Процесс сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя при зажигании ее электрической искрой происходит следующим образом. Между электро­дами свечи зажигания проскакивает короткая искра (только одна), которая имеет высокую температуру и оставляет после себя нить пламени. От обра­зовавшейся таким образом огненной нити пламя распространяется по ра­бочей смеси в виде тонкой пленки (фронт пламени), отделяя продукты сго­рания от несгоревшей рабочей смеси. Если рабочая смесь находится в покое, то пламя распространяется с постоянно увеличивающейся скоростью до конца процесса сгорания в виде гладкого неразрывного фронта. В действи­тельности рабочая смесь в цилиндре двигателя не находится в покое, она имеет вихревые движения различного направления. Вследствие этого фронт пламени искривляется и разрывается на отдельные поверхности; поверх­ность фронта пламени возрастает, и повышается скорость сгорания смеси. Экспериментальные наблюдения за процессом сгорания (например, через прозрачные окна в крышке цилиндра) показывают, что общее направление движения фронта пламени при этом сохраняется. Нормальная скорость пла­мени, т. е. линейная скорость распространения фронта пламени по направ­лению нормали к фронту пламени в данном месте, в потоке с крупномасштаб­ной турбулентностью мало отличается от нормальной скорости в ламинар­ном потоке. Скорость сгорания и, следовательно, скорость тепловыделения при наличии крупномасштабной турбулентности возрастают за счет увели­чения размеров фронта пламени. При возникновении мелкомасштабной тур­булентности усиливается проникновение пламени в зону несгоревшей сме­си и в результате этого возрастает нормальная скорость пламени, что также приводит к увеличению скорости сгорания. Таким образом, наличие турбу­лентного движения рабочей смеси в цилиндре двигателя ускоряет процесс сгорания и потому оно крайне желательно.

Скорость распространения пламени в цилиндре двигателя определяется различными методами: путем скоростного фотографирования пламени от­дельными кадрами в определенные короткие промежутки времени, путем ионизационного метода и путем химического анализа проб газа, отбираемых из различных мест камеры сгорания. Последний метод позволяет одновре­менно определять и состав продуктов сгорания. На рис. 62 приведены ре­зультаты замера средней скорости распространения пламени в одноцилинд­ровом бензиновом двигателе, выполненные Н. В. Иноземцевым и В. К. Кош­киным. Средняя скорость пламени на каждом участке определялась как отношение пути, пройденного пламенем между газоотборниками к проме­жутку времени (веек) прохождения пламени между этими газоотборниками.

Как видно из рис. 62, скорость распространения пламени зависит от состава рабочей смеси. Опыты велись на смеси бензин — воздух, с различ­ным коэффициентом избытка воздуха ?; кривая 1 (? = 0,78); кривая 2 (? = 0,93) и кривая 3 (? = 1,22) и по мере развития процесса сгорания воз­растает.

Наблюдаемое увеличение скорости распространения пламени объяс­няется тем, что давление и температура несгоревшей смеси в период проте­кания процесса сгорания непрерывно возрастают и ускоряются физико-хи­мические процессы во фронте пламени. Опыты, проведенные на двигателях, показывают, что на величину скорости распространения пламени влияют: состав рабочей смеси, степень сжатия, интенсивность турбулентного дви­жения, мощность электрической искры, момент зажигания, загрязненность смеси инертными газами, форма камеры сгорания и др.

На рис. 63 приведены кривые изменения скорости распространения пламени бензиновых и спиртовых смесей с воздухом с различным а. Макси­мум скорости пламени достигается в смеси с ? = 0,85 ? 0,95. Крутизна кри­вых скорости распространения пламени смеси определяет пределы воспламеняемости этих топлив. Нижним пределом воспламеняемости смеси назы­вается состав смеси, дальнейшее уменьшение содержания топлива в котором делает смесь невоспламеняемой.

Верхним пределом воспламеняемости смеси называется состав смеси, дальнейшее увеличение содержания топлива в котором делает смесь невос­пламеняемой.

Ниже приведены пределы воспламеняемости смеси с воздухом.

Приведенные пределы воспламеняемости показывают, что малые зна­чения ? при нижнем пределе воспламеняемости ограничивают область качественного регулирования в карбюраторных двигателях. При ?>1,3, т. е. при малых нагрузках двигателя, смесь выходит за предел воспламе­няемости.

О характере протекания процесса сгорания в цилиндре двигателя мож­но судить по диаграмме (индикаторной) в системе координат р — ? или р — ?, где р — давление в цилиндре в кГ/см²; ? — угол поворота мотыля в град и ? — время в сек.

На рис. 64 представлена диаграмма, показывающая изменение давле­ния за периоды сжатия, сгорания и расширения смеси в двигателе с внешним источником Зажигания смеси (электрическая искра).

Нижняя кривая (см. рис. 64) показывает изменение давления в цилиндре за периоды сжатия и расширения при выключенном зажигании. Точкой 1 отмечен момент проскакивания искры между электродами свечи, однако в течение некоторого промежутка времени изменение давления остается таким же, как и без зажигания смеси. В точке 2 давление начинает резко по­вышаться (кривая отрывается от линии сжатия) и в точке 3 достигает своего максимального значения. При дальнейшем перемещении поршня от ВМТ в цилиндре происходит расширение газов, при котором давление в цилиндре падает.

Характер изменения давления в цилиндре позволяет процесс сгорания в двигателях с зажиганием смеси электрической искрой разбить на три фазы. Первая фаза (участок а, см. рис. 64) — фаза образования и развития самораспространяющегося очага пламени; вторая фаза (участок в) — рас­пространение пламени по всей камере сгорания и третья фаза (участок 3— 4) —догорание рабочей смеси на линии расширения.

В период первой фазы происходят химические процессы с малым выде­лением тепла, так как участвует в них малое количество газов и потому на индикаторной диаграмме нет отклонения линии давления от линии сжатия. Первую фазу горения называют периодом задержки воспламенения. Про­должительность периода задержки воспламенения зависит: от структуры молекулы топлива; от давления и температуры смеси в конце сжатия, т. е. от степени сжатия (чем больше степень сжатия, тем меньше период задержки воспламенения), и от мощности источ­ника зажигания.

В период второй фазы сгорания вследствие интенсивного распростра­нения пламени в цилиндре выделяет­ся большое количество тепла, а пото­му давление и температура газов рез­ко возрастают. Характеристикой вто­рой фазы процесса сгорания являет­ся скорость нарастания давления

Мгновенное значение скорости нарастания давления равно dp/d? чем больше скорость нарастания давления, тем более резкое (ударное) прило­жение усилий к шатунно-мотылевому механизму, или, иначе, тем более жестко будет работать двигатель.

Величина скорости нарастания давления зависит от многих факторов. Сорт топлива, а главное, состав рабочей смеси влияют на ?p/??.
Наибольшее значение ?p/?? достигается в смеси с ? = 0,85 ? 0,9. С уве­личением скорости вихревого движения смеси значение ?p/?? возрастает. Форма камеры сгорания и расположение свечи также влияют на величину ?p/??.

На рис. 65 (поданным Рикардо) приведена приблизительная зависимость температуры пламени от состава смеси при степени сжатия 5, а на рис. 66 — приближенная зависимость между составом смеси и продолжительностью процесса сгорания. На рис. 66 кривая 1 построена для бензиновой смеси, а кривая 2 — для водородной смеси.

С увеличением степени сжатия возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, а потому период задержки воспламенения сокращается, уменьшается весь период процесса сгорания и повышается максимальное давление цикла.

Для иллюстрации сказанного на рис. 67 приведены три индикаторные диаграммы с различными степенями сжатия, но при работе двигателя на смеси одинакового состава и равных углах опережения зажигания. Кривая 1 соответствует ? = 4; кривая 2 — ? = 5 и кривая 3 — ? = 6.

Продолжительность процесса сгорания влияет на температуру отрабо­тавших газов, а следовательно, на унос тепла с ними и, как следствие, — на к. п. д. двигателя. Сокращение продолжительности периода процесса сгорания повышает теплоиспользование в цилиндре двигателя. На вели­чину продолжительности и характер протекания процесса сгорания, кроме рассмотренных факторов, влияет момент начала процесса сгорания, который определяется так называемым опережением зажигания. Опытом установле­но, что для развития максимальной мощности двигателем опережение зажи­гания должно быть таким, при котором сгорание заканчивается спустя 12— 15° поворота вала после ВМТ.

С изменением числа оборотов наивыгоднейшая продолжительность опережения зажигания, выраженная в градусах поворота вала, изменяется. Для определения наивыгоднейшего угла опережения зажигания при раз­личных режимах работы двигателя снимаются характеристики по зажига­нию.

На рис. 68 приведена такая характеристика двигателя при работе с пол­ным открытием дросселя и с постоянным числом оборотов. Форма камеры сгорания, расположение и число свечей также влияют на характер проте­кания процесса сгорания, а следовательно, и на теплоиспользование в дви­гателе.

Камера сгорания должна обладать:

1) умеренной жесткостью процесса сгорания;

2) минимальным отношением поверхности к объему;

3) расположением свечи зажигания, при котором путь пламени до наиболее удаленных мест камеры является минимальным;

4) наибольшим охлаждением сильно нагреваемых мест;

5) достаточно полной очисткой от отработавших газов.