Давление горения в дизельном двигателе

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси.

Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода.

Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине.

В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях.

Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом.

В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума.

Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива.

   При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

   Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

3. Тип камеры сгорания, который оказывает влияние на задержку воспламенения, гак как в зависимости от типа камеры по разному будет проходить распространение топлива по объему воздушного заряда и в пристеночной зоне. Кроме того температура стенок камеры сгорания также будет зависеть от ее типа.
4. Интенсивность направленного движения заряда в камере. Увеличение интенсивности движения заряда несколько сокращает период задержки воспламенения. На рисунке показаны способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске.
5. Тип распылителя форсунки. Форсунка закрытого типа сокращает период задержки воспламенения. Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры, где ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности камеры сгорания. Разделенные камеры сгорания обеспечивают более полное сгорание топлива и менее жесткую работу за счет сокращения времени задержки воспламенения.
6. Нагрузка. С ростом нагрузки увеличивается давление и температура цикла, что приводит к повышению теплового режима двигателя, а это к свою очередь вызывает сокращение времени задержки воспламенения.
7. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к улучшению распыления, увеличению давления и температуры конца сжатия, что способствует сокращению первой фазы горения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность первой фазы горения при этом растет.

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой.

При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна.

Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
2. Тип камеры сгорания.

   Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.

3. Нагрузка.

   С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.

4. Частота вращения коленчатого вала.

   При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4).

К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента.

   При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.

3. Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано.

Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие четвертой фазы горения

1. Турбулентное движение заряда, которое улучшает контакт топлива и воздуха и, следовательно, улучшает догорание.
2. Качество распыления в конце подачи топлива. Чем больше диаметр капель, тем продолжительнее процесс догорания Нечеткость отсечки топлива в конце впрыска, как и продолжительное снижение давления в конце впрыска не только снижают тепловыделение, но и вызывают закоксовывание сопел форсунок.
3. Попадание топлива на холодные стенки внутри цилиндрового пространства приводит к увеличению времени догорания, поэтому увеличение нагрузки дизеля до его прогрева нежелательно.
4. Наддув. Используя наддув, увеличивают количество подаваемого топлива, в том числе и путем затяжного впрыска, что приводит к увеличению времени догорания.

Система впрыска дизельного двигателя

Система впрыска дизельного двигателя отличается от бензинового.  В камере сгорания дизельного двигателя происходит воспламенение топлива. В бензиновом поджигается топливная смесь. Приготовленная, вне камеры сгорания и  в определенном соотношении. 

Поэтому воспламенение топлива дизельного двигателя имеет свои особенности. Основываются ни на физических свойствах воздуха и непосредственно дизельного топлива. Эти свойства определяют конструктивные особенности. Различных систем впрыска топлива.

Воспламенение дизельного топлива

Поршень сжимает воздух в камере сгорания. Поршневая группа позволяет создать компрессию в камере сгорания выше 25 вар. Если это происходит. Температура сжимаемого воздуха поднимается до 700- 900 градусов по цельсию.

Нагрев воздуха в камере сгорания

Нагрев воздуха происходит. Из а того , что при сжатии уменьшаются расстояния  между молекулами воздуха . Молекулы находятся в постоянном движении. И чем меньше между ними расстояние.

тем чаще они сталкиваются друг с другом. В результате выделяется большое количество кинетической  энергии. Которая переходит в тепловую.  Чем сильнее давление на воздух тем меньше расстояние между молекулами.

Те выше поднимается температура сжимаемого воздуха.

Как происходит воспламенение

Сжатый воздух нагрет  до температуры 700-900 градусов. В момент когда поршень начинает подходить к верхней мертвой точке. Форсунка впрыскивает топливо под давлением. Топливо распыляется на мелкие капли. Капля от движения начинает испаряться и вокруг неё образуется облако пара.

 Температура воспламенения дизельного топлива составляет 350 градусов по Цельсию. То есть при температуре сжатого воздуха  даже в 500 градусов. Пары топлива гарантированно самовоспламеняются.  И от горения начинают расширяться. Создаётся  давление в цилиндре.

К моменту когда поршень подойдет к верхней мертвой точке. Топливо воспламенится все полностью и создаст максимальное давление в камере сгорания. Это давление и будет совершать работу двигателя. По мере удаления поршня от верхней мертвой точки топливо догорает.

  Создавая тем самым дополнительное давление на поршень.

Качество сгорания топлива во многом определяет давление с которым происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Чем быстрее и эффективнее сгорает топливо тем выше создаваемое им давление.

  Чем выше давление распыления в форсунках. Тем капли мельче и быстрее движутся. Соответственно быстрее сгорают.

  Поэтому при одном и том же объёме камеры сгорания можно достичь повышение мощности двигателя за счет увеличения давления впрыска топлива.

Увеличение мощности двигателя

 Современные системы впрыска позволяют поднять давление распыления до 2000 Вар. Выше создать давление не получается из за конструктивных особенностей двигателя внутреннего сгорания.  То есть двигатель может не справиться с возникающим давлением и разрушится

Увеличение объёма воздуха в камере сгорания

Мощность двигателя можно повысить за счет увеличения объема воздуха поступающего в камеру сгорания. Так как воздух содержит кислород. И чем его больше тем интенсивнее происходит сгорание топлива.  Цилиндр имеет рабочий объём, который изменить нельзя. Но можно в этот объём разместить большее количество воздуха. Если предварительно его сжать.

 Происходит это с помощью турбокрмпрессора.  Он создаёт избыточное давление поступающего в цилиндр воздуха. В результате его попадет большее количество. Если бы поршень закачивал воздух самостоятельно. Но в результате попадания воздуха в турбокомпрессор он нагревается от температуры турбины и от создаваемого им сжатия.  Требуется его охлаждение.

При охлаждении движение молекул замедляется. В результате чего они начинают занимать меньший  объём в пространстве. Технически  охлаждение  воздуха происходит  путем применения радиатора.  Его называют интеркулер. В интеркулере воздух охлаждается встречным потоком воздуха.

При движении автомобиля. Сжатый воздух дополнительно охлаждается и подаётся в цилиндры. Но применение интеркулера возможно  только при наличии турбокомпрессора. Потому что если применять его отдельно, он затруднит поступление воздуха в цилиндры.

И повышения мощности не произойдет.

Топливо попавшее в цилиндр должно сгореть полностью. От этого зависит эффективная работа двигателя. Безусловно дополнительная порция воздуха помогает это сделать. Но не решает проблемы в целом. Двигатель работает в разных режимах. При увеличении оборотов. Уменьшается время на горение топлива. А не полное его сгорания снижает мощность работы.

В связи с уменьшением  возникающего давления на поршень. Автомобили несут на себе разную нагрузку.  При одних и тех же оборотах двигателя требуется разное количество топлива для движения автомобиля. Поэтому постоянно разрабатываются различные системы впрыска топлива.  Которые пытаются более точно регулировать объём поступающего топлива в цилиндры.

При работе на разных режимах работы двигателя.

Классическая система впрыска топлива

Основана на использовании топливного насоса высокого давления. Он распределяет давление топлива по цилиндрам. В зависимости от схемы работы данного двигателя.  Полость ТНВД наполняется топливом при помощи подкачивающего насоса. Который расположен на корпусе ТНВД и приводится в действие от вала ТНВД.

Подкачивающий насос закачивает топливо из бака Направляет его в фильтры тонкой очистки. И затем топливо попадает в ТНВД. Полость топливного насоса высоко давления наполняется. В ней находятся плунжерные пары. Они захватывают топливо. И создают высокое давление. Которое и подаётся к форсункам.

Форсунка устроена таким образом. Что накапливает получаемое давление от плунжера. И при достижении нужного давления открывает каналы через которые распыляется топливо. Это классическая схема. Насос позволяет менять частоту вращения коленчатого вала двигателя.

Путем изменения количества подаваемого топлива в цилиндры.

 Кроме этого некоторые насосы имеют возможность изменять угол опережения зажигания. За счет применения центробежных грузиков. При увеличении числа оборотов двигателя происходит смещение вала насоса относительно привода.

Эта система рассчитывается на средние показатели работы двигателя. На различных предполагаемых режимах работы. И не может влиять на не предусмотренные нагрузки. Такие как уменьшение или увеличении перевозимого груза. Спуск подъем. Дорожное покрытие.

Количество топлива будет соответствовать только количеств требуемых оборотов двигателя.

Соответственно топлива будет либо не хватать. Либо подаваться избыточное количество. В результате не достигается полное  сгорание топлива в цилиндрах, и как результат низкий коэффициент полезного действия. Влияющий отрицательно на расход топлива и мощность двигателя и показатели экологии.

Требования предъявляемые к экологии в конечном итоге оказались главным фактором эволюции системы впрыска. Чем топливо лучше сгорает в камере сгорания. Тем образуется  меньше вредных выбросов окружающую среду. Соответственно чем эффективнее сгорание топлива  лучше характеристики двигателя.

Конструктора длительное время усовершенствовали систему впрыска дизельного топлива.

Но всё это были как правило вариации на тему ТНВД. Впрыск топлива производился в полном объёме. Поэтому при работе дизельного  двигателя слышен характерный стук. Воспламеняется топливо поданное в цилиндр, давление возрастает  В ВМТ до максимальной величины. И происходит сильный удар.

Современная система впрыска дизельного двигателя способна производить подачу впрыска в несколько этапов. Как производить производить предварительный поджог  топлива.

Предварительная подача топлива называется пилотным впрыском. Когда поршень проходит отметку угла опережения зажигания происходит предварительный впрыск топлива. Небольшое количество топлива загорается.

Затем даётся еще какое то количество топлива.

Таких предварительных впрысков может достигать до 5. После  пилотного впрыска происходит основной впрыск. Уже в горящее топливо. Основное количество топлива быстрее загорается  и  сгорает более эффективно.

В результате двигатель работает плавно без резких ударов. А более полное сгорание топлива обеспечивает низкий уровень выброса вредных веществ и повышение мощностных характеристик двигателя.

Подобный впрыск может обеспечить только система  Комон рейл

Система Комон рейл

Управление впрыском топлива происходит при помощи электронного блока управления.

Количество подаваемого топлива учитывается от числа оборотов двигателя, скорости движения и возникающих нагрузок в процессе движения автомобиля.

Система впрыска дизельного двигателя комон рейл позволят достичь максимально возможного давления впрыска топлива. Поэтому она и получила широкое распространение на современных двигателях.

Система common rail принцип работы

Насос создаёт высокое давление не для каждой форсунки в отдельности  а для всех сразу. Давление аккумулируется в расширительной трубке рейле.  Все форсунки соединены с рейлом.  Впрыск топлива осуществляется за счет работы электро магнитного клапана в форсунках. Управление клапанами осуществляет электронный блок.  На основании данных которые он получает от датчиков.

• положение коленчатого  вала

• положение распределительного вала

• температуры поступающего воздуха-

• количество сгоревшего топлива

В зависимости от полученных данных ЭБУ определяет время открытия и закрытия форсунок. То есть количество необходимого топлива. Угол опережения зажигания.

Достигается максимальное сгорание топлива на разных режимах работы двигателя.

Устройство системы комон рейл

Система комон рейл состоит из элементов низкого и высокого давления топлива.

Элементы низкого давления обеспечивают подачу топлива до насоса высокого давления. Низкое давление является составной частью нагнетания высокого. То есть оно должно иметь определённую величину. Чтобы насос высокого давления эффективно работал.

В систему низкого давления входят топливоподводящие трубки. Фильтра грубой и тонкой очистки топлива. И как правило шестеренный насос низкого давления.

Элементы высокого давления производят нагнетание рабочего давления топлива в камере сгорания.

К ним относятся:

• Подводящие трубки к форсункам

• Форсунки распыляющие топливо в камере сгорания

В связи с тем что система подводит давление к форсункам одновременно. Затрудняется поиск неисправностей. Если одна форсунка вышла из строя. Например перестала сдерживать рабочее давление. Двигатель работать не сможет. Потеря давления в одной форсунке не позволит создать давление во всей системе.

Неплотное соединение между элементами высокого давления так же позволит создать давление нагнетания.

Например очень часто форсунки подключаются к рейл при помощи удлинителей(морковок) Форсунка имеет конусное отверстие. И в это отверстие прилегает конус удлинителя. Если в соединении трубки удлинителя и форсунки будет повреждение. И трубка не плотно приляжет к форсунке. Давление в системе уже не создаться.

И двигатель не заведется.  Все соединения должны быть надёжными и предельно прочными. Попадание малейших частиц грязи приведет к неисправности. Иногда  требуется ремонт форсунок. Их снимают везут в мастерскую. Соединительные трубки остаются в пыли и грязи ждать форсунки.

При установке отремонтированных форсунок их прикручивают как они и лежали. Мотор естественно не заводится из за попавшей грязи в форсунки. А винить начинают мастеров. Диагностика неисправности системы впрыска комон рейл производится при помощи тестера. Который считывает коды ошибок выдаваемых электронным блоком.

Но этих данных бывает недостаточно для определения истинной причины неисправности.

Система впрыска дизельного двигателя подвергается постоянной эволюции. Связано это с требованиями экологии. По уменьшению  вредных выбросов отработанных газов. А это в свою очередь и есть путь к повышению эффективности работы двигателя и экономии топлива.

При каком давлении воспламеняется дизельное топливо?

Воздух, поступающий в цилиндр дизельного движка, сильно сжимается, поэтому температура в камере начинает превышать величину температуры воспламенения. При каком давлении воспламеняется дизельное топливо?

До того, как поршень достигнет «мертвой точки», в камеру впрыскивается дизтопливо и под давлением моментально воспламеняется. Если объем впрыснутого топлива велик для определенного объема камеры сгорания, то в цилиндре образуется ударная волна, которая вызывает детонацию.

Принцип работы дизельного двигателя

В дизеле сначала воздух подается в цилиндр и сжимается, без подачи топлива. Высокая степень сжатия (от 14:1 до 24:1) вызывает повышение температуры (800-900 градусов – температура самовоспламенения ДТ) .

После нагрева воздуха в камеру впрыскивается топливо через форсунки под давлением от 10 до 220 Мпа, в зависимости от типа двигателя и объема камеры.

При высокой температуре воздуха впрыснутое топливо мгновенно воспламеняется.

Воспламенение ДТ в цилиндре дизельного мотора – это одновременное возникновение очагов пламени в конкретном объеме смеси, поступившей в камеру сгорания. Центры возникновения очагов пламени – зоны смешения паров воздуха и паров топлива.

Жесткая работа двигателя вызывается быстрым (детонирующим) сгоранием топлива. Объем быстро сгорающего ДТ и скорость нарастания давления зависят от длительности периода задержки воспламенения. Чем ниже цетановое число, тем длительнее период задержки воспламенения.

Четырехтактные дизельные двигатели

Принцип работы четырехтактного двигателя состоит из нескольких циклов:

• Первый цикл – впуск в цилиндр воздуха через впускной клапан.
• Второй цикл – сжатие набранного объема воздуха в 18 – 22 раза. В коне такта давление под поршнем, достигшем верхней мертвой точки, 40 кг/см2. При этом температура повышается до 500 градусов и выше.
• Третий цикл – в камеру через форсунки впрыскивается под давлением ДТ, которое самовоспламеняется, так как температура сжатого воздуха предельна.
• Сгорая, ДТ расширяется и давление в камере увеличивается. Под давлением поршень перемещается к нижней мертвой точке и поворачивает коленвал (через шатун). При рабочем ходе давление в цилиндре – 100 кгсм2.
• Четвертый цикл – выпуск отработанных газов, который освобождает цилиндр.

Цетановое число напрямую влияет на плавную и бесперебойную работу дизельного двигателя. На сегодня нормативами установлен предельный размер цетанового числа – 51, не ниже.

Компания «ExpressDiesel» является дилером крупнейших НПЗ северо-западного региона России. У нас всегда можно прибрести качественное сертифицированное ДТ по лучшим ценам в регионе.

Горение в дизельном двигателе

Дизельные двигатели используются все шире и шире, т.к. они экономичны и долговечны. В отличие от бензиновых, дизельные двигатели сжигают топливо без помощи искры.
 

Условия горения

Для горения требуется 3 вещи: что-то, что может гореть, достаточное количество кислорода в воздухе и источник воспламенения. Существуют два пути воспламенения: вещество может загораться от пламени или от искры, или может воспламеняться от нагрева.

Если солярку аккуратно нагревать в фарфоровой чашке без доступа к нему пламени, то при определенной температуре его пары воспламеняются. Температура, при которой это происходит, называется температурой самовоспламенения.

В дизельном двигателе воспламенение происходит аналогичным образом, но где дизельный двигатель берет высокую температуру, необходимую для такого воспламенения? Если стоять около работающего воздушного компрессора, то можно обнаружить, что компрессор нагревается.

Это происходит из-за нагревания воздуха при его сжатии. Аналогичным образом дизельный двигатель сжимает воздух, поднимая его температуру до необходимой для самовоспламенения. Давление воздуха в цилиндре превышает 30 кгс/см2, когда поршень находится в ВМТ.

По мере роста давления, температура воздуха в цилиндре растет. В то же время, температура самовоспламенения дизельного топлива снижается с увеличением давления. Это означает, что чем выше давление, тем легче воспламеняется воздушно-топливная смесь.

Механизм горения

Топливо впрыскивается в цилиндр из форсунки, затем оно распыляется и самовоспламеняется. Пламя распространяется по всему цилиндру. В этот момент впрыск прекращается, но не сгоревшее топливо продолжает гореть. Процесс горения в дизельном двигателе продолжается очень короткое время и может разбит на 4 периода в соответствии с процессами, происходящем в каждом из них:

• — период задержки воспламенения;
• — период распространения пламени;
• — период прямого горения;
• — период догорания.

Период задержки воспламенения

Период от начала впрыска до момента начала горения называется периодом задержки воспламенения. Рассмотрим его более детально. Топливо впрыскивается форсунками в виде тумана в воздух, нагретый до высокой температуры и находящийся под высоким давлением.

Этот туман состоит из множества капель. Даже, несмотря на то, что солярка впрыскивается в очень горячий воздух, она не воспламеняется немедленно, т.к. должна сначала испариться под действием высокой температуры.

По мере испарения происходит ее перемешивание с воздухом и нагреваение до температуры самовоспламенения.

Период задержки воспламенения —  это период подготовки горения, во время которого горючее впрыскивается в разогретый воздух, перемешивается с ним и разогревается до температуры самовоспламенения. Этот период должен быть как можно короче, т.к. он оказывает существенное влияние на последующие периоды горения.

Период распространения пламени

Период от начала воспламенения до момента, когда пламя распространится на все топливо, впрыснутое в цилиндр во время периода задержки воспламенения, называется периодом распространения пламени.

Смесь воздуха и топлива образуется в период задержки воспламенения, но воздух не перемешивается полностью с соляркой с самого начала. Воздушнотопливная смесь воспламеняется там, где топливо уже перемешалось с воздухом.

В этот период происходит резкое увеличение температуры, и, как следствие, давления в цилиндре.

Период прямого горения

Форсунка продолжает впрыскивать горючее, которое сгорает немедленно после контакта с открытым пламенем в камере сгорания. В этот момент пламя уже распространилось по всей камере.

Период от момента, когда пламя распространилось по всей камере сгорания до момента окончания впрыска горючего, называется периодом прямого горения. В это время давление в цилиндре достигает максимальной величины.

Момент воспламенения регулируется таким образом, чтобы максимальная величина давления достигалась приблизительно при 10 градусах после ВМТ.

Период догорания

Период от конца впрыска до момента окончания горения, называется периодом догорания. Горение продолжается и после окончания впрыска. Несгоревшее горючее должно полностью сгореть в этот период. Поршень движется вниз во время этого периода, это позволяет воздуху в камере сгорания расширяться, в результате чего давление и температура падает.

Для нормального и полного сгорания дизельному двигателю требуется две вещи: достаточно высокое давление в камере сгорания, чтобы топливо могло самовоспламеняться и правильный впрыск. Правильный впрыск означает, что солярка впрыскивается в нужный момент и в нужном количестве. Попробуем разобраться, что же произойдет, если какое-то из этих условий не будет выполнено.

Неправильное давление или впрыск топлива

Низкая компрессия

В дизельном двигателе необходимая температура воспламенения достигается за счет сжатия воздуха в цилиндре. Когда давление в цилиндре низкое, температура сжатого воздуха также остается низкой. Иными словами, требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь достигла температуры воспламенения.

Низкая компрессия вызывает увеличение периода задержки воспламенения. Смесь топлива с воздухом рано или поздно воспламенится, но количество топлива в этом случае будет больше нормального.

Одновременно воспламенится большое количество топлива, что вызовет чрезмерный и быстрый рост давления и температуры в камере сгорания. Такое резкое увеличение давления вызывает ударную воздушную волну, действующую на днище поршня и стенки цилиндра.

Действие ударной волны вызывает «металлический» звук, также называемый дизельным стуком.

Еще более низкое давление может также вызывать белый дым. Когда давление в цилиндре очень низкое, самовоспламенение не происходит до достижения ВМТ. Т.к.

поршень уже идет вниз, температура падает и пламя не успевает распространиться в период распространения пламени. Испарение топлива продолжается в периодах прямого горения и догорания.

Несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра в конце периода догорания. Именно поэтому виден белый дым.

Ранний впрыск

Если горючее впрыскивается слишком рано, также возникает характерный дизельный стук. Слишком ранний впрыск означает, что топливо впрыскивается в камеру сгорания тогда, когда температура воздуха еще не достигла нужного уровня.

Капли солярки не испаряются также быстро, как в случае нормального горения и требуется больше времени, чтобы горючее воспламенилось. Это приводит к увеличению периода задержки воспламенения. Когда же топливо воспламеняется, одновременно загорается сразу большое его количество.

Это и вызывает дизельный стук, который мы слышим.

Поздний впрыск

Белый дым может также быть вызван поздним впрыском. Давление и температура в камере сгорания достигает нужного уровня, но поздний впрыск не оставляет достаточного времени топливу, чтобы испариться. Воспламенение топлива происходит уже после ВМТ. Т.к.

давление и температура в камере сгорания начинают немедленно падать, пламя не успевает распространиться по всей камере сгорания и период распространения пламени и горения, вскоре, прекращаются. Испарение продолжается и несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра.

В результате мы видим белый дым из выхлопной трубы.

Низкое давление топлива

Дизельный стук может быть вызван, также, низким давлением впрыска. Если топливо впрыскивается при нормальном давлении, то оно распространяется нормально.

Но, если давления впрыска низкое – горючее не распыляется нормально и величина капель топлива больше, чем надо. Большие капли не могут нормально испаряться и требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь воспламенялась.

Это вызывает увеличение периода задержки воспламенения. При воспламенении загорается сразу большое количество топлива, что вызывает дизельный стук.

Большой объем впрыска

И, наконец, давайте разберемся, почему может появиться черный дым, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального. Если в камеру сгорания впрыскивается нормальное количество топлива, его капли полностью перемешиваются с воздухом и топливо сгорает до конца.

Но, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального, то, т.к. в камере находится ограниченное количество кислорода, кислород полностью выгорает в период прямого горения.

Оставшееся топливо не может перемешаться с кислородом из-за его отсутствия и превращается в углерод, который и вызывает черный дым.

Источник: Diesel-line.com.ua — дизельная топливная аппаратура

Процесс сгорания топлива в дизелях

Под сгоранием понимают быстро протекающую химическую реакцию окисления топлива, сопровождающуюся выделением тепла и появлением пламени.

При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию продуктов сгорания, которая используется в двигателях.

Воспламенение рабочей смеси в цилиндре дизеля в отличие от карбюраторного двигателя происходит без участия внешнего источника пламени (искры).

В цилиндре дизеля при такте всасывания поступает воздух, который при следующем перемещении поршня (такт сжатия) сжимается до давления 25-60 кГ/см2. Температура воздуха в цилиндре при таком давлении поднимается до 650-750°С.

В нагретый и сжатый воздух в конце такта сжатия насосами высокого давления с силой впрыскивается через форсунку топливо и в распыленном состоянии перемешивается с воздухом, образуярабочую смесь, которая без постороннего источника воспламеняется и сгорает.

Достижение таких высоких параметров воздуха в дизелях тепловозов обеспечивается за счет высокой степени сжатия.

В табл. 6 приведены данные о степени сжатия и максимальном давлении сгорания топлива по дизелям основных серий тепловозов.

Таблица 6

Наименование	Д50	М75Я	2Д10»	1ЭД100	пап	д:о
Степень сжатия . .	12,5	13.5	15	15	12	12,8
Максимальное дав-
ление сгорания в
кГ/см* (при р —
= 760 мм рт. ст.)	6)-65	83	81	100	110	120 ие
более
Среднее эффектив-
ное давление на
поршень в кГ1см*.	7,7-9,3	7,4	6,26	9,3	9,1	13,8
Мощность в э. л. с.	1000-1200	7£0	2000	3000	3003	3000

Для нормального сгорания топлива необходимо, чтобы оно успевало полностью испариться в цилиндре. Соотношение топлива и воздуха в объеме цилиндра должно быть равномерным. Эти условия достигаются как за счет конструкционных особенностей топливной аппаратуры и камеры сгорания двигателя, так и за счет свойств дизельного топлива (вязкости, фракционного состава, плотности и др.).

Для полного испарения н сгорания топлива в цилиндрах необходимо тонкое его распыливание.

Если в цилиндре дизеля какая-то часть топлива к моменту воспламенения будет находиться в каплевидном состоянии, то процесс сгорания будет частично задерживаться н топливо будет догорать в конце такта расширения или даже при выпуске.

За счет этого будет перегреваться дизель и падать его мощность. Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы было подано в дизель достаточное количество воздуха, а процесс перемешивания топлива с воздухом происходил бы равномерно.

Если в дизель будет подано недостаточное количество воздуха, то это приведет к неполному сгоранию рабочей смеси, т. е. в продук тах сгорания останутся горючие вещества — окись углерода или чистый углерод в виде сажи. Поэтому для полного сгорания топлива в цилиндры двигателя подается воздух с некоторым избытком.

Теоретически установлено, что для сгорапия 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха. Практически же для полного сгорания в цилиндры дизеля подается воздуха больше, чем теоретически необходимо.

Это вызывается тем, что на испарение топлива от момента его впрыскивания до начала горения в современном высокооборотном дизеле отводится мало времени (0,003 — 0,004 сек).

За такое короткое время топливо не успевает полностью и равномерно перемешиваться с воздухом, если его не будет подано с избытком, а следовательно, и сгорание топлива будет неполным-дизель будет дымить.

Отношение фактического расхода воздуха, вводимого в цилиндры дизеля на 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой а (альфа). Так, например, при номинальной мощности дизеля 2Д100 на 1 кг сжигаемого дизельного топлива расходуется около 26 кг воздуха. В этом случае коэффициент избытка воздуха составляет:

а = 26,0: 14,5= 1,8.

Следовательно, если два дизеля 2Д100 тепловоза ТЭЗ в 1 ч сжигают при максимальной форсировке 700 кг дизельного топлива, то для полного сгорания такого количества топлива при коэффициенте избытка воздуха 1,8 необходимо в цилиндры дизеля подать (26X700) = = 18 200 кг, или 14 500 м3 воздуха (1 кг воздуха при нормальных условиях занимает объем примерно 0,8 м3).

Если коэффициент избытка воздуха будет чрезмерно большим, то это также нежелательно, так как часть полезной энергии топлива затрачивается на нагревание избыточного воздуха, отчего понижается температура горения, а следовательно, снижается мощность дизеля.

Для экономичной и надежной работы дизеля тепловоза выбор коэффициента избытка воздуха имеет очень важное значение.

Процесс сгорания топлива в дизелях с воспламенением от сжатия обычно принято разделять на три фазы.

Первая фаза — период задержки воспламенения, или период предварительного окисления, который зависит от химического и фракционного состава топлива, от температуры и давления рабочей смеси в камере сгорания. Наименьшим периодом задержки воспламенения обладают парафиновые углеводороды, затем идут нафтеновые и наибольшим периодом — ароматические.

Повышение температуры воздуха к моменту впрыска топлива увеличивает нагрев его, в результате чего возрастает скорость испарения, улучшается самовоспламеняемость топлива, сокращается первый период.

При повышении давления температура самовоспламенения снижается.

Кроме того, при тонком распиливании повышается поверхностное испарение, происходит наиболее равномерное распределение топлива по объему цилиндра, что также вызывает сокращение первого периода.

Вторая фаза — период быстрого сгорания топлива и резкого нарастания давления, зависящий от количества топлива, впрыснутого в цилиндр, а также от скорости распространения пламени.

Если при этом периоде интенсивность приращения давления не превышает 4-6 кГ/см2 за время поворота коленчатого вала на 1°, то принято считать, что двигатель будет работать нормально.

Большие величины приращения давления в цилиндрах вызывают жесткую работу дизеля (стуки), при этом повышается давление на подшипники.

Третья фаза — период замедленного регулируемого горения, зависящий от скорости подаваемого во времени топлива и от протекания первых двух фаз.

Общей основной характеристикой для всех видов топлива является теплота его сгорания. Теплотой сгорания топлива называется количество тепла в кал (калориях), которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

Высшей теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании весовой (1 кг) или объемной (1 л) единицы топлива и при конденсации воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, входящего в состав углеводородов топлива.

Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 л топлива без учета тепла, выделяющегосяпри конденсации воды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания для дизельного топлива составляет от 5 до 10%.

Для оценки теплотехнических свойств топлива и технических расчетов пользуются низшей теплотой сгорания.

Теплота сгорания топлива, выраженная в килокалориях на 1 кг топлива (ккал/кг), называется весовой теплотой сгорания, а выраженная в килокалориях на 1 л топлива (ккал1л)-объемной теплотой сгорания.

Объемная теплота сгорания численно равна весовой теплоте сгорания, умноженной на удельный вес топлива.

Для сравнения укажем, что при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется в среднем около 10 200 ккал тепла, при сгорании 1 кг высококачественного угля (антрацита) выделяется 8 000 ккал, а при сгорании 1 кг сухих березовых дров — 4 700 ккал.

Оценку качества сгорания дизельного топлива производят цетановым числом.

⇐ | Деповской контроль за качеством дизельного топлива | | Г. Д. Меркурьев. Тепловозной бригаде о топливе и смазке | | Некоторые вопросы экономии и подсчет расхода дизельного топлива на тепловозах | ⇒