Процесс горения и система зажигания

Процесс горения и система зажигания

При обсуждении технических характеристик двигателя основная дискуссия так или иначе развернется вокруг таких понятий, как размер двигателя, потенциальная пропускная способность головки блока цилиндров, фазы газораспределения распредвала, высота подъема клапанов и т.д. В случае с двигателями, оснащенными наддувом, мы также можем добавить к этому списку давление наддува турбокомпрессора или нагнетателя. Хотя все эти аспекты весьма существенны, в действительности это только половина уравнения. Другая половина, если не большая часть, состоит ввысвобождении всей энергии впускного заряда, который попал в двигатель. Часто производители компонентов для оптимизации технических характеристик пытаются отвлечь наше внимание от действительно важных параметров, которые, впрочем, достаточно просто понять и определить в числовом эквиваленте. Однако процесс воспламенения топливовоздушной смеси, а также полноценное ее использование посредством сжигания достаточно сложно определить, во многом этот процесс абстрактен. Возможно, поэтому о нем так редко говорят, иногда недооценивая его важность.

Несмотря на то, что многие производители компонентов системы зажигания хотят убедить нас вобратном, процесс горения зависит не только от технических характеристик системы зажигания. На самом деле эти компоненты только инициируют процесс горения.

Большая часть людей, которые так или иначе связаны с конструированием и модификацией двигателей, понимает важность заполнения цилиндров топливовоздушной смесью, но если мы не сможем высвободить энергию, содержащуюся во впускном заряде, то мы зря старались заполнить цилиндр наибольшим количеством топливовоздушной смеси, так как большая часть энергии будет растрачена впустую. Следовательно, если мы хотим использовать весь потенциал нашего двигателя, необходимо обеспечить искру свечи зажигания достаточной интенсивности, чтобы воспламенить топливовоздушную смесь. Затем необходимо использовать несколько «приемов», чтобы обеспечить распространение пламени по камере сгорания при необходимой скорости. Если пламя будет распространяться медленно, давление в цилиндре увеличится, передавая на коленвал постоянные толчки. С другой стороны, если пламя будет распространяться слишком быстро, процесс горения может выйти из-под контроля, что, подобно расплавлению ядерного реактора, приведет к разрушению двигателя.

Факторы, влияющие на процесс горения

Из предыдущих глав вы уже, наверно, поняли, что на процесс горения влияет не только система зажигания. На самом деле реальной функцией системы зажигания является инициирование процесса горения. Именно поэтому она должна быть достаточно мощной, чтобы начать процесс горения. Система управления двигателем контролирует момент воспламенения свечи зажигания, но существует еще целый ряд факторов, которые влияют на скорость распространения пламени по всему пространству камеры сгорания. Когда мы поймем все эти факторы, мы сможем использовать в полной мере потенциал двигателя.

Перечислим основные факторы: качество топливовоздушной смеси, тип потока смеси в камере сгорания и конструкция камеры сгорания. Все факторы кажутся достаточно простыми, но на самом деле все намного сложнее, чем может показаться на первый взгляд, так как двигатели внутреннего сгорания работают на широком диапазоне частоты вращения и уровня нагрузки. Поэтому оптимальные условия для одного режима работы будут неприемлемыми при других частоте вращения и угле открытия дроссельной заслонки.

Качество смеси и турбулентность

Фактор качества смеси заключается в том, чтобы заполнить цилиндр частицами топлива необходимого размера, равномерно распыленными ввоздухе. Во время подготовительного этапа перед началом процесса горения необходимо превратить жидкое топливо в пар. Это означает, что вне цилиндра нужно подобрать подходящий тип топлива и топливные форсунки, а также обеспечить впрыск топлива в воздушный поток на оптимальном участке и под соответствующим углом. Придется положиться на форму впускного канала и клапана, а также угол, под которым они расположены относительно цилиндра, чтобы обеспечить завихрение этой достаточно плохо смешанной топливовоздушной смеси при вхождении вцилиндр (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Смещение впускного канала от центральной точки клапана помогает создать завихрение. Смещение канала вправо поможет увеличить завихрение.

Как только топливовоздушная смесь попадает в цилиндры, мы хотим, чтобы это движение продолжалось. Форма камеры сгорания и днища поршня в этом случае становятся определяющими факторами. Четырехклапанные камеры сгорания с плоским или вогнутым днищем поршня будут в этом отношении более эффективными, так как они не мешают завихрению топливовоздушной смеси. Наверно, все наблюдали водовороты на реке и, без сомнения, удивлялись, как на одном участке река может быть настолько спокойной, а совсем рядом могут возникать большие водовороты. То же самое может происходить и во многих двухклапанных камерах сгорания, а также в двигателях с выпуклыми камерами сгорания. Даже незначительные модификации в виде небольших срезов под клапаны в плоских камерах сгорания поршней, установленных вчетырехклапанных двигателях, позволили увеличить мощность примерно на 2–3%. Поэтому не стоит недооценивать влияние формы камеры сгорания на тип потока и распространения пламени, так как выгоды могут быть ощутимыми в двигателях с менее удачными конструкциями.

Что касается типа потока смеси, часто этот фактор заключается в стремлении гомогенизировать смесь, то есть равномерно распределить молекулы топлива и воздуха по цилиндру. Однако завихрение также помогает разделить топливо на более мелкие и быстро сгорающие частицы. Не менее важным, а иногда и более значимым является тот факт, что это движение способствует более равномерной температуре топливовоздушной смеси. На участках с более низкой температурой смесь сгорает медленнее, что не способствует увеличению мощности (это не совсем верно, так как внекоторых турбированных двигателях при определенных рабочих условиях топливовоздушная смесь на этих участках будет продолжать гореть во время такта выпуска, таким образом обеспечивая быстрое раскручивание турбинного колеса). Однако более опасными являются участки, на которых температура топливовоздушной смеси будет выше. Они могут вызвать самовоспламенение топливовоздушной смеси до того, как сработает свеча зажигания. Затем эти два пламени сталкиваются, что приводит к слишком интенсивному горению оставшейся топливовоздушной смеси. Это и есть детонация.

Форма камеры сгорания

Мы уже говорили немного о том, как форма камеры сгорания влияет на тип потока топливовоздушной смеси до воспламенения. После момента зажигания влияние не ослабевает. Конструкция камеры сгорания может облегчить распространение пламени по топливовоздушной смеси снеобходимой скоростью. Также на участках, расположенных дальше от свечи зажигания, камера сгорания будет забирать тепло топливовоздушной смеси, замедляя горение на этих участках, где давление будет резко возрастать, пока пламя свечи зажигания не доберется и до них.

Во всех отношениях четырехклапанные камеры сгорания лучше. Прежде всего свеча зажигания расположена в центральной части камеры сгорания. Следовательно, пламени не придется перемещаться на большие расстояния, чтобы добраться до края камеры сгорания. К тому же самая глубокая часть камеры сгорания и, следовательно, участок, где концентрация топливовоздушной смеси будет наиболее высокой, будут расположены в центральной части камеры сгорания. Внешние участки камеры сгорания, расположенные дальше от свечи зажигания, будут «мельче», при этом их относительная площадь будет больше. Поэтому в данных участках топливовоздушная смесь будет менее склонна квозникновению детонации (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Традиционные конструкции четырехклапанной камеры сгорания довольно эффективны не только благодаря высокому потенциалу пропускной способности, но и благодаря форме камеры сгорания, которая обеспечивает эффективное сгорание топливовоздушной смеси.

На самом деле радиальные четырехклапанные камеры сгорания в этом отношении будут даже лучше. Так как камера сгорания имеет форму перевернутого блюдца, а не двускатной крыши, как в традиционных конструкциях, весь внешний периметр камеры сгорания будет довольно «мелким». К сожалению, радиальное расположение клапанов предусматривает использование более сложной системы приведения их в действие, поэтому эта конструкция не получила широкого распространения, за исключением автомобилей, предназначенных только для участия в гонках.

Другие аспекты типа потока смеси

В случае с атмосферными двигателями разобраться в нюансах типа потока и горения топливовоздушной смеси достаточно сложно, а при добавлении наддува число аспектов, которые придется учитывать, значительно возрастет. Например, в атмосферном двигателе в отношении этих аспектов всегда необходимо искать компромисс. Поэтому в двигателе автомобиля, предназначенного для использования в условиях городского движения, чтобы добиться отличных технических характеристик при движении на крейсерской скорости, а также нормального расхода топлива инизкого уровня вредных выбросов, необходимо отдать предпочтение конструкции, которая будет обеспечивать высокий уровень завихрения топливовоздушной смеси и быстрое горение при маленьком угле открытия дроссельной заслонки, скорее всего, в диапазоне частоты вращения двигателя 2500–4500 об/мин. Однако при полностью открытой дроссельной заслонке и высокой частоте вращения ситуация изменится. Завихрение топливовоздушной смеси будет чрезмерным, ограничивая потенциальную способность пропускать воздушный поток в двигатель, а также, возможно, некоторое количество топлива в жидком состоянии при этом будет впрыскиваться под воздействием центробежной силы. Затем, во время фазы горения, даже несмотря на то, что в двигателе не будет возникать детонация, скорость распространения пламени будет все же слишком высокой, следовательно, не будет ограничиваться мощность двигателя на выходе, что приведет к его неплавной работе. В автомобилях с высокими техническими характеристиками, предназначенных для использования в условиях городского движения и для участия в гонках, мы можем устранить подобные проблемы, изменив форму канала или форму камеры сгорания, чтобы сократить завихрение. Затем, чтобы контролировать скорость распространения пламени, мы, скорее всего, уменьшим зону завихрения в камере сгорания, увеличим зазор между днищем поршня истенкой камеры сгорания, а также изменим форму днища поршня в зависимости от того, что обеспечит желаемый результат. Естественно, эти модификации приведут к тому, что при движении на крейсерской скорости двигатель автомобиля будет работать менее эффективно.

В поршнях турбированного двигателя компании BMW для автомобилей, участвующих в гонках «Формула-1», зона завихрения уменьшена с целью стабилизации процесса горения. Обратите внимание на расположение поршневых колец, чтобы сократить тепловые нагрузки на кольца, а также упрочнить перемычки между поршневыми кольцами.

При добавлении наддува возникают те же проблемы, но в турбированных двигателях ситуация усугубляется. Конечно, нам необходимо решить, при каком угле открытия дроссельной заслонки и при какой частоте вращения двигатель должен работать наиболее эффективно, а затем планировать выполнение соответствующих модификаций. Лично я считаю, что в четырехклапанных двигателях автомобилей, предназначенных для использования в условиях городского движения, можно добиться существенных результатов, сконструировав систему впуска в виде двух впускных каналов на цилиндр. При движении на крейсерской скорости можно использовать поворотную заслонку, чтобы заблокировать один из впускных каналов, таким образом увеличивая скорость движения воздушного потока в другом канале и завихрение в цилиндре. По мере увеличения частоты вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки, скорость движения воздушного потока и создаваемые завихрения будут снижаться.

Угол опережения зажигания

Кроме вышеперечисленных факторов, которые играют важную роль в создании хороших технических характеристик двигателя, существуют идругие факторы, которые определяют момент воспламенения смеси в цилиндре на такте сжатия. Большая часть двигателей развивает максимальную мощность в начале зажигания, чтобы добиться максимального давления в цилиндре в положении 12–14° после верхней мертвой точки. Чтобы добиться подобного результата, необходимо, чтобы пламя возникло несколько раньше верхней мертвой точки. Это и называется углом опережения зажигания. При низкой частоте вращения двигателя он может составлять около 10° перед верхней мертвой точкой, но по мере увеличения частоты вращения угол опережения зажигания может возрастать до 20° в двигателях с наддувом (рис. 17.3), но учтите, что эта цифра может удвоиться в случае с атмосферным двигателем.

Рис. 17.3. Кривая угла опережения зажигания при полной нагрузке и полностью открытой дроссельной заслонке.

Изменение угла опережения зажигания необходимо, чтобы дать топливовоздушной смеси достаточное время для сгорания. Конечно, при частоте вращения двигателя 7000об/мин пламя горения должно распространяться по камере сгорания с такой же скоростью, что и при частоте вращения 3000об/мин, и компенсировать этот дефицит времени можно только посредством более раннего начала горения, то есть увеличения угла опережения зажигания.

Кроме фактора времени существует еще несколько причин, по которым необходимо изменять угол опережения зажигания. Основными факторами помимо конструкции двигателя являются плотность топливовоздушной смеси, соотношение топливовоздушной смеси и тип топлива.

На плотность топливовоздушной смеси, конечно же, влияют атмосферное давление, давление наддува, степень сжатия, частота вращения двигателя, а также угол открытия дроссельной заслонки. При широко открытой дроссельной заслонке и максимальном давлении наддува, если вы используете эффективный промежуточный охладитель, в цилиндры будет поступать больше воздуха и топлива. И наоборот: при движении на крейсерской скорости с едва открытой дроссельной заслонкой и нулевым давлением наддува цилиндры не будут полностью заполняться топливовоздушной смесью. Поэтому даже при сжатии по мере подъема поршня в верхнюю мертвую точку молекулы топлива и кислорода будут расположены на некотором расстоянии, что будет замедлять скорость распространения пламени по камере сгорания. Чтобы компенсировать это, необходимо воспламенять топливовоздушную смесь до верхней мертвой точки (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Кривая угла опережения зажигания при незначительной нагрузке во время движения на крейсерской скорости.

Как слишком обедненная, так и слишком обогащенная топливовоздушная смесь будет гореть медленнее, что потребует увеличения угла опережения зажигания. С другой стороны, соотношение топливовоздушной смеси на уровне предельного значения обеднения (около 13:1) обеспечивает самое быстрое горение, следовательно, угол опережения зажигания будет меньше.

При установке эффективной системы выпуска отработанных газов вы сможете сократить количество выхлопных газов, остающихся в цилиндрах, атакже обратный поток. Таким образом, доступный объем для заполнения топливовоздушной смесью увеличится, а угол опережения зажигания необходимо будет сократить. Еще одним следствием модификации системы выпуска отработанных газов или корпуса турбинного колеса станет то, что меньшее количество молекул выхлопных газов будет оставаться между молекулами кислорода и топлива. Следовательно, скорость распространения пламени по камере сгорания будет выше, что опять же требует уменьшения угла опережения зажигания. Компоненты топлива также влияют на скорость горения. Бензин сгорает относительно быстро, поэтому угол опережения будет меньше, чем при использовании других видов топлива. Спиртовые виды топлива горят медленнее, а нитрос – еще медленнее, что означает, что в таком случае придется увеличить угол опережения зажигания. Однако при добавлении присадки, увеличивающей скорость горения, к спирту или нитрос, угол опережения зажигания необходимо будет уменьшить.

Конечно же, в модифицированном двигателе некоторые (а возможно, и все) факторы будут изменены по сравнению с заводской конструкцией. Поэтому угол опережения зажигания при различных рабочих условиях двигателя будет отличаться от запрограммированных в электронный блок управления заводских значений. Следовательно, во время тестирования на динамометрическом стенде при расчете электронной программы управления моментом зажигания, как показано на рис. 17.5, необходимо перепрограммировать память электронного блока управления. Этот процесс необходимо выполнять на всем диапазоне частоты вращения двигателя, при различных значениях давления наддува и угла открытия дроссельной заслонки. Также необходимо учитывать такие компенсирующие факторы, как температура впускного заряда, температура охлаждающей жидкости двигателя, а также температура выхлопных газов в турбокомпрессоре.

Рис. 17.5. Электронная программа управления моментом зажигания в турбированном двигателе.