.

Процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля

Процессы самовоспламенения и сгорания менее всего изучены в дизелях. Первоначально предполагалось, что топливо горит в рабочем цилиндре в жидкой фазе. Однако последующие исследования показали, что самовоспламенению предшествует испарение топлива.

Наибольшее распространение сегодня получили цепочно-тепловые представления о природе физических явлений, протекающих при воспламенении топлива. Цепочно-тепловая теория горения разработана русскими исследователями во глазе с академиком Н. Н. Семеновым.

Общая схема физических явлений при сгорании топлива

Физико-химические процессы самовоспламенения могут быть представлены следующим образом. После впрыска топлива, прогрева капель, их испарения в цилиндре происходит большое количество столкновений молекул паров топлива и кислорода воздуха. Однако к химическому взаимодействию и экзотермической реакции приводит лишь небольшое число столкновений «активных» молекул, у которых энергия выше средней. Этот избыток энергии назван “энергией активации”.

Камера сгорания ДВС
Камера сгорания дизельного двигателя

В результате химического взаимодействия активных молекул образуются промежуточные соединения — первичные продукты окисления (перекиси), свободные атомы кислорода, водорода и радикалы. Если образовавшиеся новые активные молекулы взаимодействуют далее, то начинается цепная реакция. Возникает “холодное пламя” — результат низкотемпературного окисления.

Поскольку цепная реакция идет с разветвлением цепей, то выделяющееся тепло наряду с увеличением температуры от сжатия воздушного заряда приводит к тому, что количество подводимого тепла превосходит отводимое тепло через стенки цилиндра в окружающую среду.

Начинается прогрессирующий саморазогрев в результате ускорения экзотермической реакции. Наконец, температура топлива и воздуха достигает такой величины, когда саморазогрев возможен уже не от разветвления цепей, а от самой температуры. Происходит тепловой взрыв (или самовоспламенение) в одной или нескольких точках камеры сгорания. От образовавшихся очагов пламени фронт сгорания распространяется с большой скоростью (10-25 м/сек) на весь объем горючей смеси. Дальнейшее воспламенение новых порций топлива, подаваемого в цилиндр, осуществляется от имеющегося открытого очага пламени.

Характеристика процесса сгорания по индикаторной диаграмме

Если замерить изменение давления в цилиндре дизеля по времени (или углу поворота коленчатого вала), то можно получить так называемую “развернутую индикаторную диаграмму”. На рис. 1 дан примерный вид такой диаграммы с нанесенными характерными точками:

  • d — момент начала подачи топлива (φнп – угол опережения подачи топлива);
  • y — начало воспламенения топлива;
  • z1 — конец резкого нарастания давления в цилиндре (достижение максимального давления Pz);
  • z — конец подачи топлива;
  • z′ — условная точка конца догорания.
  • b – начало газовыхлопа
Индикаторная диаграмма
Рис. 1 Развернутая индикаторная диаграмма

В соответствии с характерными точками, процесс воспламенения и сгорания топлива можно условно разбить на 4 фазы:

I фаза — от начала впрыска до начала воспламенения топлива — носит название “период задержки самовоспламенения”:

τi = φτi/6n          Форм. 1

где:

  • τi — время задержки самовоспламенения в сек;
  • φτi — соответствующий угол поворота коленчатого вала в град.;
  • n — частота вращения, об/мин.

Эта фаза определяется необходимостью физико-химической подготовки топлива к воспламенению и сгоранию (прогрев, испарение, предпламенные реакции). Она оказывает значительное влияние на развитие всего последующего процесса сгорания. Фаза должна быть возможно меньшей. Обычно τi лежит в пределах: τi = 1-5 мсек (большие значения — в малооборотных дизелях) или по углу поворота коленчатого вала φτi = 3-50° пкв (большие значения — в высокооборотных двигателях).

II фаза — от начала сгорания (точка y) до достижения давления Pz (т. z1) — называется периодом резкого нарастания давления в цилиндре. Практически все топливо, поступившее в цилиндр до точки z1, вовлекается в горение. В качестве критерия, оценивающего интенсивность горения за фазу, принимается скорость нарастания давления W (или “жесткость индикаторного процесса”):

W = (dP)/(dφ)

Величина средней скорости нарастания давления обычно принимается равной:

Wcp  P/φ  (PzPc)/(φz1φy).           Форм. 2

Этот параметр характеризует плавность (мягкость) индикаторного процесса. При больших значениях W двигатель работает со стуками, жестко, снижается надежность работы подшипников. Такая работа недопустима. Обычно W = 1-6 бар/° пкв.

III фаза — кривая z1z — сгорание при примерно постоянном давлении. В районе точки z обычно заканчивается подача топлива, а температура в цилиндре достигает максимального значения. Задержка воспламенения топлива, подаваемого в этот период, минимальна (так как высоки давление и температура в цилиндре), однако к концу фазы сгорание может замедлиться — уменьшается количество кислорода. Давление сгорания за III фазу чаще всего незначительно увеличивается, но может и уменьшиться — все зависит от работы топливной аппаратуры и от относительного положения точки z и ВМТ. Чем дальше точка z от ВМТ, тем меньше давление в этой точке при той же цикловой подаче топлива. В качестве параметров, оценивающих III фазу горения, могут быть приняты максимальное давление Pz и угол поворота коленчатого вала φpz, при котором это давление достигается. Угол φpz косвенно характеризует экономичность рабочего процесса — чем ближе сгорание к ВМТ (меньше φpz) — тем меньше догорание, более эффективно используется энергия газов в цилиндре. II-я и III-я фазы носят название “видимого процесса сгорания”.

IV-я фаза — кривая zz′ — носит название “догорание топлива” и наблюдается в большей или меньшей степени у всех дизелей. У малооборотных дизелей эта фаза меньше; у высокооборотных двигателей на номинальной нагрузке эта фаза может наблюдаться на всем ходе расширения. На долевых нагрузках догорание сокращается. Догорание на линии расширения увеличивает температуру газа в точке b цикла и температуру отработавших газов, повышает потери тепла в охлаждающую воду. Все это понижает термический КПД цикла.

Приведенный выше анализ с делением процесса сгорания на фазы является в какой-то степени условным. Однако он нагляден, часто используется при экспериментальных исследованиях ДВС и при анализе работы двигателя в эксплуатационных условиях.

Факторы, влияющие на фазы процесса сгорания

Факторы, влияющие на все фазы процесса сгорания, и в первую очередь на период задержки самовоспламенения τi можно подразделить на физико-химические, конструктивные и эксплуатационные.

К физико-химическим факторам можно отнести физические свойства и химический состав топлива, давление и температуру заряда воздуха, концентрацию кислорода и остаточных газов в камере сгорания, наличие в топливе катализаторов в виде присадок, улучшающих горение. Физико-химические свойства топлива находят свое выражение в цетановом числе. Чем больше цетановое число, выше концентрация кислорода и меньше содержание отработавших газов, тем меньше период задержки самовоспламенения. При наличии катализаторов, стимулирующих горение, а также с ростом давления и температуры в камере сгорания τi также уменьшается, что делает процесс сгорания “мягче”, параметр ΔP/Δφ и максимальное давление Pz уменьшаются.

К числу основных конструктивных факторов, влияющих на процесс воспламенения и сгорания, можно отнести степень сжатия ε, конструкцию камеры сгорания, конструкцию топливной аппаратуры, материал поршня и характер его охлаждения.

Увеличение ε повышает давление Pc и температуру Tc в конце сжатия, что уменьшает τi. Однако, как об этом говорилось ранее, с увеличением Pc растет и Pz, что повышает механическую напряженностьИзменение механической напряженности деталей двигателя.

Конструкция камеры сгорания и топливной аппаратуры, определяющая качество смесеобразования — тонкость и однородность распыливания топлива, его испарение, однородность перемешивания частиц топлива и воздуха по всему объему камеры сгорания, — определяют интенсивность подвода тепла к топливу и период задержки самовоспламенения τi. Любое улучшение качества смесеобразования приводит к уменьшению τi снижению Pz, ΔP/Δφ и сокращению IV-й фазы (догорания).

В том же направлении влияет наличие неохлаждаемых поршней и накладок на поршни. У чугунных поршней коэффициент теплопроводности меньше, чем у алюминиевых; поэтому выше температура их поверхности. В 2-тактных дизелях и в форсированных 4-тактных приходится, однако, заботиться не о повышении температуры поршня, а о ее понижении. Поршни обычно охлаждаются маслом или водой, что увеличивает период τi.

Конструкция элементов топливной аппаратуры определяет не только качество смесеобразования и через смесеобразование — качество сгорания. Большое влияние на фазы процесса сгорания оказывает закон впрыска топлива — весовое или объемное распределение подаваемого в цилиндр топлива по времени (или углу поворота коленчатого вала q(φ) см. рис. 2). При прочих равных условиях закон впрыска определяется скоростью впрыскиваемого топлива.

График впрыска топлива в цилиндре ДВС
Рис. 2 Связь закона впрыска топлива q(φ) с характером изменения давления в цилиндре P(φ)

Обычно стремятся осуществить впрыск с возрастающей скоростью (кривая на рис. 1) с тем, чтобы уменьшить динамические показатели цикла Pz и ΔP/Δφ, а также более рационально использовать воздушный заряд, находящийся в дальних “углах” камеры сгорания (последние порции топлива, имеющие максимальную скорость, проникают в самые отдаленные углы). Динамические показатели цикла 1 (Pz, ΔP/Δφ)будут меньше по сравнению с циклом 2, поскольку меньшее количество топлива будет подано за время τi.

К числу эксплуатационных факторов можно отнести угол опережения подачи топлива φнп, продолжительность впрыска φп, текущее техническое состояние топливной аппаратуры, органов воздухоснабжения и газовоздушного тракта.

Угол опережения подачи топлива φнп является наиболее гибким фактором, позволяющим в условиях эксплуатации влиять на характер процесса сгорания. Слишком раннее опережение подачи, когда впрыск осуществляется при низкой температуре сжимаемого в цилиндре заряда, увеличивает τi, что повышает Pz, ΔP/Δφ (см. рис. 3, кривая 1). Слишком поздняя подача (кривая 3) приводит к переносу процесса сгорания на линию догорания, повышению давления и температуры отработавших газов (т. b), что увеличивает температуру цилиндропоршневой группы и снижает термический КПД.

Изменение развернутой диаграммы подачи топлива
Рис. 3 Характер изменения развернутой индикаторной диаграммы при изменении угла опережения подачи топлива

Увеличение продолжительности впрыска топлива φп„ в условиях эксплуатации является средством повышения мощности дизеля. Если опережение подачи неизменно, то при увеличении φп, относительная длительность III-ей и IV-ой фаз процесса сгорания увеличивается, возрастает температура отработавших газов, повышается температура стенок цилиндра. При этом термический КПД может повысится, если относительное приращение полезной мощности больше относительного приращения тепла, переданного холодному источнику (уносимого с отработавшими газами).

Любое ухудшение технического состояния топливной аппаратуры, органов воздухоснабжения и газовоздушного тракта — засорение сопловых отверстий или загорание распылителя, зависание иглы форсунки, разработка сопловых отверстий, повышение гидравлического сопротивления газовоздушного тракта, снижение КПД и мощности турбокомпрессораВлияние эксплуатационных факторов на работу турбокомпрессора и двигателя — приводит в конечном итоге к ухудшению процесса сгорания, переносу сгорания на линию догорания, снижению термического КПД и перегреву цилиндропоршневой группы.

Критерии оценки характера сгорания

Для анализа процесса сгорания используются 2 величины: критерий управляемости процесса сгорания А. Д. Чаромского и фактор динамичности цикла А. И. Толстова.

Критерий Чаромского равен:

Ч = 1φi/φп          Форм. 3

где:

  • φi — угол задержки самовоспламенения, °пкв;
  • φп — угол впрыска топлива, °пкв.

При φi > φп, Ч < 0, процесс сгорания полностью не управляем. Такое положение может наблюдаться при работе на малых нагрузках, когда цикл дизеля приближается к циклу быстрого сгорания. Обычно величина критерия управляемости находится в пределах: Ч = 0,15—0,85.

Сгорание топлива в ДВС
Сгорание топлива дизельного двигателя
Источник: Pixabay.com

Фактор динамичности Толстова определяется отношением:

δ = qτi/qц          Форм. 4

  • qτi — количество топлива, подаваемого в цилиндр за период задержки самовоспламенения;
  • qц — цикловая подача (общее количество топлива, поданное в цилиндр за один цикл).

Величина δ зависит от закона впрыска топлива и характеризует динамические показатели цикла. При неизменном значении критерия управляемости Чаромского изменение закона подачи топлива в сторону повышения δ (с 0,21 до 0,525) привело к увеличению ΔP/Δφ в 2,7 раза, λ = Pz/Pc — на 25 %.

Снижение фактора динамичности может быть обеспечено соответствующей конструкцией топливной аппаратуры. Для уменьшения дозы qτi используется так называемый “двух-фазный” впрыск за счет применения 2 топливных насосов высокого давления или переменной скорости движения плунжера. Однако в большинстве случаев используются топливные насосы с равномерным ускорением плунжера на начальной фазе впрыска — так или иначе период задержки самовоспламенения совпадает с начальным периодом впрыска, приходящегося на “разгон” плунжера, за счет чего снижается доля qτi.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Март, 02, 2015 3241 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...