1.3.2 Распространение пламени в КС двигателя с искровым зажиганием

Соколик в своих исследованиях процесса сгорания в ДВС показал, что распространение фронта пламени является стохастическим процессом, при переменной турбулентности потока по объему КС.

В работе [83] впервые предложено деление процесса сгорания на фазы, принятое сейчас в теории поршневых ДВС с искровым зажиганием.

1 фаза - зажигание и начало распространение пламени.

За первую фазу сгорания принято считать время от момента подачи искры до отделения линии повышения давления при сгорании, от линии повышения давления при сжатии [83, 120], т.е. это время необходимое для развития устойчивого фронта пламени и начала активного тепловыделения в смеси. В первой фазе сгорания происходит воспламенение смеси и распространение начального очага пламени.

V 80 1

^ ВО са

I

I

1 20 ta

а.

wo 1 [

1- I 1 1

—r 1 F I I I I 771 7 1 I I

I 1 7 Л 1 I

1 < fi f /1 / л s V 1 *

1 t / I —f- filp 1

T

1 1 м/ce/f

Snn, [см]

Iff

12

-fBc

-8° ВМТ б

8° /?Гпкв Рисунок 1.7 - а) Схема и б) график распространение фронта пламени в КС бензинового двигателя, полученная обработкой многощелевой фоторегистрации пламени. V — доля сгоревшего объема, S - проекции фронта пламени, ив — видимая скорость пламени, 6| - первая фаза сгорания, 0ц - вторая фаза сгорания (по Соколику, Воинову, Свиридову [120]).

Скорость сгорания паров топлива в первой фазе сгорания, зависит от нормальной скорости распространения пламени и от всех физико-химических факторов, которыми эта скорость определяется, а также от интенсивности мелкомасштабной турбулентности. Воздействие крупномасштабной турбулентности в этой фазе невозможно, так как вихри переносят пламя как целое, не искривляя его поверхности.

Исследования процесса сгорания с применением многощелевой регистрации пламени, проведенные А.Н. Воиновым [49], позволили установить, что при надлежащем регулировании угла момента опережения зажигания в первой фазе охватывается сгоранием 15...30% объема заряда. Такого размера начального очага горения уже достаточно для дальнейшего быстрого увеличения скорости распространения пламени под воздействием турбулентных пульсаций крупных масштабов. В первом фазе пламя распространяется по свежей горючей смеси, и влияние продуктов сгорания на скорость химической реакции не учитывается.

Скорость пламени в начале первой фазы близка к скорости ламинарного пламени [18, 29, 120]. Пока очаг горения относительно мал, скорость пламени возрастает за счет турбулентных пульсаций мелких масштабов. Поэтому процесс сгорания в этой фазе подчиняется закономерностям мелкомасштабного турбулентного горения, скорость которого связана с величиной нормальной скорости пламени U. и коэффициентом молекулярной и турбулентной диффузии. Хотя в работах [18, 102, 115, 120, 125] показано, что турбулентность потока значительно влияет на продолжительность первой фазы, а, следовательно, и на скорость пламени в первой фазе.

2 фаза - характеризуется большим очагом пламени, который увеличивается за счет смешения и турбулентности крупного масштаба.

За вторую - основную фазу сгорания принято считать время от окончания первой фазы до выгорания основной части ТВС, т.е. 90% объема смеси.

В этой фазе сгорания основное влияние на скорость распространения пламени оказывают факторы крупномасштабной турбулентности, обеспечивающие интенсивность подвода свежего заряда в зону реакции. Зона турбу-

лентного пламени 8 всегда имеет более или менее значительную протяженность, фронт пламени сильно искривлен, а в случае интенсивной турбулентности раздроблен на большое число отдельно горящих объемов. [53, 83, 89, 93, 120]

3 фаза - заключительная фаза сгорания, в которой происходит догорание небольших объемов заряда в глубине зоны горения и у стенок цилиндра.

Сгорание в третьей фазе - фазе догорания, как и в начальной фазе, подчиняется законам мелкомасштабного турбулентного горения, скорость которого существенно зависит от физико-химических свойств горючей смеси [65, 120, 125]. От этих свойств зависит также скорость догорания отдельных объемов за фронтом основного турбулентного пламени.

В отношении объема заряда, сгорающего в третьей фазе, в литературе имеются различные данные. В работах [44, 102, 120, 125] последняя порция, сгорающая в третьей стадии, оценивалась приблизительно в 10% по объему. Но при этом отмечается, что "... сгорание последних порций заряда после PZmax составляющее третью стадию процесса, наименее изучено и, по-видимому, представляет в основном догорание на ширине зоны турбулентного пламени после его соприкосновения со стенками цилиндра. Заключенная в этой зоне несго- ревшая смесь составляет относительно небольшую долю от объема заряда, но заметную долю его массы, так что длительность этой последней стадии сгорания приобретает существенное значение для общей эффективности рабочего процесса в двигателе".[49]

По-видимому, основываясь на работах [83, 121], величина заряда, сгоревшего в третьей, заключительной стадии, зависит от конструктивных свойств камеры сгорания двигателя и условий проведения опыта, но в любом случае она составляет значительную долю от массы циклового заряда.

основная фаза - включает в себя первую и вторую фазу сгорания, начинается с момента подачи искры, и завершается при достижении пламени наиболее удаленной части КС.

Иноземцев ввел понятие основной фазы сгорания, для облегчения анализа протекания рабочего процесса, как фазу, в которой происходит сгорание ос-

новной части топлива и характеризующей продолжительность активного тепловыделения в процессе сгорания.

Теоретически продолжительность основной фазы сгорания должна быть минимальной, для получения максимального давления. Давление должно иметь максимум в ВМТ, чтобы совершить большую работу в процессе расширения. Это, означает, что газ имеет достаточно времени, для активного теплоотвода в систему охлаждения, приводящему к ухудшению рабочих характеристик в дополнение к жесткой работе двигателя. Поэтому, практически, двигатели стараются разрабатывать так, что бы в ВМТ повышения давления составляло только 50% от максимального, что приводит к максимуму давления и температуры, только в 10° - 15° после ВМТ, это уменьшает потери тепла в системе охлаждения и делает работу двигателя более мягкой. Поэтому, для лучших результатов, сгорание должно быть закончено в пределах 15-20° после ВМТ. Что показывает необходимость получения математических зависимостей доступных для инженеров позволяющие прогнозировать среднюю скорость распространения пламени и продолжительность сгорания.