logo1

logoT

 

Давление в камере сгорания двс


Принцип работы двигателей внутреннего сгорания



В современной технике широко используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) трех основных типов. Горючая топливовоздушная смесь (ТВС) может подаваться в камеру сгорания периодически (циклически) в ДВС карбюраторных и дизельных или непрерывно в ДВС турбокомпрессорных воздушно-реактивных. В карбюраторных и дизельных ДВС в цилиндровопоршневой группе четырехтактного (или реже двухтактного) принципа реализуется рабочий цикл в четыре (или два) хода поршня (такта).

В карбюраторном ДВС (N.Otto, 1880 г.) карбюратор дозирует и мелко распыляет через жиклер порцию топлива в поток воздуха во всасывающем патрубке двигателя для образования ТВС. В первом такте (всасывание) ТВС засасывается поршнем в цилиндр через открытый впускной клапан (выпускной клапан цилиндра закрыт, поршень движется вниз). Во втором такте (впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень движется вверх) ТВС сжимается поршнем только лишь до 0,7-1,0 МПа (превышение этого давления вызывает взрывное самовоспламенение топлива), температура в цилиндре повышается до 200-400 °С, заканчивается испарение мельчайших капель топлива и перемешивание ТВС. В конце сжатия с некоторым опережением нагретая ТВС воспламеняется от электрической искры между электродами свечи. ТВС начинает гореть, при этом давление в цилиндре (впускной и выпускной клапаны закрыты) быстро растет до 3-6 МПа за счет образования большого количества газов (продуктов) сгорания - поршень вынужденно движется вниз, совершает рабочий ход (третий такт) и вращает через шатунно-поршневой механизм коленчатый вал двигателя, который совершает полезную работу. После этого поршень движется вверх и через открытый выпускной клапан (впускной клапан закрыт) выталкивает горячие отработанные продукты сгорания из цилиндра - это четвертый такт (выхлоп) рабочего цикла двигателя. С помощью коленчатого вала и шатунно-поршневой группы в каждом из цилиндров (их может быть 4, 6, 8 и больше) двигателя последовательно друг за другом осуществляются все четыре такта рабочего цикла.

Время сгорания ТВС в цилиндре карбюраторного двигателя очень мало -тысячные доли секунды, поэтому к топливу предъявляется основное требование - сгорать постепенно (но не в форме взрыва) по мере продвижения фронта пламени по камере сгорания в верхней части цилиндра. Фронтом пламени называют тонкий слой газа (пара), в котором протекает реакция горения топлива. При нормальном горении фронт пламени распространяется со скоростью 20-30 м/с. Давление газов во время сгорания плавно поднимается до 3-6 МПа, а их температура повышается до 1600-1800 °С (в ракетном двигателе температура сгорания топлива может быть 3400 °С).

ДВС любой конструкции имеет надежную систему охлаждения (воздушного или жидкостного) для исключения перегрева деталей и узлов, которые соприкасаются с горячими продуктами сгорания. Топливом карбюраторных ДВС являются бензины. Расширяется использование в этих ДВС сжиженных углеводородных газов и сжатого природного газа. В настоящее время ожидается массовый переход ведущих автомобилестроительных фирм мира на бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива или с карбюратором и системой впрыска (совместно), при этом переход на систему впрыска бензина с повышением его октанового числа позволит сократить расход топлива в целом минимум на 10 %.

В дизельных ДВС (R. Diesel, 1897 г.), в отличие от карбюраторных, вначале цилиндр заполняется только окислителем - воздухом (первый такт - всасывание воздуха). Затем во втором такте воздух сжимается до 6-8 МПа (здесь нет ограничений по сжатию и нагреву воздуха без топлива) и в результате этого нагревается до 550-650 °С. В третьем такте в сжатый и сильно нагретый воздух дозировочным насосом высокого давления впрыскивается через форсунку мелко распыленная порция топлива. Мельчайшие капли топлива испаряются и равномерно распределяются в воздухе с образованием ТВС. Через определенный весьма незначительный момент времени ТВС самовоспламеняется и полностью сгорает. Время между началом впрыска топлива и самовоспламенением ТВС называется периодом задержки самовоспламенения. В быстроходных (высокооборотных) дизельных двигателях этот период длится не более 0,002 с. В результате сгорания ТВС давление образовавшихся продуктов сгорания достигает 6-10 МПа, они двигают поршень - происходит третий такт (рабочий ход поршня). Потом поршень выталкивает отработанные продукты сгорания из цилиндра - четвертый такт рабочего цикла двигателя. Опять же к топливу предъявляется основное требование - способность быстро самовоспламеняться и плавно (без взрыва) сгорать, обеспечивая этим постепенное нарастание давления и «мягкую» без стука работу двигателя.

Если степень сжатия (отношение объема цилиндра над поршнем в крайнем нижнем его положении к объему цилиндра над поршнем в крайнем верхнем его положении) карбюраторных ДВС обычно 8-12, то для дизельных ДВС она достигает 40-60, причем чем выше степень сжатия, тем экономичнее ДВС. Поэтому дизельные ДВС расходуют обычно на 20-30 % меньше топлива, чем карбюраторные ДВС. Однако новые бензиновые двигатели легковых автомобилей со степенью сжатия 10,5-11,6, использующие лучшие автобензины с исследовательским октановым числом 98-100 (супер и суперплюс) расходуют на единицу мощности на 15-20 % меньше топлива, чем дизельные двигатели равной мощности. При этом размеры бензиновых ДВС в 1,5 раза меньше, а расход металла на их изготовление в 2-3 раза ниже, чем дизельных. Топливом дизельных ДВС является дизельное топливо. Для стационарных дизельных ДВС, например судовых, применяют и более тяжелые нефтяные топлива (флотские мазуты). Для дизельных газомоторных компрессоров используют природный и нефтяной газы. Эксплуатируются стационарные дизельные ДВС мощностью до 30 МВт.

Третий тип ДВС с непрерывной подачей топлива в камеру сгорания используется в авиации (турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель - ТКВРД) или на стационарных газотурбинных установках (ГТУ) для привода мощных газовых центробежных компрессоров (турбокомпрессоров), на газотурбинных электростанциях и на транспорте (газотурбовозы). У этих ДВС рабочий цикл работает не во времени, а по длине двигателя, т. е. отдельные стадии цикла передаются в двигателе по его длине, за счет чего обеспечивается непрерывность подачи топлива и достигается значительно большая мощность в единице объема двигателя. Осевой компрессор, вал которого вращается со скоростью 15 000-30 000 об/мин, засасывает окружающий воздух и сжимает его до 0,8-1,2 МПа, в результате чего сжатый воздух разогревается. Сжатый и нагретый воздух поступает в 6-8 камер сгорания из жаропрочной стали, расположенных вокруг вала двигателя. По оси камеры сгорания имеются форсунки, через которые насосами высокого давления подается топливо в виде мелких капель в поток сжатого и горячего воздуха. Капли топлива испаряются, смешиваются с воздухом с образованием ТВС, которая сгорает и образует продукты сгорания. Продукты сгорания, охлажденные от температуры горения 1600-1800 °С до температуры 730-830 °С, из камеры сгорания направляются на лопатки газовой турбины и вращают ее. Турбина имеет один вал с компрессором, поэтому мощность турбины должна быть достаточной для компримирования воздуха до необходимого давления. На выходе из турбины продукты сгорания имеют еще достаточное давление, поэтому они, расширяясь при падении их давления в сопле двигателя, создают реактивную тягу для движения самолета.

На стационарных ГТУ или вертолетных ТКВРД, где реактивная тяга не нужна, всю энергию движущихся продуктов сгорания «срабатывают» на газовой турбине (в этом случае она многоступенчатая), которая не только вращает вал своего воздушного компрессора, но приводит во вращение вал внешнего источника (электрогенератора, газового компрессора, винта вертолета и т.п.). Топливом стационарных ГТУ являются различные газотурбинные топлива. Для привода мощных газовых турбокомпрессоров как на магистральных газопроводах, так и на ряде технологических установок (например, сжижения природного газа) в качестве топлива ГТУ используют природный газ. Эксплуатируются газовые турбины турбокомпрессоров для магистральных газопроводов и ГПЗ мощностью до 25 МВт. Газотурбинные двигатели нового поколения для электростанций могут иметь к.п.д 50 % и мощность до 110 МВт.

Самыми уникальными являются современные двигатели пилотируемой космической техники. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) работает в разреженных слоях атмосферы, где кислорода очень мало, и в космическом пространстве, где его практически нет. Поэтому ракета и космический корабль должны иметь на борту не только топливо, но и окислитель. Для мощных ракетных двигателей окислителем служат сжиженный кислород, тетраоксид азота (четырехокись азота), пероксид водорода и др. В качестве топлива используются сжиженный водород, жидкие ракетные топлива (например, на основе керосиновых фракций и др.), диметилгидразин (гидразин, «геп-тил») и т. д. Основные части ЖРД: баки - емкости для топлива и окислителя, парогенератор, турбонасосный агрегат, форсунки, камера сгорания, сопло, система управления и др.

Масса окислителя и топлива составляет до 90 % массы ракеты-носителя. Многоступенчатая управляемая баллистическая ракета диаметром до 4-5 м и общей высотой более 50 м для выведения в космос полезного груза до 140 т имеет стартовую массу около 3000 т (1985 г.). Ракетные двигатели работают на активном участке траектории около 15 мин. Температура продуктов сгорания, например керосина в смеси с кислородом, - до 3400 °С. Давление в камере сгорания ракетных двигателей первого поколения для космического корабля «Восток» было около 3,5 МПа, а для космических кораблей типа «Союз» - более 30 МПа. В 1970 г. американец Г. Габелиш установил рекорд скорости на суше - 1001 км/ч. Четырехколесная гоночная машина «Голубое пламя» длиной 12 м имела ракетный двигатель на топливе - сжиженном природном газе с окислителем (пероксидом водорода). В 1997 г. британец Э. Грин увеличил этот рекорд до 1228 км/ч на сверхзвуковом автомобиле «Thrust Super Sonic Саг» с двумя турбореактивными двигателями Rolls-Royce мощностью по 53 000 л.с.

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.

Главным же отличием является способ приготовления, подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси. В большинстве моторов на бензине рабочая смесь образуется во впускном коллекторе и «засасывается» в цилиндры.

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.

Камеры сгорания дизельных двигателей и особенности работы такого ДВС

Начнем с того, что камеры сгорания дизельных двигателей несколько отличаются от бензиновых. Существует два основных типа камер:

  • неразделенная камера сгорания дизельного мотора;
  • разделенная камера сгорания дизельного ДВС;

Неразделенный тип является однообъемной камерой, как правило, простой формы, которая согласована с расположением форсунок. Такие камеры обычно выполняются в днище поршней, также могут быть изготовлены частично в днище и частично в ГБЦ, редко только в головке блока.

Разделенный тип камеры сгорания предполагает два отдельных друг от друга объема, которые соединены посредством особых каналов. Таких каналов может быть от одного и больше.

Если говорить о плюсах и минусах, первый тип позволяет обеспечить двигателю лучший КПД, однако температуры в такой камере сгорания выше. Также растут и ударные нагрузки. Что касается разделенных камер сгорания, КПД меньше, однако удается реализовать более полноценное сгорание топлива, такой дизель меньше коксуется, дымит и т.д.

Как сгорает топливо в дизельном двигателе

Теперь давайте рассмотрим сам процесс горения. Как известно, для горения топлива необходимо определенное количество кислорода, а также источник, который позволит смеси воспламениться.

В дизеле вместо внешней искры таким источником является высокая температура, то есть нагрев.

Указанный нагрев достигается благодаря тому, что воздух в цилиндре сильно сжимается, а дизтопливо подается в самый последний момент. Это обусловлено тем, что температура, необходимая для воспламенения, растет с ростом давления, при этом температура самовоспламенения топлива в подобных условиях понижается.

Другими словами, топливно-воздушная смесь в дизельном двигателе самовоспламеняется от высокого давления и нагрева. При этом нормальная работа мотора сильно зависит от правильно настроенного впрыска, качественного сжатия смеси, а также от полноты сгорания заряда в цилиндрах.

В самом начале в цилиндр подается воздух, сжимается и нагревается. Далее топливо впрыскивается в камеру сгорания дизельного двигателя, во время впрыска происходит его распыление.

Затем возникает самовоспламенение, пламя распространяется по цилиндру. Впрыск горючего останавливается, а остатки топлива продолжают гореть. Далее процесс повторяется.

Как видно, хотя подача и горение заряда в дизеле протекает за очень короткий промежуток времени, этот отрезок можно разделить на этапы:

  • Первый этап- впрыск топлива до начала его воспламенения (задержка воспламенения). Форсунки на данном этапе подают солярку, причем в распыленном виде. Образуется топливный «туман», который распространяется в сильно сжатом и нагретом воздухе.

Фактически туман представляет собой мельчайшие капли топлива, но они не воспламеняются. Дело в том, что сначала горючее должно испариться.

Только после этого произойдет смешивание испаренного дизтоплива с воздухом, а сама смесь нагреется до температуры, необходимой для самостоятельного воспламенения. Отметим, что задержка воспламенения должна быть короткой.

  • Второй этап-воспламенение и распространение фронта пламени по цилиндру. Дело в том, что после воспламенения сразу горит не весь объем, а возникают точечные «очаги» возгорания. Они локализуются в местах, где топливо наиболее качественно смешалось с воздухом, а температура в камере около 1700 К.

Такое начальное горение приводит к повышению температуры и давления в цилиндре. В результате топливо, которое еще не загорелось, активно испаряется и смешивается с воздухом. В этот момент фактически происходит полное возгорание смеси в цилиндре, при этом резко увеличивается давление.

  • Наступает третий этап, года топливо непосредственно сгорает. Инжекторная форсунка еще впрыскивает солярку, горючее уже сразу загорается от контакта с пламенем в камере сгорания. Пламя в этот момент эффективно распространяется по всему объему, давление также максимально.

Именно на данном этапе давление в результате сгорающего топлива с большой силой толкает поршень, заставляя двигатель совершать полезную работу. Что касается температуры, показатель растет до 2200 К.

  • Завершающий четвертый этап является моментом, когда остатки топлива догорают в цилиндре. В это время поршень уже перемещается вниз, что означает падение давления и температуры.
Как видно, давление в камере сгорания дизельного двигателя играет первостепенную роль для реализации самовоспламенение топлива. Что касается впрыска, необходимо, чтобы солярка подавалась в строго определенный момент, в нужном количестве, а также качественно распылялась.

Если возникнут сбои, распространение пламени будет нарушено, температура в камере сгорания дизельного двигателя  повышается,  возникает риск детонации, топливо не сгорает в полном объеме и т.д.

Частые проблемы дизелей: момент впрыска и компрессия

Если сжатие смеси в цилиндре оказывается недостаточным, во время работы двигателя можно услышать шумы и металлические стуки. Дело в том, что в таком случае смеси нужно больше времени, чтобы нагреться до температуры воспламенения.

Получается, снижение компрессии дизельного двигателя увеличивает время до воспламенения заряда.

При этом в цилиндре несгоревшей смеси будет больше, чем нужно. В результате в момент возгорания такого заряда процесс горения приобретает взрывной характер, давление резко увеличивается, появляется ударная волна и детонация, разрушая ЦПГ и оказывая значительные нагрузки на детали мотора.

Также снижение компрессии приводит к тому, что дизель начинает дымить. Выхлоп может быть черным или серовато-белым. В случае с белым дымом из выхлопной трубы, дизтопливо попросту неэффективно воспламеняется в момент, когда поршень доходит до ВМТ.

Затем поршень идет вниз, температура и давление дополнительно снижаются, нет условий для горения. Получается, несгоревшая солярка испаряется и далее попадает в выпускную систему

То же самое происходит и в том случае, если впрыск дизтоплива слишком поздний. Другими словами, компрессия в цилиндрах нормальная, но подача топлива с опозданием приводит к тому, что поршень уже идет вниз, нет нужного сжатия и давления для самовоспламенения.

Если же выхлоп черный, это может указывать на то, что форсунки «переливают», то есть подача горючего происходит в большем объеме, чем необходимо. Простыми словами, дизтоплива много, а кислорода просто недостаточно на такое количество горючего.

Имеющийся кислород позволяет выгореть только части топлива, а несгоревшие остатки превращаются в углерод, что и проявляется в виде характерного черного дыма из выхлопной трубы.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое степень сжатия двигателя. Из этой статьи вы узнаете о данном параметре применительно к двигателю внутреннего сгорания и особенностям его работы.

Еще отметим, что к похожим проблемам может приводить недостаточная подача воздуха (например, забит воздушный фильтр), завоздушивание системы питания дизельного двигателя и т.д.

В итоге, если нарушается нормальный процесс смесеобразования, это закономерно влияет на момент воспламенения и последующую эффективность сгорания топливного заряда в цилиндрах.

Что в итоге

С учетом вышесказанного становится понятно, что дизель особенно нуждается в высокоточном топливном впрыске. От этого напрямую завит КПД, ресурс мотора, экономичность, уровень токсичности отработавших газов и ряд других важных параметров.

По этой причине дизельные форсунки на современных типах указанных моторов способны обеспечить так называемый фазированный (многофазный) впрыск,  подавая дизтопливо до 10 раз за один рабочий такт мотора.

Напоследок отметим, что сегодня привычный ТНВД с механическими форсунками активно заменяется насос-форсунками или системой Common Rail, позволяя добиться максимальной эффективности впрыска горючего на всех этапах подачи топлива в камеру сгорания.

Подобные решения в сочетании с турбокомпрессором позволяют современному дизельному мотору уверенно конкурировать на рынке с бензиновыми аналогами, при этом высокая топливная экономичность остается главным преимуществом дизельного двигателя.

Как температура и давление в цилиндрах дизеля влияют на работу мотора

Содержание

  • 1 Камеры сгорания дизельных двигателей и особенности работы такого ДВС
  • 2 Как сгорает топливо в дизельном двигателе
  • 3 Частые проблемы дизелей: момент впрыска и компрессия
  • 4 Что в итоге

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.

Главным же отличием является способ приготовления, подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси. В большинстве моторов на бензине рабочая смесь образуется во впускном коллекторе и «засасывается» в цилиндры.

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.

Камеры сгорания дизельных двигателей и особенности работы такого ДВС

Начнем с того, что камеры сгорания дизельных двигателей несколько отличаются от бензиновых. Существует два основных типа камер:

  • неразделенная камера сгорания дизельного мотора;
  • разделенная камера сгорания дизельного ДВС;

Неразделенный тип является однообъемной камерой, как правило, простой формы, которая согласована с расположением форсунок. Такие камеры обычно выполняются в днище поршней, также могут быть изготовлены частично в днище и частично в ГБЦ, редко только в головке блока.

Разделенный тип камеры сгорания предполагает два отдельных друг от друга объема, которые соединены посредством особых каналов. Таких каналов может быть от одного и больше.

Если говорить о плюсах и минусах, первый тип позволяет обеспечить двигателю лучший КПД, однако температуры в такой камере сгорания выше. Также растут и ударные нагрузки. Что касается разделенных камер сгорания, КПД меньше, однако удается реализовать более полноценное сгорание топлива, такой дизель меньше коксуется, дымит и т.д.

Как сгорает топливо в дизельном двигателе

Теперь давайте рассмотрим сам процесс горения. Как известно, для горения топлива необходимо определенное количество кислорода, а также источник, который позволит смеси воспламениться.

В дизеле вместо внешней искры таким источником является высокая температура, то есть нагрев.

Указанный нагрев достигается благодаря тому, что воздух в цилиндре сильно сжимается, а дизтопливо подается в самый последний момент. Это обусловлено тем, что температура, необходимая для воспламенения, растет с ростом давления, при этом температура самовоспламенения топлива в подобных условиях понижается.

Другими словами, топливно-воздушная смесь в дизельном двигателе самовоспламеняется от высокого давления и нагрева. При этом нормальная работа мотора сильно зависит от правильно настроенного впрыска, качественного сжатия смеси, а также от полноты сгорания заряда в цилиндрах.

В самом начале в цилиндр подается воздух, сжимается и нагревается. Далее топливо впрыскивается в камеру сгорания дизельного двигателя, во время впрыска происходит его распыление.

Затем возникает самовоспламенение, пламя распространяется по цилиндру. Впрыск горючего останавливается, а остатки топлива продолжают гореть. Далее процесс повторяется.

Как видно, хотя подача и горение заряда в дизеле протекает за очень короткий промежуток времени, этот отрезок можно разделить на этапы:

  • Первый этап- впрыск топлива до начала его воспламенения (задержка воспламенения). Форсунки на данном этапе подают солярку, причем в распыленном виде. Образуется топливный «туман», который распространяется в сильно сжатом и нагретом воздухе.

Фактически туман представляет собой мельчайшие капли топлива, но они не воспламеняются. Дело в том, что сначала горючее должно испариться.

Только после этого произойдет смешивание испаренного дизтоплива с воздухом, а сама смесь нагреется до температуры, необходимой для самостоятельного воспламенения. Отметим, что задержка воспламенения должна быть короткой.

  • Второй этап-воспламенение и распространение фронта пламени по цилиндру. Дело в том, что после воспламенения сразу горит не весь объем, а возникают точечные «очаги» возгорания. Они локализуются в местах, где топливо наиболее качественно смешалось с воздухом, а температура в камере около 1700 К.

Такое начальное горение приводит к повышению температуры и давления в цилиндре. В результате топливо, которое еще не загорелось, активно испаряется и смешивается с воздухом. В этот момент фактически происходит полное возгорание смеси в цилиндре, при этом резко увеличивается давление.

  • Наступает третий этап, года топливо непосредственно сгорает. Инжекторная форсунка еще впрыскивает солярку, горючее уже сразу загорается от контакта с пламенем в камере сгорания. Пламя в этот момент эффективно распространяется по всему объему, давление также максимально.

Именно на данном этапе давление в результате сгорающего топлива с большой силой толкает поршень, заставляя двигатель совершать полезную работу. Что касается температуры, показатель растет до 2200 К.

  • Завершающий четвертый этап является моментом, когда остатки топлива догорают в цилиндре. В это время поршень уже перемещается вниз, что означает падение давления и температуры.
Как видно, давление в камере сгорания дизельного двигателя играет первостепенную роль для реализации самовоспламенение топлива. Что касается впрыска, необходимо, чтобы солярка подавалась в строго определенный момент, в нужном количестве, а также качественно распылялась.

Если возникнут сбои, распространение пламени будет нарушено, температура в камере сгорания дизельного двигателя  повышается,  возникает риск детонации, топливо не сгорает в полном объеме и т.д.

Частые проблемы дизелей: момент впрыска и компрессия

Если сжатие смеси в цилиндре оказывается недостаточным, во время работы двигателя можно услышать шумы и металлические стуки. Дело в том, что в таком случае смеси нужно больше времени, чтобы нагреться до температуры воспламенения.

Получается, снижение компрессии дизельного двигателя увеличивает время до воспламенения заряда.

При этом в цилиндре несгоревшей смеси будет больше, чем нужно. В результате в момент возгорания такого заряда процесс горения приобретает взрывной характер, давление резко увеличивается, появляется ударная волна и детонация, разрушая ЦПГ и оказывая значительные нагрузки на детали мотора.

Также снижение компрессии приводит к тому, что дизель начинает дымить. Выхлоп может быть черным или серовато-белым. В случае с белым дымом из выхлопной трубы, дизтопливо попросту неэффективно воспламеняется в момент, когда поршень доходит до ВМТ.

Затем поршень идет вниз, температура и давление дополнительно снижаются, нет условий для горения. Получается, несгоревшая солярка испаряется и далее попадает в выпускную систему

То же самое происходит и в том случае, если впрыск дизтоплива слишком поздний. Другими словами, компрессия в цилиндрах нормальная, но подача топлива с опозданием приводит к тому, что поршень уже идет вниз, нет нужного сжатия и давления для самовоспламенения.

Если же выхлоп черный, это может указывать на то, что форсунки «переливают», то есть подача горючего происходит в большем объеме, чем необходимо. Простыми словами, дизтоплива много, а кислорода просто недостаточно на такое количество горючего.

Имеющийся кислород позволяет выгореть только части топлива, а несгоревшие остатки превращаются в углерод, что и проявляется в виде характерного черного дыма из выхлопной трубы.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое степень сжатия двигателя. Из этой статьи вы узнаете о данном параметре применительно к двигателю внутреннего сгорания и особенностям его работы.

Еще отметим, что к похожим проблемам может приводить недостаточная подача воздуха (например, забит воздушный фильтр), завоздушивание системы питания дизельного двигателя и т.д.

В итоге, если нарушается нормальный процесс смесеобразования, это закономерно влияет на момент воспламенения и последующую эффективность сгорания топливного заряда в цилиндрах.

Что в итоге

С учетом вышесказанного становится понятно, что дизель особенно нуждается в высокоточном топливном впрыске. От этого напрямую завит КПД, ресурс мотора, экономичность, уровень токсичности отработавших газов и ряд других важных параметров.

Рекомендуем также прочитать статью о том, почему в двигателе может быть повышенная компрессия. Из этой статьи вы узнаете об основных причинах возникновения данного отклонения от нормы и способах ремонта.

По этой причине дизельные форсунки на современных типах указанных моторов способны обеспечить так называемый фазированный (многофазный) впрыск,  подавая дизтопливо до 10 раз за один рабочий такт мотора.

Напоследок отметим, что сегодня привычный ТНВД с механическими форсунками активно заменяется насос-форсунками или системой Common Rail, позволяя добиться максимальной эффективности впрыска горючего на всех этапах подачи топлива в камеру сгорания.

Подобные решения в сочетании с турбокомпрессором позволяют современному дизельному мотору уверенно конкурировать на рынке с бензиновыми аналогами, при этом высокая топливная экономичность остается главным преимуществом дизельного двигателя.

Изменение параметров газа в камере сгорания

Изменение параметров газа в камере сгорания показано на рис. 25.

Температура, давление и скорость воздуха на входе в камеру сгорания будут такими, какие имеет поток воздуха на выходе из компрессора. Приблизительно они будут равны:

T2=208 0C, P2=4,35 кг/см2, с2=120 м/с.

В камере сгорания за счет подвода тепла температуpa газов резко повышается, достигая на выходе – 850 - 900° С. Давление газов при движении их по камере сгорания падает за счет нагревания газов и за счет гидравлических сопротивлении камеры. Величина падения давления составляет около 0,1 - 0,15 кг/см1.

Скорость движения воздуха по длине камеры сгорания увеличивается за счет подвода тепла примерно на 50 м/сек.

Рис. 25. Изменение параметров газа по длине жаровой трубы

3. Процесс расширения газа газовая турбина

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, который преобразует тепловую энергию и давление рабочих газов в механическую работу.

Газовая турбина имеет два лопаточных элемента:

1. Неподвижный сопловой аппарат, который служит для преобразования скрытой, потенциальной энергии газов в ско­ростную энергию и для направления потока газов на рабо­чие лопатки под наивыгоднейшим углом.

2. Рабочие лопатки, укрепленные на вращающемся диске. Лопатки преобразуют скоростную энергию газов в механическую работу.

По сравнению двигателями других типов газовая тур­бина имеет ряд преимуществ. Она проста по конструкции, надежна в эксплуатации, имеет высокий коэффициент полез­ного действий, обеспечивает получение больших мощностей в одном агрегате при небольшом весе и размерах (имеются турбореактивные двигатели, у которых газовая турбина раз­вивает мощность больше 50 000 л. с.).

Эти качества газовой турбины обеспечили широкое при­менение ее в ТРД для вращения компрессоров (нагнета­телей).

Принцип действия газовой турбины

Наиболее широкое применение в турбореактивных двига­телях получили одноступенчатые и двухступенчатые осевые реактивные газовые турбины.

Одноступенчатой турбиной называется такая, которая имеет сопловой аппарат и один ряд рабочих паток. Термин “осевая” показывает, что поток газов подводится к лопаткам турбины параллельно оси вращения колеса.

Реактивная газовая турби­на - это такая турбина, в кото­рой расширение газов происхо­дит не только в сопловом аппа­рате, но продолжается и в кана­лах рабочего колеса турбины, и которой расширение газов полностью заканчивается в сопловом аппарате, называется активной газовой турбиной. В активной турбине давление газов до и после колеса турбины одинаковы.

Рабочим телом в газовой турбине являются газы, образующиеся от сгорания керосина или какого-либо другого топлива в потоке сжатого воздуха.

Познакомимся с конструкцией одноступенчатой осевой газовой турбины. Схема турбины приведена па рис. 26. Тур­бина состоит из соплового аппарата, диска турбины с рабо­чими лопатками и вала с подшипниками.

Рис. 26. Схема осевой газовой турбины. Рис. 27. Детали соплового аппарата.

Сопловой аппарат (рис. 27) имеет внешний и внутренний венцы, между которыми свободно вставлены лопатки соплового аппарата. Такая посадка лопаток обеспечивает свободное удлинение их при нагревании (лопатки находятся в потоке газов, имеющих температуру 850 - 900° С, и при работе нагреваются до светло-красного цвета). Чтобы лопатки со­плового аппарата могли длительное время работать при вы­сокой температуре, они отлиты из жаростойкого сплава.

Диск турбины (рис. 28) для прочности изготавливается сплошным, без отверстия в центре; он утолщается к центру и к ободу, где крепятся лопатки.

Рис. 28. Ротор турбины.

Рабочие лопатки изготавливаются из жаропрочного сплава, крепятся к ободу “елочным” замком, который обес­печивает свободную посадку лопатки - лопатка может ка­чаться {рис. 29). Замок называется елочным потому, что вид его имеет форму елки.

Рис. 29. Замок лопатки турбины.

К фланцу диска крепится вал турбины, передающий кру­тящий момент компрессору и агрегатам двигателя.

Для уменьшения утечки горячих газов по ободу диска проточены канавки лабиринтного уплотнения.

Диск турбины с лопатками и валом называют ротором. Лопатки соплового аппарата и диска имеют в сечении вид изогнутых аэродинамических профилей (крылышек).

Во время работы турбореактивного двигателя к турбине подходят горячие газы из камер сгорания; газы имеют давле­ние порядка 4 - 7 кг/см2, температуру 850 - 900° С и скорость 170 - 180 м/сек.

Рассмотрим, как изменяются давление, температура и скорость газов при протекании их по каналам турбины и как энергия газов преобразуется в механическую работу. Характерные сечения газового потока, движущегося по каналам турбины, приведены на рис. 26:

3—3 — на входе газов в тур­бину;

а—а — на выходе газов из соплового аппарата;

4—4 — на выходе газов из ко­леса турбины.

Как было указано выше, к ло­паткам соплового аппарата подхо­дят горячие газы со скоростью по­рядка 170 - 180 м/сек. В сопловом аппарате на участке 3 - а газы, двигаясь в сужающемся канале, увеличивают свою скорость движе­ния (за счет паления давления и температуры) до са =580 - 600 м/сек. Одновременно с расши­рением поток газа поворачивается сопловым аппаратом и направ­ляется на лопатки колеса под углом а =20 - 28° {рис. 30). Лопатки колеса движутся с окружной скоростью и. Вычтем из абсолютной скорости газа са окружную скорость вращения колеса и, получим относительную скорость газа wа, с которой газ входит в каналы рабочего колеса. В канале между лопатками колеса газ продолжает расширяться - его давление падает, температура уменьшается. Работа расши­рения расходуется на ускорение струйки газа, движущейся в канале.

Абсолютная скорость газа на выходе из колеса с4 опреде­лится как сумма окружной скорости колеса и и относитель­ной скорости выхода газа из колеса wа. Для турбин турбо­реактивных двигателей с4 = 350 - 400 м/сек и направлена по оси двигателя. Скорость выхода газов из колеса турбины меньше скорости входа газа в колесо на 150 - 200 м/сек.

Профили лопаток колеса подобраны так, что между ними образуются изогнутые сужающиеся каналы. При протекании газовой струйки по каналу происходит поворот ее, благодаря чему у частиц газа появляются центробежные силы, которые давят на вогнутую поверхность лопатки – “корытце”.

На вогнутой поверхности лопаток создается повышенноt давление, а на выпуклой стороне лопаток (па спинке) обра­зуется пониженное давление (разрежение).

Результирующая сила направлена под некоторым углом к плоскости вращения колеса (см. рис. 30). Эту силу можно разложить на две составляющие. Одна сила направлена по оси колеса - это осевое усилие, оно нагружает упорный под­шипник. Другая сила действует в плоскости вращения колеса; эта сила называется окружным усилием.

В реактивной турбине при движении струйки газа в су­жающемся канале между лопатками колеса происходит ускорение этой струйки газа.

Относительная скорость струйки на выходе из колеса w4 больше относительной скорости струйки на входе в колесо wа, что хорошо видно на рис. 30.

За счет ускорения струйки газа возникает сила реакции, которая гоже дает окружное усилие.

Таким образом, в реактивной газовой турбине окружное усилие получается в результате поворота струйки газов в ло­паточном канале и ускорения этой же струйки газа в этом же канале.

Рис. 30. Возникновение окружного усилия от поворота струйки газа в канале между лопатками колеса

Если сложить все окружные усилия, получающиеся на каждой лопатке колеса, то получим общее, суммарное окружное усилие, которое вращает диск турбины.

Подсчитаем мощность турбины на основе учета работы расширения газов в турбине.

Работу расширения 1 кг газа, протекающего через тур­бину, определим по уравнению энергии потока газов:

Газы подходят к турбине, имея температуру Т3 = 11480 и скорость с3 = 170 м/сек, а на выходе из турбины Т4 = 9140 и с4 = 400 м\сек. Показатель адиабаты для про­дуктов сгорания k =1,33.

Подставив эти значения в уравнение, получим LРАСШ = 20900 (кгм/кг).

Будем считать, что через турбину протекает только воздух, который подается компрессором; учитывать вес топлива, сгорающего в двигателе, не будем.

Тогда мощность турбины определится по формуле:

где Gceк — секундный расход газов через турбину; Lрасш - действительная работа расширения 1 кг газов.

Принимая Сгек - 60 кг/сек и Lрасш = 20900 кгм/кг, получим NТУРБ = 13900 л.с.

Мощность, развиваемая турбиной, должна быть на 1,5 - 2% больше мощности, потребляемой компрессором. Этот избыток мощности расходуется на привод вспомогательных агрегатов (насосов, генераторов, автоматов) и на преодоле­ние сил трения в подшипниках и передачах.


Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf