Что такое кпа в дизельном двигателе

Какая компрессия должна быть в цилиндрах дизельного двигателя? Разберемся в вопросе

22 октября 2016 Категория: Обслуживание и ремонт

Любой автолюбитель, а также человек, который только намеревается приобрести себе автомобиль, слышал о понятии компрессии в цилиндрах двигателя.

Автолюбители с опытом уже знают, что компрессия в двигателе и ее значение в разных цилиндрах – крайне важная характеристика. Более того на этот параметр обязательно следует обращать внимание при покупке автомобиля, а также периодически проверять компрессию в процессе эксплуатации, чтобы избежать неисправностей двигателя.

В этой статье мы расскажем, какая компрессия должна быть в дизельном двигателе, чем ее измерить и как заблаговременно предотвратить связанные с ней неисправности. Но для начала немного о том, что такое компрессия в двигателе автомобиля.

Что такое компрессия в двигателе?

Компрессия это не что иное, как максимальная величина давления воздуха или воздушно-топливной смеси после сжатия в цилиндре поршнем. Компрессию не следует приравнивать к степени сжатия двигателя. В отличие от компрессии эта величина всегда будет являться постоянной для конкретного двигателя.

Как правило, измеряется она в атмосферах. Для того чтобы в цилиндре дизельного двигателя произошло воспламенение горючей смеси, необходимо очень высокое давление. Также для дизельных моторов этот показатель более важен, чем для бензиновых двигателей.

Какая компрессия должна быть в дизельном двигателе?

Сразу стоит отметить, что универсального ответа на данный вопрос не существует. Значения компрессии у каждого отдельного двигателя свои. В зависимости от модели дизельного двигателя компрессия может составлять в пределах от 20 до 36 атмосфер.

Минимальной компрессией для запуска большинства дизельных двигателей данный показатель равняется примерно 20-22 атмосферам. При компрессии ниже данной величины двигатель попросту не заведется. Так как системе недостаточно давления для того, чтобы горючая смесь в цилиндре нагрелась до температуры самовоспламенения.

Также чем больше компрессия, тем меньше вероятность того, что со стартом двигателя будут проблемы в холодное время года. Однако же на большинстве новых дизельных двигателей даже уровень компрессии в 22 атмосферы является крайне низким. Такие двигатели обычно работают на компрессии величиной в 30-36 атм.

Причем крайне важно помнить о том, что слишком высокая компрессия двигателю тоже полезна не будет. Чрезмерно высокие показатели компрессии приводят к таким неисправностям, как прогорание поршня. Также возможен изгиб шатуна. Поэтому прежде чем производить работы, направленные на увеличение компрессии, обязательно стоит посоветоваться со специалистами и изучить документацию на ваш двигатель. В противном случае вы рискуете заработать гораздо более серьезные проблемы, нежели просто сложности со стартом мотора.

Если вы считаете, что необходимо повысить уровень компрессии, то проконсультируйтесь у специалистов автосервиса, которым вы доверяете. Многие «умельцы» увеличат компрессию по первому же требованию лишь для того, чтобы двигатель вскоре вышел из строя, и вы вернулись к ним восстанавливать его работоспособность.

Не следует также забывать о том, что компрессия во всех цилиндрах двигателя должна быть примерно одинаковой. Обычно нормальным показателем разницы для относительно «свежих» моторов является величина в 0,5 атмосфер. Чем меньше разница, тем лучше состояние двигателя и тем меньше вероятность того, что с ним в ближайшее время возникнут какие-то проблемы.

К примеру, для шестицилиндрового двигателя компрессии в 28-30-25-31-26-34 вполне достаточно, чтоб завести двигатель в холодное время года. Но столь разные показатели позволяют сделать вывод о том, что двигатель скоро выйдет из строя. Он начнет работать с перебоями, а впоследствии, как говорится, «умрет» и, весьма вероятно, его придется полностью перебирать. Возможных причин для падения компрессии может быть масса:

• От нарушения целостности прокладки между головкой и блоком цилиндров.
• До выхода из строя поршня. Хотя в таком случае компрессия в цилиндре может вообще упасть до нуля.

Чем измерить компрессию в двигателе?

Это делается с помощью специального прибора, называемого компрессометром. Он представляет собой манометр, обычно работающий с давлением до 60 атмосфер, к которому присоединен специальный переходник, выполненный в форме свечи накаливания либо форсунки. Соответственно вставлять компрессометр нужно в отверстие от выкрученной форсунки.

Это все что мы хотели сказать по данному вопросу. Надеемся, что наша статья была для вас полезной и дала исчерпывающий ответ на вопрос, какая компрессия должна быть в дизельном двигателе. Не стоит пренебрегать обслуживанием вашего двигателя, и тогда он будет радовать вас своей работой долгие годы!

Чем отличается печное от дизельного топливо, где применяют

Нередко люди путают два этих термина: дизельное топливо и топливо печное. Несмотря на схожесть характеристики, они отличаются друг от друга, и отличаются значительно. Чтобы избежать недоразумений, ошибок и обмана со стороны продавцов, предлагаем вам как следует изучить информацию.

Что такое печное топливо?

Печным топливом называют жидкий нефтепродукт с низким уровнем вязкости. Состоит он из смеси углеводов и уже много лет успешно используется для обогрева жилых помещений и небольших производственных площадок, а также отопления загонов для домашнего скота, складов, овощехранилищ, сельских комплексов и животноводческих ферм.

Виды печного топлива

По свойствам своим — температуре горения, температуре застывания, вязкости, присутствии примесей в составе, показателям теплоемкости, — топливо условно можно разделить на несколько групп.

Светлое и темное печное топливо

В зависимости от исходного сырья топливо делится на светлое и темное.

1. Светлое может применяться и для отопления жилых домом, и в промышленной сфере, но в последней оно более популярно, поскольку идеально подходит для больших генераторных установок, обладает большей теплоотдачей. Используя его, можно отказаться от дизелей в больших помещениях. Неприятного запаха во время горения практически не издает.
2. Темное — это альтернатива газу. Помогает создать уютный микроклимат в жилых домах и маленьких промышленных помещениях. Нагрев происходит быстро, топливо экономично и энергоэффективно, устойчиво к низким температурам (сохраняет текучесть, можно хранить при минусовых показателях без вреда для топлива).

СПРАВКА! В последние несколько лет отдельные производители пытаются добиться осветления темного топлива. Происходит это с привлечением современных методик, которые уменьшают количество серы в составе. Процесс этот сложный, дорогостоящий и популярности пока не приобрел.

Если отталкиваться от количества серы, печное топливо можно разделить на сернистое и малосернистое. В продукте, относящейся к первой группе, серы содержится много — не менее 1,1 %. Во-второй — не более 0,5%.

Из чего и как производят печное топливо?

Казахстан запустил производство печного топлива из бытовых отходов

Для изготовления печного топлива используют дизельные фракции вторичной перегонки: это позволяет удешевить производство. Допускается применять и отработанное масло: все необходимые свойства у него остаются и обработка нужна минимальная.

Если для обработки используется дизель, то и печное топливо получается темное, специфическое, с низкой температурой вспышки.

Часто в качестве основы берут и мазут — темную вязкую жидкость. Мазут может быть изготовлен из разного вида нефти,чаще его используют в работе судов и котельных установок. Нигрол — трансмиссионное масло без присадок — это осадок от перегонки нафтеновой нефти.

Сама процедура незамысловата: основная часть топлива (90%) перегоняется при температуре 360 градусов, оставшиеся 10% — при температуре не ниже 160 градусов.

Сферы использования и хранение

Сфера применения печного топлива достаточно широкая:

• Отопление частных домов, дачных домиков, усадеб (т.е. мест, куда сложно или невозможно подвести газопровод);
• Обогрев небольших по размеру сельскохозяйственных предприятий и котельных.

Хранить печное топливо можно только в тепле, в противном случае вязкость его увеличиться. Нельзя допускать нагревания топлива (прячьте емкость подальше от прямых солнечных лучей). Допустимая влажность в помещении — средняя.

СПРАВКА ! Перевозка топлива осуществляется в емкостях типа цистерны и бочки при помощи автомобильного и железнодорожного транспорта. Каждая емкость должна соответствовать определенным стандартам, а именно: иметь отверстие в нижней части (для удобного слива топлива), воздушные клапаны и систему контроля за давлением. Канистры использовать допускается, но только полимерные или металлические. При этом советуется не заливать емкость полностью, а оставлять немного свободного пространства (процентов 5-10).

Фракционный (химический) состав

Основное вещество, как уже указывалось выше, углеводороды. Их несколько видов:

• парафины;
• циклопарафины;
• индены;
• аценафтены;
• алкилбензолы;
• аценафтилены.

Характеристики

Характеристики печного топлива

Печное топливо:

• цвет: коричнево-темныйсветло-коричневый;
• зольность: 0,02%;
• испытание на медной пластине: выдерживает;
• плотность при 20 С: 0,850 г/см3;
• коксуемость 10 %-ного остатка: не более 0,35;
• температура застывания: не выше — 15 С;
• кинематическая вязкость при температуре 20 С: не более 8 мм2/с.

Способы получения

• Ректификация углеводородного сырья с использованием стабильного газового конденсата при температурах верха и куба колонны 160 — 170 и 260 — 280 С;
• Ректификация с нагреванием конденсата до 120 — 130 С;
• Путем нагревания конденсата при косвенном контакте с кубовым продуктом;
• При условии разделения жидкой углеводородной фракции на пару потоков;
• При условии абсорбции (145-155 С) фракции.

Способы (область) применения

Стационарные паровые котлы, промышленные печи — во всех этих устройствах допускается применение печного топлива. Для бытовых нужд разумнее использовать темное, а в сфере промышленности — светлое. Без печного топлива не обойтись в производстве кормов, в процессе консервирования, сушки фруктов и зерен.

Регламентирующие документы (ГОСТы, ТУ)

Производство нефтепродуктов регламентирует ГОСТ 10585-99, а также ГОСТ EN «Топлива дизельные и печные бытовые». Качество печного темного топлива должно соответствовать ГОСТ 1510-84, хранение и транспортировка — ТУ 025192-002-39968249-2008.

СПРАВКА! Российский ГОСТ отличается от европейских стандартов: цетановое и йодное число не нормируется, не уделяется особого внимания и температуре помутнения.

Цена на топливо печное бытовое

Стоимость светлого печного топлива класса «Стандарт» в 2021 году составляет 16.000-17.000 рублей за 1 м3. Маловязкое темное печное топливо стоит около 18.000 рублей за м3.

На какие параметры обращать внимание при выборе бытового печного топлива?

При выборе и покупке топлива обращайте внимание на:

• плотность;
• температуру вспышки;
• зольность;
• кислотность;
• вязкость;
• показатели коксуемости.

Что такое дизельное топливо?

Дизельное топливо, как и печное, относится к группе нефтепродуктов, и состоит из тех же углеводородов. Получают его путем перегонки и отбора из определенного вида фракций.

Виды дизельного топлива лукойл и газпром

Характеристики у него достойные:

• Плотность. Этот показатель отвечает за объем топлива в генераторе. При достаточной плотности выделяется больше тепловой энергии.

• Температура застывания. Не ниже 6 градусов, чем температура окружающей среды.

• Цетановое число. Показатель, позволяющий выделить данные о периоде задержки возгорания состава. Чем он больше — тем более размеренно и плавно горит дизельное топливо.

• Вязкость. При превышении нормы распыление топлива будет производится некачественно, а это чревато ранним истиранием деталей и частыми поломками механизмов.

• Процент серы. Сера — важный составляющий, элемент дизтоплива. Неприятно пахнет она из-за множества токсинов, от которых — увы! — никуда не деться. Чем больше серы, тем более склонно топливо к детонации, тем больше выделяется смолы в процессе крекинга, тем больше коррозийная активность.

• Воспламеняемость. Дизельное топливо относится к нелетучим нефтепродуктам, т.е. температуру вспышки имеет свыше 60-ти градусов.

• Устойчивость к коррозии. Для проверки используется пластина из меди. В ходе эксперимента она опускается в контейнер, заполненный дизтопливом, а через несколько часов эксперты её вытаскивают и оценивают результаты.

• Количество осадочных пород и воды в топливе. Допустимый процент очень мал: не более 1%.

Классификаций дизтоплива несколько:

1. Во-первых, по количеству серы: первый (до 350 мг/кг), второй (до 50 мг/кг) и третий (до 10 мг/кг) вид.
2. Во-вторых, есть летнее, зимнее и арктическое дизтопливо. Летнее получается путем перегонки. Используют этот вариант с апреля-месяца по ноябрь (температура воздуха не должна быть ниже 5-ти градусов, в противном случае жидкость становится очень мутной и теряет в качестве). Специалисты советуют сливать летнее дизтопливо заранее — до наступления первых холодов. У зимнего топлива содержание парафинообразующих углеводородов меньше, параметры вязкости шире. В средней полосе России его используют чаще и дольше. Арктическое популярно в регионах с вечной мерзлотой, а также там, где температура воздуха часто опускается ниже 30 градусов. Его вязкость — от 1,45 до 4,6 кв.мм/с, плотность — 760-820 кг/м3.

СПРАВКА! Дешевле остальных летнее дизтопливо, зимнее на 20% дороже летнего, арктическое — на 30-40% дороже зимнего.

Неправильное использование дизтоплива приводит к образованию в нем парафиновых кристаллов, которые забивают топливный фильтр и предохранительные сетки, скапливаются в теплопроводе. Топливный насос ДВС постепенно перестает функционировать, выводится из строя мотор.

В чем разница между печным топливом и дизельным топливом?

Сравнение горения печного Топлива и дизельного

Поскольку печное топливо является аналогом дизельного, однако отличия между ними существенные. Дизельное топливо немного полегче печного (фракционный состав у печного тяжелее), обладает меньшей вязкостью (светлое печное нельзя использовать для двигателей внутреннего сгорания), уровень зольности его выше. ТУ при производстве печного топлива менее строгие.

Печное топливо против дизельного топлива

Подведем итоги: в некоторых случаях дизельное и печное топливо могут использоваться как взаимозаменяемые. Но ключевым различием остается процентное соотношение серы: 1,1% либо меньше — в печном, и до 0,0015% в дизельном.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

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.

Образование смеси в дизельных двигателях

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 -1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO₂, Н₂O, NO_x, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Для снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством сниже­ния концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажи­гания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.

Смешанные формы и альтернативные стратегии управления

Классическая стратегия управления дизель­ным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (по­слойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными дви­гателями.

Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях

Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), ко­торым был посвящен ряд публикаций, целью является, посредством значи­тельного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значи­тельного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NO_x в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, бу­дет иметь место, благодаря высокой темпе­ратуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения тем­пературы в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отрабо­тавших газов. Тем не менее, получить опти­мальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрас­тания давления, и управление работой двига­теля в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.

Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования ре­жима HCCI, аналогично дизельным двигате­лям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Не­достатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенси­руются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NO_x, благо­даря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является пере­менной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.

Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением за­ряда топлива имеют много общего с про­цессами в дизельных двигателях и, следо­вательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обыч­ных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широ­кое применение, благодаря их более высо­кой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.

Многотопливные двигатели

Многотопливные двигатели, характеризую­щиеся возможностью использования раз­личных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможно­стью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.

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.