3. Процес згорання палива в дизельному двигуні

Розгорнена індикаторна діаграма дизельного двигуна показана на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 - Процес згорання в дизельному ДВЗ

Уприскування палива проводиться з випередженням, рівним куту φ, який складає 10–20° до приходу поршня у ВМТ. Моменту початку уприскування відповідає крапка а. Різке підвищення тиску починається в крапці б, відповідною початку самозаймання палива. У крапці в характер наростання тиску змінюється. Точкою грама відмічений момент кінця уприскування. Отже, уприскування палива проводиться в період, відповідний повороту валу від крапки а до точки р. Максимальному тиску згорання відповідає точка д. Весь період згорання прийнято розділяти на три фази.

Перша фаза – період згорання від крапки а до крапки б – називається періодом утворення зон згорання, або періодом затримки займання. У цей період температура палива, що уприсується під тиском в середу стислого (3,5–4,5 Мпа) і нагрітого повітря (600–700 °С), підвищується і досягає температури самозаймання (200–300 °С).

Тривалість першої фази згорання складає від 0,002 до 0,006с або від 10 до 30° повороту колінчастого валу і залежить головним чином від фізико-хімічних властивостей палива (і значною мірою від його цетанового числа), ступеня стиску двигуна, інтенсивності розпилювання палива і вихрового руху в камері згорання.

Друга фаза – період згорання від крапки б до крапки в – називається періодом розповсюдження полум'я за об'ємом згорання, або періодом швидкого згорання. У цей період тиск нестримно зростає. Швидкість наростання тиску в цей період оцінюється показником жорсткості dP/dα. Тривалість другої фази згорання залежить головним чином від тривалості першої фази, швидкості подачі палива, однорідності і вихрового руху суміші.

Третя фаза – період згорання від крапки в до точки д – називається третім періодом згорання, або періодом повільного згорання. Цей період характерний незначним підвищенням тиску. Тривалість третьої фази згорання залежить головним чином від швидкості руху частинок палива і повітря. Збільшення швидкості досягається високим тиском і раціональним напрямом струменя уприскуваного палива.

Період згорання від крапки б до точки д називають періодом видимого згорання. Після точки д починається процес розширення, при якому тиск падає. Частина палива догорає в процесі розширення.

У дизельних двигунів швидкість наростання тиску має бути не більше 0,4–0,6 Мпа на 1 градус повороту колінчастого валу. Робота при більшій швидкості наростання тиску супроводжується стуками. Випробуваннями дизельних двигунів встановлено, що стукоти виникають унаслідок підвищеної швидкості наростання тиску на початку другої фази. Чим більше період затримки займання, тим більше палива поступає в циліндр, тим вище швидкість наростання тиску і вище максимальний тиск циклу. Плавна робота двигуна і пониження максимального тиску циклу досягаються скороченням періоду затримки займання.

На скорочення періоду затримки займання значною мірою мають вплив наступні причини:

• температура займання палива і його цетанове число, оскільки з пониженням температури самозаймання і підвищенням цетанового числа період затримки займання скорочується;

• ступінь стиску двигуна, оскільки з підвищенням ступеня стиску збільшуються температура і тиск повітря до моменту уприскування, знижується температура самозаймання палива і збільшується різниця між температурою стислого повітря і температурою самозаймання палива.

На індикаторній діаграмі (рис. 5.4) нанесені криві, що характеризують подачу палива х = f(a) і згорання палива у = f(a). Як видно з діаграми і кривих, для даного двигуна кут випередження уприскування складає ~ 10°, тривалість уприскування рівна 17°, тобто уприскування закінчується пізнішим ВМТ. Близько 50% палива уприсується до ВМТ; період затримки займання рівний ~ 7°. До ВМТ згорає порівняно невелика частина палива – близько 7%, до моменту, відповідного кінця уприскування, згорає близько 40% палива; догорання палива відбувається в процесі розширення.

Згорання в дизельному двигуні відбувається при змінному тиску і об'ємі газів, що змінюється. Для полегшення розрахунків зазвичай передбачається, що процес згорання протікає при V = const і P = const. При цьому для визначення температури в кінці процесу згорання рівняння згорання може бути виведене з балансу внесеної і використаної теплоти:

,

де Qc – теплота, що міститься в газах до згорання;

Qhu– теплота, що повідомляється газам при згоранні палива;

Qz' – теплота, що міститься в газах після згорання;

Qр – теплота, еквівалентна роботі розширення газів, що здійснюється за період згорання при р = const.

Виразимо рівняння, що становлять

і, підставивши в рівняння теплового балансу, отримаємо

Розділивши отримане рівняння на Ma, маємо наступний вид рівняння:

.

Після перетворень отримуємо рівняння згорання для дизельних двигунів:

.

Для вирішення цього рівняння і визначення T_Z необхідно задатися ступенем підвищення тиску λ, залежною від кількості палива, що згорає при ізохоричному і ізобаричному процесах. Величина ступеня підвищення тиску складає у двигунів з роздільними камерами згорання 1.1–1.4, у двигунів з нероздільними камерами 1.4–2.2.

Тиску в кінці процесу згорання дизельного двигуна можна визначити по формулі:

.

Для визначення ступеня попереднього розширення продуктів згорання дизельного двигуна виразимо кількість газів в циліндрі двигуна до і після згорання:

Визначимо коефіцієнт молекулярної зміни робочій суміші:

і з отриманого виразу виразимо ступінь попереднього розширення продуктів згорання:

На підставі дослідницьких даних встановлено, що температура в кінці процесу згорання змінюється в наступних межах: для карбюраторних двигунів – від 2400 до 2800 С^о, для дизельних двигунів з нероздільними камерами згорання – від 1800 до 2200 С^о, для дизельних двигунів з роздільними камерами згорання – від 1700 до 2100 С^о; тиск газів для карбюраторних двигунів від 4.0 до 6.0 Мпа, для дизельних двигунів з нероздільними камерами згорання від 6.5 до 12 Мпа, для дизельних двигунів з роздільними камерами згорання від 5.5 до 7.5 Мпа.

Контрольні питання

1. Процес згоряння різних типів ДВЗ.

2. Розповсюдження фронту полум’я під час згоряння в бензиновому двигуні.

3. Індикаторна діаграма процесу згоряння бензинового ДВЗ. Етапи процесу.

4. Процес згоряння. Індикаторна діаграма процесу дизеля. Етапи процесу.

5. Випередження запалювання. Індикаторні діаграми ДВЗ при оптимальному, ранньому та пізньому запалюванні.

Тема №6. Процес розширення і випуску відпрацьованих газів. Способи зменшення токсичності.

1. Процес розширення

2. Процес випуску

3. Способи зменшення токсичності

1. Процес розширення

Процес розширення протікає із змінним теплообміном по ще складнішому закону, ніж процес стиску, оскільки окрім охолоджування газів, що розширюються, додаються явища догорання палива і відновлення продуктів дисоціації. На початку політропного процесу розширення підвід теплоти до газу унаслідок догорання палива превалює над відведенням її в стінки камери згорання, і ця ділянка процесу розширення наближається до ізотермічної (показник політропи розширення близький за значенням до одиниці). Надалі, у міру зниження інтенсивності догорання палива, наступає момент, коли процес розширення стає адіабатним і показник політропи дорівнюватиме показнику адіабати, визначеному по середній температурі процесу. Кінцева фаза процесу розширення супроводжується інтенсивним відведенням теплоти від робочого тіла, і показник політропи стає більше показника адіабати. При визначенні параметрів робочого тіла і роботи розширення користуються деяким постійним за значенням показником, рівним середньому значенню.

Рисунок 6.1 - Діаграма процесу розширення.

Середній показник політропи розширення n₂ оцінюють з урахуванням дослідницьких даних: для дизельних двигунів n₂ = 1,15 – 1,3; для карбюраторних двигунів n₂ = 1,22 – 1,28. При розрахунку карбюраторних двигунів для визначення показника політропи розширення використовують формулу, запропоновану А. Петровим:

,

де n - частота обертання, об./хв.

Тиск в кінці процесу розширення може бути визначений на підставі відомих термодинамічних співвідношень для політропічного процесу

,

звідки

.

Для карбюраторних двигунів, в яких все тепло повідомляється при V = const, а отже

, , ;

для дизельного двигуна:

, ,

.

Величина називається ступенем подальшого розширення, тоді

.

У карбюраторних двигунах при повністю відкритій дросельній заслінці тиск в кінці процесу розширення близько до 0.4 Мпа. У міру дроселювання цей тиск знижується прямо пропорціонально тиску всмоктування і на холостому ходу двигуна складає приблизно 0,15 Мпа. У дизелях тиск кінця розширення також близько до 0,4 Мпа і при зменшенні навантаження знижується трохи.

Для визначення температури кінця розширення можна використовувати співвідношення

,

звідки

.

Тоді для карбюраторних двигунів:

;

для дизелів:

.

Температура в кінці процесу розширення перед відкриттям випускного клапана для карбюраторних двигунів приблизно дорівнює 1200–1500 К. По мірі дроселювання температури декілька знижуються унаслідок зменшення кількості тепла, що виділяється при горінні палива.

У двигунах з високими ступенями стиску температури і тиску в кінці процесу розширення знижуються, оскільки згорілі гази сильніше розширюються.

У дизелях ступеня стиску вище, ніж в карбюраторних двигунах, а тому температура в кінці процесу розширення на 200–300° нижче. Особливо різко знижується температура кінця розширення дизелів при зменшенні навантаження, що пояснюється зменшенням кількості уприскуваного палива.