1.2 Процессы впрыскивания, смесеобразования и горения при низких температурах

Условия смесеобразования в дизельном двигателе (с воспламенением от сжатия) более сложны и менее благоприятны, чем в карбюраторном двигателе. При этом скорость образования рабочей смеси в дизельном двигателе зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются температура и плотность воздуха в камере сгорания, качество распыливания топлива при впрыске, испаряемость топлива.

Влияние температуры и плотности воздуха заключается в следующем. Повышение температуры воздуха вызывает сокращение периода задержки воспламенения в результате ускорения прогрева, испарения и окисления топлива (рис. 1.3). Температура в конце такта сжатия определяется в первую очередь температурой в конце такта впуска (рис. 1.4), что указывает на большую целесообразность предварительного разогрева воздуха, поступающего в цилиндры при пуске холодного дизельного двигателя [16].

Рис. 1.3. Замедление (по времени Т) воспламенения дизельного топлива в зависимости от температуры сжатого воздуха t_воз

Рис. 1.4. Зависимость температуры воздуха t_воз в конце такта сжатия от частоты вращения коленчатого вала (ходе сжатия и ходе расширении): 1 — минус 30 ⁰С; 2 — минус 20 ⁰С; 3 — минус 10 ⁰С; 4 — 0 ⁰С; 5— 10 °С; 6 — 20 ⁰С

Температура и давление в камере сгорания в конце такта сжатия в большей степени зависят от частоты вращения коленчатого вала и связанными с ними утечками воздуха через неплотности колец холодного двигателя.

Так, при изменении частоты вращения коленчатого вала с 80 до 200 мин ^-1 температура и давление в конце такта сжатия увеличиваются, а утечки воздуха уменьшаются примерно в 2 раза (рис. 1.5).

Рис 1.5. Потери воздуха ДG_ВОЗ в цилиндре автомобильного дизельного двигателя при двойном ходе h поршня (ходе сжатия и ходе расширения) и при следующих частотах п вращения коленчатого вала: 1 - 198 мин ^-1; 2—169 мин ^-1; 3 — 126 мин ^-1; 4 — 86 мин ^-1

Скорость смесеобразований в дизельном двигателе в значительной степени зависит от скорости испарения топлива, которая в свою очередь зависит от фракционного состава, вязкости топлива и поверхностного натяжения его. С повышением вязкости при низких температурах ухудшается прокачиваемость топлива к форсункам и качество распыливания его в цилиндрах двигателя (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Влияние вязкости дизельного топлива на средний диаметр d_ср капель

На скорость испарения оказывает влияние степень распыливания топлива (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Зависимость количества капель N в струе (а) и поверхности испарения S_И (б) 1 мл распыленного топлива от диаметра капель d_К

При уменьшении размера капель количество их и суммарная поверхность, с которой происходит испарение, сильно увеличиваются.

На период задержки воспламенения рабочей смеси большое влияние оказывает цетановое число дизельного топлива. Улучшение пусковых свойств дизельных топлив наблюдается при повышении их цетанового числа до 60...65 ед. Однако при работе дизельного, двигателя наиболее эффективным оказывается применение топлив с цетановым числом до 55 ед. (рис. 1.8), так как дальнейшее повышение дает небольшое сокращение индукционного периода.

Рис. 1.8. Влияние цетанового числа (Ц. Ч.) топлива на время пуска двигателя ф

Повышение цетанового числа топлива, как правило, связано с увеличением количества нормальных парафиновых углеводородов, которые выпадают в виде кристаллов при понижении температуры, сильно ухудшая прокачиваемость его к форсункам двигателя.

При всех конструкциях камер сгорания низкие температуры наружного воздуха резко ухудшают условия смесеобразования, затрудняя пуск двигателя и ухудшая протекание процессов сгорания при его работе во время прогрева до номинальных температур. Это явилось причиной того, что за последние годы разработаны конструкции двигателей, в которых сочетаются методы смесеобразования, присущие дизельному двигателю, и методы воспламенения, присущие карбюраторному двигателю, например, предложено использовать искровое зажигание в камере с пленочным смесеобразованием.

При наддуве двигателя возрастает плотность, а нередко и температура заряда в цилиндре, что приводит к улучшению смесеобразования и ускорению воспламенения смеси. Вместе с тем возникает необходимость существенного увеличения пробивной способности топливных струи в результате увеличения диаметра сопловых отверстий. Этот недостаток особенно ощутим при пуске и работе двигателей в условиях низких температур, когда с повышением вязкости топлива ухудшается его распыливание.

Воспламенение рабочей смеси в дизельном двигателе имеет многостадийный цепной характер. Очаги воспламенения располагаются вблизи наружных границ факела распыленного топлива, где понижение температуры из-за испарения меньше, чем по его оси, а состав смеси благоприятен для воспламенения. Возникновение очага воспламенения происходит по механизму объемного воспламенения, когда вследствие быстрого сжатия смеси происходит экзотермическая реакция. При этом после периода задержки воспламенения наблюдается быстрый саморазгон химических реакций (объемное воспламенение), сопровождающееся охватом всего объема пламенем.

При низких температурах длительность периода задержки воспламенения велика, процесс сгорания топлива затягивается, неполнота сгорания приводит к выбросу увеличенного количества токсических веществ.

В (табл. 1.1) отражено влияние вязкости дизельного топлива на его удельный расход и дымность отработавших газов [17] в результате ухудшения испарения топлива и уменьшения полноты его сгорания.

Таблица 1.1. Влияние вязкости дизельного топлива на его удельный расход

Кинематическая вязкость n сСт	7	9	15	16	40	49	65
ge, г/кВт ч	332	334	338	348	354	428	446
Дымность, условные единицы	77	79	82	-	85,6	95	98

Крупные капли, не успев, испарится в камере сгорания, воспламеняются с большим запаздыванием и медленно догорают на такте расширения. Жидкое топливо, догорающее на стенках камеры сгорания и днище поршня, оставляет на них углеродистые отложения; нагаром покрываются и распылители форсунок. В результате этого ухудшается теплообмен между сильно нагретыми деталями двигателя и охлаждающей жидкостью, что приводит к нарушению смесеобразования топлива. Для запуска холодного дизеля необходимо тонкое распыливание топлива, которое обеспечивается кинематической вязкостью на входе в форсунку не выше n=20 сСт для среднеоборотистых и n=25 сСт для тихоходных дизелей.