Сгорание топлива в дизельном двигателе

Сгорание топлива в дизельном двигателе

Под сгоранием понимают быстро протекающую химическую реакцию окисления топлива, сопровождающуюся выделением тепла и появлением пламени. При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию продуктов сгорания, которая используется в двигателях. Воспламенение рабочей смеси в цилиндре дизеля в отличие от карбюраторного двигателя происходит без участия внешнего источника пламени (искры).

В цилиндре дизеля при такте всасывания поступает воздух, который при следующем перемещении поршня (такт сжатия) сжимается до давления 25-60 кГ/см2. Температура воздуха в цилиндре при таком давлении поднимается до 650-750°С. В нагретый и сжатый воздух в конце такта сжатия насосами высокого давления с силой впрыскивается через форсунку топливо и в распыленном состоянии перемешивается с воздухом, образуярабочую смесь, которая без постороннего источника воспламеняется и сгорает. Достижение таких высоких параметров воздуха в дизелях тепловозов обеспечивается за счет высокой степени сжатия.

В табл. 6 приведены данные о степени сжатия и максимальном давлении сгорания топлива по дизелям основных серий тепловозов.

ление сгорания в

ное давление на

поршень в кГ1см*.

Мощность в э. л. с.

Для нормального сгорания топлива необходимо, чтобы оно успевало полностью испариться в цилиндре. Соотношение топлива и воздуха в объеме цилиндра должно быть равномерным. Эти условия достигаются как за счет конструкционных особенностей топливной аппаратуры и камеры сгорания двигателя, так и за счет свойств дизельного топлива (вязкости, фракционного состава, плотности и др.).

Для полного испарения н сгорания топлива в цилиндрах необходимо тонкое его распыливание. Если в цилиндре дизеля какая-то часть топлива к моменту воспламенения будет находиться в каплевидном состоянии, то процесс сгорания будет частично задерживаться н топливо будет догорать в конце такта расширения или даже при выпуске. За счет этого будет перегреваться дизель и падать его мощность. Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы было подано в дизель достаточное количество воздуха, а процесс перемешивания топлива с воздухом происходил бы равномерно. Если в дизель будет подано недостаточное количество воздуха, то это приведет к неполному сгоранию рабочей смеси, т. е. в продук тах сгорания останутся горючие вещества — окись углерода или чистый углерод в виде сажи. Поэтому для полного сгорания топлива в цилиндры двигателя подается воздух с некоторым избытком.

Теоретически установлено, что для сгорапия 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха. Практически же для полного сгорания в цилиндры дизеля подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Это вызывается тем, что на испарение топлива от момента его впрыскивания до начала горения в современном высокооборотном дизеле отводится мало времени (0,003 — 0,004 сек). За такое короткое время топливо не успевает полностью и равномерно перемешиваться с воздухом, если его не будет подано с избытком, а следовательно, и сгорание топлива будет неполным-дизель будет дымить. Отношение фактического расхода воздуха, вводимого в цилиндры дизеля на 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой а (альфа). Так, например, при номинальной мощности дизеля 2Д100 на 1 кг сжигаемого дизельного топлива расходуется около 26 кг воздуха. В этом случае коэффициент избытка воздуха составляет:

Следовательно, если два дизеля 2Д100 тепловоза ТЭЗ в 1 ч сжигают при максимальной форсировке 700 кг дизельного топлива, то для полного сгорания такого количества топлива при коэффициенте избытка воздуха 1,8 необходимо в цилиндры дизеля подать (26X700) = = 18 200 кг, или 14 500 м3 воздуха (1 кг воздуха при нормальных условиях занимает объем примерно 0,8 м3). Если коэффициент избытка воздуха будет чрезмерно большим, то это также нежелательно, так как часть полезной энергии топлива затрачивается на нагревание избыточного воздуха, отчего понижается температура горения, а следовательно, снижается мощность дизеля. Для экономичной и надежной работы дизеля тепловоза выбор коэффициента избытка воздуха имеет очень важное значение.

Процесс сгорания топлива в дизелях с воспламенением от сжатия обычно принято разделять на три фазы.

Первая фаза — период задержки воспламенения, или период предварительного окисления, который зависит от химического и фракционного состава топлива, от температуры и давления рабочей смеси в камере сгорания. Наименьшим периодом задержки воспламенения обладают парафиновые углеводороды, затем идут нафтеновые и наибольшим периодом — ароматические.

Повышение температуры воздуха к моменту впрыска топлива увеличивает нагрев его, в результате чего возрастает скорость испарения, улучшается самовоспламеняемость топлива, сокращается первый период. При повышении давления температура самовоспламенения снижается. Кроме того, при тонком распиливании повышается поверхностное испарение, происходит наиболее равномерное распределение топлива по объему цилиндра, что также вызывает сокращение первого периода.

Вторая фаза — период быстрого сгорания топлива и резкого нарастания давления, зависящий от количества топлива, впрыснутого в цилиндр, а также от скорости распространения пламени. Если при этом периоде интенсивность приращения давления не превышает 4-6 кГ/см2 за время поворота коленчатого вала на 1°, то принято считать, что двигатель будет работать нормально. Большие величины приращения давления в цилиндрах вызывают жесткую работу дизеля (стуки), при этом повышается давление на подшипники.

Третья фаза — период замедленного регулируемого горения, зависящий от скорости подаваемого во времени топлива и от протекания первых двух фаз.

Общей основной характеристикой для всех видов топлива является теплота его сгорания. Теплотой сгорания топлива называется количество тепла в кал (калориях), которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

Высшей теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании весовой (1 кг) или объемной (1 л) единицы топлива и при конденсации воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, входящего в состав углеводородов топлива.

Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 л топлива без учета тепла, выделяющегосяпри конденсации воды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания для дизельного топлива составляет от 5 до 10%.

Для оценки теплотехнических свойств топлива и технических расчетов пользуются низшей теплотой сгорания. Теплота сгорания топлива, выраженная в килокалориях на 1 кг топлива (ккал/кг), называется весовой теплотой сгорания, а выраженная в килокалориях на 1 л топлива (ккал1л)-объемной теплотой сгорания. Объемная теплота сгорания численно равна весовой теплоте сгорания, умноженной на удельный вес топлива.

Для сравнения укажем, что при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется в среднем около 10 200 ккал тепла, при сгорании 1 кг высококачественного угля (антрацита) выделяется 8 000 ккал, а при сгорании 1 кг сухих березовых дров — 4 700 ккал.

Оценку качества сгорания дизельного топлива производят цетановым числом.

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.

Читайте также:  Как сделать бензобак своими руками

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.

Читайте также:  Ремонт блока цилиндров раковины сверху

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.

Как ни странно это прозвучит, но дизель работает не на обеднённой, а на обогащённой смеси …
Я, как и все, хотел написать "СМЕСИ", но это неправильный и даже вредный термин. Термин, который СРАЗУ очень сильно запутывает всё вИдение процессов, происходящих в дизельном двигателе. Потому я и начну свой опус именно с этого вопроса.

Для сжигания 1 кг бензина или 1 кг керосина или 1 кг пропана или 1 кг бутана или 1кг многих прочих углеводородов требуется около 15 кг воздуха. Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется те же самые 15 кг воздуха. Теплотворная способность всех этих топлив тоже практически не отличается.
Почему же дизельному двигателю требуется в разы большее количество воздуха, чем бензинке?

Потому что дизель работает не на СМЕСИ и это нужно чётко понимать.
Хотя СМЕСЬ в камере сгорания дизельного двигателя, конечно же, присутствует. Но!

Топливо подаётся в камеру сгорания В ЖИДКОМ ВИДЕ через распылитель в виде тумана.
Пыли. Аэрозоли. Взвеси. Суспензии. Мельчайших капелек. Назовите как хотите, но это не СМЕСЬ!

СМЕСЬ — это всё таки нечто более-менее однородное. Нечто, УЖЕ смешанное. Сладкий чай — это смесь. Гомогенная смесь. Если сахар бросили на дно стакана и чай не размешивали — на дне стакана какое-то время будет колыхаться густой сироп — получится та самая "гетерогенная"(неоднородная) смесь. Но чай, в который падает кусок сахара — нихрена не смесь вообще!

В дизеле реальная СМЕСЬ начинает образовываться ВОКРУГ КАЖДОЙ мельчайшей частицы топлива сразу же после распыления топлива форсункой. У поверхности капельки СМЕСЬ будет очень богатой. Чем дальше от поверхности капельки — тем смесь будет беднее. Где-то посередине между этими двумя крайностями концентрация СМЕСИ будет около- и стехиометрической. В области этой довольно тоненькой СФЕРЫ и находятся наиболее благоприятные условия и для САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ и для СГОРАНИЯ. И именно здесь и ТОЛЬКО ЗДЕСЬ и будет происходить ВСЁ сгорание СМЕСИ топлива и… и чего? воздуха?
На первом этапе — да, воздуха. Но сразу после первого этапа СМЕСЬ начинает представлять из себя ТАКОЕ, что ни в сказке сказать, ни вслух произнести…:

Давайте посмотрим ПОДРОБНЕЕ как НА САМОМ ДЕЛЕ происходит сгорание солярки в дизельном двигателе:

Гореть не умеют ни жидкие, ни, тем более, твёрдые вещества. Мало того — гореть не умеют даже отдельные молекулы топлива, которые находятся в таки обнаруженной нами СМЕСИ. В фактическом процессе сгорания участвуют только кирпичики(радикалы) знакомых нам элементов. Потому сразу после образования вокруг капельки топлива сферы стехиометрического состава СМЕСИ процесса горения не возникает. Сразу после испарения молекула углеводородного топлива начинает стремительно нагреваться и оттого разваливаться на части. Грубо говоря — на атомы водорода и углерода. Водород чрезвычайно активный элемент и он начинает взаимодействовать с кислородом воздуха первым. Даже это взаимодействие — чрезвычайно сложный и не быстрый процесс. Можете посмотреть на него поподробнее, если интересно:

Главное в другом. Каждое такое взаимодействие — это кроме молекулы воды ещё и хорошая порция энергии. По мере нагрева таких взаимодействий становится всё больше — выделяющаяся энергия перестаёт успевать рассеиваться в пространстве и начнёт ускорять рядом идущие взаимодействия и температура СМЕСИ вокруг капельки топлива начнёт нарастать ЛАВИНООБРАЗНО. В этот момент и начнётся знакомое нам горение с выделением лучистой энергии и прочими другими сопутствующими эффектами… Кислорода много. Топлива много. Всё замечательно перемешано. Температура высокая и растёт. Давление высокое и растёт. Начинает гореть даже углерод. Вся зона околостехиометрического соотношения вокруг капельки топлива разом воспламеняется. Нечто типа взрыва сверхновой звезды:

В "научно"-популярной литературе пишется, что температура скачком повышается до 2000 градусов. Какие нафиг 2000 градусов?! В серьёзных трудах утверждается, что азот более-менее интенсивно начинает окисляться при температурах выше 2500 градусов. В дизеле окислов азота образуется страшное количество, как и сажи(судя по всему азот окисляется СНАРУЖИ сферы пламени где много кислорода, а сажа образуется ИЗНУТРИ этой сферы, где много углерода, но кислорода почти нет), но подавляющая часть окислов азота при понижении температуры опять восстанавливается до азота. Потому, скорее всего, температура в зонах богатой смеси, где и происходит реальное сгорание, взлетает намного выше 3000 градусов. Потому и сажевые частицы излучают так много лучистой энергии. Давление взлетает до небес…

Читайте также:  Для чего нужен навигатор

Цитата из умной книжки:

Т.е. всё сгорание происходит ЛОКАЛЬНО. В ОЧЕНЬ ограниченных, фактически ИЗОЛИРОВАННЫХ зонах.
Согласно исследованиям — температуру больше 2600К имеет всего около 0,2% массы рабочего тела в камере сгорания, больше 2400К – около 2%, больше 2200К – 22%, больше 2000К – 27%, больше 1700К — 28%, остальная часть рабочего тела (около 20%) — никогда не разогреется даже до 1700К…
Из-за такой изолированности тепло относительно слабо передаётся стенкам камеры сгорания.

Вернёмся на мгновение из микромира в макромир. Пока первая капелька впрыснутого топлива готовилась к взрыву(самовоспламенению) форсунка продолжала впрыскивать в камеру сгорания тысячи других капелек, каждая из которых тоже тут же начинала готовится к взрыву — нагреваться, испаряться и образовывать СМЕСЬ. Но как только самовоспламеняется СМЕСЬ вокруг первой капельки — энергии её взрыва хватает на детонацию и воспламенение СМЕСИ вокруг других капелек. Фактически одномоментно воспламеняется ВСЯ образовавшаяся в камере сгорания СМЕСЬ. Хотя правильнее будет сказать так — "ВСЕ образовавшиеся в камере сгорания СМЕСИ" — ведь все эти СМЕСИ изолированы и находятся на расстоянии друг от друга… почти как звёзды в космосе…
Так или иначе — возникает та самая дизельная детонация(взрывное горение) из-за которого дизель и стукатит. Хорошо, что пригодной к сгоранию СМЕСИ к моменту самовоспламенения образуется не так уж и много…
Дальнейшее СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ будет происходить в условиях страшного дефицита кислорода. И сгорание соответственно происходит совсем не так, как это описывается в литературе.

Возвращаемся в микромир. За то время пока мы отлучались зона околостехиометрического соотношения топлива и воздуха вокруг капельки уже вся выгорела. Ни топлива, ни кислорода в ней не осталось. Только продукты сгорания, разогретые до очень высоких температур — вода, углекислота, да щепотка окислов азота… С внешней поверхности этой РАСКАЛЁННОЙ, но ВЫЗЖЕННОЙ зоны начинают ДИФФУНДИРОВАТЬ молекулы воздуха с большим количеством свободного кислорода. Изнутри начинает подниматься та каша, что образовалась из углеводородов топлива в процессе сильного нагрева и сжатия — радикалы водорода и радикалы различных СОЕДИНЕНИЙ углерода. Скорость дальнейшего СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ и сгорания будет определяться скоростью поступления атомов кислорода извне и атомов топлива изнутри.

Весь свободный водород, образующийся в результате температурного разложения продолжающих испаряться углеводородов, даже в условиях сильного дефицита кислорода потихоньку-полегоньку, но начинает НЕОБРАТИМО сгорать по мере взаимодействия с кислородом. Водород очень уж активное вещество. Сгорание его идёт в очень широких стехиометрических и температурных пределах. Скорость его диффузии чрезвычайно высока и сопоставима со скоростью теплопереноса. Для сгорания двум атомам водорода(мы с Томарой ходим парой) достаточно одного атома кислорода. Потому на время все реакции окисления углерода фактически останавливаются… С углеродом начинается очень нехорошая и очень длинная история с образованием и преобразованием всяких формальдегидов, гидроксилов и всяческой другой заразы… Крекинг, гомолиз, пиролиз и много других страшных слов… По мере того как атомы водорода потихоньку сваливают из молекулы углеводорода в условиях дефицита кислорода она, эта самая молекула топлива потихоньку вырождается в молекулу… графита. Да-да. Выделяющиеся в результате пиролиза атомы углерода имеют четыре свободные связи, отдельно не существуют и в зонах недостатка кислорода соединяются между собой, образуя твёрдые кристаллы графита – мельчайшие частицы сажи размером 0,3-0,4 мкм. Сравнительно недавно было обнаружено, что в хорошо нам известной копоти присутствует и большое количество шарообразных молекул, состоящих из 60 и более(до 400) атомов углерода и, иногда, и из 24 и более атомов воды — их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии. Таких частиц образуется в дизеле неимоверное количество. Но страшный чёрный дым, который извергает дизель при перегрузке, содержит всего около 1% сажевых частиц, образовавшихся в процессе сгорания дизельного топлива — подавляющая часть образовавшихся частиц сажи сгорает в процессе догорания топлива, когда весь свободный водород уже иссякает и перестаёт перехватывать кислород под носом у углерода, каждому атому которого для полного счастия сгорания необходимо СРАЗУ аж ДВА атома кислорода… По иронии судьбы к этому времени почти весь углерод находится в состоянии раскалённой "алмазной" пыли. Начинаются танцы, подобные сгоранию водорода, но намного более сложные и многоходовые, а потому намного более длительные…
А атомов свободного кислорода меж тем остаётся всё меньше и меньше…

Пока тянется этот химический полонез начинает опускаться поршень двигателя и давление(а следовательно и температура) начинают падать. Расстояние между атомами увеличивается, энергия рассеивается в пространстве, скорость атомов падает — реакции начинают стремительно замедляться. За счёт того, что частички сажи чрезвычайно раскалены — они умудряются ещё долго реагировать с кислородом, если тот таки встретится им на пути, но по мере опускания поршня вниз толку от этого догорания становится всё меньше, а вреда всё больше. Температура в камере сгорания — не самоцель, она нужна только для двух задач — вначале максимально ПОЛНО спалить ВСЁ топливо(вытащить ВСЮ энергию) и максимально разогреть РАБОЧЕЕ ТЕЛО(всё содержимое камеры сгорания) чтобы получить максимальное ДАВЛЕНИЕ(тот самый крутящий момент) газов.
Высокая степень РАСШИРЕНИЯ(не сжатия!) дизельного двигателя позволяет полнее преобразовать энергию расширяющихся от нагрева газов в механическую РАБОТУ. Именно поэтому температура выхлопных газов дизеля заметно ниже температуры выхлопа бензинки, притом что максимальная температура сгорания топлива выше у дизеля…
Чёта меня понесло в сторону.

Углерод выгодно сжигать полностью не только с точки зрения экологических норм — при сгорании 1 атома углерода образуется в 3 раза больше энергии, чем при сгорании 1 атома водорода! Недожиг углерода(сажи) очень заметно влияет на энергетический баланс в камере сгорания, а соответственно и на мощность и на расход двигателя любой конструкции и косвенно указывает на проблемы с организацией процессов сгорания. К тому же сажа — это очень компактные кристаллы, а углекислота — это газ, который уже и сам по себе создаёт дополнительное давление на поршень…
Вот для того, чтобы сжечь МАКСИМАЛЬНОЕ количество УГЛЕРОДА и применяют в дизеле избыток воздуха. Как по мне — так эта фраза тоже насквозь лживая и не отражающая сути. А суть в данном случае такова — и в дизеле и в бензинке равного литража на режиме НОМИНАЛЬНОЙ (максимальной) мощности количество воздуха в камере сгорания практически ОДИНАКОВО! НО.
В дизеле невозможно эффективно сжечь столько топлива, столько можно сжечь в бензинке равного литража — НЕ УСПЕВАЕТ дизельное топливо связать ВЕСЬ КИСЛОРОД воздуха за время сгорания — потому в дизеле до четверти(!) кислорода воздуха вылетает в трубу даже на максимальной мощности(когда дизель уже вовсю дымит). Потому дизельным выхлопом можно спокойно дышать длительное время(не верьте сказкам про дизельные душегубки фашистов), в отличие от выхлопа бензинок, где свободного кислорода практически нет. Потому МАКСИМАЛЬНАЯ ЛИТРОВАЯ мощность атмосферного дизеля меньше МАКСИМАЛЬНОЙ ЛИТРОВОЙ мощности атмосферной же бензинки на ОДИНАКОВЫХ оборотах на те самые 25%. Плюс-минус.
Прямовпрысковый дизель имеет эффективные обороты до 3000-3500 оборотов, вихрекамерник — до 4000 с небольшим, а самая захудалая бензинка легко крутится до 6000. Только за счёт этой разницы в максимальных оборотах бензинка уже на треть мощнее дизеля. Потому МАКСИМАЛЬНАЯ паспортная МОЩНОСТЬ бензинки В РАЗЫ превышает МАКСИМАЛЬНУЮ паспортную МОЩНОСТЬ дизеля.
Мало того. Поскольку с конца 80-ых годов дизелестроители сферы легкового транспорта активно боролись с окислами азота, то почти ВСЕ дизеля 80-ых, 90-ых и начала 2000-ых имеют затянутый впрыск топлива, поздний УОПТ, гипертрофированный ЕГР и несоразмерно высокий расход топлива на мощностных режимах. Сколько-нибудь продолжительно работать с максимальной паспортной мощностью эти дизеля не в состоянии уже прямо с завода из-за перегрева камеры сгорания и поршневой. Пробежные эти дизеля мрут как мухи уже при длительных 23 максимальной ПАСПОРТНОЙ мощности…
.
.
.
.
P.S.
Ну и напоследок ещё немного про макромир камеры сгорания дизельного двигателя.
Для полноты картины.
На вихрекамерных дизелях форсунка формирует один факел. У прямовпрысковых дизелей форсунка формирует 4-8 факелов:

Не обращайте внимания на размеры факелов на вышеприведённых фотографиях — они сняты в обычных комнатных условиях. При высоком давлении в камере сгорания реального двигателя дальнобойность факела не превышает сантиметра — топливо практически никогда не попадает на стенки камеры сгорания ни вихрекамерника, ни прямовпрыскового дизеля — именно поэтому это дизеля с ОБЪЁМНЫМ смесеобразованием:

Ссылка на основную публикацию
Сайлентблок рессоры волга 31105
Пять лет прошло. Сайлентблоки передних рычагов и рессор, резиновые втулки стабилизаторов, серьг и стоек необходимо менять. Также выяснилось, что передние...
Ремонт ручного стартера бензогенератора своими руками
В связи с отключением света, о котором я писал ранее, у меня сгорел китайский бензонегератор. Везти по гарантии за 80...
Ремонт салазок передних сидений шевроле нива
Ваш запрос на тему салазки сидений шевроле нива обработан. Лучшее видео ремонта и инструкции того как ремонтировать найдете только у...
Салатовая лада веста фото
Лада Веста цвет лайм фото и особенности Прежде чем выпустить новый автомобиль, дизайнеры разрабатывают внешний вид машины. Они подходят к...
Adblock detector