Как происходит сгорание топлива в дизельных двигателях


Как происходит сгорание топлива в дизельных двигателях

Образование горючей смеси и интенсивность ее сгорания в дизелях зависят от многих причин, к которым относятся давление, температура сжатого воздуха, тонкость распыла, количество и испаряемость топлива в воздухе. Но основное значение имеет химический состава топлива, определяющий не только температуру его воспламенения, но также период задержки воспламенения, т.е. время, которое проходит с момента начала подачи топлива до его самовоспламенения.

Процессу горения предшествуют распыл топлива в сжатом воздухе, его перемешивание с воздухом, испарение. Только после этих физических процессов протекают сложные химические реакции (распад углеводородов, образование активных центров, первичных продуктов окисления и т.д.), заканчивающиеся воспламенением. Общий период задержки воспламенения складывается из времени, затраченного на протекание физических процессов и химических реакций

Процесс сгорания условно подразделяется на четыре периода. В первый период, называемый периодом задержки воспламенения, происходят процессы подготовки топлива к сгоранию: нагрев, испарение капель, и образование первичных очагов воспламенения. Первый период сопровождается выделением 10…15% энергии, заключенной в топливе и зависит от свойств топлива (склонности к самовоспламенению), от температуры и давления сжатого воздуха и количества остаточных газов. Температуру, до которой нужно нагреть топливо в смеси с кислородом воздуха, чтобы началось его горение, называют температурой самовоспламенения.

Второй период, называется периодом быстрого нарастания давления. Период быстрого горения составляет 10…12° поворота коленчатого вала). В это время выделяется основная часть (55…70%) тепловой энергии. При хорошо организованном процессе горения максимум давления соответствует положению поршня вблизи ВМТ. Подача топлива еще продолжается, поэтому во второй период не может сгореть весь цикловой заряд, сгорает только основная его часть.

Третий период можно называть периодом замедленного горения или периодом регулируемого давления (5…7° поворота коленчатого вала). За третий период выделяется около 20…25% энергии, но с меньшей интенсивностью, т.к. снижается скорость горения. В начале этого периода заканчивается цикловая подача топлива продукты сгорания расширяются, давят на поршень, совершается рабочий ход. Снижение интенсивности выделения энергии определяется тем, что увеличивается объем камеры сгорания. Однако температура газов продолжает расти и достигает своего максимума, по которому принято определять точку окончания третьего периода.

Желательно, чтобы к концу этого периода все топливо сгорело. Тогда на линии расширения не будет догорания. С повышением вязкости, утяжелением фракционного состава и увеличением в топливе асфальто-смолистых соединений процесс догорания удлиняется. Ем дольше период догорания, тем хуже: увеличиваются непроизводительные потери тепла, повышается температура выпускных клапанов, увеличивается дымность выхлопа, повышается расход топлива. Если на протекание первых трех периодов главное влияние оказывает химический состав топлива, то на четвертый период - его физические свойства.

При сгорании в дизелях одновременно в нескольких местах по внешней оболочке струи впрыскиваемого топлива образуются объемные очаги пламени. Количество возникающих очагов зависит от протекания предпламенных реакций окисления и продолжительности периода задержки воспламенения. Процесс сгорания протекает более благоприятно, если период задержки небольшой. Чем легче и быстрее окисляются углеводороды, входящие в состав дизельного топлива, тем ниже температура воспламенения топлива и короче период задержки, устойчивее и мягче работа дизеля. Наиболее склонны к окислению углеводороды парафинового ряда нормального строения. Труднее окисляются нафтеновые и изомерные углеводороды парафинового класса. Наиболее стойки к окислению ароматические углеводороды. Таким образом, те углеводороды (парафиновые нормального строения), которые не нужны в бензинах, т.к. вызывают детонационное сгорание, наиболее желательны в дизельном топливе. С повышением молекулярной массы (с ростом числа углеродных атомов в молекуле) устойчивость к окислению уменьшается - сокращается период задержки воспламенения.

На период задержки воспламенения, кроме химического состава топлива, оказывает влияние его физические свойства (вязкость, фракционный состав, количество смол и сернистых соединений), а также конструктивные особенности дизеля, давление, температура цикла, состав смеси. При большой вязкости и плохом распыливании образуются более крупные капли и короткая струя топлива. Время на прогрев и испарение крупных капель больше, что замедляет интенсивность протекания предпламенных реакций. С увеличением давления и коэффициента избытка воздуха повышается температура и количество кислорода в камере сгорания, процесс окисления ускоряется.

Если предпламенные реакции протекают интенсивно, период задержки воспламенения небольшой, топливо воспламеняется быстро, давление нарастает плавно. В этом случае при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается примерно на 0,3…0,4 Мпа - двигатель работает мягко. Продолжающее поступать топливо воспламеняется за счет имеющихся очагов.

Когда предпламенные реакции идут медленно, период задержки воспламенения увеличивается, очаги пламени образуются со значительным опозданием. В цилиндр двигателя продолжает поступать топливо, его накапливается больше, но воспламенение не происходит. Наконец, воспламеняется сразу большая часть циклового заряда, выделяется основное количество тепловой энергии. Резко возрастает давление. При повороте коленчатого вала на 1° давление возрастает на 0,7…0,8 Мпа и более - двигатель работает жестко. слышны характерные стуки (ударные нагрузки на днище поршня), падает мощность.

О жесткости работы принято судить по величине нарастания давления на 1° поворота вала. Обычно считают, что при 0,4…0,5 Мпа на 1° пкв - дизель работает мягко, при 0,6…0,8 Мпа - жестко, а более 0,9 Мпа - очень жестко (дизель быстро выходит из строя).

По внешним признакам и последствиям жесткая работа дизелей напоминает детонацию в карбюраторных двигателях, но причины их возникновения диаметрально противоположны. Если в дизельном топливе много нестойких, быстро окисляющихся углеводородов, то они легко самовоспламеняются, двигатель работает мягко. Такого же строения углеводороды в бензине вызывают детонационное сгорание.

Похожие записи