Про­цесс сгорания топлива в двигателе с воспламенением от сжатия имеет отли­чительные особенности, обусловливаемые внутренним смесеобразованием, применяемым в этом типе двигателя:

1. Рассмотрение процессов смесеобразования, выполненное нами ранее, позволяет сделать заключение, что концентрация топлива в пространстве сгорания цилиндра дизеля неодинакова, есть зоны с большой концентра­цией топлива и зоны с малой концентрацией. Вследствие этого коэффициент избытка воздуха в объеме пространства сгорания — величина переменная.

2. Так как период подачи топлива в некоторой своей части совпадает с периодом процесса сгорания топлива, то в течение процесса сгорания соотношение между количествами воздуха и топлива в цилиндре двигателя будет изменяться. Отсюда следует, что в цилиндре дизеля происходит изменение коэффициента избытка воздуха ? по времени.

Значение ?, принимаемое в расчетах и определяемое по анализу отра­ботавших газов, является средним по объему цилиндра к моменту окончания процесса сгорания, т. е. это условная величина.

3. Процесс сгорания находится в зависимости от закона подачи топ­лива. Впрыск топлива с возрастающей скоростью позволяет лучше исполь­зовать кислород в наиболее удаленных от форсунки зонах.

В целом на сгорание топлива в дизеле влияют различные физико-химические процессы, учет которых представляет большие трудности. Несмотря на успехи в области исследования процессов сгорания вообще, следует при­знать, что изучение процессов, происходящих в цилиндре двигателя, еще далеко не полно. Сложность и кратковременность протекания этого цикла в цилиндре двигателя, непостоянство температуры, давления, объема и состава рабочей смеси в значительной степени затрудняют изучение явлений но всех их деталях. В связи с этим выполненные исследования сводились нахождению (на основе обобщения экспериментальных зависимостей) конечных суммарных результатов процессов сгорания в цилиндре двига­теля.

Такой путь исследования хотя и не вскрывает в полной мере изучаемые явления, но тем не менее позволяет выявить основные зависимости, опреде­ляющие характер явления, а главное, может быть практически полезным.

Весь период сгорания топлива в цилиндре дизеля можно схематически разбить на четыре фазы. Изменение давления за период каждой фазы пока­зано на индикаторной диаграмме (рис. 72).

Первая фаза является фазой образования очагов сгорания и охватывает промежуток времени от момента начала фактического поступления топлива в цилиндр (точка 1) до начала резкого нарастания давления (точка 2), т. е. в момент отрыва линии сгорания от линии сжатия. Следовательно, первая фаза сгорания представляет собой период задержки самовоспламенения. Продолжительность этой фазы существенно влияет на характер протекания последующих фаз процесса сгорания. Как уже отмечалось, в этот период происходят физико-химические процессы подготовки топлива к самовоспла­менению. На продолжительность периода задержки самовоспламенения топлива ?_i влияют химические, физические и конструктивные факторы. К химическим факторам относятся: состав топлива, концентрация кислорода, присадки к топливу, остаточные газы. Парафиновые углеводороды имеют наи­меньший период задержки самовоспламенения, а ароматические углеводо­роды — наибольший.

На рис. 73 показаны кривые нарастания давления в период сгорания в цилиндре дизеля различных сортов топлива при одном и том же угле опере­жения впрыска. При сгорании топлив, имеющих малый период ?_i (кривые 1 и 2), происходит плавное и своевременное изменение давления, тогда как при сгорании топлив с большим периодом ?_i (кривые 3, 4 и 5)происходит резкое нарастание давления и с большим опозданием.

Значительные скорости нарастания давления создают динамическую нагрузку шатунно-мотылевому механизму.

Увеличение концентрации кислорода и уменьшение остаточных газов в камере сгорания уменьшают период задержки самовоспламенения. При­садка различных катализаторов к топливу сокращает период задержки само­воспламенения и снижает максимальное давление цикла.

К физическим факторам относятся давление и температура воздуха на впуске и в конце сжатия. С увеличением давления воздуха на впуске и в кон­це сжатия вследствие возрастания плотности воздуха ускоряется физико­химическая подготовка топлива к самовоспламенению, а потому вели­чина ?_i сокращается.

На рис. 74 показана опытная зависимость ?_i от давления наддува р_к, полученная на быстроходном дизеле. С повышением температуры воздуха на впуске и в конце сжатия ?_i сокращается почти прямолинейно. Наличие завихрения воздуха в камере сгорания улучшает смесеобразование и повы­шает значение коэффициента теплопередачи от воздуха к топливу и также уменьшает ?_i.

К конструктивным факторам, влияющим на продолжительность пе­риода задержки самовоспламенения топлива, относятся: степень сжатия, конструкция камеры сгорания, тонкость распыла топлива, число оборотов топливного насоса, угол опережения подачи топлива и материал поршня.

С повышением степени сжатия увеличивается давление и температура в конце сжатия, уменьшается коэффициент остаточных газов и, как след­ствие, период ?_i уменьшается.

На рис. 75 приведена опытная зависимость между ? и ?_i для двух топ­лив: кривая 1 — для топлива с цетановым числом 40 и кривая 2 — для топ­лива с цетановым числом 60.

Наличие сильно нагретых поверхностей в камере сгорания (например, теплоизолированные вставки в вихревых камерах сгорания) способствует повышению температуры воздуха в конце сжатия, а следовательно, сниже­нию периода задержки самовоспламенения топлива.

На рис. 76 показано изменение периода задержки самовоспламенения в секундах ?_i и в градусах угла поворота коленчатого вала ?_? в вихрекамер­ном дизеле в зависимости от числа оборотов его.

С увеличением числа оборотов вала температура теплоизолированной вставки вихревой камеры сгорания повышается, а потому ?_i сокращается. Температура донышка поршня также влияет на величину периода ?_i.

По опытам в бомбе А. И. Толстова и Н. В. Шмигельского (рис. 77) с уве­личением числа оборотов вала топливного насоса период задержки само­воспламенения топлива уменьшается, что объясняется улучшением тонкости распыла топлива.

Момент начала подачи топлива, определяемый углом опережения подачи топлива ?^o_впр, также значительно влияет на период задержки самовоспла­менения топлива. Ранняя и поздняя подачи одинаково способствуют увели­чению ?_i. Оптимальное значение угла опережения подачи топлива устанав­ливается опытным путем.

На рис. 78 приведены индикаторные диаграммы двигателя с наддувом с различными углами опережения подачи топлива. Кривые 4, 5, 6 и 7 соот­ветствуют оптимальному значению ?^o_впр кривые 3, 2 к 1 соответствуют слишком позднему впрыску, а кривые 8 и 9 получены при большом ?^o_впр. В период второй фазы сгорания происходит распространение пламени по пространству сгорания и вследствие этого возникает резкое повышение давления. Продолжительность второй фазы процесса сгорания (между точ­ками 2—3, см. рис. 72) определяется концом резкого повышения давления. Характеристикой второй фазы процесса сгорания служит скорость нараста­ния давления, равная отношению увеличения давления газов ?р за рассма­триваемый участок процесса сгорания к соответствующему углу поворота колен­чатого вала ??, т. е.

Величина средней скорости нараста­ния давления за всю вторую фазу сго­рания будет равна

Истинная скорость нарастания давления равна

и максимальное ее значение

Вторая фаза процесса сгорания определяет собой максимальное дав­ление цикла и жесткость работы двигателя. Для получения спокойной (без стуков) работы двигателя необходимо, чтобы скорость нарастания дав­ления была равна

В быстроходных форсированных двигателях ?_ср допускают 8— 10 кГ/см²/° п. к. в.

Величина скорости нарастания давления главным образом зависит от продолжительности первой фазы процесса сгорания, т. е. от того, какое количество топлива было подано за период задержки самовоспламенения. Чем больше это количество, тем больше будет топлива участвовать в распространении пламени в период второй фазы сгорания. А так как вторая фаза сгорания происходит почти при неизменяющемся объеме, то увеличение количества топлива, сгорающего за этот период времени, естественно, приводит к увеличению скорости нарастания давления. Следовательно, продолжительность периода задержки самовоспламенения должна быть ми­нимальной. Распределение топлива по пространству сгорания, наличие вихревого движения в цилиндре и закон подачи топлива также влияют на характер протекания второй фазы процесса сгорания. Критерием, определяющим влияние закона подачи топлива на процесс сгорания, является фактор динамичности цикла

Третья фаза сгорания является фазой постепенного сгорания (учас­ток III между точками 3 и 4, см. рис. 72) и начинается уже при распростра­нившемся пламени по объему цилиндра. Топливо, впрыскиваемое в этот период, попадает в среду высокого давления и температуры, а потому сго­рает почти без задержки воспламенения. Изменение давления в цилиндре будет зависеть от соотношения между скоростью подачи топлива и увеличе­нием надпоршневого объема цилиндра. Обычно давление газов в цилиндре за третью фазу сгорания топлива мало изменяется, а потому этот период сгорания называют сгоранием топлива почти при постоянном давлении. Этот период сгорания в основном определяет площадь индикаторной диа­граммы, а следовательно, и мощность двигателя.

Четвертая фаза сгорания (участок IV между точками 4 и 5) происходит после окончания подачи топлива в точке 4. В этот период идет догорание топлива на линии расширения, т. е. при уменьшающемся давлении (вслед­ствие непрерывного увеличения объема надпоршневого пространства). Продолжительность догорания топлива главным образом зависит от на­грузки двигателя и его быстроходности. Чем больше нагрузка двигателя и число оборотов его, тем больше продолжительность подачи топлива в углах поворота вала, а следовательно, больше будет догорать топлива на линии расширения. На продолжительность догорания топлива, кроме того, ока­зывают влияние: качество смесеобразования, подтекание форсунки, растя­нутость подачи топлива, низкие температура и давление воздуха в конце сжатия (что в эксплуатации чаще всего бывает по причине пропуска газов через поршневые кольца или клапаны) и попадание смазочного масла в пространство сгорания цилиндра двигателя.

Для достижения наибольшего теплоиспользозания в цилиндре двига­теля необходимо, чтобы полная продолжительность процесса сгорания топ­лива была минимальной. Допустимое максимальное давление цикла в каж­дом конкретном случае и определяет минимальную продолжительность про­цесса сгорания. Сокращение периода подачи топлива вызывает рост макси­мального давления цикла, и, при всех равных прочих условиях, с увеличе­нием угла опережения подачи топлива максимальное давление цикла уве­личивается. Осуществление процесса сгорания при положении поршня в районе ВМТ, т. е. когда пространство сгорания имеет наименьший объем и поверхность, обеспечивает наименьшие тепловые потери и наибольшую экономичность рабочего цикла.

Кроме того, следует отметить, что значительное догорание топлива на линии расширения вызывает перегрев стенок цилиндра, его крышки и вы­пускных клапанов. Ухудшаются условия смазки цилиндра и возрастают тепловые потери с отработавшими газами и с охлаждающей водой, а потому возрастает удельный расход топлива. При значительном догорании топлива отработавшие газы имеют темную окраску, что свидетельствует о неполном сгорании топлива. При увеличении догорания топлива не только возрастают тепловые потери, но возрастает и тепловая напряженность цилиндра двига­теля.

Если положить в основу характеристики процесса сгорания, как пред­положил А. И. Толстов, величину скорости выделения тепла dp/d?, то про­цесс сгорания можно подразделить на четыре фазы.

Первая фаза характеризуется ничтожно малой скоростью тепловыде­ления dp/d? ?0 и представляет собой период задержки самовоспламене­ния топлива.

Вторая фаза характеризуется возрастанием скорости тепловыделения до максимума dp/d? ? mах и подготовкой условий для последующего сго­рания топлива. Заканчивается вторая фаза в момент достижения максималь­ного давления цикла.

Третья база характеризуется горением топлива при постоянной при максимально достигнутой скорости тепловыделенияэтом температура газов достигает максимальной температуры цикла (T_z)_max, а коэффициент избытка воздуха достигает минимального значения ? = ?_min = const. Начинается третья фаза с момента достижения максималь­ного давления цикла и продолжается до момента достижения максимальной температуры цикла.

Четвертая фаза (фаза догорания топлива) характеризуется непрерыв­ным уменьшением скорости тепловыделения (dq/dt ? 0), отсутствием по­дачи топлива, возрастанием количества конечных продуктов сгорания и резким падением давления в цилиндре. Четвертая фаза сгорания начинается с момента достижения наибольшей температуры цикла и продолжается до конца сгорания топлива.