23.Процесс сгорания топлива в дизельном двигателе.

V=const P=const

Развернутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Процесс сгорания в дизельном ДВС

Впрыск топлива производится с опережением, равным углу φ, который составляет 10–20° до прихода поршня в ВМТ. Моменту начала впрыска соответствует точка а. Резкое повышение давления начинается в точке б, соответствующей началу самовоспламенения топлива. В точке в характер нарастания давления изменяется. Точкой г отмечен момент конца впрыска. Следовательно, впрыск топлива производится в период, соответствующий повороту вала от точки а до точки г. Максимальному давлению сгорания соответствует точка д. Весь период сгорания принято разделять на три фазы. Первая фаза – период сгорания от точки а до точки б – называется периодом образования зон сгорания, или периодом задержки воспламенения. В этот период температура топлива, впрыскиваемого под давлением в среду сжатого (3.5–4.5 Мпа) и нагретого воздуха (600–700 °С), повышается и достигает температуры самовоспламенения (200–300 °С).

Продолжительность первой фазы сгорания составляет от 0.002 до 0.006 с или от 10 до 30° поворота коленчатого вала и зависит главным образом от физико-химических свойств топлива (и в значительной мере от его цетанового числа), степени сжатия двигателя, интенсивности распыливания топлива и вихревого движения в камере сгорания.

Вторая фаза – период сгорания от точки б до точки в – называется периодом распространения пламени по объему сгорания, или периодом быстрого сгорания. В этот период давление стремительно возрастает. Скорость нарастания давления в этот период оценивается показателем жесткости dP/dα. Продолжительность второй фазы сгорания зависит главным образом от продолжительности первой фазы, скорости подачи топлива, однородности и вихревого движения смеси.

Третья фаза – период сгорания от точки в до точки д – называется третьим периодом сгорания, или периодом медленного сгорания. Этот период характерен незначительным повышением давления. Продолжительность третьей фазы сгорания зависит главным образом от скорости движения частиц топлива и воздуха. Увеличение скорости достигается высокими давлениями и рациональным направлением струи впрыскиваемого топлива.

Период сгорания от точки б до точки д называют периодом видимого сгорания. После точки д начинается процесс расширения, при котором давление падает. Часть топлива догорает в процессе расширения.

У дизельных двигателей скорость нарастания давления должна быть не более 0.4–0.6 МПа на 1 градус поворота коленчатого вала. Работа при большей скорости нарастания давления сопровождается стуками. Испытаниями дизельных двигателей установлено, что стуки возникают вследствие повышенной скорости нарастания давления в начале второй фазы. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива поступает в цилиндр, тем выше скорость нарастания давления и выше максимальное давление цикла. Плавная работа двигателя и понижение максимального давления цикла достигаются сокращением периода задержки воспламенения. На сокращение периода задержки воспламенения в значительной мере оказывают влияние следующие причины:

• температура воспламенения топлива и его цетановое число, так как с понижением температуры самовоспламенения и повышением цетанового числа период задержки воспламенения сокращается;

• степень сжатия двигателя, так как с повышением степени сжатия увеличиваются температура и давление воздуха к моменту впрыска, понижается температура самовоспламенения топлива и увеличивается разность между температурой сжатого воздуха и температурой самовоспламенения топлива.

На индикаторной диаграмме (рис. 2.7) нанесены кривые, характеризующие подачу топлива х = f(a) и сгорание топлива у = f(a). Как видно из диаграммы и кривых, для данного двигателя угол опережения впрыска составляет ~ 10°, продолжительность впрыска равна 17°, т. е. впрыск заканчивается позже ВМТ. Около 50% топлива впрыскивается до ВМТ; период задержки воспламенения равен ~ 7°. До ВМТ сгорает сравнительно небольшая часть топлива – около 7%, к моменту, соответствующему концу впрыска, сгорает около 40% топлива; догорание топлива происходит в процессе расширения.

Сгорание в дизельном двигателе происходит при переменном давлении и изменяющемся объеме газов. Для облегчения расчетов обычно предполагается, что процесс сгорания протекает при V = const и P = const. При этом для определения температуры в конце процесса сгорания уравнение сгорания может быть выведено из баланса внесенной и использованной теплоты:

,

где Q_c – теплота, содержащаяся в газах до сгорания;

Q_hu– теплота, сообщаемая газам при сгорании топлива;

Q_z' – теплота, содержащаяся в газах после сгорания;

Q_р – теплота, эквивалентная работе расширения газов, совершаемой за период сгорания при р = const.

Выразим составляющие уравнения

и, подставив в уравнение теплового баланса, получим

Разделив полученное уравнение на M_a, имеем следующий вид уравнения:

.

После преобразований получаем уравнение сгорания для дизельных двигателей:

.

Для решения этого уравнения и определения T_Z необходимо задаться степенью повышения давления λ, зависящей от количества топлива, сгорающего при изохорическом и изобарическом процессах. Выличина степени повышения давления составляет у двигателей с раздельными камерами сгорания 1.1–1.4, у двигателей с нераздельными камерами 1.4–2.2.

Давления в конце процесса сгорания дизельного двигателя можно определить по формуле:

.

Для определения степени предварительного расширения продуктов сгорания дизельного двигателя выразим количество газов в цилиндре двигателя до и после сгорания:

Определим коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

и из полученного выражения выразим степень предварительного расширения продуктов сгорания:

Н а основании опытных данных установлено, что температура в конце процесса сгорания изменяется в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – от 2400 до 2800 К, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания – от 1800 до 2200 К , для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания – от 1700 до 2100 К; давление газов для карбюраторных двигателей от 4.0 до 6.0 МПа, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания от 6.5 до 12 МПа, для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания от 5.5 до 7.5 МПа.