Умови згоряння палива та забезпечення м’якої роботи двигуна

Вища порівняно з карбюраторним економіч­ність дизельних двигунів зумовлюється своєчасним займанням та повним згорянням впорскнутого палива. Ці фактори узагаль­нюються збільшенням ступеня стиснення (ε = 14-20) та забез­печенням достатньою кількістю кисню для згоряння (коефіці­єнта надлишку кисню α = 1,4-1,5) палива.

Від моменту впорскування палива в камеру згоряння і до виникнення горіння та виділення тепла, проходить визначений, хоч і дуже не великий, проміжок часу. Температура, до якої паливо повинно бути нагріто, щоб почалося його займання, називається температурою самозаймання. Вона залежить від хімічної складової палива та зовнішніх умов (тиску, складу робочої суміші, типу камери згоряння тощо).

Процес згоряння палива, поданий у вигляді розгор­нутої індикаторної діаграми (рис. 1.30), може бути поділений на чотири фази: І – фаза затримання (запізнення) самозаймання; ІІ – фаза швидкого горіння, або період інтенсивного наростання тиску; ІІІ – фаза уповільненого горіння; ІV – фаза догорання.

Із заданим випередженням впорскування палива Θ₀ у точці 1 до прибуття поршня до ВМТ починається впорскування палива і продовжується до точки 4 із загальним Θ_t. Однак зго­рання палива і супутнього йому інтенсивного збільшення температури та тиску в циліндрі не відмічається до точки 2. Повільне збільшення тиску відбувається внаслідок продовження хода стискання.

Відрізок І діаграми від точки 1 до точки 2 показує фазу затримання самозаймання. В цей проміжок часу впорскнуте паливо розсіюється, розігрівається та випаровується, причому утворювані пари палива взаємно дифундують. Разом з тим протікають і займальні окислювальні процеси, котрі завершу­ються самозайманням утвореної суміші парів палива та повітря в одному або декількох осередках, де виявилися найспри­ятливіші умови для їх виникнення. Тепло, яке виділяється у разі поя­ви осередку полум’я, прискорює закінчення процесів фізичної та хімічної підготовки займання усієї кількості палива, яке посту­пило до камери згоряння. Продовжування першої фази залежить і від розміру крапель розсіяного палива. Чим вони менші, тим швидше паливо нагрівається та випаровується.

Рис. 1.30. Розгорнута індикаторна діаграма дизельного двигуна

Потім починаються процеси, які характеризують фазу ІІ швидкого згоряння. Кількість палива, що згорає у цій фазі, безпосередньо залежить від тривалості фази І. Очевидно, чим більша фаза І, тим більше палива накопичується у камері зго­ряння. Відповідно до цього виділення тепла та наростання тиску у фазі ІІ процесу відбувається інтенсивніше, що на індикаторній діаграмі відображається збільшенням крутизни лінії 2–3, тобто збільшенням значення dp / dφ.

Під час досягнення деякої інтенсивності зростання тиску dp / dφ робота двигуна робиться жорсткішою, у результаті чого утворюються передумови для виникнення ударної хвилі. Якщо ж фаза І, і буде скорочуватися, то зменшиться і кількість палива, яке надходить у камеру згоряння. У цьому випадку тиск під час фази ІІ процесу згоряння нарощується повільніше і двигун буде працювати м’якіше (без стуків).

Отже, м’яка або жорстка робота двигуна визначається ха­рактером протікання фази ІІ, тобто інтенсивністю зростання тиску dp / dφ, яка, в свою чергу, залежить від тривалості фази І та затримання самозаймання.

Одразу ж після фази ІІ починається фаза ІІІ повільного згоряння палива, за якої ще продовжується впорскування па­лива. Ця фаза триває до того часу, коли покращиться над­ходження палива у камеру згоряння (до точки 4).

Потім вступає у дію фаза І V догоряння палива, яка протікає під час робочого ходу під час зниження тиску в циліндрі. Збільшення тривалості цієї фази веде до підвищення темпера­тури відпрацьованих газів, посиленню димності випуску, пониженню ККД двигуна. Тому потрібно максимально скорочувати періоди фази догоряння. Практично ця фаза характеризує невизначений час протікання процесу догоряння та залежить від багатьох факторів (як від зовнішніх, так і від хімічного складу самого палива).

Інтенсивність наростання тиску залежить від кількості палива, що надходить в циліндр у період затримання самозай­мання. Чим тривалішим є цей період, тим більше надійде палива у циліндр. Виділення теплоти і відповідно наростання тиску в ци­ліндрі відбувається різко, тому робота двигуна буде супрово­джуватися стуками і її називають “жорсткою”. “Жорстка” робо­та дизельного двигуна є так само небажаною, як і детонація в кар­бюраторних двигунах.

Режим роботи двигуна оцінюється зростанням тиску в ка­мері згоряння на 1° повороту колінчастого вала. Якщо тиск зро­стає на 0,25-0,60 МПа – двигун працює м’яко, коли 0,6-0,8 МПа – жорстко, а вище 0,8 МПа – дуже жорстко. Таким чином для нормальної роботи двигуна необхідно щоб паливо самозай­малось у чітко визначений момент і потім енергійно згорало, але достатньо плавно із зростанням тиску не більше 0,4-0,6 МПа на один градус повороту колінчастого вала. У цьому випадку буде, так звана, “м’яка” робота двигуна, за якої розвивається мак­симальна потужність і забезпечується необхідна паливна еконо­мічність.

Порівнюючи вплив окремих факторів на жорсткість роботи дизельного двигуна та детонацію карбюраторного дви­гуна, які характеризуються появою стуків, потрібно відмітити, що як збільшення кута випередження впорскування палива, так і збільшення кута займання аналогічно погіршують роботу дви­гуна. Однаковий ефект дає і підвищення частоти обертання колінчастого вала: у карбюраторних двигунів зменшується детонація, а у дизельного – знижується жорсткість роботи. Це пояснюється деякими загальними рисами протікання фізичних та хімічних процесів згоряння палива. Так, для відмічених факторів головну роль відіграє час, який відводиться на процес окислення та згоряння палива. Дійсно, в карбюраторних двигу­нах скорочення часу на окислювальні процеси сприяє понижен­ню детонації. У дизельному ж двигуні зменшується період за­тримання самозаймання та швидкого займання, що сприяє знижен­ню інтенсивності наростання тиску та робить роботу двигуна м’якшою.

Усі інші фактори (ступінь стиску, температура деталей двигуна, з якими вступає в контакт робоча суміш, температура засмоктаного повітря та його щільність, наявність наддування то­що) надають прямо протилежну дію на характер роботи (виник­нення стуків) двигунів цих типів.

Щоб пояснити таку розбіжність, необхідно замітити таке. Швидкість протікання процесів сумішеутворення та окислення під час фази затримання самозаймання палива залежить від температури. З її підвищенням ці процеси прискорюються, а це значить, тривалість фази затримання зменшується. Тому факто­ри, які сприяють підвищенню температури у дизельному двигу­ні до початку і під час впорскування, забезпечують м’якшу його роботу; у карбюраторному ж двигуні ті ж фактори ведуть до виникнення детонаційного згоряння.

Якщо ж розглядати конструктивні фактори, такі, скажімо, як підвищен-ня ступеня стиску, використання наддування тощо, то вони призводять не тільки до зростання тиску, але й до підви­щення температури, а це сприяє прискоренню хімічних реакцій, що для дизельних двигунів значить м’якшу роботу, а для карбюраторних двигунів – підсилення передумов до детонації. Це можна проілюструвати кривими на рис. 1.31, які показують вплив ступеня стиску ε на період t затримання самозаймання. З ростом ε температура та тиск у камері згоряння збільшується, що призводить до зменшення періоду затримання самозаймання.

Рис. 1.31. Вплив ступеня стиску на період затримки самозаймання:

1 – дизельне пальне ДЛ; 2 – парафіно-нафтенова частина палива ДЛ;

3 – ароматична частина палива ДЛ; 4 – синтин

Протилежний вплив дає і хімічний склад палива. Наприк­лад, якщо ароматичні вуглеводи сприяють підвищенню дето­наційної стійкості бензинів, то їх кількість у дизельному паливі викликана великою затримкою до утворення окисних з’єднань, збільшує фазу періоду затримання самозаймання та призво­дить до жорсткої роботи. Та, навпаки, збільшення вмісту у ди­зельному паливі нормальних парафінів, у силу їх схильності до легкого утворювання окисних з’єднань, скорочує період за­тримання самозаймання та сприяє м’якій роботі.

Попутно можна відмітити й інші конструктивні та експлуа­таційні фактори, які впливають на характер роботи дизель­ного двигуна. Зокрема, підвищення температури та тиску повітря на вході у циліндри двигуна також сприяє зниженню періоду затримання самозаймання. Істотне значення має і своєчасність впорскування палива. Якщо впорскування є раннім порівняно з оптимальним, то за рахунок займання та передчасного згоряння частини палива може розвиватися значний тиск ще до приходу поршня у ВМТ, який викличе втрату потужності на переборення тиску горючих газів, що також недопустимо. Таким же чином на процеси горіння впливає і конструкція камери згоряння. Вона повинна забезпечити інтенсивне хвилеутворення, що буде ско­рочувати час розігрівання та випаровування палива, яке було впорскнуте.

Важливим є правильний вибір матеріалу для деталей циліндро-поршневої групи. Наприклад, найкращим матеріалом для поршнів є чавун, оскільки із-за меншої теплопровідності температура чавунного поршня в одних і тих же умовах виявиться вищою за алюмінієву, що в свою чергу буде сприяти інтенсивнішо­му нагріванню палива та зменшенню періоду самозаймання.

Дата добавления: 2014-11-29