Смесеобразование и сгорание топлива в цилиндрах дизеля

Содержание: 

1. Смесеобразование  и сгорание топлива в цилиндрах  дизеля………………..   3
1. Топливо для дизеля. …………………………………………………………………………  3
2. Понятие о смесеобразовании……………………………………………………………  5
3. Распыливание топлива………………………………………………………………………  6
4. Формы камер сгорания и способы смесеобразования…………………….  7
5. Задержка самовоспламенения. ………………………………………………………  12
6. Протекание процесса сгорания………………………………………………………   13
7. Обеспечение мягкой работы двигателя…………………………………………   14

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Смесеобразование  и сгорание топлива  в цилиндрах дизеля.

 

1.1  Топливо для дизеля. 

   Для  быстроходных и газотурбинных  двигателей согласно ГОСТ 305-82 в  зависимости от условий использования  применяют дизельное топливо  трёх марок:

   Л  (летнее) – для эксплуатации при  температуре окружающего воздуха  0 ᵒС и выше;

   З  (зимнее) – для эксплуатации при  температуре окружающего воздуха  минус 20 ᵒС и выше (температура  застывания самого топлива не  выше минус 35 ᵒС) и минус  30 ᵒС (температура застывания  топлива не выше минус 45 ᵒС);

   А  (арктическое) – для эксплуатации  при температуре окружающего  воздуха минус 50 ᵒС и выше.

   По  содержанию серы дизельные топлива  подразделяют на 2 вида:

   I – массовая доля серы не более 0.2%;

   II – массовая доля серы не более 0.5% (для топлива марки А не более 0.4%).

   В  обозначение марки входит цифра,  характеризующая долю серы.

   Например, марка Л-0.2-40 ГОСТ 305-82 означает топливо  летнее с массовой долей серы  до 0.2% и температурой вспышки  40 ᵒС; марка 3-0.2-минус 35 ГОСТ 305-82 – топливо зимнее с массовой долей серы до 0.2% и температурой застывания минус 35 ᵒС; марка А-0.4 ГОСТ 305-82 – топливо арктическое с массовой долей серы 0.4%.

Содержание  сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей, воды в топливе по ГОСТ 305-82 не допускается. Указанное топливо относится  к числу дистиллятных, т.е. получено путём прямой перегонки нефти. Мало- и среднеоборотные дизели могут  успешно работать на более тяжёлых  топливах, относящихся к группе остаточных, получаемых из мазута прямой перегонки, или к смесям остаточных и дистил-

лятных. В  частности, на речном флоте широко используют остаточное топливо по ГОСТ 10433-75, предназначенное  для локомотивных газотурбинных  двигателей и называемое газотурбинным. Оно более вязкое, чем дизельное, но его можно применять без  подогревания. Для него нормированы  плотность (не более 935 кг/м³ при 293 К), низшая теплота сгорания (не ниже 39800 к Дж/кг) и массовая доля ванадия (не более 0.0007)%. Смолистость газотурбинного топлива  в отличие от остальных топлив задана в процентах, её определяют другим способом. Сравнивать этот показатель с концентрацией фактических  смол в топливе нельзя, но тем  не менее ясно, что газотурбинное  может содержать их значительно  больше, чем дизельное. На речном флоте  применяют топлива с массовой долей смол до 8-10%, но использовать эти  топлива трудно. Следует учесть, что высокое йодное число свидетельствует  о наличие в этом топливе непредельных углеводородов, т.е. о возможности  увеличения смол при хранении. Механические примеси допускаются в газотурбинном  топливе до 0.04%.

   Стоимость  газотурбинного топлива несколько  ниже. Чем топлива по ГОСТ 305-82. Невысока стоимость и моторного  топлива поГОСТ1667-68. Получаемого  смешением остаточных и дистиллятных  фракций и предназначенного для  средне- и малооборотных дизелей.  Его выпускают двух марок: ДТ  – для средне- и малооборотных  дизелей; ДМ – для судовых  малооборотных дизелей.

   Моторное  топливо, особенно ДМ, - высоковязкое, для его применения необходим  подогрев. Стандарт оговаривает  возможность поставки моторного  топлива с повышенными температурами  застывания: ДТ до +10 ᵒС; ДМ до +20 ᵒС. Доля серы в топливе  ДТ может быть до 2%. Механических  примесей в топливе может быть: в ДТ до 0.1%, в ДМ до 0.2%, воды  в ДТ до 1%, в ДМ до 1.5%. В топливе,  транспортировавшемся на судах,  доля воды допускается до 2%.

   У  топлива ДТ и в ещё большей  степени у ДМ повышены коксуемость  (для топлива ДТ, вырабатываемого  из сернистых нефтей, она допускается  до 4%) и зольность. Это нельзя  не учитывать при подборе смазочного  масла, о чём изложено ниже.

   ГОСТ 1667-68 нормирует плотность моторного  топлива: не более 930 кг/м³ для  ДТ и не более 970 кг/м³ для  ДМ при +20 ᵒС.

   Для  снижения себестоимости перевозок  необходимо широко применять  моторное топливо ДТ.

  

1.2  Понятие о смесеобразовании. 

Смесеобразованием называют процесс приготовления  горючей смеси в целях подготовки топлива к сгоранию. На смесеобразование отводится в зависимости от быстроходности дизеля от 0.06 до 0.0005 с. В течении этого  короткого времени топливо должно быть раздробленно на мельчайшие частицы  и равномерно распределено в воздухе, находящемся в камере сгорания.

   Распыливание топлива происходит в момент его вспрыскивания в цилиндр из сопловых отверстий распылителя форсунки. Совокупность частиц распылённого и испарившегося топлива, образовавшаяся на выходе из соплового отверстия форсунки, называют струёй топлива, характеризуемого углом рассеивания α и длиной Ɩ. Угол β между диаметрально противоположными образующими конуса, охватывающего оси струёй топлива многоструйного распылителя форсунки. Называют углом вспрыскивания.

   Длина  Ɩ, углы рассеивания α и впрыскивания β должны быть обязательно согласованы с формой камеры сгорания: комплекс струй должен охватывать весь объём камеры, но частицы топлива не должны попадать на охлаждаемые поверхности, так как там они будут оседать и коксоваться.

   Желательно  иметь большое количество струй,  обусловленное числом сопловых  отверстий распылителя форсунки: чем больше струй, тем равномернее  распределяется топливо в воздушном  объёме камеры сгорания. Однако  как бы небыли совершенны формы  камер сгорания и распыливания  топлива, при впрыскивании топлива  отдельными струями оно не  будет перемешано со всем воздухом, если последний будет неподвижен. Следовательно, для наиболее совершенного  смесеобразования необходимо, чтобы  в момент впрыскивания топлива  в воздухе, заполняющим камеру  сгорания, были вихревые движения. 

1.3  Распыливание топлива. 

   Сопловые  отверстия распылителя форсунки  являются каналами, в 4-7 раз больше  их диаметра. Вследствие трения  внешнего слоя струи топлива  о стенки канала скорость перемещения  частиц топлива внутри струи  разная: она тем выше, чем ближе  находится слой топлива к оси  канала. Значит, распад основной  струи топлива на отдельные  струи начинается ещё в сопловом  канале. При выходе из него  струи встречают сильное сопротивление  сжатого воздуха, заполняющего  камеру сгорания. Частицы топлива  дробятся, уменьшаются в результате  испарения, отклоняясь дальше  от оси канала. В результате  монолитная в начале струя,  распадаясь, образует подобие факела, состоящего из паров топлива,  воздуха и остаточных газов.  Топливо самовоспламеняется практически  во время дробления струй. 

   Размеры  струй зависят от свойств топлива,  формы сопловых каналов и сопротивления  воздуха. На продолжительность  процесса распыливания топлива  влияют его поверхностное натяжение,  вязкость и плотность. При значительных  поверхностном натяжении и вязкости  дробление топлива затрудняется, уменьшается угол рассеивания  струи, а её длина увеличивается.

   Форма  и частота сопловых каналов  влияет на образование вихрей  внутри струи топлива. При значительной  длине соплового канала, его острых  кромках и шероховатости топливо  дробится быстрее, угол рассеивания  струи снаружи увеличивается,  а длина уменьшается. Сопротивление,  оказываемое сжатым воздухом  в камере сгорания струям топлива,  зависит от скорости его истечения  из сопловых отверстий распылителя  форсунки. Для качественного смесеобразования  скорость истечения топлива должна  быть 250- 359 м/с. С повышением её происходит более мелкое и равномерное дробление топлива и увеличивается длина струи.

   Скорость  истечения топлива при определённой  впрыскиваемой дозе зависит от  разности давления вспрыскивания  воздуха в цилиндре и от  суммарного поперечного сечения  сопловых отверстий распылителя.  У форсунок двигателя в   распылителе предусматривают 6-8 сопловых отверстий диаметром от 0.2 до 0.5 мм. В таких условиях для получения указанной скорости истечения топлива давление впрыскивания должно быть 40-80 МПа и выше.

   Продолжительность  впрыскивания топлива составляет 15-40ᵒ угла поворота коленчатого вала, а у быстроходных двигателей ещё больше. Для улучшения процесса смесеобразования необходимо, чтобы скорость впрыскивания возросла и её максимум был в конце впрыскивания. Тогда каждая последующая доза впрыскиваемого в цилиндр топлива будет проникать в наиболее дальние объёмы воздуха, ещё не принявшие участия в процессе горения. В связи с этим профиль шайбы для топливного насоса высокого давления делают таким, чтобы давление впрыскивания сразу же начинало возрастать с момента начала подъёма плунжера. Начальное давление впрыскивания форсунок судовых дизелей составляет 18-38 МПа. 

1.4  Формы камер сгорания  и способы смесеобразования. 

   Для  обеспечения наиболее полного  и равномерного заполнения объёма  камеры сгорания микрокаплями  топлива, образовавшимися при  распыливании, форма камеры сгорания  должна быть согласованна с  числом, диаметром и направлением  сопловых каналов форсунки.

   Чтобы  обеспечивать качественное образование  смеси топлива и воздуха в  дизелях, работающих в разных  условиях, на различных видах  топлива, с разными диаметрами  цилиндров применяют объёмный, пленочный,  объёмно-плёночный, предкамерный  и вихрекамерный способы смесеобразования.

   Камеры  сгорания по конструкции бывают  неразделённые и разделённые.  В неразделённых камерах применяются  объёмный, плёночный и объёмно-плёночный  способы смесеобразования.

   В  основе принципа объёмного смесеобразования  – впрыскивание топлива через  многоструйный распылитель форсунки  непосредственно в камеру сгорания  и равномерное распыление микрочастиц  топлива по всему её объёму.

   При  полусферической форме камеры  сгорания основная масса воздуха  сосредоточена в районе форсунки, что позволяет уменьшить длину  струи и увеличить угол его  рассеивания. В данном случае  угол распыливания βменьше, чем  в остальных камерах сгорания. При полусферической форме камеры  исключено попадание частичек  топлива на охлаждаемые поверхности.  Вместе с тем при такой форме  камеры хуже условия для отвода  теплоты от днища поршня: тепловой  поток должен направляться в  низ, тогда как края днища  направлены в верх. существуют  места, как, например, в центре  камеры, не охватываемые струями  топлива. В связи с указанным  при полусферической формы камеры  особенно необходимо вихревое  движение воздуха.

   В  двухтактных двигателях форма  днища поршня затрудняет продувку  цилиндра. Поэтому более эффективную  камеру сгорания создают в  двухтактных двигателях в днище  крышки цилиндра при плоском  днище поршня.

   Наиболее  соответствует формам струй топлива  камера сгорания Гессельмана.  В отличие от рассмотренной  камеры основная масса воздуха  сосредотачивается в дали от  форсунки. Чтобы частички топлива  не падали на охлаждаемые стенки  цилиндра, по краям поршня предусматривают  высокие бурты. Условия для  качественного смесеобразования  при такой камере лучше. Однако  бурты и выступающая средняя  часть днища поршня перегреваются,  из-за чего закоксовываются верхние  уплотнительные кольца.

   Вихревое  движение воздуха в камере  сгорания создаётся в процессе  наполнения цилиндра: воздух в  следствии того, что выпускной  клапан смещён в сторону от  оси цилиндра, завихряется.  При  ходе сжатия появятся вихревые  потоки воздуха, обусловленные  неплоской формой днища поршня  или крышки цилиндра. В этом  отношении камера более удачна, чем ранее рассмотренные камеры. При впрыскивании топлива вихревое  движение воздуха возникает из-за  поглощения им кинетической энергии  струй топлива.