Аванс-корекция на конвертиран за LPG/CNG класически бензинов ДВГ,
свързана с по-малката скорост на разпространение на пламъчния фронт
на газовото гориво в оборотен диапазон 1000-4000об/мин
(продължение)
Горене в ДВГ. Индикаторна диаграма Защо е нужно горивната смес да се пали малко по-рано от момента на достигане на горна мъртва точка(ГМТ) на буталото в цилиндъра на ДВГ? Това е свързано с крайната скорост на разпространение на пламъка в горивната камера и е показано на индикаторната диаграма(налягане в цилиндъра във функция от ъгъл на завъртане на коляновия вал) на ДВГ.
Процесът на изгаряне на гориво-въздушната смес е разделен на три етапа:
І – фаза на скритото горене, наречена още задържане на възпламеняването. В течение на фазата се извършва безпламъчно окислние на горивото и се образува началния център на пламъчния фронт. Температурата нараства много слабо, а налягането се повишава само в резултат на сгъстяването. Продължителността на първата фаза е средно 6 ÷10º, а количеството на изгорялата смес - 6 ÷ 8 % от обема на изгорялата смес в горивната камера.;
ІІ – фаза на видимото горене. В началото на фазата окислителните реакции се ускоряват до такава степен, че се появява пламък, който вследствие турболентното движение на сместта се разпространява бързо по целия обем на камерата. През периода на видимото горене изгаря основната маса на сместа (около 90%), а продължителността му е средно 25 ÷ 45º.
ІІІ – фаза на доизгарянето, която завършва през време на разширението след т. z.
Вижда се, че е необходимо известно време за предварително подаване на запалителния импулс за да има време сместа да изгори напълно. Това време се нарича предварение/аванс на запалването и се мери в градуси, отнесено към ъгъла на завъртане на коляновия вал. Авансът зависи от оборотите и състава на гориво-въздушната смес, поради което всеки ДВГ има устройство за осигуряване на подходящото му изменение във функция от тези два параметъра. Горивни процеси при бензиновите двигателиhttp://www.youtube.com/v/cy_yaAOKjA8 Нормално горене В края на такта сгъстяване при бензиновите двигатели се подава(т.А) електрически запалителен импулс, който предизвиква мигновено(около 10
-5сек) нагряване на сместа до температура над 1000
оС в много малък обем между електродите на запалителната свещ, водещо до термично разлагане и йонизация на молекулите на горивото и кислорода, и възпламеняване. Възниква огнище, наситено с продуктите на горенето и разделителна повърхност между него и неизгорялата смес(пламъчен фронт). Ако обемът му е достатъчен за загряване и възпламеняване на имащите контакт с него слоеве горивна смес(това основно зависи от енергията на разряда, температурата и налягането в края на такта сгъстяване), то
горенето започва да се разпространява по целия обем на горивната камера в посока от свещта към неизгорялата смес със скорост по-малка от 1м/сек. Турболентните потоци, формирани при пърненето и компресията на сместа изкривяват и разрушават отчетливите граници на пламъчния фронт. Обеми от горящите компоненти се внедряват в негорящата още смес, повърхностната площ на пламъчния фронт рязко нараства и в резултат скоростта му на разпространение се увеличава до
50-80м/сек(т.В).
Сместа повишава температурата си, а с това и налягането. Горенето не става моментално и за да изгори всичкия бензин е необходимо време. Това време зависи от скоростта на протичане на реакцията и разпространението на пламъка в горивната камера. За да изгори една стехиометрична смес всяка молекула кислород трябва да влезе в химическа реакция с горивото. Понеже 79% от въздуха (азот и други) са един вид пълнеж, кислородните молекули не са много близко и в достатъчно количество около бензиновата молекула и за по-бързото протичане на горенето сместа трябва да се разбърква силно като по този начин непрекъснато се доставя кислород на бензина при окисляването и съответно по-добре да се разпространява пламъка. Това разбъркване всъщност е завихрянето на сместа.
По-силните вихри увеличават скоростта на горене и така то протича в по-малък обем, което означава по-малка площ за топлообмен и по-голямо налягане в края на горенето. Завихрянето се увеличава с повишаване на оборотите на двигателя. Колкото са по-нагъсто една до друга молекулите, толкова с по-голяма скорост е горенето. Тази гъстота се определя от това колко смес се сгъстява и каква е степента на сгъстяване. Въздушното отношение също има значение за скоростта на горене. Богатите смеси горят по-бавно, с по-ниска температура заради недостиг на кислород. Бедните смеси също горят по-бавно заради отдалечеността на молекулите на бензина една от друга, но заради повечето кислород всяка бензинова молекула се окислява интензивно, което повишава температурата на горенето. Най-голяма мощност двигателя развива с леко обогатена смес при а=0,8-0,9 ,където и скоростта на горене е най-голяма.
Горенето не започва моментално с подаването на запалителния импулс. Обобщено процесът протича така:
1. Задържане на горенето – това е момента на подаване на запалителния импулс и образуване на факел, от който по-нататък ще се разпространява пламъка. Тук в този момент горенето е безпламъчно и енергията за окисляване идва от разряда. Тази фаза е кратка и докато трае коляновият вал(КВ) се завърта на около 5-10 градуса.
2. Видимо горене - появява се пламък, който се разпространява по целия обем на камерата. През периода на видимото горене изгаря основната част от сместа (около 90%), а КВ се завърта на около 25 ÷ 45 градуса според скоростта на горене и оборотите. Максималното налягане се постига в тази фаза, като пика трябва да се получи някъде около 14-15 градуса след ГМТ.
3. Доизгаряне - това е доизгаряне на тежките фракции от горивото,за които е нужно повече време да се окислят нацяло.
От качеството на сместа зависи колко лесно може да се възпламени и колко дълго да трае запалителния разряд. Енергията му също има значение за възпламеняването и колкото е по-голяма, толкова по-лесно е възпламеняването. Ако по някаква причина тази енергия намалее това води до по-голямо задържане на горенето и повишаване на разхода на гориво, защото се получава по-късно горене в по-голям обем. Резултатът е все едно сте върнали аванса към закъснение.
Аномални горивни процеси Топлинно запалване на горивната смес При нормалното горене възпламеняването става именно от разряда между електродите на запалителната свещ. Възможно е обаче някоя част при работата на двигателя да е станала много гореща и при допира им със сместа тя да се възпламени. Тогава вече имаме два източника на възпламеняване и два фронта на пламъка, което води до по-малко време за изгаряне на сместа на по-голяма площ. Налягането скача рязко и максимума му идва по-рано от необходимото. При самозапалването заради резкия скок на налягането двигателя започва да работи твърдо и се чува металически звук от натоварването на частите. В следствие на самозапалването от гореща точка и скока на налягането не е задължително да се получи детонация, защото от горещата точка започва плавно горене и налягането може да не се повиши до толкова, че сместа да се самозапали от температурата, получена от повишеното налягане ! Топлинното запалване води до повишено термично натоварване на повърхностите, образуващи горивната камера и като резултат стопяване или прогаряне на челото на буталото и електродите на запалителната свещ.
Възможни причини:
> Свещи с неподходящо топлинно число;
> Нагар по горивната камера;
> Некачествено гориво;
> Прегряване на ДВГ и др.
Дизелинг Самопроизволна работа на двигателя след изключване на запалването при което спадат оборотите на коляновия вал и се увеличава времето за компресия или времето за контакт на сместа с нагорещените детайли. Това е достатъчно за самовъзпламеняване, следва работен ход на буталото, скоростта на въртене се увеличава, което води до скъсяване на времето за контакт. Самозапалването става невъзможно, оборотите спадат, отново следва самозапалване и така се поддържат някакви много ниски устойчиви обороти на ДВГ. Това лично съм го наблюдавал на мотор с голяма стапен на сгъстяване и бензин с ниско октаново число преди години.
Детонационно горене Аномален горивен процес при който обемно се самовъзпламеняват най-отдалечените области от горивната смес с образуване на ударни вълни. След запалването на работната смес от ел.разряда пламъчния фронт се разпространява в горивната камера. Налягането и температурата се повишават до
5-6МПа и
2000-2300оС. Най-отдалечената от пламъчния фронт част от сместа се нагрява до температура, превишаваща тази на самовъзпламеняване. При нормално горене няма самовъзпламеняване, защото времето не стига за неговото развитие. Но ако има подходящи условия процесът има взривен характер като налягането в зоната нараства до
16МПа, а температурата до
3000-4500оС. Скоростта на разпространение на взривната вълна десетки пъти превишава скоростта на разпространение на пламъка при нормално горене и е
1500-2000м/сек Интензивността на детонацията зависи от това, каква част от засмуканата горивна смес е преминала към взривно изгаряне. Това се определя от химичния състав на въглеводородите в горивото, температурата и налягането на газовете. Ако нормално изгарят 93-95% от работната смес, а детонират 5-7%, то се наблюдава слаба детонация. Ако изгарят взривно 20-25%, то възниква много силна детонация, водеща до авария на ДВГ. Това е показано на горната инидикаторна диаграма.
Детонационните вълни многократно се удрят и отразяват от стените на горивната камера, предизвиквайки характерен металически звук. Околостенния слой газове с понижена температура се разрушава заедно с масления слой по стените на цилиндъра. Всичко това води до повишаване на топлоотдаването в термично натоварените детайли на цилиндъра, свързано с тяхното прегряване, повишено износване, стопяване, счупване.
И така дотук обобщено може да се каже следното(според
http://www.aviagamma.ru/tvg.html):
Параметри на нормалния горивен процес в ДВГ
> Турболентна скорост на разпространение на пламъка в цилиндъра - 50-80м/сек;
> Стойност и момент на максималното налягане в цилиндъра - 50-60атм(5-6МПа) при 12-15град след ГМТ;
> Стойност и момент на максималната температура - 2100-2300оС при 25-30град след ГМТ На посочените по-горе параметри влияят куп фактори:
> Конструкция и размер на горивната камера;
> Степен на сгъстяване;
> Количество остатъчни газове;
>
Предварение на запалването;
>
Енергия на разряда;
> Обороти на коляновия вал;
> Температура на стените на горивната камера;
> Налягане на гориво-въздушната смес;
>
Качество на гориво-въздушната смес;
> Свойства на горивото;
>
Техническо състояние на ДВГ.
За да осигурим нормален горивен процес в конвертиран за газово гориво бензинов ДВГ можем да влияем единствено върху предварението на запалване, енергията на разряда, качеството на работната смес и техническото състояние. Евентуално може да се повиши и степента на сгъстяване с цел по-добра горивна икономичност, но това е свързано с известни рискове.