, характеризующая изменение скорости распространения фронта пламени от состава смеси.
Рис. 2.7. Зависимость нормальной скорости Uн распространения фронта пламени от состава смеси а
Анализ зависимости Uн=f(α) показывает, что максимальная скорость распространения фронта пламени наблюдается при α=0,8-0,9. Некоторое обогащение состава смеси α < 1,0, как и обеднение α > 1,0, приводит к снижению скорости распространения фронта пламени. Состав смеси оказывает влияние на процесс сгорания в цилиндре двигателя. На рис 2.8 представлена развернутая индикаторная диаграмма процесса сгорания Р=Р(φ) при различных составах топливовоздушной смеси.
Рис. 2.8. Развернутые индикаторные диаграммы процесса сгорания в карбюраторном двигателе при различных составах смей: n=const; %Др.3=const
Анатаз кривых показывает, что состав топливовоздушной смеси оказывает заметное влияние на длительность 1-й фазы формирования очага воспламенения и начато распространения фронта пламени от электродов свечи. Топливовоздушная смесь с составом смеси α=0,8-0,9 в момент формирования очага воспламенения имеет максимальную интенсивность тепловыделения, вследствие чего 1-я фаза имеет минимальную продолжительность и быстрое развитие процесса сгорания.
Составы смеси с избыточным количеством одного из реагирующих компонентов (кислорода О2 при бедной смеси или молекул топлива СnНm при богатой смеси) из-за снижения интенсивности тепловыделения и потерь теплоты на нагрев избыточных компонентов имеют затяжной характер формирования очага воспламенения, вследствие чего основная фаза процесса сгорания по углу поворота коленчатого вага перемещается на процесс расширения. При этом горение топлива происходит при опускающемся поршне, увеличиваются площадь и время контакта горячих газов со стенками цилиндра вследствие чего возрастают потери теплоты в систему охлаждения. Кроме этого, затяжной характер сгорания топливовоздушной смеси приводит к снижению максимального давления газов на поршень и к повышению температуры отработавших газов к моменту открытия выпускного клапана, что приводит к увеличению потерь теплоты с отработавшими газами.
Таким образом, сгорание очень богатых и бедных смесей приводит к снижению мощности и экономичности двигателя и увеличивает токсичность отработавших газов.
Максимальная мощность двигателя и наилучшая экономичность (при 100%Др.З.) достигается при работе двигателя на горючей смеси состава α=0,80-0,90, что объясняется совместным влиянием нескольких факторов.
1. Максимальной скоростью распространения турбулентного фронта пламени по объему камеры сгорания при минимальной длительности 1-й фазы формирования очага воспламенения и увеличением тепловыделения при сгорании в минимальном объеме цилиндра.
2 Существенным увеличением при обогащении горючей смеси коэффициента молекулярного изменения ц в процессе сгорания, что отражается на степени повышения давления λ=μ·Тz/Тc.
3. Некоторым увеличением коэффициента наполнения вследствие внутреннего охлаждения свежего заряда за счет испарения избыточного количества топлива.
4. Уменьшением тепловых потерь в систему охлаждения из-за сокращения длительности фазы догорания.
Если по условиям эксплуатации необходимо, чтобы двигатель развивал наибольшую мощность, дроссельную заслонку открывают полностью, при этом одновременно включается в работу экономайзер, обогащающий горючую смесь до значений α=0,8-0,9. Однако при обогащении состава горючей смеси наблюдается химическая неполнота сгорания топлива из-за недостача кислорода, а в отработавших газах появляются токсичные продукты СО, СН и другие.
Наиболее полное сгорание топлива наблюдается при α=1,05-1,1, то есть при слегка обедненных горючих смесях.
При обеднении топливовоздушной смеси увеличивается длительность τI 1-й фазы формирования очага воспламенения и развития пламени, что приводит к более позднему и замедленному сгоранию в процессе такта расширения. Иногда процесс сгорания настолько затягиваемся (при α > 1,0). что процесс догорания продолжается в такте выпуска вплоть до начала открытия впускного клапана, в результате чего может происходить воспламенение бензовоздушной смеси во впускном тракте двигателя, сопровождающееся резкими хлопками в карбюраторе (так называемые обратные вспышки).
При обеднении топливовоздушной смеси возрастает степень неидентичности скорости распространения фронта пламени в последовательных циклах одного и того же цилиндра. Эти различия возникают в результате сочетания случайных факторов, благоприятствующих или неблагоприятствующих развитию начального очага воспламенения. К ним относятся неоднородность горючей смеси по составу, неравномерность распределения горючей смеси по цилиндрам, колебания в стабильности характеристик искрового разряда на электродах свечи, различия в масштабах интенсивности турбулентных пульсаций или газовых вихрей.
Повышению стабильности процессов сгорания топливовоздушных смесей различного состава способствуют такие мероприятия, как повышение интенсивности турбулизации свежего заряда за счет применения винтовых впускных каналов, повышение энергии искрового разряда за счет использования транзисторных систем зажигания, замена карбюраторных систем системами впрыска легкого топлива с электронным регулированием цикловыми подачами, позволяющей обеспечить более равномерное распределение топлива по цилиндрам.
Комментарии посетителей