Лекция 7Лекция 7Смесеобразование и сгорание в Смесеобразование и сгорание в

дизеляхдизелях..

7.1 Смесеобразование7.1 Смесеобразование В дизелях смесеобразование происходит В дизелях смесеобразование происходит

внутри цилиндра и включает в себя распыливание внутри цилиндра и включает в себя распыливание топлива, развитие топливного факела, прогрев, топлива, развитие топливного факела, прогрев, испарение, перегрев топливных паров и смешение испарение, перегрев топливных паров и смешение их с воздухом.их с воздухом.

Совершенство смесеобразования зависит от Совершенство смесеобразования зависит от характеристик впрыскивания и распыливания, характеристик впрыскивания и распыливания, скорости движения заряда в камере сгорания, скорости движения заряда в камере сгорания, свойств топлива и заряда, формы, размеров и свойств топлива и заряда, формы, размеров и температуры поверхностей камеры сгорания, температуры поверхностей камеры сгорания, взаимного направления движения топливных взаимного направления движения топливных струй и заряда. Степень влияния отдельных струй и заряда. Степень влияния отдельных факторов зависит от типа камеры сгорания.факторов зависит от типа камеры сгорания.

• • Объемное смесеобразованиеОбъемное смесеобразование. Если . Если топливо распыливается в объеме камеры сгорания топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Оно осуществляется в называют объемным. Оно осуществляется в однополостных (неразделенных) камерах однополостных (неразделенных) камерах сгорания, имеющих малую глубину и большой сгорания, имеющих малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной диаметр, характеризуемый безразмерной величиной — отношением диаметра камеры величиной — отношением диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра: = 0,75…0,85. сгорания к диаметру цилиндра: = 0,75…0,85. Такая камера сгорания располагается обычно в Такая камера сгорания располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и цилиндра совпадают (рис. 7.1, е). цилиндра совпадают (рис. 7.1, е). При объемном При объемном смесеобразовании прогрев и испарение топлива смесеобразовании прогрев и испарение топлива происходят в основном за счет энтальпии части происходят в основном за счет энтальпии части заряда, охваченной струями топливазаряда, охваченной струями топлива..

Рис. 7.1. Камеры сгорания в поршне:Рис. 7.1. Камеры сгорания в поршне:

а – полусферическая типа дизелей ВТЗ; б – типа четырехтактных дизе-лей ЯМЗ и а – полусферическая типа дизелей ВТЗ; б – типа четырехтактных дизе-лей ЯМЗ и АМЗ; в – типа ЦНИДИ; г – типа дизелей "МАН";АМЗ; в – типа ЦНИДИ; г – типа дизелей "МАН";

д – типа "Дойтц"; е – типа "Госсельман"; ж – типа дизелей "Даймлер-Бенц"; - д – типа "Дойтц"; е – типа "Госсельман"; ж – типа дизелей "Даймлер-Бенц"; - надпоршневой зазорнадпоршневой зазор

Угол рассеивания топливных струй Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть 360/20 =18.теоретически должно быть 360/20 =18.

Но при большом количестве Но при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим, что вызывает должен быть небольшим, что вызывает сложность их изготовления и эксплуатации. сложность их изготовления и эксплуатации. Поэтому целесообразно применение Поэтому целесообразно применение меньшего количества отверстий. меньшего количества отверстий.

Для полного сгорания топлива воздух Для полного сгорания топлива воздух приводится во вращательное движение тем приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше количество более интенсивно, чем меньше количество распыливающих отверстий. Достигают распыливающих отверстий. Достигают этого применением винтового или этого применением винтового или тангенциального впускного каналов, а тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана также экранированием впускного клапана или его седла (рис. 7.2, а...г). Тот же эффект или его седла (рис. 7.2, а...г). Тот же эффект в случае двухтактных дизелей достигается в случае двухтактных дизелей достигается тангенциальным направлением осей тангенциальным направлением осей продувочных окон (рис. 7.2, д). продувочных окон (рис. 7.2, д).

Рис. 7.2. Схемы, иллюстрирующиеРис. 7.2. Схемы, иллюстрирующие

методы создания в процессе методы создания в процессе

впуска вращательного движениявпуска вращательного движения

заряда в цилиндре:заряда в цилиндре:

а – тангенциальный впускной канал и эпюра измененияа – тангенциальный впускной канал и эпюра изменения

тангенциальной скорости движения заряда вдоль тангенциальной скорости движения заряда вдоль

диаметра цилиндра; б – винтовой канал; в – клапан с экраном; г – экран на диаметра цилиндра; б – винтовой канал; в – клапан с экраном; г – экран на едле клапана; д – тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения едле клапана; д – тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения тангенциаль-ной составляющей скорости движения заряда вдоль диаметра тангенциаль-ной составляющей скорости движения заряда вдоль диаметра двух-тактного дизелядвух-тактного дизеля

После начала горения движение заряда После начала горения движение заряда способствует сносу продуктов сгорания с способствует сносу продуктов сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним окислителя. При объемном подвод к ним окислителя. При объемном смесеобразовании, очевидно, должен смесеобразовании, очевидно, должен существовать оптимум направленной скорости существовать оптимум направленной скорости движения заряда. При чрезмерном ее значении движения заряда. При чрезмерном ее значении мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания из объема одной струи могут движением заряда из объема одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, приводя к переноситься в объем соседней струи, приводя к ухудшению смесеобразования. Чрезмерно ухудшению смесеобразования. Чрезмерно интенсивный вихрь может также быть причиной интенсивный вихрь может также быть причиной недостаточного проникновения капель топлива в недостаточного проникновения капель топлива в объем заряда. Эти явления называют объем заряда. Эти явления называют перезавихриваниемперезавихриванием..

Для интенсивного тепловыделения капли Для интенсивного тепловыделения капли топлива должны проникнуть на периферию топлива должны проникнуть на периферию камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая часть воздуха. Давленем впрыскивания до часть воздуха. Давленем впрыскивания до 150...200 МПа, которое можно получить 150...200 МПа, которое можно получить применением насосов — форсунок. При применением насосов — форсунок. При разделенных системах топливоподачи предельно разделенных системах топливоподачи предельно достижимые и допустимые значения давления достижимые и допустимые значения давления впрыскивания обычно не превышают 80...100 впрыскивания обычно не превышают 80...100 МПа. Ограничения здесь обусловлены усилиями, МПа. Ограничения здесь обусловлены усилиями, действующими на детали топливной аппаратуры, действующими на детали топливной аппаратуры, и искажающим влиянием объемов топлива в и искажающим влиянием объемов топлива в системе на характеристику впрыскивания, а также системе на характеристику впрыскивания, а также появлением крайне нежелательных появлением крайне нежелательных подвпрыскиваний топлива, связанных с подвпрыскиваний топлива, связанных с колебательными процессами в топливопроводах колебательными процессами в топливопроводах высокого давления.высокого давления.

Эти недостатки устраняются в современных Эти недостатки устраняются в современных двигателях применением системы Common Rail, двигателях применением системы Common Rail, где давление поднимают до 200 МПа и выше.где давление поднимают до 200 МПа и выше.

• • Комбинация объемного и пристеночного Комбинация объемного и пристеночного смесеобразованиясмесеобразования. Такое смесеобразование получается . Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое и частично соприкасается со стенкой пристеночном слое и частично соприкасается со стенкой камеры сгорания. Другая часть капель топлива камеры сгорания. Другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Попадание располагается в пограничном слое заряда. Попадание топлива в пристеночный слой существенно изменяет топлива в пристеночный слой существенно изменяет скорость смесеобразования до начала сгорания из-за скорость смесеобразования до начала сгорания из-за низких температур и малой турбулентности заряда в этой низких температур и малой турбулентности заряда в этой зоне, уменьшения скорости испарения топлива и зоне, уменьшения скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В результате снижается и смешения его паров с воздухом. В результате снижается и скорость тепловыделения в начале сгорания. После скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают. Поэтому подача части топлива в возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершения сгорания, пристеночную зону не затягивает завершения сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200... 300 °С.находится в пределах 200... 300 °С.

При При dк.с/Ddк.с/D = 0,5...0,6 (см рис. 7.1, а, б, ж) в = 0,5...0,6 (см рис. 7.1, а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения связи со значительным ускорением вращения заряда при перетекании его в камеру сгорания заряда при перетекании его в камеру сгорания удается использовать 3...5 распыливающих удается использовать 3...5 распыливающих отверстий достаточно большого диаметра.отверстий достаточно большого диаметра.

При этом появляется возможность смещения При этом появляется возможность смещения оси камеры сгорания и распылителя от оси оси камеры сгорания и распылителя от оси цилиндра, увеличения размера впускного клапана, цилиндра, увеличения размера впускного клапана, обеспечения высокого наполнения при одном обеспечения высокого наполнения при одном впускном клапане, а также возможно впускном клапане, а также возможно расположение форсунок наклонно и выносить их расположение форсунок наклонно и выносить их из-под крышки головки цилиндра. При этом из-под крышки головки цилиндра. При этом облегчаются установка и снятие форсунки в облегчаются установка и снятие форсунки в процессе эксплуатациипроцессе эксплуатации

В рассматриваемых камерах приобретают значения В рассматриваемых камерах приобретают значения радиальные составляющие скорости перетекания заряда из радиальные составляющие скорости перетекания заряда из объема над вытеснителем в камеру сгорания, объема над вытеснителем в камеру сгорания, преобразующиеся в осевые, т. е. направленные вдоль оси преобразующиеся в осевые, т. е. направленные вдоль оси цилиндра. Перетекающий заряд захватывает пары, мелкие цилиндра. Перетекающий заряд захватывает пары, мелкие капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры сгорания. На такте расширения во время обратного сгорания. На такте расширения во время обратного перетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива перетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива переносится в пространство над вытеснителем, где переносится в пространство над вытеснителем, где имеется еще не использованный для сгорания воздух. имеется еще не использованный для сгорания воздух. Последний, однако, не полностью участвует в процессе Последний, однако, не полностью участвует в процессе окисления. Поэтому стремятся уменьшить до минимума окисления. Поэтому стремятся уменьшить до минимума объем заряда, находящегося в пространстве между объем заряда, находящегося в пространстве между поршнем (при положении в ВМТ) и головкой цилиндра, поршнем (при положении в ВМТ) и головкой цилиндра, доводя высоту его (см. рис. 7.1, а) до 0,9...1 мм. При этом доводя высоту его (см. рис. 7.1, а) до 0,9...1 мм. При этом важной оказывается стабилизация зазора при важной оказывается стабилизация зазора при изготовлении и ремонте дизеля. Положительные изготовлении и ремонте дизеля. Положительные результаты обеспечивает также минимизация зазора результаты обеспечивает также минимизация зазора между головкой поршня и гильзой и уменьшение между головкой поршня и гильзой и уменьшение расстояния от днища поршня до первого компрессионного расстояния от днища поршня до первого компрессионного кольца.кольца.

• • Пристеночное смесеобразованиеПристеночное смесеобразование.. В ряде В ряде конструкций камер сгорания почти все топливо конструкций камер сгорания почти все топливо направляется в пристеночную зону, т.е. имеет направляется в пристеночную зону, т.е. имеет место пристеночное смесеобразование. При таком место пристеночное смесеобразование. При таком смесеобразовании камера сгорания может быть смесеобразовании камера сгорания может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на топлива направляются либо под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (см. рис. 7.1, форму (см. рис. 7.1, гг), либо вблизи и вдоль ), либо вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (см. рис. 7.1, стенки камеры сгорания (см. рис. 7.1, дд). В обоих ). В обоих случаях заряд приводится в достаточно случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50...60 м/с), способствующее достигает 50...60 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания.камеры сгорания.

В вихревом заряде осуществляется сепарация В вихревом заряде осуществляется сепарация рабочей смеси. Менее плотные продукты рабочей смеси. Менее плотные продукты сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а более плотный воздух из центральной части более плотный воздух из центральной части камеры сгорания — к периферии, где камеры сгорания — к периферии, где сконцентрировано топливо, обеспечивая его сконцентрировано топливо, обеспечивая его постепенное и полное окисление. Осуществляется постепенное и полное окисление. Осуществляется так называемое так называемое термическое смесеобразованиетермическое смесеобразование. . Многочисленные опыты показали, что при таком Многочисленные опыты показали, что при таком механизме смесеобразования количество ТВС, механизме смесеобразования количество ТВС, подготовленной к быстрому сгоранию, подготовленной к быстрому сгоранию, уменьшается, горение сопровождается малыми уменьшается, горение сопровождается малыми скоростями нарастания давления в цилиндре, скоростями нарастания давления в цилиндре, дизель работает «мягко» и менее шумно. Кроме дизель работает «мягко» и менее шумно. Кроме того, он оказывается в большей степени того, он оказывается в большей степени приспособленным к работе на топливах приспособленным к работе на топливах различного фракционного состава, в частности на различного фракционного состава, в частности на бензине.бензине.

При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарение существенно снижается температура заряда его испарение существенно снижается температура заряда (до 150...200 °С по осям струй), что затрудняет (до 150...200 °С по осям струй), что затрудняет воспламенение топлива. В случае использования легких воспламенение топлива. В случае использования легких топлив, имеющих высокую температуру воспламенения и топлив, имеющих высокую температуру воспламенения и нередко большую теплоту парообразования, снижение нередко большую теплоту парообразования, снижение температуры в объеме факела может привести к температуры в объеме факела может привести к увеличению периода задержки воспламенения , в увеличению периода задержки воспламенения , в результате чего он окажется больше продолжительности результате чего он окажется больше продолжительности впрыскивания топлива и тогда почти вся порция топлива впрыскивания топлива и тогда почти вся порция топлива будет участвовать в быстром сгорании. При этом скорости будет участвовать в быстром сгорании. При этом скорости нарастания и максимальные значения давления в нарастания и максимальные значения давления в цилиндре будут недопустимо высоки. Попытка добиться цилиндре будут недопустимо высоки. Попытка добиться надежного и быстрого воспламенения увеличением надежного и быстрого воспламенения увеличением создает опасность уменьшения длины топливных струй создает опасность уменьшения длины топливных струй из-за большой плотности заряда, особенно в случае камер из-за большой плотности заряда, особенно в случае камер сгорания с большим сгорания с большим dк.с/Ddк.с/D..

1

Разработаны конструкции двигателей, в Разработаны конструкции двигателей, в которых сочетаются методы внутреннего которых сочетаются методы внутреннего смесеобразования и воспламенения от смесеобразования и воспламенения от искрового разряда. В частности, искрового разряда. В частности, предложено использовать искровое предложено использовать искровое зажигание в камерах с пристеночным зажигание в камерах с пристеночным смесеобразованием. Таким образом смесеобразованием. Таким образом достигается возможность снижения достигается возможность снижения степени сжатия, использования топлив степени сжатия, использования топлив вплоть до высокооктановых бензинов и вплоть до высокооктановых бензинов и спиртов при малых величинах спиртов при малых величинах рzрz и и dp/ddp/d..

Рис. 7.6. Разделенные камеры Рис. 7.6. Разделенные камеры сгорания: а – вихревая (на верхней сгорания: а – вихревая (на верхней проекции показана направление проекции показана направление перетекания заряда из основной перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней – из вихревой сжатии, на нижней – из вихревой камеры в основную при камеры в основную при расширении); б – вихревая и расширении); б – вихревая и распылитель типа "Пинтакс" со распылитель типа "Пинтакс" со вспомогательным пусковым вспомогательным пусковым распыливающим отверстием; в – распыливающим отверстием; в – предкамера; г – предкамера предкамера; г – предкамера малого перепада давления дизеля малого перепада давления дизеля "MWM""MWM"

• • Смесеобразование в разделенных камерах сгорания.Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры (рис. 7.6).время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры (рис. 7.6).

В вихревой камере ось соединительной В вихревой камере ось соединительной горловины направлена по касательной к горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или внутренней поверхности сферической или цилиндрической вихревой камеры сгорания (рис. цилиндрической вихревой камеры сгорания (рис. 7.6, 7.6, аа, , 66). Поэтому в них создается направленное ). Поэтому в них создается направленное вихревое движение заряда. Скорость перетекания вихревое движение заряда. Скорость перетекания заряда через горловину и близкая к ней заряда через горловину и близкая к ней максимальная скорость движения заряда в максимальная скорость движения заряда в вихревой камере достигают 100...200 м/с. Топливо вихревой камере достигают 100...200 м/с. Топливо впрыскивается штифтовым распылителем в впрыскивается штифтовым распылителем в направлении, показанном на рис. 7.6, направлении, показанном на рис. 7.6, аа).).

Иногда для облегчения запуска применяют Иногда для облегчения запуска применяют два неодинаково расположенных (относительно два неодинаково расположенных (относительно иглы) распыливающих отверстия, причем одно из иглы) распыливающих отверстия, причем одно из них подает топливо в зону объема заряда с них подает топливо в зону объема заряда с наибольшей температурой (рис. 7.6, наибольшей температурой (рис. 7.6, бб). ).

Относительные объем и сечение Относительные объем и сечение горловины в случае предкамеры (рис. 7.6, горловины в случае предкамеры (рис. 7.6, вв), как правило, меньше, чем у вихревой ), как правило, меньше, чем у вихревой камеры сгорания. Малые вызывают камеры сгорания. Малые вызывают повышенные потери на перетекание заряда повышенные потери на перетекание заряда между обеими полостями камеры сгорания. между обеими полостями камеры сгорания. Имеются, однако, предкамеры малого Имеются, однако, предкамеры малого перепада давлений (рис. 7.6, перепада давлений (рис. 7.6, гг), в ), в которыхкоторых

и близки к аналогичным значениям и близки к аналогичным значениям для вихревых камер сгорания, что вызвано для вихревых камер сгорания, что вызвано стремлением уменьшить потери энергии на стремлением уменьшить потери энергии на перетекание заряда и тем самым повысить перетекание заряда и тем самым повысить экономичность предкамерного дизеля.экономичность предкамерного дизеля.

пг Ff /

спк VV / пг Ff /

Направление осей отверстий, соединяющих Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, таково, что при цилиндр с предкамерой, таково, что при перетекании заряда на такте сжатия, в последней перетекании заряда на такте сжатия, в последней создается беспорядочное движение заряда. создается беспорядочное движение заряда. Скорости перетекания достигают 300 м/с и более. Скорости перетекания достигают 300 м/с и более. Впрыскивание осуществляется навстречу потоку Впрыскивание осуществляется навстречу потоку заряда, поступающему из цилиндра. Интенсивная заряда, поступающему из цилиндра. Интенсивная турбулизация заряда в предкамере способствует турбулизация заряда в предкамере способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В результате быстрого, но неполного сгорания результате быстрого, но неполного сгорания обогащенной смеси давление в предкамере резко обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Начинается перетекание горящего возрастает. Начинается перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где заряда в основную полость камеры сгорания, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и достаточно полно догорает даже при быстро и достаточно полно догорает даже при малых избытках воздуха (= 1,15...1,2).малых избытках воздуха (= 1,15...1,2).

• • Смесеобразование при наддувеСмесеобразование при наддуве.. При наддуве При наддуве цикловая подача топлива увеличена, должна цикловая подача топлива увеличена, должна впрыскиваться за время, не большее, чем в впрыскиваться за время, не большее, чем в базовом дизеле без надува. Поэтому при наддуве базовом дизеле без надува. Поэтому при наддуве практически всегда прибегают к увеличению практически всегда прибегают к увеличению диаметра плунжера (иногда увеличивают его диаметра плунжера (иногда увеличивают его среднюю скорость).среднюю скорость).

Для увеличения цикловой подачи топлива и Для увеличения цикловой подачи топлива и сохранения общей длительности впрыскивания сохранения общей длительности впрыскивания увеличивают эффективное проходное сечение увеличивают эффективное проходное сечение распыливающих отверстий и увеличивают распыливающих отверстий и увеличивают давление впрыскивания. Что обеспечивает более давление впрыскивания. Что обеспечивает более мелкое и однородное распыливание топлива, что мелкое и однородное распыливание топлива, что может способствовать повышению качества может способствовать повышению качества смесеобразования. смесеобразования.

В случае газотурбинного наддува плотность В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндре увеличивается с ростом заряда в цилиндре увеличивается с ростом частоты вращения и нагрузки, а частоты вращения и нагрузки, а продолжительность периода задержки продолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобы воспламенения по времени сокращается. Чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, струй за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечить топливоподающая аппаратура должна обеспечить более резкое увеличение значений давления более резкое увеличение значений давления впрыскивания с увеличением частоты вращения и впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем на дизеле без наддува.нагрузки, чем на дизеле без наддува.

При высоких степенях форсирования При высоких степенях форсирования наддувом может оказаться необходимым наддувом может оказаться необходимым применение насосов-форсунок и топливных применение насосов-форсунок и топливных систем аккумуляторного типа.систем аккумуляторного типа.

7.2 Процесс сгорания 7.2 Процесс сгорания

Первая фаза сгоранияПервая фаза сгорания, или период , или период задержки воспламенения, определяется как задержки воспламенения, определяется как интервал времени , или углов поворота интервал времени , или углов поворота коленчатого вала , от начала впрыскивания коленчатого вала , от начала впрыскивания ( ) до момента, когда давление в цилиндре ( ) до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты становится в результате выделения теплоты выше давления при сжатии воздуха без выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива (точка 2 на впрыскивания топлива (точка 2 на диаграмме давления рис. 7.7, диаграмме давления рис. 7.7, аа).).

I

I

вп

Рис. 7.8. Типичный характер процесса сгорания в дизелеРис. 7.8. Типичный характер процесса сгорания в дизеле

Именно наличие всей гаммы составов смеси и Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, воспламенения в среднем очень бедной смеси, например = 6 и более. Если период задержки например = 6 и более. Если период задержки воспламенения больше продолжительности воспламенения больше продолжительности впрыскивания, все топливо подается в цилиндр до впрыскивания, все топливо подается в цилиндр до начала воспламенения, большая часть его начала воспламенения, большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развиваются высокие топлива в цилиндре развиваются высокие давления, высокими оказываются динамические давления, высокими оказываются динамические нагрузки на детали и шумоизлучение. Должна нагрузки на детали и шумоизлучение. Должна изменяться и форма камеры сгорания, желательно изменяться и форма камеры сгорания, желательно иметь более глубокую камеру в поршне, в иметь более глубокую камеру в поршне, в сочетании с меньшей толщиной прокладки сочетании с меньшей толщиной прокладки головки цилиндров.головки цилиндров.

Последующие впрыскивания после основного Последующие впрыскивания после основного должны содействовать более полному сгоранию должны содействовать более полному сгоранию оставшихся твердых частиц, а также обеспечить оставшихся твердых частиц, а также обеспечить периодическое получение высокой температуры периодическое получение высокой температуры отработавших газов, необходимой для очистки отработавших газов, необходимой для очистки фильтра твердых частиц. В дальнейшем желательно фильтра твердых частиц. В дальнейшем желательно получение гомогенного смесеобразования. получение гомогенного смесеобразования. Осуществление частичной гомогенизации возможно Осуществление частичной гомогенизации возможно уже в этом десятилетии (гомогенный дизель).уже в этом десятилетии (гомогенный дизель).

Некоторые специалисты считают, что Некоторые специалисты считают, что необходимо иметь сочетание хорошего рабочего необходимо иметь сочетание хорошего рабочего процесса с возможно высокой температурой, что процесса с возможно высокой температурой, что обеспечит высокую экономичность и значительно обеспечит высокую экономичность и значительно меньшие выбросы твердых частиц. Образующееся меньшие выбросы твердых частиц. Образующееся большое количество NOх должно удалятся в системе большое количество NOх должно удалятся в системе выпуска.выпуска.

Не исключено использование присадок, Не исключено использование присадок, например, карбида (мочевины).например, карбида (мочевины).

Вторая фаза сгоранияВторая фаза сгорания, или фаза быстрого , или фаза быстрого сгорания, начинается с момента, определяемого сгорания, начинается с момента, определяемого как момент воспламенения, и продолжается до как момент воспламенения, и продолжается до достижения максимума давления. Эту фазу можно достижения максимума давления. Эту фазу можно разделить на две части: от начала сгорания до разделить на две части: от начала сгорания до точки а и участок а3 (рис. 7.7, точки а и участок а3 (рис. 7.7, аа). В течение ). В течение первой сгорает часть смеси, подготовленная к первой сгорает часть смеси, подготовленная к воспламенению за , и происходит быстрое тепло воспламенению за , и происходит быстрое тепло выделение и нарастание давления. Начиная с выделение и нарастание давления. Начиная с точки а процесс лимитируется смешением точки а процесс лимитируется смешением топлива и воздуха и, следовательно, топлива и воздуха и, следовательно, принципиально возможно направленное принципиально возможно направленное изменение характера тепло выделения и изменение характера тепло выделения и нарастания давления.нарастания давления.

Третья фаза сгоранияТретья фаза сгорания, или фаза быстрого диффузионного , или фаза быстрого диффузионного сгорания, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и сгорания, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения максимума давления и завершается в момент максимума максимума давления и завершается в момент максимума температуры, который всегда достигается позже максимума температуры, который всегда достигается позже максимума давления. Это связано с тем, что после завершения второй фазы давления. Это связано с тем, что после завершения второй фазы может происходить интенсивное тепловыделение. Вследствие может происходить интенсивное тепловыделение. Вследствие

высокой чувствительности к изменению объемавысокой чувствительности к изменению объема давление начинает падать, когда достигается определенное давление начинает падать, когда достигается определенное

сочетание скоростей тепловыделения и увеличения объема. сочетание скоростей тепловыделения и увеличения объема. Температура заряда в меньшей степени зависит от увеличения Температура заряда в меньшей степени зависит от увеличения

объема, поэтому понижение температуры объема, поэтому понижение температуры

начинается при большей скорости увеличения объема, т. е. начинается при большей скорости увеличения объема, т. е. дальше от ВМТ. В третьей фазе имеет место диффузионное дальше от ВМТ. В третьей фазе имеет место диффузионное сгорание при интенсивном смешении. Топливо подается в сгорание при интенсивном смешении. Топливо подается в пламя. В зонах с повышенным содержанием топлива пламя. В зонах с повышенным содержанием топлива происходит интенсивное образование сажи. Период задержки происходит интенсивное образование сажи. Период задержки воспламенения впрыскиваемых в пламя порций топлива воспламенения впрыскиваемых в пламя порций топлива сравнительно невелик. Тепловыделение в принципе является сравнительно невелик. Тепловыделение в принципе является управляемым. В ряде случаев (например, в дизелях с высоким управляемым. В ряде случаев (например, в дизелях с высоким наддувом) скорости тепловыделения наддувом) скорости тепловыделения в рассматриваемой фазе и в рассматриваемой фазе и во второй фазе сгорания близки по значениюво второй фазе сгорания близки по значению..

2

1~

nVp

12

1~

nVТ

Четвертая фаза сгоранияЧетвертая фаза сгорания (догорание) (догорание) продолжается с момента достижения продолжается с момента достижения максимальной температуры цикла до максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения. В этой фазе окончания тепловыделения. В этой фазе также происходит диффузионное сгорание, также происходит диффузионное сгорание, но при малой скорости смешения, так как но при малой скорости смешения, так как основная часть топлива и окислителя уже основная часть топлива и окислителя уже израсходована. При благоприятных израсходована. При благоприятных условиях происходит достаточно полное условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся в течение выгорание сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания.предыдущих фаз сгорания.

7.3 Влияние различных факторов на 7.3 Влияние различных факторов на процесс сгорания в дизельных двигателяхпроцесс сгорания в дизельных двигателях

1. Цетановое число топлива, 1. Цетановое число топлива, характеризует воспламеняемость топлива, чем характеризует воспламеняемость топлива, чем оно больше, тем лучше воспламеняемость и оно больше, тем лучше воспламеняемость и меньше продолжительность первой фазы меньше продолжительность первой фазы сгорания . Отечественные топлива имеют сгорания . Отечественные топлива имеют цетановое число 45, рекомендуемые цетановое число 45, рекомендуемые EUROEURO--III III и и EUROEURO--IVIV – 51. – 51.

Цетановое число связано с октановым Цетановое число связано с октановым соотношениемсоотношением

.. 2

4.060.. ЧЦ

2. Увеличение давления и температуры 2. Увеличение давления и температуры в начале впрыскивания топлива сокращает . в начале впрыскивания топлива сокращает . Поэтому применение наддува, повышение , Поэтому применение наддува, повышение , уменьшение угла опережения впрыскивания уменьшение угла опережения впрыскивания уменьшает .уменьшает .

I

I

3. Увеличение частоты вращения 3. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к возрастанию коленчатого вала приводит к возрастанию скорости сжатия заряда, улучшению скорости сжатия заряда, улучшению распыливания топлива и повышению распыливания топлива и повышению температуры и давления заряда в момент температуры и давления заряда в момент начала впрыскивания топлива. Это начала впрыскивания топлива. Это сокращает , по расчет. Так же сокращает , по расчет. Так же сокращается , а почти не возрастает. сокращается , а почти не возрастает. Так как подача и распыливание топлива Так как подача и распыливание топлива интенсифицируется, скорость движения интенсифицируется, скорость движения заряда повышается, то сокращается, азаряда повышается, то сокращается, а

несколько возрастает.несколько возрастает.

I,

III

II

III

III

4. Если увеличение нагрузки производится 4. Если увеличение нагрузки производится концом подачи, то незначительно уменьшается в концом подачи, то незначительно уменьшается в связи с увеличением и заряда в момент начала связи с увеличением и заряда в момент начала впрыска топлива. Если увеличение нагрузки впрыска топлива. Если увеличение нагрузки регулируется началом подачи, то увеличивается регулируется началом подачи, то увеличивается вследствие уменьшения температуры и давления вследствие уменьшения температуры и давления заряда в цилиндре в момент начала впрыскивания заряда в цилиндре в момент начала впрыскивания топлива. С увеличением нагрузки увеличивается топлива. С увеличением нагрузки увеличивается продолжительность за счет заключительной ее продолжительность за счет заключительной ее части, что связано с увеличением величины части, что связано с увеличением величины впрыскиваемой порции топлива и длительности впрыскиваемой порции топлива и длительности ее подачи.ее подачи.

В третьей фазе с увеличением нагрузки В третьей фазе с увеличением нагрузки увеличивается количество выделяемой теплоты, аувеличивается количество выделяемой теплоты, а

увеличивается.увеличивается.

I

p tI

II

III

5. Тип камеры сгорания влияет на5. Тип камеры сгорания влияет на

вследствие различий в распределении вследствие различий в распределении топлива по объему заряда и пристеночной топлива по объему заряда и пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания. От того, какое количество сгорания. От того, какое количество топлива поступит в камеру сгорания за , топлива поступит в камеру сгорания за , зависит .зависит .

I

I

II

6. Характер впрыскивания и распыливания. 6. Характер впрыскивания и распыливания. Интенсификация впрыскивания и ускорение Интенсификация впрыскивания и ускорение развития топливных струй способствуют развития топливных струй способствуют небольшому сокращению . Качество небольшому сокращению . Качество распыливания влияет на . Чем больше диаметр распыливания влияет на . Чем больше диаметр капель, тем длительное процесс догорания капель, тем длительное процесс догорания топлива. Продолжительное снижение давления топлива. Продолжительное снижение давления впрыскивания, подвпрыскивания способно впрыскивания, подвпрыскивания способно вызвать недопустимое затягивание процесса вызвать недопустимое затягивание процесса сгорания и образования сажи, что снижает сгорания и образования сажи, что снижает надежность работы дизеля вследствие надежность работы дизеля вследствие закоксовывания распыливающих отверстий и закоксовывания распыливающих отверстий и повышенных отложений на деталях. Попадание повышенных отложений на деталях. Попадание топлива на холодные поверхности топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства вызывает внутрицилиндрового пространства вызывает увеличение . увеличение .

IIV

IV

7. Наддув. Уменьшение , увеличивает 7. Наддув. Уменьшение , увеличивает тепловыделение. При наддуве количество тепловыделение. При наддуве количество теплоты, выделяемой в течение третьей теплоты, выделяемой в течение третьей фазы превышает количество теплоты, фазы превышает количество теплоты, выделяемой в течение второй фазы, что выделяемой в течение второй фазы, что приводит к росту и приводит к приводит к росту и приводит к затягиванию процесса догорания топлива затягиванию процесса догорания топлива вследствие увеличения продолжительности вследствие увеличения продолжительности впрыскивания.впрыскивания.

I

III

7.4 Процесс расширения7.4 Процесс расширения

Расширение, протекающее в течение рабочего Расширение, протекающее в течение рабочего хода поршня, является в безнаддувных двигателях хода поршня, является в безнаддувных двигателях единственным процессом, в котором совершается единственным процессом, в котором совершается полезная работа, обеспечивающая на валу полезная работа, обеспечивающая на валу двигателя положительный крутящий момент.двигателя положительный крутящий момент.

Расширение происходит при переменных Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также величинах поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве, и давления в надпоршневом пространстве, и сопровождается потерями незначительного сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые количества рабочего тела через кольцевые уплотнения.уплотнения.

В начале процесса расширения еще продолжается В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, поскольку повышение внутренней энергии РТ, поскольку перемещение поршня невелико и совершаемая газами перемещение поршня невелико и совершаемая газами положительная работа незначительна. Часть же положительная работа незначительна. Часть же выделившейся при сгорании теплоты отводится через выделившейся при сгорании теплоты отводится через поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на увеличение надпоршневого объема, по мере увеличение надпоршневого объема, по мере вращения коленчатого вала давление в цилиндре в вращения коленчатого вала давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением больших количеств сгорания топлива с выделением больших количеств теплоты, чем суммарные ее затраты на теплообмен и теплоты, чем суммарные ее затраты на теплообмен и совершаемую работу. В дизелях увеличение давления совершаемую работу. В дизелях увеличение давления после прохождения поршнем ВМТ продолжается после прохождения поршнем ВМТ продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием. дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием. Следствием выделения теплоты при сгорании, Следствием выделения теплоты при сгорании, вызывающим увеличение давления заряда, являются вызывающим увеличение давления заряда, являются отрицательные текущие значения показателя отрицательные текущие значения показателя политропы расширенияполитропы расширения в начале такта расширения.в начале такта расширения.2n

Дальнейшее перемещение поршня в сторону Дальнейшее перемещение поршня в сторону НМТ сопровождается уменьшением НМТ сопровождается уменьшением выделяющейся при сгорании топлива теплоты, а выделяющейся при сгорании топлива теплоты, а также увеличением затрат теплоты на совершение также увеличением затрат теплоты на совершение работы и на теплообмен. Результатом этого работы и на теплообмен. Результатом этого является замедление нарастания давления и является замедление нарастания давления и достижение им своего максимального значения, достижение им своего максимального значения, после чего начинается резкое его понижение.после чего начинается резкое его понижение.

Максимальное значение температуры РТ в Максимальное значение температуры РТ в цилиндре достигается позже, чем цилиндре достигается позже, чем pzpz. Очевидно, . Очевидно, что при достижении теплота, выделяющаяся при что при достижении теплота, выделяющаяся при догоранин топлива, будет численно равна (за догоранин топлива, будет численно равна (за вычетом потерь в стенки) совершаемой газами вычетом потерь в стенки) совершаемой газами работе, т.е. в какое-то мгновение процесс работе, т.е. в какое-то мгновение процесс расширения становится квазиизотермическим. расширения становится квазиизотермическим. Начиная с этого мгновения имеет место падение Начиная с этого мгновения имеет место падение температуры.температуры.

Параметры РТ в конце процесса Параметры РТ в конце процесса расширения могут быть определены по расширения могут быть определены по формулам политропного процесса. Для формулам политропного процесса. Для дизелейдизелей

и ,и , где =где =VVв/в/VzVz,, — — степень последующего степень последующего

расширения.расширения. Для двигателей с искровым зажиганием Для двигателей с искровым зажиганием

( )( ) , , . .

21n

zв рр

121

n

zв ТТ

21n

zв рр

121

n

zв ТТ

• • Выбор значений показателя политропы Выбор значений показателя политропы . Показатель. Показатель зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и

режима работы.режима работы. Так как потери теплоты через стенки цилиндра зависят от Так как потери теплоты через стенки цилиндра зависят от

поверхности, приходящейся на единицу объема (поверхности, приходящейся на единицу объема (FF//VzVz), то ), то увеличение диаметра цилиндра при неизменном значении его увеличение диаметра цилиндра при неизменном значении его объема объема VаVа должно сопровождаться уменьшением относительных должно сопровождаться уменьшением относительных поверхностей теплообмена, а потому показатель для поверхностей теплообмена, а потому показатель для короткоходных двигателей должен быть меньше, чем для короткоходных двигателей должен быть меньше, чем для длинноходных двигателей того же объема. Значение показателя длинноходных двигателей того же объема. Значение показателя

снижает и пропорциональное увеличение размеров цилиндра, снижает и пропорциональное увеличение размеров цилиндра, поскольку и в этом случае должно понижаться отношение поскольку и в этом случае должно понижаться отношение FF/ Vа./ Vа.

Значения показателя политропы , а также давление и Значения показателя политропы , а также давление и температура в конце процесса расширения для дизелей и температура в конце процесса расширения для дизелей и бензиновых двигателей приведены в табл. 7.1. бензиновых двигателей приведены в табл. 7.1.

2n 2n

2n

2n

2n

Тип двигателяТип двигателя

Наименование показателейНаименование показателей

Бензиновые двигателиБензиновые двигатели

Автотракторные двигателиАвтотракторные двигатели

1,23…1,301,23…1,30

1,18…1,281,18…1,28

0,35…0,50,35…0,5

0,2…0,400,2…0,40

1200…15001200…1500

1000…12001000…1200

2n МПарВ , КТв,

Контрольные вопросыКонтрольные вопросы

1. Какое смесеобразование называют объемным?1. Какое смесеобразование называют объемным? 2. Какова величина угла рассеивания топливных струй?2. Какова величина угла рассеивания топливных струй? 3. Чем отличается пристеночное смесеобразование от 3. Чем отличается пристеночное смесеобразование от

объемного?объемного? 4. С какой целью применяется смесеобразование в 4. С какой целью применяется смесеобразование в

разделенных камерах?разделенных камерах? 5. Когда в дизеле начинается вторая фаза сгорания?5. Когда в дизеле начинается вторая фаза сгорания? 6. Как влияет цетановое число топлива на процесс 6. Как влияет цетановое число топлива на процесс

сгорания?сгорания? 7. Какие факторы влияют на процесс сгорания в дизельных 7. Какие факторы влияют на процесс сгорания в дизельных

двигателях двигателях