*/?> Горение топлива в цилиндрах дизеля

Пойда А. А. - Тепловозы - Горение топлива в цилиндрах дизеля*/?> Горение топлива в цилиндрах дизеля

/ Литература / Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт / Пойда А. А. - Тепловозы - Горение топлива в цилиндрах дизеля*/?> Горение топлива в цилиндрах дизеля

Дизельное топливо представляет собой смесь различных углеводородов. Средний элементарный состав жидкого топлива, используемого в тепловозных дизелях: 87%-углерод (С); 12,5 % - водород (Н); 0,5 % - кислород (О) и 0,5%-сера (Б). Химический состав дизельного топлива определяется в лабораториях.

По химическому составу топлива и реакциям горения можно определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы массы топлива (1 кг). Вследствие практически неизменного химического состава дизельного топлива теоретически необходимое количество воздуха составляет 10=14,5 кг на 1 кг топлива (считая, что объемная доля кислорода в воздухе равна 0,21). Однако перемешивание топлива с воздухом в дизелях не является совершенным настолько, что каждая молекула кислорода участвует в окислении (горении) топлива, так как смесеобразование в цилиндрах дизеля осуществляется в течение очень малого времени и топливно-воздушная смесь получается неравномерной. Чтобы обеспечить полное сгорание впрыснутого топлива, в цилиндр необходимо подать больше воздуха (I,), чем требуется теоретически.

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля
Рис. 23. Схемы продувки двухтактных дизелей:

а - поперечно-щелевая; б - щелевая с частичным наддувом; в - прямоточная клапанно-щелевая; г .-- прямоточно-щелевая прн встречно движущихся поршнях; 1 - поршень; 1 -- форсунка; Я клапан Отношение а=/./10 называется коэффициентом избытка воздуха. Исследованиями установлено, что для нормальной работы дизеля при номинальной мощности коэффициент избытка воздуха должен составлять 1,8-2,2. Если он будет меньше, то топливо сгорает не полностью, что сопровождается «дымлением», перегревом деталей двигателя и работой его при повышенных температурах отработавших газов. Если а будет слишком большим, то в двигателе не будет реализована полная мощность, и, кроме того, он будет иметь повышенные потери тепла с отработавшими газами. При снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха возрастает (рис. 24) и на холостом ходу может увеличиться до б-12. Выбор коэффициента избытка воздуха имеет весьма важное значение для экономичной и надежной работы дизеля. Его значение зависит от того, насколько конструкция дизеля обеспечивает хорошее перемешивание частиц топлива с воздухом по всей камере сгорания.

При распыливании топлива через сопла форсунки с малыми отверстиями в цилиндре образуется кольцевой факел из мелких частиц топлива. Форма камеры сгорания должна быть такой, чтобы частицы топлива в виде факела заполнили все пространство камеры, однако не достигли стенок поршня цилиндра и сгорели во взвешенном состоянии (рис. 25). Вопросам распыливания топлива и его перемешивания с воздухом в цилиндре двигателя посвящено много экспериментальных работ и теоретических исследований. Путем подбора диаметра Рис. 24. Зависимость коэффициента избытка воздуха от мощности двигателяотверстий сопел форсунок, давления распыливания и угла между осями отверстий и осью распылителя можно получить различные диаметры капель топлива, скорости и дальности полета частиц топлива (дальнобойность), направления и формы факела распыливания.

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля

Хорошим считается распыливание, когда диаметр капель равен 10-20 мкм. На качество смесеобразования существенное влияние оказывает вязкость топлива (рис. 25,в). Увеличивая диаметр отверстий в сопле форсунки, можно получить более крупные капли топлива при одновременном возрастании дальности их полета. Повышение давления распыливания топлива (при прочих неизменных условиях) приводит к уменьшению диаметра капель, увеличению дальности полета частиц топлива и сокращению времени их полета. При возрастании давления в конце сжатия (увеличении плотности воздуха в цилиндре) скорость полета

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля
12. Горение топлива в цилиндрах дизеля
Рис. 25. Формы факела распыливания топлива при разных цикловых подачах:

о - без завихрения воздуха; б - с завихрением: « влияние вязкости топлива на форму факела; 1 - факел при ма. ловязком топливе; '1 -при вязком топливе Рис. 26. Схемы возникновения пламени и горения капли топлива в цилиндре дизеля: о - при спокойном состоянии среды (капли топлива и воздуха); б - при наличии завихрения воздуха в цилиндре; 1 - зона свежего воздуха; 2 --зона легковоспламеняющейся смеси; 3 - зона труд-иовосплвменяющейся смеси; 4 - капля топливачастиц уменьшается, дальность сокращается, диаметр капель топлива увеличивается.

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля

При возрастании частоты вращения вала двигателя увеличивается давление распыливания, диаметр капель топлива уменьшается, скорость и путь полета частиц увеличиваются. Большая вязкость топлива способствует увеличению диаметра капель, возрастанию дальности, удлинению факела топлива с одновременным уменьшением его диаметра. С уменьшением вязкости топлива факел становится короче, но большего диаметра (см. рис. 25,в). Завихрение воздуха в цилиндре вызывает укорочение и утолщение факела. Чем больше завихрение, тем интенсивнее происходит разрушение трудно-воспламеняемой фазы и проникновение свежего воздуха к центру капли топлива, что ускоряет и улучшает процесс горения. Все эти зависимости при их умелом использовании дают возможность правильно регулировать топливную аппаратуру и процесс смесеобразования в цилиндрах дизеля.

Теоретические исследования и опыты показывают, что впрыснутая в цилиндр капля топлива (рис. 26) мгновенно воспламениться не может. Требуется какое-то время ц, чтобы капля топлива прогрелась, испарилась, чтобы пары смешались с воздухом и потом воспламенились. Это время х, на подготовку топлива к самовоспламенению тем больше, чем больше диаметр капли и меньше завихрение воздуха в цилиндре.

Подготовка топлива к самовоспламенению протекает такИхМ образом: пары топлива проникают (диффундируют) в среду сжатого воздуха и образуют вокруг капли вначале трудно-воспламеняющуюся (из-за недостатка кислорода) паровоздушную фазу. При дальнейшем испарении и распространении паров топлива в среде сжатого воздуха образуется легковоспламеняющаяся паровая фаза с коэффициентом избытка воздуха а=0,8-г-0,9. В этой фазе зарождается пламя, которое способствует быстрому испарению топлива и распространению горения по всему объему цилиндра. Таким образом, т,- - есть время, которое необходимо для подготовки топлива к самовоспламенению. Это так называемый период задержки воспламенения топлива; он может измеряться в градусах угла поворота коленчатого вала ср° или в секундах. Период задержки воспламенения обычно составляет 6-15° угла поворота коленчатого вала или 0,001 - 0,002 с. Когда капля топлива и воздух находятся в состоянии покоя в цилиндре, то проникновение воздуха через зоны 2 к 3 к воспламеняющейся капле затруднено. При относительном перемещении капли в воздухе доступ его к топливу облегчается, поэтому при завихрении воздуха в цилиндре Т; уменьшается. Период задержки воспламенения оказывает большое влияние на процесс горения в цилиндре дизеля;

чем бОЛЬШе Т,. Тем более «ЖесТКО» протекает работа дизеля. При больших значениях тг- происходит скопление топлива в цилиндре до его воспламенения, и процесс сгорания в дизеле становится мало управляемым, резко повышается давление сгорания рг и скорость нарастания давления в цилиндре. Особенно резко это проявляется при низких температурах окружающего воздуха Гок, когда могут наблюдаться пропуски вспышек.

Чем лучше распылено топливо при впрыскивании в цилиндр, чем выше давление и температура воздуха в конце сжатия, тем меньше период задержки воспламенения топлива и, следовательно, лучше параметры процесса сгорания. Отметим, что для обеспечения надежного воспламенения впрыс нутого в цилиндр топлива температура в конце сжатия Тс должна превышать на 100-200 °С температуру самовоспламенения топлива ГсвСклонность к воспламенению является одной из важнейших характеристик дизельного топлива. Топлива, более склонные к воспламенению, имеют меньший период задержки воспламенения, в результате чего рабочий процесс в цилиндре протекает более благоприятно, двигатель работает «мягко». Если бы период задержки воспламенения был равен нулю и топливо, попав в цилиндр, сразу же воспламенялось, то закон сгорания топлива полностью соответствовал бы закону подачи топлива в цилиндр, и можно было бы управлять процессом горения топлива в цилиндре, задавая требуемый закон впрыскивания. В действительности же, как известно, этого нет. Склонность дизельного топлива к воспламенению обычно оценивается цетановым числом, которое определяется на специальной моторной установке путем сравнения воспламеняемости испытываемого образца топлива и эталонной смеси. Чем больше цета-новое число, тем качество топлива выше. На тепловозах применяют дизельное топливо с цетановым числом, лежащим в пределах от 45 до 60 единиц. Отметим также, что при применении дизельного топлива с большим цетановым числом значительно улучшаются пусковые свойства дизеля и уменьшается нагарообразование.

Фазы газораспределения дизелей. Правильный выбор моментов (фаз) открытия и закрытия клапанов и окон определяет качество очистки цилиндров от газов и зарядки их свежим воздухом. Качество зарядки цилиндров свежим воздухом оценивается коэффициентом наполнения г)г. Чтобы повысить г)„ и улучшить зарядку цилиндров свежим воздухом, клапаны (окна) открывают и закрывают не при крайних положениях поршня, а раньше или позже, как это показано на рис. 27. При движении поршня вправо в период расширения газов выпускной клапан открывается в точке е, когда поршень еще не дойдет до н.м.т., а закрывается в точке е', когда поршень Рис. 27. Фазы газораспределения двигателявнутреннего сгорания: а, а' - моменты открытия и закрытия впускных клапанов; р0 - атмосферное давление (0,1 МПа); р рг -- давления в цилиндре соответственно в период наполнения и выпуска, е. е' - моменты открытия и закрытия выпускных клапановпройдет в.м.т. Впускной клапан открывается в точке а и закрывается в точке а'. В период ае' оба клапана открыты. Такие фазы газораспределения дают наилучшее наполнение цилиндров свежим воздухом. Наивыгоднейшие фазы газораспределения устанавливаются заводом опытным путем.

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля

Угол поворота коленчатого вала дизеля от начала впрыскивания топлива в цилиндр до прихода поршня в в.м.т. называется углом опережения подачи топлива фоп. Угол опережения подачи оказывает большое влияние на протекание рабочего процесса дизеля. При увеличении фоп горение топлива начинается раньше, максимальное давление сгорания рг повышается, горение топлива заканчивается раньше и температура отработавших газов уменьшается. С уменьшением угла опережения подачи давление сгорание снижается, а температура отработавших газов повышается. Если во время сжатия (рис. 28) начать впрыскивание топлива в точке 1, то процесс горения и расширения будет Рис. 28. Развернутые индикаторные диаграммы дизеля при различных углах опережения впрыскивания топлива.

12. Горение топлива в цилиндрах дизеля

1,2 - начало впрыскивания; 1' 2' - начало воспла менения топлива; фоп - угол опережения впрыскивания, ф1 - угол задержки воспламенения топливапротекать по сплошной линии и. Если же топливо начать подавать в точке 2, то дальнейшее протекание процесса будет описываться штриховой линией б. Штриховая линия в соответствует расширению воздуха в цилиндре при отсутствии впрыскивания топлива. На этой же диаграмме показан угол задержки воспламенения топлива ср,. Оптимальный угол опережения впрыскивания зависит от частоты вращения вала и нагрузки дизеля. Он устанавливается заводом-изготовителем опытным путем.

⇐ | Пойда А. А. - Тепловозы - Индикаторные диаграммы рабочего процесса четырех и двухтактных дизелей | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Пойда А. А. - Тепловозы - Тепловой баланс дизелей | ⇒