Как воспламеняется топливо в дизельном двигателе?

Дизельный двигатель — принцип работы

                                                                                                          Дизельный двигатель, наряду с бензиновым, является одним из двух самых распространенных типов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Принцип его работы базируется на самовоспламенении воздушно-топливной смеси, которая подается в камеры сжигания под давлением.

Благодаря этому горючее нагревается и самовоспламеняется, что является главным отличием дизельного двигателя от бензинового и выступает основной причиной всех конструктивных и эксплуатационных изменений в силовом агрегате этого типа, а также напрямую влияет на сферу применения и частоту его использования. В статье подробно рассматривается история создания и совершенствования дизельного двигателя, устройство и принцип работы подобного оборудования, а также его основные отличия и преимущества по сравнению с бензиновой силовой установкой.

История создания и совершенствования

Первые научные разработки, касающиеся возможности использовать для воспламенения горючего в тепловой машине сжатого до высокого давления топлива, были осуществлены в 20-30-х годах 19-го века. На практике этот принцип был реализован выдающимся немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем, который в 1892 году оформил патент на изобретение двигателя оригинальной конструкции, получивший название дизель-мотор в честь его создателя. Через 3 года документ был признан США. В течение нескольких лет Дизель зарегистрировал еще несколько патентов на различные модификации дизельного двигателя.

Первый работающий агрегат был изготовлен в конце 1896 года, а его испытания прошли практически сразу – 28 января следующего года. В качестве горючего первые дизельные двигатели использовали растительные масла и легкие нефтепродукты. Силовая установка практически сразу же стала показывать высокий КПД, будучи еще и очень удобной в эксплуатации. Но в первые годы после изобретения дизельные двигатели применялись, главным образом, в тяжелых паровых машинах.

Существенно расширить сферу практического использования дизельных агрегатов позволили два ключевых усовершенствования. Первое заключалось в применении в качестве топлива керосина, что первым использовал в 1898 году другой великий инженер того времени – родившийся в России швед Рудольф Нобель. Вторым серьезным рационализаторским решением стало изобретение топливного насоса высокого давления (ТНВД), который заменил используемый ранее для сжатия горючего компрессор.

Серьезный вклад в усовершенствования ТНВД внес в 20-е годы 20-го века Роберт Бош.

Он изобрел и внедрил модель встроенного насоса и бескомпрессорной форсунки, применение которых привело к существенному уменьшению габаритов дизельного двигателя, что, в свою очередь, позволило устанавливать его сначала на общественный и грузовой транспорт, а во второй половине 30-х годов – впервые использовать на легковых машинах.

Дальнейшие улучшения рассматриваемого агрегата, в частности использование специального дизельного топлива, позволили силовой установке на этом типе горючего успешно конкурировать с бензиновыми двигателями, постоянно увеличивая занимаемую долю рынка.

Отличие от бензинового двигателя

Главное отличие дизельного двигателя от бензинового было упомянуто выше. Оно состоит в отсутствии системы зажигания, что объясняется использованием принципа самовоспламенения топливно-воздушной смеси в результате нагнетания давления и вызванного этим нагрева горючего. Необходимо отметить несколько ключевых следствий разницы между рассматриваемыми типами силовых установок.

Главные положительные для дизельного двигателя моменты состоят в следующем. Во-первых, отсутствие системы зажигания делает конструкцию агрегата заметно проще, повышая надежность и долговечность. Во-вторых, компрессионное воспламенение топлива обеспечивает более полное и эффективное сгорание, в результате чего повышается КПД силовой установки и снижается количество вредных выбросов.

Основным негативным следствием указанного выше отличия между двигателями внутреннего сгорания выступают более существенные требования к прочности и качеству изготовления клапанов и других деталей дизельных агрегатов. Это связано с тем, что они эксплуатируются под серьезной нагрузкой, связанной с повышенным давлением топливно-воздушной смеси.

Устройство

И дизельный, и бензиновый агрегаты относятся к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а потому имеют сходное устройство. Основными конструктивными частями силовой установки на дизельном топливе являются такие:

1. Блок цилиндров. Основа любого двигателя. Используется для размещения всех систем и узлов силового агрегата. Различаются по трем основным параметрам – числу цилиндров, схеме их расположения и способу охлаждения. Как правило, количество цилиндров является четным, максимальное их число составляет 16. Чаще всего встречаются двигатели с 2-я, 4-я, 6-ю или 8-ю цилиндрами.

Важным элементом рассматриваемого узла является так называемая ГБЦ или головка блока цилиндров. Она создает закрытое пространство, в котором происходит непосредственное сжигание топливной смеси.

2. Кривошипно-шатунный механизм. Основное назначение этого узла двигателя – преобразование перемещения поршня внутри гильзы, являющегося возвратно-поступательным, в движение коленвала, которое относится к вращательным. Главной деталью механизма считается коленвал, подвижно соединенный с блоком цилиндров, что обеспечивает вращение вала.

Другая важная деталь – маховик, который крепится к одному из концов коленвала. Его задача – передать крутящий момент к другим узлам транспортного средства. Ко второму концу коленвала крепится шкив и приводная шестерня топливно-распределительной системы.

3. Цилиндропоршневая группа. Включает в себя цилиндры или гильзы, поршни или плунжеры, шатуны и поршневые пальцы. Отвечает за процесс сжигания топлива с последующей передачей образовавшейся энергии для дальнейших преобразований. Камера сжигания представляет собой пространство внутри гильзы, которое с одной стороны ограничивается ГБЦ, а с другой — поршнем. Главное требование к цилиндропоршневой группе дизельного двигателя – герметичность, прочность и долговечность.

4. Топливно-распределительная система. Функциональное назначение – своевременная подача горючего в камеры сгорания и отвод из двигателя продуктов сжигания топливно-воздушной смеси. В дизельном агрегате основу системы составляют два насоса. Первый из них – низкого давления – отвечает за перемещение горючего из бака к двигателю.

Назначение второго – ТНВД – несколько шире и заключается в определении нужного количества и времени впрыска топлива, а также в обеспечении необходимого уровня давления в камере сгорания. Именно топливный насос высокого давления и соединенные с ним форсунки являются ключевыми элементами дизельного двигателя, обеспечивающими его впечатляющие эксплуатационные и технические параметры.

5. Система смазки. Предназначается для уменьшения показателей трения между отдельными узлами и деталями силовой установки. В качестве смазочного материала используются как различные масла, так и, что характерно для отдельных механизмов, непосредственно дизельное топливо. Устройство системы смазки предусматривает наличие масляного насоса, различных емкостей и соединяющих трубопроводов.

6. Система охлаждения. Основное функциональное назначение данного элемента дизельного двигателя очевидно и состоит в поддержании такого уровня температуры, который является оптимальным для работающего агрегата. Для этого используются два метода – принудительный отвод тепла от узлов двигателя и охлаждение их при помощи воздуха или жидкости. В качестве последней обычно используется вода или антифриз.

7. Дополнительные узлы – турбина иинтеркулер. Турбонаддув или турбонагнетатель позволяет увеличить давление в камере сгорания, что ведет к росту производительности двигателя. Интеркулер предназначен для дополнительного и более эффективного охлаждения горячего воздушного потока, который создается в процессе эксплуатации дизельного агрегата.

Отдельного упоминания заслуживает еще одна важная часть любого современного дизельного двигателя – электрооборудование и автоматика. Именно различные приборы управления и контроля над работой агрегата позволяют добиться главного преимущества, характерного для подобных силовых установок – высокого КПД.

Принцип работы

Дизельные двигатели делятся на двух- и четырехтактные. Первый вариант в сегодняшних условиях используется крайне редко, а потому детально рассматривать его попросту не имеет смысла. Стандартный принцип работы обычного четырехтактного двигателя предполагает, что вполне логично, 4 основных этапа:

1. Впуск. Коленвал поворачивается в диапазоне между 0 и 180 градусами. На этой стадии воздух подается в цилиндр.

2. Сжатие. Положение коленвала изменяется со 180 до 360 градусов. Это обеспечивает движение поршня к так называемой верхней мертвой точке (ВМТ), что приводит к сжатию воздуха в цилиндре в 16-25 раз.

3. Рабочий ход с последующим расширением. Коленвал осуществляет перемещение между 360 и 540 градусами. В камеру сжигания через форсунки впрыскивается топливо, которое при смешивании с воздухом воспламеняется. Это происходит чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ.

4. Выпуск. Коленвал завершает оборот, перемещаясь между 540 и 720 градусами. В результате очередного перемещения поршня в верхнюю часть цилиндра из камеры сгорания удаляются отработанные газы. После этого цикл начинается заново.

Основные разновидности

Основным параметром, который используется для классификации дизельных двигателей, выступает конструкция камеры сжигания. По этому параметру различают два основных типа рассматриваемых силовых установок, на которых используется

· разделенная камера сгорания. Подача горючего производится в специальную камеру, которая называется вихревой и размещается в головке блока, соединяясь с цилиндром при помощи канала. Наличие такого дополнительного элемента позволяет добиться увеличения уровня нагнетания, что положительно сказывается на способности смеси к самовоспламенению;

· неразделенная камера сгорания. Более простая, а потому надежная конструкция, при использовании которой топливо подается непосредственно в пространство над поршнем, которое и выступает камерой сгорания. Это позволяет заметно снизить расход топлива, что, наряду с надежностью механизма, стало ключевой причиной широко распространения именно такого типа дизельных двигателей.

Особенно популярными дизельные агрегаты с неразделенной камерой сгорания стали после появления ТНВД системы Common Rail. Ее использование позволяет обеспечить оптимальный уровень давления, количества и времени впрыскивания топлива для последующего сжигания. Таким образом, достигаются все основные преимущества двигателей с разделенной камерой сгорания без присущих им недостатков.

Основные достоинства и недостатки

Широкое распространение и успешная конкуренция дизельных двигателей с бензиновыми объясняется рядом впечатляющих преимуществ. Главными из них выступают:

· КПД, достигающий 40% на обычных установках и 50% на дизельных двигателях с турбонаддувом. Такие показатели являются попросту недосягаемыми для агрегатов, использующих в качестве топлива бензин;

· мощность. Крутящий момент дизельного двигателя обеспечивается даже на малых оборотах, что гарантирует автомобилю уверенный и быстрый разгон;

· экологичность. Сгорание топлива под высоким давлением приводит к уменьшению количества образующихся в процессе эксплуатации двигателя выхлопных газов. В сегодняшних условиях этому плюсы дизелей придается все большее значение;

· надежность. Как правило, моторесурс дизельного агрегата примерно в полтора-два раза превосходит аналогичный показатель бензинового конкурента. Кроме того, отсутствие системы зажигания позволяет избавиться от многих традиционных проблем двигателей на бензине, например, слабой искры на свечах или их залива.

В числе недостатков, присущих дизельному двигателю, прежде всего, необходимо выделить два. Первый – это несколько более высокая стоимость транспортных средств, оборудованных этим типом силовой установки. Разница в цене обычно варьируется от 10 до 20%.

Второй минус – необходимость существенных эксплуатационных расходов. Это объясняется серьезными требованиями к качеству изготовления и уровню технического обслуживания автомобилей с дизельными двигателями. Однако, обращение в солидную компанию за приобретением, а также последующим обслуживанием, комплектованием и ремонтом сведет к минимуму недостатки агрегата, оставив в полной сохранности его впечатляющие достоинства.

Источник: https://12psb.ru/blog/dizelnyj-dvigatel

Как воспламеняется топливо в дизельном двигателе?

Впечатляющими темпами развиваются дизельные технологии особенно в последние десять лет. Половина новых автомобилей продаваемых сегодня в Европе является их модификациями имеющими дизельный мотор. Несмотря на то, что принцип работы дизельного двигателя остался прежним, он стал тише, экологически чище, а неприятный запах, черный густой дым из трубы и громкое тарахтение остались далеко в прошлом.

Таким был дизель на заре своего становления

Не только экономичность, но и высокая мощность, хорошая динамика стали основными характерными особенностями современных дизельных моторов. Интересно как же удается дизелю отвечать постоянно возрастающим значениям норм токсичности, не только не проигрывая при этом в мощности и экономичности, а постоянно улучшая эти показатели. Попробуем по порядку все рассмотреть.

Как работает дизель, что хорошо, а что не совсем

Главным принципиальным отличием дизельного двигателя от бензинового является способ приготовления рабочей горючей смеси и дальнейшего ее воспламенения.

В большинстве карбюраторных и инжекторных бензиновых двигателей рабочая смесь приготавливается во впускном тракте. Хотя и в некоторых бензиновых двигателях смесь, образуется, как и в дизеле прямо в цилиндре.

Воспламенение смеси в бензиновом моторе происходит в нужный момент от электрического пробоя (искры), а в дизеле от высокой температуры находящегося в цилиндре воздуха.

Примерно так выглядит возгорание в дизельном двигателе

Работает дизель так: при ходе поршня вниз происходит всасывание в цилиндр чистого воздуха, который нагревается при ходе поршня вверх. При этом температура работы дизельного двигателя доходит до 700-900°с, что вызвано высокой степенью сжатия.

Когда поршень подходит в верхнюю мертвую точку в камеру сгорания впрыскивается под высоким давлением дизельное топливо и, соприкасаясь с разогретым воздухом, самовоспламеняется.

Самовоспламенившееся дизтопливо, расширяясь, приводит к резкому нарастанию давления в цилиндре, чем в принципе и вызвана повышенная шумность работы дизеля.

Описанный выше принцип работы позволяет дизелю использовать очень бедную смесь при сравнительно дешевом дизельном топливе, а это в свою очередь определяет его высокую экономичность и неприхотливость.

Дизель имеет на 10% выше КПД и крутящий момент больше, чем у бензинового двигателя.

Основными недостатками дизельных моторов являются повышенная шумность и вибрация, трудности холодного пуска и, безусловно, меньшая мощность на единицу объема, хотя современные модели этих недостатков практически не имеют.

Особенности и устройство некоторых узлов

Учитывая, что степень сжатия дизельного двигателя примерно в 2 раза больше, степени сжатия бензинового, аналогичные его детали существенно усиливаются, так как должны будут выдерживать более высокие нагрузки.

Характерной деталью дизеля является его поршень, форма днища которого зависит от камеры сгорания вернее от ее типа, а во многих случаях сама камера сгорания устроена в днище того же поршня. В отличие от бензиновых двигателей днища поршней дизеля, в верхней мертвой точке, выступают за верхнюю плоскость блока цилиндров.

Поскольку рабочая смесь самовоспламеняется от сжатия, у дизеля отсутствует привычная система зажигания, хотя свечи применяются и на дизеле.

Свеча накаливания в дизельном двигателе

И это свечи с вмонтированной спиралью накаливания, которые предназначены подогревать воздух в камере сгорания особенно перед холодным пуском двигателя. Основные показатели дизельного двигателя как технические, так и экологические определяются в основном системой впрыска топлива, и типом камеры сгорания.

Принцип работы камер сгорания и их типы

В дизельных двигателях камеры сгорания могут быть двух типов неразделенные и разделенные. До недавнего времени в легковом машиностроении преобладали дизельные двигатели с раздельными камерами сгорания. Топливо в этом случае впрыскивалось не в пространство над поршнем, а в камеру сгорания расположенную в головке блока цилиндров. Раздельные камеры сгорания, в зависимости от процесса образования смеси предкамерный (форкамерный) или вихрекамерный, конструктивно выполняются по-разному.

При форкамерном процессе впрыск топлива производится в предварительную камеру, сообщающуюся небольшими отверстиями или каналами с цилиндром, топливо, ударяясь об ее стенки, смешивается с воздухом. Воспламенившаяся смесь с большой скоростью по каналам, сечения которых подобраны, так что бы при сжатии и разрежении возникала большая разница давлений между предварительной камерой и цилиндром, попадает в основную камеру, где и полностью сгорает.

При вихрекамерном процессе сгорание смеси также начинается в отдельной камере, представляющей собой полую сферу. В ходе такта сжатия воздух через соединительный канал попадает в эту камеру и, закручиваясь в ней, образует вихрь, благодаря чему топливо, впрыснутое в нужное время, тщательно перемешивается с воздухом.

Как видим, в разделенной камере схема работы дизельного двигателя такова: топливо сгорает как бы в два этапа, что, безусловно, снижает нагрузку на поршни, тем самым обеспечивая более мягкую работу двигателя.

Одним из недостатков дизельных двигателей выполненных с разделенной камерой сгорания можно назвать увеличенный расход топлива за счет потерь происходящих из-за большой поверхности такой камеры, а также существенных потерь на перетекание воздуха из цилиндра в дополнительную камеру и потом уже горючей смеси назад в цилиндр. Указанные потери ухудшают кроме того пусковые характеристики дизеля.

Типы камер дизельного двигателя

Непосредственный впрыск еще не так давно был прерогативой низкооборотистых дизельных двигателей имеющих большой объем и устанавливаемых на грузовые автомобили.

Очень уж подкупала экономичность дизельных двигателей с непосредственным впрыском, но их применение на дизельных моторах небольшого литража сдерживалось конструктивными трудностями по организации, собственно говоря, процесса сгорания и вдобавок еще повышенными вибрацией и шумом появлявшихся в режиме набора скорости.

Применение появившихся в последнее время, электронных систем управления дозированием топлива, позволило оптимизировать сгорание рабочей смеси в дизелях с непосредственным впрыском (с неразделенной камерой сгорания), что в свою очередь привело к снижению вибрации и шума. Сегодня разрабатываемые новые дизельные двигатели в своей конструкции используют непосредственный впрыск дизтоплива.

Топливоподающие системы

Система топливоподачи, являясь одним из важнейших звеньев дизельного двигателя, предназначена для обеспечения его в нужный момент времени необходимым количеством топлива, причем с заданным давлением.

Важным элементом системы топливоподачи является топливный насос высокого давления (ТНВД), который в нужной последовательности нагнетает необходимые количества дизельного топлива, поступающего от подкачивающего насоса с бака, в магистрали гидромеханических форсунок каждого цилиндра. При наличии высокого давления перед форсункой она открываются, а при его отсутствии или снижении закрываются.

Топливный насос высокого давления

Топливные насосы высокого давления бывают двух типов: насосы рядные многоплунжерные и насосы распределительного типа. Рядный насос представляет собой набор отдельных секций, по количеству цилиндров расположенных в один ряд, отсюда и такое название.

Секция состоит из гильзы и входящего в нее плунжера, приводимого в движение валом с кулачками, который получает вращение от двигателя.

Несмотря на разные принципы работы дизельных двигателей в современных автомобилях, такие насосы сейчас практически не применяются, потому что давление создаваемое ими не постоянно вследствие зависимости от оборотов коленчатого вала и еще из-за того что не могут обеспечить современные требования предъявляемые к шумности и экологии.

В отличие от рядных насосов распределительные насосы способны создать более высокое давление при впрыске топлива и тем самым обеспечить достижение регламентированных, действующими нормативами, значений токсичности выхлопных газов. Такие насосы создают давление с параметрами соответствующими режиму работы двигателя.

Распределительный насос имеет в конструкции плунжер-распределитель, выполняющий вращательное и поступательное движения, при поступательном движении происходит нагнетание топлива, а при вращательном его распределение по форсункам. Эти насосы компактны, осуществляют равномерную подачу и распределение топлива по цилиндрам, а также отлично работают на высоких оборотах.

Распределительные насосы очень чувствительны к чистоте и качеству дизтоплива, поскольку все прецизионные детали таких насосов им смазываются, а зазоры между ними очень малы.

Для впрыска топлива используется еще насос-форсунка, установленная в головку блока двигателя на каждый цилиндр, и приводится в действие кулачком распредвала через толкатель. При этом такты работы дизельного двигателя происходят поочередно.

Топливные магистрали к насос-форсунке выполнены в головке блока в виде каналов, в связи, с чем развивается давление около 2200 бар.

Дозировка сжатого до такой степени топлива, управление углом опережения впрыска выполняется при помощи специального электронного блока, выдающего управляющие команды на электромагнитные или пьезоэлектрические запорные клапаны насосов-форсунок.

Составные части насос-форсунки

Возможность данных устройств работать в импульсном режиме позволяет производить предварительный впрыск, подавая небольшую сначала порцию топлива, что в свою очередь делает работу двигателя мягче и снижает токсичность выхлопа. Основным недостатком таких форсунок является зависимость давления от оборотов дизеля и, безусловно, очень высокая их стоимость из-за сложной технологии изготовления.

Турбонаддув, турбодизель

Турбонаддув является эффективным способом увеличения мощности дизеля. С его помощью можно наполнить цилиндры дополнительным количеством рабочей смеси, тем самым увеличить мощность двигателя.

Наличие повышенного в полтора два раза давления выхлопных газов дизеля против бензинового, позволяет турбокомпрессору обеспечить турбонаддув с очень низких оборотов, и избежать так свойственного бензиновым двигателям провала.

Поскольку в дизеле отсутствует дроссельная заслонка, то для эффективного наполнения цилиндров в разных режимах не требуется сложных систем для управления турбокомпрессором. Наддув помогает получить одинаковую мощность турбодизеля с обычным дизелем при меньшем рабочем объеме, что в свою очередь позволяет снизить его массу.

Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя

Турбонаддув позволяет оптимизировать работу двигателя в высокогорных районах, компенсируя нехватку воздуха и тем самым, не допуская снижение мощности. Недостатки турбодизеля в основном связаны с надежной работой турбокомпрессора, ресурс которого значительно меньше ресурса двигателя из-за жестких требований к качеству моторного масла.

Поломка турбокомпрессора может вывести со стоя и сам двигатель. Следует сказать, что собственный ресурс турбодизеля все-таки ниже такого же обычного дизельного двигателя в основном из-за большой степени форсирования.

У таких дизельных двигателей с турбонаддувом, как правило, повышенная температура газов в камере сгорания, и для обеспечения надежной работы поршней они охлаждаются маслом, которое подается через специальные распылители снизу.

— принцип работы дизельного двигателя

Две основные задачи: уменьшение токсичности и увеличение мощности, для их решения идут поиски новых принципов работы дизельного двигателя для автомобилей. Учитывая это, в частности, современные легковые автомобили комплектуются дизельными двигателями с турбонаддувом.

Источник: http://AvtoMotoSpec.ru/poleznoe/princip-raboty-dizelnogo-dvigatelya.html

Принцип работы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного двигателя совсем иной, чем у мотора, работающего на бензине. Этим и объясняется принцип его питания. В двух словах – работа дизельного мотора строится на воспламенении топливной смеси от сильного сжатия, поскольку высокая температура вызывает ее возгорание.

Источник: https://gazelka35.com/kak-vosplamenyaetsya-toplivo-v-dizelnom-dvigatele/

Как работает автомобильный дизельный мотор — Авто Мото Спец

Впечатляющими темпами развиваются дизельные технологии особенно в последние десять лет. Половина новых автомобилей продаваемых сегодня в Европе является их модификациями имеющими дизельный мотор. Несмотря на то, что принцип работы дизельного двигателя остался прежним, он стал тише, экологически чище, а неприятный запах, черный густой дым из трубы и громкое тарахтение остались далеко в прошлом.

Таким был дизель на заре своего становления

Не только экономичность, но и высокая мощность, хорошая динамика стали основными характерными особенностями современных дизельных моторов. Интересно как же удается дизелю отвечать постоянно возрастающим значениям норм токсичности, не только не проигрывая при этом в мощности и экономичности, а постоянно улучшая эти показатели. Попробуем по порядку все рассмотреть.

Горение в дизельном двигателе

Дизельные двигатели используются все шире и шире, т.к. они экономичны и долговечны. В отличие от бензиновых, дизельные двигатели сжигают топливо без помощи искры.
 

Условия горения

Для горения требуется 3 вещи: что-то, что может гореть, достаточное количество кислорода в воздухе и источник воспламенения. Существуют два пути воспламенения: вещество может загораться от пламени или от искры, или может воспламеняться от нагрева. Если солярку аккуратно нагревать в фарфоровой чашке без доступа к нему пламени, то при определенной температуре его пары воспламеняются. Температура, при которой это происходит, называется температурой самовоспламенения.

В дизельном двигателе воспламенение происходит аналогичным образом, но где дизельный двигатель берет высокую температуру, необходимую для такого воспламенения? Если стоять около работающего воздушного компрессора, то можно обнаружить, что компрессор нагревается. Это происходит из-за нагревания воздуха при его сжатии. Аналогичным образом дизельный двигатель сжимает воздух, поднимая его температуру до необходимой для самовоспламенения. Давление воздуха в цилиндре превышает 30 кгс/см2, когда поршень находится в ВМТ. По мере роста давления, температура воздуха в цилиндре растет.

В то же время, температура самовоспламенения дизельного топлива снижается с увеличением давления. Это означает, что чем выше давление, тем легче воспламеняется воздушно-топливная смесь.

Механизм горения

Топливо впрыскивается в цилиндр из форсунки, затем оно распыляется и самовоспламеняется. Пламя распространяется по всему цилиндру. В этот момент впрыск прекращается, но не сгоревшее топливо продолжает гореть. Процесс горения в дизельном двигателе продолжается очень короткое время и может разбит на 4 периода в соответствии с процессами, происходящем в каждом из них:

• — период задержки воспламенения;
• — период распространения пламени;
• — период прямого горения;
• — период догорания.

Период задержки воспламенения

Период от начала впрыска до момента начала горения называется периодом задержки воспламенения. Рассмотрим его более детально. Топливо впрыскивается форсунками в виде тумана в воздух, нагретый до высокой температуры и находящийся под высоким давлением. Этот туман состоит из множества капель. Даже, несмотря на то, что солярка впрыскивается в очень горячий воздух, она не воспламеняется немедленно, т.к.

должна сначала испариться под действием высокой температуры. По мере испарения происходит ее перемешивание с воздухом и нагреваение до температуры самовоспламенения. Период задержки воспламенения —  это период подготовки горения, во время которого горючее впрыскивается в разогретый воздух, перемешивается с ним и разогревается до температуры самовоспламенения. Этот период должен быть как можно короче, т.к.

он оказывает существенное влияние на последующие периоды горения.

Период распространения пламени

Период от начала воспламенения до момента, когда пламя распространится на все топливо, впрыснутое в цилиндр во время периода задержки воспламенения, называется периодом распространения пламени. Смесь воздуха и топлива образуется в период задержки воспламенения, но воздух не перемешивается полностью с соляркой с самого начала. Воздушнотопливная смесь воспламеняется там, где топливо уже перемешалось с воздухом. В этот период происходит резкое увеличение температуры, и, как следствие, давления в цилиндре.

Период прямого горения

Форсунка продолжает впрыскивать горючее, которое сгорает немедленно после контакта с открытым пламенем в камере сгорания. В этот момент пламя уже распространилось по всей камере. Период от момента, когда пламя распространилось по всей камере сгорания до момента окончания впрыска горючего, называется периодом прямого горения. В это время давление в цилиндре достигает максимальной величины. Момент воспламенения регулируется таким образом, чтобы максимальная величина давления достигалась приблизительно при 10 градусах после ВМТ.

Период догорания

Период от конца впрыска до момента окончания горения, называется периодом догорания. Горение продолжается и после окончания впрыска. Несгоревшее горючее должно полностью сгореть в этот период. Поршень движется вниз во время этого периода, это позволяет воздуху в камере сгорания расширяться, в результате чего давление и температура падает.

Для нормального и полного сгорания дизельному двигателю требуется две вещи: достаточно высокое давление в камере сгорания, чтобы топливо могло самовоспламеняться и правильный впрыск. Правильный впрыск означает, что солярка впрыскивается в нужный момент и в нужном количестве. Попробуем разобраться, что же произойдет, если какое-то из этих условий не будет выполнено.

Низкая компрессия

В дизельном двигателе необходимая температура воспламенения достигается за счет сжатия воздуха в цилиндре. Когда давление в цилиндре низкое, температура сжатого воздуха также остается низкой. Иными словами, требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь достигла температуры воспламенения.

Низкая компрессия вызывает увеличение периода задержки воспламенения. Смесь топлива с воздухом рано или поздно воспламенится, но количество топлива в этом случае будет больше нормального. Одновременно воспламенится большое количество топлива, что вызовет чрезмерный и быстрый рост давления и температуры в камере сгорания. Такое резкое увеличение давления вызывает ударную воздушную волну, действующую на днище поршня и стенки цилиндра. Действие ударной волны вызывает «металлический» звук, также называемый дизельным стуком.

Еще более низкое давление может также вызывать белый дым. Когда давление в цилиндре очень низкое, самовоспламенение не происходит до достижения ВМТ. Т.к. поршень уже идет вниз, температура падает и пламя не успевает распространиться в период распространения пламени. Испарение топлива продолжается в периодах прямого горения и догорания. Несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра в конце периода догорания. Именно поэтому виден белый дым.

Ранний впрыск

Если горючее впрыскивается слишком рано, также возникает характерный дизельный стук. Слишком ранний впрыск означает, что топливо впрыскивается в камеру сгорания тогда, когда температура воздуха еще не достигла нужного уровня. Капли солярки не испаряются также быстро, как в случае нормального горения и требуется больше времени, чтобы горючее воспламенилось. Это приводит к увеличению периода задержки воспламенения. Когда же топливо воспламеняется, одновременно загорается сразу большое его количество. Это и вызывает дизельный стук, который мы слышим.

Поздний впрыск

Белый дым может также быть вызван поздним впрыском. Давление и температура в камере сгорания достигает нужного уровня, но поздний впрыск не оставляет достаточного времени топливу, чтобы испариться. Воспламенение топлива происходит уже после ВМТ. Т.к. давление и температура в камере сгорания начинают немедленно падать, пламя не успевает распространиться по всей камере сгорания и период распространения пламени и горения, вскоре, прекращаются. Испарение продолжается и несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра. В результате мы видим белый дым из выхлопной трубы.

Низкое давление топлива

Дизельный стук может быть вызван, также, низким давлением впрыска. Если топливо впрыскивается при нормальном давлении, то оно распространяется нормально. Но, если давления впрыска низкое – горючее не распыляется нормально и величина капель топлива больше, чем надо. Большие капли не могут нормально испаряться и требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь воспламенялась. Это вызывает увеличение периода задержки воспламенения. При воспламенении загорается сразу большое количество топлива, что вызывает дизельный стук.

Большой объем впрыска

И, наконец, давайте разберемся, почему может появиться черный дым, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального. Если в камеру сгорания впрыскивается нормальное количество топлива, его капли полностью перемешиваются с воздухом и топливо сгорает до конца. Но, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального, то, т.к. в камере находится ограниченное количество кислорода, кислород полностью выгорает в период прямого горения. Оставшееся топливо не может перемешаться с кислородом из-за его отсутствия и превращается в углерод, который и вызывает черный дым.

Источник: Diesel-line.com.ua — дизельная топливная аппаратура

Источник: http://autonewsweek.ru/2013/gorenie-v-dizelnom-dvigatele/

Образование смеси в дизельных двигателях

Отличительной особенностью дизельных дви­гателей является отсутствие внешних источ­ников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбо­наддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.

Процесс смесеобразования в основном опре­деляется взаимодействием впрыскиваемой струи топлива с полем воздушного потока в камере сгорания. Здесь проблема заключа­ется в быстром впрыске и приготовлении от­носительно больших масс топлива, до 200 мг на литр рабочего объема. Типичная продол­жительность впрыска составляет около 1 мс. Термин, используемый в отношении массо­вого расхода топлива, поступающего в камеру сгорания, — скорость впрыска (единица измерения: кг/с). Впрыск топлива, как правило, осуществляется форсунками с несколькими отверстиями.

Обычно используется комбинация отвер­стий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способ­ствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.

Вначале диаметр струи топлива равен диа­метру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдель­ные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зави­симости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис. «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях» ).

Образованию капель топлива и его ис­парению способствует турбулентность. В со­временных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива.

Развитию турбулентности способствует движе­ние заряда топлива, причем на дизельных дви­гателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения.

До­полнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направлен­ные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая кон­струкция камеры сгорания, в которой, напри­мер, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.

Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вих­ревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка то­плива в основном осуществляется за счет фор­мирования локального потока в предкамере.

Процесс сгорания в дизельных двигателях

Процесс сгорания топлива в дизельном дви­гателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и за­жиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажи­гания: сгорание предварительно приготовлен­ной смеси и сгорание с контролем смесеобра­зования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. «Сгорание топлива в дизельном двигателе» ).

Задержка зажигания относится к периоду времени между началом впрыска топлива и началом фактического процесса сгорания. В основном она определяется температурой в цилиндре, давлением в цилиндре и воспламе­няемостью топлива. На стадии задержки за­жигания проходят процессы смесеобразова­ния и первых, предварительных химических реакций топливовоздушной смеси. Задержка зажигания увеличивается, когда двигатель не прогрет или при использовании топлива пло­хого качества с низким цетановым числом.

Влияние давления в цилиндре менее значи­тельно, по сравнению с влиянием темпера­туры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки за­жигания. Топливо, впрыснутое в течение за­держки зажигания, пока что не сгорает. Вели­чина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.

Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предвари­тельно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горе­ние, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо переме­шано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ.

В резуль­тате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует за­жигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходя­щими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвы­чайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше.

Это обычно достигается путем предваритель­ного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.

Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси.

В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называе­мого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется про­цессом переноса кислорода в зону горения.

При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанав­ливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8

Источник: http://press.ocenin.ru/obrazovanie-smesi-v-dizelnyx-dvigatelyax/

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси. Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода. Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения 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.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

   Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

3. Тип камеры сгорания, который оказывает влияние на задержку воспламенения, гак как в зависимости от типа камеры по разному будет проходить распространение топлива по объему воздушного заряда и в пристеночной зоне. Кроме того температура стенок камеры сгорания также будет зависеть от ее типа.
4. Интенсивность направленного движения заряда в камере. Увеличение интенсивности движения заряда несколько сокращает период задержки воспламенения. На рисунке показаны способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске.
5. Тип распылителя форсунки. Форсунка закрытого типа сокращает период задержки воспламенения. Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры, где ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности камеры сгорания. Разделенные камеры сгорания обеспечивают более полное сгорание топлива и менее жесткую работу за счет сокращения времени задержки воспламенения.
6. Нагрузка. С ростом нагрузки увеличивается давление и температура цикла, что приводит к повышению теплового режима двигателя, а это к свою очередь вызывает сокращение времени задержки воспламенения.
7. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к улучшению распыления, увеличению давления и температуры конца сжатия, что способствует сокращению первой фазы горения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность первой фазы горения при этом растет.

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой.

При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна.

Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
3. Нагрузка.

   С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.

4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения.

В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.
3. Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано.

Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие четвертой фазы горения

1. Турбулентное движение заряда, которое улучшает контакт топлива и воздуха и, следовательно, улучшает догорание.
2. Качество распыления в конце подачи топлива. Чем больше диаметр капель, тем продолжительнее процесс догорания Нечеткость отсечки топлива в конце впрыска, как и продолжительное снижение давления в конце впрыска не только снижают тепловыделение, но и вызывают закоксовывание сопел форсунок.
3. Попадание топлива на холодные стенки внутри цилиндрового пространства приводит к увеличению времени догорания, поэтому увеличение нагрузки дизеля до его прогрева нежелательно.
4. Наддув. Используя наддув, увеличивают количество подаваемого топлива, в том числе и путем затяжного впрыска, что приводит к увеличению времени догорания.

Источник: https://ustroistvo-avtomobilya.ru/dvigatel/dizelnyj-dvigatel/protsess-sgoraniya-toplivnoj-smesi-v-dizele/