9.5 Горение в дизелях

При впрыскивании жидкого топлива в виде мелких капель в нагретый воздух вначале происходит их испарение. Образующаяся топливовоздушная смесь весьма неоднородна как по составу, так и по температуре. В ядре впрыскиваемого факела смесь переобогащена. Здесь  = 0,3 ... 0,4. На периферии - переобеднена ( >> 1). Температура в ядре факела соответствует температуре в распылителе форсунки (T  200 С), а на периферии равна температуре воздуха к началу подачи топлива (T  600 С при p  3 МПа).

Топливо, испарившееся в течение периода индукции, по схеме неразветвлённой цепной реакции распадается на продукты неполного сгорания - альдегиды. Этот процесс сопровождается люминесцентным свечением всего факела, что называют “холодным пламенем”.

После _i горение развивается по схеме разветвлённой цепной реакции с непременным образованием большого количества перекисей, которые дают так называемое “вторичное холодное пламя” всего факела.

После накопления в смеси достаточного количества активных частиц, то есть повышения температуры факела до определённой величины, наступает взрывное самоускорение реакции с ярким свечением и резким подъёмом температуры до 2500 ... 3000 С. Скорость распространения пламени по факелу составляет v_пл = 100 ... 150 м/с.

В дальнейшем процессы резко замедляются и имеет место относительно медленное диффузионное догорание остатков впрыснутого ранее и впрыскиваемого топлива. На скорость распространения пламени в этом периоде, который называют управляемым горением, существенное влияние оказывает степень турбулизации рабочего тела.

9.5.1 Турбулентный режим движения газа или жидкости имеет место тогда, когда инерционные силы отдельных движущихся объёмов (молей) рабочего тела превышают силы вязкости. Это происходит при значениях числа Рейнольдса Re = v_ср d /  > 2000, где v_ср - средняя (переносная) скорость потока; d - диаметр сечения потока;  = / - кинематическая вязкость рабочего тела, где  - динамическая вязкость;  - плотность. Для данного режима характерны турбулентные вихри в различных направлениях с относительными скоростями v_от.

Одним из показателей, с помощью которого оценивают интенсивность турбулентности является среднеквадратическое значение относительных скоростей вихрей

. (10.28)

Другой показатель для оценки данного явления - относительная интенсивность турбулентности

I_т = _v / v_ср. (10.29)

Третьим показателем оценки турбулентности потока является масштаб пульсаций

l_т = _v t_в, (10.30)

где t_в - среднее время существования турбулентного вихря.

Используется ещё один показатель - коэффициент турбулентного обмена или коэффициент турбулентной диффузии:

_т = l_т _v. (10.31)

Если скорости вихрей одинаковы во всех направлениях, то турбулентный поток называют изотропным. В противном случае анизотропным. В цилиндрах ДВС имеет место как первый, так и второй тип потока.

Характерный вид осциллограмм изменения давления в цилиндре дизеля при различных углах опережения впрыска _н представлен на рис. 10.3.

На рис. 10.3,б видно, что при позднем впрыске, воспламенение и основное горение идёт на такте расширения, то есть после ВМТ. Это приводит к существенному ухудшению мощностных, экономических и экологических показателей дизеля. Однако при слишком раннем впрыске имеет место чрезмерная скорость увеличения давления dp/dt, что приводит к очень “жёсткой работе” двигателя и, как следствие, повышенной шумности мотора и динамическим нагрузкам в его механизмах и трансмиссии самоходной машины.

К рабочему процессу дизеля предъявляют различные, зачастую противоречивые, требования:

1. увеличение среднего давления цикла p_e, чего можно достичь при максимизации давления p_z;

2. сглаживание взрывного характера горения, то есть уменьшение максимальных скоростей давления (dp/dt)_max  min;

3. улучшение экономичности (g_e  min);

4. уменьшение токсичности по всем вредным компонентам и др.

Исходя из представленного выше механизма горения топлива в дизеле, следует, что для улучшения его выходных показателей необходимо:

1) интенсифицировать процесс подачи топлива, и, в идеале, подавать всё топливо за период индукции, который должен заканчиваться при достижении поршнем ВМТ;

2) использовать двойной впрыск топлива - вначале подавать малую порцию, а после _i основную, то есть осуществлять управляемое горение;

3) интенсифицировать турбулентность рабочего тела с помощью выбора рациональных параметров - формы камеры сгорания, количества и расположения сопловых отверстий форсунок, давления впрыска, количества и расположения впускных клапанов и каналов, фаз газораспределения и др.

Различают три типа камер сгорания дизелей:

1) открытые или однополостные (ЯМЗ, В-2 ...);

2) полуразделённые (ЦНИДИ, MAN ...);

3) разделённые (ВАЗ, VW ...).

9.5.2 Смесеобразование в открытых камерах - объёмное, то есть испарение топлива осуществляется в период впрыска, когда капли не достигли стенок камеры сгорания. Скорости капель при вылете из форсунки могут достигать 300 м/с и более, то есть сверхзвуковых скоростей.

Применяют две разновидности открытых камер сгорания - с организацией окружного вихря с угловой скоростью _в (рис. 10.4,а) и без окружного завихрения рабочего тела (рис. 10.4,б).

Окружной вихрь должен обеспечивать с одной стороны интенсивное перемешивание топлива с воздухом, с другой стороны он не должен допускать перекрещивание (смешение) соседних топливных струй при их несимметричном расположении, что имеет место, например, на дизелях ЯМЗ. Если же окружное завихрение не предусматривается, то применяют распылители форсунок с большим количеством сопловых отверстий.

Основным достоинством дизелей с открытыми камерами сгорания является высокая экономичность, где минимальные удельные расходы топлива g_e^min < 240 г/(кВтч). У лучших моделей таких моторов g_e^min  180 г/(кВтч). Это связано с малой относительной площадью поверхности камеры сгорания A_к.с / V_c, а значит, с минимальными потерями тепла. Главный недостаток открытых камер - жёсткая работа дизеля, то есть чрезмерная скорость увеличения давления dp/dt в начальный период горения.

9.5.3 Дизели с полуразделёнными камерами сгорания имеют глубокую камеру в днище поршня (рис. 10.5), которая соединяется с цилиндром горловиной (прямой, как, например, на Д-21, или сужающейся, как в камерах ЦНИДИ и MAN).

Работа таких дизелей отличается большей “мягкостью” в сравнении с предыдущими. Смесеобразование - объёмно-плёночное, то есть часть топлива испаряется при движении от форсунки до стенки камеры. Остальная часть (не менее 50 %) достигает горячих стенок камеры, растекается там и образует кипящую плёнку, которая более медленно испаряется и сгорает. При этом имеет место либо окружной вихрь горючих газов (как в открытых камерах), либо радиальные вихри, вытекающих из поршневой полости газов (рис. 10.5,а), либо спиралевидный вихрь (рис. 10.5,б). Топливная экономичность моторов с такими камерами сгорания хуже по сравнению с открытыми. Это связано с потерями энергии при истечении газов из поршневой полости и большей относительной площадью поверхности камеры сгорания A_к.с/V_c.

Дизели с открытыми и полуразделёнными камерами сгорания называют также моторами с непосредственным впрыском топлива.

Применяют два вида разделённых камер сгорания: с вихревой камерой (рис. 10.6,а); c предкамерой (рис. 10.6,б).

В предварительную камеру часто вставляют специальные огнеупорные вставки, которые при работе двигателя имеют высокую температуру и этим уменьшают период индукции. Тем не менее угол опережения впрыска у дизелей с разделёнными камерами существенно выше, чем у рассмотренных ранее. Основное достоинство таких моторов - обеспечение “мягкой” работы (почти как карбюраторного). Однако их экономичность наихудшая g_e^min > 300 г/(кВтч). Это связано с очень большими потерями энергии при истечении газов из предварительной камеры в основную, а также с большими потерями тепла через значительную площадь контрольной поверхности.

Наилучшие пусковые качества, то есть работа двигателя, когда стенки камеры сгорания холодные, имеют дизели с открытыми камерами. Но при этом, во-первых, диаметр цилиндра должен быть не менее 80 мм и, во-вторых, предъявляются высокие требования к топливной аппаратуре, например, обеспечение большого давления впрыска (p_в > 100 МПа), строго оптимального угла опережения подачи топлива _н на всех скоростных и нагрузочных режимах и др. Наименее требовательны к качеству топливной аппаратуры дизели с разделёнными камерами. Поэтому на них часто используют более простые штифтовые форсунки. Но для обеспечения удовлетворительных пусковых качеств малолитражных моторов с такими камерами приходится увеличивать степень сжатия до 23 и более.