Фазы процесса сгорания в двигателях с самовоспламенения и факторы его определяющие.

В дизелях жидкое топливо впрыски­вается в камеру сгорания, наполненную воздухом, сжатым и нагретым до вы­соких температуры и давления. В этих условиях частицы топлива быстро окру­жаются оболочкой своих паров, которые после некоторого подготовительного периода воспламеняются и поджигают остальную часть топлива.

Поскольку время смесеобразования в дизелях крайне ограничено, топливо не успевает хорошо перемешаться с воз­духом и равномерно распределиться по камере сгорания. Это существенно вли­яет на протекание процесса сгорания.

Весь процесс сгорания в дизеле мож­но условно разделить на четыре фазы (периода).

Первая фаза (I) называется пе­риодом задержки воспламенения. Она продолжается с момента начала впрыска топлива в цилиндр (точка 2) до начала резкого повышения давления (точка 3). В этот период осуществля­ются физико-химические процессы под­готовки топлива к сгоранию. Продол­жительность этого периода сильно влия­ет на все последующие фазы сгорания и должна быть по возможности мень­шей (обычно длительность первой фазы составляет 2-4 с или 15-25° п. к. в.). При большой продолжи­тельности первой фазы в камере сго­рания скапливается много топлива, ко­торое при дальнейшем сгорании 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, степени завихрения заряда в цилиндре и других факторов.

Вторая фаза (II), называемая периодом быстрого сгорания (участок 3-4), 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, и жесткость работы дизеля) характеризуется отно­шением 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, равно­мерности распределения топлива по объему 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 (III), называемая периодом медленного сгорания, харак­теризуется незначительным изменением давления (участок 4-5). 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 протекании сгорания достигается при 20-30° п. к. в. после в. м.т. К этому моменту выделяется около 70-80 % теплоты сгорания топ­лива. Продолжительность третьей фазы зависит от закона подачи топлива, сте­пени завихрения заряда и коэффициен­та избытка воздуха. Подача топлива обычно прекращается в конце третьей фазы, но догорание его продолжается и дальше в процессе расширения.

Четвертая фаза (IV), называе­мая периодом догорания топлива, на­чинается с момента достижения мак­симальной температуры цикла (точ­ка 5). В быстроходных дизелях этот период соответствует 50-60° п. к. в. Момент окончания периода догорания можно определить, только анализируя тепловыделение при расширении. Необ­ходимо стремиться к уменьшению пе­риода догорания, так как при этом сни­жаются температура отработавших га­зов в конце процесса расширения и потери тепла на выпуске, что улучшает экономичность дизеля. Чтобы умень­шить период догорания, активизируют процесс сгорания созданием завихрения смеси в цилиндре, а также правиль­ным подбором характеристики подачи топлива. Можно считать, что нормаль­ный процесс сгорания, при котором вы­деляется 95-97 % теплоты впрыснутого топлива, заканчивается при 70-80° п. к. в. после в. м. т.

Рис.24.Развернутая диаграмма процесса сгорания в дизеле.

 

Процесс сгорания в дизелях выгодно отличается от процесса сгорания в кар­бюраторных двигателях прежде всего тем, что в связи с подачей топлива в цилиндр лишь в самом конце такта сжатия исключается возможность возникновения детонации. Поэтому в дизе­ле можно применить высокую степень сжатия, что позволяет получить боль­ший термический к. п. д. дизельного цик­ла и повысить экономичность его рабо­ты. Другое важное преимущество ди­зеля - возможность регулирования развиваемой мощности только за счет изменения количества топлива, впры­скиваемого в цилиндр за цикл, при том же количестве воздуха, т. е. без изменения сопротивления при наполне­нии и начального давления цикла.

Основным недостатком дизелей явля­ется меньшее (по сравнению с карбю­раторными двигателями) время на об­разование однородной смеси (в самом цилиндре), поэтому для полного и без­дымного сгорания топлива требуется определенный избыток воздуха . По этой причине невозможно использовать для сгорания весь объем воздушного заряда в цилиндре, вследствие чего литровая мощность дизелей, при прочих равных условиях, меньше, чем карбюраторных двигателей. По этой же причине, а также из-за больших механических потерь номинальная ча­стота вращения коленчатого вала ди­зелей меньше, чем карбюраторных дви­гателей (ограничены возможности фор­сирования дизелей по частоте циклов). Вторым существенным недостатком ди­зелей является высокая жесткость про­цесса сгорания, гораздо большая, чем в карбюраторных двигателях. Для ее снижения в некоторых дизелях при­меняется разделенная камера сгорания (предкамерное смесеобразование), од­нако при этом ухудшаются пусковые качества и экономичность работы. Сни­жение жесткости работы дизелей дости­гается также применением объемно-пленочного и пленочного смесеобразо­вания с камерой сгорания в поршне.

Для лучшего смесеобразования в некоторых моделях дизелей организуется направленное (вихревое) движение свежего заряда путем придания соот­ветствующей формы впускным органам или камере сгорания (вихревая камера).