Процессы сгорания в карбюраторном и дизельном двигателях
Входной тест
Выполните задания №№ 1, 2, 3, 4, 7 теста для самоконтроля 1.5.
Сгорание свежего заряда и последующее расширение продуктов сгорания является основным процессом рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания.
В течение этого процесса происходит преобразование химической энергии топлива в теплоту и затем – частично теплоты в механическую работу. От характера протекания процесса зависит мощность двигателя, в свою очередь, протекание процесса сгорания зависит от способа смесеобразования и воспламенения топлива.
Процесс сгорания – это быстро протекающий окислительный процесс, при котором происходит химическая реакция соединения углерода и водорода с кислородом воздуха.
У карбюраторных двигателей продолжительность сгорания смеси в цилиндрах составляет 0,001-0,002 сек и зависит от скорости распространения фронта пламени (скорости сгорания), которая в различные периоды непостоянна, в среднем, ее значение для карбюраторных двигателей – 20-40 м/сек. Процесс сгорания в двигателях с принудительным воспламенением происходит при изменяющемся давлении и начинается до подхода поршня к ВМТ, а заканчивается, после того как поршень пройдет ВМТ.
Процесс сгорания начинается с момента проскакивания искры на свече зажигания. Процесс сгорания смеси в цилиндрах карбюраторного двигателя можно разделить на три фазы:
Первую фазу называют периодом скрытого горения (задержка воспламенения), в течение этой фазы происходит предпламенное окисление топлива с незначительным увеличением температуры без повышения давления. Во время этой фазы сгорает около 6-8 % смеси, находящейся в камере. Продолжительность фазы составляет 4-6º угла поворота коленчатого вала.
Вторую фазу называют периодом видимого сгорания, в цилиндре сгорает около 90 % смеси, происходит резкое возрастание скорости сгорания и давления в цилиндре. Давление достигает максимального до 40 кг/см2. Продолжительность этой фазы составляет 20-30º угла поворота коленвала. Температура газов в конце периода достигает 2300ºс.
Третью фазу называют периодом догорания смеси, происходящим при движении поршня вниз (расширение).
Продолжительность III фазы невелика.
Факторы, влияющие на процесс сгорания
Скорость сгорания зависит от состава и степени завихрения рабочей смеси, степени сжатия, формы камеры сгорания, угла опережения зажигания, нагрузки двигателя.
Состав рабочей смеси, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха и остаточных газов, оказывает значительное влияние на протекание процесса сгорания и скорость распространения пламени.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива составляет 14,9 Lт = 14,9 кг.
Количество воздуха действительно участвующее в процессе сгорания 1 кг топлива обозначают Lд.
Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству воздуха называют коэффициентом избытка воздуха (а):
а = 
.
Если это отношение равно единице, т.е. а = 1, такая смесь называется нормальной.
Если а < 1, то смесь называют богатой, если а > 1 – смесь называют бедной.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива составляет примерно (LT = 14,9 кг).
Количество воздуха действительно участвующее в процессе сгорания 1 кг топлива, обозначают LД. отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству воздуха называют коэффициентом избытка воздуха (а): 
Если это отношение равно единице (а = 1), то такая смесь называется нормальной. Если а < 1, то смесь называют богатой, если а > 1 –бедной.
Существуют верхние и нижние пределы воспламеняемости, так например, для бензина верхний предел ограничен коэффициентом избытка воздуха равным 0,3-0,5, а нижний – равным 1,2-1,3; при повышении t горючей смеси предел воспламеняемости расширяется, а при увеличении давления – сближается.
При разных нагрузках двигателя коэффициент избытка воздуха различный:
– при пуске холодного двигателя смесь должна быть богатая – а = 0,5-0,6);
– при работе двигателя на холостом ходу смесь является обогащенной и коэффициент избытка воздух составляет – а = 0,7-0,85;
– при работе двигателя на средних режимах – а = 1,05-0,95.
Скорость сгорания имеет наибольшее значение при коэффициенте избытка а = 0,85-0,9, при отклонениях коэффициента в сторону уменьшения или увеличения скорость сгорания смеси уменьшается.
Увеличение степени сжатия приводит к увеличению температуры и давления в конце сжатия и уменьшению содержания остаточных газов, а, следовательно, к улучшению наполнения цилиндров горючей смесью и увеличению скорости сгорания. Однако повышение степени сжатия у карбюраторных двигателей ограничивается детонацией двигателя (скорость сгорания до 2000 м/сек).
Угол опережения зажигания смеси также оказывает влияние на процесс сгорания. Чтобы получить наибольшую степень расширения газов и обеспечить сгорание смеси вблизи ВМТ, смесь необходимо воспламенить с опережением, то есть – в конце такта сжатия, до подхода поршня к ВМТ.
Увеличение числа оборотов коленчатого вала способствует повышению скорости сгорания смеси за счет интенсивного завихрения, однако уменьшает время, отводимое на сгорание, следовательно, при увеличении частоты вращения коленвала необходимо увеличивать угол опережения зажигания (центральный регулятор прерывателя-распределителя).
Процесс воспламенения и сгорания топлива в дизелях намного сложнее, так как в цилиндрах находится воздух, а не рабочая смесь. Процесс можно разделить на четыре фазы.
Первая фаза называется периодом задержки воспламенения. В это время происходит подготовка топлива к сгоранию, продолжительность периода зависит от свойства топлива, температура и давления сжатого воздуха, а также от степени завихрения его в цилиндрах.
Во второй фазе происходит воспламенение топлива, поступившего в первый период и частичное сгорание поступившего во второй период резко повышается давление. На время протекания второй фазы оказывают влияние период задержки воспламенения, распределение топлива по камере сгорания, количество топлива, поступившего в первый период, а также скорость подачи и количество впрыска во II фазе.
Третья фаза соответствует плавному изменению давления. Продолжительность фазы зависит от топлива, степени завихрения заряда и величины коэффициента избытка воздуха.
Четвертая фаза – это период догорания топлива. Начинается эта фаза при максимальной температуре цикла. Окончание четвертой фазы совпадает с началом процесса расширения.
Эффективную работу дизельного двигателя обеспечивает увеличение коэффициента избытка воздуха до 1,2-1,7, а также хорошее смесеобразование за счет завихрения. Важным фактором является оптимальный угол опережения впрыска топлива. Так при малом угле большая часть топлива сгорает во время расширения, что вызывает перегрев двигателя, ухудшает его мощность.
В случае большого угла опережения впрыска подача топлива происходит при сравнительно низкой температуре и малом давлении, что увеличивает период задержки воспламенения.
Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение коэффициента избытка воздуха (увеличивается процентное соотношение топлива). Для улучшения экономических показателей дизеля, необходимо при повышении числа оборотов коленчатого вала увеличивать угол опережения впрыска топлива, для чего в конструкции ТНВД предусмотрена автоматическая муфта, регулирования опережения впрыска топлива.
Значение температуры и давления газов в конце сгорания для дизельных двигателей находится в пределах:
Р = 50-90 кг/см2, Т = 1800-2200ºс.
Тест для самоконтроля к 1.7
Дополните предложение.
1. Процесс сгорания – это быстро протекающий … процесс, при котором происходит химическая реакция соединения ... и … с … воздуха.
2. Скорость сгорания топлива у карбюраторных двигателей составляет … м/сек.
3. Давление газов при сгорании топлива у карбюраторных двигателей составляет … кг/см 
.
4. Температура газов в конце сгорания у карбюраторных двигателей повышается до … ºс.
5. Давление газов при сгорании топлива у дизелей возрастает до ... кг/см2.
6. Скорость сгорания смеси при детонации достигает … м/сек.
Ответьте на вопрос.
7. Чему равен коэффициент избытка воздуха (а), если действительное количество воздуха LД в горючей смеси составляет 13 кг?
Укажите соответствие.
|
а) запуске холодного двигателя;
б) работе двигателя на холостом ходу;
в) работе двигателя на средних нагрузках;
г) работе с резким увеличением нагрузки;
Дополните предложения.
9. Увеличение степени сжатия приводит к ... скорости сгорания.
10. Увеличение числа оборотов коленчатого вала способствует … скорости сгорания смеси, однако при этом необходимо … угол опережения зажигания.
11. Для регулирования (изменения) угла опережения впрыска топлива в зависимости от числа оборотов коленвала в конструкции ТНВД предусмотрена … .
Процесс расширения и сжатия
Входной тест
Выполните задания №№ 1, 3, 11 теста для самоконтроля к 1.5; №№ 1, 2, 3, 4, 5, 6 теста для самоконтроля к 1.6.
Процесс сжатия необходим для создания лучших условий сгорания рабочей смеси, в этот момент происходит теплообмен между свежим зарядом и деталями двигателя, смесь нагревается. У дизельных двигателей при сжатии нагревается воздух и в конце такта сжатия впрыскивается топливо, которое за счет высокой температуры и давления самовоспламеняется. Для хорошего перемешивания топлива с воздухом в днище поршней дизельных двигателей имеются углубления, способствующие завихрению воздуха и топлива. Температура в конце такта сжатия у карбюраторных двигателей колеблется в пределах 300-400ºс, давление в конце такта сжатия для карбюраторных двигателей находится в пределах 10-12 кг/см2.
Давление и температура в конце такта сжатия зависит от степени сжатия (Е), которая для карбюраторных двигателей находится в пределах 6-10, а для дизелей – 16-20, а также от числа оборотов коленчатого вала двигателя, числа поршневых колец и степени их износа.
В процессе расширения теплота преобразуется в полезную механическую работу. За начало расширения принимают момент, в который давление цикла достигает максимального значения, что соответствует окончанию видимого сгорания. процесс расширения сопровождается интенсивным теплообменом между газами и деталями камеры сгорания, изменяющимися объемом и давлением.
Значения давления и температуры в конце процесса расширения находятся в следующих пределах:
· для карбюраторных двигателей – давление 3,5-4,5 кг/см2, температура 1200-1500ºс;
· для дизелей – давление равно 3-5 кг/см2, температура – 900-1100ºс.
За счет высокого давления сгорающих газов происходит такт рабочего хода в цилиндре или процесс расширения.
Тест для самоконтроля к 1.8
Дополните предложения.
1. При такте сжатия клапаны находятся в … положении и поршень движется от … к … .
2. При такте сжатия в цилиндрах карбюраторных двигателей находится ... .
Ответьте на вопрос.
3. При каком такте в цилиндры дизельного двигателя поступает топливо?
1) впуск; 2) сжатия; 3) рабочий ход.
4. Горючая смесь в цилиндрах дизельного двигателя загорается засчет … .
5. При каком такте в цилиндрах двигателя совершается полезная работа, часть которой расходуется на накопление энергии маховика?
Процесс выпуска
Входной тест
Выполните задания №№ 4, 6, 7, 8 теста для самоконтроля к 1.2; №№ 5, 6, 11 теста для самоконтроля 1.6.
При такте выпуска открывается выпускной клапан, и отработавшие газы вытесняются из камеры сгорания цилиндра поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ.
Давление выпуска зависит от числа оборотов коленчатого вала, конструкции и размеров системы выпуска в конце такта выпуска и находится в пределах 1,05-1,2 кг/см2, температура в конце такта выпуска 700-900ºС.
При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндров от отработавших газов и часть их, равная примерно объему камеры сгорания, остается в цилиндрах, что снижает коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом. Степень загрязнения вновь поступившего заряда оставшимися в цилиндре отработавшими газами характеризует коэффициент остаточных газов (а), представляющий собой отношение массы оставшихся газов G0 к массе вновь поступившего заряда Gn:
Чем меньше коэффициент остаточных газов, тем лучше наполнение цилиндров свежим зарядом, выше коэффициент наполнения ηV, а, следовательно, и выше мощность двигателя. Как уже упоминалось выше, количество отработавших газов, оставшихся в цилиндре, зависит от ряда факторов. Так, при повышении степени сжатия (Е) уменьшается объем камеры сгорания, что приводит к уменьшению количества остаточных газов, поэтому в дизелях, имеющих высокие степени сжатия, коэффициент остаточных газов всегда меньше, чем у карбюраторных. этому способствует и принудительная подача воздуха в цилиндры двигателей при помощи турбокомпрессоров (высокий коэффициент избытка воздуха).
В современных двигателях, для того, чтобы снизить коэффициент остаточных газов, конструкцией деталей ГРМ предусмотрено открытие выпускных клапанов с опережением и закрытие с запаздыванием, что позволяет производить более лучшую очистку цилиндров от остатков отработавших газов.
Отработавшие газы обладают значительной энергией, при использовании которой увеличивается топливная экономичность двигателя. Энергия отработавших газов используется для привода турбокомпрессора, осуществляющего надув свежего воздуха в цилиндры двигателя. Использование энергии отработавших газов, конечно, увеличивает сопротивление в системе выпуска, однако, это компенсируется повышением давления на впуске. Важным фактором, характеризующим работу двигателя, является состав отработавших газов, зависящий от качества рабочей смеси, способа смесеобразования и воспламенения смеси, режима работы и технического состояния двигателя.
Основными составляющими, определяющими токсичность отработавших газов, являются окись углерода, окись азота. Содержание вредных веществ в отработавших газах согласно международным требованиям контролируется и должно составлять не более 1-1,5%.
Снижению процента выброса вредных веществ способствует качественная регулировка карбюратора, системы зажигания, хорошее состояние цилиндро-поршневой группы, использование бензина с малым октановым числом, использование в качестве топлива сжиженного газа (пропано-бутановые смеси), а также применение в системе выпуска каталитических нейтрализаторов, устанавливаемых за приемной трубой глушителя.
Нейтрализатор представляет собой керамический элемент с микроклапанами, на поверхность которых нанесены катализаторы: окислительные (платина и палладий) и восстановительный (радий).
Окислительные катализаторы способствуют преобразованию углеводородов в водяной пар, а окись углерода, в безвредную двуокись углерода.
Восстановительный катализатор ускоряет химическую реакцию восстановления оксидов азота и превращения их в безвредный азот.
Тест для самоконтроля к 1.9
Дополните предложения.
1. При такте выпуска … клапан находится в … положении и поршень при этом движется от … к… .
2. Коэффициент остаточных газов представляет собой отношение массы … газов к массе … заряда.
3. Коэффициент остаточных газов у дизельных двигателей всегда … чем у карбюраторных.
4. Чем выше степень сжатия в двигателе, тем … коэффициент остаточных газов.
Выберите правильный вариант ответа.
5. Какими конструктивными решениями снижается количество отработавших газов в цилиндрах двигателя?
1) регулировка холостого хода;
2) изменение момента начала открытия выпускного клапана;
3) изменение момента начала закрытия выпускного клапана;
4) уменьшение размера камеры сгорания.
дополните предложение.
6. Давление в цилиндрах двигателя в конце такта выпуск составляет около … кг/см .
7. Температура в цилиндрах двигателя в конце такта выпуска составляет … ºс.
8. Чем … коэффициент остаточных газов, тем ... наполнение цилиндров свежим зарядом.
9. В двигателях с турбонадувом для привода турбокомпрессора используется энергия … газов.
10. Содержание вредных веществ в отработавших газах не должно превышать … %.