Факторы, влияющие на сгорание смеси

Мощность, топливная экономичность и экологичность автомобильного двигателя внутреннего сгорания тесно связаны со скоростью сгорания топливо–воздушной смеси после ее воспламенения. На сам же процесс сгорания топливо–воздушной смеси, в свою очередь, существенно влияют многие факторы, такие как состав рабочей смеси, установка момента зажигания, конструкция самого двигателя, турбулентность топливо–воздушной смеси, наличие остаточных выхлопных газов в цилиндрах двигателя и другие.

Состав топливо–воздушной смеси.

Теоретически полное сгорание топливо–воздушной смеси может произойти при соотношении воздуха и топлива 14,7:1. При таком соотношении коэффициент избытка воздуха в смеси l =1,0.

Топливо–воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха l = 0,9; т.е. фактически с недостатком воздуха 10% (богатая смесь), позволяет получить наибольшую мощность двигателя. Горение такой смеси происходит с наибольшей скоростью, но, к сожалению, в результате сгорания образуются выхлопные газы с нежелательным содержанием окиси углерода (СО) и несгоревших углеводородов. При обеднении смеси, т.е. добавлении в ее состав избыточного воздуха, скорость горения топливо–воздушной смеси снижается и мощность двигателя падает, однако повышается экологичность выхлопных газов.

Оптимальное соотношение воздуха и топлива, позволяющее получить наиболее чистый выхлоп без существенных потерь мощности двигателя, составляет примерно l = 1,1.

Конструкция цилиндров двигателя.

При высокой степени сжатия скорость распространения пламени возрастает в связи с большей плотностью сжатого заряда. Конструкция цилиндра определяет также место расположения свечи зажигания. В общем случае, чем более открыты электроды свечи зажигания обтеканию топливо–воздушной смесью, тем лучше протекает процесс горения.

Установка момента зажигания.

Установка момента зажигания имеет очень важное значение для правильного протекания рабочего процесса в камере сгорания цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Момент зажигания должен быть выбран так, чтобы давление в цилиндре двигателя достигло максимума примерно через 12° поворота коленчатого вала после прохода поршнем верхней мертвой точки. Если топливо–воздушную смесь поджечь раньше (раннее зажигание), то скорость ее сгорания станет слишком высокой – смесь практически взорвется. Это явление называется детонацией. Такой режим сгорания топливо–воздушной смеси вреден для двигателя внутреннего сгорания и его нельзя допускать. Если, наоборот, топливо–воздушную смесь поджечь слишком поздно (позднее зажигание), скорость горения будет низкой и давление в цилиндре двигателя достигнет максимума слишком поздно. В результате позднего зажигания при большом расходе топлива достигается низкая мощность двигателя (п.1.5.3., рис.1.5).

Турбулентность топливо–воздушной смеси.

Практически, в момент воспламенения топливо–воздушная смесь в цилиндре двигателя не покоится на месте, а движется в форме вихревых потоков. Эти вихревые потоки способствуют распространению пламени, поэтому камеры сгорания специально конструируются таким образом, чтобы повысить турбулентность топливо–воздушной смеси.

Наличие остаточных выхлопных газов в цилиндрах двигателя.

Часть выхлопных газов после их выпуска остаются в цилиндре двигателя. Смешиваясь со свежей порцией топливо–воздушной смеси, остаточные выхлопные газы снижают скорость распространения пламени и, как результат, понижают температуру топливо–воздушной смеси в камере сгорания цилиндров двигателя. С точки зрения охраны окружающей среды (экологичности) этот факт можно считать положительным, поскольку с ростом температуры сгорания резко увеличивается содержание в выхлопных газах окислов азота. В некоторых автомобильных двигателях даже имеется специальная система, направляющая часть выхлопных газов во впускной коллектор. Такая система называется системой рециркуляции выхлопных газов. Существует, однако, предельное значение количества выхлопных газов, которое можно направить на повторное сжигание, после которого резко начинает расти расход топлива.

Взрывное горение, детонация.

Чем выше скорость распространения фронта пламени после воспламенения топливо–воздушной смеси, тем выше мощность двигателя внутреннего сгорания. Однако, скорость распространения фронта пламени не должна превышать скорость звука, поскольку в этом случае характер горения топливо–воздушной смеси приобретает взрывные свойства. Это явление, известное под названием детонация, может стать причиной серьезных повреждений автомобильного двигателя. Детонация возникает в случае, когда октановое число топлива не соответствует степени сжатия топливо–воздушной смеси в цилиндрах двигателя или неправильно выставлен угол опережения зажигания (раннее зажигание).

До момента возникновения детонации может произойти еще один сбой в процессе горения. При движении поршня к верхней мертвой точке топливо–воздушная смесь, удаленная от точки воспламенения, т.е. от искры, нагревается движущимся на нее фронтом пламени. Сочетание возрастающего давления, встречного движения топливо–воздушной смеси и фронта пламени с нагревом смеси может привести к объемному самовоспламенению остальной части рабочей смеси, что вызовет резкий скачек давления в цилиндре двигателя. Это явление, называемое взрывным горением, по своим симптомам практически не отличается от детонации, однако имеет совершенно другую физическую природу.

Взрывное горение и детонация сопровождаются характерным дребезжащим шумом, мощность двигателя при этом резко падает. В серьезных случаях, особенно если эти эффекты продолжаются длительное время, это приводит к поломке автомобильного двигателя.

На возникновение детонации или взрывного горения оказывают влияние следующие факторы:

- неудачная конструкция камеры сгорания;

- состав топливо–воздушной смеси;

- октановое число топлива;

- установка момента зажигания.

Конструкция камеры сгорания цилиндра двигателя должна обеспечивать эффективное ее охлаждение, особенно мест, удаленных от свечи зажигания. Кроме того, она должна обеспечивать интенсивное завихрение топливо–воздушной смеси в процессе такта сжатия.

Состав топливо–воздушной смеси имеет большое значение для процесса горения. Бедная топливо–воздушная смесь (коэффициент избытка воздуха в смеси l>1) более склонна к возникновению детонации.

Степень сжатия, обеспечиваемая двигателем, тесно связана с требованиями к качеству топлива – для двигателя с меньшей степенью сжатия можно использовать бензин с меньшим октановым числом.

Однако, самое важное значение для процесса горения топливо–воздушной смеси имеет правильная установка момента зажигания. Момент зажигания (угол опережения зажигания) должен строго соответствовать условиям работы автомобильного двигателя. Раннее зажигание, как правило, приводит к детонации.

Самовоспламенение.

Топливо–воздушная смесь может воспламениться сама от контакта с горячими стенками камеры сгорания до возникновения искры в свече зажигания. Самовоспламенение, так же, как и детонация, сопровождаются характерным дребезжащим шумом и заметным паданием мощности двигателя. Причиной самовоспламенения чаще всего служит нагар на стенках камеры сгорания, который, обладая плохой теплопроводностью, сильно разогревается и в какой–то момент оказывается способным поджечь топливо–воздушную смесь до того, как это сделает свеча зажигания.

Побочный эффект нагарообразования состоит еще и в том, что после выключения зажигания двигатель может продолжать работать, поскольку разогретый нагар может продолжать поджигать топливо–воздушную смесь даже и при неработающей свече зажигания (калильное зажигание).

Двигатели старых конструкций требовали частой чистки камер сгорания, но в современных двигателях внутреннего сгорания эта необходимость значительно снизилась.

Калильное зажигание может также возникать при неправильно выбранной свече зажигания (горячая свеча).