Вопрос 2. Сгорание в двигателях, работающих на дизельном топливе. Фазы процесса сгорания. Конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на процесс сгорания в дизелях.

Весь процесс сгорания в дизелях можно условно разделить на четыре фазы

Первая фаза - период задержки самовоспламенения топлива. В этот период происходит впрыск, распыление, нагрева и испарения капель. Выделение энергии в этот период незначительно, поэтому давление в цилиндре повышается только за счет сжатия. Средняя температура в цилиндре может даже снизиться, так как доля теплоты идет на подогрев и испарение топлива. Период задержки самовоспламенения составляет 12 ... 25 ° п.к.в. (0,001 ... 0,0003 с).Вторая фаза - период быстрого горения. 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 выпарится, и участков с обедненной смесью. Поэтому в дизелях можно применять высокие степени сжатия.

Во второй фазе сгорает большая часть топлива впрыснутое за время задержки самовоспламенения, а также часть топлива, которое продолжает впрыскиваться во второй фазе. Впрыск 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. 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 - сгорания при почти постоянном давлении, или такому, что несколько снижается. 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 впрыснутые 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 - догорания топлива и продуктов его окисления. В этой фазе завершается окисления взвешенных частиц углерода, догорает пара топлива, которая не успела сгореть во второй и третьей фазах. Из-за нехватки кислорода догорания 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 α = 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.

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 легковыпариваемом 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 распылению и смесеобразованию. Чем выше цетановое число топлива, тем меньше период задержки самовоспламенения.

Из физических свойств топлива на процесс сгорания влияют вязкость, поверхностное натяжение и выпариваемость. Первые два фактора влияют на дробность 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. Повышается давление впрыска. Снижается коэффициент наполнения цилиндров воздухом, что приводит к некоторому обогащению 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 теплоиспользования был выше, необходимо по мере увеличения частоты вращения увеличивать угол опережения впрыска. Для этого на топливном насосе устанавливают специальную муфту опережения впрыска.

Вихревые потоки воздуха в камере сгорания. В дизеле смесеобразование происходит почти одновременно с сгоранием, поэтому для эффективного сгорания необходимо создать достаточно интенсивное направленное завихрения воздуха, при котором будет обеспечено удовлетворительное смесеобразование 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 теплоиспользования оптимальной является степень сжатия = 13 ... 14. Однако для обеспечения надежности пуска и устойчивой работы при малых нагрузках и частотах вращения применяют = 14 ... 17. А в некоторых двигателях степень сжатия повышают до является = 22 ... 26.

Стандартный дизельный двигатель обычно имеет коэффициент полезного действия 30—40 %, а иногда и до 50 %, в то время как бензиновый двигатель представляется довольно неэффективным, так как способен преобразовывать только около 20—30 % энергии топлива в полезную.

Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нем низкосортные тяжелые масла. Кроме того, дизельный двигатель не может развивать высокие обороты, так как смесь не успевает догорать в цилиндрах, что приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л его объема, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Дизельный двигатель не имеет дроссельной заслонки, регулирование его работы осуществляется нормированием количества впрыскиваемого топлива. Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах.

Явными недостатками дизельных двигателей являются: необходимость использования стартера большой мощности; помутнение и застывание дизельного топлива при низких температурах; сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с особой точностью.