Смесеобразование и сгорание топлива в цилиндрах дизеля

   Однако  все перечисленные вихри –  слабы и не организованны. Сильный  организованный вихрь в двухтактных  двигателях можно создать, если  соответствующим образом направить  продувочные окна. В четырёхтактных  двигателях, чтобы создать круговой  вихрь в поступающем в цилиндр  воздухе, иногда выполняют криволинейным  канал крышки цилиндра, по которому поступает воздух к впускному клапану.

   Объёмный  способ смесеобразования в неразделённых  камерах практически у всех  типов двигателей с диаметром  цилиндра более 150 мм. Основные  достоинства этого способа –  простая конструкция камер сгорания, высокая экономичность двигателя  при умеренных степенях сжатия (ε=12÷17), хорошие пусковые качества, компактность элементов системы  охлаждения. Его недостатки –  необходимо обеспечивать высокие  значения коэффициента избытка  воздуха (α=1.8÷2.2) для достижения  полного сгорания топлива и  высокие давления впрыскивания  топлива. В связи с этим требования  к качеству топливной аппаратуры  повышаются. Поэтому в двигателях  с небольшим объёмом цилиндров  (менее 150 мм) применяют другие  способы смесеобразования.

   Стремление  улучшить процесс смесеобразования  привело к созданию так называемых  полуразделённых камер сгорания, расположенных в головке поршня.

   Для  плёночного смесеобразования необходимо  значительную часть (90-95%) впрыскиваемой  дозы топлива подавать на стенки  камеры сгорания под небольшим  углом, обеспечивающим растекание  топлива тонким слоем, а около  стенки организовать вихри путём  перетекания воздуха из пространства  над поршнем в камеру внутри  самого поршня при ходе сжатия. Интенсивность вихрей будет увеличиваться  при приближение поршня к в.  м. т. Массивные не охлаждаемые  стенки камеры способствуют быстрому  воспламенению паров топлива.

   Чисто  плёночное смесеобразование явилось  этапом на пути совершенствования  способов образования горючих  смесей. Из-за недостатков двигателя  (сложность доводки рабочего процесса, низкие пусковые качества двигателя,  дымность при работе на малых  нагрузках) этот способ применяют  ограниченно, но он вошёл как  составная часть в объёмно-плёночный  способ смесеобразования. Этот способ  является одним из наиболее  совершенных для высокооборотных  дизелей с небольшими диаметрами  цилиндров. Камера сгорания размещена  так же, как и при плёночном  способе, в поршне, но форсунка  расположена в центре крышки  цилиндра по его оси, а не  под углом.

   Топливные  струи (40-60% всей дозы), направляемые  на кромку горловины, растекаются  тонким слоем по стенкам камеры  и испаряются. Пары перемешиваются  с воздухом благодаря интенсивному  вихреобразованию вследствие вытеснения  заряда из надпоршневого пространства  при подходе поршня к  в.  м. т.

   У  дизелей с объёмно-плёночным смесеобразованием  умеренные значения максимального  давления цикла [p =(6÷7.5) МПа], сравнительно низкий удельный расход топлива [gₑ=(217÷245) г/(кВт·ч)]. Достигается почти полное сгорание топлива при небольшом значении коэффициента избытка воздуха (α≈1.5).

   Объёмно-плёночный  способ смесеобразования применяется  в дизелях с диаметром цилиндров  70-300 мм.

   Основной  недостаток рассмотренных неразделённых  камер – неполное сгорание  форм камеры сгорания и размеров  струй распылённого топлива. Кроме  того, из-за влияния качества топлива  на условия смесеобразования  ограничено использование в таких  двигателях топлив различных  марок. В этом отношении зарекомендовали  себя положительно так называемые  разделённые камеры, состоящие из  двух полостей: надпоршневой и  соединённой с ней одним или  несколькими каналами отделенной  полости в крышке. На речном  флоте широко распространены  вихревые камеры – разновидность  многокамерного смесеобразования. При этом способе в крышке  цилиндра расположена вихревая  камера сферической формы. Она  соединена каналом с пространством  над поршнем. К приходу поршня  в в. м. т. В ней находится  до70-80% всего объёма воздуха, остальные  20-30% в канале и в надпоршневом  пространстве. При ходе сжатия  воздух из цилиндра по каналу  перетекает в вихревую камеру, где появляются закономерные  круговые вихри.

   Форсунка  впрыскивает топливо внутрь вихревой  камеры, где и сгорает его основная  часть. В последующем, по мере  перетекания газов из вихревой  камеры в цилиндр, происходит  догорание топлива за счёт  участия воздуха, оставшегося  в канале и надпоршневом пространстве.

   Ввиду  наличия интенсивных вихрей воздух, заключённый в вихревой камере, обладает значительным запасом  кинетической энергии. Это позволяет  получить хорошее смесеобразование  при малых давлениях впрыскиваемого топлива (примерно 12-24 МПа) и при одноструйном распылителе форсунки.

   Вихревые  камеры часто изготавливают с  вставной горловиной, являющейся  тепловым аккумулятором: нагреваясь  при горении, она отдаёт теплоту  воздуху в процессе сжатия, благодаря  чему уменьшается период задержки  воспламенения, особенно при малых  нагрузках.

   Упрощение  конструкции топливной аппаратуры, связанное с относительно низким  давлением впрыскивания – большое  преимущество вихрекамерных дизелей.  Кроме того, вследствие хорошего  перемешивания воздуха с топливом  в них лучше используется воздух  для сгорания, что позволяет при  тех же размерах цилиндра получить  мощность больше, чем в двигателях  с однокамерным смесеобразованием.  Двигатели  с вихревыми камерами  менее чувствительны к качеству  топлива, но и менее экономичны:

  ̶   на перетекание воздуха в вихревую  камеру и газов из неё затрачивается  часть внутренней энергии газа, которая могла быть полезно  использована;

  ̶    конструкция крышки цилиндра  сложнее;

  ̶ вследствие  разделения объёма камеры сгорания  на две части увеличивается  поверхность, приходящаяся на  единица объёма воздуха. Из-за  повышенного в связи с этим  отвода теплоты через стенки  снижается температура сжимаемого  воздуха, в результате труднее  запуск холодного двигателя. А  поэтому в вихрекамерных двигателях  предусматривают специальную запальную  спираль, устанавливаемую под  форсункой.

   На  ряде высокооборотных форсированных  дизелей зарубежных фирм с  диаметром цилиндра 160-185 мм достаточно  эффективен предкамерный способ  смесеобразования. Камера сгорания  при таком способе состоит  из предкамеры (форкамеры), расположенной  в крышке цилиндра, и основной  камеры, заключённой между днищами  поршня,  крышками и стенками  цилиндровой втулки. С основной  камерой предкамера соединено  отверстиями, суммарное проходное  сечение которых составляет 0.5-1% площади поршня. Объём предкамеры  составляет 20-40% объёма камеры сжатия. Всё это обеспечивает максимальную  разность давлений в конце  сжатия в предкамере и надпоршневом  пространстве (0.3-0.5 МПа).

   При  истечении из предкамеры пары  топлива интенсивно перемешиваются  с зарядом основной камеры  сгорания, в результате чего обеспечивается  наиболее полное сгорание. Дизели  с предкамерами менее чувствительны  к качеству топлива и условиям  работы, чем вихрекамерные.

   Основные  недостатки предкамерных двигателей  – повышенные потери теплоты  из-за увеличенной поверхности  камеры сгорания; энергетические  потери на перемешивание паров  топлива, воздуха, газов через  отверстия; плохие пусковые качества (необходимо запальное устройство); низкая экономичность [удельный  расход топлива 270 г/(кВт·ч)].

   На  речном флоте предкамерные двигатели  не применяют, на морском –  ограниченно в качестве вспомогательных. 

1.5  Задержка самовоспламенения.  

   Впрыснутое в цилиндр топливо воспламеняется не сразу. Сначала частички его испаряются, перемешиваются с воздухом, и смесь нагревается до температуры самовоспламенения. Затем должен произойти разрыв внутримолекулярных связей углеводородов с образованием углерода и водорода, вступающих в реакцию с кислородом воздуха. Однако этот процесс сложный, многостадийный. Под действием высокой температуры в смеси воздуха и паров топлива образуются свободные атомы или радикалы, реагирующие с молекулами углеводорода. В результате возникают новые свободные радикалы, способные вступить в реакцию и стать центрами реакций окисления.

   При  протекании этих процессов в  смеси наблюдается неяркое голубоватое  свечение, не сопровождающееся заметным  повышением температуры и давления, в связи с чем такие процессы  называют холодно-пламенными. С увеличением  концентрации активных центров  происходит тепловой взрыв, т.  е. возникает горение, сопровождающееся  ярким свечением, быстрым повышением  температуры и давления.

   Следовательно,  после впрыскивания частичек  топлива в цилиндр происходит  задержка самовоспламенения, вызванная  физическими и химическими подготовительными процессами. Время, прошедшее от момента попадания частичек в цилиндр до начала горения, называют периодом задержки самовоспламенения. Период задержки самовоспламенения составляет 0.001-0.005 с.

   Если  предположить, что двигатель работает  с частотой вращения 750 мин¯¹,  то его коленчатый вал поворачивается  на 1ᵒ примерно за 0.0002 с. Значит, за  период задержки самовоспламенения   кривошип повернётся на угол  от 5 до 25ᵒ в зависимости от длины  периода задержки самовоспламенения.  Это обстоятельство вынуждает  начинать впрыскивание топлива  в цилиндр с опережением, т.  е. до того, как кривошип прейдёт  в в. м. т. Угол на который  кривошип не доходит до в.  м. т. в момент начала впрыскивания  топлива, называют углом опережения  подачи топлива. Он является  очень важным параметром регулирования  двигателя. У судовых дизелей  угол опережения подачи топлива  составляет 15-33ᵒ. 

1.6  Протекание процесса  сгорания. 

Подача топлива  в цилиндр начинается с опережением. За период задержки самовоспламенения  коленчатый вал поворачивается и  начинается горение. Давление в цилиндре повышается.  За период задержки самовоспламенения  в цилиндр поступило какое  то количество топлива, составляющее 15-50% цикловой подачи, т. е.  дозы, впрыскиваемой  за цикл. В течение периода задержки самовоспламенения оно успеет испариться и перемешаться с воздухом. С появлением пламени от самовоспламенения частиц топлива, поступающих в цилиндр  первыми, повышаются температура и  давление смеси, поэтому значительно  ускоряются реакции молекул топлива, впрыснутого за период задержки самовоспламенения. В результате непосредственного  контакта с пламенем и образования  новых очагов самовоспламенения  скопившееся в цилиндре топливо  сгорает очень быстро. Температура, а следовательно и давление резко  возрастают.

   Если  скорость нарастания давления  будет больше. Чем 400-600 кПа/ᵒ п.  к. в., то нагрузка на поршень будет ударной и в цилиндре возникнет стук. Такую работу двигателя называют жёсткой. При жёсткой работе повышается уровень шума, увеличивается изнашивание подшипников, появляется деформация поршневых колец, в результате которых они могут поломаться.

   Топливо,  поступающее в цилиндр по окончании  задержки самовоспламенения, попадает  в среду. Охваченную пламенем. И спокойно сгорает. Горение  его заканчивается несколько  позднее, чем впрыскивание. В это  время поршень уже движется  в низ, объём над ним увеличивается  и давление в цилиндре существенно  не изменяется. Некоторое количество  топлива догорает уже в   процессе расширения рабочего  газа. 

1.7  Обеспечение мягкой  работы двигателя. 

   Жёсткость  работы дизеля зависит от скорости  нарастания давления после воспламенения,  а эта скорость – от количества  топлива, поступившего с цилиндр  за период задержки воспламенения.  В конечном итоге жёсткость  работы дизеля зависит от периода  задержки самовоспламенения: чем  оно больнее, тем жестче будет  работа дизеля. Поэтому для обеспечения  мягкой работы дизеля следует  уменьшить период задержки самовоспламенения.

   Скорость  протекания физических и химических  процессов увеличивается с повышением  температуры. Следовательно, уменьшению  периода задержки самовоспламенения  способствует повышение температуры  сжатого в цилиндре воздуха.  О влиянии пониженной температуры  хорошо известно в практике  эксплуатации дизелей: холодный  двигатель работает со стуками  в цилиндре. Которые после прогрева  дизеля прекращаются.