Воспламенение и сгорание топлива

При термодинамическом рассмотрении идеальных циклов принимают, что процесс сгорания в дизелях протекает сперва при V = const, а затем при Р = const, т.е. по циклу со смешанным подводом тепла.

В реальных двигателях ощутимой границы между подводом тепла при V = constи Р = const нет.

Если в основу рассмотрения реального процесса сгорания положить изменение давлении и температур цикла по углу поворота коленчатого вала (Р = f(φ⁰) и Т= f(φ⁰), то весь процесс воспламенения и сгорания топлива можно условно разбить на четыре фазы.

ФАЗА I - охватывает период от начала подачи топлива в цилиндр (т.С^I) до начала резкого нарастания давления (т.С).

Первая фаза, следовательно, охватывает период задержки
воспламенения, в течение которого происходит физико-химические
процессы подготовки топлива к самовоспламенению - /период подготовки топлива от начала до появления пламени называется периодом задержки самовоспламенения и зависит от температуры и давления газов в цилиндре, сорта топлива, качества распыла, завихрения и перемешивания.

Продолжительность периода задержки воспламенения изменяется в градусах угла п.к.в. (φ °)или в секундах

;

и лежит в пределах 0,001 - 0,005 сек.

В период фазы I в цилиндр поступает 20-40% всего топлива, которое почти полностью испаряется и образует ряд очагов воспламенения.

Фаза I оказывает существенное влияние на развитие всего последующего процесса сгорания и должна занимать возможно короткий промежуток времени.

ФАЗА II - охватывает период от начала самовоспламенения отдельных очагов /т.С./ при положении к.в. у В.м.т. до момен­та наибольшего давления сгорания P_z (m. Z) и характеризуется воспламенением и сгоранием топлива с резким нарастанием давления, тепловыделением и скорости сгорания при продолжающейся подаче и увеличении концентрации топлива в смеси.

Основным критерием интенсивности процесса сгорания за вторую фазу принимают скорость нарастания давления.

;

т.е. отношение прироста давления к соответствующему приросту угла поворота коленчатого вала.

Скорость нарастания давления определяет плавность процесса сгорания. При малой скорости нарастания давления /ω = 2 ÷ 6 бар на 1° п.к.в./ двигатель работает мягко, без явно слышимых стуков. При большой скорости нарастания /8-10 бар на 1° п.к.в./ давления, двигатель, наоборот, работает жестко, со стуком. Жесткая работа двигателя сопровождается обычно высоким давлением сгорания P_z и стуками, в эксплуатации недопустима, т. к. ведет к повышенному нагружению деталей "движения", разрушению подшипников и другим вредным последствиям. Скорость нарастания давления зависит от периода задержки самовоспламенения топлива, качества распыла топлива, его сорта, вихреобразования. Рабочий процесс протекает наиболее экономично, если P_zmax достигается за в.м.т. /5 ÷ 10 п.к.в./.

ФАЗА III - является наиболее интенсивного горения во всем объеме камеры сгорания с наибольшим выделением тепла и охватывает период от момента достижения наибольшего давления P_z (m.Z) до момента достижения максимальной температуры цикла T_zmax (m.Z₁). За время третьей фазы обычно заканчивается подача топлива, полностью сгорает топливо, поступившее за вторую фазу, и частично поступившее за третью фазу. Благодаря высоким давлению и температуре, период задержки воспламенения топлива, поступившего в этой фазе, значительно сокращается.

ФАЗА IV - является периодом полного сгорания топлива, поданного в третьей фазе, и охватывает период от окончания наиболее интенсивного сгорания и max T (m.Z₁) до полного окончания горения /Т. /. В этот период поршень движется со все ускоряющейся скорость от в.м.т. Давление и температура падает, подачи топлива нет, скорость горения и выделения тепла уменьшаются.

Период догорания, продолжающийся 40-60° п. к. в. наблюдается у всех дизелей, причем у малооборотных двигателем он короче, а у быстроходных - длиннее.

Догорание на линии расширения вызывает повышение температуры отработавших газов и увеличение потерь топлива в охлаждающую воду. Для уменьшения потерь тепла за четвертую фазу необходимо активизировать процесс смесеобразования и сгорания путем распыла рабочей смеси.

Определенное влияние на процесс сгорания оказывает закон подачи топлива q_m = f(φ), выражающий зависимость количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, по углу поворота коленчатого вала, который непосредственно связан с изменением давления впрыскивания. По опытным данным видно, что при крутом кулаке за время φ₁; топлива будет подано больше, что приводит к возрастанию , но зато сокращается период догорания и расхода топлива. Наоборот, при пологом кулаке величина уменьшается, но зато увеличиваются догорание и расход топлива.

Момент подачи топлива Θ˚ п. к. в. оказывает значительное влияние на период задержки самовоспламенения и сгорания топлива. Как слишком ранний, так и слишком поздний впрыск топлива приводит к увеличению задержки самовоспламенения.

Для каждого двигателя опытным путем подбирается оптимальный угол впрыска топлива, причем стремятся обеспечить начало и плавный характер протекания кривой давления процесса, а также получить минимальные значения и не превзойти максимальное давление сгорания .

Параметры процесса сгорания

Таким образом основным процессом рабочего цикла дизеля является горение распыленного жидкого топлива, впрыскиваемого под большим давлением в цилиндр.

Расчет процесса горения ведется по основным элементам топлива, содержание которых в топливах различного происхождения изменяется по весу в следующих пределах: С ≈ 84 ÷ 88%; H ≈ 11 ÷ 14%; S ≈ 0,01 ÷ 5% и O ≈ 0,004 ÷ 3%.

Обычно для расчета принимают средний весовой состав топлива: С = 0,87; Н = 0,126; O = 0,004.

Процесс сгорания топлива состоит в окислении его составных частей с выделением тепла.

Теоретическое необходимое количество воздуха L₀ для полного сгорания 1 кг топлива

;

где – мольное содержание 0₂ в воздухе;

– число кг-молей О₂ содержащихся в самом топливе.

В дизелях полное сгорание топлива возможно только при избытке воздуха, вследствие трудности осуществления смеси механически распыленного жидкого топлива.

Коэффициентом избытка воздуха для сгорания α – называется отношение действительного количества молей воздуха L, находящегося в цилиндре, к теоретически необходимому L₀ для сгорания 1 кг топлива:

;

Действительное количество молей воздуха, необходимых для сгорания 1 кг топлива:

;

Согласно опытным данным, коэффициент избытка воздуха для сгорания на номинальном режиме для дизелей лежит в следующих пределах:

малооборотных…………………………………..1,8 - 2,2

средне- и многооборотных……………………...1,7 - 1,3

с наддувом………………………………………..1,7 - 2,2

Критерием оценки изменения числа молей газов в процессе химической реакции сгорания топлива является теоретический коэффициент молекулярного изменения β₀.

Количество молей продуктов сгорания 1 кг топлива

;

Расчетным (действительным) коэффициентом молекулярного изменения называется отношение:

;

В котором приняты во внимание, помимо свежего заряда и продуктов сгорания топлива, и остаточные газы γ_z; у дизелей β ≈ 1,03 ÷ 1,04

Степень повышения давления

;

Средняя изохорная мольная теплоемкость воздуха в конце сжатия

= 19,3 + 0,0025 Т_с кДж/к моль ˚Т;

Выразим среднюю мольную изохорную и изобарную теплоемкость продуктов сгорания при максимальной температуре сгорания:

Для остаточных: газов в конце сжатия средняя мольная изохорная теплоемкость выразится формулами:

;

Определяем максимальную температуру цикла по уточненному уравнению сгорания, если γ_г> 5%

;

где Q_н - 42,4 х 10³ кдж/кг ≤ /42,4 Мдж/кг/

Коэффициент использования тепла в точке Z – ξ_z лежит в пределах от 0,6 для многооборотных быстроходных до 0,86 малооборотных.

Если количество остаточных газов не превосходит 5%, т.е_. γ_г < 0,05 максимальная температура остаточных газов определяется уравнению сгорания в упрощенном виде:

;

После подстановки известных параметров, входящих в формулу, получаем квадратное уравнение относительно максимальной температуры Т_z.

 

Максимальная температура цикла T_z ˚K в современных дизелях:

малооборотных 1700 - 1900

средне и высокооборотных 1800 - 2000

с высоким поддувом 1900 - 2200

Давление Р_z бар:

малооборотных 50 - 70

средне и высокооборотных 60 - 120

с высоким поддувом 100 – 150