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

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.

Температура дизельного ДВС

Поддержание температуры дизельного двигателя в строго заданных рамках является важным параметром для достижения оптимальных эксплуатационных показателей. От конструктивных особенностей и целевого назначения двигателя будет зависеть, какая рабочая температура дизеля будет нормальной для того или иного мотора.

Рабочий температурный режим одного ДВС может заметно отличаться от другого. Что касается дизельного двигателя, его рабочая температура (при условии полностью исправного агрегата, системы охлаждения и других узлов) зависит от ряда условий.

Показатель степени сжатия

Дизельный мотор работает по принципу самовоспламенения смеси от контакта распыленной солярки с разогретым от сжатия воздухом. Чем сильнее сжимается (разогревается) в цилиндре воздух, тем интенсивнее происходит вспышка после топливного впрыска, при этом количество подаваемого топлива остается одинаковым.

Стоит также учитывать, что степень сжатия повышают только до определенных пределов. Топливно-воздушная смесь в цилиндре должна не взрываться от контакта с разогретым воздухом, а равномерно сгорать. Сильное увеличение степени сжатия может привести к бесконтрольному воспламенению топлива, что вызывает детонацию, локальные перегревы и ускоренный износ цилиндропоршневой группы.

Допустимые рабочие температуры дизельных ДВС

Температура дизельного двигателя будет напрямую зависеть от типа мотора. От поддержания рабочего температурного показателя дизельного агрегата зависит процесс смесеобразования и сгорания топливно-воздушной рабочей смеси, а также нормальное функционирование других систем ДВС.

После выхода на рабочую температуру время испарения солярки сокращается до оптимального показателя, уменьшается период задержки самовоспламенения. Топливно-воздушная смесь сгорает равномерно и полноценно, что приводит к увеличению КПД дизеля, меньшему расходу топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

Дизель не прогревается до оптимальной температуры

В процессе прогрева исправного дизельного ДВС в режиме холостого хода желательно дождаться нагрева охлаждающей жидкости до температуры около 40-50°С. При сильном минусе за бортом дизель может и вовсе начать прогреваться только в движении. Начинать езду необходимо на пониженной передаче, придерживаясь отметки около 2-2.5 тыс. об/мин. Когда температура поднимется до 80°С, нагрузку на мотор можно увеличить.

Если дизель не выходит на рабочую температуру в движении, это говорит о том, что произошло снижение его КПД. Падает мощность, автомобиль хуже разгоняется, возрастает расход дизтоплива и т.д. Данные симптомы могут указывать на следующие неполадки:

• неисправности системы охлаждения двигателя (термостат);
• степень сжатия не соответствует норме (низкая компрессия);

В качестве примера можно рассмотреть засорение распылителя дизельной форсунки. Качество распыла топлива снижается, форсунка «льет» солярку. Топливо начинает сгорать неравномерно и несвоевременно, догорает на поршне и вызывает его прогар. Также прогорать может и выпускной клапан. Результатом становится падение компрессии, то есть воздух в неисправных цилиндрах не сможет сжиматься до такой температуры, при которой сгорание смеси будет оптимальным. Дизельный ДВС в подобных условиях не выйдет на рабочую температуру, будет испытывать затруднения с запуском «на холодную» и после прогрева.

Причины и результаты перегрева дизельного двигателя. Что делать, если дизель греется: диагностика и устранение неисправностей. Важные рекомендации.

Температура двигателя не поднимается, стрелка температуры ДВС падает на ходу. Почему температура падает после включения печки. Диагностика и ремонт, советы.

Двигатель медленно прогревается на холостом ходу или в движении: почему так происходит. Возможные неисправности системы охлаждения, другие причины.

Как правильно прогревать двигатель автомобиля. Особенности прогрева моторов с карбюратором, инжектором и установленным ГБО, а также дизельных двигателей.

Датчик температуры двигателя (ДТОЖ): особенности работы, устройство, место установки датчика. Неисправности, связанные с датчиком температуры ДВС, проверка.

Двигатель не выходит на рабочую температуру, стрелка температуры мотора не поднимается во время прогрева или падает во время езды: причины неисправности.

Почему нужно знать, какая компрессия должна быть в дизельном двигателе

Компрессия дизельного двигателя является основным показателем его исправности. Компрессией называют максимальное значение давления, создаваемого в цилиндре, при нахождении поршня в ВМТ (верхней мертвой точке). Конструктивные особенности дизельных движков таковы, что малейшее отклонение компрессии от нормы приводит к сбоям в работе силового агрегата.

Заниженный показатель давления влечет за собой полный отказ в работе цилиндра. При возникновении сбоев или запуске дизеля и в работающем моторе необходимо производить тщательную проверку компрессии. Диагностика давления производится согласно инструкции, приложенной к прибору.

Технические характеристики двигателей внутреннего сгорания содержат информацию о конструктивном параметре — степени сжатия, который является постоянной величиной. Степень сжатия дизельного двигателя представлена в виде соотношения объемов цилиндра при расположении поршня в НМТ (нижней мертвой точке) и в ВМТ соответственно.

Определить степень сжатия можно путем деления величины объема цилиндра на объем камеры сгорания. Результат, полученный после деления, указывает во сколько раз уменьшается объем топливовоздушной смеси при перемещении поршня из нижней точки в ВМТ.

Основной характеристикой работы дизеля является именно компрессия в цилиндрах, потому что только при достижении рабочего давления определенного значения температура сжатого воздуха повышается и происходит воспламенение топливовоздушной смеси.

Описание признаков снижения компрессии

В процессе эксплуатации дизеля компрессия склонна к снижению вследствие постепенного износа его деталей и узлов. Величина давления отображает состояние элементов, входящих в состав дизельного мотора.

Проблемы, возникающие по причине пониженной компрессии, имеют следующие признаки:

1. Возникновение трудностей при запуске двигателя.
2. Плохое зажигание.
3. Скачки в работе движка, плавают обороты.
4. Троение дизеля, вызванное отказом одного или нескольких цилиндров.
5. Шумная работа мотора вследствие формирования и последующих микровзрывов избыточных топливных испарений в силовом агрегате.
6. Снижение мощности дизеля.
7. Возрастание давления в системе охлаждения.
8. Появление потоков масла снаружи двигателя.
9. Увеличение расхода дизтоплива почти в два раза.
10. Нагрев силового агрегата.
11. Появление синего дыма, выходящего из выхлопной трубы при запуске мотора.

Возникновение хотя бы одного из перечисленных признаков вызывает необходимость проверки давления сжатого воздуха в цилиндрах.

Уровень проверяемого показателя давления опосредованно информирует о высоте температуры сжатого воздуха, вследствие чего становится понятно, возможно ли запустить двигатель. Повышение температуры сжатого воздуха до необходимого уровня возможно только при обеспечении достаточного давления в цилиндрах.

Определение нормы компрессии дизеля

Автовладельцы часто задаются вопросом, какая компрессия должна быть в дизельном двигателе. Норма давления сжатого воздуха в цилиндрах дизеля более высокая в сравнении с бензиновыми моторами. Запуск дизельного движка происходит при достижении давления более 22 кг/см3.

Сжатие воздушно-топливной смеси приводит к интенсивному нагреву воздуха свыше 300 ˚С и вспышке впрыснутого дизельного топлива. Наиболее предпочтительным для успешного воспламенения топлива является значение компрессии 20-32 кг/см3.

Уменьшение поршневого давления приводит к снижению температуры сжатого воздуха в камерах сгорания, что является помехой для воспламенения дизтоплива и запуска двигателя особенно в зимнее время.

Владельцам современных автомобилей с дизельным двигателем необходимо обладать информацией о величине давления, при котором холодный мотор заведется при низкой температуре в окружающей среде:

• меньше 28 кг/см3 — дизель заведется только при морозе, слабее чем минус 15˚С;
• от 20 до 30 кг/см3 — до минус 20˚С;
• более 32 кг/см3 — минус 25˚С;
• 36 кг/см3 — до минус 30˚С;
• 37–40 кг/см3 — минус 35˚С.

Данные приведены в расчете на то, что все системы автомобиля, участвующие в запуске мотора, находятся в отличном состоянии.

Причины, вызывающие понижение давления в цилиндрах

Если в результате проверки выяснилось, что компрессия в дизельном двигателе занижена, то чтобы ее повысить, необходимо произвести комплексную проверку и выяснить причины, вызвавшие этот дефект. Причинами низкого давления в цилиндрах дизельного мотора являются следующие факторы:

• неисправности поршня;
• залегание компрессионных колец;
• задиры и сколы на стенках цилиндров;
• трещины в блоке цилиндров;
• отказ прокладки блока цилиндров, появление неровностей на прилегающей поверхности;
• нарушение герметичности корпуса двигателя, образование трещин;
• возникновение слоев нагара внутри силового агрегата вследствие использования топлива плохого качества;
• отказ клапанов в следствие прогорания или неправильной настройки.

Показатель компрессии находится в прямой зависимости от степени изношенности деталей, входящих в поршневую группу, от клапанов и зазоров, отвечающих за температуру сжатого воздуха, установленных при их регулировке.

При выявленных дефектах в поршне или компрессионных кольцах нужно ремонтировать всю поршневую группу. Чтобы увеличить давление при выявлении задиров на цилиндрах, необходимо произвести шлифовку стенок или замену всего блока цилиндров.

Изношенные и прогоревшие клапаны нуждаются в замене и последующей настройке. Неверная регулировка клапанов является причиной неравномерной компрессии в цилиндрах.

Проведение комплексной проверки дизельных моторов является обязательным мероприятием для предупреждения окончательного отказа мотора.

Состояние всех элементов двигателя влияет на уровень компрессии. Снижение этого показателя говорит о сильном износе механизмов силового агрегата. При проведении комплексной диагностики всегда измеряется уровень давления сжатого воздуха в цилиндрах дизельных моторов.

Алгоритм замера давления в цилиндрах

Проверять компрессию необходимо после тщательного прогрева движка. При проведении замеров давления в поршнях используется прибор под названием компрессометр, имеющий специальную шкалу манометра для вывода информации и резьбу, рассчитанную на вкручивание вместо свечей накаливания или форсунок.

Последовательность действий состоит в выполнении следующих операций:

1. Снятие свечи накаливания или форсунки с одного из цилиндров.
2. Установка измерительного прибора на место снятой свечи или форсунки.
3. Проворачивание коленчатого вала при помощи стартера.
4. Фиксирование полученного результата.
5. Замер давления в остальных цилиндрах производится подобными действиями.
6. Сверка полученных результатов.
7. Добавление 50 мл масла в каждый поршень при помощи медицинского шприца.
8. Прокручивание мотора при снятых свечах при помощи стартера.
9. Новый замер компрессии.
10. Возрастание данного показателя свидетельствует о проблемах, возникших в поршневой группе.
11. Если давление осталось неизменным, то необходимо производить ремонт и регулировку в клапанном механизме.

Для получения реальных результатов при проведении контрольных замеров необходимо обеспечить необходимое количество оборотов коленчатого вала, равное 200–250 оборотов в минуту.

Что делать при усиленном снижении компрессии дизельного двигателя?

При выявлении сниженной компрессии необходимо обратиться к специалистам с целью проведения тщательной диагностики силового агрегата. Серьезное снижение данного показателя при большом пробеге свидетельствует об износе элементов и необходимости их замены с последующими профессиональными регулировками на специальных стендах.

Если в одном из цилиндров давление занижено в сравнении с остальными, то придется производить переборку всего двигателя. Разное значение компрессии исчезнет только после замены всей поршневой группы.

Сборка и ремонт дизельных двигателей обходятся намного дороже вследствие технологических особенностей. Требования к величине компрессии объясняются тем, что воспламенение дизельного топлива при холодном запуске происходит только при заданной величине этого показателя.

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

Температура дизельного ДВС

https://avtodvigateli.com/vidy/dizelnye/kompressiya-dvigatelya.html