Скорость горения дизельного топлива

Горит ли дизельное топливо? Горит, причем достаточно сильно. Его остаток, который не участвовал в предварительно смешанном сгорании, расходуется в фазе сгорания с регулируемой скоростью.

Сжигание в дизельных двигателях очень сложно. До 90-х годов прошлого столетия его детальные механизмы не были хорошо поняты. Температура горения дизельного топлива в камере сгорания также варьировалась от случая к случаю. На протяжении десятилетий сложность данного процесса, казалось, не поддалась попыткам исследователей раскрыть его многочисленные секреты, несмотря на наличие современных инструментов, таких как высокоскоростная фотография, используемая в «прозрачных» двигателях, вычислительная мощность современных компьютеров и множество математических моделей, предназначенных для имитации сгорания в дизеле. Применение лазерной визуализации листа к традиционному процессу сжигания дизельного топлива в 90-х годах прошлого века стало ключом к значительному углублению понимания этого процесса.

В этой статье будет рассмотрена наиболее устоявшаяся модель процесса для классического дизельного двигателя. Это обычное сгорание дизельного топлива, в первую очередь, контролируется смешиванием, которое может происходить из-за диффузии горючего и воздуха перед воспламенением.

Температура горения

При какой температуре горит дизельное топливо? Если раньше этот вопрос казался сложным, то сейчас на него можно дать вполне однозначный ответ. Температура горения дизельного топлива — около 500-600 градусов по Цельсию. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы воспламенить смесь горючего и воздуха. В холодных странах, где преобладает низкая температура окружающей среды, у двигателей была свеча накаливания, которая согревает впускной канал, чтобы помочь запустить двигатель. Вот почему необходимо всегда подождать, пока значок обогревателя не погаснет на приборной панели, прежде чем запустить двигатель. Это также влияет на температуру горения дизтоплива. Рассмотрим, какие еще есть нюансы в его работе.

Особенности

Основной предпосылкой горения дизельного топлива в горелке, температура которой регулируется извне, является его уникальный способ высвобождения химической энергии, в нем запасенной. Чтобы выполнить этот процесс, кислород должен быть доступным для него, чтобы облегчить возгорание. Одним из наиболее важных аспектов этого процесса является смешивание горючего и воздуха, которое часто называют приготовлением смеси.

Катализатор горения дизельного топлива

В дизельных двигателях горючее часто впрыскивается в цилиндр двигателя в конце такта сжатия, всего за несколько градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки. Жидкое топливо обычно впрыскивается с высокой скоростью в виде одной или нескольких струй через небольшие отверстия или сопла в наконечнике инжектора, распыляется на мелкие капельки и проникает в камеру сгорания. Распыленное горючее поглощает тепло от окружающего нагретого сжатого воздуха, испаряется и смешивается с окружающим высокотемпературным воздухом высокого давления. Поскольку поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), температура смеси (в основном воздуха) достигает температуры воспламенения. Температура горения дизтоплива "Вебасто" ничем не отличается от аналогичной температуры других сортов дизеля, достигая около 500-600 градусов.

Быстрое воспламенение некоторого предварительно смешанного горючего и воздуха происходит после периода задержки зажигания. Такое быстрое воспламенение считается началом сгорания и характеризуется резким увеличением давления в цилиндре по мере расходования топливовоздушной смеси. Повышенное давление, возникающее в результате предварительно смешанного сгорания, сжимает и нагревает несгоревшую часть заряда и сокращает задержку перед его воспламенением. Это также увеличивает скорость испарения оставшегося горючего. Его распыление, испарение, смешивание с воздухом продолжаются до тех пор, пока все оно не сгорит. Температура горения керосина и дизтоплива в этом отношении может быть схожей.

Характеристика

Сперва разберемся с обозначениями: далее A — это воздух (кислород), F — топливо. Дизельное сгорание характеризуется низким общим отношением A / F. Наименьшее среднее значение A / F часто наблюдается в условиях пикового момента. Чтобы избежать чрезмерного образования дыма, A / F при пиковом моменте обычно поддерживается выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности около 14,4:1. Это также касается всех активаторов горения дизтоплива.

В дизельных двигателях с турбонаддувом отношение A / F на холостом ходу может превышать 160:1. Следовательно, избыточный воздух, присутствующий в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже отработанными газами. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания истощается, что объясняет окислительный характер выхлопа дизеля.

Когда горит дизтопливо? Этот процесс происходит после того, как испаренное горючее смешивается с воздухом, образует локально богатую смесь. Также на этом этапе достигается надлежащая температура горения дизельного топлива. Однако общее отношение A / F невелико. Другими словами можно сказать, что большая часть воздуха, впускаемого в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избытке воздуха помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, снижая их до крайне малых концентраций в выхлопных газах. Этот процесс гораздо более важен, чем температура горения дизельного топлива.

Факторы

В процессе сгорания дизеля основную роль играют следующие факторы:

• Индуцированный заряд воздуха, его температура и его кинетическая энергия в нескольких измерениях.
• Распыляемость впрыскиваемого топлива, проникновение брызг, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют другие параметры, которые могут существенно повлиять на работу двигателя. Они играют вторичную, но важную роль в процессе сгорания. Например:

• Конструкция впускного канала. Она оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно в тот момент, когда он входит в цилиндр) и на скорость перемешивания в камере сгорания. От этого может меняться температура горения дизельного топлива в котле.
• Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто путем передачи тепла от водяной рубашки через площадь поверхности впускного отверстия.
• Размер впускного клапана. Контролирует общую массу воздуха, впускаемого в цилиндр за конечное время.
• Степень сжатия. Она влияет на испарение, скорость перемешивания и качество сгорания, независимо от температуры горения дизельного топлива в котле.
• Давление впрыска. Оно контролирует продолжительность впрыска для заданного параметра отверстия сопла.
• Геометрия распыления, которая непосредственно влияет на качество и температуру горения дизельного топлива и бензина за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса разбрызгивания может поместить горючее сверху поршня и снаружи бака сгорания в дизельных двигателях DI с открытой камерой. Это условие может привести к чрезмерному "курению", так как горючее лишается доступа к воздуху. Широкие углы конуса могут также привести к разбрызгиванию топлива на стенках цилиндра, а не внутри камеры сгорания, где это требуется. Распыленное на стенку цилиндра, оно в конечном итоге будет перемещено вниз в масляный поддон, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол разбрызгивания является одной из переменных, влияющих на скорость перемешивания воздуха в топливной струе вблизи выходного отверстия инжектора, он может оказать существенное влияние на общий процесс сгорания.
• Конфигурация клапана, которая контролирует положение инжектора. Двухклапанные системы создают наклонное положение инжектора, что подразумевает неравномерное распыление. Это приводит к нарушению смешивания топлива и воздуха. С другой стороны, конструкции с четырьмя клапанами допускают вертикальную установку инжектора, симметричное расположение распыления топлива и равный доступ к доступному воздуху для каждого из распылителей.
• Положение верхнего поршневого кольца. Оно контролирует мертвое пространство между верхней площадкой поршня и гильзой цилиндра. Это мертвое пространство задерживает воздух, который сжимается и расширяется, даже не участвуя в процессе сгорания. Поэтому важно понимать, что система работы дизельного двигателя не ограничивается камерой сгорания, распылителями форсунок и их непосредственным окружением. Сгорание включает в себя любую часть или компонент, которые могут повлиять на конечный результат процесса. Потому ни у кого не должно быть сомнений по поводу того, горит ли дизельное топливо.

Другие нюансы

Известно, что сгорание дизеля является очень обедненным с отношением A / F:

• 25:1 при пиковом крутящем моменте.
• 30:1 при номинальной скорости и максимальной мощности.
• Более 150: 1 на холостом ходу для двигателей с турбонаддувом.

Однако этот дополнительный воздух не входит в процесс сгорания. Он довольно сильно нагревается и истощается, в результате чего выхлоп дизеля становится бедным. Даже учитывая то, что среднее воздушно-топливное отношение является бедным, если в процессе проектирования не будут приняты надлежащие меры, области камеры сгорания могут быть богаты горючим и приводить к чрезмерным выбросам дыма.

Камера сгорания

Ключевая цель при ее проектировании заключается в том, чтобы обеспечить достаточное смешивание топлива и воздуха для смягчения воздействия областей, богатых горючим, и позволить двигателю достичь своих показателей производительности и выбросов. Обнаружено, что турбулентность в движении воздуха внутри камеры сгорания полезна для процесса перемешивания и может быть использована для достижения этой цели. Вихрь, создаваемый впускным отверстием, может усиливаться, а поршень может создавать сдавливание, когда он приближается к головке цилиндра, чтобы обеспечить больше турбулентности во время акта сжатия благодаря правильной конструкции чаши в головке поршня.

Конструкция камеры сгорания оказывает наиболее значительное влияние на выбросы твердых частиц. Она также может влиять на несгоревшие углеводороды и СО. Хотя выбросы NOx зависят от конструкции чаши [De Risi 1999], свойства объемного газа играют очень важную роль в уровнях их выхлопных газов. Однако из-за компромисса с NOx / PM конструкции камер сгорания должны были развиваться по мере уменьшения пределов выбросов NOx. В основном это требуется, чтобы избежать увеличения выбросов PM, которые в противном случае могли бы возникнуть.

Оптимизация

Важным параметром для оптимизации системы сгорания дизельного топлива в двигателе является доля доступного воздуха, участвующего в этом процессе. Коэффициент К (отношение объема поршневой чаши к зазору) является приблизительной мерой доли воздуха, доступного для сгорания. Уменьшение рабочего объема двигателя приводит к уменьшению относительного коэффициента К и к тенденции ухудшения характеристик сгорания. Для данного смещения и при постоянной степени сжатия коэффициент K можно улучшить, выбрав более длинный ход. На подбор соотношения диаметра цилиндра к двигателю может повлиять фактор K и ряд других факторов, таких как упаковка двигателя, отверстия и клапаны и так далее.

Возможные трудности

Особенно существенная проблема при настройке максимального отношения цилиндра к рабочему ходу заключается в очень сложной упаковке головки блока цилиндров. Это необходимо для размещения конструкции с четырьмя клапанами и системы впрыска топлива Common-Rail с инжектором, расположенным в центре. Головки цилиндров имеют сложную конструкцию из-за множества каналов, включая водяное охлаждение, удерживающие болты головки цилиндров, впускные и выпускные отверстия, инжекторы, свечи накаливания, клапаны, их стержни, углубления и седла, а также другие каналы, используемые для рециркуляции выхлопных газов в некоторых конструкциях.

Камеры сгорания в современных дизельных двигателях с прямым впрыском могут называться открытыми или повторными.

Открытые камеры

Если верхнее отверстие чаши в поршне имеет меньший диаметр, чем максимальный этот же параметр чаши, то ее называют возвратной. Такие чаши имеют «губу». Если ее нет, то это открытая камера сгорания. В дизельных двигателях данные конструкции с чашей типа «мексиканская шляпа» известны с 20-х годов прошлого века. Они использовались до 1990 года в двигателях большой грузоподъемности до того момента, когда возвратная чаша стала более важной, чем была раньше. Эта форма камеры сгорания предназначена для относительно продвинутых значений времени впрыска, где чаша содержит большую часть горящих газов. Она не очень подходит для стратегий замедленного впрыска.

Дизельный двигатель

Он назван в честь изобретателя Рудольфа Дизеля. Является двигателем внутреннего сгорания, в котором воспламенение впрыскиваемого топлива вызывается повышенной температурой воздуха в цилиндре из-за механического сжатия. Дизель работает, сжимая только воздух. Это повышает температуру воздуха внутри цилиндра до такой степени, что распыленное топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, самовозгорается.

Это отличается от двигателей с искровым зажиганием, таких как бензиновый или газовый (использующий газообразное горючее, а не бензин). В них используют свечу зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси. В дизельных двигателях свечи накаливания (подогреватели камеры сгорания) могут применяться для облегчения запуска в холодную погоду, а также при низкой степени сжатия. Оригинальный дизель работает по циклу постоянного давления постепенного сгорания и не производит звукового удара.

Общая характеристика

Дизель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех практических двигателей внутреннего и внешнего сгорания благодаря очень высокой степени расширения и присущему обедненному горению, что позволяет рассеивать тепло избыточным воздухом. Небольшая потеря эффективности также предотвращается без непосредственного впрыска, поскольку несгоревшее горючее не присутствует при перекрытии клапана, а топливо не поступает непосредственно из впускного (впрыскивающего) устройства в выхлопную трубу. Низкоскоростные дизельные двигатели, которые используются, например, на судах, могут иметь тепловой КПД, превышающий 50 процентов.

Дизели могут быть сконструированы как двухтактные, так и четырехтактные. Первоначально они использовались в качестве более эффективной замены для стационарных паровых двигателей. С 1910 года они применялись на подводных лодках и кораблях. Использование в локомотивах, грузовиках, тяжелом оборудовании и электростанциях последовало позже. В тридцатых годах прошлого века они нашли место в конструкции нескольких автомобилей.

Преимущества и недостатки

С 70-х годов прошлого столетия использование дизельных двигателей в более крупных дорожных и внедорожных транспортных средствах в США возросло. Согласно данным Британского общества производителей и производителей автомобилей, средний показатель по ЕС для дизельных авто составляет 50 % от общего объема продаж (среди них 70 % — во Франции и 38 % — в Великобритании).

В холодную погоду запуск высокоскоростных дизельных двигателей может быть затруднен, поскольку масса блока и головки цилиндров поглощает тепло сжатия, предотвращая воспламенение из-за более высокого отношения поверхности к объему. Предварительно такие агрегаты используют небольшие электрические нагреватели внутри камер, называемых свечами накаливания.

Многие двигатели используют резистивные нагреватели во впускном коллекторе для нагрева входящего воздуха и для запуска или до тех пор, пока не будет достигнута рабочая температура. Электрические резистивные нагреватели блока двигателя, подключенные к электросети, используются в холодных климатических условиях. В таких случаях его требуется включать на длительное время (более часа), чтобы уменьшить время запуска и износ.

Блочные нагреватели также применяются для аварийных источников питания с дизельными генераторами, которые должны быстро снимать нагрузку при сбое в работе. В прошлом использовалось более широкое разнообразие методов холодного запуска. Некоторые двигатели, например Detroit Diesel, использовали систему для введения небольших количеств эфира во впускной коллектор, чтобы начать сгорание. Другие использовали смешанную систему с резистивным нагревателем, сжигающим метанол. Импровизированный метод, особенно на неработающих двигателях, состоит в том, чтобы вручную распылять аэрозольный баллончик с эфирной жидкостью в поток всасываемого воздуха (обычно через узел фильтра всасываемого воздуха).

Отличия от других двигателей

Условия в дизеле отличаются от двигателя с искровым зажиганием из-за разного термодинамического цикла. Кроме того, мощность и частота его вращения напрямую контролируются подачей горючего, а не воздуха, как в двигателе с циклическим циклом. Температура горения дизельного топлива и бензина также может различаться.

Средний дизельный двигатель имеет более низкое отношение мощности к весу, чем бензиновый. Это связано с тем, что дизель должен работать на более низких оборотах из-за конструкционной необходимости в более тяжелых и прочных деталях, чтобы противостоять рабочему давлению. Оно всегда вызывается высокой степенью сжатия двигателя, которая увеличивает усилия на детали из-за сил инерции. Некоторые дизели предназначены для коммерческого использования. Это многократно подтверждено на практике.

Дизельные двигатели обычно имеют большую длину хода. В основном это нужно для облегчения достижения необходимых степеней сжатия. В результате поршень становится тяжелее. То же можно сказать и о шатунах. Через них и коленчатый вал необходимо передавать больше усилия для изменения импульса поршня. Это еще одна причина, по которой дизельный двигатель должен быть сильнее при той же выходной мощности, что и бензиновый.

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.

Дизельный двигатель отличается от бензинового тем, что топливо поджигается не от искры — оно самовоспламеняется при повышении давления и происходящем от этого разогреве.

Известно, что температура воспламенения дизельного топлива составляет от 70 до 120 ºС. Температура самовоспламенения колеблется в диапазоне от 300 до 330 ºС. В цилиндрах дизеля за счёт сжатия воздуха до давлений порядка 30 бар он разогревается именно до этих температур. Впрыскиваемое в этот момент топливо самовоспламеняется и горит, резко увеличивая давление в камере. Температура горения дизельного топлива составляет примерно 1100 ºС.

Возросшее в цилиндре дизельного двигателя давление толкает поршень вниз, за счёт его перемещения совершается полезная работа, вращающая колёса.

Фазы горения дизельного топлива

Горение дизельного топлива в цилиндре разделяют на 4 периода:

• задержки воспламенения;
• распространения пламени;
• прямого горения;
• догорания.

Первый период — это время между началом впрыска топлива и началом горения. Топливо распыляется каждой форсункой сразу в нескольких направлениях. Но оно сразу не загорается. Требуется время, чтобы мельчайшие капли испарились, перемешались с воздухом и нагрелись до температуры самовоспламенения. Чем короче первый период, тем лучше проходит горение топлива на последующих этапах.

В течение второго периода пламя распространяется от начальных точек горения на весь объём. Эта задержка объясняется тем, что гореть может только смесь топлива с воздухом, и на их перемешивание по всему объёму также требуется время. В конце этого периода температура горения дизельного топлива приближается к максимальной, давление в камере резко возрастает.

Прямое горение — это период от распространения пламени по всему объёму до окончания впрыска топлива. Поскольку давление в этом периоде достигает максимума, впрыскиваемое топливо сгорает немедленно. Регулировку топливной аппаратуры производят так, чтобы давление достигало максимума через 10 угловых градусов после ВМТ.

Последний период длится от окончания впрыска топлива до окончания горения.

Нарушение условий правильного горения

Нормальное и полное сгорание топлива в дизельном двигателе происходит при правильном впрыске и высоком давлении в цилиндре.

Если компрессия по какой-то причине низкая, то:

• период задержки воспламенения увеличивается;
• топлива накапливается больше нормальной дозы;
• его последующее воспламенение резко увеличивает давление;
• возникает ударная волна, вызывающая металлический звук (дизельный стук).

Ещё большее снижение давления вызывает неполное сгорание топлива, в выхлопе появляется белый дым.

К такому же результату приводит ранний впрыск: увеличивается период задержки воспламенения и появляется дизельный стук. Он же образуется при низком давлении впрыска — капли получаются большими, поэтому не успевают испариться. Увеличивается период задержки воспламенения, результат — дизельный стук.

При позднем впрыске воспламенение топлива происходит уже после ВМТ, оно не успевает сгореть, остатки в виде белого дыма выбрасываются с выхлопом. При впрыске слишком большого количества топлива образуется нехватка кислорода для полного сгорания. Несгоревшее топливо превращается в углерод, вызывающий чёрный дым выхлопа.