Воспламенение и сгорание в дизеле. Анализ фаз сгорания по развернутой индикаторной диаграмме

.

2.1 ФАЗЫ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ

Образование смеси и подготовка ее к воспламенению в дизе­лях начинается с момента подачи топлива в цилиндр.

Процессы образования и подготовки смеси к воспламенению (распыливание топлива и распределение его по камере сгорания, нагревание капель и их испарение, образование промежуточных продуктов окисления и, наконец, воспламенение) совмещаются по времени и продолжаются после воспламенения.

Топливо в дизелях впрыскивается в среду сжатого и нагретого воздуха (давление в конце сжатия достигает 3—5 МПа, а темпе­ратура — 700—1000 К) в конце процесса сжатия (за 10—40° по­ворота коленчатого вала до в.м.т.).

В целом сгорание в дизелях является сложным физико-хими­ческим процессом, включающим в себя физико-химическую под­готовку топлива, его самовоспламенение и горение.

В современной литературе по двигателям процесс сгорания в целом рассматривается состоящим из четырех фаз. Несмотря на условность такого деления наименование фаз отражает сущность явлений, происходящих в цилиндре двигателя. О характере про­текания процесса сгорания принято судить по кривым изменения давления и температуры рабочего тела в зависимости от угла по­ворота коленчатого вала.

За начало процесса сгорания принимают момент начала впрыс­ка топлива (Рисунок 6.7, точка 1). Угол поворота коленчатого вала от момента впрыска топлива до момента прихода поршня в в.м.т. называется углом опережения впрыска топлива. У правильно от­регулированного двигателя давление в цилиндре достигает мак­симума на номинальном режиме работы при положении поршня, соответствующем 6—10° поворота коленчатого вала после в.м.т., а температура достигает максимума в этом же режиме работы при положении поршня, соответствующем 20—35° поворота коленча­того вала после в.м.т.

По характеру изменения давления и температуры рабочего тела в цилиндре условно  делят процесс сгорания на четыре фазы:

I — фаза подготовки очагов воспламенения;

II — фаза развития, очагов воспламенения и распространения пламени;     

III — фаза сгорания основной массы смеси;

IV — фаза относительно медленного догорания оставшихся горючих компонентов смеси.

Рисунок7.8 Изменение давления и температуры газов в цилиндре в процессе сгорания.

 

За начало первой фазы   принимают момент начала      впрыска топлива, а за окончание—момент начала повышения давления за счет сгорания топлива. В течение этой фазы происходит физико-химическая подготовка поступившего в цилиндр топлива (примерно 30—40% цикловой подачи).

Топливо, имеющее температуру порядка 50—70°С, начинает испаряться, и его пары диффундируют в окружающий воздух. По достижении достаточной температуры в зонах с оптимальной концентрацией топлива ( О.8 0,9) начинают зарождаться це­пи и накапливаться промежуточные продукты типа органических перекисей. Кроме того, молекулы топлива частично распадаются с образованием активных осколков-радикалов и молекул с ослаб­ленными внутренними связями.

Когда содержание активных продуктов достигает критический концентрации, происходит их изотермический распад, сопровож­дающийся холодным пламенем, образуются альдегиды и свобод­ные радикалы, в результате чего смесь еще больше активизиру­ется. Появление альдегидов указывает на то, что концентрация перекисей достигла некоторого критического значения и реакция переходит в тепловой взрыв с выделением тепла. Когда тепловыделение начинает превышать теплоотвод, участок смеси быстро разогревается и воспламеняется. Появление первых очагов горе пия вызывает повышение температуры и давления, ускоряет предпламенные реакции и переход к образованию очагов воспламене­ния по всему объему смеси.

Таким образом, процессы образования горючей смеси и подготовка ее к самовоспламенению в дизелях включают в себя ряд промежуточных физических и химических процессов

О величине периода задержки самовоспламенения в двигателях обычно судят по характеру изменения давления в цилиндре, по­лому практически его длительность оценивается промежутком времени в секундах или градусах поворота коленчатого вала 01 'мчала впрыска топлива до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия (для современных дизелей =0,001  0,005 с, что составляет 5—20° поворота коленчатого вала)

Продолжительность периода задержки воспламенения оказывает существенное влияние на весь процесс сгорания и зависит от химических, физических, конструктивных и эксплуатационных факторов Продолжительность периода задержки самовоспламе­нения определяется природой топлива, интенсивностью вихревого движения воздуха, температурой и давлением воздуха в цилиндре в момент начала впрыска топлива и содержанием инертных газов в цилиндре

Во второй фазе наблюдается весьма интенсивное тепловыделение  и нарастание давления, продолжается подача топлива с увеличением его концентрации в рабочей смеси. В конце этой фазы максимум скорости тепловыделения практи­чески совпадает с максимальным давлением сгорания За время второй фазы сгорает топливо, поступившее в цилиндр в течение первой фазы, и часть топлива, поступившего во второй фазе.

Условно считают, что вторая фаза начинается с момента отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) и заканчивается при достижении максимального давления рабочего тела в ци­линдре

Основной характеристикой второй фазы является скорость нарастания давления  под которой понимается повышение давления в цилиндре за один градус поворота коленчатого вала

Величина скорости нарастания давления определяет плавность развития процесса сгорания. Работа дизеля считается «мягкой-», если скорость нарастания давления не превышает 0,3—0,5 МПа/(см² град). В быстроходных форсированных дизелях — достигает 0,8—1,0 МПа/(см² град). «Жесткая» работа дизеля сопровождается существенным увеличением динамических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и отрицательно влияет на долговечность двигателя.

Вследствие того, что в начале второй фазы сгорает с боль­шими скоростями значительное количество топлива, максимальная жесткость работы дизелей намного выше жесткости работы карбюраторных двигателей, для которых =0,1—0,2 МПа /(см² град).

К моменту окончания второй фазы сгорания в цилиндре двигате­ля выделяется примерно одна треть тепла, вносимого в виде химической энергии топлива.

Высокая интенсивность тепловыделения объясняется тем, что все топливо, поступившее в двигатель в первой фазе, хорошо подготовлено к сгоранию.

Топливо, поступающее во второй фазе, попадая в очаги пламени, быстро воспламеняется, но из-за недостатка кислорода полностью не сгорает и образуются продукты неполного окисления.

Интенсивность протекания процессов и продолжительность второй фазы определяются в основном продолжительностью первой фазы сгорания, законом подачи топлива, физико-химической подготовкой рабочей смеси и интенсивностью движения заряда. Продолжительность второй фазы составляет 0,8—1,5 мс(10—20° поворота коленчатого вала).

Третья фаза соответствует периоду от момента достижения максимального давления в цилиндре (точка 3) до момента достижения максимальной температуры (точка 4'). В третьей фазе обычно заканчивается подача топлива. К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр в первых двух фазах, находится в виде капель или сгустков паров, отделенных от зон, обогащенных кислородом, фронтом пламени или продуктами сгорания. Особенно неблагоприятные условия создаются для по­следних капель топлива, попадающих в зоны с высокой температурой и практически полностью израсходованным кислородом. Вследствие этого процесс сгорания в третьей фазе носит характер типичного диффузионною горения на поверхности раздела двух сред. Его скорость определяется интенсивностью процессов взаимного переноса, т. е. диффузией. Капли топлива, нагреваясь без доступа кислорода, подвергаются термическому крекингу с образованием частиц углерода в виде сажи. При дальнейшем нор­мальном развитии процесса сгорания образовавшийся углерод полностью выгорает, а при недостатке кислорода частицы углерода не успевают окисляйся и покидают цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывая сильное дымление.

Высокое давление и температура газон, высокая концентрация активных центров, наличие избыточного кислорода в начале третьей фазы приводят к очень большим скоростям протекания химических реакций и распространения пламени, однако по мере протекания процесса сгорания интенсивность тепловыделения все время уменьшается из-за сокращения свободного кислорода и уве­личения содержания инертных газов.

В третьей фазе выделяется 30—65% тепла, вносимого в виде химической энергии топлива. Давление в цилиндре начинает падать из-за сравнительно малой скорости выделения тепла и значительного увеличения объема цилиндра над поршнем

Продолжительность третьей фазы определяется главным образом величиной коэффициента избытка воздуха, интенсивностью вихревого движения рабочею тела и законом подачи топлива.

Последняя, четвертая, фаза процесса сгорания начинается в момент достижения максимальной температуры в цилиндре и условно заканчивается при выделении 95 - 97% тепла, внесенною в виде химической энергии топлива (точка 5)

Так как к началу четвертой фазы значительное количество кислорода уже израсходовано и в цилиндре существенно увеличи­лось содержание нейтральных газов, интенсивность выделения тепла падает.

Догорание на линии расширения сопровождается уменьшением эффективности использования тепла, поэтому длительность четвертой фазы оказывает существенное влияние на экономичность работы дизелей.

Так как в четвертой фазе протекают практически такие же процессы, как и в третьей фазе, то ее длительность существенно зависит от коэффициента избытка воздуха, макро- и микрострук­туры смеси и от турбулизации заряда.

Продолжительность четвертой фазы сгорания довольно значи­тельная (по времени 3,5—5 мс, или 40—65° поворота коленчатого вала) и выделение тепла составляет 15—25% от тепла, внесенною в цилиндр в виде химической энергии топлива.

 

 

Рисунок 7.9. Определение фаз процесса сгорания по индикаторной ди­аграмме карбюраторного двигателя