6.5. Характеристики тепловыделения в дизеле

В дизеле во второй фазе (до р_max) сгорает значительно меньшая часть топлива, чем в ДВС с искровым зажиганием. В дизеле в несколько раз большая часть топлива сгорает в третьей фазе от максимального давления до максимальной температуры.

Первый максимум скорости тепловыделения в дизеле расположен значительно ближе от начала сгорания и его безразмерная координата (рис. 6.18) значительно меньше, чем в ДВС с искровым зажиганием (см. рис. 6.16).

Рис. 6.18. Относительные скорости тепловыделения

при работе дизеля с камерой в поршне:

1 – на частичной нагрузке; 2 – при полной нагрузке

Скорость тепловыделения зависит от площади и скорости фронта пламени, поэтому в начале сгорания, пока площадь фронта мала, скорость тепловыделения возрастает медленно.

В дизеле за время задержки воспламенения часть топлива испаряется и образуется горючая смесь при высоких температурах и давлениях в конце сжатия. Пламя, образовавшееся от многих очагов воспламенения, с высокой скоростью (100 м/с и более) охватывает зоны, в которых состав горючей смеси находится в концентрационных пределах горения и сгорание происходит почти одновременно во всем объеме (объемное горение).

Таким образом, объемное горение возникает в результате совокупности следующих условий:

- образования смеси с горючей концентрацией до появления очагов самовоспламенения;

- высокая температура смеси в конце сжатия, которая выше температуры самовоспламенения.

Скорость химических реакций окисления при высокой температуре большая и, образовавшаяся за период задержки воспламенения горючая смесь, сгорает быстро. В дальнейшем горение замедляется и происходит по мере поступления паров топлива и воздуха в зону горения, которое определяется в основном не скоростью химических реакций, а скоростями испарения капель топлива и их диффузией в зону горения.

Скорость диффузионного горения можно увеличить путем турбулентности заряда. В этом случае на кривой тепловыделения появляется второй максимум при диффузионном сгорании (рис. 8.4), который характерен для дизелей с камерой сгорания в поршне и с разделенными камерами сгорания.

Высокая скорость тепловыделения при начале сгорания в дизелях является основной причиной высокой скорости нарастания давления и, как следствия высокого уровня шума и значительных нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Учитывая это, стремятся уменьшить первый максимум скорости тепловыделения, а второй максимум увеличить и сдвинуть дальше от начала сгорания.

Увеличение температуры и давления в цилиндре и др. факторы, способствующие сокращению периода задержки воспламенения, уменьшают значение первого максимума скорости тепловыделения. Увеличение длительности задержки воспламенения при работе дизеля на частичной нагрузке (кривая 1) приводит к повышению максимальной скорости тепловыделения. Работа дизеля при полной нагрузке (кривая 2) показывает, что первый максимум скорости тепловыделения снижается.

6.6. Термодинамика процесса сгорания

В расчете процессов сгорания и расширения определяют или задают по опытным данным количество теплоты, подведенной к рабочему телу в цилиндре ДВС в виде функции времени или угла поворота кривошипа коленчатого вала (^оп.к.в.). Эта теплота используется на изменение внутренней энергии и совершения работы, причем от закона подвода теплоты (характеристика использования теплоты) зависит и вид процесса сгорания.

Характеристику использования теплоты представляют в виде разности теплоты, выделившейся при сгорании топлива, и теплоты, отданной в стенки. В начале процесса расширения выделение теплоты от сгорания топлива происходит с высокой скоростью, которая значительно превышает скорость теплоотдачи в стенки камеры сгорания. По мере уменьшения объема заряда топливовоздушной смеси уменьшается скорость тепловыделения, и скорость подвода теплоты к рабочему телу уменьшается и незадолго до конца сгорания становится равной нулю. В дальнейшем большая часть процесса расширения происходит с теплоотдачей теплоты от газов в стенки, хотя догорание может и иметь место.

Качественно охарактеризовать действительный процесс, в котором условия подвода теплоты непрерывно изменяются, можно с адиабатным процессом, который осуществляется без теплообмена. В общем случае процесс с теплообменом описывается уравнением политропы c постоянным показателем n.

Условия подвода теплоты в процессе расширения переменны, поэтому реальный процесс можно с приемлемой точностью представить в виде составленного из большого числа политропных процессов с постоянными для каждого малого процесса i показателями n₁, n₂, n₃, n₄, …, n_i.

Если теплота подводится к рабочему телу, то показатель политропы расширения меньше показателя адиабаты (n₂ < k), а когда процесс осуществляется с отводом теплоты, то n₂ > k.

Вблизи максимума давления процесс сгорания происходит при р = const. и для изобарного процесса показатель n₂ = 0, вблизи максимума температуры (изотермный процесс) n₂ = 1, а в точке равенства теплоподвода и теплоотвода n₂ = k.

В дальнейшем конец процесса расширения происходит только с отводом теплоты с показателем политропы n₂ = 1,2 – 1,3. Показатели адиабаты k для продуктов сгорания бензина при α = 1 и дизельного топлива при α = 1 и α = 1,5 показаны в табл. 6.2.

Таблица 6.2.

Показатели адиабаты k продуктов сгорания

Температура, оС	Показатель адиабаты k продуктов сгорания при работе ДВС
	на бензине (α = 1)	на дизельном топливе
		α = 1	α = 1,5
1000 1500 2000 2500	1,2773 1,2592 1,2499 1,2446	1,2770 1,2592 1,2500 -	1,2893 1,2716 1,2624 -

При работе на постоянном составе смеси α = const. продукты сгорания бензина и дизельного топлива практически не отличаются, поэтому и значения показателя адиабаты k при t = const. мало отличаются. Показатель адиабаты для продуктов сгорания при α = 1,5 выше, чем при α = 1,0, поскольку с обеднением смеси теплоемкость с_v уменьшается в связи с тем, что в продуктах сгорания увеличивается доля воздуха, состоящего из двухатомных газов – азота и кислорода.