Дизельного двигателя
Специфической особенностью дизеля является то, что смесеобразование в нём происходит непосредственно в камере сгорания, а образовавшаяся рабочая смесь самовоспламеняется за счёт энергии адиабатически сжатого воздуха.
Условия испарения, смесеобразования и сгорания в дизеле существенно отличаются от условий протекания этих процессов в бензиновом двигателе.
Впрыск топлива производится в среду нагретого до 500…700 оС и сильно сжатого воздуха. Степень сжатия дизельных двигателя достигает 18 и более единиц. Для получения хорошего распыла и смесеобразования необходимо добиться среднего диаметра капель топлива 0,1–0,01 мм. Топливо в цилиндры подаётся под давлением 150–180 МПа. Для этого используется специальная аппаратура, включающая насосы и форсунки, где имеется ряд деталей прецизионного изготовления. Вследствие этого топливная система дизеля гораздо сложнее, чем у бензинового двигателя.
Кроме того, топливо выполняет ещё и роль смазочного материала деталей высокоточного изготовления в топливной аппаратуре.
Процесс смесеобразования включает:
– распыливание подаваемой в цилиндр порции топлива;
– распределение капелек топлива в камере сгорания;
– нагрев топлива до температуры испарения;
– испарение и диффузию паров топлива;
– нагрев паров до температуры самовоспламенения.
В быстроходных дизелях смесеобразование осуществляется в весьма короткие промежутки времени – за 0,003–0,006 с, а период задержки воспламенения, т. е. времени от начала подачи топлива в цилиндр до появления первых очагов пламени, – 0,0015–0,003 с.
К началу воспламенения процессы смесеобразования не успевают завершиться во всём объёме камеры и продолжают развиваться одновременно с процессом горения топливовоздушного заряда. При этом вследствие повышения температуры скорости процессов физико-химической подготовки ещё не участвующего в горении топлива значительно возрастают. Однако в дальнейшем условия воспламенения и сгорания топлива, особенно последние части впрыскиваемой порции, ухудшаются из-за недостаточного подвода кислорода в зону реакции и фракционирования при испарении капель топлива (в последнюю очередь испаряются и участвуют в горении высококипящие углеводороды с большой молекулярной массой). В этих условиях горение последних порций топлива замедляется, особенно при повышенных нагрузках, когда объём впрыскиваемой дозы увеличивается. Восстановившийся углерод не сгорает, и с отработанными газами выбрасывается в атмосферу, что является одной из причин дымления дизеля.
На рис. 3.1 показана индикаторная диаграмма рабочего процесса двигателя с воспламенением от сжатия, развёрнутая по углу поворота коленчатого вала.
Пунктиром показано изменение давления в камере сгорания неработающего двигателя. В непрерывном рабочем процессе можно условно выделить три стадии:
1. Процессы, протекающие в камере сгорания от момента начала впрыска (точка 1) до образования очага пламени, т. е. период задержки воспламенения(ПЗВ). С момента образования очага пламени начинается резкое повышение давления, и этот момент характеризуется на индикаторной диаграмме точкой отрыва линии давления работающего двигателя (точка 2) от линии сжатия.
Во время ПЗВ происходит распыливание, смешение и испарение топлива, а также его предпламенные превращения, заканчивающиеся в некоторых частях смеси образованием первичных очагов горения. К началу воспламенения достаточно глубокие химические процессы окисления успевают произойти в незначительной части топливного заряда.
2. Распространение турбулентного горения топливовоздушной смеси. Вторая стадия начинается с момента самовоспламенения (точка 2) и длится до точки 3. После образования первоначальных очагов воспламенения и начавшегося турбулентного горения возможно образование и новых очагов, от которых также распространяется фронт пламени по горючей смеси. Если предпламенная подготовка смеси в первой стадии развивается недостаточно быстро, то к моменту начала воспламенения в камере сгорания накапливается излишне большое количество гетерогенной топливовоздушной смеси и практически одновременно возникает большое количество начальных очагов воспламенения. В этих случаях зона реакции может распространяться за счёт самоумножения очагов воспламенения – последовательного самовоспламене-ния предварительно подготовленной горючей смеси. Такое горение обычно приводит к высокой скорости нарастания давления в камере сгорания и жёсткой работе двигателя.
3. Догорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Оно происходит в условиях высоких температур и уменьшенной концентрации кислорода при движении поршня к нижней мёртвой точке. В фазе догорания существенное влияние на скорость горения оказывает повышенная концентрация продуктов сгорания. От количества смеси, догорающей в третьей стадии, и условий догорания зависят полнота сгорания топлива и дымление двигателя.
Мягкая и жёсткая работа двигателя определяется скоростью нарастания давления в камере сгорания при повороте коленчатого вала (п.к.в.) на один градус. Определяющим фактором при этом является период задержки самовоспламенения топлива.
Средняя величина жёсткости работы (нормальная работа) современных дизелей находится в пределах 0,4–0,5 МПа/град. п. к. в. (зависимости от степени сжатия). При больших скоростях нарастания давления наблюдается жёсткая работа двигателя. При меньших – мягкая.
Период задержки воспламенения при прочих равных технических условиях зависит от строения и химической активности углеводородов, входящих в состав дизельного топлива.
Наибольшим ПЗВ обладают ароматические углеводороды, далее идут изоалканы, нафтены и непредельные углеводороды.
Наименьшим ПЗВ обладают алканы нормального строения. ПЗВ уменьшается для углеводородов одинакового строения по мере увеличения их молекулярной массы.
При больших ПЗВ к началу воспламенения в камере сгорания накапливается значительное количество смеси, подготовленной к сгоранию. В результате происходит воспламенение больших количеств горючей смеси и чрезмерно быстрое нарастание давления, что приводит к жёсткой работе дизелей.
При малых ПЗВ топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, начинает воспламеняться и сгорать не по всему объёму, а в непосредственной близости от форсунки. В результате следующие порции топлива будут поступать не в атмосферу почти чистого горячего воздуха, а в воздух, смешанный с продуктами сгорания этого такта работы двигателя. Это приводит к неполному сгоранию, дымлению и потере мощности двигателя из-за неравномерного смесеобразования в объёме камеры сгорания.
Самовоспламеняемость топлива количественно оценивается цетановым числом (ЦЧ), являющимся показателем самовоспламеняемости.
Цетановое число – процентное (по объёму) содержание цетана (гексадекана) в такой его смеси с альфаметилнафталином (С11Н10), которая по самовоспламеняемости при стандартных условиях испытания на специальном одноцилиндровом двигателе эквивалентна испытуемому топливу. Самовоспламеняемость цетана условно принята за 100 единиц, а альфаметилнафталина – за 0. Чем больше ЦЧ, тем лучше самовоспламе-няемость топлива и меньше его ПЗВ.
На ПЗВ и характер процесса сгорания топлива в дизельном двигателе существенное влияние оказывают конструктивные и эксплуатационные факторы. Действие этих факторов проявляется через изменение режима работы, который, в свою очередь, влияет на мощность, экономичность и надёжность работы дизеля.
Факторы, влияющие на ПЗВ:
– увеличение температуры воздуха в конце такта сжатия улучшает характеристики воспламенения, снижает ПЗВ;
– повышение давления также улучшает условия для самовоспламенения. Однако положительное влияние температур и давления будет сказываться только при условии соблюдения оптимальных параметров распыливания, распределения топлива в камере сгорания и турбулентности среды;
– коэффициент избытка воздуха (α) при работе дизеля колеблется в широких пределах, так как регулирование мощности дизеля осуществляют путём изменения подачи только топлива. Наддув воздуха вызывает повышение температуры и давления в конце такта сжатия, что приводит к сокращению ПЗВ и увеличению скорости сгорания топливовоздушной смеси;
– увеличение тонкости распыливания топлива увеличивает скорость испарения капель, однако при этом уменьшается расстояние разбрызгивания, в результате чего происходит неравномерное распределение топлива по объёму камеры сгорания. В результате местного переобогащения смеси процессы химического предпламенного преобразования смеси замедляются, что приводит к увеличению ПЗВ. Лучшим является неоднородное распыливание, при котором уже первые порции дозы топлива равномерно распределяются по объёму камеры сгорания из-за различия масс капель (различные диаметры отверстий распылителя). Такое распыливание увеличивает скорость сгорания и сокращает продолжительность фазы догорания;
– увеличение степени сжатия приводит к увеличению давления и температуры – уменьшению ПЗВ. К тому же слабее проявляется влияние химического состава топлива на ПЗВ;
– уменьшение угла опережения впрыска топлива сокращает ПЗВ, т. к. ближе к ВМТ, температура и давление в камере сгорания повышается. Но, при слишком малом угле опережения впрыска, основная масса дозы топлива будет догорать в такте расширения, что вызовет падение мощности и дымление двигателя из-за уменьшения скорости нарастания давления и увеличения продолжительности фазы догорания;
– с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя усиливается вихревое движение, повышаются температура и давление воздуха в камере сгорания. Это ведёт к сокращению ПЗВ и продолжительности горения, в результате чего основная часть топлива успевает сгореть до начала фазы догорания. Но, при чрезмерном росте частоты вращения коленчатого вала, повышение температуры и давления воздуха и соответствующее ускорение предпламенных процессов уже не успевают скомпенсировать сокращение времени эффективного горения, в результате чего часть топлива, догорающего в третьей стадии, растёт. В итоге – падение эффективной мощности двигателя и увеличение удельного расхода топлива.
Зависимость между ЦЧ и ПЗВ показана на рис. 3.2.
В свете вышеизложенного сформулируем требования к дизельным топливам:
– удовлетворительная вязкость в широком диапазоне температур, обеспечивающая бесперебойную подачу топлива в камеру сгорания;
– оптимальная воспламеняемость и испаряемость, необходимые для лёгкого пуска и плавной работы двигателя на различных эксплуатационных режимах;
– отсутствие отложений в системе питания и в камере сгорания при работе двигателя и хранении техники;
– устойчивость к окислению в условиях хранения и транспортирования;
– нейтральность к конструкционным материалам двигателя и средств хранения, заправки и транспортирования;
– токсичность и экологичность;
– широкая сырьевая база;
– технологичность производства;
– дешевизна.
