На такте сжатия в цилиндрах дизеля сжимается воздух. Незадолго до прихода поршня в в.м.т. начинается впрыска топлива. В момент начала впрыска давление в цилиндре достигает 3,0 ... 5,0 МПа, а температура воздуха составляет 700 ... 900 К, что примерно на 150 ... 250К выше температуры самовоспламенения дизельного топлива. При этом плотность воздуха в камере сгорания в 12 ... 15 раз и более превышает плотность окружающего воздуха. При наличии наддува давление может быть значительно выше. Впрыска топлива начинается до в.м.т. и может заканчиваться как к в.м.т., так и после нее. На весь период смесеобразования в дизеле отводится очень мало времени-20 ... 40 ° п.к.в., или тысячные доли секунды, что в 10 раз меньше, чем в карбюраторном двигателе. За этот промежуток времени капли впрыснуть топлива должны успеть нагреться и випаритися.

 

Возгорание топлива происходит в парообразном состоянии. Однако за короткий промежуток времени между началом впрыска и воспламенением не все топливо успевает випаритись и часть его находится в начале сгорания в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в дизелях разворачиваются в двухфазной гетерогенной системе с неравномерной макро-и микроструктурой. Из-за неравномерного распределения топлива по объему камеры сгорания смесь испаренного топлива с воздухом достигает предела самовоспламенения в различных участках камеры сгорания не одновременно, поэтому самовозгорание происходит сначала в тех зонах, где эта граница достигнута. Благодаря этому в дизелях можно использовать качественное регулирование мощности, при котором для изменения мощности двигателя количество воздуха, поступающего в цилиндры, не регулируют, а только изменяют количество подаваемого топлива. Хотя при уменьшении мощности дизеля общий коэффициент избытка воздуха увеличивается и на холостом ходу достигает а = 5 ... 6, в отдельных зонах камеры сгорания создается состав смеси, необходимый для самовозгорания.

 

Весь процесс сгорания в дизелях можно условно разделить на четыре фазы, которые показаны на развернутой индикаторной диаграмме (рис. 4.26). На ней изображен изменения давления р и температуры Т в цилиндре дизеля, количества g ^ = gy топлива, подаваемого в цилиндр; скорости dgenp / d? = dgm / d?t его представление коэффициента активного тепловыделения х и скорости тепловыделения dx / dy в зависимости от угла поворота ф коленчатого вала.

 

Впрыска топлива начинается в точке 1. Угол © упр между началом впрыска топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыска.

 

Первая фаза (1)-период задержки самовоспламенения топлива. В этот период происходит впрыск, распыление, нагрева и испарения капель топлива и разворачиваются передполуменеви реакции. Выделение энергии в этот период незначительно, поэтому давление в цилиндре повышается только за счет сжатия, продолжается. Средняя температура в цилиндре может даже снизиться, так как доля теплоты идет на подогрев и испарение топлива. Продолжительность этого периода определяется по индикаторной диаграмме от начала впрыска топлива из форсунки до момента отклонения кривой давления при сгорании кривой давления при сжатии без впрыска топлива (точка 2). Период задержки самовоспламенения составляет 12 ... 25 ° п.к.в. (0,001 ... 0,0003 с).

 

Вторая фаза (II)-период быстрого горения. Она начинается с момента отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) и заканчивается при достижении максимального давления (точка 3). В обогащенных слоях смеси паров топлива с воздухом, окружающих ядра капель, происходит самовоспламенение и возникают очаги горения. От этих очагов фронт пламени распространяется в объеме между каплями, заполненного однородной смесью паров топлива с воздухом. Во фронтах пламени происходит интенсивное тепловыделение, давление во фронте пламени повышается и возникает ударная волна. Но эти ударные волны не переходят в детонационные, как в двигателях с искровым зажиганием, через неравномерную структуру смеси, состоящей из зон, уже зажглись, но имеют включения жидкого топлива, не успело випаритись, и участков с обедненной смесью. Поэтому в дизелях можно применять высокие степени сжатия.

 

Во второй фазе сгорает большая часть топлива вприснуте за время задержки самовоспламенения, а также часть топлива, которое продолжает вприскуватись во второй фазе. Впрыска топлива обычно заканчивается во второй фазе. Но в дизелях, которые имеют высокую частоту вращения, для повышения КПД вся доза топлива впрыскивается в первой фазе. Однако таким дизелям присуща высокая жесткость работы. Нормальная скорость повышения давления во второй фазе dp/d9 = 0,4 ... 0,5 МПа / ... ° п.к.в., а максимальная не должна быть выше 1,0 МПа / ... ° п. к.в. Средняя температура рабочего тела повышается до 1600 ... 1700К, а давление до 6 ... 8,5 МПа. При наддуве давление может превышать 10 МПа. Продолжительность второй фазы составляет 10 ... 20 ° п.к.в. (0,0008 ... 0,0015 с), в течение этого времени выделяется 30 ... 45% теплоты топлива.

 

Третья фаза (III)-сгорания при почти постоянном давлении, или такому, что несколько снижается. Начинается она от положения максимума давления (точка 3) и заканчивается в положении максимума температуры в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы несгоревшее в первых двух фазах топливо находится в виде капель и сгущений пары отделенных фронтом пламени от зон со свободным воздухом. Особенно неблагоприятные условия для капель топлива вприснуте в последнюю очередь и попало к зонам, где горение закончилось и весь кислород воздуха израсходован. Вследствие этого процесс в третьей фазе имеет характер диффузного горения на поверхности раздела двух сред. Капли топлива попали в нагретых зон без кислорода, подпадают под термическое разложение-крекинг-с образованием частиц углерода в виде сажи. В дальнейшем, попадая в зоны с кислородом, сажа выгорает. Но при недостатке воздуха сажа не успевает окислиться и выходит из цилиндра в виде дыма. Продолжительность третьей фазы при полной нагрузке составляет 15 ... 25 ° п.к.в. (0,001 ... 0,002 с). За это время выделяется еще 25 ... 30% теплоты и температура повышается до 1800 ... 2200К, достигая максимального значения. Однако вследствие увеличения объема рабочей полости в связи с перемещением поршня давление в третьей фазе обычно плавно снижается.

 

Четвертая фаза (IV-догоряння топлива и продуктов его окисления. Начинается при максимальной температуре (точка 4) и не имеет четкого момента завершения, который зависит от многих факторов. В этой фазе завершается окисления взвешенных частиц углерода, догорает пара топлива, которая не успела сгореть во второй и третьей фазах. Из-за нехватки кислорода догоряння углерода и топлива происходит очень медленно. Для обеспечения наиболее полного сгорания топлива в дизелях нужен значительный избыток воздуха, поэтому на номинальном режиме коэффициент избытка воздуха а = 1,2 ... 1,7 . результате рабочий объем цилиндра в дизелях используется хуже, чем в двигателях с искровым зажиганием.

 

Продолжительность четвертой фазы составляет 50 ... 65 ° п.к.в. (0,0035 ... 0,0055 с). За это время выделяется 15 ... 25% теплоты, введена с топливом. Эта фаза значительно влияет на экономичность работы двигателя.

 

В целом же за весь процесс сгорания тепловыделения с КПД достигает 90 ... 95%. Остальные 5 ... 10% не используется вследствие химической и физической неполноты сгорания.

 

При неблагоприятных условиях в отработавших газах дизеля содержатся сажа, оксид углерода и некоторое количество продуктов разложения жидкого топлива.

 

Из кривой dx / dy, показанная на рис. 4.26, видно, как изменяется скорость выделения теплоты в отдельных фазах сгорания. В первой фазе она имеет отрицательное значение, так как теплота расходуется на подогрев и испарение топлива впрыскивается из форсунки. Во второй фазе она сначала быстро возрастает, а затем уменьшается. В конце третьей фазы вновь наблюдается некоторое увеличение dx / jdy, вызванное усилением турбулизации газов в начале движения поршня от в.м.т. В четвертой фазе скорость тепловыделения непрерывно снижается.

 

Факторы, влияющие на процесс сгорания в дизелях

 

Период задержки самовоспламенения имеет значительное влияние на процесс сгорания в дизелях. От него зависит жесткость работы дизеля. Чем больше этот период, тем больше топлива накапливается в цилиндре перед самовоспламенением и тем более резко повышается давление во втором периоде. При значительных задержках самовоспламенения топливо-воздушная смесь становится более однородной. В таких условиях самовоспламенения может принять взрывной характер, аналогичный детонации в двигателях с искровым зажиганием. Это происходит, например, при работе дизеля на легковипарному бензине, который имеет низкое цетановое число и соответственно большой период задержки самовоспламенения. Надо стремиться, чтобы период задержки самовоспламенения был меньше. Это зависит от ряда эксплуатационных и конструкционных факторов.

 

Физико-химические свойства топлива. Основными требованиями к топливу для дизелей есть хорошее самовоспламенения и способность к качественному распиловки и сумме-шеутворення. Чем выше цетановое число топлива, тем меньше период задержки самовоспламенения.

 

Из физических свойств топлива на процесс сгорания влияют вязкость, поверхностное натяжение и випарнисть. Первые два фактора влияют на дробь-ность распыления, а третий-на скорость образования горючей смеси.

 

Давление и температура в конце сжатия. Повышение давления и особенно температуры в момент впрыска топлива в камеру сгорания способствует уменьшению периода задержки самовоспламенения. А на давление и температуру в цилиндре влияют давление и температура воздуха на впуске в дизель и его тепловое состояние. Поэтому повышение температуры и давления окружающего воздуха и поддержания нормального теплового состояния дизеля благоприятно действуют на протекание рабочего процесса и долговечность дизеля.

 

Частота вращения коленчатого вала. С ростом частоты вращения усиливается турбулентность свежего заряда, ускоряются теплообмен и испарение капель топлива, а также передполуменеви реакции. Повышается давление впрыска. Снижается коэффициент наполнения цилиндров воздухом, что приводит к некоторому обогащения рабочей смеси. Все это вместе способствует ускорению подготовки топлива к самовозгоранию, сокращению периода задержки самовоспламенения и всего процесса сгорания по времени. Однако угол поворота коленчатого вала за время сгорания все равно увеличивается. Поэтому, чтобы процесс сгорания проходил ближе к в.м.т. и тепловикористання был выше, необходимо по мере увеличения частоты вращения увеличивать угол опережения впрыска. Для этого на топливном насосе устанавливают специальную муфту опережения впрыска.

 

Завихрювання воздуха в камере сгорания. В дизеле сумишеутворення происходит почти одновременно с сгоранием, поэтому для эффективного сгорания необходимо создать достаточно интенсивное направленное завихрения воздуха, при котором будет обеспечено удовлетворительное сумишеутворення по всему объему камеры сгорания.

 

Степень сжатия. С повышением степени сжатия увеличиваются давление и температура воздуха до момента впрыска и период задержки самовоспламенения топлива сокращается. Но при этом значительно возрастает максимальное давление сгорания. С точки зрения наилучшего тепловикористання оптимальной является степень сжатия является = 13 ... 14. Однако для обеспечения надежности пуска и устойчивой работы при малых нагрузках и частотах вращения применяют является = 14 ... 17. А в некоторых двигателях степень сжатия повышают до является = 22 ... 26.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+