20.4.4. Сгорание топлива в быстроходных дизельных двигателях

Время, отводимое на образование горючей смеси и сгорание топлива, очень мало (15–20° поворота коленчатого вала).

Температура самовоспламенения дизельного топлива – это наименьшая температура, до которой должны быть нагреты частицы распыленного в воздухе топлива, чтобы произошло их воспламенение без постороннего источника огня. Температура самовоспламенения дизельного топлива в воздухе при атмосферном давлении находится в пределах 330–450°, при повышении давления она значительно снижается.

Процессу самовоспламенения топлива в дизельном двигателе всегда предшествует период времени, называемый периодом задержки воспламенения. Он охватывает промежуток времени от момента начала подачи топлива в камеру сгорания до момента его самовоспламенения. За период задержки воспламенения в топливе происходят: его распыл, перемешивание с воздухом, нагревание до температуры окружающей среды, испарение. Кроме того, имеют место предпламенные химические реакции многостадийного окисления углеводородов. При окислении молекул топлива образуются перекисные соединения, органические кислоты и другие соединения.

Распад перекисных соединений сопровождается выделением части энергии (10–15%), заключенной в топливе, и появлением слабого голубого свечения. Свечение наблюдается при низких температурах (порядка 200–400°), а светящееся пламя – холодное. В результате предпламенных реакций накапливается тепло, повышаются температуры, возрастают скорости реакций и холодно пламенный процесс переходит в горячий, топливо сгорает. Заканчивается первая фаза предпламенного горения (период задержки воспламенения) и начинается вторая фаза горения – период резкого нарастания давления. Этот период продолжается 10–12° поворота коленчатого вала, за это время выделяется основная масса тепла (более 50%), значительно возрастают температура и давление в цилиндре двигателя. Период быстрого сгорания начинается с момента воспламенения топлива и продолжается до максимального повышения давления . Необходимо, чтобы максимальное давление соответствовало моменту подхода поршня к в. м. т.

Поскольку подача топлива еще не закончилась, во втором периоде не может сгореть весь цикловой заряд: сгорает основная масса, а затем начинается третий период – замедленного горения 5 – 7° поворота коленчатого вала. В этот период давление в цилиндре двигателя сначала почти не меняется, а затем начинает снижаться. Здесь выделяется около 20–25% энергии топлива, но с меньшей интенсивностью, чем во втором периоде; скорости сгорания ниже, снижаются температура и давление. Цикловая подача топлива закончена, продукты сгорания топлива расширяются, совершается рабочий ход поршня.

Если (по мере подачи топлива) предпламенные реакции происходят интенсивно и топливо быстро самовоспламеняется, то второй период начинается раньше, период задержки воспламенения короче, происходит плавное нарастание давления. В этом случае при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 0,3 МПа – двигатель работает мягко. Продолжающее поступать из форсунки топливо воспламеняется за счет уже имеющихся очагов и к концу второго периода сгорает около 55–60% циклового заряда топлива.

Если предпламенные реакции протекают медленно, период задержки воспламенения увеличивается, очаги воспламенения топлива образуются со значительным опозданием. В это время впрыск топлива продолжается, в цилиндре двигателя накапливается большее количество рабочей смеси. Самовоспламенение запаздывает, но воспламеняется большее количество топлива; следовательно, резче нарастает давление. При повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 0,65 МПа – двигатель работает жестко, слышится характерный стук (за счет ударной нагрузки на поршень двигателя).

Жесткая работа дизеля вызывает повышенный износ деталей, особенно вкладышей подшипников, из-за ударной нагрузки, наблюдается деформация колец, а иногда поломка, увеличивается прорыв газов в картер двигателя, повышается расход топлива. Принято, что если при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 0,25–0,5 МПа, то работа мягкая, на 0,6–0,9 МПа – жесткая, а более чем на 1 МПа – очень жесткая, вызывающая быстрый износ двигателя.