Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

388

дальнейшего поступатель-

ного движения. Поэтому

диаметр капель топлива во

фронтальной зоне факела

будет постепенно увеличи-

ваться. Достигнув поверх-

ности стенок камеры сгора-

ния, капли топлива фрон-

тальной зоны факела расте-

каются по поверхности, об-

разуя тончайшую пленку.

Скорость испарения топли-

ва с поверхности пленки

зависит от температуры по-

верхности стенки камеры

сгорания, скорости потоков

газа над пленкой.

Взаимодействие факела

впрыскиваемого топлива с пото-

ками газовой среды в надпоршне-

вой полости, интенсивность пере-

мешивания паров топлива с воз-

душным зарядом зависит от типа

и формы камеры сгорания, на-

правления движения фронта факе-

ла и газовых потоков. В двигате-

лях с неразделенными камерами

сгорания и объемным смесеобра-

зованием (рис. 11.11), используе-

мыми в основном в стационарных,

тепловозных и судовых дизелях,

определяющее влияние на интен-

сивность процесса смешивания

паров топлива с воздушным заря-

дом оказывает интенсивность кру-

гового движения воздушного за-

ряда к концу такта сжатия. Круго-

вое движение воздушного заряда

мм

,мм

120

100

0,4

0,2

0,6

Рисунок 11.10 – Влияние диаметра

соплового канала многодырчатого

распылителя на дальнобойность

факела:

давление начала подъема иглы рас-

пылителя р

впр

= 20 МПа; противо-

давление среды р

пр

= 1,5 МПа;

1 – через 1 мс после начала впры

ска;

2 – через 3 мс после начала впрыска

Рисунок 11.9 – Влияние диаметра соплового

канала дырчатого распылителя на

качество распыливания топлива:

давление впрыска постоянное,

впр

= 17,5 МПа;

1 – d

= 0,203 мм; 2 – d

= 0,508 мм)

V ,

, мкм

389

достигается тангенциальным направлением каналов подвода воз-

духа в головке цилиндров четырехтактных дизелей, заширмлени-

ем впускных клапанов или тангенциальным направлением про-

дувочных окон в гильзе цилиндров двухтактных дизелей. При

тангенциальной скорости воздушного заряда на периферии каме-

ры сгорания до 20 м/с в направлении движения заряда смещается

только внешняя оболочка факела с мельчайшими частицами топ-

лива (рис. 11.11, а). При тангенциальной скорости воздушного

заряда до 50 м/с – искривляется ось факела (рис. 11.11, б), а при

тангенциальной скорости воздушного заряда свыше 50 м/с – про-

исходит разрушение факела. Поэтому в дизелях с неразделенной

камерой сгорания с дырчатым распылителем количество отверс-

тий распылителя подбирают таким образом, чтобы на режиме ра-

боты дизеля при максимальной цикловой подаче топлива до на-

чала воспламенения не происходило наложение факелов топлива.

При наложении факелов распыленного топлива и повышенных

цикловых подачах возникают зоны с переобогащением топливо-

воздушной смеси, что снижает эффективность использования

воздушного заряда, полноту сгорания топлива, увеличивает вы-

бросы твердых частиц и токсичных веществ с отработавшими га-

зами.

Рисунок 11.11 – Схема взаимодействия факелов впрыскиваемого топлива

с воздушным зарядом в неразделенной камере сгорания:

а – тангенциальная скорость воздушного заряда на периферии

камеры сгорания при W

 20 м/с; б – 20 м/с  W

 50 м/с

390

Для исключения наложения факелов впрыскиваемого топ-

лива возможное смещение вершины факела за период задержки

воспламенения топлива при повышенных цикловых подачах топ-

лива должно быть меньше длины дуги по периферии камеры сго-

рания между осями факелов, т.е.



 , (11.2)

где W

– тангенциальная скорость воздушного заряда на перифе-

рии камеры сгорания, м/с; 

– период задержки воспламене-

ния, с; D

–диаметр камеры сгорания (рис. 11.11, а), м; n

– ко-

личество сопловых отверстий в распылителе.

С изменением частоты вращения коленчатого вала это соот-

ношение практически не изменяется вследствие противополож-

ного характера изменения W

и 

от частоты вращения коленча-

того вала.

В двигателях с полуразделенными камерами сгорания, ис-

пользуемых в основном в быстроходных автотракторных дизе-

лях, камеры сгорания различных форм (тороидальных, цилинд-

рических, шаровых и т.п.) обычно размещают в днище поршня.

Объем камеры сгорания в поршне составляет 75–80 % объема

камеры сжатия V

. При отношении диаметра камеры сгорания в

поршне к диаметру цилиндра D

/D > 0,5 используют объемное

смесеобразование, при отношении D

/D < 0,4 – объемно-

пленочное или пленочное. При пленочном смесеобразовании ис-

пользуют обычно однодырчатые или двухдырчатые распылители,

при объемном и объемно-пленочном – многодырчатые распыли-

тели. Интенсивность смешивания паров топлива с воздушным за-

рядом определяется тангенциальной, радиальной и осевыми ско-

ростями перетекания воздуха из надпоршневого объема в полость

камеры сгорания в поршне, то есть, зависит от отношения диа-

метра горловины камеры к диаметру цилиндра, глубины камеры,

надпоршневого зазора, частоты вращения коленчатого вала, на-

правления и формы канала подвода воздуха к впускному клапану.

Значительное увеличение тангенциальной составляющей скорос-

ти воздушного заряда на входе в камеру сгорания в поршне к

концу такта сжатия достигается также выфрезеровкой спираль-

391

ных углублений на поверхности днища поршня, обеспечивающих

интенсивную закрутку воздушного заряда.

Рассмотрим для примера особенности процессов пленоч-

ного смесеобразования (М-процесс), реализованного в автотрак-

торных дизелях фирмы МАН с полуразделенной камерой сгора-

ния сферической формы (рис. 11.12) [4, 5]. Топливо впрыскивает-

ся форсункой с однодырчатым распылителем под небольшим уг-

лом к поверхности стенок каме-

ры сгорания в направлении вра-

щения воздушного заряда в ка-

мере сгорания. Интенсивное

вращение воздушного заряда в

надпоршневой полости в камере

сгорания достигается тангенци-

альным направлением впускного

канала и спиральными углубле-

ниями 2 на поверхности днища

поршня. Направление оси факе-

ла 1 впрыскиваемого топлива

под небольшим углом ( 15) к

сферической поверхности стен-

ки камеры сгорания в направле-

нии вращения воздушного заря-

да обеспечивает равномерное

растекание топлива по сфери-

ческой поверхности стенки, об-

разование тончайшей пленки

топлива. Скорость испарения

топлива с поверхности пленки,

интенсивность образования паровоздушной смеси определяется

температурой поверхности стенки камеры сгорания ( 300–

350С), тангенциальной скоростью воздушного заряда (до 90 м/с).

Вследствие относительно медленного испарения топлива с по-

верхности пленки температура воздушного заряда в камере сго-

рания снижается незначительно, что сокращает период задержки

воспламенения, снижает скорость нарастания давления, уровень

шума при сгорании. После воспламенения испарение топлива с

Рисунок 11.12 – Схема взаимодействия

факела впрыскиваемого топлива

с воздушным зарядом в полураз-

деленной камере сгорания с

пленочным смесеобразованием

392

поверхности пленки происходит в основном за счет теплоты про-

дуктов сгорания, излучения пламени. Полнота сгорания топлива

при пленочном смесеобразовании не ниже, чем в двигателях с

объемным смесеобразованием. При этом коэффициент избытка

воздуха, соответствующий началу дымления, снижается до

1,1–1,2.

В дизелях с разделенными камерами сгорания (вихревыми,

предкамерами) степень сжатия в зависимости от диаметра ци-

линдра составляет 18–23. Каналы, соединяющие камеру сгора-

ния с надпоршневой полостью выполнены во вставках 1 из жаро-

прочного материала (рис. 11.13). Температура этих вставок при

повышенных нагрузках может достигать 600–700 С, что предо-

пределяет повышение температуры воздушного заряда, перете-

кающего из надпоршневой полости в дополнительную камеру

сгорания, быстрое испарение топлива, сокращение периода за-

держки воспламенения до 0,3–0,4 мс, снижение скорости нарас-

тания давления, уровня шума при сгорании. Объем вихревых ка-

мер сгорания (сферических, цилиндрических) с направленным по

касательной к поверхности стенок камеры сгорания движением

потока воздуха из надпоршневой полости составляет 40–60 % от

объема камеры сжатия, площадь поперечного сечения соедини-

тельного канала составляет 0,01–0,03 от площади поршня. Объем

предкамер не превышает 30 % от объема камеры сжатия, пло-

щадь поперечного сечения соединительных каналов  0,01 от

площади поршня. При этих соотношениях объемов дополнитель-

ных камер сгорания и объема камеры сжатия, площадей попереч-

ного сечения соединительных каналов и площади поршня макси-

мальная скорость перетекания воздуха из надпоршневой полости

в дополнительную камеру сгорания может достигать 200–300 м/с.

В вихревых камерах сгорания за один оборот коленчатого вала

воздушный заряд совершает 30–50 оборотов, а за период задерж-

ки воспламенения – 2–5 оборотов. Потери энергии на перетека-

ние воздушного заряда из надпоршневой полости в вихревую ка-

меру сгорания достигают в быстроходных дизелях 5–10 Дж/цикл.

В вихревых камерах сгорания факел топлива пересекает вра-

щающийся воздушный заряд практически по диаметру вихревой

камеры. В предкамерах пересекающиеся струи воздуха из от-

393

верстий в стенке 1 создают интенсивную беспорядочную турбу-

лизацию воздушного заряда. Эффективное смесеобразование и в

случае вихревых камер сгорания и в случае предкамер достигает-

ся благодаря большим скоростям потоков воздуха в камере сго-

рания.

В дизелях с разделенными камерами сгорания обычно ис-

пользуются штифтовые распылители при давлениях начала

подъема иглы распылителя форсунки 11,5–13 МПа. Максималь-

ное давление впрыска топлива перед форсункой не превышает

30 МПа.

Вихревые камеры сгорания применяются в дизелях с диа-

метром цилиндра до 150 мм, предкамеры – в дизелях с диаметром

цилиндра до 300 мм. Коэффициент избытка воздуха в дизелях с

разделенными камерами сгорания при максимальных нагрузках

снижается до 1,1–1,2.

§3. Процессы воспламенения, сгорания и расширения

Процессы воспламенения и сгорания в двигателях с воспла-

менением топлива от сжатия происходят при значительной неод-

нородности по составу и температуре топливовоздушной смеси в

отдельных зонах камеры сгорания. Капли впрыскиваемого топ-

лива, перемещаясь с большой скоростью (до 400 м/с) в газовой

Рисунок 11.13 – Схемы взаимодействия факелов впрыскиваемого топлива

с воздушным зарядом в разделенных камерах сгорания:

а – вихревая камера; б – предкамера

1 – вставка из жаропрочного сплава;

2 – форсунка; 3 – свеча накаливания

394

среде с высокой температурой ( 600 С) и давлением ( 3 МПа),

разогреваются, испаряются, образуя в шлейфе капли смесь паров

топлива и воздуха. Поскольку дизельное топливо имеет широкий

фракционный состав с различной температурой кипения отдель-

ных фракций (от 180 до 360 С), первоначально с поверхности

капель испаряются легкие фракции с температурой самовоспла-

менения 350–500 С, затем более тяжелые фракции с более низ-

кой температурой самовоспламенения ( 300 С). Поэтому пары

легких фракций топлива прогреваются быстрее и до более высо-

ких значений температуры. Однако воспламенение топлива на-

чинается в тех зонах факела впрыскиваемого топлива, где кон-

центрация тяжелых углеводородов с относительно более низкой

температурой самовоспламенения достигает значений, при кото-

рых возможно самоускорение реакций окисления углеводородов

топлива. Количество очагов воспламенения, от которых пламя

распространяется на смежные зоны гетерогенной топливовоз-

душной смеси, невелико. Скорость распространения фронта пла-

мени от очагов воспламенения в зависимости от состава топливо-

воздушной смеси, давления и температуры смеси, интенсивности

ее турбулизации изменяется в пределах 100–300 м/с, тогда как

при сгорании гомогенных топливовоздушных смесей углеводо-

родных топлив скорость фронта пламени не превышает 80 м/с

[4].

Процессы воспламенения и сгорания топлива в дизелях ус-

ловно можно разделить в зависимости от особенностей протека-

ния физико-химических процессов на несколько периодов [2, 4]:

 период задержки воспламенения I;

 период быстрого сгорания II;

 период управляемого сгорания III (интенсивность сгора-

ния определяется в основном скоростью подачи топлива в камеру

сгорания);

 период догорания IV (интенсивность сгорания определя-

ется скоростью диффузии кислорода в зону сгорания топлива).

Периоду задержки воспламенения (участок I) соответствует

промежуток времени 

от момента начала поступления топлива в

камеру сгорания (момента начала подъема иглы распылителя) до

момента начала видимого сгорания, соответствующего моменту

395

резкого повышения давления в камере сгорания (рис. 11.14,

11.15). Продолжительность периода задержки воспламенения за-

висит от температуры и давления воздушного заряда к моменту

начала поступления в камеру сгорания топлива, температуры са-

мовоспламенения топлива. Чем выше температура и давление

воздушного заряда к концу сжатия и ниже температура самовос-

пламенения топлива (выше цетановое число), тем меньше пери-

од задержки воспламенения топлива. Например, в дизеле с полу-

разделенной камерой сгорания типа ЦНИДИ (S/D = 140/120;  =

= 16,5; n = 1700 об/мин; 

впр

= 20 ПКВ; топливо – дизельное

летнее с температурой самовоспламенения порядка 310 С;

ЦЧ  45) период задержки воспламенения 

 1,3 мс (13 ПКВ)

(рис. 11.14). При использовании вместо дизельного топлива бен-

зина А-72 (температура самовоспламенения порядка 400–470 С,

ЦЧ  10) период за-

держки воспламенения

возрастает почти в 2

раза. В быстроходном

вихрекамерном авто-

мобильном дизеле на

режиме внешней ско-

ростной характеристи-

ки при n = 3000 об/мин



= 0,81 мс (14,5 ПКВ)

(рис. 11.15). С увели-

чением частоты вра-

щения коленчатого ва-

ла до 5000 об/мин пе-

риод задержки воспла-

менения по времени

несколько уменьшает-

ся, а по углу поворота

коленчатого вала воз-

растает, процесс сго-

рания смещается от

ВМТ на такт расшире-

ния.

Рисунок 11.14 – Осциллограммы изменения

параметров рабочих процессов в дизеле

СМД-14Н с камерой сгорания в поршне

типа ЦНИДИ при n = 1700 об/мин:

z = 4; S/D = 140/120;  = 16,5; диаметр

плунжера d

пл

= 8,5 мм; 

впр

 20 ПКВ;

 = 1,5; р

 0,65 МПа;

1 – давление топлива р

перед форсункой;

2 – подъем иглы форсунки; 3 – давление

газов р в надпоршневой полости; 4 – отметка

ВМТ; 5 – отметка времени ( = 2 мс)

III

р,

МПа

, МПа

мс



впр

396

Молекулы углеводородов испарившегося с поверхности ка-

пель топлива сталкиваясь между собой или с молекулами азота,

паров воды могут расщепляться на атомы или группы атомов,

образуя химически более активные вещества с меньшей энергией

активации, а сталкиваясь с молекулами кислорода, образуют по

схеме неразветвленной цепной реакции продукты неполного

окисления (спирты, альдегиды, формальдегиды, свободные ради-

калы, пероксиды и т.п. ). Эти реакции сопровождаются люминес-

центным свечением без заметного выделения теплоты. Затем в

реакцию с кислородом вступают альдегиды, свободные радикалы

с образованием более активных перекисей и появлением вторич-

ного холодного пламени. По мере накопления активных центров

реакций окисления возрастают скорости реакций окисления, вы-

деление теплоты, начинается тепловое самоускорение реакций,

переходящее в сгорание с желтым пламенем в зоне реакций

окисления.

Рисунок 11.15 – Осциллограммы изменения параметров рабочих процессов

вихрекамерного дизеля ВАЗ-341 при n = 3000 об/мин:

z = 4; S/D = 80/76;  = 23; 

впр

 14,5 ПКВ; р

впр

 13 МПа; р

 0,65 МПа;

1 – давление топлива р

перед форсункой; 2 – подъем иглы форсунки;

3 – давление газов р в надпоршневой полости; 4 – отметка ВМТ;

5 – отметка времени ( = 2 мс)

р,

МПа



впр

III

2 мс

397

Продолжительность периода задержки воспламенения слабо

зависит от дисперсности распыливания топлива, так как в факеле

впрыскиваемого топлива всегда имеются мелкие капли, предо-

пределяющие образование зон с благоприятными условиями для

возникновения очагов воспламенения паров топлива. Несколько

большее влияние на период задержки воспламенения оказывает

дальнобойность и направление факелов распыленного топлива.

Подобный механизм воспламенения топлива характерен для

дизелей с относительно невысокими степенями сжатия, соот-

ветствующими давлению конца сжатия р

= 3–4 МПа и темпера-

туре воздушного заряда 500–700 С. При более высоких значени-

ях давления и температуры воздушного заряда, например, в дизе-

лях с жаровыми накладками на поршне период задержки воспла-

менения сокращается до долей мс (до 0,1 мс), т.е. фазы предпла-

менных реакций окисления углеводородов дизельного топлива

сглаживаются. Процесс воспламенения топлива становится прак-

тически одностадийным. Период задержки воспламенения топли-

ва приближается к предельному значению, определяемому вре-

менем, необходимым для распада струи впрыскиваемого топлива

и частичного испарения мельчайших капель топлива. С умень-

шением периода задержки воспламенения все большая часть топ-

лива поступает в зону сгорания с недостатком кислорода. При

этом снижается скорость реакций окисления углеводородов, ус-

коряются процессы термического расщепления углеводородов с

выделением свободного углерода, образованием сажи.

Вследствие сложных взаимосвязей факторов, определяющих

скорости протекания предпламенных реакций окисления углево-

дородов топлива, продолжительность периода задержки воспла-

менения оценивают по экспериментальным данным или по эмпи-

рическим зависимостям определения продолжительности за-

держки воспламенения для подобных схем организации процес-

сов сгорания. Пример определения периода задержки воспламе-

нения в дизелях с различными схемами организации рабочих

процессов по осциллограммам изменения параметров рабочих

процессов представлен выше (рис. 11.14 и 11.15). Период быст-

рого сгорания (период II на рис. 11.14, 11.15) сопровождается

резким нарастанием давления и температуры рабочего тела. Это-