Процесс сгорания

Условия смесеобразования в дизельных двигателях чрезвычайно сложны, так как этот процесс протекает очень короткое время — 0,003—0,005 секунды ^25—30° поворота коленчатого вала). За это время трудно равномерно рас­пределить топливо в сжатом воздухе, поэтому состав смеси в разных частях камеры сгорания получается неодинаковый. В продолжение процесса сгорания состав смеси непрерывно изменяется, так как почти до конца сгорания продол­жается впрыск топлива. Чем ближе к концу впрыска, тем меньше остается в камере неиспользованного воздуха, и часть топлива может не сгореть, если в камере сгорания не будет некоторого избытка воздуха. Поэтому горючая <;месь у дизельных двигателей должна содержать воздуха па 20—50% больше, чем нужно по расчету для полного сгорания топлива (бедная смесь).

Необходимость сжигать в цилиндре дизельного двигателя бедную смесь приводит к тому, что объем цилиндра используется неполностью: с нагретым воздухом из цилиндра выбрасывается большое количество тепла, снижается мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема, увеличивается вес двига­теля. Это несколько снижает те преимущества, которые дизельные двигатели имеют перед карбюраторными.

От начала впрыска топлива до начала самовоспламенения проходит некоторый промежуток времени (0,001—0,002 секунды), который называется периодом задержки воспламенения. Если задержка воспламенения является продолжительной, то в камере сгорания скапливается много топлива, что вызывает резкое нарастание давления при вспышке. Детали кривошипно- шатунного механизма подвергаются при этом ударной нагрузке, и двигатель стучит. Такая работа называется жесткой.

Однако задержка воспламенения не должна быть слишком короткой, так как при этом необходимо будет начинать впрыск тонлива при положении поршня, более близком к ВМТ. В результате большое количество топлива будет сгорать после ВМТ при возрастающем объеме, а это увеличит потери тепла через стенки камеры в охлаждающую воду, и экономичность двигателя снизится.

Для каждого двигателя в соответствии с условиями смесеобразования находят оптимальный период задержки, обеспечивающий сравнительно мягкую работу при достаточно высокой экономичности.

Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от не­скольких факторов.

От степени сжатия двигателя. Чем выше степень сжа­тия, тем выше температура сжатого воздуха и меньше время прогрева топлива.

От формы камеры сгорания. Чем лучше она обеспечивает завихрение смеси и перемешивание топлива с воздухом, тем скорее завер­шается прогрев.

От числа оборотов коленчатого вала. Увеличение числа оборотов до определенных пределов способствует сокращению задержки воспламенения, так как улучшаются условия смесеобразования: повышается температура сжатого воздуха, усиливается его завихрение. Однако по мере возрастания оборотов сокращается продолжительность впрыска, вследствие чего в камеру одновременно попадает много холодных частиц топлива, что замедляет их прогрев. У быстроходных дизелей период задержки воспламе­нения по времени приближается к периоду впрыска, и топливо сгорает поч­ти одновременно с резким нарастанием давления. Это является одной из при­чин, ограничивающих увеличение числа оборотов у дизельных двигателей.

Продолжительность периода задержки зависит также и от эксплуата­ционных условий.

Топливо будет дольше прогреваться, если оно плохо распылено, если форсунка раньше времени впрыскивает топливо и оно попадает в недоста­точно прогретый воздух, если топливо имеет высокую температуру самовос­пламенения, если двигатель работает с малой нагрузкой, на холостом ходу и недостаточно прогрет.

На характер протекания процесса сгорания в значительной степени влияет момент впрыска топлива в цилиндр. Положение коленчатого вала, при котором должен начинаться впрыск, характеризуется величиной угла опережения впрыска. Последний зависит от степени сжатия двигателя, сорта применяемого топлива, формы камеры сгорания и некоторых других факторов. Для каждого типа двигателя наивыгоднейший угол опережения впрыска находится при испытании в лабораторных условиях.

При раннём впрыске, когда угол опере жения больше наивыгод­нейшего, работа становится жесткой. Кроме того, топливо может воспламе­ниться преждевременно, и в этом случае сила давления газов будет действо­вать некоторое время навстречу движущемуся поршню, мощность двигателя снизится.

Частицы топлива, пе успевая загореться в непрогретом воздухе, будут ударяться о стенки камеры, образуя жидкостную пленку, которая полностью не сгорит. Вследствие этого выхлоп получится дымный.

При позднем впрыске, когда угол опережения меньше наивы­годнейшего, горение будет протекать при значительно увеличивающемся объеме, снизится давление газов, увеличится теплоотдача стенкам цилиндра, а следовательно, снизятся мощность и экономичность двигателя.

Чтобы обеспечить нормальное протекание процессов смесеобразования и сгорания топлива в дизельном двигателе, необходимо: периодически про­верять и регулировать форсунки и топливный насос, более полно загружать двигатель, избегая работы на холостом ходу, и применять только тот сорт топлива, который предусмотрен для данного двигателя.

В зависимости от формы камеры сгорания тракторные дизели подразде­ляют на два типа:

1) дизели с разделенными камерами (вихрекамерные и предкамерные);

2) дизели с неразделенными камерами (однокамерные).

Разделенную камеру сгорания имеют дизели Д-36 и Д24. На рисунке 22, а показан разрез такой камеры. Одну часть ее, около 30% полного объема, составляет пространство между днищем поршня и головкой цилиндров Вторая часть, большая по объему, образована сферическим углублением 1 в головке и вставкой 2 из жаростойкой стали, закрепленной в определенном положении штифтом 3. Эта часть называется вихревой камерой.

а двигатели с такой камерой — вихрекамерными. Вставка имеет сферическую форму внутренней поверхности и три наклонных канала — диффузора, соединяющих полость вихревой камеры с надпоршневой ее частью.

Смесеобразование в камерах такого типа происходит следующим образом: при такте сжатия воздух поступает через диффузоры с большой скоростью и благодаря расположению диффузоров по касательной к поверхности камеры интенсивно в ней завихряется.

В этот вращающийся воздушный поток в конце такта сжатия форсунка начинает впрыскивать топливо, которое хорошо перемешивается с воздухом и быстро воспламеняется. Когда давление в вихревой камере становится выше, чем в надпоршневой части, воздух и продукты горения начинают перетекать « надпоршневую часть камеры. Частицы топлива, не сгоревшие из-за недо­статка воздуха в вихревой камере, догорают в этой части камеры.

Рис. 22. Формы камер сгорания дизельных двигателей:

а—разделенная камера (вихревая); б—неразделенная камера; в—камера в поршне; 1—сферическое углубление в головке; 2—вставка; штифт; 1—цент­ральный диффузор; 6—пространство над поршнем; б—углубление в днище поршня.

Вихрекамерные дизели имеют ряд положительных качеств.

1. Сравнительная мягкость работы. Это объясняется тем, что давление газов при перетекании через диффузоры снижается и, кроме того, вследствие сильных вихревых движений уменьшается продолжительность задержки воспламенения. Максимальное давление газов над поршнем около 50 кг/см*

2. (Д-36). Интенсивное перемешивание топлива с воздухом позволяет сжигать в цилиндрах вихрекамерных дизелей менее бедные смеси, за счет чего увели­чивается литровая мощность двигателей.

3. Смесеобразование происходит при сравнительно невысоком давлении впрыска (125 кг/см²), что облегчает работу топливной аппаратуры.

4. Двигатель хорошо приспосабливается к переменным режимам работы, так как даже при пониженном числе оборотов смесеобразование происходит удовлетворительно.

В дизелях с неразделенными камерами сгорания топливо впрыскивается форсупкойв пространство 5 над поршнем (рис. 22, б). Смесеобразование обес­печивается главным образом за счет высокого давления впрыска и большой скорости частиц топлива.

Преимуществом таких двигателей является компактность камеры, вследствие чего меньше ее охлаждаемая поверхность, а следовательно, и потери тепла. Это повышает экономичность двигателя и облегчает процесс пуска. Недостатки однокамерных дизелей в том, что у них менее совершенное смесеобразование, вследствие чего приходится применять более бедные смеси, их работа более жесткая, кроме того, у двигателей этого типа к работе форсу­нок и всей тонлнвоподающей системы предъявляются повышенные требо­вания.

На рисунке 22, в изображена камера сгорания дизеля Д-14; 70% объема всей камеры составляет углубление эллипсоидной формы в днище поршня, остальную часть образует пространство между поршнем и головкой блока. Вследствие большого диаметра горловины эту камеру считают неразделенной. Хотя такая камера и не является компактной, все же потери тенла в ней невелики, так как основная часть камеры расположена в поршне и не омы­вается охлаждающей водой. Температура в конце сжатия у двигателя Д-14 выше, чем у двигателей с разделенными камерами, что улучшает его пусковые качества. Максимальное давление газов над поршнем достигает 70 кг/см².

Дизельное топливо предназначено для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. Условия смесеобразования и воспламенения топлива в дизелях отличаются от таковых в карбюраторных двигателях. Преимуществом первых является возможность осуществления высокой степени сжатия (до 18 в быстроходных дизелях), вследствие чего удельный расход топлива в них на 25-30 % ниже, чем в карбюраторных двигателях.

В то же время дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами.По экономичности и надежности работы дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.