Влияние различных факторов на сгорание в двигателях с искровым зажиганием

Влияние угла опережения зажигания.

 Для того чтобы основная масса рабочей смеси сгорала в процессе расширения вблизи в. м. т., необходимо, учитывая продолжительность начальной фазы сгорания, подавать электрическую искру снекоторым опережением до в. м. т., соответствующим нескольким градусам поворота коленчатого вала. На рис. 55 показаны индикаторные диаграммы карбюраторного двигателя, снятые при различных углах опережения зажигания и одинаковом положении дроссельной заслонки. Диаграмма, изображенная на рис. 55, а, получена при установке наивыгоднейшего угла опережения зажигания. Своевременная подача искры обеспечила развитие процесса сгорания вблизи в. м. т. В этом случае была получена наибольшая мощность двигателя и наилучшая его экономичность. При установке слишком большого угла опережения зажигания (рис. 55, б) процесс сгорания начался до прихода поршня в в. м. т., давление резко увеличилось и достигло наибольшей величины еще при движении поршня к в. м. т. Затем наблюдается снижение давления и вблизи в. м. т. получается «петля», заштрихованная площадь которой определяет непроизводительно затраченную работу. Слишком раннее зажигание приводит к уменьшению мощности и ухудшению экономичности двигателя. Установка чрезмерно большого угла опережения зажигания может вызвать ненормальное детонационное сгорание. При очень малом угле опережения зажигания (рис. 55, в) процесс сгорания происходит во время расширения, когда поршень уже находится далеко от в. м. т. В результате позднего сгорания мощность и экономичность двигателя ухудшаются, температура отработавших газов в процессе расширения и выпуска повышается и двигатель перегревается. Наивыгоднейший угол опережения зажигания зависит от всех перечисленных выше факторов, влияющих на процесс сгорания. Выбор его производится при испытании двигателя на тормозном испытательном стенде. Метод выбора наивыгоднейшего угла опережения приводится в § 41.

 Влияние состава рабочей смеси.

Состав рабочей смеси, определяемый коэффициентом избытка воздуха, оказывает значительное влияние на процесс сгорания. Опыты показали, что процесс сгорания имеет наименьшую продолжительность тогда, когда рабочая смесь воспламеняется при коэффициенте избытка воздуха а == 0,8 -=—^0,9, при котором достигается наибольшая скорость распространения фронта пламени. При зтих значениях коэффициента избытка воздуха начальная фаза процесса сгорания сокращается, а основная развивается быстро и при правильном выбранном угле опережения зажигания протекает вблизи в. м. т., обеспечивая наивысшие значения давления pzи наибольшую работу цикла. При а > 0,9 продолжительность сгорания увеличивается главным образом из-за увеличения начальной фазы. На рис. 56, а—в, показаны осциллограммы, снятые в следующих один за другим циклах при трех значениях коэффициента избытка воздуха. При а = 0,98 и особенно при а = 1,14 развитие процесса сгорания в последовательных циклах нестабильно и в отдельных циклах наблюдается очень медленное его развитие. При дальнейшем обеднении смеси все большее количество последовательных циклов протекает при медленном развитии процесса сгорания, что приводит к неустойчивой и неэффективной работе двигателя. Обеднение смеси сверх определенного предела, зависящего от формы камеры сгорания, степени сжатия и нагрузки двигателя, приводит к невозможности воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси. Возможность получения наибольшей работы цикла при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8 н — 0,9 используется в автомобильных карбюраторных двигателях. Если по условиям движения автомобиля необходимо, чтобы двигатель развивал наибольшую мощность, дроссельную заслонку полностью открывают при одновременном включении экономайзера. При работе двигателя на обогащенной рабочей смеси для получения наибольшей мощности не обеспечиваются условия достижения наилучшей экономичности. Ухудшение экономичности является следствием химической неполноты сгорания топлива из-за недостатка кислорода (а << 1). Наилучшая экономичность в современных автомобильных карбюраторных двигателях достигается при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05 -т — 1,15. В этом случае, хотя процесс сгорания протекает медленно и работа цикла уменьшается, все топливо сгорает полностью. В результате этого при указанных значениях а использование теплоты в действительном цикле будет наилучшим, а его индикаторный к. н. д. наивысшим. В связи с изменением скорости сгорания в зависимости от состава рабочей смеси меняется наивыгоднейший угол опережения зажигания.

 Влияние скорости вихревого движения рабочей смеси.

 Увеличение скорости вихревого движения рабочей смеси способствует ускорению развития фронта пламени и резкому уменьшению общей продолжительности сгорания вследствие сокращения его второй фазы. Опыты показали, что скорость распространения пламени в карбюраторных двигателях при вихревом движении рабочей смеси составляет 15—60 м/сек, т. е. в 8—12 раз больше, чем когда оно отсутствует. Вихревое движение рабочей смеси в цилиндре возникает в процессе впуска свежего заряда. Для увеличения скорости вихревого движения рабочей смеси в период сгорания, когда поршень приближается к в. м. т., применяют камеры сгорания с вытеснителем. В такой камере сгорания при приближении поршня к в. м. т. в зоне, противоположной размещению свечи зажигания, образуется небольшой (около 1 мм) зазор между поршнем и головкой цилиндров, из которого заряд вытесняется в направлении к свече зажигания; при этом происходит усиление вихревого движения. При наличии вытеснителя, в котором сгорает последняя порция топлива, уменьшается возможность возникновения детонационного сгорания.

 Влияние числа оборотов.

 При повышении числа оборотов двигателя, время, отводимое на осуществление процесса сгорания, сокращается прямо пропорционально увеличению числа оборотов. Рассмотрим зависимость от числа оборотов фаз сгорания. С повышением числа оборотов время начальной фазы сгорания 6iнесколько сокращается, но это сокращение не пропорционально росту числа оборотов, вследствие этого длительность фазы 6ь выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала, увеличивается. Из-за усиливающейся интенсивности движения заряда скорость распространения фронта пламени при увеличении числа оборотов растет так, что продолжительность основной фазы сгорания 6 ц поуглу поворотаколенчатоговалапрактическинеменяется. С увеличением числа оборотов возрастает также длительность фазы сгораниявш- Для компенсации увеличения угла поворота коленчатого вала, соответствующего фазе 6ь и получения оптимальных условий для сгорания, когда этот процесс происходит вблизи в. м. т., необходимо при повышении числа оборотов увеличивать угол опережения зажигания. Изменение угла опережения зажигания производится автоматически действующим центробежным регулятором. Влияние нагрузки двигателя. При снижении нагрузки двигателя дроссельную заслонку прикрывают,уменьшаяколичество свежей смеси, поступающей в цилиндр. При этом начальные и конечные значения давления и температуры понижаются. Количество остаточных газов остается при этом неизменным, а коэффициент остаточных газов увеличивается и, следовательно, свежая смесь больше загрязняется инертными газами. В результате этого ухудшаются условия воспламенения смеси, уменьшается скорость распространения пламени и увеличивается продолжительность начальной и основной фаз процесса сгорания. При прикрытии дроссельной заслонки вследствие уменьшения скорости движения воздуха в диффузоре процесс смесеобразования ухудшается. Частичное улучшение процесса сгорания при прикрытой дроссельной заслонке достигается специальной регулировкой состава горючей смеси в зависимости от положения дросселя и изменением угла опережения зажигания. Состав горючей смеси регулируется так, чтобы при прикрытии дроссельной заслонки от положения, при котором обеспечивается наилучшая экономичность двигателя (а = 1,05 — н 1,15), смесь обогащалась. Обогащение смеси способствует ускорению процесса сгорания. Увеличение угла опережения зажигания, производимое автоматически с помощью вакуум-корректора, обеспечивает протекание второй фазы сгорания ближе кв. м. т. При обогащении смеси (а <; 1) из-за химической неполноты сгорания топлива часть теплоты не выделяется, вследствие чего расход топлива резко возрастает. Одновременно с этим с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу большое количество продуктов неполного сгорания, содержащих отравляющие вещества (окись углерода и другие ядовитые вещества).

 Влияние степени сжатия.

 При увеличении степени сжатия давление и температура в конце процесса сжатия возрастают. С увеличением температуры и давления подготовка топлива к сгоранию ускоряется и скорость распространения пламени повышается. В результате этого общая продолжительность процесса сгорания уменьшается и показатели работы двигателя улучшаются. При увеличении степени сжатия угол опережения зажигания уменьшают. Следует отметить, что повышение степени сжатия дает положительный эффект, если не возникает детонационного сгорания, преждевременного или последующего самовоспламенения.

Влияние формы камеры сгорания и размещения свечи зажигания.

Форма камеры сгорания и расположение в ней свечи зажигания существенно влияют на продолжительность процесса сгорания. Наиболее удачной является такая форма камеры сгорания, в которой расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленной точки будет наименьшим. На рис. 57 показаны наиболее распространенные формы камер сгорания. При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания создаются наилучшие условия для сгорания рабочей смеси, так как фронт пламени от свечи может распространяться равномерно во все стороны. Процесс сгорания в случае применения клиновидной и полуклиновой камер сгорания с клапанами, расположенными под углом, и смещенной относительно центра свечей зажигания улучшается вследствие наличия небольшого зазора между днищем поршня и головкой цилиндров (вытеснителя) в наиболее удаленной от свечи зажигания части камеры, где происходит сгорание последней порции рабочей смеси. Такое устройство камеры сгорания обеспечивает возможность бездетонационного сгорания последней порции рабочей смеси, увеличивает объем смеси, находящейся вблизи источника зажигания, и создает дополнительное вихревое движение заряда. Полуклиновая камера сгорания получила широкое распространение в автомобильных двигателях (двигатели ЗИЛ-130, ГАЗ-21, МЗМА-408). При нижнем размещении клапанов применяется камера сгорания, показанная на рис. 57, д. Эта камера сгорания характеризуется интенсивным вихревым движением рабочей смеси в конце процесса сжатия вследствие вытеснения из зазора между поршнем и головкой цилиндра в направлении к источнику зажигания. Указанная камера сгорания применялась на двигателях ЗИЛ-120, ГАЗ-51 и ГАЗ-20; на двигателях новой конструкции она не используется. При сравнительно больших диаметрах цилиндра для ускорения процесса сгорания и обеспечения безотказной работы двигателя иногда устанавливают две свечи зажигания. Такое же мероприятие целесообразно применять и в газовых двигателях, где скорость меньше, чем в карбюраторных.