Как происходит воспламенение рабочей смеси в дизельном двигателе


Как это работает: дизельный двигатель. Часть 1.

    В самом первом выпуске рубрики «Как это работает», мы рассказывали про основные типы двигателей, их историю, обозначили преимущества и недостатки каждого типа, а так же в общем рассмотрели их принцип работы. Теперь самое время углубиться в нюансы работы одного из самых распространенных, но малопонятных - дизельных двигателей.

    Опишем его работу в двух статьях. Итак, в первой части Вы вспомните основы работы дизеля и узнаете про разделенные и неразделенные камеры сгорания (непосредственный впрыск).

 

 

 

    На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового - те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях - непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.

 

 

    Рабочий процесс в дизеле происходит следующим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре - отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля (в последующем будет рассказано, как эти показатели снизили).

 

 

 

 

 

    Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

 

 

    Особенности:

 

Свечи накаливания в дизельных двигателях

     Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки - ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.
   

      Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.

 

 

 

    Типы камер сгорания:

      Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные.

     Раньше на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.

 

 

 

    При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

 

    Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

    Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

    Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

 

    Тем не менее, трудности были решены и система непосредственного впрыска открыла "второе дыхание" для дизельных двигателей. Подробности об этом будут в следующей части.

 

autogrodno.by

Особенности смесеобразования в дизелях

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

   Техническое обслуживание автомобилей

Особенности смесеобразования в дизелях

Особенностью двигателей с самовоспламенением от сжатия, или, как их принято называть, дизелей (по имени изобретателя Р. Дизеля), является приготовление горючей смеси топлива с воздухом внутри цилиндров.

В дизелях топливо поступает от насоса высокого давления и посредством форсунки впрыскивается в цилиндры под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха в конце такта сжатия. Смесеобразование начинается с момента поступления топлива в цилиндр. При этом в результате трения о воздух струя топлива распыливается на мельчайшие частицы, которые образуют топливный факел конусообразной формы. Чем мельче распылено топливо и чем равномернее распределено оно в воздухе, тем полнее сгорают его частицы.

Испарение и воспламенение топлива осуществляются за счет высокой температуры и давления сжатого воздуха (к концу такта сжатия температура воздуха составляет 550-700°С, а давление—3,5—5,5 МПа). Следует отметить, что после начала горения смеси температура и давление в камере сгорания резко возрастают, что ускоряет процессы испарения и воспламенения остальных частиц распыленного факела топлива.

Чтобы обеспечить наилучшие мощ-ностные и экономические показатели работы дизеля, необходимо впрыскивать топливо в его цилиндры до прихода поршня в в.м.т. Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до в.м.т. в момент начала впрыскивания топлива, называют углом опережения впрыскивания топлива.

Для того чтобы форсунка впрыскивала топливо с требуемым опережением, топливный насос должен начинать подавать топливо еще раньше. Это вызвано необходимостью иметь некоторое время на нагнетание топлива от насоса к форсунке.

Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до в. м. т. в момент начала подачи топлива из топливного насоса, называют у г-лом опережения подачи топлива.

В цилиндры дизеля фактически поступает одно и то же количество воздуха независимо от его нагрузки. При малой нагрузке в цилиндрах практически всегда имеется достаточное количество воздуха для полного сгорания топлива. В этом случае коэффициент избытка воздуха имеет большую величину. С увеличением нагрузки возрастает только подача топлива, но при этом значение коэффициента избытка воздуха уменьшается, вследствие чего ухудшается процесс сгорания топлива. Поэтому минимальное значение коэффициента избытка воздуха для различных типов дизелей, соответствующее их бездымной работе, устанавливают в пределах а= 1,3-т-1,7, что обусловливает также высокую экономичность дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями.

Существенное влияние на улучшение смесеобразования и процесса сгорания оказывают способы приготовления рабочей смеси и принятая форма камеры сгорания. По способу приготовления рабочей смеси различают объемное, объемно-пленочное и пленочное смесеобразования. Каждому из этих способов присущи свои характерные особенности, для реализации которых требуются камеры сгорания с соответствующими конструктивными решениями. Существующие камеры сгорания дизелей по общности основных признаков их конструкции объединяют в две большие группы: неразделенные (одно-полостные) и разделенные (двух-полостные).

Неразделенные камеры сгорания (рис. 8.1, а) представляют собой объем, заключенный между днищем поршня, когда он находится в в. м. т., и плоскостью головки. Такие камеры называют также однополостны-ми с объемным смесеобразованием, так как процесс смесеобразования основан на впрыскивании топлива непосредственно в толщу горячего воздуха, находящегося в объеме камеры сгорания дизеля. При этом для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом его свежему заряду сообщают при впуске вращательное движение с помощью завихрителей или винтовых впускных каналов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемой форсункой. Такой принцип смесеобразования используется в дизелях ЯМЗ и КамАЗ.

Рис. 8.1. Камеры сгорания дизелей: а—ЯМЭ-236; б—ЗИЛ-645; в—вихревого типа

В современных дизелях используется также пленочное смесеобразование, которое характеризуется тем, что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной камеры сгорания, на которых оно образует пленку, а затем испаряется, отнимая часть тепла от стенок.

Принципиальная разница между объемным и пленочным способами смесеобразования заключается в том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредственно смешиваются с воздухом, а во втором основная часть топлива

сначала испаряется и в парообразном состоянии перемешивается с воздухом при интенсивном вихревом движении его в камере.

Разновидностью указанных способов смесеобразования является объемно-пленочное смесеобразование, которое обладает свойствами как объемного, так и пленочного смесеобразования. Существенным преимуществом этого процесса является возможность создания многотопливных дизелей, позволяющих использовать наряду с дизельным топливом высокооктановые бензины и спиртовые (метоноловые) смеси. В отечественном автомобилестроении к таким двигателям можно отнести дизель ЗИЛ-645, у которого процесс смесеобразования происходит в объемной камере сгорания (рис. 8.1, б), расположенной в поршне 6 в виде наклонной цилиндрической выемки со сферическим дном. Вращение воздушного заряда в камере обеспечивается при помощи вих-реобразующего канала, создающего кольцевой вихрь, направления вращения которого показано стрелкой. Топливо в камеру сгорания впрыскивается из двухдырочного распылителя форсунки, расположенного в головке цилиндра. Пристеночная струя направлена вдоль образующей камеры сгорания, объемная струя пересекает внутренний объем камеры ближе к ее центру. Из-за пристеночной струи такой процесс часто называют объемным пристеночно-пленочным смесеобразованием. Этот процесс по сравнению с другими способами смесеобразования дает хорошую экономичность и обеспечивает более мягкую работу дизеля с плавным нарастанием давления в его цилиндрах, а также улучшает пусковые качества дизеля, снижая его дымность и токсичность отработавших газов.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух объемов, соединенных между собой каналами: основного объема, заключенного в полости над днищем поршня, и дополнительного, расположенного чаще всего в головке блока. Применяются в основном две группы разделенных, или двухполостных, камер: предкамеры и вихревые камеры. Дизели с такими камерами называют соответственно вихревыми и предкамер-ными.

В вихрекамерных дизелях (рис. 8.1, в) объем дополнительной камеры составляет 0,5 — 0,7 общего объема камеры сгорания. Основная и дополнительная камеры соединяются каналом, который располагается тангенциально к образующей дополнительной камере, в результате чего обеспечивается вихревое движение воздуха.

В дизелях с предкамер-ным смесеобразованием предкамера имеет цилиндрическую форму и соединяется прямым каналом с основной камерой, расположенной в днище поршня. В результате частичного воспламенения топлива в момент его впрыскивания в предкамере создается высокая температура и давление, способствующие более эффективному смесеобразованию и сгоранию топлива в основной камере.

Современные быстроходные вихре- и предкамерные дизели имеют достаточно высокие мощностные показатели при сравнительно высокой степени сжатия. К их основным недостаткам следует отнести увеличенный расход топлива по сравнению с дизелями с неразделенными камерами и затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых устройств.

Читать далее: Общее устройство системы питания дизелей

Категория: - Техническое обслуживание автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Характеристики периодов процесса сгорания в дизеле

Про­цесс сгорания топлива в двигателе с воспламенением от сжатия имеет отли­чительные особенности, обусловливаемые внутренним смесеобразованием, применяемым в этом типе двигателя:

1. Рассмотрение процессов смесеобразования, выполненное нами ранее, позволяет сделать заключение, что концентрация топлива в пространстве сгорания цилиндра дизеля неодинакова, есть зоны с большой концентра­цией топлива и зоны с малой концентрацией. Вследствие этого коэффициент избытка воздуха в объеме пространства сгорания — величина переменная.

2. Так как период подачи топлива в некоторой своей части совпадает с периодом процесса сгорания топлива, то в течение процесса сгорания соотношение между количествами воздуха и топлива в цилиндре двигателя будет изменяться. Отсюда следует, что в цилиндре дизеля происходит изменение коэффициента избытка воздуха ? по времени.

Значение ?, принимаемое в расчетах и определяемое по анализу отра­ботавших газов, является средним по объему цилиндра к моменту окончания процесса сгорания, т. е. это условная величина.

3. Процесс сгорания находится в зависимости от закона подачи топ­лива. Впрыск топлива с возрастающей скоростью позволяет лучше исполь­зовать кислород в наиболее удаленных от форсунки зонах.

В целом на сгорание топлива в дизеле влияют различные физико-химические процессы, учет которых представляет большие трудности. Несмотря на успехи в области исследования процессов сгорания вообще, следует при­знать, что изучение процессов, происходящих в цилиндре двигателя, еще далеко не полно. Сложность и кратковременность протекания этого цикла в цилиндре двигателя, непостоянство температуры, давления, объема и состава рабочей смеси в значительной степени затрудняют изучение явлений но всех их деталях. В связи с этим выполненные исследования сводились нахождению (на основе обобщения экспериментальных зависимостей) конечных суммарных результатов процессов сгорания в цилиндре двига­теля.

Такой путь исследования хотя и не вскрывает в полной мере изучаемые явления, но тем не менее позволяет выявить основные зависимости, опреде­ляющие характер явления, а главное, может быть практически полезным.

Весь период сгорания топлива в цилиндре дизеля можно схематически разбить на четыре фазы. Изменение давления за период каждой фазы пока­зано на индикаторной диаграмме (рис. 72).

Первая фаза является фазой образования очагов сгорания и охватывает промежуток времени от момента начала фактического поступления топлива в цилиндр (точка 1) до начала резкого нарастания давления (точка 2), т. е. в момент отрыва линии сгорания от линии сжатия. Следовательно, первая фаза сгорания представляет собой период задержки самовоспламенения. Продолжительность этой фазы существенно влияет на характер протекания последующих фаз процесса сгорания. Как уже отмечалось, в этот период происходят физико-химические процессы подготовки топлива к самовоспла­менению. На продолжительность периода задержки самовоспламенения топлива ?i влияют химические, физические и конструктивные факторы. К химическим факторам относятся: состав топлива, концентрация кислорода, присадки к топливу, остаточные газы. Парафиновые углеводороды имеют наи­меньший период задержки самовоспламенения, а ароматические углеводо­роды — наибольший.

На рис. 73 показаны кривые нарастания давления в период сгорания в цилиндре дизеля различных сортов топлива при одном и том же угле опере­жения впрыска. При сгорании топлив, имеющих малый период ?i (кривые 1 и 2), происходит плавное и своевременное изменение давления, тогда как при сгорании топлив с большим периодом ?i (кривые 3, 4 и 5)происходит резкое нарастание давления и с большим опозданием.

Значительные скорости нарастания давления создают динамическую нагрузку шатунно-мотылевому механизму.

Увеличение концентрации кислорода и уменьшение остаточных газов в камере сгорания уменьшают период задержки самовоспламенения. При­садка различных катализаторов к топливу сокращает период задержки само­воспламенения и снижает максимальное давление цикла.

К физическим факторам относятся давление и температура воздуха на впуске и в конце сжатия. С увеличением давления воздуха на впуске и в кон­це сжатия вследствие возрастания плотности воздуха ускоряется физико­химическая подготовка топлива к самовоспламенению, а потому вели­чина ?i сокращается.

На рис. 74 показана опытная зависимость ?i от давления наддува рк, полученная на быстроходном дизеле. С повышением температуры воздуха на впуске и в конце сжатия ?i сокращается почти прямолинейно. Наличие завихрения воздуха в камере сгорания улучшает смесеобразование и повы­шает значение коэффициента теплопередачи от воздуха к топливу и также уменьшает ?i.

К конструктивным факторам, влияющим на продолжительность пе­риода задержки самовоспламенения топлива, относятся: степень сжатия, конструкция камеры сгорания, тонкость распыла топлива, число оборотов топливного насоса, угол опережения подачи топлива и материал поршня.

С повышением степени сжатия увеличивается давление и температура в конце сжатия, уменьшается коэффициент остаточных газов и, как след­ствие, период ?i уменьшается.

На рис. 75 приведена опытная зависимость между ? и ?i для двух топ­лив: кривая 1 — для топлива с цетановым числом 40 и кривая 2 — для топ­лива с цетановым числом 60.

Наличие сильно нагретых поверхностей в камере сгорания (например, теплоизолированные вставки в вихревых камерах сгорания) способствует повышению температуры воздуха в конце сжатия, а следовательно, сниже­нию периода задержки самовоспламенения топлива.

На рис. 76 показано изменение периода задержки самовоспламенения в секундах ?i и в градусах угла поворота коленчатого вала ?? в вихрекамер­ном дизеле в зависимости от числа оборотов его.

С увеличением числа оборотов вала температура теплоизолированной вставки вихревой камеры сгорания повышается, а потому ?i сокращается. Температура донышка поршня также влияет на величину периода ?i.

По опытам в бомбе А. И. Толстова и Н. В. Шмигельского (рис. 77) с уве­личением числа оборотов вала топливного насоса период задержки само­воспламенения топлива уменьшается, что объясняется улучшением тонкости распыла топлива.

Момент начала подачи топлива, определяемый углом опережения подачи топлива ?oвпр, также значительно влияет на период задержки самовоспла­менения топлива. Ранняя и поздняя подачи одинаково способствуют увели­чению ?i. Оптимальное значение угла опережения подачи топлива устанав­ливается опытным путем.

На рис. 78 приведены индикаторные диаграммы двигателя с наддувом с различными углами опережения подачи топлива. Кривые 4, 5, 6 и 7 соот­ветствуют оптимальному значению ?oвпр кривые 3, 2 к 1 соответствуют слишком позднему впрыску, а кривые 8 и 9 получены при большом ?oвпр. В период второй фазы сгорания происходит распространение пламени по пространству сгорания и вследствие этого возникает резкое повышение давления. Продолжительность второй фазы процесса сгорания (между точ­ками 2—3, см. рис. 72) определяется концом резкого повышения давления. Характеристикой второй фазы процесса сгорания служит скорость нараста­ния давления, равная отношению увеличения давления газов ?р за рассма­триваемый участок процесса сгорания к соответствующему углу поворота колен­чатого вала ??, т. е.

Величина средней скорости нараста­ния давления за всю вторую фазу сго­рания будет равна

Истинная скорость нарастания давления равна

и максимальное ее значение

Вторая фаза процесса сгорания определяет собой максимальное дав­ление цикла и жесткость работы двигателя. Для получения спокойной (без стуков) работы двигателя необходимо, чтобы скорость нарастания дав­ления была равна

В быстроходных форсированных двигателях ?ср допускают 8— 10 кГ/см2/° п. к. в.

Величина скорости нарастания давления главным образом зависит от продолжительности первой фазы процесса сгорания, т. е. от того, какое количество топлива было подано за период задержки самовоспламенения. Чем больше это количество, тем больше будет топлива участвовать в распространении пламени в период второй фазы сгорания. А так как вторая фаза сгорания происходит почти при неизменяющемся объеме, то увеличение количества топлива, сгорающего за этот период времени, естественно, приводит к увеличению скорости нарастания давления. Следовательно, продолжительность периода задержки самовоспламенения должна быть ми­нимальной. Распределение топлива по пространству сгорания, наличие вихревого движения в цилиндре и закон подачи топлива также влияют на характер протекания второй фазы процесса сгорания. Критерием, определяющим влияние закона подачи топлива на процесс сгорания, является фактор динамичности цикла

Третья фаза сгорания является фазой постепенного сгорания (учас­ток III между точками 3 и 4, см. рис. 72) и начинается уже при распростра­нившемся пламени по объему цилиндра. Топливо, впрыскиваемое в этот период, попадает в среду высокого давления и температуры, а потому сго­рает почти без задержки воспламенения. Изменение давления в цилиндре будет зависеть от соотношения между скоростью подачи топлива и увеличе­нием надпоршневого объема цилиндра. Обычно давление газов в цилиндре за третью фазу сгорания топлива мало изменяется, а потому этот период сгорания называют сгоранием топлива почти при постоянном давлении. Этот период сгорания в основном определяет площадь индикаторной диа­граммы, а следовательно, и мощность двигателя.

Четвертая фаза сгорания (участок IV между точками 4 и 5) происходит после окончания подачи топлива в точке 4. В этот период идет догорание топлива на линии расширения, т. е. при уменьшающемся давлении (вслед­ствие непрерывного увеличения объема надпоршневого пространства). Продолжительность догорания топлива главным образом зависит от на­грузки двигателя и его быстроходности. Чем больше нагрузка двигателя и число оборотов его, тем больше продолжительность подачи топлива в углах поворота вала, а следовательно, больше будет догорать топлива на линии расширения. На продолжительность догорания топлива, кроме того, ока­зывают влияние: качество смесеобразования, подтекание форсунки, растя­нутость подачи топлива, низкие температура и давление воздуха в конце сжатия (что в эксплуатации чаще всего бывает по причине пропуска газов через поршневые кольца или клапаны) и попадание смазочного масла в пространство сгорания цилиндра двигателя.

Для достижения наибольшего теплоиспользозания в цилиндре двига­теля необходимо, чтобы полная продолжительность процесса сгорания топ­лива была минимальной. Допустимое максимальное давление цикла в каж­дом конкретном случае и определяет минимальную продолжительность про­цесса сгорания. Сокращение периода подачи топлива вызывает рост макси­мального давления цикла, и, при всех равных прочих условиях, с увеличе­нием угла опережения подачи топлива максимальное давление цикла уве­личивается. Осуществление процесса сгорания при положении поршня в районе ВМТ, т. е. когда пространство сгорания имеет наименьший объем и поверхность, обеспечивает наименьшие тепловые потери и наибольшую экономичность рабочего цикла.

Кроме того, следует отметить, что значительное догорание топлива на линии расширения вызывает перегрев стенок цилиндра, его крышки и вы­пускных клапанов. Ухудшаются условия смазки цилиндра и возрастают тепловые потери с отработавшими газами и с охлаждающей водой, а потому возрастает удельный расход топлива. При значительном догорании топлива отработавшие газы имеют темную окраску, что свидетельствует о неполном сгорании топлива. При увеличении догорания топлива не только возрастают тепловые потери, но возрастает и тепловая напряженность цилиндра двига­теля.

Если положить в основу характеристики процесса сгорания, как пред­положил А. И. Толстов, величину скорости выделения тепла dp/d?, то про­цесс сгорания можно подразделить на четыре фазы.

Первая фаза характеризуется ничтожно малой скоростью тепловыде­ления dp/d? ?0 и представляет собой период задержки самовоспламене­ния топлива.

Вторая фаза характеризуется возрастанием скорости тепловыделения до максимума dp/d? ? mах и подготовкой условий для последующего сго­рания топлива. Заканчивается вторая фаза в момент достижения максималь­ного давления цикла.

Третья база характеризуется горением топлива при постоянной при максимально достигнутой скорости тепловыделенияэтом температура газов достигает максимальной температуры цикла (Tz)max, а коэффициент избытка воздуха достигает минимального значения ? = ?min = const. Начинается третья фаза с момента достижения максималь­ного давления цикла и продолжается до момента достижения максимальной температуры цикла.

Четвертая фаза (фаза догорания топлива) характеризуется непрерыв­ным уменьшением скорости тепловыделения (dq/dt ? 0), отсутствием по­дачи топлива, возрастанием количества конечных продуктов сгорания и резким падением давления в цилиндре. Четвертая фаза сгорания начинается с момента достижения наибольшей температуры цикла и продолжается до конца сгорания топлива.

vdvizhke.ru

Процесс сгорания в дизельных двигателях

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

   Автомобили и трактора

Процесс сгорания в дизельных двигателях

Смесеобразование в дизельном двигателе менее совершенно, чем в карбюраторном. Это объясняется тем, что время, отведенное на смесеобразование, в дизельном двигателе очень ограничено. Достаточно сказать, что у некоторых дизельных двигателей угол опережения впрыска составляет 4—8°, а в связи с этим время на смесеобразование приблизительно в 45—70 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей такой же быстроходности. В силу этого, несмотря на различные устройства, улучшающие смесеобразование, впрыснутое топливо распределяется в воздухе неравномерно.

Для обеспечения более полного сгорания впрыснутого топлива дизельные двигатели работают с довольно высоким коэффициентом избытка воздуха.

Часть развернутой индикаторной диаграммы дизельного двигателя, построенная по углу поворота коленчатого вала, изображена на рис. 265, б.

Весь процесс сгорания впрыснутого топлива можно условно разделить на следующие периоды, в течение которых происходят подготовка топлива к сгоранию, сгорание основной массы смеси и догорание оставшихся горючих компонентов смеси.

Период, или период задержки самовоспламенения, начинается с момента впрыска топлива и заканчивается моментом самовоспламенения. Наличие этого периода объясняется тем, что для самовоспламенения поданного топлива необходимо, чтобы температура его повысилась до температуры самовоспламенения. Продолжительность периода задержки воспламенения оказывает существенное влияние на развитие всего последующего процесса сгорания и должна занимать возможно короткий промежуток времени (0,001—0,003 с). При более длительном периоде задержки воспламенения в камере сгорания скапливается большое количество топлива, которое при сгорании вызывает чрезмерно резкое нарастание давления, т. е. увеличение жесткости работы двигателя. На продолжительность этого периода влияют физико-химические свойства топлива, температура и давление сжатого воздуха, качество распыливания и завихрения в цилиндре.

Период начинается с момента воспламенения топлива и на индикаторной диаграмме характеризуется резким повышением давления и интенсивным тепловыделением. Интенсивное тепловыделение является результатом сгорания подготовленного топлива, впрыснутого за период задержки воспламенения, а также и частичного сгорания поступающего топлива. Поступление топлива в цилиндр может продолжаться в течение всего второго периода. Продолжительность второго периода зависит в основном от продолжительности периода /, изменения характера подачи топлива как в первый, так и во второй период, от качества распыливания и интенсивности вихревых движений смеси. Величина нарастания давления во второй фазе будет зависеть не только от продолжительности периода задержки воспламенения, но и от качества распыления и закона подачи топлива. Опытами установлено, что средняя величина нарастания давления за вторую фазу, обеспечивающая нормальную работу двигателя, не должна превышать 0,3 0,5 МПа на Г поворота коленчатого вала.

Период Iначинается с момента воспламенения топлива при выходе из форсунки и обычно характеризуется незначительным повышением давления при большом увеличении температуры газов. Подача топлива обычно заканчивается в конце фазы, но процесс его сгорания продолжается на линии расширения. Продолжительность третьего периода находится в прямой зависимости от интенсивности перемешивания горящих частиц топлива с воздухом. Максимальная температура цикла в случае оптимальных условий подачи топлива и протекании процесса сгорания достигается при 20—35° поворота коленчатого вала после ВМТ.

Период догорания топлива начинается от момента достижения максимальной температуры цикла. Окончание четвертой фазы может быть определено только из анализа кривой тепловыделения на линии расширения.

Повышение температуры и, давления в конце сжатия улучшает теплообмен между каплями впрыснутого топлива и воздухом, что ускоряет протекание физико-химических процессов подготовки топлива к воспламенению. Это приводит к уменьшению задержки воспламенения и снижению скорости нарастания давления. Повышение температуры и давления в цилиндре двигателя также сокращает продолжительность периода /. Поэтому более мягкая работа при прочих равных условиях будет соответствовать двигателю с более высокой степенью сжатия.

Качество распыливания топлива обеспечивает сокращение продолжительности задержки воспламенения и улучшение полноты сгорания.

Продолжительность впрыска топлива оказывает значительное влияние на протекание сгорания и показатели рабочего процесса двигателя. Короткий впрыск обеспечивает более быстрое выделение теплоты при сгорании и большую скорость нарастания давления, чем более длительный впрыск.

Наивыгоднейший угол опережения впрыска топлива зависит от степени сжатия, сорта топлива, давления и температуры на впуске и выпуске, характеристики подачи топлива, способа смесеобразования, частоты вращения коленчатого вала и находится опытным путем.

Читать далее: Процесс расширения в дизельном двигателе

Категория: - Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Способы смесеобразования в дизельных двигателях

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

   Ремонт топливной аппаратуры автомобилей

Способы смесеобразования в дизельных двигателях

Совершенство смесеобразования в дизельном двигателе определяется устройством камеры сгорания, характером движения воздуха при впуске и качеством подачи топлива в цилиндры двигателя.

В зависимости от конструкции камеры сгорания дизельные двигатели могут быть выполнены с неразделенными (однополостны-

ми) камерами сгорания и с разделенными камерами вихревого и пред-камерного типов.

У дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания весь объем камеры располагается в одной полости, ограниченной днищем поршня и внутренней поверхностью головки цилиндров (рис. 54). Основной объем камеры сгорания сосредоточен в выемке днища поршня, имеющего конусообразный выступ в центральной части. Периферийная часть днища поршня имеет плоскую форму, вследствие чего при подходе поршня к в. м. т. в такте сжатия между головкой и днищем поршня образуется объем вытеснения. Воздух из этого объема вытесняется в направлении камеры сгорания. При перемещении воздуха создаются вихревые потоки, которые способствуют лучшему смесеобразованию.

Для повышения качества смесеобразования в двигателях с неразделенными камерами сгорания воздух в цилиндры подводится через впускные каналы, имеющие тангенциальное расположение относительно камер сгорания (рис. 55). Этим достигается дополнительное завихрение воздуха в процессе впуска. Оно сохраняется также и при сжатии воздуха, благодаря чему после впрыска топлива происходит его быстрое перемешивание с воздухом.

Рис. 54. Неразделенная камера сгорания двигателя ЯМЭ-236: 1 — выпускной клапан, 2 — форсунка, 3—камера сгорания в днище поршня

Равномерное распределение топлива при впрыске по всему объему камеры сгорания достигается применением форсунок с несколькими отверстиями в распылителе. Число и диаметр отверстий распылителя подбирают из соображений наиболее полного использования воздушного заряда в цилиндре двигателя.

Дизельные двигатели с неразделенными камерами сгорания обладают рядом преимуществ, обусловленных конструкцией камеры сгорания. Прежде всего это малые потери тепла при сгорании топлива, так как камера сгорания расположена в днище поршня и в меньшей степени охлаждается жидкостью системы охлаждения. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания, это улучшает пусковые свойства двигателя и повышает его топливную экономичность. Небольшие объемы неразделенных камер сгорания позволяют также повысить степень сжатия двигателя и ускорить протекание рабочих процессов, что влияет на его быстроходность.

Недостатком дизельных двигателей с неразделенной камерой сгорания является повышенная жесткость работы. Она проявляется в виде стуков и объясняется более резким нарастанием давления в цилиндре двигателя после воспламенения рабочей смеси. Для уменьшения жесткости работы в двигатели вносят конструктивные усовершенствования, а также применяют высококачественные дизельные топлива.

Четырехтактные дизельные двигатели с неразделенными камерами сгорания получили преимущественное применение на современных грузовых автомобилях.

В дизельных двигателях используются также разделенные камеры сгорания вихревого и предкамерного типов. Особенностью конструкции этих камер сгорания является то, что они разделены на две части. Одна часть — основная — располагается над поршнем, а вторая находится в головке цилиндров. Топливо впрыскивается в меньшую часть камеры, которая выполнена в головке цилиндров. Частично воспламеняясь там, топливо под действием возросшего давления попадает в основную камеру, где и сгорает окончательно.

Рис. 55. Устройство впускного канала тангенциальной формы: а — продольный разрез головки по оси канала, б — поперечный разрез головки; 1 — головка, 2 — впускной канал, 3 — выпускной канал

Камера сгорания вихревого типа (рис. 56) чаще всего по форме напоминает сферическое тело, выполненное из двух полусфер. Нижняя полусфера 2 соединяется винтовым каналом с надпорш-невым пространством основной камеры, причем канал направлен тангенциально по отношению к днищу поршня. Направление канала и форма вихревой камеры обеспечивает завихрение потока воздуха при такте сжатия.

Впрыскиваемое в конце такта сжатия топливо перемешивается с воздухом, образует рабочую смесь и частично сгорает. Несгоревшая рабочая смесь перетекает под действием образовавшегося избыточного давления в основную камеру, смешивается с дополнительным воздухом и интенсивно сгорает.

Нижняя полусфера 2 при работе двигателя нагревается до 700°С. Это способствует снижению периода задержки воспламенения топлива, так как окислительные реакции протекают при указанной температуре значительно быстрее. Вследствие изменения характера воспламенения топлива дизельный двигатель с вихревой камерой работает более мягко.

Для обеспечения надежного пуска холодного дизельного двигателя с вихревой камерой применяют свечи накаливания. Такая свеча устанавливается в вихревой камере и включается перед началом пуска двигателя. Металлическая спираль свечи накаливается электрическим током и разогревает воздух в вихревой камере. В момент пуска частицы топлива попадают на спираль и легко воспламеняются в среде разогретого воздуха, обеспечивая легкий пуск.

В двигателях с вихревыми камерами образование смеси осуществляется в результате сильного завихрения потоков воздуха, поэтому отпадает необходимость в очень тонком распыливании топлива и распределении его по всему объему камеры сгорания.

Принципиальное устройство и работа камеры сгорания пред-камерного типа аналогичны устройству и работе камеры сгорания вихревого типа. Отличием является конструкция предкамеры, имеющей цилиндрическую форму и соединенной прямым каналом с основной камерой в днище поршня. Вследствие частичного воспламенения топлива в момент впрыска в предкамере создаются высокие температура и давление, способствующие более эффективному смесеобразованию и сгоранию в основной камере.

Рис 56. Камера сгорания вихревого типа:1 — вихревая камера. 2 — нижняя полусфера с горловиной, 3 — основная камера в днище

Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания работают мягко. Из-за усиленного движения в них воздуха обеспечивается высококачественное смесеобразование. Это позволяет осуществлять впрыск топлива с меньшим давлением. Однако у таких двигателей тепловые и газодинамические потери несколько больше, чем у двигателей с неразделенной камерой сгорания, и коэффициент полезного действия ниже.

Читать далее: Характер протекания процессов впрыска и сгорания топлива

Категория: - Ремонт топливной аппаратуры автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru


Смотрите также