Процесс сгорания дизельного топлива

Если процесс сгорания топлива у бензинового двигателя условно разбивают на 3 фазы (см. рис. 3.1), то у дизеля – на четыре (рис. 3.2.):

Рис. 3.2. Осциллограммы изменения хода иглы (h_и) и давления газов в цилиндре (P_г) дизеля Д – 440 (n = 1700 мин^-1, N_e = 66 кВт):

1 – действительное начало подачи топлива; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия (начало видимого сгорания); 3 – максимальное давление при сгорании топлива; 4 – максимальная температура в цилиндре двигателя

1) индукционный период (период задержки воспламенения, от точки 1 до точки 2); 2) период резкого нарастания давления (фаза быстрого сгорания, от 2 до 3); 3) период основного горения (от 3 до 4); 4) период догорания.

Индукционный период начинается от момента впрыска топлива до начала горения. Период резкого нарастания давления наблюдается от начала горения до максимального значения давления в цилиндре. Период основного горения продолжается от максимального давления до максимальной температуры в цилиндре двигателя. Процесс сгорания в цилиндре начинается при постоянном объеме, завершается при постоянном давлении.

Периодом задержки воспламенения называется время от начала поступления топлива в камеру сгорания, до момента, когда в результате химических реакций количество теплоты будет достаточно для прогрева, испарения и воспламенения впрыскнутого топлива.

Чем больше скорость химической реакции, тем меньше период задержки воспламенеия (t_i) или интервал времени от момента впрыска топлива в нагретый воздух до момента появления пламени. Период задержки воспламенения можно определить по формуле академика Н.Н. Семёнова

, (3.3)

где В – постоянный множитель, зависящий от свойств топлива (цетанового числа) и состава горючей смеси;

Р – давление в цилиндре на такте сжатия в момент начала подачи топлива, Н/м²;

m – порядок реакции (для бимолекулярной смеси при соударении двух реагирующих молекул m = 2);

Е – энергия активации (8,4 – 16,8)×10⁴ Дж/моль, необходимая для преодоления разрыва существующих межмолекулярных связей и замещения их новыми;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль×град);

Т – температура воздуха в момент падачи распыленного топлива камеру сгорания, К;

e – экспонента, равная 2,71.

Для дизелей с объёмным смесеобразованием и степени сжатия 15 – 17, работающих на топливе с цетановым числом, равным 45 – 55, давлением распыленного топлива 50 – 70 МПа значение t_I может достигать 0,001 – 0,002 с.

Для обеспечения высокой экономичности и минимальной токсичности отработавших газов процесс смесеобразования и сгорания организуют по следующей схеме. За период задержки воспламенения передний фронт распыленного топлива должен пройти путь от распыливающего отверстия форсунки до стенки камеры сгорания. За период основного горения (он заканчивается в момент достижения максимальной температуры газов в цилиндре) топливные факелы, например четыре, должны быть повернуты на угол между распыливающими отверстиями. Поворот факелов обеспечивается при помощи винтовых или тангенциальных каналов, по которым воздух поступает в цилиндры двигателя. Для снижения расхода топлива и токсичности (вредности) отработавших газов интенсифицируют процесс подачи топлива [8] (повышают давление впрыскиваемого топлива до 100 и более МПа), активизируют смесеобразование и сгорание. Согласно требованиям стандарта ЕВРО-4 (2005 г.) удельные выбросы четырех основных компонентов отработавших газов дизелей в г/(кВт·ч) не должны превышать: углеводороды – 0,46; окиси азота – 3,5; окиси углерода – 1,5; сажа (твердые частицы) – 0,02. У двигателей, находящихся в эксплуатации, токсичность отработавших газов может превышать допустимые в 5 – 10 раз. Токсичность возрастает при износе цилиндропоршневой группы, неправильной регулировке топливной аппаратуры, плохом качестве топлива.

В табл. 3.2 приведены значения концентрации вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, находящихся в эксплуатации и допустимые нормы стандарта ЕВРО [7].

Углеводороды вызывают головокружение, расстройства дыхания и сердечной деятельности. Окись углерода поражает центральную нервную систему, вызывает потерю сознания и может привести к смертельному исходу. Окислы азота провоцируют удущье, отек легких. Сажа, твердые частицы способствуют зарождению опухолей.

Таблица 3.2