От характера протекания процесса сгорания в большей степени зависят основные технико-экономические показатели работы двигателей.
Как уже было показано, большое влияние на процесс сгорания в целом оказывает продолжительность периода задержки саовоспламенения.
Различные факторы, влияющие на период задержки воспламенения и процесс сгорания, в целом можно разбить на химические, физические, конструктивные и эксплуатационные.
Химическими факторами могут быть: род топлива, концентрация кислорода, количество остаточных газов, катализаторы и присадки Наиболее сильное влияние на период задержки воспламенения оказывает род применяемого топлива.
Из физических факторов, существенно влияющих на процесс сгорания, можно выделить давление и температуру рабочего тела в конце процесса сжатия.
К основным конструктивным факторам относятся, степень сжатия, угол опережения впрыска топлива, материал камеры сгорания и тип применяемой топливной аппаратуры.
Из эксплуатационных факторов наибольшее влияние на процесс сгорания оказывает изменение режима работы двигателя.
Рассмотрим влияние различных факторов на процесс сгорания.
Свойства топлива. Рассмотрение процессов, протекающих в первой фазе сгорания, показывает, что продолжительность периода задержки воспламенения зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных факторов. Поэтому принято склонность топлива к самовоспламенению оценивать цетановым числом, под которым понимается процентное (по объему) содержание цетана (С1б-Н34) в смеси с a-метилнафталином (С10-Н7-СН3), которая имеет такой же период задержки самовоспламенения, как и данное топливо.
В качестве топлива, имеющего наименьший период задержки самовоспламенения, выбран углеводород парафинового ряда — нормальный цетан, а в качестве топлива с наибольшим периодом задержки самовоспламенения выбран углеводород ароматического ряда а-металнафталин.
Цетановое число цетана принято за 100, а цетановое число а-метилнафталина — за 0. Если цетановое число топлива равно 40, то это топливо имеет период задержки самовоспламенения такой же, как и у смеси, содержащей по объему 40% цетана и 60% а-метилнафталина.
Дизельные топлива имеют цетановые числа, равные 40—50. Дальнейшее увеличение цетанового числа оказывает незначительное влияние на величину периода задержки самовоспламенения (Рисунок 7.16.).
Увеличение цетанового числа приводит к сокращению \ при практически неизменном tф, поэтому по мере уменьшения tх его влияние на период задержки самовоспламенения t1, уменьшается.
Большое влияние оказывает цетановое число на рабочий процесс дизеля при низкой температуре в конце сжатия, что характерно при запуске.
Эксперименты показывают, что время запуска существенно уменьшается при применении топлив с большим цетановым числом Если время запуска двигателя на топливе с цетановым числом 54 составляло 3с, с цетановым числом 45—26 с, то при применеиий топлива с цетановым числом 38 время запуска будет равно 45—50 с.
Влияние сорта топлива на процесс самовоспламенения и сгорания в дизеле видно из развернутых индикаторных диаграмм (Рисунок 7.17.).
Кривые А, В и С показывают характер изменения давления в цилиндре двигателя при его работе на топливах с различными цетановыми числами (100, 0 и 50).
Рисунок 7.16. Зависимость периода задержки самовоспламенения от цетанового числа топлива
Рисунок 7.17.Изменение давления в цилиндре дизеля при работе на различных сортах топлив
Рисунок 7.18.Зависимость периода задержки самовоспламенения от температуры горючей смеси
Рис 7.19. Влияние степени сжатия на температуру в конце сжатия Тс, температуру самовоспламенения Тs и период задержки самовоспламенения ti;
Цетановое число топлива, определяя характер процесса сгорания, существенно влияет на нагарообразование, износ и дымность выхлопа дизелей. Чем ниже цетановое число, тем выше дымность выхлопа, тем более интенсивно идет нагарообразование и износ дизеля. Однако увеличение цетанового числа выше 65 приводит также к увеличению дымности выхлопа. Это объясняется тем, что при слишком малом периоде задержки самовоспламенения топливо не успевает перемешиваться с воздухом и в результате термического распада углеводородных молекул в продуктах сгорания появляется сажа и другие продукты неполного окисления.
Угол опережения впрыска топлива. Начало подачи топлива в цилиндр оказывает существенное влияние на развитие процесса сгорания, на мощность и экономичность двигателя. Наивыгоднейший угол опережения впрыска топлива, обеспечивающий наибольшую мощность и экономичность двигателя при допустимых значениях скорости нарастания давления и максимального давления сгорания, устанавливается опытным путем на заводе-изготовителе и зависит от быстроходности, способа смесеобразования, закона подачи топлива, степени сжатия идругихособенностей двигателя.
С уменьшением угла опережения впрыска топлива по сравнению с наивыгоднейшим углом опережения процесс сгорания сдвигается на линию расширения.
Период задержки самовоспламенения уменьшается, но сгорание начинается при быстром увеличении объема над поршнем. Скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания уменьшаются (Рисунок 7.23.,а). Индикаторная работа уменьшается, а
1 - q =10°; 2— q =15°;
3— q =20°
экономичность работы двигателя ухудшается. При очень позднем впрыске топливо догорает в такте расширения, что приводит к увеличению содержания частиц несгоревшего топлива в составе выхлопных газов.
При очень большом опережении угла впрыска подача топлива начинается при относительно низких температуре и давлении воздуха в цилиндре, что приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения. При постоянном законе подачи топлива в течение периода задержки самовоспламенения впрыскивается большое количество топлива, быстрое сгорание которого в ходе сжатия приводит к резкому увеличению скорости нарастания давления и максимального давления сгорания.
Рисунок 7.22.Влияние угла опережения впрыска топлива на рабочий процесс дизеля:
а — поздний впрыск; б — ранний впрыск
Максимальное давление в цилиндре может развиваться до прихода поршня н в.м.т. При дальнейшем движении поршня в в.м.т. теплоотдача в стенку превышает тепловыделение за счет догорания топлива, что вызывает некоторое уменьшение давления, а в начале хода расширения из-за интенсивной теплоотдачи давление в, цилиндре становится меньше, чем в конце хода сжатия (Рисунок 7.22,6). На диаграмме действительного цикла в координатах р—V появляется петля, изображающая отрицательную работу. Индикаторнаяработа уменьшается, что ухудшает экономичность работы двигателя.
При правильной регулировке угла опережения подачи топлива удается обеспечить незначительное догорание на линии расширения, относительно невысокие тепловые потери и хорошую экономичность двигателя.
Закон подачи топлива. Закон подачи топлива, т. е. зависимость количества подаваемого топлива в цилиндр по углу поворота коленчатого вала, оказывает существенное влияние на управляемость процессом сгорания.
Закон подачи топлива должен быть таким, чтобы была сведена к минимуму неуправляемая часть процесса. Чем больше период задержки самовоспламенения, тем большая часть цикловойподачи топлива поступает в цилиндр. Так как в течение второй фазы сгорает все топливо, впрыснутое за первую фазу, и часть топлива, впрыскиваемого во второй фазе, то сгорание большего количества топлива приводит к резкому нарастанию давления во второй фазе и к увеличению максимального давления сгорания.
Рисунок 7.23. Влияние закона подачи топлива на процесс сгорания
Рисунок 7.24. К определению температуры рабочего тела в конце видимого сгорания
На Рисунок 7.22.приведены индикаторные диаграммы для двух законов подачи топлива при одинаковом угле опережения впрыска. Закону подачи топлива, изображенному кривой 1, соответствует изменение давления в цилиндре по углу поворота коленчатого вала, изображенному кривой 2.
С увеличением продолжительности подачи топлива (кривая 3} уменьшаются скорости нарастания давления сгорания, а общая длительность процесса растет за счет увеличения продолжительности третьей и четвертой фаз сгорания (кривая 4).