Рабочий процесс дизеля
В процессе впрыска топливо поступает в камеру сгорания, в которой находится сжатый воздух.
По конструкции камеры сгорания делятся на неразделенные — камеры непосредственного впрыска и разделенные — вихрекамерные и предкамерные.
В дизелях непосредственного впрыска камера сгорания представляет собой пространство, ограниченное днищем поршня и плоскостью головки. В этом пространстве топливо распыливается, смешивается с воздухом и сгорает. Завихрения, благодаря которым топливо надежно перемешивается с воздухом, получают за счет днища поршня и шторок на впускных клапанах. На двигателях непосредственного впрыска применяют многодырчатые форсунки. Количество сопловых отверстий, их сечение и направление струй топлива зависят от конструкции камеры сгорания. При высоком давлении впрыска топлива 17—40 Мн/м2 (170—400 кГ/см2) топливо хорошо раздробляется и достаточно глубоко проникает в среду сжатого воздуха.
В дизелях с разделенными камерами пространство сжатия состоит из камеры в головке цилиндров (вихревой камеры или предкамеры) и камеры над поршнем (основной), которые соединены между собой одним или несколькими отверстиями. На ходе сжатия и в процессе сгорания газы перетекают из надпоршневого пространства (основной камеры) в дополнительную камеру, а из нее — в основную. Благодаря этому топливо интенсивно смешивается с воздухом. Поэтому топливо в двигателях с разделенными камерами впрыскивается при давлении 10—14 Мн/м2 (100—140 кГ/см2). Для зтого используют штифтовые или бесштифтовые форсунки.
На тракторах широко применяют вихрекамерные дизели (Д-54А, Д-50, СМД). В последнее время получают распространение дизели непосредственного впрыска с объемно-пленочным смесеобразованием (Д-37М, Д-108). Камера сгорания у них располагается в поршне и форма ее способствует завихрению газов при движении поршня. Камера соединена с надпорпшевым пространством горловиной. Топливо впрыскивается многодырчатыми форсунками на стенки камеры сгорания в поршне, растекается по стенкам тонкой пленкой и затем, испаряясь, сгорает.
Давление впрыска в зависимости от конструкции двигателя составляет 17—20 Мн/м2 (170—200 кГ/см2).
Таким образом, протекание процесса смесеобразования зависит от типа камеры сгорания, конструктивных особенностей двигателя и топливной аппаратуры. Однако общий принцип работы дизеля сохраняется.
Жидкое топливо поступает в камеру сгорания, в которой находится воздух, сжатый до 3,5—4 Мн/м2 (35—40 кГ/см2) и нагретый до 600—700° С. Топливо в камере сгорания быстро нагревается и испаряется. На испарение расходуется тепло, равное по величине скрытой теплоте парообразования. Поглощение тепла приводит к охлаж
дению воздуха, окружающего частицы топлива. Для нагрева этого воздуха и повышения температуры паров топлива до температуры самовоспламенения требуется некоторый промежуток времени. Поэтому топливо воспламеняется не сразу после поступления в камеру сгорания, а спустя некоторый период времени, называемый периодом задержки воспламенения. Он представляет собой промежуток времени от момента начала поступления топлива в камеру сгорания до момента самовоспламенения.
Рис. 10. Индикаторная диаграмма дизеля1, 11 и 111 — фазы процесса сгорания топлива; Фо — угол опережения впрыска топлива.
После воспламенения отдельных частичек топлива ускоряется процесс его окисления, увеличивается выделение тепла и повышается давление в камере сгорания. При этом усиливается контакт между топливом и воздухом и процесс горения развивается более интенсивно. 13 дальнейшем топливо испаряется благодаря теплу, выделяющемуся при горении.
Температура самовоспламенения зависит от давления в камере сгорания, количества и момента поступления последующих порций топлива, интенсивности рассеивания тепла путем конвекции и теплопроводности, от качества топлива и др. При установившемся горении поступающие в камеру частички топлива немедленно воспламеняются. Скорость горения при этом зависит от скорости движения капель в камере, т. е. от скорости подвода воздуха, богатого кислородом, к топливу и от скорости отвода продуктов сгорания.
Процесс сгорания обычно рассматривают как процесс выделения тепла при изменении давления в цилиндре. Его записывают в виде индикаторной диаграммы, по которой судят о протекании рабочего процесса, при этом его условно делят на 3 фазы. Первая фаза 1 (рис. 10) — период задержки воспламенения, вторая 11 — период быстрого сгорания, третья 111 — период замедленного сгорания.
Первая фаза процесса сгорания. Она включает в себя период с начала поступления топлива в камеру сгорания до момента образования первых очагов пламени. На индикаторной диаграмме в течении этой фазы не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не начало поступать в него. При этом количество топлива, впрыснутое в цилиндр за указанный период времени, слишком мало, чтобы охладить сжимающиеся газы и снизить давление в цилиндре.
При увеличении продолжительности первой фазы в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается значительное количество топлива, сгорание которого, как было ранее сказано, ведет к жесткой работе двигателя.
Период задержки воспламенения должен быть определенной постоянной величины. Однако условия работы двигателя не остаются постоянными, а изменяются в зависимости от температуры воздуха, поступающего в цилиндр, интенсивности и направления вихревых движений воздуха в камере сгорания, химического состава топлива, угла опережения впрыска, давления впрыска, тонкости распыливания, количества впрыскиваемого топлива (нагрузки), оборотов двигателя и др.
Подогрев воздуха, поступающего в цилиндр, повышает его температуру к моменту поступления топлива, интенсивные вихревые движения воздуха в камере сгорания улучшают перемешивание топлива с воздухом, увеличивают теплообмен между ними, способствуют более полному использованию кислорода. Благодаря этим условиям период задержки воспламенения сокращается. Однако при низких степенях сжатия сильные вихревые движения могут привести к тому, что теплоотдача через стенки камеры сгорания увеличится и период задержки воспламенения возрастет из-за снижения температуры смеси.
Химический состав дизельного топлива оказывает большое влияние на повышение давления в камере сгорания и на продолжительность периода задержки воспламенения.
Лучшим дизельным топливом с точки зрения величины периода задержки воспламенения являются топлива парафинового ряда. Они обладают слабой связью углеродистых атомов и в случае применения такого топлива продолжительность периода задержки воспламенения будет наименьшей.
Однако окончательно судить о соответствии топлива требованиям, предъявляемым для использования в данном двигателе, можно только по результатам моторных испытаний.
Угол опережения впрыска представляет собой угол, на который кривошип коленчатого вала дизеля не доходит до верхней мертвой точки (в. м. т.) в момент начала впрыска топлива. Для каждой конструкции дизеля наивыгоднейшее значение угла опережения впрыска зависит от способа смесеобразования, степени сжатия, литража двигателя, характеристики подачи топлива, быстроходности двигателя. В каждом конкретном случае оптимальную его величину подбирают экспериментальным путем. При увеличении угла опережения впрыска топливо, поступающее в камеру сгорания, попадает в более холодную среду с низким давлением, а следовательно, и с меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается, а продолжительность первой фазы возрастает. В цилиндре накапливается значительное количество топлива, которое сгорает до прихода поршня в в. м. т., при этом возрастает жесткость работы двигателя.
При поздней подаче топлива (после прохождения поршнем в. м. т.) хотя температура сжатого воздуха и благоприятна для воспламенения, но вследствие движения поршня вниз давление быстро снижается, поэтому воспламенение топлива задерживается и продолжительность первой фазы возрастает, хотя и менее интенсивно, чем при увеличении угла опережения впрыска. Сгорание в этом случае протекает вяло и экономичность двигателя ухудшается.
Давление начала впрыска для каждого двигателя устанавливают определенной величины. Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска. Игла форсунки в конце впрыска садится в гнездо при более высоком давлении топлива. Конец впрыска получается резче, а общая продолжительность впрыска короче. При этом увеличиваются дальнобойность струи и улучшается качество распыливания топлива. Поэтому топливо лучше перемешивается с воздухом и продолжительность периода задержки воспламенения сокращается. Однако величина давления начала впрыска не должна превосходить определенного, установленного для каждого двигателя значения. При высоком давлении энергия струи топлива достигает таких размеров, что она, проникая через толщу сжатого воздуха, попадает на стенки камеры и охлаждается (сказанное не относится к двигателям с пленочным распыливанием). Вследствие этого увеличивается период задержки воспламенения и ухудшается экономичность двигателя.
При снижении давления начала впрыска начальная скорость истечения топлива, выходящего из форсунки, уменьшается. Качество распыливания топлива и смесеобразования ухудшается. Снижение давления до определенного предела позволяет получить достаточное количество капель малого размера для своевременного воспламенения топлива, поэтому период задержки воспламенения практически не возрастает. Однако значительное снижение давления начала впрыска ведет к ухудшению рабочего процесса двигателя.
Нагрузка дизельного двигателя оказывает влияние на продолжительность первой фазы вследствие изменения количества топлива, поступающего в цилиндр. Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл. Тепловая напряженность двигателя повышается, улучшаются условия для подготовки рабочей смеси и поэтому сокращается период задержки воспламенения. Следовательно, продолжительность первой фазы с увеличением нагрузки уменьшается.
Скорость вращения коленчатого вала двигателя. Изменение скорости вращения вала приводит к изменению угла опережения, давления и продолжительности впрыска, тонкости распыливания. Все эти факторы вызывают изменение периода задержки воспламенения. На его величину также оказывает влияние интенсивность турбулентного движения воздуха.
Вторая фаза процесса сгорания включает в себя период с момента появления первых очагов пламени до охвата пламенем всего объема камеры сгорания. В этой фазе резко повышается давление. Характер протекания второй фазы зависит от продолжительности первой, от однородности и вихревого движения смеси, скорости по
дачи топлива. Чем длительнее первая фаза, тем выше скорость сгорания и тем жестче работа двигателя.
Неоднородность рабочей смеси уменьшает скорость распространения пламени. Процесс протекает более продолжительное время и эффективность его снижается. Усиление вихревых движений в камере улучшает качество смесеобразования и процесс сгорания. Возраста-ние скорости подачи топлива благоприятно сказывается на протекании рабочего процесса. Желательно, чтобы скорость впрыска возрастала непрерывно. Увеличение давления впрыска ускоряет процесс сгорания, что объясняется улучшением тонкости распыливания, увеличением дальнобойности и улучшением равномерности распределения топлива в камере сгорания.
Третья фаза процесса сгорания характеризуется более высоким давлением и температурой. Благодаря этому сокращается продолжительность периода задержки воспламенения топлива, которое продолжает поступать в цилиндр. Однако к концу этого периода уменьшается концентрация кислорода в камере и время задержки воспламенения топлива, выходящего из форсунки, возрастает. Для улучшения сгорания топлива и сокращения продолжительности третьей фазы может быть использована дальнобойность струи. Струя, обладающая большей дальнобойностью, глубже проникает в толщу сжатого газа и попадает в зоны с большей концентрацией кислорода. Увеличения дальнобойности струи достигают повышением давления впрыска.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com