Теоретические основы рабочего процесса дизелей


Категория Применение топлив в судовых дизелях

Развитие и протекание рабочего процесса дизелей находятся в зависимости от вида топлива, в частности от его углеводородного и фракционного составов и физического состояния топлива в момент подачи в цилиндр.

Чтобы обеспечить необходимую тонкость распыливания топлива, требуется определенная вязкость его при впрыске. Обычно она поддерживается в пределах от 1,2 до 4,5°ВУ. Наиболее рациональной для дизелей, работающих на высоко- и средневязких топливах, является вязкость в пределах 1,7—2,5°ВУ, поддержание которой обеспечивают подогревом топлива. В зависимости от исходной вязкости температура подогрева может колебаться в довольно широких пределах от 40—50 до 130°С. При нагревании топлива, помимо вязкости, изменяется и плотность.

Таким образом, применение различных видов топлива обязательно связано с изменениями условий работы топливоподающей системы.

Топливоподающая система работает при изменении вязкости, плотности и температуры впрыскиваемой среды — топлива. Поскольку система рассчитана на впрыскиваемое топливо с вполне определенными физическими параметрами, т. е. система не является регулируемой по указанным параметрам, то качество распыла и испарения капель существенно зависит от вязкости, плотности и температуры впрыскиваемого топлива. Каждый из этих параметров физического состояния по-своему влияет на распыл и испарение капель. Вязкость топлива при впрыске определяет дисперсность его распыливания в цилиндре.

Увеличение вязкости топлива является следствием увеличения молекулярного взаимодействия. Раопыливанне топлива с более высокими силами молекулярного взаимодействия происходит с меньшей эффективностью. Такое топливо в сопловом отверстии распылителя форсунки распадается на более крупные частицы. При соударении с плотной средой воздушного заряда эти частицы с меньшей вероятностью претерпевают дальнейшее дробление.

Более высоковязкие топлива имеют и более высокую плотность. Это связано с тем, что они содержат значительное количество тяжелых углеводородов.

Испарение частиц топлива утяжеленного углеводородного состава происходит замедленно, во-первых, потому, что на прогрев укрупненных частиц требуется более значительное время, а во-вторых, потому, что молекулы этого топлива характеризуются сложным строением — длинными углеводородными цепями или сложными молекулами циклического строения, не являющимися легколетучими компонентами топлива.

Время испарения капли будет определяться ее размерами и разностью температур воздуха и испарения топлива. Чем выше температура заряда воздуха в цилиндре, тем меньше время испарения капель.

С другой стороны, при одной и той же температуре воздуха в момент впрыска время испарения капли будет определяться температурой испарения топлива и размерами самой капли.

Известно, что температура испарения топлив утяжеленного углеводородного состава выше температуры испарения маловязких топлив. Значит, и время испарения капель такого топлива больше, чем капель маловязкого топлива.

Теперь рассмотрим образование активных частиц и центров развития пламени. Процесс испарения топливных частиц в цилиндре дизеля сопровождается образованием активных частиц, к числу которых относятся положительные и отрицательные ионы, возбужденные молекулы и атомы топлива, а также воздуха. Ионы представляют собой молекулу или группу молекул с удаленными или присоединенными электронами. В результате удаления одного или нескольких электронов образуется положительный ион, а вследствие присоединения электронов — отрицательный ион.

Образовавшиеся ионы являются активными частицами, склонными к рекомбинации в процессе нейтрализации заряда или в процессе возникновения химической реакции.

Между разноименными топливными ионами происходит процесс нейтрализации, а между разноименными ионами кислорода и топлива возникает химический процесс окисления с выделением тепла (сгорание). Возбужденные молекулы характеризуются неустойчивостью одного или ряда электронов, которые могут перемещаться с одной орбиты на другую. Возбужденными молекулами являются и такие, в которых возникают колебания ядер в атоме.

Такие молекулы являются активными частицами, рекомбини-руемыми в процессе возникновения химической реакции окисления между возбужденными молекулами кислорода и топлива или между возбужденной и обычной молекулами, свободным атомом или ионом.

Процесс образования атомов в цилиндре в основном характерен для воздуха, в частности для кислорода.

Атомарный кислород является активной частицей, легко вступающей в химическую реакцию окисления углеводородов топлива. Процесс атомизации кислорода происходит под действием высоких температур воздушного заряда в цилиндре дизеля. Быстрое увеличение кинетической энергии движения молекул кислорода приводит к их распаду на атомы. Под действием высоких температур и углеводородные соединения топлива претерпевают разрушение. Происходят процессы деструкции, т. е. разрушения молекул углеводорода.

Сложная тяжелая молекула углеводорода распадается на более легкие молекулы, которые, имея свободные связи, активно вступают в реакцию окисления с кислородом воздуха.

Возникновение и развитие пламени определяются удельной плотностью активных частиц. Чем выше плотность активных частиц, тем больше вероятность возникновения и интенсивнее развитие процесса окисления (сгорания) топлива. Взаимодействие активных частиц кислорода и топлива может явиться центром развития пламени, но может ограничиться простым локальным процессом окисления.

В объеме камеры сгорания дизеля возникает несколько центров, в которых в результате взаимодействия активных частиц начинается сгорание топлива, характеризуемое локальным выделением тепла. При этом происходит интенсивное образование новых активных частиц. Центры развития пламени имеют три основных зоны: I — зона продуктов сгорания топлива; II — зона сгорания топлива; III — зона интенсивного образования активных частиц топлива и кислорода воздуха.

Условно центры развития пламени представлены в виде шара в разрезе. Однако в действительности, в зависимости от распределения топливных частиц в объеме камеры сгорания, фронт распространяющегося пламени может иметь поверхность любого рельефа.

Фронт распространения пламени может быть сплошным и ограничивать некоторый расширяющийся объем, содержащий продукты сгорания, но может и не быть сплошным. Это зависит от степени неравномерности распределения топлива в объеме камеры сгорания. Локальный недостаток топлива либо вызывает местное замедление распространения фронта пламени, либо вообще нарушает его оплошность. Сплошность фронта распространения пламени может нарушаться также и в результате замедления скорости его движения, которая определяется плотностью распределения топливных частиц в объеме камеры сгорания. В этом случае продукты сгорания, находящиеся в объеме зоны, в результате их расширения разрушают фронт распространения пламени.

Рис. 1. Схема возникновения центров развития пламени в цилиндре дизеля

Полное разрушение фронта распространения пламени, а также частичное нарушение его оплошности приводят « интенсивному перемешиванию продуктов сгорания с еще не сгоревшими частицами топлива. При этом затрудняется доступ кислорода к топливу и весь процесс сгорания замедляется. Таким образом, для качественного сгорания топлива с заданной скоростью нарастания давления в цилиндре дизеля необходимо, чтобы фронт распространения пламени каждого локального центра не разрушался до полного выгорания топлива. Только при этих условиях сгорание топлива происходит при избытке кислорода.

Сгорание топлива при таких идеальных условиях требует: равномерного распределения топлива в объеме камеры сгорания; одинаковой плотности распределения активных частиц, образующихся в объеме камеры сгорания.

При этих условиях наиболее вероятно одновременное возникновение центров развития сгорания и распространения фронта пламени со скоростью, равной или большей скорости расширения продуктов сгорания.

Зона сгорания топлива II, в отличие от зоны продуктов сгорания I, имеет постоянную глубину. Незначительные изменения глубины этой зоны связаны с неравномерностью распределения топлива в объеме камеры сгорания. Аналогично зоне сгорания топлива сравнительно незначительно изменяется по глубине и зона интенсивного образования активных частиц III.

Процесс интенсивного образования активных частиц происходит под действием тепла, получаемого топливом и воздухом в результате соприкосновения с пламенем (зона II), а также в результате испускания лучистой энергии пламенем.

Так же, как и зона сгорания топлива, зона интенсивного образования активных частиц по глубине может изменяться в зависимости от распределения топлива в объеме камеры сгорания.

Рассмотренный механизм возникновения и развития пламени будет неполным, если не остановиться еще на одном явлении, сопровождающем процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля. Это — волновые явления, которые возникают в результате столк^ новения двигающихся друг к другу двух и более фронтов пламени, а также столкновения их со стенками камеры сгорания.

При столкновении возникают зоны повышенного давления, в которых давление затем резко падает. Возникающие таким образом волны газов могут неоднократно отражаться от стенок камеры сгорания.

Наиболее существенное влияние на возникновение волновых явлений оказывают: неравномерность распределения в объеме камеры сгорания центров возникновения пламени; недостаточная плотность распределения в объеме камеры сгорания центров возникновения пламени.

Схематично влияние перечисленных условий на возникновение в цилиндре при сгорании топлива волновых явлений представлено на рис. 25. Здесь можно видеть зону повышенного давления, а также зону II повышенной плотности активных частиц.

Рис. 2. Схема взаимодействия фронтов пламени

Совокупное действие, с одной стороны, эффекта встречного удара двух двигающихся друг к другу фронтов пламени и, с другой, интенсивного сгорания топлива в результате повышенной плотности активных частиц и образует зону повышенного давления.

Волновые явления, возникающие в цилиндре дизеля при сгорании топлив, зависят и от качества последних и, в первую очередь, от фракционного состава топлива. Наиболее значительные волновые явления наблюдаются при использовании топлив широкого фракционного состава.

Рис. 3. Схема взаимодействия молекул при столкновении

Это можно объяснить следующим. Испарение распыленных топливных частиц начинается с испарения легких компонентов, а затем испаряются и более тяжелые.

На образование активных частиц легких компонентов требуется большая энергия активизации, чем для образования, например, такого же количества тяжелых компонентов топлива. Это объясняется тем, что легкие компоненты более устойчивы к действию тепла.

В то же время тяжелые компоненты топлива легко образуют активные частицы, но плотность их, когда начинается формирование центров возникновения, невелика. Поэтому и плотность образования центров возникновения пламени также ограничена. Эти центры удалены друг от друга на значительные расстояния, что и приводит к возникновению волновых явлений более значительных, чем при сгорании узкофракционных топлив. Средне- и высоковязкие топлива имеют более широкий фракционный состав, чем дизельные дистиллятные топлива. Поэтому происходящие в камере сгорания волновые явления для этих топлив более выражены, чем для дизельных дистиллятных.

Рис. 4. Осциллограмма волновых колебаний давлений в цилиндре дизеля

Волновые явления возникают в первый период сгорания топлива, что можно отчетливо проследить по осциллограмме изменения давления в цилиндре дизеля — см. участок А, где зафиксировано колебание давления в момент начала сгорания топлива. Можно предположить, что волновые явления зависят не только от эффективности распыла топлива и его качества, но также и от геометрических размеров камеры сгорания. Наибольшее влияние оказывает объем камеры сгорания: чем она больше, тем в большей степени проявляются волновые явления.


Читать далее:

Категория Применение топлив в судовых дизелях