при каком давлении воспламеняется дизельное топливо
Пары дизельного топлива
Двигатель на дизельном топливе
Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения топлива от сжатия. Основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе подачи паров дизельного топлива (топливо-воздушной смеси) в цилиндр и способе их воспламенения. В дизельном двигателе воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (от 14:1 до 24:1), воздух нагревается до температуры самовоспламенения дизельного топлива (800—900°С). Пары дизельного топлива впрыскиваются в камеры сгорания форсунками под большим давлением (от 10 до 220 МПа) и практически мгновенно воспламеняются.
Свечи у дизеля тоже могут быть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск. Таким образом, наиболее распространенным определением дизельного двигателя является: «Поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением паров топлива от сжатия». Дизельный двигатель благодаря очень высокой степени сжатия отличается большим КПД (до 50 %) по сравнению с бензиновым двигателем.
Принцип работы дизельного двигателя с четырехтактным циклом
В двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще, и можно ожидать существенного повышения мощности по сравнению с четырехтактным циклом. На практике же это не удается реализовать.
Давление паров дизельного топлива, температура вспышки и возможность взрыва паров
Давление насыщенных паров определяет летучесть нефти нефтепродуктов, оказывающую влияние на условия их применения. Давление насыщенных паров с повышением температуры растет. Образование насыщенных паров приводит к тому, что давление на свободной поверхности не может быть ниже давления насыщенных паров. Как и во всех нефтепродуктах, в дизельном топливе давление паров (равновесная устойчивая концентрация паров над поверхностью жидкости) зависит от температуры, оно увеличивается с повышением температуры и сравнивается с атмосферным в начале кипения.
Пары дизельного топлива опасны только при температурах выше 55°С. Дизельное топливо загорается только тогда, когда происходит испарение и нагрев паров, от поднесенного огня возникновение взрыва паров дизельного топлива в открытом пространстве практически исключено. Пары дизельного топлива практически безопасны при температурах окружающей среды, т.е. концентрация их всегда ниже нижнего концентрационного предела.
При операциях с нефтепродуктами несложно проследить возникновение ситуаций, при которых происходит превращение паров высокой невзрывоопасной концентрации в низкую взрывоопасную концентрацию. Существуют приборы для определения давления насыщенных паров дизельного топлива. Определение давления насыщенных паров происходит при температуре 380°С и при отношении объема, занимаемого пробой топлива, к объему, занимаемому парами топлива, равном 1:4.
При каком давлении воспламеняется дизельное топливо?
Воздух, поступающий в цилиндр дизельного движка, сильно сжимается, поэтому температура в камере начинает превышать величину температуры воспламенения. При каком давлении воспламеняется дизельное топливо?
До того, как поршень достигнет «мертвой точки», в камеру впрыскивается дизтопливо и под давлением моментально воспламеняется. Если объем впрыснутого топлива велик для определенного объема камеры сгорания, то в цилиндре образуется ударная волна, которая вызывает детонацию.
Принцип работы дизельного двигателя
Воспламенение ДТ в цилиндре дизельного мотора – это одновременное возникновение очагов пламени в конкретном объеме смеси, поступившей в камеру сгорания. Центры возникновения очагов пламени – зоны смешения паров воздуха и паров топлива.
Жесткая работа двигателя вызывается быстрым (детонирующим) сгоранием топлива. Объем быстро сгорающего ДТ и скорость нарастания давления зависят от длительности периода задержки воспламенения. Чем ниже цетановое число, тем длительнее период задержки воспламенения.
Четырехтактные дизельные двигатели
Принцип работы четырехтактного двигателя состоит из нескольких циклов:
Цетановое число напрямую влияет на плавную и бесперебойную работу дизельного двигателя. На сегодня нормативами установлен предельный размер цетанового числа – 51, не ниже.
Компания «ExpressDiesel» является дилером крупнейших НПЗ северо-западного региона России. У нас всегда можно прибрести качественное сертифицированное ДТ по лучшим ценам в регионе.
Система впрыска дизельного двигателя
Система впрыска дизельного двигателя отличается от бензинового. В камере сгорания дизельного двигателя происходит воспламенение топлива. В бензиновом поджигается топливная смесь. Приготовленная, вне камеры сгорания и в определенном соотношении.
Поэтому воспламенение топлива дизельного двигателя имеет свои особенности. Основываются ни на физических свойствах воздуха и непосредственно дизельного топлива. Эти свойства определяют конструктивные особенности. Различных систем впрыска топлива.
Воспламенение дизельного топлива.
Поршень сжимает воздух в камере сгорания. Поршневая группа позволяет создать компрессию в камере сгорания выше 25 вар. Если это происходит. Температура сжимаемого воздуха поднимается до 700- 900 градусов по цельсию.
Нагрев воздуха в камере сгорания
Как происходит воспламенение.
Сжатый воздух нагрет до температуры 700-900 градусов. В момент когда поршень начинает подходить к верхней мертвой точке. Форсунка впрыскивает топливо под давлением. Топливо распыляется на мелкие капли. Капля от движения начинает испаряться и вокруг неё образуется облако пара. Температура воспламенения дизельного топлива составляет 350 градусов по Цельсию. То есть при температуре сжатого воздуха даже в 500 градусов. Пары топлива гарантированно самовоспламеняются. И от горения начинают расширяться. Создаётся давление в цилиндре. К моменту когда поршень подойдет к верхней мертвой точке. Топливо воспламенится все полностью и создаст максимальное давление в камере сгорания. Это давление и будет совершать работу двигателя. По мере удаления поршня от верхней мертвой точки топливо догорает. Создавая тем самым дополнительное давление на поршень.
Качество сгорания топлива во многом определяет давление с которым происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Чем быстрее и эффективнее сгорает топливо тем выше создаваемое им давление. Чем выше давление распыления в форсунках. Тем капли мельче и быстрее движутся. Соответственно быстрее сгорают. Поэтому при одном и том же объёме камеры сгорания можно достичь повышение мощности двигателя за счет увеличения давления впрыска топлива.
Увеличение мощности двигателя
Современные системы впрыска позволяют поднять давление распыления до 2000 Вар. Выше создать давление не получается из за конструктивных особенностей двигателя внутреннего сгорания. То есть двигатель может не справиться с возникающим давлением и разрушится
Увеличение объёма воздуха в камере сгорания
Мощность двигателя можно повысить за счет увеличения объема воздуха поступающего в камеру сгорания. Так как воздух содержит кислород. И чем его больше тем интенсивнее происходит сгорание топлива. Цилиндр имеет рабочий объём, который изменить нельзя. Но можно в этот объём разместить большее количество воздуха. Если предварительно его сжать.
Происходит это с помощью турбокрмпрессора. Он создаёт избыточное давление поступающего в цилиндр воздуха. В результате его попадет большее количество. Если бы поршень закачивал воздух самостоятельно. Но в результате попадания воздуха в турбокомпрессор он нагревается от температуры турбины и от создаваемого им сжатия. Требуется его охлаждение.
При охлаждении движение молекул замедляется. В результате чего они начинают занимать меньший объём в пространстве. Технически охлаждение воздуха происходит путем применения радиатора. Его называют интеркулер. В интеркулере воздух охлаждается встречным потоком воздуха. При движении автомобиля. Сжатый воздух дополнительно охлаждается и подаётся в цилиндры. Но применение интеркулера возможно только при наличии турбокомпрессора. Потому что если применять его отдельно, он затруднит поступление воздуха в цилиндры. И повышения мощности не произойдет.
Топливо попавшее в цилиндр должно сгореть полностью. От этого зависит эффективная работа двигателя. Безусловно дополнительная порция воздуха помогает это сделать. Но не решает проблемы в целом. Двигатель работает в разных режимах. При увеличении оборотов. Уменьшается время на горение топлива. А не полное его сгорания снижает мощность работы. В связи с уменьшением возникающего давления на поршень. Автомобили несут на себе разную нагрузку. При одних и тех же оборотах двигателя требуется разное количество топлива для движения автомобиля. Поэтому постоянно разрабатываются различные системы впрыска топлива. Которые пытаются более точно регулировать объём поступающего топлива в цилиндры. При работе на разных режимах работы двигателя.
Классическая система впрыска топлива.
Основана на использовании топливного насоса высокого давления. Он распределяет давление топлива по цилиндрам. В зависимости от схемы работы данного двигателя. Полость ТНВД наполняется топливом при помощи подкачивающего насоса. Который расположен на корпусе ТНВД и приводится в действие от вала ТНВД. Подкачивающий насос закачивает топливо из бака Направляет его в фильтры тонкой очистки. И затем топливо попадает в ТНВД. Полость топливного насоса высоко давления наполняется. В ней находятся плунжерные пары. Они захватывают топливо. И создают высокое давление. Которое и подаётся к форсункам. Форсунка устроена таким образом. Что накапливает получаемое давление от плунжера. И при достижении нужного давления открывает каналы через которые распыляется топливо. Это классическая схема. Насос позволяет менять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Путем изменения количества подаваемого топлива в цилиндры.
Кроме этого некоторые насосы имеют возможность изменять угол опережения зажигания. За счет применения центробежных грузиков. При увеличении числа оборотов двигателя происходит смещение вала насоса относительно привода. Эта система рассчитывается на средние показатели работы двигателя. На различных предполагаемых режимах работы. И не может влиять на не предусмотренные нагрузки. Такие как уменьшение или увеличении перевозимого груза. Спуск подъем. Дорожное покрытие. Количество топлива будет соответствовать только количеств требуемых оборотов двигателя.
Соответственно топлива будет либо не хватать. Либо подаваться избыточное количество. В результате не достигается полное сгорание топлива в цилиндрах, и как результат низкий коэффициент полезного действия. Влияющий отрицательно на расход топлива и мощность двигателя и показатели экологии. Требования предъявляемые к экологии в конечном итоге оказались главным фактором эволюции системы впрыска. Чем топливо лучше сгорает в камере сгорания. Тем образуется меньше вредных выбросов окружающую среду. Соответственно чем эффективнее сгорание топлива лучше характеристики двигателя. Конструктора длительное время усовершенствовали систему впрыска дизельного топлива.
Современная система впрыска дизельного двигателя способна производить подачу впрыска в несколько этапов. Как производить производить предварительный поджог топлива. Предварительная подача топлива называется пилотным впрыском. Когда поршень проходит отметку угла опережения зажигания происходит предварительный впрыск топлива. Небольшое количество топлива загорается. Затем даётся еще какое то количество топлива.
Таких предварительных впрысков может достигать до 5. После пилотного впрыска происходит основной впрыск. Уже в горящее топливо. Основное количество топлива быстрее загорается и сгорает более эффективно. В результате двигатель работает плавно без резких ударов. А более полное сгорание топлива обеспечивает низкий уровень выброса вредных веществ и повышение мощностных характеристик двигателя. Подобный впрыск может обеспечить только система Комон рейл
Система Комон рейл
Управление впрыском топлива происходит при помощи электронного блока управления. Количество подаваемого топлива учитывается от числа оборотов двигателя, скорости движения и возникающих нагрузок в процессе движения автомобиля. Система впрыска дизельного двигателя комон рейл позволят достичь максимально возможного давления впрыска топлива. Поэтому она и получила широкое распространение на современных двигателях.
Система common rail принцип работы
Насос создаёт высокое давление не для каждой форсунки в отдельности а для всех сразу. Давление аккумулируется в расширительной трубке рейле. Все форсунки соединены с рейлом. Впрыск топлива осуществляется за счет работы электро магнитного клапана в форсунках. Управление клапанами осуществляет электронный блок. На основании данных которые он получает от датчиков.
В зависимости от полученных данных ЭБУ определяет время открытия и закрытия форсунок. То есть количество необходимого топлива. Угол опережения зажигания.
Достигается максимальное сгорание топлива на разных режимах работы двигателя.
Устройство системы комон рейл
Система комон рейл состоит из элементов низкого и высокого давления топлива.
Элементы низкого давления обеспечивают подачу топлива до насоса высокого давления. Низкое давление является составной частью нагнетания высокого. То есть оно должно иметь определённую величину. Чтобы насос высокого давления эффективно работал.
В систему низкого давления входят топливоподводящие трубки. Фильтра грубой и тонкой очистки топлива. И как правило шестеренный насос низкого давления.
Элементы высокого давления производят нагнетание рабочего давления топлива в камере сгорания.
В связи с тем что система подводит давление к форсункам одновременно. Затрудняется поиск неисправностей. Если одна форсунка вышла из строя. Например перестала сдерживать рабочее давление. Двигатель работать не сможет. Потеря давления в одной форсунке не позволит создать давление во всей системе.
Неплотное соединение между элементами высокого давления так же позволит создать давление нагнетания.
Например очень часто форсунки подключаются к рейл при помощи удлинителей(морковок) Форсунка имеет конусное отверстие. И в это отверстие прилегает конус удлинителя. Если в соединении трубки удлинителя и форсунки будет повреждение. И трубка не плотно приляжет к форсунке. Давление в системе уже не создаться. И двигатель не заведется. Все соединения должны быть надёжными и предельно прочными. Попадание малейших частиц грязи приведет к неисправности. Иногда требуется ремонт форсунок. Их снимают везут в мастерскую. Соединительные трубки остаются в пыли и грязи ждать форсунки. При установке отремонтированных форсунок их прикручивают как они и лежали. Мотор естественно не заводится из за попавшей грязи в форсунки. А винить начинают мастеров. Диагностика неисправности системы впрыска комон рейл производится при помощи тестера. Который считывает коды ошибок выдаваемых электронным блоком. Но этих данных бывает недостаточно для определения истинной причины неисправности.
Система впрыска дизельного двигателя подвергается постоянной эволюции. Связано это с требованиями экологии. По уменьшению вредных выбросов отработанных газов. А это в свою очередь и есть путь к повышению эффективности работы двигателя и экономии топлива.
При каком давлении воспламеняется качественное дизельное топливо
Какая темература и давление в цилиндрах дизеля, а также как данные показатели влияют на производительность мотора и процесс сгорания дизельного топлива.
Что понимают под компрессией?
Одна из основных характеристик двигателя, приведенная в инструкции по эксплуатации автомобиля, – степень сжатия. Это безразмерный коэффициент, показывающий, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь перед воспламенением. Рассчитывается так: объем одного цилиндра (с учетом камеры сгорания) делится на величину хода поршня. Данный параметр является постоянным и меняется только при глубоком тюнинге мотора – расточке цилиндров, установке другого коленвала и так далее.
Степень сжатия несведущие автолюбители путают с компрессией – реальным давлением, создаваемым поршнями при вращении коленчатого вала стартером (200–300 об/мин). Характеристика меняется по мере износа деталей и измеряется в таких единицах:
Чтобы выявить неисправность главных элементов двигателя, нужно померить компрессию во всех цилиндрах и сопоставить полученные значения с оптимальной величиной. Почему в процессе эксплуатации мотора компрессия снижается:
Указанные процессы аналогично протекают во время работы мотора: топливо не догорает, газы проникают в картер, а масло – в камеру сжигания. То есть, величина компрессии отражает реальную картину внутри двигателя.
Диаграммы для расчёта РДТТ.
Давление в камере сгорания.
Перевод Apollo.
Оригинал этой страницы находится тут:
Rocket Motor Design Charts.Chamber Pressure
Введение.
Данная страница представляет расчётные диаграммы которые могут быть использованы для определения установившегося давления в камере сгорания РДТТ.Диаграмма давление – Kn представлена для каждого карамельного топлива основанного на калиевой селитре такого как:KN-сорбит;KN-декстроза;KN-сахар
Для того, чтобы данные диаграммы были верными необходимо, чтобы карамель была приготовлена стандартным методом:
карамель должна изготовляться с помощью плавления;окислитель должен быть измельчён до такого состояния, когда частички будут размером 75-100 микрон (например с помощью электрокофемолки);составляющие должны быть очень хорошо перемешаны (примерно 3 часа на каждые 100 грамм перемешиваемых в крутящемся миксере);соотношение окислителя и горючего должно быть 65/35
Термин установившийся определяет рабочее состояние при котором давление в камере сгорания является функцией только от площади поверхности заряда. Другими словами, выделение газов при горении, и истечение газов через сопло находятся в состоянии равновесия (баланса). Поэтому, он исключает момент начального увеличения давления при запуске и давление при прекращении горения.
Также приведены уравнения и данные, используемые для построения расчётных диаграмм.
Так как, для использования диаграмм необходимо знать Kn (отношение площади горящей поверхности к площади критического сечения сопла), приведена методология для расчёта площади поверхности заряда с цилиндрическим каналом и для зарядов из состоящих из нескольких шашек. Так же представлены примеры таких расчётов и использования диаграмм.
Расчётные диаграммы.
рис.1 Расчётная диаграмма для карамели на основе сорбита.
рис.2 Расчётная диаграмма для карамели на основе декстрозы.
рис.3 Расчётная диаграмма для карамели на основе сахара.
Построение диаграмм.
Три расчётные диаграммы были построены с использованием следующего выражения для установившегося состояния в камере сгорания:
где параметры определены как:
Po – давление в камере сгорания РДТТ;
Kn – коэффициент, Kn=Ab /At (отношение площади горящей поверхности (Ab) к площади критического сечения сопла(At);
a – коэффициент скорости горения под давлением;
a – пересчётный фактор, МПа в Па ( a =1 000 000);
r – плотность карамели;
c* – характеристическая скорость;
n – степень изменения скорости горения от давления.
Коэффициенты скорости горения под давлением и степень изменения скорости горения от давления основаны на экспериментальных измерениях при стендовых пусках. Детали представлены на страничке KN-Dextrose &KN-Sorbitol Propellants – Burn Rate Experimentation.Для сахарной карамели использовались значения a=0.0665 дюйма/сек (8.26 мм/сек.)и n=0.319, эти значения были получены в ранних сериях измерений стендовых пусков.Характеристическая скорость вычисляется, как показано ниже. Применяемые параметры для каждого типа карамели приведены в таблицах 1-3:
Определение Kn.
рис.4 Заряд с цилиндрическим каналом.
Площадь поверхности горения заряда с цилиндрическим каналом, который показан на рис.4 может быть рассчитана следующим образом:
Для заряда без ограничения горения (нет поверхностей покрытых бронировкой или флегматизирующим покрытием):
Ab max = Ab нач. = 1/2 p (D 2 – d 2) + p L (D + d) Ab конечн. = p (D + d) (L – t) где t = 1/2 (D – d) Для заряда с бронировкой на внешней поверхности (горение в канале и на торцах):Ab max = Ab нач. = 1/2 p (D 2 – d 2) + p d L Ab конеч. = p D (L – 2t) Для заряда с бронировкой торцов (горение на внешней поверхности и в канале):Ab = constant = p L (D + d) 
рис. 5 Составной заряд.
Вид составного заряда показан на рис.5.Он обычно состоит из двух или более топливных шашек, покрытых бронировкой на внешних поверхностях. Такой вид заряда используется когда желают достичь нейтрального профиля Kn (красная линия на рис. 6).Кривая Kn сначала поднимается до наибольшего значения затем убывает. Форма кривой определяется соотношениями Lo/D и do/D. Необходимо осознанно выбирать длину шашки и диаметр канала, иначе вместо нейтрального профиля Kn будет прогрессивный (зелёная кривая) или регрессивный профиль (синяя кривая). В идеале значение Knmax должно получиться на середине кривой, для достижения симметричного профиля (начальное Kn = конечное Kn).
рис.6 Виды изменения Kn составных зарядов.
Мгновенное значение площади поверхности горения заряда вычисляется следующим образом:
Ab = N [1/2 p (D2 – d2) + p L d] (Выражение1)
Где, N-количество шашек, d и L мгновенные значения диаметра канала и длины шашки, которые равны:
d = do + 2x and L = Lo – 2x (Выражение.2а, 2б)
где, х – линейное уменьшение поверхности (протяжённость сгоревшей части, перпендикуляр между плоскостью горения в данный момент и начальной плоскостью, которая была при изготовлении шашки). Это показано на рис.7. Пунктирные линии показывают форму плоскостей горения в некоторой стадии убывания размера шашки.
рис.7 Показано изменение размеров шашки при горении.
Начальная и конечная площади поверхности горения соответственно равны:
Ab нач. = N [1/2 p (D2 – do2) + p Lo do]
Ab конеч. = N p D (Lo – 2t) где t = 1/2 (D – do)
Значение х при котором площадь горящей поверхности достигает максимума очень важно, т.к. оно определяет максимум давления в камере сгорания. Это значение х может быть найдено с помощью приравнивания производной ( представляющей собой крутизну наклона кривой зависимости Kn от уменьшении размера шашки при горении) к нулю (т.е. dAb/dx = 0 ), затем находим х.Также значение х можно найти по формуле:
x = 1/6 (Lo – 2do) при Ab max
Значение Ab maxтогда находится путём подстановки х в равенствах 2а и 2б для нахождения d и L, затем подставляются в выражение 1.
Lo = 1/2 (3D + do) для симметричного профиля
“Параболичность” кривой Kn, которая всегда вогнута к низу, является зависимой от отношения do/D. Чем ближе do/D к единице, тем ближе линия к прямой форме.
Примеры использования.
Определить начальное, максимальное и конечное давление в камере сгорания РДТТ с зарядом без бронировки и содержащим цилиндрический канал выполненный из карамели на декстрозе со следующими размерами:
внешний диаметр 2,25 дюймадиаметр канала 1,00 дюймдлина шашки 10,50 дюймаДиаметр критического сечения сопла 0,650 дюйма.
Ab max = Ab initial = 1/2 p (D 2 – d 2) + p L (D + d)
Ab max = Ab нач. = 1/2 p (2.25 2 – 1.00 2) + p 10.50 (2.25 + 1.00) = 114 дюйма2
Ab конеч. = 1/2 p (D + d) (L – t) где t = 1/2 (D – d)
Тогда t = 1/2 (2.25 – 1.00) = 0.625 дюйма
и Ab конеч. = p (2.25 + 1.00) (10.50 – 0.625) = 101 дюйма2
Площадь критического сечения сопла: At = 1/4 p (0.650)2 = 0.332 дюйма2
Из рис.2 находим что начальное и максимальное давление в камере сгорания 1080 psi. Конечное давление равно 950 psi.
Пример 2.
Определить начальное, максимальное и конечное давление в камере сгорания РДТТ с зарядом из нескольких топливных шашек из сорбитовой карамели со следующими размерами:
внешний диаметр 75 мм.диаметр канала 22мм.длина одной шашки 100 мм.количество шашек 3.Диаметр критического сечения сопла 13 мм.
Значение уменьшения размера шашки при горении в момент максимального давления в камере сгорания найдём из следующего выражения:
тогда, x = 1/6 [100 – 2(22)] =9.33 мм
Подставляем значение x в следующие равенства:
d = do + 2x и L = Lo – 2x
Получаем d = 22 + 2(9.33) =40.7 мм и L = 100 – 2(9.33) = 81.3 мм
Подставляем D, L и d в уравнение площади горения: Ab = N [1/2 p (D2 – d2) + p L d]
Получаем Ab max = 3 [1/2 p (752 – 40.72) + p (81.3) 40.7] = 49 890 мм.2
Начальную и конечную площади поверхности горения берём из:
Ab нач. = N [1/2 p (D2 – do2) + p Lo do]
Ab конеч. = N p D (Lo – 2t) где t = 1/2 (D – do)
Откуда получим
Ab нач. = 3 [1/2 p (752 – 222) + p (100) 22] = 44 960 мм.2
Начальная толщина стенок шашки t = 1/2 (75 – 22) = 26.5 мм.
и Ab конеч. = 3 p 75 [100 – 2(26.5)] = 33 220 мм.2
Площадь критического сечения сопла: = 1/4 p (13)2 = 133 мм.2
Теперь можно посчитать начальное, максимальное и конечное Kn:
Knнач. = 44 960 / 133 = 338
Knmax = 49 890 / 133= 375
Knконеч. = 33 220 / 133= 250
Из рис.1 находится максимальное давление 6,3 МПа. Начальное и конечное давление получаем 5,0 МПа и 3,1 МПа соответственно.
внешний диаметр 50 ммдиаметр канала 18ммколичество сегментов 4
Решение:
Отсюда получаем: Lo = – [3(50) + 18) = 84 мм.
Удостоверимся, что начальная и конечная площади поверхностей горения равны::
Ab нач. = 4 [1/2 p (502 – 182) + p (84) 18] = 32 673 мм.2
Ab final = 4 p 50 [84 – 2(16)] = 32 673 мм.2 where t = – (50 – 18) = 16 мм.
Камеры сгорания дизельных двигателей и особенности работы такого ДВС
Начнем с того, что камеры сгорания дизельных двигателей несколько отличаются от бензиновых. Существует два основных типа камер:
Неразделенный тип является однообъемной камерой, как правило, простой формы, которая согласована с расположением форсунок. Такие камеры обычно выполняются в днище поршней, также могут быть изготовлены частично в днище и частично в ГБЦ, редко только в головке блока.
Разделенный тип камеры сгорания предполагает два отдельных друг от друга объема, которые соединены посредством особых каналов. Таких каналов может быть от одного и больше.
Если говорить о плюсах и минусах, первый тип позволяет обеспечить двигателю лучший КПД, однако температуры в такой камере сгорания выше. Также растут и ударные нагрузки. Что касается разделенных камер сгорания, КПД меньше, однако удается реализовать более полноценное сгорание топлива, такой дизель меньше коксуется, дымит и т.д.
Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием
О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Момент искрообразования соответствует положению точки 1 на диаграмме, а давление в камере сжатия — ординате P1.
Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.
Процесс сгорания условно делят на три фазы.
Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.
Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.
Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.
От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.
Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.
Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.
На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.
Влияние степени сжатия
При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.
Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.
Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.
Как сгорает топливо в дизельном двигателе
Теперь давайте рассмотрим сам процесс горения. Как известно, для горения топлива необходимо определенное количество кислорода, а также источник, который позволит смеси воспламениться.
В дизеле вместо внешней искры таким источником является высокая температура, то есть нагрев.
Указанный нагрев достигается благодаря тому, что воздух в цилиндре сильно сжимается, а дизтопливо подается в самый последний момент. Это обусловлено тем, что температура, необходимая для воспламенения, растет с ростом давления, при этом температура самовоспламенения топлива в подобных условиях понижается.
Другими словами, топливно-воздушная смесь в дизельном двигателе самовоспламеняется от высокого давления и нагрева. При этом нормальная работа мотора сильно зависит от правильно настроенного впрыска, качественного сжатия смеси, а также от полноты сгорания заряда в цилиндрах.
В самом начале в цилиндр подается воздух, сжимается и нагревается. Далее топливо впрыскивается в камеру сгорания дизельного двигателя, во время впрыска происходит его распыление.
Затем возникает самовоспламенение, пламя распространяется по цилиндру. Впрыск горючего останавливается, а остатки топлива продолжают гореть. Далее процесс повторяется.
Как видно, хотя подача и горение заряда в дизеле протекает за очень короткий промежуток времени, этот отрезок можно разделить на этапы:
Фактически туман представляет собой мельчайшие капли топлива, но они не воспламеняются. Дело в том, что сначала горючее должно испариться.
Только после этого произойдет смешивание испаренного дизтоплива с воздухом, а сама смесь нагреется до температуры, необходимой для самостоятельного воспламенения. Отметим, что задержка воспламенения должна быть короткой.
Такое начальное горение приводит к повышению температуры и давления в цилиндре. В результате топливо, которое еще не загорелось, активно испаряется и смешивается с воздухом. В этот момент фактически происходит полное возгорание смеси в цилиндре, при этом резко увеличивается давление.
Именно на данном этапе давление в результате сгорающего топлива с большой силой толкает поршень, заставляя двигатель совершать полезную работу. Что касается температуры, показатель растет до 2200 К.
Как видно, давление в камере сгорания дизельного двигателя играет первостепенную роль для реализации самовоспламенение топлива. Что касается впрыска, необходимо, чтобы солярка подавалась в строго определенный момент, в нужном количестве, а также качественно распылялась.
Если возникнут сбои, распространение пламени будет нарушено, температура в камере сгорания дизельного двигателя повышается, возникает риск детонации, топливо не сгорает в полном объеме и т.д.
Чем нужно измерять?
Для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы и плотности прилегания клапанов применяется диагностический прибор для измерения компрессии. В состав комплекта входят следующие детали:
Простейший вариант компрессометра – манометр с обратным клапаном и резиновой насадкой в виде конуса. В процессе измерения прибор необходимо прижимать к свечному отверстию и удерживать рукой, а не вкручивать.
Если назначение манометра понятно, то функции остальных элементов требуют пояснения. Обратный клапан не дает воздуху покидать корпус прибора, пока поршень накачивает максимальное давление, что происходит за 5–10 тактов. Затем показания обнуляются путем сброса воздуха кнопкой. Поскольку компрессия в дизельном двигателе меряется через отверстия для форсунок или свечей накала, прибор комплектуется различными переходниками.
Основные причины падения компрессии
Наиболее часто среди главных причин низкой компрессии выделяют износ поршневых колец, стенок цилиндров, поршней и клапанов ГРМ. Кроме того, показатели компрессии могут снижаться из-за неправильной регулировки газораспределительного механизма, повреждения деталей (механического или в результате перегрева), закоксованности колец.
Также нужно отметить, что механические повреждения (царапины, задиры) и падение компрессии – следствие использования некачественного или неподходящего моторного масла и топлива, нарушение правил эксплуатации ДВС и т.п.
Конечно, по большому счету весь список проблем можно убрать капитальным ремонтом, включающим в себя шлифовку коленвала, расточку блока цилиндров, замену изношенных элементов и целый ряд других работ.
Особенно такой ремонт необходим для старого двигателя с износом поршней, колец, цилиндров, вкладышей и других важных деталей. Однако при невозможности проведения этой процедуры можно попробовать повысить компрессию в двигателе присадкой в целях улучшения эксплуатационных показателей.
От чего зависит компрессия
Как уже сказано, компрессия дизельного двигателя, и не только его, а всех силовых установок, зависит от состояния цилиндро-поршневой группы и газораспределительного механизма.
Но помимо этого компрессия двигателя еще и зависит от количества оборотов коленвала. Чем ниже его обороты, тем больше времени у воздуха, находящегося внутри цилиндра найти место, где он может выйти из нее.
Поэтому при замере компрессии важно проследить о том, чтобы стартер обеспечил хотя бы минимальных 200-250 оборотов коленчатого вала в минуту. Иначе показания компрессометра не будут соответствовать реальному значению этого показателя.
Это конечно, не все факторы, влияющие на компрессию, но перечисленные являются одними из основных.
Особенности запуска дизельного двигателя
Но высокая компрессия дизельного двигателя, которой обеспечивается работоспособность силовой установки, играет не на руку легкости пуска.
Конечно, если двигатель хорошо прогреется, стартеру не составит труда обеспечить должные обороты коленвала, и как следствие должное давление в камере сгорания и запуск силовой установки.
У холодного же мотора появляется несколько дополнительных факторов, усложняющих запуск. Одним из таких факторов является повышенное трение между узлами и механизмами у холодного двигателя, поскольку масляной прослойки между ними нет.
А если к данному фактору у дизельной установки добавить еще и слабую компрессию, из-за которой воспламенение рабочей смеси затруднительно, поскольку давления в камере сгорания недостаточно, то пуск мотора очень затруднителен.
Поэтому чем ниже температура и слабее компрессия дизельного двигателя, тем меньше шансов его запустить.
И это еще не рассмотрена такая особенность дизельного топлива, как парафинированние его при низких температурах.