احتراق در موتورهای اشتعال جرقه ای با مخلوط پیش آمیخته

فرایند احتراق در موتورهای احتراق داخلی پدیده ای است که سایر مشخصه های موتور از قبیل کارایی، بازده و انتشار آلایندها را تحت تاثیر قرار می دهد با کنترل بهینه فرایند احتراق در موتور می توان سایر مشخصه های موتور را نیز به خوبی کنترل نمود.

مشخصات و طبقه بندی شعله
الف: شعله پیش امیخته (premixed flame)
اگر سوخت و اکسید کننده قبل از احتراق و در خارج از محفظه به صورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شوند و سپس مشتعل گردند شعله پیش امیخته حاصل می شود.
ب: شعله انتشاری یا نفوذی (diffusion flame)
اگر واکنش دهندگان (سوخت و اکسید کننده) از پیش با هم مخلوط نشده و در همان ناحیه که واکنش انجام می گیرد مخلوط شوند گویند.
در موتورهای اشتعال جرقه ای شعله از نوع پیش آمیخته بوده، مخلوط سوخت و هوا در تمامی مدتی که شعله پیش می رود در حالت گازی قرار دارد. شعله در فرایند احتراق بسیار پیچیده است زیرا همراه با مکانیزم های پیچیده شیمیایی و انتقال گرما به صورت توربولنت است. پدیده احتراق یک فرایند سریع گرما زا در فاز گازی است که در ان اکسیژن یک واکنشگر اصلی است.
ناحیه واکنش جبهه شعله نامیده می شود پیشرفت شعله نتیجه ارتباط قوی بین واکنشها شیمیایی ،فرایندهای انتقالی انتشار جرم و هدایت گرمایی و جریان سیال است وجود گرما واکنشهای شیمیایی را شتاب می بخشد.

فرایند احتراق
در موتورهای اشتعال جرقه ای کاربراتوری سوخت از طریق ژیگلور کاربراتور وارد هوائی می گردد که با سرعت زیاد و فشار کم از ونتوری عبور می نماید سوخت وهوا با نسبت معینی در داخل مانی فولد به طور تقریبا همگون و یکنواختی مخلوط شده از طریق سوپاپ ورودی وارد سیلندر موتور می گردد و با گازهای سوخته باقی مانده از سیکل قبل مخلوط شده و سپس متراکم می گردد تحت شرایط طبیعی کار موتور چند درجه قبل از نقطه مرگ بالا احتراق توسط جرقه الکتریکی شمع شروع می گردد به دنبال این اشتعال شعله متلاطمی (turbulent) در درون محفظه احتراق شروع به پیشروی نموده و مخلوط پیش امیخته سوخت و هوا و گازهای باقی مانده را می سوزاند این پیشروی تا رسیدن شعله به دیوارهای محفظه احتراق و خاموش شدن ان ادامه پیدا می کند.
در بررسی عکس های متوالی از فراینداحتراق در یک موتور اشتعال جرقه ای مشاهده شده است که شمع 30 درجه قبل از نقطه مرگ بالا جرقه می زند ولی اولین شعله در 24 درجه قبل از نقطه مرگ بالا قابل رویت است جبهه شعله (flame front) به صورت شعله های متلاطم و ابی رنگ مشاهده می شود در نقطه مرگ بالا قطر شعله حدود دو سوم قطر سیلندر است و در 15 درجه بعد از نقطه مرگ بالا شعله به دیورهای محفظه احتراق می رسد در حدود 10 درجه بعد از نقطه مرگ بالا توده سفید رنگ که رفته رفته تمایل به صورتی شدن دارد اشکار می گردد این بیانگر مخلوطی است که در مراحل اولیه احتراق در نزدیکی شمع سوخته است و اکنون در پشت جبهه شعله در اثر سوختن سایر قسمت های مخلوطی به بالاترین دماهای موجود در محفظه احتراق متراکم می گردد در حالی که مخلوط هم چنان در حال سوختن است.
سیماهای دیگری از فرایند احتراق در یک موتور اشتعال جرقه ای مشاهده می شود این نمودارها از چندین چرخه متوالی در یک موتور اشتعال جرقه ای گرفته شده است فشار درون سیلندر کسری از جرم ورودی که سوخته است و همچنین کسری از حجم سیلندر که توسط جبهه شعله سوخته همگی به عنوان تابعی از زوایه چرخش میل لنگ نشان داده شده است به دنبال جرقه شمع مدت زمان ازاد شدن انرژی ناشی از توسعه شعله برای افزایش ناشی از احتراق که قابل تشخیص باشد خیلی کوچک است هم چنان که شعله برای پیشرفت در امتداد محفظه احتراق ادامه می یابد فشار بطور یکنواخت به مقادیر بالاتری نسبت به نبود احتراق (حالت موتور گردانی) افزایش می یابد فشار بعد از نقطه مرگ بالا قبل از این که تمام گازهای درون سیلندر بسوزد به مقدار ماکزیمم خود می رسد و سپس هم چنان که حجم سیلندر در طی ادامه انبساط افزایش می یابد کاهش می یابد.
فرایند توسعه و پیشرفت شعله از چرخه ای به چرخه ای دیگر متفاوت است به همین خاطر کسر حجم سوخته شده و کسر جرم سوخته شده برای چرخه ای با چرخه های دیگر اختلاف معنی داری دارد علت این امر این است که توسعه شعله بستگی به ترکیب و حرکت مخلوط های موضعی درون محفظه دارد این مقادیر در چرخه های مختلف یک سیلندر با هم متفاوت هستند حتی ممکن است تغییرات سیلندر به سیلندر نیز وجود داشته باشد مخصوصا ترکیب و حرکت مخلوطی که در نزدیکی های الکترودهای شمع در زمان جرقه زنی قرار گرفته است چون حرکت اولیه توسعه شعله را هدایت و تعیین می کند اهمیت خاصی دارد.
چگالی مخلوط های نسوخته ای که در سر جبهه شعله قرار دارند حدود چهار برابر چگالی گازهای سوخته شده پشت جبهه شعله است.
حتی هنگامی که شعله تمام محفظه احتراق را فرا گرفته است مقدار 0.25از جرم گازهای موجود در محفظه احتراق نسوخته باقی مانده است از این توضیح می توان به این نتیجه رسید که فرایند احتراق به چهار فاز قابل تشخیص تقسیم می شود .
1- اشتعال جرقه spark ignition
2- توسعه شعله ابتدایی early flame development
3- پیشرفت شعله flame termination
منجنی های فشار در مقابل درجات چرخش میل لنگ نشان داده شده است که چرا گشتاور موتور هنگامی که زمان جرقه زنی نسبت به TDC موقعیت های مختلفی دارد فرق می کند هنگامی که شروع فرایند احتراق قبل از TDC خیلی اوانس می شود نیروی مقاومی را در برابر بالا رفتن پیستون و تراکم گاز ایجاد می نماید و باعث می گردد که انتقال کار کورس تراکم که از پیستون به گازهای سیلندر است افزایش یابد اگر احتراق توسط ریتارد کردن زمان جرقه زنی به تاخیر بیفتد اوج فشار سیلندر در کورس انبساط دیرتر اتفاق افتاده و مقدار ان کمتر خواهد بود و این تغییرات انتقال کار کورس انبساط را که از گازهای سیلندر به پیستون کاهش می دهند. بهینه ترین زمان جرقه زنی هنگامی است که حداکثر گشتاور ترمزی
(maximum brake torque) یا MBT به دست آید تاثیر زمان های مختلف را بر روی گشتاور ترمزی در موتورهای اشتعال جرقهای معمولی نشان می دهد. هر مقدار اوانس و یا ریتارد نسبت به زمان MBT باعث کاهش گشتاور تولیدی موتور می گردد.
اغلب از قوانین تجربی برای نسبت دادن جرم سوخته و ماکزیمم فشار سیلندر در زوایای مختلف چرخش میل لنگ در نقطه MBT استفاده می شود برای مثال در حالت بهینه جرقه زنی:
1- ماکزیمم فشار سیلندر در حدود 16 درجه بعد از نقطه مرگ بالا اتفاق می افتد
نصف جرم گاز های وارد شده به سیلندر در حدود 10 درجه بعد از نقطه مرگ بالا می سوزد.