Фазы сгорания по индикаторной диаграмме

Характер тепловыделения, потери теплоты в среду охлаждения, утечки через поршневые кольца совместно со скоростью изменения объема при движении поршня определяют изменение давления в цилиндре, от которого зависят экономические и энергетические показатели дизеля, механические, тепловые нагрузки и шумоизлучение.

На рис.32,а приведены зависимости давления и средней по объему (термодинамической) температуры рабочего тела по углу

Рис. 32

Индикаторные диаграммы и характеристики ввода а и активного выделе­ния Х_х теплоты:

а — фазы сгорания; б — влияние формы характеристики впрыскивания на изменение давления

в цилиндре при сгорании

поворота коленчатого вала. Под зависимостями р, T=f(φ) приведены интегральные характеристики впрыскивания и активного тепловыделения. На рис. 32,б иллюстрируется влияние ступенчатой характеристики впрыскивания на зависимость p=f(q>).

Первая фаза сгорания,или период задержки воспламенения, определяется как интервал времени, или углов поворота коленчатого вала, от начала впрыскивания (φ_нвп) до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше давления при сжатии заряда без впрыскивания топлива (точка а на диаграмме давления рис. 32, а).

Период задержки воспламенения при впрыскивании жидкого топлива включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

На длительность второй фазы сгорания, влияют следующие факторы

Воспламеняемость топлива. Чем больше цетановое число, тем лучше воспламеняемость топлива.

2.Давление и температура заряда в начале впрыскивания топлива. Увеличение давления и особенно температуры, как правило, сокращает θ_i,

3. Тип камеры сгорания. Он оказывает влияние на θ_i, вследствие различий в распределении топлива по объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания.

4.Интенсивность направленного движения заряда. Увеличение интенсивности движения заряда в дизеле, как правило, несколько сокращает длительность задержки воспламенения.

5.Характеристики впрыскивания и распыливания. Интенсификация впрыскивания и ускорение развития топливных струй до определенного предела способствуют небольшому сокращению θ_i,.

6.Изменение нагрузки. В зависимости от конструкции топливной системы θ_i, изменяется по-разному. Если начало подачи в зависимости от нагрузки не изменяется, то θ_i, незначительно удлиняется при уменьшении нагрузки в связи со снижением давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива. Если же при уменьшении нагрузки начало впрыскивания топлива запаздывает, то возможно сокращение θ_i, вследствие увеличения давления и температуры заряда в цилиндре в момент начала впрыскивания топлива.

7. Увеличение частоты вращения. Увеличение п приводит к возрастанию скорости сжатия заряда, улучшению распыливания топлива и повышению давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива.

Вторая фаза сгорания, или фаза быстрого сгорания, обозначенная на рис.32 a, 0_п, начинается с момента, определяемого как момент воспламенения, и продолжается до достижения максимума давления. Эту фазу можно разделить на две части: от начала сгорания до точки б и участок б — z. В течение первой сгорает часть смеси, подготовленная к воспламенению за θ- и происходит быстрое тепловыделение и нарастание давления. В течение этой части второй фазы имеет место максимальная величина скорости нарастания давления в цилиндре — (dp/dφ)_max.

На развитие и длительность второй фазы сгорания влияют следующие факторы

1.Количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за 0, и подаваемого в течение второй фазы сгорания. При характеристике 1 впрыскивания (рис. 32 б, кривая а) меньше подача топлива за θ, и, как следствие, меньше (dp/d(φ)_max- Чем мельче распиливаются и быстрее охватывают объем заряда первые порции впрыскиваемого топлива, тем интенсивнее тепловыделение и нарастание давления во второй фазе.

2.Скорость движения заряда. Вплоть до некоторого значения увеличение скорости движения заряда способствует интенсификации тепловыделения в фазе быстрого сгорания.

3.Тип камеры сгорания. От типа камеры сгорания существенно зависит характер развития второй фазы сгорания в связи с влиянием его на длительность θ_i, а также на количество ТВС, подготовлен­ной к воспламенению за θ_i, и после начала воспламенения.

4.Нагрузка. При уменьшении нагрузки сокращается продолжительность второй фазы сгорания за счет заключительной ее части, что связано с уменьшением величины впрыскиваемой порции топлива и длительности ее подачи.

5. Частота вращения. При повышении частоты вращения i₂ сокращается в такой степени, что продолжительность @₂, выраженная в град ПКВ, возрастает в существенно меньшей степени, чем частота вращения.

Третья фаза сгорания, или фаза быстрого диффузионного сгорания, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения максимума давления и завершается в момент максимума температуры, который всегда достигается позже максимума давления. В третьей фазе имеет место диффузионное сгорание при интенсивном смешении.

На развитие третьей фазы сгорания оказывают влияние следующие факторы

1. Качество распиливания и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания.

2. Скорость движения воздушного заряда. Увеличение скорости движения заряда до некоторого оптимального значения увеличивает тепловыделение в третьей фазе.

3. Наддув. Введение наддува увеличивает тепловыделение.

4. Увеличение частоты вращения. Подача и распиливание топлива интенсифицируются, а скорость движения заряда повышается вследствие увеличения п. Продолжительность третьей фазы по времени сокращается, а в градусах может возрасти.

Четвертая фаза сгорания(догорание) продолжается с момента достижения максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения. В этой фазе также происходит диффузионное сгорание, но при малой скорости смешения, так как основная часть топлива и окислителя уже израсходована. При благоприятных условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся и течение предыдущих фаз сгорания.

На развитие четвертой фазы сгорания влияют следующие факторы

1.Турбулентные пульсации заряда. Они увеличивают вероятность своевременного контакта между частицами топлива и окислителя. Высокочастотные пульсации обеспечивают относительную скорость между частицами сажи и заряда, необходимую для завершения сгорания.

2.Качество распыливания порций топлива, подаваемых в конце впрыскивания. Чем больше максимальный диаметр капель, чем длительнее процесс догорания топлива.

3.Попадания топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства. Это явление также может вызвать затянутое догорание.

Процесс расширения

Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также давления и температуры в надпоршневом пространстве, и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела (РТ) через кольцевые уплотнения.

Переменные значения показателя политропы п₂ затрудняют проведение термодиамических расчетов, поэтому в них обычно используют среднюю величину п₂. Путем обработки результатов соответствующих экспериментов получают данные, позволяющие выбирать для проведения расчетов средние значения п₂ в зависимости от конструктивных особенностей и режима работы двигателя.

Параметры РТ в конце процесса расширения могут быть определены по формулам политропного процесса. В этом случае рассматривается процесс изменения объема, начиная с точки z расчетной диаграммы и кончая НМТ. Так, для дизелей:

где δ= V_b/V_z — степень последующего расширения. Для двигателей с искровым зажиганием (δ= ε)

Выбор значений показателя политропы п₂

Показатель п₂ зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и режима работы. Поскольку на значение показателя политропы влияет ин­тенсивность теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра, к уменьшению п₂ приводят все мероприятия, ограничивающие отвод теплоты в стенки цилиндра.

Значения показателя политропы n₂, а также давление и температура в конце процесса расширения для дизелей и двигателей с искровым зажиганием приведены в таблице.

Таблица 1