Горіння палива в циліндрах дизеля
Дизельне паливо являє собою суміш різних вуглеводнів. Середній елементарний склад рідкого палива, використовуваного в тепловозних дизелях: 87% -углерод (С); 12,5% - водень (Н); 0,5% - кисень (О) і 0,5% -сірка (Б). Хімічний склад дизельного палива визначається в лабораторіях.
За хімічним складом палива і реакцій горіння можна визначити теоретично необхідну кількість повітря для згоряння одиниці маси палива (1 кг). Внаслідок практично незмінного хімічного складу дизельного палива теоретично необхідну кількість повітря становить 1п = 14,5 кг на 1 кг палива (вважаючи, що об'ємна частка кисню в повітрі дорівнює 0,21). Однак перемішування палива з повітрям в дизелях не є досконалим настільки, що кожна молекула кисню бере участь в окисленні (горінні) палива, так як смесеобразование в циліндрах дизеля здійснюється протягом дуже малого часу і паливно-повітряна суміш виходить нерівномірною. Щоб забезпечити повне згорання уприснуло палива, в циліндр необхідно подати більше повітря (/ -,), ніж потрібно теоретично.
Мал. 23. Схеми продувки двотактних дизелів:
а - поперечно-щілинна; б - щілинна з частковим наддувом; в - прямоточна клапаііо-щілинна; г .-- прямоточно-щілинна при зустрічно рухомих порушених; 1 - поршень: 1 - форсунка: Я клапан
Ставлення а = /. / 10 називається коефіцієнтом надлишку повітря. Дослідженнями встановлено, що для нормальної роботи дизеля при номінальній потужності коефіцієнт надлишку повітря повинен складати 1,8-2,2. Якщо він буде менше, то паливо згоряє не повністю, що супроводжується «димленням», перегрівом деталей двигуна і роботою його при підвищених температурах відпрацьованих газів. Якщо а буде занадто великим, то в двигуні не буде реалізована повна потужність, і, крім того, він матиме підвищені втрати тепла з відпрацьованими газами. При зниженні навантаження коефіцієнт надлишку повітря зростає (рис. 24) і на холостому ходу може збільшитися до б-12. Вибір коефіцієнта надлишку повітря має дуже важливе значення для економічної та надійної роботи дизеля. Його значення залежить від того, наскільки конструкція дизеля забезпечує добре перемішування частинок палива з повітрям по всій камері згоряння.
При розпилюванні палива через сопла форсунки з малими отворами в циліндрі утворюється кільцевої факел з дрібних частинок палива. Форма камери згоряння повинна бути такою, щоб частинки палива в вигляді факела заповнили весь простір камери, проте не досягли стінок поршня циліндра і згоріли в підвішеному стані (рис. 25). Питанням розпилювання палива і його перемішування з повітрям в циліндрі двигуна присвячено багато експериментальних робіт і теоретичних досліджень. Шляхом підбору діаметра
Мал. 24. Залежність коефіцієнта надлишку повітря від потужності двигуна отворів сопел форсунок, тиску розпилювання і кута між осями отворів і віссю розпилювача можна отримати різні діаметри крапель палива, швидкості і дальності польоту частинок палива (далекобійність), напрямки і форми факела розпилювання.
Хорошим вважається розпилювання, коли діаметр крапель дорівнює 10-20 мкм. На якість сумішоутворення істотно впливає в'язкість палива (рис. 25, в). Збільшуючи діаметр отворів в соплі форсунки, можна отримати більш великі краплі палива при одночасному зростанні дальності їх польоту. Підвищення тиску розпилювання палива (при інших незмінних умовах) призводить до зменшення діаметра крапель, збільшення дальності польоту частинок палива і скорочення часу їх польоту. При зростанні тиску в кінці стиснення (збільшенні щільності повітря в циліндрі) швидкість польоту
Мал. 26. Схеми виникнення полум'я і горіння краплі палива в циліндрі дизеля: про - при спокійному стані середовища (краплі палива і повітря); б - при наявності завихрення повітря в циліндрі; 1 - зона свіжого повітря; 2 --зона легкозаймистою суміші; 3 - зона працю-іовосплвменяющейся суміші; 4 - крапля палива частинок зменшується, дальність скорочується, діаметр крапель палива збільшується.
При зростанні частоти обертання валу двигуна збільшується тиск розпилювання, діаметр крапель палива зменшується, швидкість і шлях польоту частинок збільшуються. Велика в'язкість палива сприяє збільшенню діаметра крапель, зростанню дальності, подовженню факела палива з одночасним зменшенням його діаметра. Зі зменшенням в'язкості палива факел стає коротшим, але більшого діаметра (див. Рис. 25, в). Завихрення повітря в циліндрі викликає вкорочення і потовщення факела. Чим більше завихрення, тим інтенсивніше відбувається руйнування важко-займистих фази і проникнення свіжого повітря до центру краплі палива, що прискорює і покращує процес горіння. Всі ці залежності при їх вмілому використанні дають можливість правильно регулювати паливну апаратуру і процес сумішоутворення в циліндрах дизеля.
Теоретичні дослідження і досліди показують, що впорснути в циліндр крапля палива (рис. 26) миттєво спалахнути не може. Потрібен якийсь час т ;, щоб крапля палива прогрілася, випарувалася, щоб пари змішалися з повітрям і потім зайнялися. Це час т, на підготовку палива до самозаймання тим більше, чим більше діаметр краплі і менше завихрення повітря в циліндрі.
чим більше Т. Тим більше «жорсткі» про-
тека робота дизеля. При великих значеннях тг- відбувається скупчення палива в циліндрі до його займання, і процес згоряння в дизелі стає мало керованим, різко підвищується тиск згоряння рг і швидкість наростання тиску в циліндрі. Особливо різко це проявляється при низьких температурах навколишнього повітря Струм, коли можуть спостерігатися пропуски спалахів.
Чим краще розпорошено паливо при уприскуванні в циліндр, чим вище тиск і температура повітря в кінці стиснення, тим менше період затримки запалення палива і, отже, краще параметри процесу згоряння. Відзначимо, що для забезпечення надійного запалення уприснуло в циліндр палива температура в кінці стиснення Тс повинна перевищувати на 100-200 ° С температуру самозаймання палива Гсв-
Схильність до займання є однією з найважливіших характеристик дизельного палива. Палива, більш схильні до займання, мають менший період затримки запалення, в результаті чого робочий процес в циліндрі протікає більш сприятливо, двигун працює «м'яко». Якби період затримки запалення дорівнював нулю і паливо, потрапивши в циліндр, відразу ж запалало, то закон згоряння палива повністю відповідав би закону подачі палива в циліндр, і можна було б управляти процесом горіння палива в циліндрі, задаючи необхідний закон впорскування. Насправді ж, як відомо, цього немає. Схильність дизельного палива до займання зазвичай оцінюється цетановим числом, яке визначається на спеціальній моторної установці шляхом порівняння займистості зразка палива і еталонної суміші. Чим більше цета-нове число, тим якість палива вище. На тепловозах застосовують дизельне паливо з цетановим числом, які лежать в межах від 45 до 60 одиниць. Відзначимо також, що при застосуванні дизельного палива з великим цетановим числом значно поліпшуються пускові властивості дизеля і зменшується нагароутворення.
Фази газорозподілу дизелів. Правильний вибір моментів (фаз) відкриття і закриття клапанів і вікон визначає якість очищення циліндрів від газів і зарядки їх свіжим повітрям. Якість зарядки циліндрів свіжим повітрям оцінюється коефіцієнтом наповнення т) г. Щоб підвищити Г) »І ПОЛІПШИТИ ЗЕрЯДКу ЦИЛИНДРОВ
свіжим повітрям, клапани (вікна) відкривають і закривають ні до крайніх положеннях поршня, а раніше чи пізніше, як це показано на рис. 27. При русі поршня вправо в період розширення газів випускний клапан відкривається в точці е, коли поршень ще не дійде до н.м.т. а закривається в точці е ', коли поршень
Мал. 27. Фази газорозподілу двигуна внутрішнього згоряння: а, а '- моменти відкриття і закриття впускних клапанів: р0 - атмосферний тиск (0,1 МПа): р рг - тиску в циліндрі відповідно в період наповнення і випуску, е. Е' - моменти відкриття і закриття випускних клапанів пройде в.м.т. Впускний клапан відкривається в точці а і закривається в точці а '. У період ае 'обидва клапана відкриті. Такі фази газорозподілу дають найкраще наповнення циліндрів свіжим повітрям. Найвигідніші фази газорозподілу встановлюються заводом дослідним шляхом.
Кут повороту колінчастого вала дизеля від початку впорскування палива в циліндр до приходу поршня в в.м.т. називається кутом випередження подачі палива фоп. Кут випередження подачі дуже впливає на перебіг робочого процесу дизеля. При збільшенні фоп горіння палива починається раніше, максимальний тиск згоряння рг підвищується, горіння палива закінчується раніше і температура відпрацьованих газів зменшується. Зі зменшенням кута випередження подачі тиск згоряння знижується, а температура відпрацьованих газів підвищується. Якщо під час стиснення (рис. 28) почати впорскування палива в точці 1, то процес горіння і розширення буде
Мал. 28. Розгорнуті індикаторні діаграми дизеля при різних кутах випередження впорскування палива.
1,2 - початок впорскування: 1 '2' - початок восіла трансформаційних змін палива; фоп - кут випередження впорскування. ф1 - кут затримки запалення палива протікати по суцільній лінії і. Якщо ж паливо почати подавати в точці 2, то подальше протікання процесу буде описуватися штриховий лінією б. Штрихова лінія в відповідає розширенню повітря в циліндрі при відсутності впорскування палива. На цій же діаграмі показаний кут затримки запалення палива пор. Оптимальний кут випередження впорскування залежить від частоти обертання валу і навантаження дизеля. Він встановлюється заводом-виробником досвідченим шляхом.