Распространение турбулентного пламени в ДВС

Основная масса свежего заряда в цилиндре высокооборотного карбюраторного двигателя находится в состоянии интенсивного движения, складывающегося из направленных вихрей и турбулентных беспорядочных пульсаций скоростей газовых потоков.

Под воздействием турбулентных пульсаций скорость распространения пламени по объему камеры сгорания сильно возрастает.

Воздействие турбулентных пульсаций на протекание процесса горения зависит от масштаба пульсаций.

Крупные вихри или турбулентные пульсации больших масштабов сильно искривляют фронт пламени, разрывают его на отдельные горящие очаги (объемы). Это приводит к многократному увеличению фактической поверхности горения, что значительно увеличивает скорость сгорания (рис. 2.5).

Фронтом турбулентного пламени называют всю зону, в которой происходит горение и догорание мелких объемов свежего заряда, оказавшихся в массе продуктов сгорания. Ширина зоны турбулентного пламени достигает 20-30 мм.

Турбулентные пульсации мелких масштабов, сравнимых с шириной фронта ламинарного пламени, искривляют фронт пламени в меньшей степени, усиливают процессы теплопередачи и диффузии из фронта пламени в свежий заряд, что также увеличивает скорость горения.

Таким образом, турбулентные пульсации больших и мелких масштабов существенно увеличивают скорость распространения турбулентного пламени U_T, которая возрастает пропорционально интенсивности скоростей турбулентных пульсаций. Интенсификация процесса распространения турбулентного пламени обусловлена явлениями переноса малых объемов термически и химически активных частиц из зоны горения в объем свежего заряда, а объемов свежего заряда в зону горения.

Объемы свежего заряда, оказавшиеся за фронтом турбулентного пламени в массе горячих продуктов сгорания, очень быстро нагреваются и воспламеняются практически одновременно.

Сгорание таких объемов в массе продуктов сгорания вызывает появление резких пульсаций давления, и как следствие, появление вибрационного характера турбулентного пламени и резких металлических звуков высокого тона

С другой стороны, объемы горящей смеси, попавшие в массу свежего заряда, если их размеры достаточно велики, дают начало распространению турбулентного пламени по несгоревшем горючей смеси. Однако при малых размерах изолированных объемов горящей смеси в массе холодной горючей смеси из-за увеличенной теплоотдачи от очага горения в окружающую холодную смесь может произойти местное угасание пламени. Устойчивое зажигание горючей смеси от заброшенного в свежий заряд объема горящей смеси возникает лишь при благоприятном сочетании ряда факторов - достаточные первоначальные размеры заброшенного объема, наличие по соседству достаточно нагретых объемов свежего заряда и др. факторов.

Распространение турбулентного пламени по замкнутому объему камеры сгорания сопровождается повышением температуры и давления образовавшихся продуктов сгорания. Последние расширяются в сторону свежего заряда, вызывая дополнительное сжатие несгоревшей горючей смеси с повышением температуры во всей массе. Это в свою очередь вызывает увеличение скорости протекания в несгоревшей горючей смеси предпламенных окислительных процессов. В результате этих явлений наблюдается прогрессивный саморазгон химических реакций сгорания с увеличением скорости перемещения турбулизированного фронта пламени до 40-80 м/с. Увеличение скорости тепловыделения иногда сопровождается возникновением в массе газа акустических волн сжатия, вызывающих вибрационное сгорание.

Непрерывное повышение давления в камере сгорания в результате последовательного сгорания топлива приводит к адиабатному сжатию не только свежего заряда, но и образовавшихся продуктов сгорания самых первых порций свежего заряда, расположенных в области размещения электродов свечи зажигания. В результате адиабатного сжатия температура сгоревших газов, уже имеющих высокую температуру (2000-2300 К), в зоне свечи дополнительно поднимается на 200-300 К, вызывая тем самым возможность перегрева свечи зажигания.

Таким образом, наивысшая температура сгоревших газов достигается в зоне свечи зажигания, причем длительность контакта горячих газов с электродами свечи максимальна. Вследствие этого источником калильного зажигания чаще всего выступают перегретые центральные электроды свечей зажигания, теплоотвод от которых наиболее затруднен.

В современных карбюраторных двигателях с хорошо организованными процессами смесеобразования и сгорания устойчивая турбулентность свежего заряда достигается за счет спирального направления впускного канала в головке цилиндра применением формы камеры сгорания в виде углубления в поршне, окруженного кольцевым вытеснителем, сокращением длительности процесса сжатия, в течение которого происходит затухание турбулентных пульсаций, то есть за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала скорость распространения фронта пламени возрастает, а время сгорания всей массы свежего заряда уменьшается, благодаря чему длительность процесса сгорания по углу поворота коленчатого вала изменяется незначительно. Это и обеспечивает возможность осуществления процесса сгорания при высоких частотах вращения коленчатого вала современных двигателей с искровым зажиганием.