Зажигание в этих двигателях начинается в таких условиях: цилиндр двигателя, наполненный рабочей смесью, состоящей из паров топлива, воздуха и некоторого количества остаточных газов от предыдущего цикла; смесь сжатая до давлением
0,9 ... 1 , 5МПа, ее температура составляет 600 ... 750 К; смесь воспламеняется от высокотемпературного разряда между электродами свечи.
Процесс сгорания происходит вблизи в.м.т. за короткий отрезок времени, где-то 0,001 с. За это время коленчатый вал поворачивается на 15 ... 20 ° и поршень немного перемещается от в.м.т. Поэтому линия сгорания на обычной диаграмме действительного цикла отклоняется от линии подвода теплоты при V = const в идеальном цикле. Однако отклонения это незначительное и на индикаторной диаграмме в системе координат. Для быстрого сгорания рабочей смеси вблизи в.м.т., при котором обеспечено наиболее полное использование теплоты, электрическую искру необходимо подавать, когда поршень чуть не доходит до в.м.т. Угол поворота коленчатого вала до в.м.т., отвечающий проскока искры, называется углом опережения зажигания © 3. Он составляет 20 ... 55 ° п.к.в. После подачи электрической искры видимое пламя появляется не мгновенно, так как для его образования и подготовки смеси к сгоранию нужен некоторый промежуток времени.
На индикаторной диаграмме можно выделить три фазы сгорания.
Первая фаза (I), или период скрытого горения-с момента проскока электрической искры до начала резкого увеличения давления на индикаторной диаграмме. В этот период возникает небольшой очаг горения в зоне разряда между электродами свечи и сгорает 6 ... 8% горючей смеси. Давление газов в цилиндре повышается в основном за счет сжатия поршнем. Длительность первой фазы составляет 10 ... 30 ° п.к.в. (0,0005 ... 0,001 с).
Вторая фаза (II) - период быстрого или видимого горения. Начинается с момента отрыва линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре. В этот период происходит быстрое распространение фронта пламени по всему объему камеры сгорания.
Основным фактором, влияющим на скорость распространения пламени, является крупномасштабная турбулентность. Кроме того, фронт пламени дополнительно перемещается за счет расширения продуктов сгорания, под воздействием нагрева увеличиваются в объеме в три-четыре раза. Продолжительность второй фазы составляет 25 ... 30 ° п.к.в. (0,001 ... 0,002 с). За это время сгорает 70 ... 80% рабочей смеси. Температура продуктов сгорания повышается до 2200 ... 2500 К, а давление достигает максимального значения 3,5 ... 5,5 МПа. Вторая фаза сгорания характеризует жесткость работы двигателя, которая оценивается по наибольшей скоростью нарастания давления на каждый градус угла поворота коленчатого вала и максимальным давлением в камере сгорания Рмакс = р ^ д. Различают максимальную (dp / dty) makc и среднюю Др / Дф скорости нарастания давления, где ЛР = р3-р2 - разность между максимальным давлением цикла (точка 3) и давлением в начале видимого горения (точка 2); Дф-угол поворота коленчатого вала от начала видимого горения (точка 2) до достижения максимального давления (точка 3) цикла. Максимальное нарастание давления определяют в средней части второй фазы сгорания.
Если горение проходит нормально, Др / Дф = 0,12 ... 0,26 МПа / ... ° п.к.в. Когда Др / Дф <0,1 МПа / ... ° п.к.в. сгорания в значительной степени продолжается на линии расширения, что приводит к ухудшению топливной экономичности, а когда оно меньше, чем 0,26 МПа / ... ° п.к.в., давление нарастает слишком быстро. Резкое нарастание давления газов имеет характер удара и приводит к снижению срока службы деталей кривошипно-шатунного механизма и может вызвать поломки этих деталей. Поэтому скорость нарастания давления Др / Ду) называют жесткостью работы двигателя.
Наибольшую площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, максимальную мощность двигателя имеем, когда максимальное давление при сгорании достигается при 10 ... 15 ° п.к.в. после в.м.т., о чем свидетельствует то, что основная масса топлива к этому моменту уже сгорела. Третья фаза (III) называется периодом догоряння. Она начинается от точки максимального давления газов в цилиндре, которое в третьей фазе цикла снижается из-за увеличения объема рабочей поржнины при расширении, а также вследствие увеличения отдачи теплоты от газов к стенкам цилиндра и его головки, до конца сгорания. Эта фаза не имеет четко признанного окончания. В начале этой фазы процесс сгорания еще идет интенсивно, поэтому температура продуктов сгорания продолжает повышаться до максимального значения (точка 4), а далее снижается, так как скорость распространения пламя у стенок камеры сгорания снижается из-за усиления теплоотвода, ослабление турбулентности и из-за недостатка кислорода. Приблизительная ее продолжительность составляет 20 ... 350 п.к.в. (0,001 ... 0,0015 с). В этой фазе выделяется 10 ... 15% теплоты, внесенной с топливом, и она окончательно формирует экономичность цикла.
Общее полезное использование теплоты в процессе сгорания составляет 80 ... 90% от теплоты, которая введена в цилиндр с топливом. Остальные 10 ... 20% теплоты теряется из-за неполноты сгорания и диссоциацию, а также из-за интенсивной теплоотдачи в стенки рабочей полости цилиндра.
Наблюдают за процессом сгорания несколькими способами. Наиболее наглядным является фотографирование через специально встроено в головку цилиндра кварцевое окно, выдерживает высокое давление и высокую температуру.
Фотографирование скоростной кинокамерой показало, что фронт пламени представляет собой контур, светящийся отделяя продукты сгорания от несгоревшей смеси. Он имеет волнообразную форму и распространяется в разных участках объема камеры сгорания с различными скоростями.