Уравнение сгорания в дизельном двигателе

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси. Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода. Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.
   

Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой. При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна. Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
3. Нагрузка. С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.
4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.
3. Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано. Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

Основы теплотехники

Идеальные циклы поршневых двигателей

Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера) .
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты) , который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода — вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891) , т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия — в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой) . Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1) .
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи) , после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя) . Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня) . В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра) . На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает «превращаться» в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе «Л.Нобеля» показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1) .
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты) , которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме) , поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает «убежать» от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов) .

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного ( «чистого» ) дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже) . Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ — Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по «чистому» циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем) , которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме) , а затем по изобаре (при постоянном давлении) .
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1) .
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме) , а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме) .
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме) .

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто) , а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ — Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей — 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2) , описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно) .

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2′ и 1–2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2’–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″–3′ и 3’–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q₀ (площадь, заключенная внутри контура цикла) , преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты) . Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

2.2.3. Процесс сгорания

Процесс сгорания в бензиновом двигателе и дизеле существенно различен из-за особенностей топлива, способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Для каждого двигателя принято рассматривать этот процесс по диаграмме с координатами р – φ, на которой этапы процесса сгорания представлены развернуто по углу поворота коленчатого вала. Для бензинового ДВС на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы
I — III (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС:
1 — момент искрового разряда; 2 — начало фазы интенсивного горения; 3 — окончание фазы интенсивного горения; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза начала горения, равная углу α₁ (задержка интенсивного горения); II — фаза интенсивного горения, равная углу α₂; III — фаза догорания топлива; р — давление газа; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения зажигания;——– расширение газа без сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I , равная углу α₁— начало горения. В течение фазы I образуется фронт горения рабочей смеси от момента искрового разряда между электродами свечи в точке 1. Горение рабочей смеси начинается без повышения давления (участок 1—2). Длительность начальной фазы I определяет задержку интенсивного горения и зависит от состояния рабочего тела, угла опережения зажигания θ_0.3, энергии искрового разряда. Увеличение степени сжатия ε и уменьшение угла опережения зажигания приводят к сокращению фазы I (уменьшению угла α₁,). Увеличение частоты вращения коленчатого вала, снижение нагрузки на ДВС, обеднение рабочей смеси, уменьшение мощности источника воспламенения — причины удлинения фазы I (увеличения угла α₁,).

Фаза II, равная углу α₂, — начало интенсивного горения в точке 2 с резким повышением температуры и давления продуктов сгорания до их максимума в точке 3. Для получения большей экономичности двигателя сгорание топлива должно осуществляться вблизи ВМТ при минимальном объеме надпоршневого пространства, когда минимальны потери теплоты через стенки цилиндра.
В этот период времени сгорает основная масса топлива. Скорость распространения фронта горения 20…40 м/с, окончание этой фазы (точка 3) приходится на угол поворота коленчатого вала 12… 18° после ВМТ.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздействию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоответствии сорта бензина степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания, перегрузке двигателя и его перегреве, повышенном нагарообразован и и на стенках камеры сгорания.

Скорость процесса в условиях возможной детонации многократно увеличивается (до 2ООО…2 500 м/с). При этом часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. В камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на характер изменения давления в цилиндре. Внешним признаком детонационного сгорания является появление звонких металлических стуков. При детонационном сгорании увеличиваются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, снижается мощность, появляется дымный выхлоп и ухудшается экономичность двигателя.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси, называемое калильным зажиганием, из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (в результате отложения нагара на них) или электродов свечи зажигания. Такое явление может возникать при несоответствии тепловой характеристики свечи (калильного числа) степени сжатия е рабочей смеси. Это приводит к тому, что максимум давления газа достигается до прихода поршня в ВМТ, при этом снижается мощность двигателя, возможны значительный перегрев поршня и его прогорание.

Фаза III — догорание продуктов неполного окисления топлива (ниспадающая ветвь диаграммы), когда скорость выделения теплоты равна скорости теплоотвода в стенки цилиндра.

Для дизелей на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы I — IV (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле:
1— точка впрыска топлива; 2 — начало фазы быстрого горения; 3 — окончание фазы быстрого горения; 4 — окончание фазы стабильного горения топлива; р — давление газа; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза
задержки воспламенения; II — фаза быстрого горения топлива; II I — фаза стабильного горения топлива; IV — фаза догорания топлива; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения впрыска;——– расширение газа без
сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I — от начала впрыска топлива (точка I) до начала резкого повышения давления и температуры (точка 2) — представляет собой временной период задержки воспламенения, когда топливо впрыскивается, перемешивается со сжатым воздухом, нагревается и испаряется, т.е. период подготовки рабочей смеси к воспламенению. Продолжительность фазы I зависит от ЦЧ топлива, степени сжатия рабочей смеси, формы камеры сгорания, качества распыления топлива, момента подачи топлива в цилиндр (угла опережения впрыска θ_0.3), частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель. С увеличением ЦЧ, степени сжатия ε и нагрузки на двигатель продолжительность фазы I сокращается.

Фаза II — участок 2—3 быстрого горения топлива при резком нарастании давления р и температуры Т газа. При увеличении давления со скоростью более 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала отмечается жесткая работа двигателя. Чем меньше продолжительность фазы II, тем жестче работа ДВС.

Фаза III — участок 3— 4 стабильного горения топлива заканчивается достижением максимальной температуры газа. Впрыск топлива к этому моменту обычно заканчивается. Сгорание топлива происходит при увеличивающемся объеме и практически постоянном давлении, а скорость сгорания уменьшается из-за разбавления рабочей смеси продуктами сгорания, образовавшимися в период фазы II быстрого горения топлива.

Фаза IV — догорание топлива и продуктов неполного окисления (угол тем больше, чем выше нагрузка двигателя и частота вращения коленчатого вала). Температура и давление газа в конце процесса сгорания определяются при допущении смешанного цикла подведения к нему теплоты — последовательные циклы при постоянном объеме и постоянном давлении (см. участки сz’и z’z индикаторной диаграммы на рис. 2.5, б). Для смешанного цикла согласно первому началу термодинамики теплота, полученная при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг, реализуется на участке cz следующим образом:

(2.4)

где ξ — коэффициент использования теплоты на участке сz, учитывающий потери теплоты через стенки цилиндра и неполноту сгорания топлива; h_u— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; ΔU_cz = U_z – U_с — изменение внутренней энергии газа на участке сг процесса сгорания, кДж/кг; L_сz — работа расширения газа при сгорании, кДж/кг. Изменение внутренней энергии рабочего тела на участке сz

где С_vz, С_vc — теплоемкости соответственно продуктов сгорания в точке z и рабочей смеси в точке с, кДж/(кмоль- К); Т_z, Т_с — абсолютная температура продуктов сгорания в точке г и рабочей смеси в точке с, К; V₂, V₁ V_r — количество молекулярного вещества соответственно продуктов сгорания горючей смеси, в исходном состоянии до ее горения и остаточных газов, кмоль.

Работа, кДж, расширения газов на участке cz

В этой зависимости — степень повышения давления

Исключим из уравнения работы параметры р и V, воспользовавшись уравнением Менделеева— Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, и получим

где R — универсальная газовая постоянная, равная работе 1 кг газа при нагревании его на1 К, R = 8,314 кДж/(кмоль К).

Разделим обе части уравнения (2.4) на (V₁, + V_r). Тогда с учетом

того, что получим окончательно

Так как теплоемкости С_vz и С_vc являются функциями температур соответственно Т_z и Т_с, последнее выражение представляет собой квадратное уравнение относительно T_z, решением которого является температура Т_z газа в конце процесса сгорания для дизеля.

Так как для бензиновых ДВС V_z = V_с, полученное выражение упрощается и при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1 имеет следующий вид: