Смесеобразование в дизельном двигателе

Дизельное топливо, на котором работают дизельные двигатели (построенные по патенту Рудольфа Дизеля), имеет границы кипения при атмосферном давлении в диапазоне между 160 и 390°С, а кинематическая вязкость v составляет при 20°С около 5·10^-6 м²/с. При сравнении с параметрами бензина (границы кипения от 40 до 215°С, v≈0,5·10^-6 м²/с при 20°С) становится ясно, что газификация или распыление дизельного топлива с помощью карбюратора невозможны. Даже если бы это оказалось возможным, свойства дизельного топлива все равно не позволили бы ему смешиваться с воздухом при наполнении цилиндра. Дизельное топливо воспламеняется только при впрыскивании в воздух, максимально сжатый в цилиндре и при этом разогретый до высоких температур, достигающих 900°С. Перед сгоранием однородная рабочая смесь образуется иначе, нежели в бензиновом двигателе, поскольку из-за быстрого воспламенения во всей камере сгорания возникает недопустимо высокое давление.

Топливо в камеру сгорания дизельного двигателя впрыскивается посредством топливного насоса высокого давления через форсунку под давлением от 200 до 2200 бар, в зависимости от конструкции системы впрыска.

Данный способ изначально хотел использовать еще Рудольф Дизель, но технологии конца XIX не позволили создать высокоточный топливный насос высокого давления (далее по тексту — ТНВД). Конструктор после долгих экспериментов пришел к использованию компрессора, в результате в его первых моторах топливо нагнеталось сжатым воздухом в цилиндр через форсунку. Дизельные двигатели с компрессором, работавшие с давлением воздуха около 70 бар, производились до второй половины 20-х годов прошлого века. Затем совершенствование технологий позволило фирме «Bosch» разработать топливную аппаратуру для впрыскивания дизельного топлива под высоким давлением.


Для лучшего понимания различных способов смесеобразования рассмотрим протекание процесса сгорания рабочей смеси в дизельном двигателе. Во время впрыскивания топливо попадает в камеру сгорания с большой скоростью и распадается в воздухе на мелкие частицы, образуя гетерогенную (неоднородную) смесь. Вблизи струи топлива образуется недостаток кислорода, а вдалеке от струи — его избыток, хотя для всей рабочей смеси коэффициент избытка воздуха λ > 1. Мелкие капли топлива — при хорошем распылении диаметр капель составляет несколько мкм (1 мкм = 10^-6 м) — начинают испаряться в горячем воздухе и гореть. Испарение и горение начинаются на поверхности камеры сгорания, куда вначале поступает кислород и где аккумулируется тепло. Горение внешнего слоя рабочей смеси происходит очень стремительно, так как первоначальные молекулы топлива сразу же вступают в реакцию с кислородом. При большой общей поверхности капель сразу сгорает большое количество топлива, а изменение давления на градус угла поворота коленчатого вала (УПКВ), то есть дифференциальное отношение d/d_a, максимальное давление р_z, являются высокими. Большая общая поверхность капель образуется при мелком распылении и большой задержке воспламенения. Тогда в начале горения в цилиндре находится большое количество топлива. Значение d_p/d_а не должно по возможности превышать 5 бар/° УПКВ, тогда двигатель не подвергается сильным механическим нагрузкам и шум при движении не возникает.

В то время, как горит внешний слой рабочей смеси, повышается температура внутри камеры сгорания, где расположена большая часть рабочей смеси, образованной после впрыскивания топлива.

Высокие температура и давление способствуют крекингу (расщеплению) молекул топлива при недостатке кислорода. Большие молекулы топлива распадаются на химически пассивные фрагменты.

После сгорания внешнего слоя пламя достигает основного объема рабочей смеси, где уже образовались фрагменты молекул, и горение смеси происходит медленнее. Таким образом, высокая скорость горения в начале процесса все больше снижается к концу сгорания рабочей смеси. Крекинг происходит до тех пор, пока в результате не останется только химически пассивный углерод. Если из-за сильного движения воздуха не образуется соединение химически пассивного углерода с кислородом, углерод не сгорает до конца. В результате образуется сажа, которая выбрасывается из цилиндра вместе с отработавшими газами и окрашивает их в темный цвет.

Высвобождение тепла при сгорании рабочей смеси выражается через процесс нагрева dQ/da=f(a). На рис. 7.38 представлены два варианта протекания процесса нагрева. В варианте №1 слишком много топлива сгорает перед верхней мертвой точкой поршня, интенсивность повышения давления и максимальное значение давления в цилиндре высоки, а шум при работе двигателя неприятно сильный. К концу сгорания заметно снижается высвобождение тепла вследствие реакций крекинга и возникает опасность образования сажи. Гораздо более благоприятное протекание процесса демонстрирует вариант №2. Сгорание начинается медлен но, но его скорость повышается настолько, что заканчивается оно раньше, при том, что количество тепла в обоих случаях одинаково (Q₁=Q₂).




Для управления сгоранием рабочей смеси, то есть процессом нагрева, существуют следующие возможности:

1. Влияние процесса впрыскивания топлива dK/dа=f(a) (K — количество впрыскиваемого топлива) на процесс нагрева. Это возможно на тихоходных двигателях (с малой частотой вращения коленчатого вала), так как на быстроходных моторах во время задержки воспламенения в камеру сгорания впрыскивается слишком много топлива, горением которого нельзя управлять с помощью процессов нагрева.

2. Снижение скорости сгорания можно вызвать посредством преждевременного начала крекинг-процесса, но в этом случае возможно повышенное образование сажи.

3. Доступ кислорода к топливу ограничивается таким образом, чтобы стремительного сгорания не происходило. Для этого топливо впрыскивается либо на относительно холодную поверхность камеры сгорания, либо в граничную зону вихревого движения воздуха.

Способы смесеобразования можно разделить на две группы:

• впрыскивание с распределением воздуха — топливо, распыленное более или менее мелко, впрыскивается в воздух;
• впрыскивание на стенку камеры сгорания — топливо впрыскивается на относительно холодную поверхность камеры сгорания, где оседает как плотная жидкая пленка.