Сгорание в дизелях

В дизелях топливо впрыскивается в нагретый сжатием воздух, имеющий температуру 450—550° С и давление 3- 4 Мн/м² (30— 40 кГ/см²}. Подача топлива начинается до в.м.т. и может заканчивать­ся как до в.м.т., так и после нее. Подача топлива начинается в точке1. Угол между началом впры­скивания топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыска.

В течение некоторого времени после начала впрыска горение еще отсутствует; давление в этот период изменяется из-за продолжающего­ся сжатия, причем вначале происходит не­которое снижение температуры, а соответ­ственно и давления сжимаемого воздуха вследствие затраты теплоты на нагревание испарение поданного топлива. В течение указанного периода развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги самовоспламенения и давление начинает повышаться в результате выделяющейся теплоты сгорания.

Точку 2, в которой линия повышения давления вследствие сгорания отрывается от линии сжатия чистого воздуха, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени Qi (в градусах поворота коленчато­го вала) между точками 1 и 2 — за период задержки воспламенения или период индук­ции. К моменту окончания периода задержки в цилиндр успевает поступить некоторое количество топлива. В результате сгорания в цилинд­ре этого топлива, значительная часть кото­рого успела испариться и образовать с воздухом горючую смесь, а также вследствие частичного сгорания топлива, продолжающего поступать через форсунку, давление на участке 2—3 быстро повышается. Период Q1 так называемого быстрого сгорания является первой фазой процесса сгорания в дизелях, следую­щей за периодом задержки, являющимся как бы подготовительной фазой.

После фазы быстрого сгорания наступает фаза замедленного горе­ния, в течение которой давление изменяется незначительно. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется скоростями смешения паров топлива с воздухом. Объем камеры сгорания в течение второй фазы непрерывно увеличивается из-за движения поршня, в связи с чем точка 4, соответствующая максимуму средней температуры цикла,. лежит правее точки 3 максимума давления. Тепловыделение продолжается и после достижения максимума тем­пературы вследствие наличия догорания. Скорость догорания опреде­ляется скоростью диффузии и турбулентного смешения с воздухом ос­татков находящегося в цилиндре несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси.

За момент окончания первой фазы процесса сгорания Q1 условно принимают точку максимума давления на индикаторной диаграмме, а за момент окончания второй фазы замедленного сгорания Q2 и начало третьей фазы догорания Q3—точку максимума температуры цикла. Фаза догорания захватывает значительную часть такта расширения. При неблагоприятных условиях организации процесса сгорания полного тепловыделения вообще не происходит, и в отработавших газах содер­жатся сажа, окись углерода и небольшие количества продуктов разло­жения жидкого топлива. Сгорание в третьей фазе характеризуется постепенным замедлением скорости тепловыделения вплоть до нуля, так как условия догорания топлива делаются все менее благоприятными уменьшается количество неизрасходованного кислорода, заряд все более разбавляется продуктами сгорания, процесс протекает при увеличении объема и уменьшении температуры и давления. Продолжительность фазы догорания может соответствовать 70—80° угла поворота коленчатого вала от в.м.т., при­чем общее тепловыделение обычно не превышает 95—97%. При пере­носе значительной доли тепловыделения в такт расширения сильно снижается эффективность использования выделяющейся теплоты, уменьшается экономичность двигателя и повышаются температуры на выпуске.

На продолжительность задержек воспламенения влияет ряд факто­ров, а именно: а) химические свойства топлива—его воспламеняемость, оцениваемая цетановым числом; б) температура и давление сжатого воздуха в цилиндре в момент впрыска топлива; в) мелкость распыливания топлива; г) характер вихревого движения заряда; д) наличие в камере сгорания нагретых поверхностей.

Топливо, поступающее в камеру после того, как уже началось горе­ние (в течение первой и в начале второй фаз), в основном воспламе­няется в результате его смешения с горячими продуктами сгорания и еще горящими газами, при этом необходимо, чтобы одновременно пары топлива смешивались также с достаточным количеством воздуха. Это достигается соответствующим сочетанием вихревого движения воздуш­ного заряда с направлениями струй впрыскиваемого топлива. Напри­мер, в однополостной камере сгорания создается вращательное (тан­генциальное) движение воздуха, в то время как топливные струи направлены радиально, Очаги самовоспламенения возникают в наружных оболочках топлив­ных струй со стороны, противоположной набегающему воздушному потоку, где концентрация паров топлива выше. Затем пламя распро­страняется по поверхности топливных факелов также преимущественно с задней их стороны. При этом продукты сгорания сносятся воздушным потоком, так что последующие капли впрыскиваемого топлива снова встречают на своем пути чистый нагретый воздух.

Процесс сгорания в дизелях наряду с некоторыми недостатками имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом сгорания в кар­бюраторных двигателях, чем и объясняется высокая топливная. эко­номичность дизелей.

В связи с подачей топлива в "цилиндр лишь в самом конце такта сжатия полностью отпадает возможность преждевременного воспламе­нения и практически исключается опасность детонации. В некоторых случаях процесс воспламенения в дизелях также мо­жет быть взрывным и сопровождаться «стуком», который является результатом возникновения ударных волн, но при этом отсутствует тенденция их усиления. В отличие от двигателей с искровым зажига­нием повышенный разогрев камеры сгорания дизеля, связанный с уве­личенной теплоотдачей от горячих газов в стенки при наличии ударных волн, приводит к сокращению задержек воспламенения и ослаблению «стука».

Другое весьма важное преимущество дизелей заключается в возмож­ности практически неограниченного обеднения смеси (если условно рассматривать эту смесь как состоящую из всего количества поступаю­щего в цилиндры воздуха и топлива). Это позволяет изменять мощ­ность двигателя только за счет уменьшения количества топлива, впры­скиваемого за один цикл, без изменения количества воздуха, т. е. применять чисто качественное регулирование мощности вплоть до холо­стого хода. При этом в отличие от двигателей с искровым зажиганием скорость и полнота сгорания в дизелях по мере уменьшения количества подаваемого за цикл топлива до некоторых пределов, отвечающих аобщ= 3—3,5, не только не уменьшаются, а наоборот, возрастают. Это связано с тем, что впрыскиваемое жидкое топливо не успевает равно­мерно смешаться с находящимся в камере сгорания воздухом, и в дей­ствительности смесь в зонах горения оказывается значительно более обогащенной по сравнению с аобщ

С другой стороны, наличие неоднородной смеси является причиной одного из основных недостатков дизелей—невозможности получения достаточно полного и бездымного сгорания при уменьшении общего коэффициента избытка воздуха ниже некоторых пределов (а< 1,35—1,5), зависящих от конструктивных особенностей двигателя и применяемой топливной аппаратуры; полнота сгорания уменьшается и в отработав­ших газах появляется дым (сажа). Дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива приводит к тому, что мощность двигателя не только перестает увеличиваться, но начинает падать, причем дымление резко усиливается, так как при низком общем коэффициенте избытка воздуха догорание образующейся сажи сильно затрудняется.

При значительном обеднении смеси (а >3), соответствующем весьма малым нагрузкам двигателя, полнота сгорания также обычно несколько ухудшается. Это связано с понижением температурного режи­ма двигателя, приводящим к возрастанию задержек воспламенения и соответственно к нарушению условий смесеобразования. При больших задержках значительная часть капель топлива успевает испариться и образовать зоны однородной переобедненной смеси, в которых горение сильно замедлено или вообще невозможно.

Дата добавления: 2015-10-21