Двигатели с воспламенением от сжатия

Процесс сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия отличается от процесса в двигателе с искровым воспламенением. В этом случае топливо вводится в жидком состоянии в сильно сжатую в цилиндре двигателя порцию воздуха, имеющую высокую температуру. Каждая мельчайшая капелька топлива, как только она входит в сильно нагретый воздух, быстро окружается покрывалом из ее собственного пара. Этот пар вокруг поверхности капельки через определенное время воспламеняется. Поперечное сечение любой капельки в тот момент показало бы центральное ядро жидкости, окруженное тонкой пленкой пара, с внешним слоем пламени на ней. Эта последовательность испарения и горения сохраняется, пока продолжается процесс сгорания топлива.

Процесс сгорания (окисление) углеводородного топлива является сам по себе длительным процессом, но он может быть ускорен искусственно. Окисление топлива будет происходить в воздухе и при нормальных атмосферных температурах, но оно заметно ускорится, если поднять температуру. Окисление потребует годы при 20 «С, несколько дней при 200 «С и только несколько минут при 250 «С. В этих случаях скорость роста температуры из-за окисления меньше скорости, с которой тепло теряется из-за конвекции и теплового излучения. В конечном счете, по мере увеличения температуры достигается критическая стадия процесса, когда количество тепла, создаваемого окислением, становится больше, чем рассеивается.

Далее температура продолжает повышаться автоматически. Это, в свою очередь, ускоряет процесс окисления с высвобождением тепла. Теперь события происходят очень быстро, появляется устойчивое пламя, и топливо быстро воспламеняется. Температуру, при которой наступает критическое изменение, обычно называют температурой самовоспламенения топлива. Она зависит от многих факторов, таких как давление, время и характеристики передачи тепла от начальной точки окисления дальше в камеру сгорания.

Теперь рассмотрим впрыск топлива в виде капли в горячую камеру сгорания. При температуре намного выше точки воспламенения самая крайняя часть внешней поверхности капли немедленно начинает испаряться, окружая ядро тонкой пленкой пара. Это приводит к передаче тепла от воздуха, окружающего капельку, которое расходуется на скрытую теплоту испарения. Этот процесс сопровождается отбором тепла от всей массы горячего воздуха.

Воспламенение паровой оболочки может произойти даже тогда, когда ядро капельки все еще жидкое и относительно холодное. Как только пламя установится, процесс сгорания пойдет при более высокой скорости. Возникает период задержки с момента, как начинается впрыск, и до момента, когда наступит воспламенение. Этот период задержки зависит от:

• превышения температурой воздуха температуры самовоспламенения топлива;
• давления воздуха (что связано с количеством кислорода и улучшением теплопередачи между горячим воздухом и холодным топливом).

После периода задержки скорость дальнейшего горения зависит от той скорости, с которой новые порции кислорода поступают к каждой пылающей капельке. Относительная скорость капельки к ближайшему воздуху имеет, таким образом, существенное значение. В двигателе с воспламенением от сжатия топливо вводятся на интервале не более чем за 40—50″ угла поворота коленвала до ВМТ. Это означает, что топливо, введенное первым, поглощает часть кислорода и, возможно, создает дефицит кислорода для последних порций топлива.

Требуется определенная степень турбулентности воздуха, чтобы сгоревшие газы были удалены из зоны инжектора, и в контакт с топливом вошел свежий воздух. Ясно, что турбулентность должна быть создана надлежащим образом, а не быть хаотичной, как в двигателе с воспламенением от искры, где она необходима только для того, чтобы разбить фронт пламени.

Рис. Фазы сгорания топлива в дизельном двигателе

В двигателе с воспламенением от сжатия сгорание может быть представлено в трех различных фазах, показанных на рисунке:

• период задержки;
• быстрое повышение давления;
• догорание топлива, то есть топливо продолжает горсть, удаляясь от инжектора.

Чем дольше задержка, тем более значительным и более быстрым будет повышение давления, так как в цилиндре будет присутствовать больше топлива до того момента, как скорость горения попадет в прямую зависимость от скорости впрыска. Цель регулирования процесса горения состоит в том, чтобы максимально уменьшить задержку для более спокойного горения, устранения детонации, а также чтобы поддерживать контроль над изменением давления. Есть, однако, нижний предел задержки, поскольку без задержки все капельки сгорали бы, как только они вылетели из сопла. Это сделало бы почти невозможным обеспечение достаточного притока воздуха в пределах концентрированной струи капель. Поэтому период задержки необходим для надлежащего распределения топлива.

Период задержки зависит, следовательно, от:

• давления и температуры воздуха;
• октанового числа топлива;
• непостоянства состава и скрытой теплоты (энтальпии) топлива;
• размера капель;
• управляемой турбулентности.

Размер капельки важен, поскольку скорость горения капель зависит, прежде всего, от скорости, с которой кислород становится доступным для контакта с горящей каплей. Это важно для капельки, преодолевающей некоторое расстояние от сопла, вокруг которого позже сконцентрируется очаг горения. Отсюда размер капелек должен быть достаточно большим, чтобы получить необходимый импульс в процессе инжекции. С другой стороны, чем меньше капелька, тем больше относительная площадь поверхности реакции и короче период задержки. Ясно, что необходим компромисс между этими двумя факторами.

При высоких степенях сжатия (15:1 и выше) температура и давление поднимаются настолько, что задержка уменьшается, что является преимуществом. Однако более высокие степени сжатия создают проблемы для механики, а также для проектирования камер сгорания, особенно в маленьких двигателях, где пролет капель занимает большую часть допустимого пространства камеры сгорания.