Смесеобразование

Процесс смесеобразования в дизельном двигателе представляет собой сложный комплекс физических и химических явлений, протекающий от момента впрыскивания топлива в камеру сгорания до воспламенения последней его порции.

Дизели относятся к двигателям с внутренним смесеобразованием. Впрыскивание топлива в цилиндр происходит через форсунку в конце процесса сжатия. При этом скорость струи топлива достигает 150...400 м/с. Давление воздуха в цилиндре составляет более 2,9 МПа при температуре около 600ºС. Трение о воздух струи топлива вызывает разрушение ее на капельки диаметром 2...3 мкм. распыление топлива и характер движения воздуха в цилиндре зависят от конструкции камеры сгорания.

Камеры сгорания дизельных двигателей бывают неразделенные и разделенные. У неразделенных камер сгорания (рис. 4.1) все пространство сжатия представляет собой единый объем, в который непосредственно впрыскивается топливо. Поскольку процесс смесеобразования происходит в едином объеме, к качеству распыления предъявляют очень высокие требования.

Рис. 4.1. Схема неразделенной камеры сгорания:

1 – поршень; 2 – камера сгорания; 3 – головка цилиндра; 4 – форсунка

Разделенную камеру сгорания имеют предкамерные дизели. Такая камера сгорания состоит из основной камеры 4 (рис. 4.2) и предкамеры 3.

Рис. 4.2. Схема разделенной камеры сгорания предкамерного дизеля: 1 – соединительный канал; 2 – форсунка; 3 – предкамера; 4 – основная камера сгорания

В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка воздуха. Остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании с большой скоростью выбрасывается через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыляется, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

На качество смесеобразования наряду с конструкцией камеры сгорания влияют свойства применяемого топлива: плотность, вязкость, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, фракционный состав и др.

Повышение плотности топлива сказывается на процессе смесеобразования так же, как и увеличение вязкости: возрастает длина струи, ухудшается экономичность двигателя и увеличивается дымность. При малой плотности топлива уменьшается длина струи, ухудшается процесс смесеобразования. Поэтому плотность дизельного топлива должна быть оптимальной с учетом сезонности эксплуатации и других факторов и находиться в пределах 830...860 кг/м³.

Вязкость дизельного топлива влияет на качество распыления топлива и смесеобразования, прокачиваемость, работу топливного насоса, износ прецизионных пар насоса высокого давления, для которого топливо одновременно служит смазочным материалом, полноту сгорания и расход топлива, состав отработавших газов. Из-за большой вязкости могут возникнуть перебои в подаче топлива к насосу вследствие большого сопротивления при протекании его по топливоподаюшей системе. Чем меньше вязкость, тем тоньше распыление топлива, меньше диаметр образующихся капель, лучше испаряемость. Однако при этом уменьшается длина струи топлива (поскольку мелкие капельки обладают малой кинетической энергией), наблюдаются неравномерность образования горючей смеси, неполнота сгорания и перерасход топлива.

С повышением вязкости увеличивается длина струи. При этом часть капель попадает на стенки камеры сгорания, в результате чего ухудшается процесс смесеобразования, испаряемость и полнота сгорания топлива. Это ведет к перерасходу топлива, снижению мощности, повышению дымности отработавших газов. Для летних сортов топлива вязкость должна быть 3...6 сСт, для зимних – 1,8...6 сСт.

4.3 САМОВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ И ЦЕТАНОВОЕ ЧИСЛО. ТЕМПЕРАТУРА ВСПЫШКИ

Самовоспламеняемосгь. Рабочий процесс дизеля отличается от процесса бензинового двигателя приготовлением и воспламенением горючей смеси. Воспламенение горючей смеси в дизельных двигателях происходит без постороннего источника зажигания. Смесь самовоспламеняется под действием высокой температуры в результате бурно протекающих в ней реакций окисления. Па рисунке 4.3 показана индикаторная диаграмма дизельного двигателя, т.е. диаграмма изменения давления р внутри цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Рис. 4.3. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля:

а – при нормальной работе; б – при жесткой роботе; 1 – начало впрыскивания; 2 – самовоспламенение топлива; 3 – конец быстрого сгорания; 4 – конец замедленного сгорания; 5 - конец догорания

Подача топлива форсункой в камеру сгорания начинается в точке 1 за 10...20º угла поворота коленчатого вала до в.м.т. Заканчивается впрыскивание топлива у различных двигателей по-разному: как после в.м.т., так и до нее. Угол между началом подачи топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыскивания топлива и обозначают φ_впр. Продолжительность впрыскивания топлива соответствует периоду от начала до конца подачи топлива.

Воспламенение горючей смеси происходит спустя некоторое время после впрыскивания топлива в камеру сгорания. Это время называют периодом задержки самовоспламенения. Самовоспламенению паров топлива (точке 2) предшествует определенный период, в течение которого происходит ряд физических и химических процессов. Топливо распыляется в горячем воздухе, капельки его подогреваются до высокой температуры и испаряются. Под действием высокой температуры и кислорода воздуха происходят предпламенные реакции многостадийного окисления углеводородов, входящих в состав топлива. В рабочей смеси накапливаются кислородосодержашис соединения, которые затем начинают распадаться с выделением части теплоты (10... 15%) и кислорода. Холоднопламенное окисление приводит к повышению температуры смеси и появлению многих очагов воспламенения. В этот момент появляется голубое свечение, называемое «холодным» пламенем. В результате повышения температуры смеси скорость химических реакций возрастает, происходит ее воспламенение, т.е. появление горячего пламени.

В точке 2 начинается сгорание топлива. Большая часть поступившего топлива к этому моменту успевает испариться, и процесс сгорания охватывает все новые порции горючей смеси. Топливо продолжает подаваться форсункой в камеру сгорания, оно интенсивно смешивается с воздухом, испаряется и быстро сгорает. В результате быстрого сгорания топлива давление в цилиндре значительно увеличивается. Период быстрого сгорания продолжается от точки 2 до точки 3. В этом периоде выделяется основное количество тепловой энергии цикловой подачи топлива (до 70%), подача топлива форсункой продолжается, давление увеличивается. Концом периода условно считают точку 3, в которой достигается максимальное давление. В конце быстрого сгорания росг давления прекращается, скорость сгорания снижается.

После точки 3 начинается период замедленного сгорания, давление растет незначительно. Подача топлива прекращается, но процесс сгорания продолжается и температура газа повышается. Выделяется около 20% тепловой энергии топлива. Снижение давления в конце периода (точка 4) объясняется увеличением объема камеры сгорания и связи с движением поршня к н.м.т. Концом периода замедленного сгорания условно принята точка 4, когда достигается максимальная температура газов в камере сгорания. Затем происходит догорание остатков топлива и продуктов неполного сгорания. Чем тяжелее топливо, выше его вязкость и плотность, тем длительнее период догорания. Фаза догорания может достигать 70º угла поворота коленчатого вала к в.м.т.

При большом периоде задержки самовоспламенения горючей смеси в цилиндре дизеля накапливается и сгорает большая часть топлива. Это вызывает резкое увеличение давления на каждый градус поворота коленчатого вала, в результате чего наблюдается так называемая «жесткая» работа двигателя. Внешние признаки жесткой работы двигателя идентичны детонационному сгоранию бензина в бензиновых двигателях. Если на 1º поворота коленчатого вала давление в камере сгорания увеличивается на 0.25...0,5 МПа, то двигатель работает нормально, на 0,5....0,9 МПа – жестко, а выше 0,9 МПа – очень жестко.

Жесткая работа двигателя показана на рис. 4.3 (кривая б). Период задержки самовоспламенения соответствует . В точке 2' происходит самовоспламенение, после чего давление растет с большой скоростью. При жесткой работе дизеля увеличивается нагрузка на детали его кривошипно-шатунного механизма, что вызывает интенсивное их изнашивание.

Химический состав топлива существенно влияет на период задержки самовоспламенения. Самую низкую температуру самовоспламенения имеют парафиновые углеводороды. Чем выше их молекулярная масса, тем ниже температура самовоспламенения.

Цетановое число. Оценкой самовоспламеняемости дизельных топлив служит цетановое число, определяемое по ГОСТ 3122–67* на установках ИТ9-3 и ИТ9-ЗМ. Установки имеют одноцилиндровый четырехтактный дизель с переменной степенью сжатия от 7 до 23. При проведении испытаний угол опережения впрыскивания топлива должен быть 13º до в.м.т., давление впрыскивания 10,4 МПа.

В качестве эталонных топлив выбраны парафиновый углеводород цетан и ароматический углеводород альфаметилнафталин. Цетан имеет очень малый период задержки самовоспламенения, и его цетановое число условно принято за 100. Альфаметилнафталин имеет большой период задержки самовоспламенения, и его цетановое число условно принято за 0. Смеси цетана и альфаметилнафталина в различных соотношениях имеют разную самовоспламеняемость.

Цетановое число дизельного топлива определяют следующим образом. Запускают двигатель на испытуемом топливе и, изменяя степень сжатия, добиваются, чтобы самовоспламенение топлива началось точно в в.м.т. Затем подбирают такую смесь цетана и альфаметилнафталина, которая при той же степени сжатия также воспламеняется в в.м.т., т.е. обладает таким же периодом задержки самовоспламенения, как и испытуемое топливо.

Цетановое число – это процентное (объемное) содержание цетана в смеси с альфаметилнафталином, которая по самовоспламеняемости аналогична испытуемому топливу. Например, если испытуемое дизельное топливо имеет цетановое число 47, то по самовоспламеняемости оно эквивалентно искусственной смеси эталонных топлив, содержащей 47% цетана и 53% алфаметилнафталина. Цетановое число дизельного топлива зависит от его химического состава, склонности к окислению. Наиболее быстро окисляются и распадаются парафиновые углеводороды нормального строения. Они имеют самые высокие центовые числа. Ароматические углеводороды самовоспламеняются при более высоких температурах и за больший промежуток времени, имеют самые низкие цетановые числа.

Для увеличения цетанового числа дизельных топлив могут быть использованы различные присадки, например изопропилнитрат или циклогексилнитрат. Однако производство этих присадок в последнее время прекращено. Специалистами фирмы «Юникол» разработана новая эффективная присадка «Миакрон-2000», основу которой составляет этилгексилнитрат. Массовая доля присадки в дизельном топливе должна быть 0,1...0.3%.

Присадки ускоряют начальные предпламенные реакции и способствуют образованию новых активных центров реакции. Чем ниже цетановое число, тем выше жесткость работы дизеля. От значения цетанового числа зависят и другие показатели работы двигателя: его пуск, среднее эффективное давление сгорания, удельный расход топлива, температура выпускных газов, отложения в двигателе, дымность и запах отработавших газов. С увеличением цетанового числа топлива облегчается пуск двигателя и увеличивается среднее давление сгорания, остальные показатели снижаются, работа двигателя в целом улучшается.

Для современных автотракторных дизельных двигателей используют топлива с цетановыми числами не менее 45. При цетановом числе дизельного топлива 40 и ниже дизели работают жестко. Однако увеличение цетановых чисел топлива свыше 51 не вызывает существенного улучшения работы дизеля, а удельный расход топлива и дымность возрастают вследствие уменьшения полноты сгорания.

Цетановое число (ЦЧ) дизельного топлива рассчитывают по разным формулам, основные из которых следующие:

при известных плотности и кинематической вязкости

при известном углеводородном составе

где П, Н. А – содержание соответственно парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.

Температура вспышки. Этот параметр используют для оценки качества топлива и для классификации производства, помещений и установок по степени пожарной опасности.

Температура вспышки – это минимальная температура, при которой пары топлива, нагреваемые в специальном аппарате, образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки характеризует опасность дизельного топлива при его транспортировке, хранении и заправке.