Основные периоды процесса сгорания в дизельном двигателе.

Основные периоды процесса сгорания в дизельном двигателе.

Процесс сгорания в дизеле принято делить на 4 фазы (Рис. 4.1.). Фаза задержки самовоспламенения, фазы быстрого и замедленного горения и фаза догорания.

 

 

Рис. 4.1. Зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала дизельного двигателя.

1. Первая фаза (фаза задержки самовоспламенения).

В течение этой фазы дизельное топливо (ДТ) распыляется, нагревается и перемешивается с поступившим в камеру сгорания воздухом. Продолжительность первой фазы зависит от температуры в камере сгорания, размеров капель топлива, фракционного состава и др.

Чем больше длительность этой фазы, тем больше топлива, готового к воспламенению накапливается в камере сгорания. В этом случае во второй фазе давление нарастает интенсивнее, и работа двигателя становится более жесткой (возрастает уровень динамических нагрузок).

Чрезмерное уменьшение периода задержки ведет к ухудшению экономических показателей двигателя из-за уменьшения времени смесеобразования. Двигатель работает мягче, но часть топлива сгореть не успевает, наблюдается дымление.

2. Вторая фаза (фаза быстрого горения).

После самовоспламенения скорость сгорания практически мгновенно возрастает от нулевой до максимальной. При высокой интенсивности нарастания давления (dP/dφ) работа двигателя становится более жесткой, что сопровождается появлением ударной волны. Для нормального протекания процесса сгорания необходимо, чтобы dP/dφ лежал в пределах 0,4 – 0,6 МПа/град.

От жесткости работы зависят:

-интенсивность изнашивания двигателя (моторесурс), т.к. при ударных нагрузках разрушается масляная пленка и возрастает сила трения;

-уровень шума;

-токсичность ОГ (из-за повышения температуры растет содержание оксидов азота, а неравномерность горения ведет к повышению выбросов СО);

-кавитационный износ гильз цилиндров (что может привести к их прободению).

3. Третья фаза (фаза замедленного горения).

Во время этой фазы сгорает топливо, не успевшее сгореть во второй фазе, а также значительная часть впрыскиваемого в этот период топлива. Фаза заканчивается в момент прекращения впрыска топлива (точка 4). К концу фазы резко снижается коэффициент избытка воздуха, а температура достигает максимального значения. В зависимости от нагрузки фаза заканчивается спустя 10 – 35⁰  поворота коленчатого вала после ВМТ.

Скорость протекания окислительных процессов зависит от взаимной диффузии молекул топлива и воздуха (интенсивности перемешивания). Недостаточная скорость смешения паров топлива и воздуха является одной из основных причин наличия сажи в ОГ. Расслоение заряда, когда топливо изолировано от воздуха, происходит при максимальной температуре, а в этом случае крекинг топлива может происходить быстрее, чем его испарение. Свободный углерод может выделяться в зонах испарившегося топлива, имеющих местный недостаток кислорода.

4. Четвертая фаза (фаза догорания).

Протекает во время хода расширения при снижении давления в цилиндре. На полных нагрузках может длиться до открытия выпускного клапана. Увеличение длительности этой фазы приводит к повышению температуры и дымности ОГ, снижению к.п.д. двигателя.

Длительность этой фазы зависит от химического состава топлива и др. внешних факторов.

 

Свойства дизельного топлива (ГОСТ 52368-2005)

 

Для обеспечения долговечной и экономичной работы дизеля топливо должно иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах, легко испаряться и самовоспламеняться, не содержать вредных примесей и обеспечивать мягкую работу двигателя.

                                   

Вязкость топлива ДТ.

Время на смесеобразование в дизеле примерно в 10 раз меньше, чем в карбюраторном двигателе, поэтому к вязкости и плотности топлива предъявляются повышенные требования. Вязкость ДТ зависит от температуры см. табл. 4.1.

 

Таблица 4.1. Зависимость вязкости ДТ от температуры.

Марка ДТ	Кинематическая вязкость ДТ, в сСт при различных температурах, 0С
	–20	0	20
Летнее	51,0	13,0	6,4
Зимнее	21,0	8,4	4,3
Арктическое	–	–	2,5

 

 Из табл. 4.1. видно, что при понижении температуры вязкость ДТ значительно увеличивается.

При повышении вязкости и плотности ДТ ухудшается структура распыляемого топлива (капли топлива имеют больший диаметр). Это приводит к:

-ухудшению прокачиваемости топлива через фильтры;

-повышению дальнобойности струи топлива, что может привести в конце такта впрыска  к смыву смазки со стенок цилиндра и попаданию топлива в картер двигателя;

-появлению дымного выхлопа из-за термического крекинга топлива (для уменьшения вредных выбросов к ДТ добавляют антидымные присадки).

Снижение вязкости ДТ тоже приводит к ухудшению процесса смесеобразования из-за чрезмерного уменьшения диаметра капель. Это приводит к:

-быстрому затуханию скорости капель, что приводит к замедлению испарения топлива (капли не успевают проникнуть в области камеры сгорания, где достаточно воздуха, поэтому распределение паров ДТ по объему камеры становится неравномерным);

-ухудшению смазки топливной аппаратуры;

-нарушению дозировки цикловой подачи из-за большего просачивания топлива через зазоры в топливной аппаратуре.

Размер капель в струе топлива в различные фазы впрыска не одинаков. Из-за меньших давлений в начальный и конечный периоды могут образовываться капли большого размера до 200 мкм (обычный диаметр 10 – 30 мкм).

                              Фракционный состав ДТ.

Это свойство ДТ оказывает сильное влияние на испаряемость, смоло и нагарообразование, ресурс двигателя, экономичность,  токсичность ОГ и др. Фракционный состав определяют путем перегонки 100 мл. топлива. По ГОСТ 305-82 нормируются температуры:

tнк = 180 – 240 ⁰С – начало кипения топлива;

t50 = 250 – 280 ⁰С – выкипание 50% топлива;

t96 = 320 – 360 ⁰С – выкипание 96% топлива.

 

По ГОСТ Р 52368-2005

15. Фракционный состав:
при температуре 250 0С, % (по объему), менее	65
при температуре 350 0С, % (по объему), не менее	85
95% (по объему) перегоняется при температуре, 0С, не выше	360

 

Такой фракционный состав обеспечивает необходимую воспламеняемость и исключает образование паровых пробок в системе топливоподачи низкого давления.

В отличие от бензинов фракционный состав дизельных топлив регламентируется лишь температурами выкипания 50 и 96% топлива. Это объясняется тем, что между температурой выкипания 10 % дизельного топлива и работой дизелей однозначной связи не установлено. При повышении температуры выкипания 10 % топлива, т.е. утяжелении топлива, увеличивается его расход и дымность отработавших газов. При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость.

Поэтому пусковые свойства дизельных топлив для автомобилей в некоторой степени определяют температуру выкипания 50 % топлива. Температура выкипания 96% топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.

Для высокооборотных дизелей применяются топлива с большим содержанием легких фракций, т.к. уменьшается время смесеобразования. Однако чрезмерное облегчение ДТ ведет к повышению жесткости работы двигателя, т.к. возрастает период задержки самовоспламенения из-за снижения температуры при интенсивном испарении легких фракций во время первой фазы.

Утяжеление фракционного состава приводит к дымлению двигателя из-за большей неоднородности рабочей смеси, топливо хуже испаряется и сгорает не полностью. Чем тяжелее фракционный состав, тем больше необходимо воздуха, больший расход топлива, затруднен также запуск двигателя.

Летнее ДТ перегоняется до температуры кипения 360 ⁰С, а зимнее 300 – 320 ⁰С все остальное уходит в мазут, что не выгодно производителю.

По ГОСТ для ДТ определяют также температуру вспышки (tвсп), под которой понимается минимальная температура необходимая для нагрева топлива, чтобы его пары вспыхнули при воздействии открытого пламени. Она должна быть выше 55⁰ С при испытании в закрытом тигле..

 По температуре вспышки оценивают огнеопасность ГСМ, по ней можно судить и об однородности состава топлива. Изменение tвсп укажет на попадание в топливо других веществ.

 

                            Испаряемость ДТ

Скорость и полнота испарения топлива зависят от температуры и давления в камере сгорания, вихревого движения воздуха, качества распыливания (диаметр капель) и испаряемости топлива.

Испаряемость ДТ оценивается по результатам фракционной перегонки: чем ниже температура кипения фракции, тем выше давление насыщенных паров.

Для облегчения пуска двигателя желателен облегченный фракционный состав, т.к. условия для смесеобразования в этом случае не благоприятны (малы температура и давление в цилиндре). Пусковые свойства ДТ оцениваются температурой выкипания 50% топлива (t50).

По ГОСТ определяют также температуры предельной фильтруемости и помутнения ДТ.

Температура помутнения – это температура, при которой ДТ теряет свою прозрачность из-за начавшегося процесса кристаллизации парафиновых углеводородов.  Она составляет,  в зависимости от сорта от –10⁰ С до –34 ⁰С для зимнего и арктического ДТ.  

Температура застывания – это температура, при которой ДТ в пробирке, наклоненной на 45⁰, в течение 1 мин не обнаруживает подвижности. Она составляет  –10 ⁰С для летнего и –35 ⁰С для зимнего ДТ. Хотя зимнее ДТ может прокачиваться и при более низких температурах из-за механического разрушения кристаллической решетки в топливной аппаратуре (ГОСТ 305-82)

Предельная температура фильтруемости ДТ определяет температурный порог работоспособности двигателя. Ниже этой температуры фильтры перестают работать. Для умеренного климата в зависимости от сорта от +5 до – 20⁰ С. Температура застывания ниже температуры предельной фильтруемости на 5 – 10 ⁰С.

Для улучшения низкотемпературных свойств в ДТ добавляют депрессорные присадки. Однако, введение этих присадок, требует четкого соблюдения определенной технологии. Так депрессорные присадки эффективны при их смешении с топливом при температуре выше, чем температура помутнения.

 

                       Самовоспламеняемость ДТ

 

 Свойство ДТ, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля, оценивают по самовоспламеняемости. Оценочным показателем служат температура самовоспламенения (tсв) и цетановое число (ЦЧ).

Температура самовоспламенения – это температура, при которой горючая смесь воспламеняется без постороннего источника пламени. Некоторые топлива имеют следующую tсв (табл. 4.2.).

 

Таблица 4.2. Температура самовоспламенения некоторых топлив.

Вид топлива	tсв, 0С
Бензин А-76 АИ-92	350 430
ДТ Летнее Зимнее Арктическое	310 240 230

 

ЦЧ – процентное содержание (по объему) цетана (С₁₆Н₃₄)  в смеси с альфаметилнафталином (С₁₀Н₇СН₃), равноценное по самовоспламеняемости испытуемому топливу.

Цетан – углеводород с малым периодом задержки самовоспламенения, ЦЧ принято за 100 ед. У α-метилнафталина с большим периодом задержки самовоспламенения ЦЧ принято за 0 ед.

Для легкого пуска и мягкой работы дизеля необходимо, чтобы топливо имело ЦЧ: летнее > 51  ед., зимнее 47 –  49 ед., арктическое не менее 47 ед.

Применение топлива с ЦЧ ≤40 ед. приводит к увеличению периода индукции, следовательно, к более жесткой работе двигателя, с ЦЧ ≥ 50 ед. ведет к снижению экономичности и дымлению (Из-за малого периода задержки самовоспламенения топливо не успевает распространиться по всему объему камеры сгорания, воспламеняясь вблизи форсунок. Воздух находящийся у стенок камеры сгорания не успевает вступить в реакцию).

Цетановый индекс ―расчетное цетановое число до добавки в топливо цетаноповышающей присадки. Поскольку присадки по-разному влияют на общий химический и физический состав топлива, то во избежание передозировки цетаноповышающей присадки, необходимо поддерживать минимальную разницу между цетановым числом и цетановым индексом.

Цетановый индекс фактический регламентирует качество топлива на промежуточном цикле производства.

 

Расчетным путем

 

                             ЦЧ =  (tср – 58)/5ρ,                             (    )

 

где tср – средняя температура испарения топлива, которая равна полусумме температур начала и конца кипения (примерно равна t50);

             ρ – плотность топлива 0,83 – 0,86 г/см³ (меньшее значение для арктического ДТ, большее для летнего ДТ).

Преимущество метода в его простоте, недостаток малая точность (±3 ед.).

По совпадению вспышек

Для определения ЦЧ используется одноцилиндровая дизельная установка ИТ9-3М с переменной степенью сжатия. Сначала устанавливают стандартный режим работы установки (частота вращения – 900 об/мин, давление впрыска – 10,6 МПа, УОВ – 13⁰ ПКВ, начало самовоспламенения в ВМТ и др.), после чего переводят двигателя на испытуемое топливо.

Изменением степени сжатия добиваются самовоспламенения в ВМТ, затем переводят питание двигателя на смесь эталонных топлив – цетана с альфаметилнафталином, добиваясь вспышек этой смеси в ВМТ. Процент содержания (по объему) цетана в этой смеси и даст ЦЧ.

Анализаторы ЦЧ

Принцип действия анализатора основан на измерении диэлектрической проницаемости ДТ функционально зависящий от ЦЧ, и передаче величины ЦЧ от стандартных образцов ДТ к проверяемым.

 

ЦЧ, если оно не очень низкое, влияет также на пусковые свойства топлива. При одинаковом фракционном составе топливо с ЦЧ = 50 ед. обеспечивает пуск двигателя в 8 – 10 раз быстрее, чем топливо с ЦЧ = 40 ед. Это происходит из-за более быстрого предварительного окисления углеводородов. Но ЦЧ влияет на легкость запуска в меньшей степени, чем фракционный состав. Например, на пуск двигателя с топливом ЦЧ = 50 ед. и t50 = 220 ⁰С, затрачивается в 5 раз меньше времени, чем с t50  = 290 ⁰С.

 

Дополнения

С 1.06.06. введен ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО».

 

Таблица 4.3.  Требования к ДТ

Показатель	ГОСТ 305-82	ГОСТ Р 52368-05	ЕВРО IV
Массовая доля серы, %	0,2	0,035	0,005
Цетановое число	45	51	51
Смазывающая способность* (не менее), мкм	–	460	460
Предельная температура фильтруемости, 0С	–	–30	–30

 

^*Смазывающая способность ДТ проверяется по диаметру скорректированного пятна износа (менее 460 мкм) на специальной установке, где твердый шарик под заданной нагрузкой перемещается взад и вперед по специальной пластине. Все это происходит в испытуемом ДТ.

Пятно износа – это диаметр пятна, которое образуется за заданное время на шарике.

Скорректированный диаметр пятна – это результат пересчета полученного диаметра по специальной таблице или шкале (WSD 1,4). Температура испытаний 60 ⁰С.

 

Примеры обозначения ДТ по ГОСТ 52368-2005

 

В условном обозначении топлива указывают его сорт или класс в зави­симости от значений предельной температуры фильтруемости (для сорта) и температуры помутнения (для класса) и вид топлива в зависимости от содержания серы.

1. "Топливо дизельное ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004), сорт А, вид I".

2. "Топливо дизельное ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004), класс 1, вид II".

Сорт указывается для умеренного климата, класс – для холодного и арктического.

 

Требования к характеристикам дизельного топлива по техническому регламенту

 

Единица измерения

Нормы в отношении

класса 2 класса 3 класса 4 класса 5 Массовая доля серы, не более мг/кг 500 350 50 10

 

 

Если убрать из зимнего ДТ парафиновые фракции, то снизятся смазывающие и противоизносные свойства ДТ.

Противоизносные свойства серы в импортных ДТ замещаются специальными противоизносными присадками.

Коэффициент фильтруемости топлива характеризует срок службы фильтров тонкой очистки топлива. Этот показатель равен отношению времени фильтрования последней порции топлива ко времени фильтрования первой порции при пропускании через специальный бумажный фильтр определенного объема топлива. Значение коэффициента фильтруемости зависит от содержания в топливе механических примесей, воды, мыл нафтеновых кислот и смолистых продуктов окисления. Для товарных топлив установлена норма коэффициента фильтруемости не выше 3, которая позволяет ограничить содержание в топливе всех загрязняющих веществ и тем самым обеспечить надежную работу топливной аппаратуры.

 

Таблица 4.4.

Основные периоды процесса сгорания в дизельном двигателе.

Процесс сгорания в дизеле принято делить на 4 фазы (Рис. 4.1.). Фаза задержки самовоспламенения, фазы быстрого и замедленного горения и фаза догорания.

 

 

Рис. 4.1. Зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала дизельного двигателя.

1. Первая фаза (фаза задержки самовоспламенения).

В течение этой фазы дизельное топливо (ДТ) распыляется, нагревается и перемешивается с поступившим в камеру сгорания воздухом. Продолжительность первой фазы зависит от температуры в камере сгорания, размеров капель топлива, фракционного состава и др.

Чем больше длительность этой фазы, тем больше топлива, готового к воспламенению накапливается в камере сгорания. В этом случае во второй фазе давление нарастает интенсивнее, и работа двигателя становится более жесткой (возрастает уровень динамических нагрузок).

Чрезмерное уменьшение периода задержки ведет к ухудшению экономических показателей двигателя из-за уменьшения времени смесеобразования. Двигатель работает мягче, но часть топлива сгореть не успевает, наблюдается дымление.

2. Вторая фаза (фаза быстрого горения).

После самовоспламенения скорость сгорания практически мгновенно возрастает от нулевой до максимальной. При высокой интенсивности нарастания давления (dP/dφ) работа двигателя становится более жесткой, что сопровождается появлением ударной волны. Для нормального протекания процесса сгорания необходимо, чтобы dP/dφ лежал в пределах 0,4 – 0,6 МПа/град.

От жесткости работы зависят:

-интенсивность изнашивания двигателя (моторесурс), т.к. при ударных нагрузках разрушается масляная пленка и возрастает сила трения;

-уровень шума;

-токсичность ОГ (из-за повышения температуры растет содержание оксидов азота, а неравномерность горения ведет к повышению выбросов СО);

-кавитационный износ гильз цилиндров (что может привести к их прободению).

3. Третья фаза (фаза замедленного горения).

Во время этой фазы сгорает топливо, не успевшее сгореть во второй фазе, а также значительная часть впрыскиваемого в этот период топлива. Фаза заканчивается в момент прекращения впрыска топлива (точка 4). К концу фазы резко снижается коэффициент избытка воздуха, а температура достигает максимального значения. В зависимости от нагрузки фаза заканчивается спустя 10 – 35⁰  поворота коленчатого вала после ВМТ.

Скорость протекания окислительных процессов зависит от взаимной диффузии молекул топлива и воздуха (интенсивности перемешивания). Недостаточная скорость смешения паров топлива и воздуха является одной из основных причин наличия сажи в ОГ. Расслоение заряда, когда топливо изолировано от воздуха, происходит при максимальной температуре, а в этом случае крекинг топлива может происходить быстрее, чем его испарение. Свободный углерод может выделяться в зонах испарившегося топлива, имеющих местный недостаток кислорода.

4. Четвертая фаза (фаза догорания).

Протекает во время хода расширения при снижении давления в цилиндре. На полных нагрузках может длиться до открытия выпускного клапана. Увеличение длительности этой фазы приводит к повышению температуры и дымности ОГ, снижению к.п.д. двигателя.

Длительность этой фазы зависит от химического состава топлива и др. внешних факторов.