ТРП-19. Сгорание в дизелях. Отдельные периоды процесса сгорания.

 

Процесс сгорания в дизельных ДВС начинается с момента подачи топлива в цилиндр. Угол, выраженный в ГПКВ от момента подачи топлива до прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения впрыска топлива.

В дизелях жидкое топливо впрыскивается в камеру сгорания, наполненную воздухом. В конце процесса сжатия давление в цилиндре достигает 3-6 МПа (атмосферные двигатели) и 8 МПа — в двигателях с наддувом, температура достигает 1000 К. Если учесть, что время, отводимое на процесс сгорания мало, то в отличие от бензиновых ДВС, процесс смесеобразования по времени ничтожен (0,001 с). Топливо не успевает хорошо перемешиваться с воздухом и равномерно распределиться по КС, образуется неоднородная смесь воздуха и топлива. В следствии этого появляются зоны с очень бедной смесью (a — ∞) и зоны с очень богатой смесью (a — 0).

Процесс сгорания происходит в зонах с a=0,8-0,9, причём пламя распространяется как за счёт воспламенения в данных зонах, так и образования очагов в других зонах КС с a=1. Учитывая такое неравномерное распределение смеси дизельный двигатель всегда работает с коэффициентом избытка воздуха > 1 и на частичных режимах может достигать 6. Причём в зонах с таким a при высоких температурах происходит выделение из топлива твёрдого графита (сажи), двигатель дымит, что недопустимо и с экономической и экологической точек зрения.

При высокотемпературном сгорании следует различать два процесса: выделение мелкодисперсных частиц (партиклей) и процесс выделения сажи — дымления. Оба процесса нормируются ГОСТом и европейским экологическим стандартом.

Процесс сгорания завершается догоранием тяжелых фракций углеводородов топлива на линии расширения.

Весь процесс сгорания в дизеле можно разделить на четыре периода (фазы): 1. период задержки самовоспламенения; 2. период быстрого сгорания; 3. период медленного горения; 4. период догорания.

Первая фаза начинается с момента начала впрыска топлива в цилиндр (точка 1 ) и продолжается до момента начала резкого повышения давления (точка 2).В этот период осуществляются физико-химические процессы подготов­ки топлива к сгоранию. Продолжительность этого пе­риода оказывает большое влияние на все последующие фазы сгорания и должна быть по возможности меньшей (0,002...0,004 с или 15...25 град, п.к.в).

При большой продолжительности первой фазы в ка­мере сгорания скапливается много топлива, которое при дальнейшем сгорании чрезмерно резко повышает давле­ние, т. е. увеличивает жесткость работы дизеля. Продол­жительность периода задержки воспламенения зависит от физико-химических свойств топлива, температуры и давления сжатого воздуха, качества распыливания топ­лива, завихрения заряда в цилиндре и других факторов.

Вторая фаза (участок 2-3),характеризуется интен­сивным тепловыделением и резким повышением давле­ния вследствие сгорания ранее впрыснутого и подготов­ленного топлива, а также частичного сгорания вновь поступающих порций топлива. Скорость нарастания давления в период быстрого сгорания (а значит, жест­кость работы дизеля) характеризуется отношением DP/Da и не должна превышать 0,4...0,6 МПа/град. Жест­кая работа дизелей сопровождается стуком и недопустима в эксплуатации, так как вызывает быстрое изнашивание и поломки деталей кривошипно-шатунного механизма, хо­тя экономичность при этом несколько улучшается. Дли­тельность второй фазы зависит от продолжительности первой фазы сгорания, качества распределения топлива по объёму камеры и от закона подачи топлива в течение первой и второй фаз. Подача топлива может заканчиваться во втором, но чаще она продолжается и в треть­ем периоде.

Третья фаза, характерна незначительным измене­нием давления (участок 3-4). Замедленная скорость сгорания топлива, а следовательно, и уменьшенная ин­тенсивность тепловыделения в этой фазе обусловлены меньшей концентрацией кислорода и большим количе­ством продуктов сгорания в цилиндре. Температура га­зов в третьей фазе непрерывно повышается, а давление может и возрастать и понижаться. Максимальная тем­пература цикла при оптимальных условиях подачи топ­лива и протекания сгорания достигается при 20...30 град, п.к.в. после в.м.т. К этому моменту выделяется около 70...80% тепла. Продолжительность третьей фа­зы зависит от закона подачи топлива, степени за­вихрения заряда и величины коэффициента избыт­ка воздуха. Подача топлива обычно прекращается в конце III фазы, но догорание его продолжается и дальше в процессе расширения.

Четвертая фаза, называемая периодом до­ горания топлива, начинается с момента достижения максимальной температуры цикла (точка 4). Для быст­роходных дизелей этот период более продолжителен по углу поворота коленчатого вала и соответствует 50..60 град ПКВ., а для тихоходных он короче. Момент окончания периода догорания можно определить только из анализа тепловыделения в процессе расширения. Не­обходимо стремиться к уменьшению периода догорания, так как он вызывает повышение температуры отрабо­тавших газов в конце расширения и увеличение потерь тепла в охлаждающую среду, что ухудшает экономич­ность дизеля. Уменьшение периода догорания достига­ется путем активизации процесса сгорания созданием завихрения смеси в цилиндре, а также правильным под­бором характеристики подачи топлива. Можно считать, что нормальный процесс сгорания, при котором выделя­ется 95...97% тепла впрыснутого топлива, заканчивается при 70..80 град, п.к.в. после в.м.т.