Скорость сгорания ТВС

Как было показано выше, сгорание топливовоздушной смеси в двигателе происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Для существующих двигателей суммарная продолжительность І-й и ІІ-й фаз горения составляет 0,003 ÷ 0,01 сек, что соответствует повороту коленвала на угол 30÷450.

Скорость сгорания ТВС обычно оценивают по средней скорости распространения пламени по объему камеры сгорания, выраженной в метрах в секунду. Для нормально работающего двигателя величина скорости распространения пламени во второй фазе составляет 20÷30 м/сек. Температура и давление в цилиндре в точке Z (рис. 1-11) достигают максимальной величины, составляя для современных двигателей соответственно 2600÷2800К и 50÷80 кг/см². Продолжительность сгорания зависит от температуры смеси, степени сжатия, наличия остаточных газов в цилиндре, наличия вихревых движений смеси, частоты вращения коленчатого вала, числа и расположения свечей, формы камеры сгорания и состава смеси.

Чем больше температура смеси перед воспламенением, тем больше скорость ее сгорания.

С увеличением степени сжатия скорость сгорания увеличивается, так как увеличивается температура смеси к моменту ее воспламенения.

Присутствие остаточных газов в количестве примерно до 10% от количества свежей смеси почти не отражается на скорости сгорания; дальнейшее увеличение их уменьшает скорость сгорания.

Чем больше завихренность смеси, тем быстрее она сгорает и тем больше будет скорость сгорания.

Повышение числа оборотов коленчатого вала увеличивает скорость поступления смеси в цилиндр, что приводит к увеличению интенсивности вихревых движений смеси и, следовательно, к увеличению скорости сгорания.

С увеличением числа свечей сокращается путь, проходимый пламенем, вследствие чего при неизменной скорости распространения пламени уменьшается продолжительность сгорания и возрастает скорость нарастания давления. Однако применение большого количества свечей усложняет конструкцию цилиндра. Кроме того, опытом установлено, что эффективное сгорание в цилиндре вполне обеспечивается двумя свечами. Поэтому в современных двигателях обычно устанавливают две свечи, расположенные одна против другой. Расположение свечей также влияет на время сгорания: чем меньше будет расстояние между свечой и наиболее удаленным местом камеры сгорания, тем меньше будет продолжительность сгорания смеси.

Форма камеры сгорания также оказывает влияние на время сгорания смеси, так как от нее зависит величина пути, проходимого пламенем, и степень завихренности смеси.

Сильное влияние на скорость сгорания смеси оказывает ее состав. Установлено, что при α= 0,85 ÷ 0,90 скорость сгорания смеси наибольшая (рис.1-12). При изменении состава смеси по сравнению с указанным выше уменьшается скорость ее сгорания. При очень богатых или очень бедных смесях работа двигателя невозможна, так как смесь хотя и воспламеняется от электрической искры, но пламя не в состоянии распространиться по объему камеры сгорания вследствие недостатка кислорода (богатая смесь) или недостатка топлива (бедная смесь). Коэффициенты избытка воздуха, при которых прекращается распространение пламени по объему смеси, называются пределами воспламеняемости. Как было сказано выше, для бензиновоздушных смесей пределы воспламеняемости составляют: для богатой смеси α_min ≈ 0,3÷0,4 и α_max ≈ 1,3—1,5.

Рис.1-12. Зависимость скорости горения ТВС ( ω ) от коэффициента избытка воздуха ( α )

Эти свойства смеси необходимо учитывать при эксплуатации авиационных двигателей. Например, в летнее время, при высокой температуре окружающего воздуха, при запуске только что остановленного (горячего) двигателя нельзя заливать много бензина в цилиндры, так как бензин быстро испаряется и вызывает чрезмерное обогащение смеси, при котором двигатель не может давать вспышек, т. е. не запускается при совершенно исправных системах запуска и зажигания.

Наоборот, при низких температурах окружающего воздуха (в зимнее время) необходимо увеличивать заливку бензина в цилиндры перед запуском двигателя, так как при недостаточной заливке вследствие слабой испаряемости бензина при низких температурах смесь будет слишком бедной и двигатель не запустится.

Для двигателя АШ-62ИР максимальные давление и температура в цилиндрах составляют: 65÷70 кгс/см2 и 2500C°.

Конфигурация и порядок зажигания двигателя

Опытным путем установлено, что наивыгоднейшие условия для работы двигателя создаются, когда максимальное давление в цилиндре двигателя наступает в такте расширения при положении поршня, соответствующем 10— 15° поворота коленчатого вала после ВМТ. Чтобы выполнить это условие, необходимо подобрать момент зажигания смеси.

Если воспламенить смесь в момент нахождения поршня в ВМТ, то сгорание ее будет происходить во время такта расширения и закончится значительно позже по углу поворота коленчатого вала. Это приведет к тому, что процесс сгорания будет протекать в большем объеме цилиндра, что увеличит потери тепла в стенки цилиндра; максимальное давление и температура газов при этом понизятся, вследствие чего снизится мощность и экономичность двигателя. Учитывая это обстоятельство, напряжение на свечу зажигания подается с опережением, т. е. в конце процесса сжатия, до прихода поршня в ВМТ. Величина опережения обычно измеряется в градусах угла поворота коленчатого вала от момента подачи напряжения на свечу до момента прихода поршня в ВМТ. Этот угол называется углом опережения зажигания или опережением зажигания.

При слишком раннем опережении зажигания сгорание смеси может закончиться до того, как поршень придет в ВМТ. Это приведет к сильному увеличению давления в цилиндре в такте сжатия и, следовательно, к затрате излишней работы на сжатие смеси и уменьшению мощности двигателя. Поэтому должен быть какой-то наивыгоднейший угол опережения зажигания, при котором поджигание смеси дает наилучшее использование тепла. Такой наивыгоднейший угол опережения зажигания и подбирается на заводе опытным путем. Для авиационных двигателей этот угол составляет 10 ÷ 45° до ВМТ.

На величину наивыгоднейшего угла опережения зажигания влияют следующие факторы:

— величина коэффициента избытка воздуха;

— степень сжатия;

— число свечей;

— частота вращения коленвала двигателя.

Наименьший угол опережения зажигания соответствует коэффициенту избытка воздуха α=0,85 ÷ 0,90, так как смесь такого состава сгорает с максимальной скоростью. При обогащении или обеднении смеси скорость ее сгорания уменьшается, и, следовательно, наивыгоднейший угол опережения зажигания для таких смесей будет соответственно больше.

При увеличении степени сжатия скорость сгорания смеси возрастает, и, следовательно, наивыгоднейший угол опережения зажигания будет соответственно меньше.

При увеличении числа свечей в цилиндре (до двух) путь, проходимый фронтом пламени, будет меньшим, процесс сгорания будет заканчиваться раньше. В этом случае требуется меньший угол опережения зажигания по сравнению с тем, когда зажигание происходит от одной свечи.

При изменении частоты вращения коленвала изменяется время, в течение которого происходит сгорание: при увеличении оно уменьшается, а при уменьшении, наоборот, увеличивается. Поэтому на некоторых двигателях, в том числе на АШ-62ИР, с увеличением частоты вращения угол опережения зажигания возрастает (рис. 1-13), т.е. напряжение на свечи зажигания подается раньше.

При наличии в цилиндре двух свечей углы опережения зажигания на каждую из свечей могут быть разными. Например, у двигателя АШ-62ИР угол опережения зажигания при частоте вращения коленвала свыше 1400 об/мин (φ_оз^max) для передних свечей 200, для задних— 150. Это объясняется тем, что передние свечи ближе расположены к клапанам выпуска, где ТВС в большей степени загрязнена продуктами сгорания и горит с меньшей скоростью. Разность между углами опережения зажигания на больших и малых оборотах (φ_оз^max —φ_оз ^min) составляет примерно 40.

Рис.1-13. Зависимость угла опережения зажигания ( φ_оз ) от частоты вращения коленвала (n)