Процесс сгорания. Начало впрыскивания (начало смесеобразования) и начало экзотермической реакции

Начало впрыскивания (начало смесеобразования) и начало экзотермической реакции (начало воспламенения) отделены друг от друга определенным промежутком времени, который называется задержкой воспламенения. В реальных условиях она определяется следующими факторами:

- способностью топлива к самовоспламенению (цетановое число);

- конечным давлением сжатия (степень сжатия, коэффициент наддува);

- конечной температурой сжатия (степень сжатия, температура компонентов смеси, наличие промежуточного охлаждения);

- видом системы подачи топлива.

Процесс сгорания, начинающийся с воспламенения смеси, может быть разделен на две фазы. В подготовительной фазе быстрого сгорания топливо продолжает впрыскиваться в камеру сгорания и смешиваться с воздухом. Топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, после воспламенения сгорает в так называемом “диффузионном пламени” (фаза замедленного сгорания). Та часть топлива, которая сгорает в первой фазе, определяет резкий подъем давления (высокую жесткость сгорания), что является главной причиной повышенного шума, вызываемого сгоранием, и образования оксидов азота в отработавших газах. Диффузионное пламя, характеризующееся малоинтенсивным горением, является основным источником возникновения в отработавших газах несгоревших углеводородных частиц.

Таким образом, характер тепловыделения в процессе сгорания в дизеле зависит от типа смесеобразования и может варьироваться в широком диапазоне изменением названных выше параметров. Выбор момента впрыска и продолжительность горения оказывают решающее влияние на образование оксидов азота (NO_х)

ЛЕКЦИЯ 5

Недостатки и ограничения, накладываемые на процесс сгорания. Из—за того, что в дизеле впрыскиваемое топливо самовоспламеняется, необходимо использование топлива с высокой склонностью к воспламенению (цетановое число 45...50). Несмотря на высокую степень сжатия, могут возникать проблемы с воспламенением топлива при пуске холодного двигателя.

Кроме того, детали холодного двигателя поглощают теплоту от сжатого воздуха. Согласно уравнению Т₁ = Т₀·ε^{n - 1} политропная экспонента (1,1 < п < 1,2) приводит к снижению температуры в конце сжатия. К тому же при малых частотах вращения качество смеси ухудшается (большой диаметр капель топлива) и турбулизация воздушного заряда не соответствует требуемой интенсивности. Увеличение времени испарения топлива (впрыск начинается раньше) и количества подаваемого топлива могут решить проблемы пуска двигателя только частично. Таким образом, необходимы, особенно для небольших двигателей, пусковые устройства, на пример, свечи накаливания или специальные присадки.

Поскольку значительная часть процесса смесеобразования происходит во время сгорания гетерогенной смеси, важно исключить локальную концентрацию чрезмерно богатой смеси в диффузионном пламени. Иначе могут иметь место повышенные выбросы частиц сажи даже при работе на очень обедненных смесях. Оценить эффективность использования воздуха позволяют официально утвержденные нормы допускаемой дымности отработавших газов, приводимые в зависимости от отношения воздуха к топливу в рабочей смеси. У двигателей с дополнительной камерой сгорания предельная дымность отработавших газов достигается при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,05...1,15, а у двигателей с непосредственным впрыском топлива — 1,1...1,8. Причем двигатели с большим рабочим объемом должны работать на смесях с большим значением коэффициента избытка воздуха.

Дизельный двигатель без выброса сажи создать невозможно (при гетерогенном сгорании всегда образуются сажевые частицы).

Снизить выброс твердых частиц позволяют следующие мероприятия: увеличение давления впрыскивания топлива и переход на оптимальные характеристики распыла путем использования других форм камер сгорания и форсунок с несколькими распылительными отверстиями. Эффективен турбонаддув, особенно с промежуточным охлаждением. Продолжаются исследования возможности применения регенеративных фильтров твердых частиц, удерживающих эти частицы с последующим их дожиганием.

Из—за быстрого сгорания части топлива, испаряющейся и смешивающейся с воздухом в время задержки воспламенения, процесс самовоспламенения характеризуется как «жесткий» и шумный на режимах холостого хода и малых нагрузок у двигателей с турбонаддувом, и на режимах с высокой нагрузкой у быстроходных безнаддувных двигателей.

Ситуация может быть улучшена за счет уменьшения запаздывания момента воспламенения (предварительный нагрев воздуха на впуске, внедрение турбонаддува и увеличение степени сжатия) и/или количества поступающего топлива. На двигателях с непосредственным впрыском топлива уменьшение поступающего топлива обычно достигается использованием предварительного воспламенения; на двигателях с дополнительной камерой сгорания применяются дросселирующие форсунки.

Не следует смешивать понятие «жесткое» сгорание с детонацией, которая имеет место при средних и малых на грузках дизельного двигателя. детонация является следствием недостатков системы смесеобразования (нарушение в работе форсунки или нагарообразование на форсунке) и характеризуется возникновением пульсирующего металлического звука.

Дизель обречен работать в условиях высоких максимальных давлений. Его размеры и используемые материалы должны тщательно выбираться. Причинами этого являются:

- высокая степень сжатия, необходимая для надежного пуска дизеля и уменьшения его шумности;

- процесс сгорания должен происходить с максимальной скоростью распространения пламени для обеспечения топливной экономичности;

- использование турбонагнетателей.

Из—за того, что дизельные двигатели должны работать на обедненной смеси в режиме полной нагрузки, они обычно имеют более низкие удельные мощности, чем у двигателей с искровым зажиганием.

Дата добавления: 2015-11-26