45. Процесс сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания с самовоспламенением горючей смеси от сжатия.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания (рис. 1.1) состоит из картера (1), цилиндра (2), впускного (3) и выпускного (4) клапанов, крышки (головки цилиндра) (5), поршня (6), шатуна (7) и колен­чатого вала (8). Пространство, ограниченное стенками цилиндра, поршня и головки, является камерой сгорания. В камеру сгорания вводятся топливо и воздух, они сжимаются поршнем и затем топ­ливо сгорает. В результате повышения температуры при горении давление га­зов, образующихся в результате сгора­ния топлива (в основном, С0₂, H₂0 и N₂), повышается (Р ~ Т), что приводит в движение поршень; поступательное движение поршня через шатун пере­дается па коленчатый вал и преобра­зуется во вращательное. Двигатели внутреннего сгорания работают при периодическом сжигании топлива. После стадии сгорания, при которой совершается работа, происходит уда­ление газов из рабочего пространства двигателя, наполнение его топливо­воздушной рабочей смесью и сжатие смеси

В дизельных двигателях топливо впрыскивается под высоким (15 МПа и более) давлением в воздух, нагретый адиабатическим сжатием до температуры 450-550 °С при давлении в цилиндре 3-4 МПа. Струя топлива имеет высокую скорость и дробится на капли. Капли топлива испаряются, вокруг жидких капель образуют­ся пары, которые воспламеняются, и происходит сгорание паров, посту­пающих в результате диффузии от поверхности капель во фронт пламе­ни — происходит микродиффузионное горение.

Реальный рабочий цикл

Действительный рабочий цикл дизельных двигателей существенно отличается от термодинамического.

Определяется это тем, что сгорание топлива в двигателе не мгно­венно. Распыленное капельное топливо испаряется, пары топлива диффундируют в воздух, их диффузия сопровождается реакциями с кислородом, ускоряющимися по мере развития разветвленного цепного процесса, что приводит к увеличению выделения тепла в единице объема, в результате возникает пламя. Пламя может воз­никнуть только при снижении концентрации топлива в воздухе до верхнего концентрационного предела воспламенения (а ~ 0,4-0,5) и повышения температуры до температуры самовоспламенения. В результате от момента впрыска до момента возникновения пла­мени всегда существует временной интервал — задержка воспламе­нения. После воспламенения паров топлива физико-химические условия горения существенно изменяются. Между поверхностью капли и фронтом пламени находятся пары топлива (рис. 10.2), на­гревающиеся от температуры поверхности капли до температуры, близкой температуре пламени (порядка 2500 К и выше). Диффузия паров от поверхности капли к фронту пламени сопровождается глубоким пиролизом углеводородов топлива, и во фронт пламени поступают продукты пиролиза — водород, метан, этилен, ацетилен, сажа.

Схема горения капли топлива:

I жидкость; 2 — пары; 3 — фронт пламени; 4 — воздух

Угол опережения начала впрыска топлива (угол поворота коленчатого вала до достижения поршнем верхней мертвой точки) составляет 10-20°, впрыск топлива продолжается на протяжении времени поворота коленчатого вала до 20-35°, от начала впрыска до возник­новения пламени — период задержки воспламенения. Фаза сгорания топлива может быть разделена на две части — начальный период 6ыстрого сгорания и затем более медленного ввиду снижения давления после достижения поршнем верхней мертвой точки.

В зависимости от свойств топлива воспламенение может иметь различный характер. Если температура самовоспламенения высока, толщина слоя паров между поверхностью капли и возникающим фронтом пламени велика, фронт пламени возникает при соотноше­нии «воздух : пары топлива», больше соответствующего верхнему пределу воспламенения (вплоть до a порядка 1,5), и пламя распро­страняется до достижения слоя, в котором концентрация топлива приблизительно равна верхнему пределу, с очень большой скоро­стью, вплоть до скорости детонации.

Если температура самовоспламенения невелика, горение начина­ется при достижении концентрации паров, соответствующей верх­нему пределу воспламенения, и скорость горения определяется ско­ростью диффузии топлива во фронт горения. В этом случае скорость нарастания давления относительно невелика, порядка 1 МПа на l° угла поворота коленчатого вала. В первом случае скорость горения в фазе быстрого горения настолько велика, что давление растет очень быстро, ско­рость нарастания давления в расчете на 1° угла поворота коленчато­го вала увеличивается в 2-3 и более раз, что делает работу двигателя жесткой, сильно повышая нагрузку на подшипники.

Склонность к самовоспламенению в условиях дизельного двига­теля определяется по эмпирической шкале цетановых чисел. В этой шкале свойство самовоспламеняться н-гексадекана (цетана) оцени­вается величиной 100, а с трудом самовоспламеняющего а-метил- нафталина — величиной 0.

Цетановым числом топлива (углеводорода) называется про­центное (по объему) содержание н-С_16;Н₃₄ в такой смеси с α-метилнафталином, которая па стандартном двигателе в стандартных условиях воспламеняется так же, как данное топливо (углеводород).

*^* л - летний период (с 01.05. по 30.09.); з - зимний период (с 01.10. по 30.04.)