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): 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 воспламенения (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 подачи распыленного топлива в камеру сгорания, К;

e – экспонента, равная 2, 71.

Для дизелей с объёмным смесеобразованием и степенью 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, недостаточном количестве воздуха, плохом качестве топлива. Современные автомобили для снижения токсичности имеют нейтрализаторы отработавших газов.

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

Таблица 3.2