Процесс сгорания топлива в дизелях

Процессы смесеобразования и сгорания в дизелях идут параллельно и включают в себя впрыскивание и распыление топлива, развитие топливного факела, прогрев, испарение топливных паров, смешение их с воздухом и непосредственно сгорание.

Процесс сгорания в дизеле можно условно разделить на четыре фазы (рис 1.5 б и рис 1.7.).

Первая фаза – период задержки самовоспламенения – начинается с момента начала впрыскивания топлива и заканчивается в момент, когда давление в цилиндре (в результате выделения теплоты) становится выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива (точка с). Длительность фазы определяется как интервал времени τ_i или угол поворота коленчатого вала φ_i.

Фаза включает процессы распада струй на капли, продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного их испарения и смешивания с воздухом, а также время саморазгона химических реакций. Неоднородность смеси по объему камеры сгорания положительно влияет на развитие воспламенения, так как в некоторых периферийных зонах камеры сгорания существуют благоприятные условия для воспламенения даже очень бедной смеси (ά=6). Если основная часть впрыснутого топлива успевает испариться и смешаться с воздухом, то в цилиндре возникают высокие давления, что приводит к высоким динамическим нагрузкам на детали двигателя и росту его шумности, т.е. дизель работает «жестко».

На длительность (τ_i) этой фазы влияют следующие факторы:

при увеличении цетановое число топлива воспламеняемость топлива улучшается ЦЧ, а следовательно, τ_i уменьшается;

увеличение давления и температуры заряда в начале впрыскивания топлива сокращает τ_i;

применение наддува уменьшает τ_i;

в процессе эксплуатации из-за износа деталей цилиндро-поршневой группы увеличиваются утечки заряда, что ведет снижению температуры и давления в конце такта сжатия, а следовательно, к увеличению τ_i;

тип камеры сгорания (оказывает влияние на τ_i из-за различий в распределении топлива по объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания);

увеличение интенсивности направленного движения заряда несколько сокращает длительность задержки самовоспламенения (τ_i);

интенсификация характеристик впрыскивания и распыления способствует небольшому сокращению τ_i;

уменьшение нагрузки на двигатель (если начало подачи в зависимости от нагрузки не изменяется) приводит к незначительному удлинению τ_i;

увеличение частоты вращения коленчатого вала способствует лучшему распыливанию топлива, повышению давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива, что сокращает τ_i (но продолжительность периода φ_i.в градусах угла поворота коленчатого вала несколько возрастает).

Вторая фаза – фаза быстрого сгорания – начинается с момента отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка с) и завершается при достижении максимума давления (точка z). В этой фазе вначале сгорает часть смеси, подготовленной к воспламенению за предыдущую фазу (τ_i), а затем процесс сгорания определяется смешением воздуха и топлива, подаваемого в данной фазе.

Развитие и длительность второй фазы сгорания определяют следующие факторы:

количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за первую фазу и подаваемого в течение второй фазы сгорания (с увеличением мелкости распыления первых порций впрыскиваемого топлива растут скорости тепловыделения и нарастания давления);

скорость движения заряда интенсифицирует тепловыделение в фазе быстрого сгорания; однако при сильной турбулизации количество выделяемой теплоты уменьшается;

тип камеры сгорания определяет количество топлива, попадающее в пристеночную зону, и чем оно больше, тем меньше скорости тепловыделения выделения и нарастания давления;

увеличение нагрузки, т.е. количества впрыскиваемой порции топлива, и длительности подачи приводит к большей продолжительности второй фазы сгорания;

повышение частоты вращения коленчатого вала приводит к улучшению распыливания топлива, уменьшению продолжительности впрыскивания по времени, увеличению интенсивности движения заряда повышению температуры и давления и ускорению химических реакций. При сокращении продолжительности второй фазы по времени (τ₁), её продолжительность в градусах угла поворота коленчатого вала почти не изменяется.

Третья фаза – фаза быстрого диффузионного сгорания – начинается в момент достижения максимума давления (точка z) и завершается в момент достижения максимума температуры (точка О). В этот период происходит быстрое смешивание воздуха с топливом, подаваемым в пламя, а также интенсивное тепловыделение. В зонах с повышенным содержанием топлива происходит активное образование сажи.

На протекание и продолжительность третьей фазы сгорания влияют следующие факторы:

количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания и качество распыливания;

увеличение скорости движения воздушного заряда до определенного оптимального значения улучшает тепловыделение в третьей фазе. Дальнейшее ее увеличение создает «перезавихрение» заряда, тепловыделение снижается, что связано с ухудшением распределения топлива в объеме заряда. При этом происходит перенос продуктов сгорания из зоны одного факела в зону другого. Это увеличивает неполноту сгорания и приводит к дымлению дизеля;

повышение нагрузки и наддув увеличивают тепловыделение и его скорость, а также длительность третьей фазы;

увеличение частоты вращения интенсифицирует подачу и распыливание топлива благодаря повышению скорости движения заряда, при этом продолжительность третьей фазы по времени сокращается.

Четвертая фаза – догорание – начинается с момента достижения максимальной температуры цикла (т.е. практически после окончания впрыскивания), и завершается по окончании тепловыделения. В ней происходит диффузионное сгорание при малых скоростях смешивания воздуха и паров топлива.

На развитие четвертой фазы сгорания влияют следующие факторы:

турбулентные пульсации заряда интенсифицируют процесс догорания;

качество распыливания порций топлива, подаваемых в конце впрыскивания. Чем больше диаметр капель, тем дольше продолжается догорание и интенсивнее сажеобразование. Медленное завершение впрыскивания и подвпрыскивание вызывают затягивание процесса сгорания и образование сажи, снижает надежность работы дизеля, увеличивает закоксовывание распыляющих отверстий и отложения на деталях;

попадание топлива на холодные поверхности цилиндра затягивает догорание топлива и вызывает перегрев дизеля;

наддув обычно несколько затягивает процесс догорания топлива из-за роста продолжительности впрыскивания и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.

Значения параметров процесса сгорания (температуры Т_z и давления р_z) для различных типов двигателей приведены в таблице 1.1.

Тип двигателя	Рz, МПа	Тz, К
Дизель с неразделенными камерами сгорания	7,5…15*	1800…2200
Дизель с пристеночным смесеобразованием	6,5…8	1750…2100
Дизель с разделенными камерами сгорания	6…7,5	1700…2000
Двигатель с искровым зажиганием	3…5,5	2500…2850

*Для дизелей с наддувом

Процесс расширения

Процесс расширения происходит при рабочем ходе поршня, в котором совершается положительная работа. При расширении изменяются давление, объем и площадь поверхности надпоршневого пространства. Процесс сопровождается также потерями небольшого количества рабочего тела через поршневые кольца.

В процессе расширения после прохождения поршнем ВМТ продолжается сгорание топливовоздушной смеси и, несмотря на увеличение объема, повышается давление. Выделяющаяся при этом теплота расходуется в основном на повышение внутренней энергии рабочего тела (газа), частично отводится через поверхности камеры сгорания в систему охлаждения, а также используется на положительную работу. В дизелях увеличение давления продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием.

При дальнейшем перемещении поршня в сторону НМТ нарастание давления замедляется, оно достигает максимального значения, а затем резко снижается. Максимальное значение температуры (Т_z) в цилиндре достигается позже максимума давления (р_z). Значения параметров процесса расширения (табл. 1.2) зависят от типа двигателя, его конструктивных особенностей и режима работы.

Таблица 1.2

Значение параметров процесса расширения

Тип двигателя	рв, МПа	Тв, К
Двигатель с искровым зажиганием	0,35…0,5	1200…1500
Дизель	0,2…0,4	1000…1200

С увеличением частоты вращения уменьшается время теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра. При прогреве двигателя расширение сопровождается большими потерями теплоты в стенки камеры сгорания и цилиндров. При использовании керамических материалов с низкими коэффициентами теплопроводности для деталей, формирующих надпоршневое пространство, тепловые потери в систему охлаждения снижаются.

Изменение давления в процессе расширения показано на индикаторной диаграмме линией z'b (рис. 1.4. в)

Процесс выпуска

Процесс выпуска отработавших газов предназначен для очистки цилиндра двигателя от продуктов сгорания. Лучшая очистка цилиндра от отработавших газов обеспечивает поступление в цилиндр большей порции горючей смеси или воздуха.

С целью уменьшения работы, затрачиваемой на процесс выталкивания газов из цилиндра, и сокращения периода, в течение которого стенки цилиндра находятся под воздействием газов с высокой температурой, выпускной клапан открывается со значительным опережением (до прихода поршня в ВМТ). Отработавшие газы вследствие перепада давлений в цилиндре и выпускном трубопроводе с большой скоростью выходят из цилиндра. Дальнейшее удаление отработавших газов из цилиндра происходит за счет выталкивания их поршнем.

В конце выпуска после прохождения поршнем ВМТ газы продолжают выходить из цилиндра по инерции, несмотря на падение давления внутри цилиндра ниже атмосферного. Это способствует лучшей очистке цилиндра и увеличению коэффициента наполнения. Ввиду трудности расчета давления газов в выпускном трубопроводе его обычно принимают постоянным, равным среднему за весь процесс.

Величина давления выпуска зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, фаз газораспределения и других факторов. Изменение давления выпуска показано на индикаторной диаграмме линией br (рис. 1.4. г)

Температура отработавших газов зависит от частоты вращения коленчатого вала, состава смеси, скорости распространения фронта пламени, момента зажигания или впрыска и других факторов.

Испытание двигателей

Испытания, которым подвергаются автомобильные двигатели, в зависимости от их целей и назначения подразделяют на исследовательские, контрольные и приемные. Исследовательские испытания проводят в процессе создания и усовершенствования вновь проектируемых двигателей. Контрольные испытания проводят с целью проверки качества изготовления или ремонта двигателя. Приемные испытания опытных образцов двигателей необходимы для решения вопроса об их производстве.

Двигатели испытывают на специальных стендах, имеющих следующее оборудование:

фундамент для поглощения вибраций и плиту для установки двигателя и тормоза;

тормоз с устройством замера крутящего момента;

приборы для определения частоты вращения коленчатого вала двигателя;

устройства и коммуникации для подачи в двигатель охлаждающей жидкости, масла, топлива, воздуха, а также приборы для измерения их количества;

дополнительные устройства и приборы, предназначенные для специальных исследований с целью определения отдельных параметров двигателей (дымности, токсичности, шумности, тепловой напряженности, износа отдельных деталей и т.п.).

Все показания измеряют и регистрируют в специальных протоколах. По данным измерений, записанных в протоколе, можно определить показатели двигателя и графически изобразить соответствующие характеристики.

Для создания нагрузки на двигатель при испытаниях применяют специальные тормоза различных конструкций. Наиболее распространенными являются гидравлические и электрические тормоза.

Гидравлический тормоз (рис. 1.10 а) представляет собой заполненный водой корпус 6, в котором на подшипниках 8 вращается вал 3 с закрепленным на нем ротором 7. Для увеличения поверхности трения ротор изготовляют гофрированным или перфорированным (со множеством отверстий).

Корпус тормоза установлен в шарикоподшипниках и может свободно поворачиваться. В верхней части корпуса имеются подводящий трубопровод 4 и вентиль 5, который регулирует количество воды, поступающей в корпус 6. При вращении ротора коленчатым валом двигателя вода под действием центробежных сил располагается в виде кольца, толщину которого можно регулировать положением сливных патрубков 2, поворачиваемых червячным колесом 1. Избыток воды сливается по трубопроводу 9.

Торможение испытываемого двигателя происходит за счет трения между поверхностью ротора и водой, заполняющей корпус тормоза. Реактивный момент, воспринимаемый корпусом тормоза, может быть изменен с помощью силоизмерительного устройства, соединенного с корпусом посредством рычага.

Электрический тормоз (рис. 1.10 б) представляет собой машину постоянного тока с независимым возбуждением. Отличие электрического тормоза от обычной машины постоянного тока заключается в том, что у тормоза статор 11 установлен в шарикоподшипниках 10 и 14, закрепленных в стойках 15 станины 16 и может поворачиваться вокруг своей оси. Коленчатый вал двигателя через упругую муфту соединяется с валом якоря тормоза. Торможение осуществляется вследствие взаимодействия магнитных полей якоря 12 и статора 11. Частота вращения и нагрузка на двигатель регулируются изменением силы тока в обмотках возбуждения 13 тормоза, питаемого от независимого источника постоянного тока.

Реактивный крутящий момент замеряют так же, как и при использовании гидравлического тормоза, с помощью рычага, укрепленного на статоре тормоза и соединенного с силоизмерительным устройством.

Приборы для измерения частоты вращения коленчатого вала подразделяются на приборы кратковременного действия (приставные тахометры) и длительного действия – дистанционные электрические тахометры, состоящие из датчика и приемника.

Установка для измерения расхода топлива представляет собой резервуар, установленный на весах определенной точности, из которого топливо поступает в двигатель. Для измерения расхода топлива применяют расходомеры. Продолжительность опыта измеряют секундомером с точностью до 0,2 с. Для измерения температуры окружающего воздуха, масла в картере, жидкости в системе охлаждения, горючей смеси во впускном коллекторе применяют различные термометры (ртутные, спиртовые, специальные дистанционные). Высокие температуры (например, отработавших газов) измеряют при помощи термопар.

Для определения дымности отработавших газов применяют дымомеры, измеряющие оптическую плотность отработавших газов методом просвечивания, и сажемеры, измеряющие концентрацию сажи методом фильтрования. Для определения токсичности отработавших газов применяют газоанализаторы.

Для получения индикаторных диаграмм при испытаниях двигателей применяют специальные приборы, называемые индикаторами, с помощью которых записывают изменения давления по углу поворота коленчатого вала (координаты р – ά ) или по ходу поршня (координаты р – V). По индикаторной диаграмме, снятой в координатах р – ά, можно определить величину максимального давления цикла p_z, угол опережения зажигания и другие параметры, характеризующие протекание рабочего цикла. Для определения среднего индикаторного давления, индикаторной мощности и КПД необходимо полученную индикаторную диаграмму перестроить в системе координат р – V.

В настоящее время для измерения параметров работы испытываемых двигателей используются различные электронные датчики (иногда даже входящие в конструкцию двигателя). А для обработки результатов испытаний широко применяют компьютерную технику. Компьютер сразу обрабатывает полученную от датчиков информацию и выдает требуемые результаты в виде значений параметров и диаграмм.