Давление в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания

Как температура и давление в цилиндрах дизеля влияют на работу мотора

Дизельный двигатель сегодня является вторым по степени распространенности типом ДВС после бензинового агрегата. Конструктивно дизельный мотор похож на бензиновый аналог, так как имеет все те же цилиндры, шатуны, поршни, коленвал и т.д. При этом все детали более массивные и тяжелые, ведь они должны выдерживать повышенные нагрузки.

Дело в том, что степень сжатия в дизеле выше, чем в агрегатах на бензине. Если в бензиновом моторе указанный средний показатель составляет от 9-и до 11-и единиц, то в дизельном уже целых 20-24. По этой причине дизельный двигатель тяжелее и крупнее бензинового агрегата.

После подачи в цилиндры рабочая смесь воспламеняется в камере сгорания от искры. При этом в дизельном двигателе топливо и воздух подаются отдельно, при этом смесь воспламеняется самостоятельно от резкого сжатия и нагрева.

Далее мы поговорим о том, какие процессы протекают в камере сгорания дизельного двигателя, как реализована подача дизтоплива, каким образом происходит смесеобразование и воспламенение заряда, а также какое давление и температура в камере сгорания дизеля.

Степень сжатия на практике – как это происходит?

Сгорание топливной смеси в двигателе происходит при взаимодействии смешанных паров топлива и воздуха. При возгорании смеси происходит ее расширение, в результате чего увеличивается давление в камере. Коленчатый вал при этом выполняет обороты, соответственно двигатель выполняет один такт полезной работы. В наше время уже практически не выпускаются дизельные двигатели с низкой степенью сжатия, так как в этом нет необходимости, также и низкооктановое топливо практически исчезло с рынка. Все стремятся к более экономичным и высокооборотистым двигателям с большей степенью сжатия.

Увеличения степени сжатия можно добиться за счет уменьшения камеры сгорания дизельного двигателя. Но при таких изменениях инженерам на заводах приходятся искать компромиссное решение, потому что нужно сохранить давление в камере, а также уменьшить объем сжигания топлива. Одним из способов увеличения сжатия является расточка блоков головки цилиндра – степень сжатия при этом увеличивается, а объем сгорания топлива в камере уменьшается. При этом цилиндр сохраняет свой рабочий объем, и объем двигателя не меняется.

Камера сгорания непрерывного действия

Камера сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.

Принцип работы

Камера сгорания является узлом газотурбинного двигателя (ГТД), в котором происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси. Для приготовления топливовоздушной смеси в камеру сгорания подводится через форсунки топливо и поступает воздух из компрессора. В процессе запуска двигателя поджог топливовоздушной смеси производится электрической искрой (или пусковым устройством), а при дальнейшей работе процесс горения поддерживается непрерывно вследствие контакта образующейся топливовоздушной смеси с раскаленными продуктами сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газ направляется в турбину компрессора.

Устойчивость и совершенство процессов в камере сгорания в значительной степени обеспечивают надежную и экономичную работу газотурбинного двигателя.

Требования, предъявляемые к камере сгорания непрерывного действия

• Устойчивость процесса горения при всех возможных режимах и полетных условиях. Необходимо, чтобы сгорание топлива было непрерывным и не было срыва пламени или пульсационного горения, что может вызвать самовыключение двигателя. В процессе изменения режима работы двигателя и полетных условий изменяется соотношение топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, т.е. изменяется качество смеси.
• Обеспечение равномерного поля температуры газов перед турбиной. Обычно камеры сгорания имеют несколько форсунок для подвода топлива, поэтому имеется тенденция к получению зон различной температуры на выходе газов из камеры сгорания. Значительная неравномерность поля температур газов может приводить к разрушению турбинных лопаток.
• Минимальная длина факела пламени, т.е. процесс сгорания, должен заканчиваться в пределах камеры сгорания. В противном случае пламя доходит до лопаток соплового аппарата, что может привести к их прогару.
• Надежность в эксплуатации, большой срок службы, удобство контроля и технического обслуживания. Обеспечение длительной и надежной работы камеры сгорания достигается как рядом конструктивных мероприятий, так и строгим соблюдением правил летной и технической эксплуатации. Для максимального выполнения перечисленных требований каждому типу двигателя подбирается соответствующий тип камеры сгорания.

Компаундный двигатель внутреннего сгорания

[/td]

Однако возможность использования компаундного двигателя не ограничивается только паровозами. Так выставке «Engine EXPO 2009» британская показала публике образец пятитактного ДВС, который можно применить на автомобиле. Герхард Шмитц, автор идеи, использовал в одном моторе четырех- и двухтактную схему. Три цилиндра 5-тактного двигателя внутреннего сгорания имеют разный внутренний диаметр. Меньшие (высокого давления) – первый и третий – работают по обычному четырехтактному циклу. Средний (низкого давления) использует остаточное расширение отработавших газов из меньших цилиндров в двухтактном режиме.

Как работает компаундный ДВС: в течение первых трех тактов смесь, как в обычном четырёхтактном ДВС, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время 4-го такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в больший и сжимаются. Остаточное расширение газов в большем цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Содержание

Типичная схема

Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создается дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идет на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.

Стехиометрическая камера

Форсажная камера

Для увеличения тяги в турбореактивном двигателе за турбиной можно поместить вторую, т.н. форсажную камеру сгорания, в которой газ может нагреваться до такой же температуры, как и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Форсажная камера представляет собой цилиндрическую трубу с соплом регулируемого сечения на выходе.

Характеристика процесса сгорания по индикаторной диаграмме

Если замерить изменение давления в цилиндре дизеля по времени (или углу поворота коленчатого вала), то можно получить так называемую “развернутую индикаторную диаграмму”. На рис. 1 дан примерный вид такой диаграммы с нанесенными характерными точками:

• d — момент начала подачи топлива ( φ_нп – угол опережения подачи топлива);
• y — начало воспламенения топлива;
• z₁ — конец резкого нарастания давления в цилиндре (достижение максимального давления P_z );
• z — конец подачи топлива;
• z′ — условная точка конца догорания.
• b – начало газовыхлопа

Рис. 1 Развернутая индикаторная диаграмма

В соответствии с характерными точками, процесс воспламенения и сгорания топлива можно условно разбить на 4 фазы:

I фаза — от начала впрыска до начала воспламенения топлива — носит название “период задержки самовоспламенения”:

τ i = φ τ i / 6 n Ф о р м . 1

• τ_i — время задержки самовоспламенения в сек;
• φ_τi — соответствующий угол поворота коленчатого вала в град.;
• n — частота вращения, об/мин.

Эта фаза определяется необходимостью физико-химической подготовки топлива к воспламенению и сгоранию (прогрев, испарение, предпламенные реакции). Она оказывает значительное влияние на развитие всего последующего процесса сгорания. Фаза должна быть возможно меньшей. Обычно τ_i лежит в пределах: τ_i = 1-5 мсек (большие значения — в малооборотных дизелях) или по углу поворота коленчатого вала φ_τi = 3-50° пкв (большие значения — в высокооборотных двигателях).

II фаза — от начала сгорания (точка y ) до достижения давления P_z (т. z₁ ) — называется периодом резкого нарастания давления в цилиндре. Практически все топливо, поступившее в цилиндр до точки z₁ , вовлекается в горение. В качестве критерия, оценивающего интенсивность горения за фазу, принимается скорость нарастания давления W (или “жесткость индикаторного процесса”):

Величина средней скорости нарастания давления обычно принимается равной:

W c p ≈ ∆ P / ∆ φ ≈ ( P z – P c ) / ( φ z 1 – φ y ) . Ф о р м . 2

Этот параметр характеризует плавность (мягкость) индикаторного процесса. При больших значениях W двигатель работает со стуками, жестко, снижается надежность работы подшипников. Такая работа недопустима. Обычно W = 1-6 бар/° пкв.

III фаза — кривая z₁z — сгорание при примерно постоянном давлении. В районе точки z обычно заканчивается подача топлива, а температура в цилиндре достигает максимального значения. Задержка воспламенения топлива, подаваемого в этот период, минимальна (так как высоки давление и температура в цилиндре), однако к концу фазы сгорание может замедлиться — уменьшается количество кислорода. Давление сгорания за III фазу чаще всего незначительно увеличивается, но может и уменьшиться — все зависит от работы топливной аппаратуры и от относительного положения точки z и ВМТ. Чем дальше точка z от ВМТ, тем меньше давление в этой точке при той же цикловой подаче топлива. В качестве параметров, оценивающих III фазу горения, могут быть приняты максимальное давление P_z и угол поворота коленчатого вала φ_pz , при котором это давление достигается. Угол φ_pz косвенно характеризует экономичность рабочего процесса — чем ближе сгорание к ВМТ (меньше φ_pz ) — тем меньше догорание, более эффективно используется энергия газов в цилиндре. II-я и III-я фазы носят название “видимого процесса сгорания”.

IV-я фаза — кривая zz′ — носит название “догорание топлива” и наблюдается в большей или меньшей степени у всех дизелей. У малооборотных дизелей эта фаза меньше; у высокооборотных двигателей на номинальной нагрузке эта фаза может наблюдаться на всем ходе расширения. На долевых нагрузках догорание сокращается. Догорание на линии расширения увеличивает температуру газа в точке b цикла и температуру отработавших газов, повышает потери тепла в охлаждающую воду. Все это понижает термический КПД цикла.

Приведенный выше анализ с делением процесса сгорания на фазы является в какой-то степени условным. Однако он нагляден, часто используется при экспериментальных исследованиях ДВС и при анализе работы двигателя в эксплуатационных условиях.

Можно ли рассчитать степень, измерив компрессию?

Компрессия напрямую зависит не только от понятия степени сжатия двигателя, но и от природы сжимаемого газа и условий в камере сгорания. На практике зависимость этих параметров выливается в формулу Р = Ро*Ɛƴ, где

• Ро – начальное давление в цилиндре, принимаемое за 1;
• Ƴ – адиабатический показатель для воздуха. В двигателе внутреннего сгорания при сжатии часть тепла отдается стенкам цилиндра, камеры сгорания; происходит утечка части газа через неплотности, а воздух перемешан с частичками топлива, поэтому процесс считается недиабетическим. Показатель политропы при этом равняется не эталонным 1.4, а приближенным к фактическим 1.2.

Все это значит, что, измерив компрессию, мы можем вычислить показатель степени сжатия двигателя. К примеру, при компрессии 15,8 степень сжатия будет близка к 10 единицам. Чтобы уменьшить погрешность, нужно соблюсти все правила измерения компрессии:

1. Свечи должны быть выкручены.
2. Дроссель открыт на 100%.
3. Отключена подача топлива.
4. АКБ должна быть полностью заряжена. При этом емкости должно хватать на измерения компрессии во всех котлах.
5. Стартер должен быть исправен, а на проводах его питания отсутствует значительное падение напряжение из-за окислов.