Начиная от точки п, давление резко повышается вплоть до точки О. Этот период II называют видимым периодом процесса горения. В течение его сгорает около 90% смеси с наибольшей скоростью. Продолжительность этой фазы соответствует 20—30° угла поворота коленчатого вала и зависит от состава смеси, степени сжатия, момента зажигания, формы камеры сгорания, степени завихрения смеси и нагрузки двигателя.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма, развернутая по углу поворота коленчатого вала: а — карбюраторного двигателя; б — дизельного двигателя

Период II характеризуется скоростью нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины называется жесткостью процесса сгорания и находится в пределах 0,12—0,26 МПа на градус поворота коленчатого вала.

Опытами установлено, что максимум мощности двигателя получается при наибольшем давлении цикла (при 10—15° поворота коленчатого вала после ВМТ).

Период III называется периодом догорания смеси. Он протекает по линии расширения. Продолжительность этого периода невелика и зафиксировать ее окончание на индикаторной диаграмме трудно, так как для этого необходимо знать момент полного сгорания смеси. Скорость распространения пламени при нормальном протекании процесса сгорания составляет 20—40 м/с.

Качественное и своевременное протекание процесса сгорания зависит от ряда факторов: угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, вихревого движения заряда, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания и места установки свечи зажигания.

Двигатель развивает наибольшую мощность, если рабочая смесь сгорает в минимальном объеме. Поэтому опережение зажигания должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы к приходу поршня в ВМТ большая часть смеси уже воспламенилась. Величина наивыгоднейшего угла опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала, качества смеси, степени сжатия и устанавливается для каждого отдельного случая опытным путем. Опережение зажигания должно увеличиваться с уменьшением скорости сгорания горючей смеси и увеличением частоты вращения коленчатого вала. Повышение степени сжатия вызывает уменьшение наивыгоднейшего утла опережения зажигания, что объясняется возрастанием при этом скорости сгорания.

Диаграммы, демонстрирующие полезную площадь индикаторной диаграммы в случаях слишком раннего и слишком позднего, а также наивыгоднейшего момента зажигания, приведены на рис. 2. При слишком раннем зажигании возможно значительное повышение давления в камере сгорания до прихода поршня в ВМТ, сопровождающееся большим противодавлением на поршень, и падение мощности. При слишком позднем зажигании происходит понижение температуры вследствие значительных тепловых потерь.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается действию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание в двигателе в некоторых случаях переходит во взрывную форму, называемую детонацией, или детонационным сгоранием.

При детонации возникают стуки, двигатель перегревается и работает неустойчиво, из глушителя выходит черный дым. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение деталей кривошипно-шатунного механизма. Стуки объясняются ударами волн о стенки камеры и о днище поршня, а также вибрацией деталей.

Причиной возникновения детонации в двигателе являются активные перекиси, которые представляют собой промежуточные продукты окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость распространения пламени при детонации в двигателе достигает 1500—2000 м/с.

Повышение степени сжатия сопровождается увеличением температуры и давления в процессах сжатия и сгорания, что создает благоприятные условия для возникновения детонации. Выбор степени сжатия -для двигателей производят с учетом предназначенного для него топлива, формы камеры сгорания, размеров цилиндра, материала головки цилиндра и поршня.

Форма камеры сгорания в известной степени определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допустимую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации.

Рис. 2. Влияние угла опережения зажигания на величину полезной площади индикаторной диаграммы двигателя: а — слишком раннее зажигание; б – слишком позднее зажигание; в – наивыгоднейшее опережение

Большое влияние на склонность двигателя к детонации оказывает также материал головки цилиндров и поршней. Поэтому для получения бездетонационного сгорания указанные детали изготовляют из материалов, обладающих большой теплопроводностью.

Появление слоя нагара вызывает ухудшение теплопроводности деталей и увеличивает степень сжатия двигателя. Чтобы избежать детонации вследствие нагарообразования, уменьшают опережение зажигания.

Раннее зажигание может привести к появлению детонации за счет повышения давления и температуры сгорания. Повышение температуры охлаждающей жидкости увеличивает возможность детонации.

Детонация появляется также при обогащении горючей смеси, снижении частоты вращения коленчатого вала и увеличении нагрузки двигателя.

—

Сгорание топлива — быстро протекающий окислительный процесс, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. При сгорании топлива в цилиндрах автотракторных двигателей атомы углерода и водорода, образующие молекулы топлива, соединяются с кислородом воздуха.

Сравнительно большой коэффициент избытка воздуха у дизелей объясняется менее благоприятными условиями смесеобразования; дизели не имеют специального устойства для смешивания топлива с воздухом вне цилиндра, кроме того, время, отводимое у них на смесеобразование, в 40—50 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей.

При сгорании 1 кг жидкого (или 1 моля газообразного) топлива газам может быть сообщено количество теплоты, равное низшей теплотворной способности топлива QH, а в действительности газам сообщается только часть этой теплоты gQH, где g — коэффициент использования теплоты, учитывающий потери тепла в охлаждающую среду, при догорании топлива в процессе расширения и вследствие диссоциации газов.

Значение коэффициента использования теплоты изменяется для различных типов двигателей в следующих пределах:

Чем выше испаряемость топлива, чем совершеннее процесс смесеобразования и чем больше скорость распространения фронта пламени, тем выше коэффициент использования теплоты.

—

Вариант 2

На рисунке 3 изображена индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя, построенная в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Точка m на диаграмме расположена за 0° до в.м.т. и соответствует моменту зажигания. Угол 0° называют углом опережения зажигания.

В течение некоторого промежутка времени (на индикаторной диаграмме между точками тип) закон изменения давления в цилиндре остается одним и тем же. В этот период — период скрытого сгорания, в смеси у электродов свечи возникают очаги горения и во всем объеме смеси протекают химические и тепловые процессы, подготавливающие смесь к сгоранию. Теплота, выделяющаяся при этом, расходуется на нагрев значительного объема невоспламененной смеси, поэтому нарастание давления и температура газов невелики.

Затем вследствие более интенсивного протекания реакций окисления топлива давление в цилиндре резко повышается (на индикаторной диаграмме между точками п и z) и возрастает температура газов. Это второй период процесса сгорания, его называют периодом быстрого (видимого) сгорания.

В точке z давление достигает своего максимума, и к этому моменту основная часть топлива сгорает. Далее (на индикаторной диаграмме за точкой z) происходит сгорание топлива, не успевшего сгореть своевременно. Вследствие того что при этом значительно увеличивается объем, давление газов в цилиндре уменьшается. Этот процесс называют догоранием.

Давление и температура конца сгорания смеси (точка г) имеют примерно следующие значения: pz = 25—45 кГ/см2 и Tz=2300—2700 °К.

Скорость нарастания давления в период видимого сгорания характеризуется повышением давления на 1° поворота коленчатого вала. Эта величина определяет жесткость работы двигателя. Для карбюраторного двигателя она не должна превышать 2,5 кГ/см2 на 1° поворота коленчатого вала.

Работа двигателя с жесткостью, превышающей вышеуказанную, сопровождается стуками и приводит к быстрому износу деталей двигателя.

Для наиболее полного сгорания топлива в отводимый для этого отрезок времени необходимо увеличивать скорость распространения фронта пламени до пределов, обеспечивающих нормальную (не жесткую) работу двигателя.

Большое влияние на скорость распространения фронта пламени оказывает состав горючей смеси. Наибольшая скорость распространения фронта пламени достигается при некотором недостатке воздуха в смеси, когда а=0,85—0,90. При этом коэффициенте избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность.

При обедненной смеси (с незначительным избытком воздуха) вследствие замедленного распространения фронта пламени мощность двигателя снижается, но экономичность улучшается, так как расходуется меньшее количество топлива.

Скорость распространения фронта пламени уменьшается, если коэффициент а больше или меньше указанных выше пределов.

Увеличению скорости распространения фронта пламени способствует вихревое движение смеси, повышение температуры смеси перед воспламенением, повышение степени сжатия и уменьшение содержания в смеси остаточных газов.

Рис. 3. Развернутая индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.

Однако, если степень сжатия превышает допустимую величину, нормальное сгорание топлива нарушается и переходит в детонационное.

Большое влияние на возникновение детонационного сгорания оказывает эксплуатационный режим работы двигателя. Вероятность появления детонационного сгорания снижается при уменьшении угла опережения зажигания, увеличении числа оборотов двигателя, интенсивном охлаждении цилиндров, изменении состава горючей смеси (наиболее склонна к детонации смесь при а=0,80— 0,95).

Рис. 4. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля.

В карбюраторном двигателе иногда происходит преждевременное воспламенение (вспышка) смеси не от электрической искры, а в результате соохлаждении.

Прикосновения смеси с накаленными (перегретыми) выпускными клапанами, электродами свечи или нагаром. Обычно это случается, когда двигатель перегрет, например, при ненормальном режиме работы двигателя или недостаточном его