Практическая работа № 3
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
3.1. Цели и задачи практической работы
Цели практической работы: формирование и закрепление знаний в области сгоран я д зельного топлива.
Задачи: зуч ть особенности протекания процесса сгорания дизель-
ного топл ва, выполн ть расчёт периода задержки самовоспламенения. |
||
С |
|
|
3.2. Тре ования к дизельным топливам |
||
1.Обеспеч вать |
|
топлива к форсункам при любых отри- |
цательных температурах |
качественное распыливание [2, 3]. |
|
2.Иметь опт мальное цетановое число (45 – 55), которое обеспечи- |
||
продвижение |
|
|
бА |
||
вает нужный пер од задержки воспламенения и полное сгорание топлива. При малых значен ях цетанового числа дизельного топлива ухудшается запуск, двигатель ра отает жестко и неэкономично. При больших значениях цетанового числа улучшаются пусковые качества двигателя, но он работает неэкономично.
3.Иметь вязкость 2 – 6 сСт, которая обеспечивает хорошее распыливание топлива и нормальную смазку плунжерных пар насоса высокого
Процесс сгорания топлива у дизеляДусловно разбивают на четыре фазы (рис. 3.1): 1) индукционный период (период задержки воспламенения,
давления и игл распылителей форсунок.
4.Обеспечивать мягкую (без стуков) работу двигателя.
5.Не содержать механических примесей [тонкость фильтрации долж-
на быть 1– 3 мкм (один мкм равен 0,001 мм)]. И
от точки 1 до точки 2); 2) период резкого нарастания давления (фаза быстрого сгорания, от 2 до 3); 3) период основного горения (от 3 до 4); 4) период догорания [2].
Индукционный период начинается от момента впрыска топлива до начала горения. Период резкого нарастания давления наблюдается от начала горения до максимального значения давления в цилиндре.
Период основного горения продолжается от максимального давления до максимальной температуры в цилиндре двигателя. Процесс сгорания в цилиндре начинается при постоянном объёме, завершается при постоянном давлении.
21
Периодом задержки воспламенения называется время от начала поступления топлива в камеру сгорания (начало подъема иглы форсунки), до момента, когда в результате химических реакций количество теплоты будет достаточно для прогрева, испарения и воспламенения топлива.
Чем больше скорость химической реакции, тем меньше период задержки воспламенения или интервал времени от момента впрыска топ-
Слива в нагретый воздух доi момента появления пламени.
и бА
Рис. 3.1. ОсциллограммыДизменения хода иглы h и давления газов в цилиндре ИPг дизеля: и
1 – действительное начало подачи топлива; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия (начало видимого сгорания); 3 – максимальное давление при сгорании топлива;
4 – максимальная температура в цилиндре двигателя
3.3. Расчет периода задержки самовоспламенения
Поданное топливо в камеру сгорания (КС) воспламеняется с задержкой. На задержку теплового воспламенения главное влияние оказывают температура сжатого воздуха (разброс кинетической энергии молекул от своего среднего значения) и плотность (расстояние между молекулами), которая зависит от давления. Период задержки ̶это время от начала
22
подъема иглы форсунки до момента воспламенения топлива (отрыв линии сгорания от линии сжатия), которое приближенно можно определить по формуле академика Н.Н. Семенова [2]
С |
|
|
B |
E |
|
|
|
|
|
RT |
|
|
|||
i |
|
|
e |
с |
, |
(3.1) |
|
|
п |
||||||
|
|
Pс |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
где В – постоянный множитель (300 =Н·с/м2), зависящий от свойств |
|||||||
топлива (цетанового ч сла) и состава горючей смеси; Рс – давление в |
|||||||
цилиндре в момент начала подачи топлива, |
Н/м2; п – порядок реакции |
||||||
подачи |
|
|
|
|
|
||
(для бимолекулярной смеси при соударении двух реагирующих молекул, |
|||||||
п = 2); Е – энерг я акт вации, необходимая для разрыва существующих
межмолекулярных связей, Дж/моль (при температуре более 700 К вели- |
||
чина Е = 30 000 – 40 000 Дж/моль); R – универсальная газовая постоян- |
||
|
бА |
|
ная, 8,314 Дж/(моль∙К) ли 8314 Дж/(кмоль∙К); Тс |
– температура воздуха в |
|
момент |
распыленного топлива в камеру сгорания, К; e – основа- |
|
ние натурального логар фма (2,71). |
R равно 8314/ 28,9 = |
|
Для воздуха значен е газовой постоянной |
||
=287 Дж/(кг∙К), где 28,9 кг/кмоль – молярная масса воздуха Мм .
Для дизелей с о ъёмным смесеобразованием и величиной степени сжатия от 15 до 17, ра отающих на дизельном топливе с цетановым чис-
лом 45 – 55, давлением распыленного топлива 50 –100 МПа, |
|
значение I |
||||||||||||||||||||||
достигает 0,001 – 0,002 с. |
|
|
|
Д |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
В табл. 3.1 показано расчетное значение I |
при переменной величине |
||||||||||||||||||||||
давления в |
конце такта сжатия Рс |
|
(МПа), |
постоянной |
температуре |
|||||||||||||||||||
Тс = 800 К. Постоянный множитель В = 300 |
Н·с/м2. Значение В соответ- |
|||||||||||||||||||||||
ствует цетановому числу 45 – 55 [5]. |
|
|
И |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Зависимость I |
от величины Рс |
Таблица 3.1 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рс, МПа |
|
|
|
5,0 |
|
6,0 |
|
7,0 |
|
8,0 |
|
|
9,0 |
|
10,0 |
|
|
|
|||||
|
|
I , мс |
|
|
|
1,0 |
|
0,7 |
|
0,5 |
|
0,4 |
|
|
0,3 |
|
0,25 |
|
|
|
||||
|
В табл. 3.2 приведено расчетное значение I |
при переменной вели- |
||||||||||||||||||||||
чине температуры Тс и постоянном давлении в конце такта |
|
сжатия Рс , |
||||||||||||||||||||||
равном 7 МПа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость I |
от величины Тс |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Тс , К |
|
600 |
|
650 |
|
700 |
|
750 |
800 |
850 |
|
900 |
950 |
1000 |
|
|||||||
|
|
I , мс |
|
8,0 |
|
5,0 |
|
4,0 |
|
2,0 |
0,5 |
0,4 |
|
0,3 |
0,25 |
0,2 |
|
|||||||
23
За время, равное задержке воспламенения, передний фронт распыленного топлива должен пройти путь от сопловых отверстий форсунки до стенки КС. Длина топливного факела должна быть согласована с периодом задержки воспламенения. При слишком большой дальнобойности топливо скапливается на стенке КС, образуя пленку, что ухудшает ее сго-
рание. При |
малой |
дальнобойности |
распыленное топливо находится |
вблизи форсунки и |
не заполняет объём КС. Воздух, находящийся в КС, |
||
не используется, процесс сгорания топлива ухудшается. |
|||
На р с. 3.2 показаны значения i |
в зависимости от температуры в |
||
цилиндре |
|
||
для конца такта сжатия. Давление газов в цилиндре было равно |
|||
СРс = 7 МПа. Постоянный множитель |
В = 300 Н·с/м2 соответствовал |
||
цетановому ч |
слу 50. |
|
|
бА Д
Рис. 3.2. Влияние температуры в концеИтакта сжатия на период задержки самовоспламенения топлива
Величины Рс и Тс зависят от степени сжатия, давления наддува, состояния поршневой группы и механизма газораспределения. При достижении давления Рс = 7 МПа и температуры 750 К в КС величина i будет равна 1,5 мс (см. рис. 3.2). Более точное значение i определяется экспериментальным путем.
В табл. 3.3 указан путь факела (мм), в зависимости от времени задержки воспламенения в мс. При диаметре цилиндра 0,12 м (двигатель 8ЧН 12/13), расстоянии 50 мм от распылителя до стенки камеры сгорания
24
время задержки воспламенения соответствует 0,3 мс. Задержка воспламенения в 0,3 мс происходит при Рс = 7 МПа и Тс = 900 К (см. табл. 3.2).
Таблица 3.3
Путь факела (длина) в зависимости от времени
|
|
|
|
С |
Длина факела |
|
|
|
Время задержки |
|
|
|
воспламенения, мс |
распыленного топлива, мм |
|
|
0,1 |
30 |
|
|
0,2 |
40 |
|
|
0,3 |
50 |
|
и |
60 |
|
|
0,4 |
|
||
На р с. 3.3 показан разрез поршня двигателя КамАЗ-740 с камерой |
|||
|
бА |
||
сгорания форсункой в процессе впрыска топлива. |
|||
|
|
Д |
|
|
|
И |
|
Рис. 3.3. Расположение факела топлива: 1 ̶поршень; 2 ̶камера сгорания в поршне;
3 ̶факел распыленного топлива; 4 ̶распылитель форсунки
Современные системы питания дизелей имеют электронное управление. Форсунки для подачи топлива выполняются с электромагнитным или пьезокварцевым управлением (Common Rail). Данные системы подачи топлива обеспечивают высокое давление впрыска (до 200 МПа) и много-
25
фазный впрыск. Первая порция топлива (10 – 20% от основной) является запальной (подготовительной), она прогревает камеру сгорания до 2000 К и создает необходимую турбулентность (образование вихрей воздушного потока) [6]. Основная порция топлива поступает в прогретую камеру сгорания, топливо воспламеняется с меньшим периодом задержки самовоспламенения. При этом улучшается процесс сгорания основной порции топлива и уменьшается скорость повышения давления (см. рис. 3.1 фазу быстрого сгорания, от точки 2 до точки 3).
|
|
Содержание отчета |
и |
||
1. |
На менован е, цели задачи практической работы. |
|
С2. Требован я к д зельным топливам. |
||
3. |
Инд каторная д аграмма и фазы процесса сгорания (рис. 3.1). |
|
4. |
Анал з формулы Н.Н. Семенова для определения периода (времени) задержки |
|
|
|
б |
самовоспламенен я д зельного топлива. |
||
5. |
Определен е пер ода задержки воспламенения расчетным путем при темпе- |
|
ратуре |
давлен в камере сгорания в момент подачи топлива (Тс = 800 К для |
|
Рс = 8 МПа). |
|
|
6. |
Выводы по ра оте. |
|
|
|
А |
|
|
Контрольные вопросы и задания |
1.Укажите главные тре ования к дизельным топливам.
2.Поясните, на какие фазы можно разделить процесс сгорания дизельного топлива?
3.Укажите, когда начинается и заканчивается период задержки самовоспламенения дизельного топлива?
4.От каких главных факторов зависит время задержки воспламенения дизельного топлива?
5.С какой целью определяют время задержки воспламенения дизельного топлива и как оно связано с размерами камеры сгорания и дальнобойностью топливного факела?
6.Для какой цели система Common Rail перед основной подачей топлива подаёт малую запальную порцию топлива? И
26