Процесс сгорания в двигателе с воспламенением от искры
Упрошенное описание процесса сгорания внутри цилиндра двигателя с воспламенением от искры выглядит следующим образом. Между электрода ми свечи зажигания проскакивает интенсивный электрический разряд, имеющий высокую температуру, который оставляет за собой тонкую нить пламени. От этой тонкой нити горение распространяется по замкнутому объему смеси со скоростью, которая зависит главным образом от температуры фронта пламени, но также, хоть и в меньшей степени, от температуры и плотности окружаю щей смеси (рис. 9.1.)
Таким образом, создается сгусток пламени, который распространяется радиально от центра наружу до тех пор, пока не воспламенится весь объем смеси. Сгусток содержит продукты сгорания с высокой температурой, в то время как перед фронтом пламени находится сжатая и еще несгоревшая смесь. Бели бы содержимое цилиндра оставалось в покое, этот сгусток бы не разрушался, но так как внутри цилиндра обычно присутствуют газовые вихри, топкий слой пламени превращается в рваный фронт, что увеличивает область его действия и очень увеличивает скорость распространения.
Скорость процесса зависит от степени турбулентности, в то же время турбулентность мало влияет на направление распространения, за исключением того, что вихреобразование накладывает на весь процесс определенный отпечаток. Горение можно разбить на две стадии:
1. Возникновение устойчивого пламени.
2. Распространение пламени на весь объем камеры сгорания.
Первый процесс описывается химическими законами и зависит от природы топлива, температуры и давления в данный момент, а также скорости, с которой топливо будет окисляться, или горсть. Как видно на рис. 9.1, это интервал от момента появления искры А до момента времени, когда будет замечено увеличение давления от горения смеси В. Можно четко продемонстрировать этот период задержки воспламенения. Если топливо сжигается в постоянном объеме, будучи сжатым до температуры самовоспламенения, зависимость давления от времени выглядит ток, как показано на рис. 9.2. Этот временной интервал характерен для всех видов топлива, но он может быть уменьшен благодаря увеличению температуры смеси, при которой происходит сжатие. Подобный результат можно продемонстрировать в лаборатории при исследовании эффекта влияния концентрации смеси на задержку воспламенения.
Возвращаясь к рис. 9.1. показывающему ход процесса сгорания, мы видим, как давление очень быстро повышается внутри цилиндра двигателя от В до С, приближаясь к процессу «постоянного объема» четырехтактного никла. В то время как точка С представляет пиковое давление в цилиндре и завершение распространения пламени, из-за реассоциации высвобождено еще не всё доступное тепло, что можно рассматривать как догорание топлива, продолжающееся в течение такта расширения.
Диапазон и скорость горения
Диапазон и скорость горения можно выразить графически. На рис. 9.3 показана приблизительная зависимость между температурой пламени и временем его распространения от момента возникновения искры для углеводородного топлива.
На рис. 9.4 показано соотношение между температурой пламени и концентрацией смеси. На рис. 9.5 показано соотношение между концентрацией смеси и скоростью горения.
Эти графики показывают, что минимальное время задержки (от А к В) приблизительно равно 0,2 мс для слегка обогащенной смеси. В то время как вторая стадия (от В к С), вообще говоря, зависит опт степени турбулентности смеси (от скорости вращении двигателя); по мере увеличения скорости вращения требуется увеличение опережения момента воспламенения. На рис. D.6 показано влияние неправильного выбора времени воспламенения. При раннем зажигании воспламенение начинается еще на фазе сжатия, что приводит к повышению максимального давления в цилиндре и обычно сопровождается снижением температуры выхлопа. При этом увеличивается скорость трения смеси, и процесс в целом имеет тенденцию к взрыву.
Детонация
Явление детонации— ограничивающий фактор для выходной мощности и эффективности двигателя с искровым воспламенением. Механизм детонации — нарастание внутри цилиндра двигателя волны давления, движущейся с такой скоростью, что ее улар о стенки цилиндра и поршень заставляет стенки цилиндра вибрировать и. таким образом, издавать характерный «звон». Когда искра воспламеняет горючую смесь из топлива и воздуха, ядро пламени растет сначала медленно, а затем быстро ускоряется. По мере того как фронт пламени продвигается, он сжимает перед собой еще не воспламененную смесь. Температура еще не воспламенившейся смеси поднимается за счет сжатия и теплового излучения от продвигающегося пламени, пока остающаяся часть смеси не воспламеняется спонтанным взрывом. Волна давления от этого взрыва проходит через горящую смесь с очень высокой скоростью, и стенки цилиндра испускают звенящий звук удара. Детонация не представляет опасности при малых скоростях движения, гак как водители обычно избегают этого, снижая нагрузку на двигатель при первом же предупреждении. Но на более высоких скоростях, когда уровень шума движения высок, характерный звук детонации часто почти невозможно обнаружить. Детонация — чрезвычайно опасная вещь, которая способна полностью разрушить двигатель. Высокая температура сжатия и давление способствуют детонации. Кроме того, важна способность пестревшей смеси поглощать или передавать тепло, излучаемое продвигающимся фронтом пламени. на эту способность влияют скрытая энтальпия (теплосодержание) смеси и конструкции камеры сгорания. Последняя должна быть устроена соответствующим образом для адекватного охлаждения несгоревшей части смеси, например, размещением ее вблизи хорошо охлаждаемой области вроде клапана входного отверстия. Путь фронта пламени должен быть максимально сокращен тщательным выбором расположения точки воспламенения. Прочие факторы включают время (и, следовательно, момент зажигания), так как реакция в несгоревшей смеси требует времени для своего развития, степень турбулентности (вообще говоря, более высокая степень турбулентности имеет тенденцию снижать детонацию за счет срыва фронта пламени) что наиболее важно, склонность самого топлива к детонации. Некоторые виды топлива о этом отношении ведут себя чуть лучше других. Чтобы улучшить качество топлива, его можно обработать добавками (на пример, тетраэтилсвинцом). Однако это усугубляет и без того трудную проблему выбросов. Топливо с хорошими антидетонационными свойствами — это изооктан, а наиболее склонен к детонации обычный гептан. Чтобы получить октановое число или оценку антидетонационных свойств конкретной смеси топлива, тест выполняют на двигателе, который работает при тщательно контролируемых условиях. и начало детонации сравнивают с теми значениями. которые получены от различных смесей изооктана и обычного гептана. Если работа двигателя идентична, например, работе на смеси 90% изооктана и 10% гептана, топливо имеет октановое число 90. Подмешивание к топливу воды (или метанола и полы) может уменьшить детонацию. Спиртосодержащее топливо, которое позволяет воле удерживаться в растворе, является полезным еще и потому, что благодаря скрытой энтальпии воды лает возможность добиться лучшего использования топлива.