Фазы сгорания смеси топлива в дизельном двигателе

Фаза №1

Когда поршень начинает приближаться к верхней мертвой точке, а угол опережения подачи топливной смеси находится на 25 градусах поворота коленвала, происходит впрыск горючей смеси. Когда струя топлива под большим давлением выходит из форсунки, она разбивается о плотный слой воздуха на очень маленькие капли и образует факел распыления. Завихрения, которые при этом образовываются, очень сильно влияют на развитие этого факела. В таком факеле концентрация топлива изменяется по длине и поперечному сечению. Наиболее мелкие капли находятся на периферии, а крупные в ядре факела. Таким образом, период задержки воспламенения определяется временем распада струи на капли, продвижением этих капель по камере сгорания, смешения топлива с воздухом, прогрева, а также временем скорости химических реакций.

Факторы, влияющие на длительность первой фазы:

• Воспламеняемость топливной смеси. Данная характеристика зависит от цетанового числа, чем оно выше, тем лучше воспламеняется топливо.
• Температура и давление воздушного заряда. С увеличением температуры и давления, тем уменьшается период задержки.
• Камера сгорания. Зависимо от типа цилиндра, топливо будет по разному распространяться по пристеночной зоне и объему воздуха, а это напрямую будет влиять на период задержки, также в зависимости от материала из которого изготовлена камера сгорания будет меняться и температура стенок цилиндра.
• Интенсивность движения заряда в объеме камеры сгорания. Увеличивая интенсивность движения, можно незначительно сократить время задержки воспламенения топливной смеси.
• Тип распыляющей форсунки. При использовании форсунки закрытого типа, период задержки сокращается. Разделенная камера сгорания имеет основную и вспомогательную полость, которые соединяются горловиной. В наши дни преимущество отдается вихревым камерам сгорания. Камеры сгорания разделенного типа обеспечивают лучшее сгорание топливной смеси и более мягкую работу, за счет короткого периода задержки воспламенения.
• Нагрузка. Чем больше нагрузка, тем больше давление и уровень температуры цикла, поэтому тепловой режим двигателя повышается, а период задержки возгорания уменьшается.
• Скорость вращения коленвала. Чем выше скорость вращения коленвала, тем лучше смесь распыляется по камере сгорания, также возрастает давление и уровень температуры конца сжатия. Благодаря этому сокращается время задержки, особенно в дизельных двигателях с разделенной камерой сгорания.

Фаза №2

Данная фаза включает в себя два процесса: самовоспламенение, а также быстрое горение. В начале сгорают те слои смеси воздуха и топлива, которые уже хорошо перемешались между собой. Во время этого процесса пламя очень быстро распространяется, а значит и давление резко возрастает, что в некоторых случаях способствует образованию ударной волны, но эти волны не вызывают детонацию, как это происходит в карбюраторном двигателе. После того, как хорошо перемешанная смесь полностью сгорит, воспламенение продолжится в зонах с более неравномерной структурой смеси. В ходе второй фазы выделяется почти половина всей теплоты. Рабочее тело разогревается до 1700 К, а давление достигает 8-9 МПа, а при использовании наддува может достигать 12 МПа. Вторая фаза длится 0,9-1,6 мс.

Факторы, влияющие на развитие второй фазы:

• Количество топлива, которое прошло предпламенную подготовку. Чем мельче распыление и больше подача горючей смеси, тем больше тепла будет выделяться.
• Тип цилиндра. Влияние конструкции камеры сгорания на первый этап горения влияет и на развитие второй фазы, потому как количество смеси готовой к воспламенению зависит от первой фазы.
• Величина нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем короче становится вторая фаза горения, потому как количество впрыскиваемого топлива и время подачи смеси уменьшается.
• Скорость вращения коленвала. Чем выше скорость вращения коленвала, тем лучше качество распыления и меньше период впрыска, температура и давление заряда становятся больше. Все эти факторы приводят к сокращению периода второй фазы.

Фаза № 3

Данная фаза отличается тем, что давление изменяется плавно. Начинается эта фаза сразу после окончания второй, а заканчивается при достижении максимального уровня средней температуры газов в камере сгорания. В начале третьей фазы вся смесь, которая не сгорела во время предыдущих периодов, находится в виде сгустков паров или капель. Эти сгустки оказываются отделенными от зон с кислородом или продуктами горения. Из-за этого капли топлива под воздействием высокой температуры разлагаются (крекинг), образуя частички углерода - сажи, которая на выпуске вместе с выхлопными газами создает сильное дымление. Объем камеры увеличивается, и горение продолжается, но давление начинает плавно понижаться. В течение третьей фазы выделяется четверть теплоты, поэтому температура все еще повышается и достигает, под конец 2200 К. Длится третий период 1-2 мс.

На течение третьей фазы оказывают влияние следующие факторы:

• Количество топлива и качество распыления. Чем меньше топливной смеси попало в камеру сгорания до начала третьего периода, тем меньшее количество теплоты выделится.
• Скорость распространения заряда воздуха. Чем выше скорость, тем больше тепловыделение, но скорость не должна превышать определенный максимум. При сильных завихрениях количество выделяемой теплоты будет уменьшаться.
• Скорость вращения коленвала. Чем выше скорость, тем лучше распыление и меньшая продолжительность третьего периода.

Фаза №4

После достижения максимальной температуры, начинается процесс догорания. Во время данного периода, догорает топливо, которое не успело сгореть в предыдущей фазе и происходит это при недостатке кислорода, потому как большее его количество уже использовано. При полной нагрузке, за время четвертого периода, выделяется около 25% теплоты. В итоге, общее количество тепла составляет 95%, остальная энергия теряется из-за неполного сгорания топливной смеси. Длительность четвертого периода составляет 4-5 мс.

Факторы, влияющие на развитие четвертого периода:

• Турбулентная подвижность заряда, которая улучшает контакт воздуха и топлива, а значит и стимулирует процесс догорания.
• Качество распыления топливной смеси. С увеличением диаметра капель, увеличивается время догорания. Нечеткая отсечка топлива и низкое давление в конце впрыска очень сильно понижают выделение тепла и вызывают закоксовывание форсунок.
• Степень прогрева двигателя. Время догорания увеличивается, если топливо попадает на холодные стенки камеры сгорания.
• Наддув. При использовании наддува количество подаваемой топливной смеси увеличивается, путем затяжного впрыска, поэтому время догорания возрастает.