Заняття 12. Процес згорання

1. Розглянути процес згорання двигунах внутрішнього згорання, його показники.

2. Ознайомитись із особливостями згорання паливно-повітряних сумішей в дизельних та бензинових двигунах внутрішнього згорання.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. У розділі описані характеристики процесу згорання суміші в бензинових і дизельних двигунах, фактори, що впливають на процес горіння, основні порушення нормального згорання робочої суміші та способи їх запобігання.

Загальні положення

За рахунок згорання палива у циліндрах двигуна підвищується температура і тиск. Згоряння палива протікає лише в газовій фазі. Сам процес згоряння являє собою швидкоплинну хімічну реакцію між компонентами горючої суміші. В горінні беруть участь молекули палива, в яких є вуглець, водень, а в деяких паливах і кисень, та молекули кисню повітря.

Згідно законам хімічної кінетики для виникнення реакції необхідно:

• щоб молекули, які реагують, зіткнулись між собою;

• щоб ці молекули були активні, тобто енергія їх повинна перевищувати деяку межу, за якою відбувається руйнування внутрішньомолекулярних зв'язків молекул, які реагують, та заміщення їх новими зв'язками. Критичне значення енергії називається енергією активації Е. Якщо енергія молекули перевищує значення Е, то реакція починає протікати самочинно.

Активація буває термічна і хімічна. У поршневих двигунах вирішальний вплив має термічна активація. Для запалювання палива в ДВЗ необхідно підвищити енергію молекул до межі, яка перевищує енергію активації. Для цього використовують або примусове запалювання або самозаймання палива.

Кількістю зіткнень молекул за одиницю часу визначається швидкість хімічної реакції. Ця швидкість збільшується з ростом температури і підвищенням тиску, оскільки при цьому збільшується кількість молекул в одиниці об'єму та швидкість цих молекул.

З найбільшою швидкістю згоряють однорідні суміші, в яких молекули палива рівномірно розподілені між молекулами кисню. У неоднорідних газових сумішах швидкість згоряння визначається в основному швидкостями взаємної дифузії парів палива і повітря, тому швидкість згоряння рідкого палива залежить від швидкості його випаровування і швидкості змішування парів палива з повітрям.

Умови розвитку процесу згоряння в початковий і наступні періоди суттєво розрізняються, тому процес згоряння можна розділити на дві стадії: запалювання палива та розповсюдження полум'я. Крім того, процес згоряння може супроводитись дисоціацією газів (руйнування молекул газів під дією високої температури).

Запалювання.

Розрізняються високотемпературне одностадійне та низькотемпературне багатостадійне запалювання.

У двигунах з примусовим запалюванням має місце високотемпературне запалювання. В іскровому проміжку свічки запалювання створюється температура понад 10 000 К. Внаслідок цього виникають початкові ланцюгові процеси, які відбуваються дуже швидко і призводять до саморозігріву суміші і теплового вибуху. Таке запалювання називають високотемпературним одностадійним, оскільки воно відбувається в обмеженій зоні з максимальною температурою.

У двигунах з самозайманням (дизелях) має місце низькотемпературне багатостадійне запалювання, яке виникає внаслідок нагрівання всієї горючої суміші до порівняно невисокої температури (450...800 К) шляхом впорскування палива у стиснене в циліндрі повітря. На початку такого запалювання розвиваються передполуменеві ланцюгові окислювальні процеси, які проходять відносно повільно. При цьому утворюються нестійкі проміжні сполуки з киснем - спочатку спирти, альдегіди, оксид вуглецю, а потім перекиси та радикали. Виникає так зване холодне полум'я у вигляді голубого світіння. Тиск і температура в камері згоряння в цей період практично не збільшуються. Далі настає другий період запалювання, при якому відбувається окислення альдегідів і утворення нових хімічно активних перекисів. Температура холодного полум'я підвищується і тиск зростає. З'являється більш інтенсивне вторинне світіння і в кінці періоду відбувається тепловий вибух, внаслідок якого утворюється осередок згоряння. Низькотемпературне запалювання відбувається одночасно в багатьох точках об'єму горючої суміші, в зв'язку з чим його називають об'ємним самозайманням.

Увесь інтервал часу від початку вприскування палива до виникнення полум'я називається періодом затримки самозаймання.

Розповсюдження полум'я.

Після запалювання полум'я розповсюджується по всьому об'єму горючої суміші.

В однорідній (гомогенній) суміші, тобто в бензинових та газових двигунах, це відбувається внаслідок послідовного примусового запалювання шарів свіжої горючої суміші. Запалювання та згоряння кожного такого шару відбувається у вузькій зоні, яка розділяє незгорілу суміш від продуктів згоряння. Ця зона називається фронтом полум'я. У нерухомій горючій суміші, або в такій, що ламінарно переміщується, товщина фронту полум'я становить від кількох десятих міліметра до кількох міліметрів. Такий фронт полум'я називають ламінарним. Шлях, який долає фронт полум'я по нормалі до своєї поверхні за одиницю часу, називається нормальною швидкістю розповсюдження полум'я. При атмосферному тиску його швидкість становить 0,35... 0,55 м/с.

У камерах згоряння двигунів горюча суміш інтенсивно завихрюється і рух її набуває турбулентного характеру. Під впливом турбулентності швидкість розповсюдження полум'я істотно зростає. Таке згоряння називають турбулентним.

Якщо зона турбулентності сумірна з товщиною фронту полум'я, то турбулентність називають дрібномасштабною. Якщо вона перевищує товщину фронту полум'я, то її називають великомасштабною. Дрібномасштабна турбулентність сприяє прискоренню активації часток і переносу їх і теплоти в суміжні шари горючої суміші, що приводить до збільшення швидкості розповсюдження фронту полум'я. Великомасштабна турбулентність приводить до сильного викривлення фронту полум'я і розриву його на окремі об'єми, що горять, внаслідок чого кількість горючої суміші, яка водночас бере участь у горінні, різко зростає, а загальний час згоряння скорочується.

Швидкість розповсюдження фронту полум'я досягає при великомасштабній турбулентності досягає 60 м/с, а товщина зони турбулентного горіння становить 20...25 мм. Із збільшенням частоти обертання вихровий рух свіжого заряду посилюється, що приводить до росту швидкості фронту полум'я. Великомасштабна турбулентність справляє вирішальний вплив на процес згоряння в двигунах.

Швидкість розповсюдження полум'я в гомогенній бензоповітряній суміші залежить від її складу, який характеризується коефіцієнтом надлишку повітря . Найбільша швидкість горіння досягається при  = 0,85... 0,95. При збідненні та збагаченні горючої суміші швидкість фронту полум'я зменшується до деякої (приблизно 0,10 м/с) межі, при досягненні якої полум'я гасне; в першому випадку - внаслідок витрати частки теплоти на нагрівання надлишку повітря, а в другому - через нестачу кисню.

Межа збагачення горючої суміші, вище якої розповсюдження полум'я стає неможливим, називається верхньою концентраційною межею тін, а межа збіднення - нижньою концентраційною межею тах розповсюдження полум'я. Ці межі залежать від властивостей палива та фізичних умов їх згоряння. Для більшості моторних палив при атмосферному тиску та температурі 293 К верхня межа розповсюдження ламінарного полум'я тін = 0,25... 0,35, а нижня тах = 1,65...2,8. У бензинових двигунах при турбулентному згорянні тін=0,4...0,5 і тах=1,3...1,4. У газових двигунах межі ширші в бік збіднення.

В двофазних сумішах, коли частина палива знаходиться в паровій фазі, а частина в капельно-рідинному стані, що характерно для дизелів, розповсюдження полум'я після самозаймання палива відбувається інакше. Запалювання виникає в зонах, насичених парами палива, а від цих вогнищ запалювання полум'я розповсюджується всередину зон з капельками рідкого палива. Розповсюдження полум'я визначається дифузійними процесами переносу теплоти, випаровуванням палива та перемішуванням його з киснем із зовнішніх зон, що справляє вирішальний вплив на швидкість згоряння.

У неоднорідних сумішах завжди утворюються численні зони, де =0,85...0,95, які і стають центрами запалювання більш збідненої суміші. Тому дизелі можуть працювати на малих навантаженнях при дуже бідній суміші з середніми значеннями коефіцієнту надлишку повітря >4. Але при <(1,4...1,5) з'являються зони із значними місцевими перезбагаченнями суміші з <<(0,3...0,4). У цих зонах відбувається крекінг вуглеводневих молекул палива без достатнього доступу повітря і утворення найменших часток твердого вуглецю у вигляді сажі й диму. Саме це є причиною димності дизелів при збільшенні навантаження понад деяку межу.

Дисоціація газів у процесі згоряння - це розпад складних хімічних сполук на прості елементи під впливом високої температури. При нагріванні вище 2300 К вуглекислий газ СО2 частково розпадається на оксид вуглецю CO та кисень О2, а водяна пара Н2О - на водень Н2 і кисень О2. Оскільки високі температури виникають при згорянні паливоповітряних сумішей у циліндрах двигуна, то в продуктах згоряння відбувається часткова дисоціація СО2 та Н2О.

Дисоціація є ендотермічною реакцією, тобто супроводжується поглинанням теплоти. Внаслідок цього знижується температура і максимальний тиск циклу і відповідно їм потужність двигуна. У процесі розширення температура продуктів згоряння знижується, CO та Н2, що утворились при дисоціації, знову окислюються і виділяють теплоту (екзотермічна реакція), але ефективно ця теплота перетворитися в корисну роботу вже не може, бо поршень значно відійшов від ВМТ Мало того, дисоціація призводить до підвищення температури в кінці розширення і погіршення економічності двигуна. Інтенсивність дисоціації залежить від складу паливоповітряної суміші. У дизелях температура згоряння нижче, ніж в двигунах з іскровим запалюванням, тому дисоціація в них менша.

2. Запалювання в бензинових двигунах починається в таких умовах:

• циліндр двигуна, наповнений робочою сумішшю, яка складається з парів палива, повітря й деякої кількості залишкових газів від попереднього циклу;

• суміш стиснута до тиску 0,9... 1,5 МПа, її температура становить 600...750 К;

• суміш запалюється від високотемпературного розряду між електродами свічки.

Процес згоряння відбувається поблизу ВМТ за короткий відрізок часу (близько 0,001с). За цей час колінчастий вал повертається на 15...20° і поршень трохи переміщується від ВМТ Тому лінія згоряння на звичайній діаграмі дійсного циклу відхиляється від лінії підводу теплоти при V=const в ідеальному циклі. Однак відхилення це незначне і на індикаторній діаграмі в системі координат р - V аналізувати процес згоряння важко. Тому для цієї мети зручніше використовувати розгорнуту індикаторну діаграму, на якій зміна параметрів р, Т і інших зображується в залежності від кута повороту колінчастого вала °,...п.к.в. (рис. 7.1).

Для швидкого згоряння робочої суміші поблизу ВМТ, при якому забезпечене найбільш повне використання теплоти, електричну іскру необхідно подавати, коли поршень трохи не доходить до ВМТ (точка 1). Кут повороту колінчастого вала до ВМТ, який відповідає виникненню іскри, називається кутом випередження запалювання. Він становить 20... 55 0 п.к.в.

7.2.2. Фази згорання.

На індикаторній діаграмі можна виділити три фази згоряння.

Перша фаза (І), або період скритого горіння - від моменту виникнення електричної іскри (точка 1) до початку різкого збільшення тиску на індикаторній діаграмі (точка 2). В цей період виникає невеликий осередок горіння в зоні розряду між електродами свічки і згоряє 6...8% горючої суміші. Тиск газів в циліндрі підвищується в основному за рахунок стиснення поршнем. Тривалість першої фази становить 10...30° п.к.в. (0,0005... 0,001 с).

Друга фаза (ІІ) - період швидкого або видимого горіння. Починається з моменту відриву лінії згоряння від лінії стиснення на індикаторній діаграмі (точка 2) і закінчується в момент досягнення максимального тиску в циліндрі (точка 3). В цей період відбувається швидке розповсюдження фронту полум'я по всьому об'єму камери згоряння.

Основним фактором, що впливає на швидкість розповсюдження полум'я, є великомасштабна турбулентність. Крім того, фронт полум'я додатково переміщується за рахунок розширення продуктів згоряння, які під впливом нагрівання збільшуються в об'ємі в три-чотири рази. Тривалість другої фази становить 25...30° п.к.в. (0,001...0,002 с). За цей час згоряє 70... 80 % робочої суміші. Температура продуктів згоряння підвищується до 2200... 2500 К, а тиск досягає максимального значення 3,5...5,5 МПа. Друга фаза згоряння характеризує жорсткість роботи двигуна, яку оцінюють за найбільшою швидкістю наростання тиску на кожен градус кута повороту колінчастого вала і максимальним тиском у камері згоряння. Розрізняють максимальну та середню швидкості наростання тиску. Максимальне наростання тиску визначають в середній частині другої фази згоряння.

Якщо швидкість наростання тиску недостатня (менше 0,1 МПа/0п.к.в.), то згоряння в значній мірі продовжується на лінії розширення, що призводить до погіршення паливної економічності, а коли воно більше, ніж 0,26 МПа/°п.к.в., тиск наростає надто швидко. Різке наростання тиску газів має характер удару і приводить до зниження строку служби деталей КШМ і може викликати поломки цих деталей.

Найбільшу площу індикаторної діаграми, а отже, максимальну потужність двигуна отримують, коли максимальний тиск при згорянні досягається при 10... 15° п.к.в. після ВМТ, що свідчить про те, що основна маса палива до цього моменту вже згоріла.

Третя фаза (ІІІ) називається періодом догоряння. Вона починається від точки максимального тиску газів у циліндрі (точка 3), яке в третій фазі циклу знижується із-за збільшення об'єму робочої порожнини при розширенні, а також внаслідок збільшення віддачі теплоти від газів до стінок циліндра та його головки, до кінця згоряння. Ця фаза не має чітко визначеного закінчення. На початку цієї фази процес згоряння ще протікає інтенсивно, тому температура продуктів згоряння продовжує підвищуватися до максимального значення (точка 4), а далі знижується, оскільки швидкість розповсюдження полум'я біля стінок камери згоряння знижується через збільшення тепловіддачі, ослаблення турбулентності та через нестачу кисню. Приблизна її тривалість становить 20... 35 ° п.к.в. (0,001... 0,0015 с). У цій фазі виділяється 10...15 % теплоти, внесеної з паливом, і вона остаточно формує економічність циклу.

Загальне корисне використання теплоти під час процесу згоряння становить 80...90% від теплоти, що введена в циліндр з паливом. Решта 10...20% теплоти втрачається через неповноту згоряння та дисоціацію, а також із-за інтенсивної тепловіддачі в стінки циліндра. Врахування втрат теплоти при згоранні здійснюється коефіцієнтом використання теплоти  (ксі).

Спостерігають за процесом згоряння кількома способами. Найбільш наочним є фотографування крізь спеціально вмонтоване в головку циліндра кварцове вікно, що витримує високий тиск і високу температуру. Фотографування швидкісною кінокамерою показало, що фронт полум'я являє собою контур, що світиться, відділяючи продукти згоряння від незгорілої суміші. Він має хвилеподібну форму і розповсюджується в різних ділянках об'єму камери згоряння з різними швидкостями.

Фактори, що впливають на процес згоряння в двигунах з іскровим запалюванням

На процес згоряння в двигунах впливають експлуатаційні і конструкційні фактори.

Експлуатаційні фактори

Склад робочої суміші може характеризуватися коефіцієнтом надлишку повітря . Найбільша швидкість розповсюдження фронту полум'я при =0,85...0,95. При таких значеннях  забезпечується найбільше значення максимального тиску згоряння та найбільша робота циклу. Тому при повній потужності двигуни з іскровим запалюванням працюють при =0,85...0,95, незважаючи на погіршення економічності. Найкраща економічність забезпечується при роботі на збідненій робочій суміші з коефіцієнтом надлишку повітря =1,05...1,15. У цьому випадку за рахунок надлишку повітря паливо згоряє практично повністю, але процес згоряння протікає повільніше і робота циклу зменшується, що приводить до зниження потужності двигуна.

Значення , при якому досягається найкраще тепловикористання, називають межею ефективного збіднення робочої суміші. При значному збідненні робочої суміші до >1,2...1,25 робота двигуна стає нестійкою внаслідок різкого зростання неідентичності циклів. При дуже сильному збідненні (>1,25) з'являються спалахи у впускному трубопроводі та в карбюраторі, через те що згоряння настільки уповільнюється, що частина палива догоряє не лише при розширенні, але й під час випуску. Внаслідок цього свіжий заряд, що поступає в циліндр, запалюється від газів, які ще горять.

Кут випередження запалювання. Для того щоб основна маса робочої суміші згоріла при перебуванні поршня поблизу ВМТ і тепловиділення в основному закінчилось, коли колінчастий вал повернеться не більше, ніж на 15...20 0 п.к.в. після ВМТ, необхідно створювати електричну іскру з випередженням, яке на сучасних двигунах становить 25...40°п.к.в. до ВМТ Оптимальний кут випередження запалювання визначається для кожного типу двигуна на випробному стенді. Відхилення кута випередження запалювання від оптимального призводить до зміщення індикаторної діаграми відносно ВМТ і збільшенню витрат теплоти (рис. 7.2).

При надто ранньому куті випередження запалювання своєчасність тепловиділення покращується, але тиск різко збільшується і навіть може досягнути максимального значення до завершення ходу стиску. Внаслідок цього зростає негативна робота в кінці стиску, знижується потужність і погіршується економічність двигуна. Крім того, значно виростають тиск і температура в циліндрі, що сприяє виникненню детонаційного згоряння, про яке буде сказано нижче.

При надто пізньому куті випередження запалювання значна частина тепловиділення відбувається під час розширення, коли поршень переміщується далеко від ВМТ Максимальний тиск і робота розширення знижуються, потужність падає, а температура газу в кінці розширення підвищується і двигун перегрівається. Погіршується паливна економічність двигуна. Оптимальний кут випередження запалювання залежить від тривалості першої і другої фаз згоряння, тому з підвищенням частоти обертання і зниженням навантаження його необхідно збільшувати.

Частота обертання. З підвищенням частоти обертання вихровий рух свіжого заряду в циліндрі підсилюється, що сприяє турбулізації процесу згоряння і інтенсифікації переносу теплоти і активних часток. Процес згоряння в цілому прискорюється. Однак час, що відводиться на процес згоряння, скорочується пропорційно частоті обертання і випереджує прискорення процесу згоряння. Тому тривалість процесу згоряння, виражена в градусах повороту колінчастого вала, з ростом частоти обертання збільшується.

Збільшення тривалості згорання відбувається, в основному, за рахунок першої і третьої фаз згоряння, в той час, як друга фаза завдяки зростанню швидкості розповсюдження фронту полум'я практично не міняється. У цілому ж з підвищенням частоти обертання при сталому куті випередження запалювання процес згоряння розвивається пізніше (рис. 7.3).

Якщо з підвищенням частоти обертання збільшувати випередження запалювання, то лінії підвищення тиску в другій фазі при різних частотах обертання будуть практично співпадати. Тому з підвищенням частоти обертання кут випередження запалювання потрібно збільшувати.

Навантаження. Потужність двигуна з іскровим запалюванням регулюється в основному зміною кількості свіжого заряду, що поступає в його циліндри. Це здійснюється за допомогою дросельної (в карбюраторних двигунах) або повітряної (в двигунах з вприскуванням легкого палива) заслінки. Внаслідок дроселювання зменшується коефіцієнт наповнення V. Кількість залишкових газів при цьому залишається практично незмінною, тому в міру зменшення кількості свіжого заряду відносний вміст залишкових газів у робочій суміші стає більшим, коефіцієнт залишкових газів  виростає. Крім того, зменшується тиск і температура в кінці стиску. Через зменшення швидкості руху повітря в дифузорі карбюратора при прикритій дросельній заслінці погіршується процес сумішоутворення.

Все це приводить до зменшення швидкості виникнення полум'я в першій фазі згоряння і уповільнення розповсюдження фронту полум'я в другій і третій фазах. Негативний вплив дроселювання особливо помітний при малих навантаженнях і при мінімальній частоті обертання в режимі холостого ходу. Щоб покращити процес згоряння при дроселюванні, робочу суміш збагачують, причому тим більше, чим сильніше дроселювання. Збагачення суміші приводить до неповного згоряння з утворенням горючих газів CO та Н2, які ослабляють інертність відпрацьованих газів і роблять їх частково горючими. Але із-за хімічної неповноти згоряння палива частина теплоти не виділяється і витрати палива різко зростають. Незадовільна економічність роботи карбюраторних двигунів на часткових режимах роботи - їх головний недолік. Одночасно з цим зростає вміст оксиду вуглецю та вуглеводню в відпрацьованих газах. Для кожного режиму навантаження є свій оптимальний склад робочої суміші. Погіршення процесу згоряння при дроселюванні можна частково компенсувати також збільшенням кута випередження запалювання. При більш ранньому запалюванні процес згоряння зміщується до ВМТ і протікає в більш сприятливих умовах. Збільшення кута випередження запалювання робиться автоматично за допомогою вакуум-коректора.

Конструкційні фактори

Ступінь стиску. Із збільшенням ступеню стиску підвищується термічний ККД циклу. Зростають тиск і температура в кінці стиску, що сприяє прискоренню підготовки палива до згоряння, збільшенню швидкості розповсюдження фронту полум'я і скороченню загальної тривалості процесу згоряння. Це сприяє покращенню показників роботи двигуна. Однак для збільшення ступеню стиску необхідно зменшувати об'єм камери згоряння, тому відношення площі поверхні камери згоряння до її об'єму стає більшим, відносна кількість робочої суміші, що дотикається до стінок камери згоряння, зростає. Пристінкові шари робочої суміші охолоджуються і швидкість згоряння їх уповільнюється, що приводить до збільшення тривалості третьої фази згоряння. Таким чином, збільшення ступеню стиску позитивно впливає в основному на термічний ККД. Підвищення ступеню стиску в двигунах з іскровим запалюванням обмежується виникненням детонаційного згоряння. Крім того, при підвищенні ступеню стиску зростає токсичність відпрацьованих газів. Тому в сучасних двигунах ступінь стиску, як правило, не роблять більше 9,5. З підвищенням ступеню стиску зростає навантаження на кривошипно-шатунний механізм, тому необхідно збільшувати розміри і масу його деталей.

Форма камери згоряння і розміщення свічки. Основна вимога до камери згоряння двигуна з іскровим запалюванням - забезпечення процесу згоряння без детонації при якомога більшому ступеню стиску. Для цього відношення площі поверхні камери згоряння до її об'єму повинно бути мінімальним; повинно забезпечуватись достатнє завихрення свіжого заряду; свічка запалювання повинна розміщуватись близько до найбільш нагрітих ділянок камери і близько до її центру, щоб шлях фронту полум'я був якомога коротше.

Форма камери згоряння істотно залежить від розташування клапанів: нижнього чи верхнього. На перших двигунах широко застосовувалось нижнє розташування клапанів (рис. 4, а). В камері згоряння з таким розміщенням клапанів забезпечується інтенсивний вихровий рух робочої суміші в бік свічки запалювання внаслідок витискування її з зазору між поршнем і головкою циліндра в кінці стиску. Однак у таких камерах згоряння велика поверхня тепловідводу і в теперішній час вони повністю витіснені камерами згоряння з верхнім розташуванням клапанів.

Найкращою формою камери згоряння є напівсферична (рис. 4, б). Вона має найменше відношення площі поверхні до об'єму, найкоротший шлях фронту полум'я до будь-якої віддаленої частини камери. За допомогою витискувачів на поршні, заширмлення впускного клапану і тангенційного розташування впускних каналів в напівсферичних камерах можна забезпечити хорошу турбулентність робочої суміші. Однак для таких камер згоряння потрібний ускладнений привод клапанів, які розташовуються у два ряди, збільшується ширина верхньої частини двигуна. Близька до неї за властивостями шатрова камера (рис. 7.4, в), у якій клапани розташовані в один ряд, що спрощує конструкцію приводу клапанів.

Завдяки простоті виготовлення широке застосування набули такі камери згоряння: плоскоовальна (рис. 7.4, г), клинова (рис. 7.4, д), напівклинова (рис. 7.4, є). В усіх цих камерах клапани розташовані в один ряд, Найкраща турбулізація суміші забезпечується в плоско-овальній камері згоряння, однак в цій камері гірше наповнення циліндра свіжою сумішшю.

Хороше завихрення суміші забезпечується при використанні циліндричної камери згоряння в днищі поршня в поєднанні з впускним каналом спеціальної форми в головці блоку (рис. 7.4, є). При такій конструкції камери згоряння спрощується головка блока, оскільки нижня поверхня головки робиться плоскою.

У більш досконалих модифікаціях напівклинової камери об'єм камери згоряння частково розташований у днищі поршня (рис. 7.4, ж). Подальшим розвитком таких камер є лінзовидні камери згоряння, які складаються з двох сферичних сегментів, один з яких виконано в головці циліндра, а другий — у днищі поршня.

Зараз поширюється застосування автомобільних двигунів з трьома, чотирма і п'ятьма клапанами в кожному циліндрі. Збільшення кількості клапанів сприяє удосконаленню процесу згоряння, підвищенню антидетонаційних властивостей камери згоряння, покращенню наповнення циліндрів свіжим зарядом, зниженню токсичності відпрацьованих газів

На двигунах з великим діаметром циліндрів іноді встановлюють по дві свічки запалювання на циліндр, що запалюють суміш з двох боків, завдяки чому шлях фронту полум'я скорочується вдвічі. Дві свічки доцільно застосовувати в газових двигунах, оскільки газоповітряні суміші горять повільніше, ніж бензиноповітряні.

Енергія іскрового розряду. Збільшення енергії іскрового розряду підвищує надійність запалювання і скорочує першу фазу згоряння. Однак цей позитивний ефект можна спостерігати тільки до певного моменту, після якого наступне збільшення енергії розряду не дає значного результату.

Основні порушення нормального згоряння в двигунах з іскровим запалюванням

1) Детонаційне згоряння.

Детонаційним згорянням, або детонацією, називається особливий вид вибухового згоряння, що супроводжується різкими і дзвінкими металевими звуками. Виникає воно внаслідок самозапалювання робочої суміші у віддалених від свічки ділянках камери згоряння з гарячими стінками до приходу туди фронту полум'я. Згоряння має вибуховий характер з різким місцевим підвищенням температури і утворенням ударної хвилі тиску, що переміщується в камері згоряння зі швидкостями до 1000... 2300 м/с. Відбиваючись від стінок камери згоряння, ударна хвиля утворює нові хвилі і нові вогнища запалювання, при цьому розвивається дисоціація з утворенням оксиду вуглецю, атомарного вуглецю, водню, кисню і поглинанням великої кількості теплоти. Продукти дисоціації та незгоріла частина палива догоряють в процесі розширення але з меншою ефективністю, тому потужність двигуна знижується, двигун перегрівається, з'являється димність. При детонації лінія розширення на індикаторній діаграмі має вигляд пилки (рис. 7.5). Тривала робота двигуна з детонацією неприпустима.

Різке підвищення тиску, що виникає у фронті ударних хвиль, не є небезпечним для міцності деталей двигуна, оскільки піки тиску тривають менше 0,0001 с. Однак багаторазово повторювані хвилі тиску руйнують масляну плівку на стінках циліндра, що приводить до прискорення зносу циліндрів та поршневих кілець. Вібраційний характер навантаження на поршень при детонації може викликати руйнування антифрикційного шару в шатунних підшипниках. Короткочасні ударні хвилі не підвищують роботу газів, але різко збільшують тепловіддачу в стінки, що приводить до газової корозії поверхні камери згоряння і може викликати її місцеві руйнування. Звичайно в першу чергу руйнуються кромки прокладки головки блоку, що приводить до її прогоряння.

Зовнішні ознаки детонації: дзвінкий стукіт металевого характеру, падіння потужності, перегрів та нестійка робота двигуна, епізодична поява чорного диму з випускної труби, зниження температури відпрацьованих газів (із-за дисоціації молекул).

Фактори, що впливають на появу детонації

Конструктивні фактори

Ступінь стиску. Чим вищий ступінь стиску, тим вищий тиск і вища температура робочої суміші в кінці стиску і тим сприятливіші умови для виникнення детонації. Тому межею підвищення ступеню стиску є виникнення детонації. Але ця межа суттєво залежить від октанового числа палива, розмірів та форми камери згоряння, матеріалу поршня та головки циліндра, а також швидкохідності двигуна та способу його охолодження.

Розмір та число циліндрів. Із збільшенням діаметру циліндра збільшується шлях фронту полум'я, що сприяє виникненню детонації.

Тому в двигунах з циліндрами більшого діаметру встановлюють по дві свічки запалювання на протилежних боках камери згоряння. З цієї ж причини двигуни з іскровим запалюванням з циліндрами великого діаметру (D>100мм) не одержали розповсюдження на автомобілях. Підвищення потужності забезпечується збільшенням кількості циліндрів.

Форма камери згоряння і розміщення свічки запалювання. Для зменшення схильності до детонаційного згоряння потрібно, щоб камера згоряння була компактною, щоб було забезпечене достатнє завихрення свіжого заряду, а свічка розміщувалась так, щоб шлях фронту полум'я у всіх напрямках був приблизно однаковим.

Краще всього ці умови виконуються в камерах згоряння, розміщених у днищі поршня. Задовільні показники у напівсферичних камер, в яких забезпечений найкоротший шлях розповсюдження фронту полум'я. Інтенсивна турбулентність робочої суміші забезпечується в клинових та плоскоовальних камерах згоряння.

Матеріал поршня і головки циліндра. Схильність до детонації залежить від інтенсивності відводу теплоти від деталей, що утворюють камеру згоряння. Тому використання алюмінієвих сплавів, які мають хорошу теплопровідність, для виготовлення поршнів та головок циліндрів дозволяє на тому ж двигуні дещо підвищити ступінь стиску без виникнення детонації.

Експлуатаційні фактори

Сорт уживаного палива суттєво впливає на виникнення детонації. Стійкість палива до детонації оцінюється октановим числом. При експлуатації автомобіля необхідно використовувати той бензин, який рекомендовано в інструкції щодо його експлуатації.

Склад робочої суміші. Найбільшу схильність до детонації має робоча суміш з коефіцієнтом надлишку повітря =0,85...0,95, при якому забезпечуються найбільші температура і тиск у циліндрі, що сприяє виникненню детонації.

При роботі на більш збагачених або збіднених сумішах схильність до детонації зменшується із-за різкого зниження температури й тиску в основній фазі згоряння.

Кут випередження запалювання. Виникненню детонації сприяє ранній кут випередження запалювання, оскільки у цьому випадку частина теплоти виділяється в кінці стискання до приходу поршня в ВМТ, внаслідок чого різко підвищується тиск у другій фазі згоряння і виникають вогнища самозапалювання перед фронтом полум'я. Пізнє запалювання запобігає детонаційному згорянню.

Навантаження двигуна. При зменшенні потужності двигуна шляхом прикривання дросельної заслінки збільшується коефіцієнт залишкових газів, а тиск і температура в кінці стиску знижуються в зв'язку із зменшенням кількості введеного палива. Тому можливість виникнення детонаційного згоряння різко зменшується. З підвищенням навантаження схильність двигуна до детонації зростає.

Частота обертання колінчастого валу. При збільшенні частоти обертання, підсилюється турбулізація свіжого заряду і зростає коефіцієнт залишкових газів (із-за підвищення опору у впускній системі). Внаслідок цього температура та тиск у процесі згоряння зменшуються. Крім того скорочується час для підготовки палива до самозапалювання. У зв'язку з цим при збільшенні частоти обертання імовірність появи детонації знижується.

Тепловий стан двигуна. З підвищенням температури деталей камери згоряння двигуна зростає схильність до детонації.

Особливо впливає температура найбільш нагрітих деталей у камері, до яких в першу чергу можна віднести випускний клапан. Тому застосовування натрієвого охолодження випускних клапанів не тільки підвищує строк їх служби, але й помітно покращує антидетонаційні властивості двигуна. Ефективним є застосування роздільного охолодження головок циліндрів, що дозволяє організувати більш раціональне відведення теплоти від стінок камери згоряння.

Нагароутворення. При відкладенні нагару на стінках камери згоряння погіршується відведення теплоти від них, а також дещо збільшується ступінь стиску. Це призводить до підвищення температури і тиску робочої суміші, що сприяє появі детонації. В цьому випадку треба зменшити кут випередження запалювання та очистити камеру згоряння від нагару.

Стан навколишнього середовища. Стан атмосферного повітря характеризується трьома параметрами: тиском, температурою, вологістю. Зміна цих параметрів впливає на виникнення детонації. Чим вищі тиск та температура повітря, тим більша схильність двигуна до детонації. Підвищення вологості повітря, навпаки, знижує схильність до детонації, оскільки на випаровування вологи в циліндрах двигуна витрачається частка теплоти і температура в них зменшується.

2) Передчасне жарове запалювання.

При передчасному запалюванні робоча суміш запалюється від нагрітих ділянок камери згоряння до появи електричного розряду між електродами свічки. Таке запалювання називають жаровим. Джерелами жарового запалювання можуть бути нагріті до температури вище 950...1000 К центральні електроди та ізолятори свічок, тарілки випускних клапанів, великі розжарені (жевріючі) частки нагару. Жарове запалювання відбувається в процесі стиску. Тиск при цьому різко підвищується і може досягти максимального значення ще до завершення такту стиску. Внаслідок цього затрачується додаткова робота на стиск згораючи газів, а на індикаторній діаграмі утворюється петля. Корисна площа діаграми зменшується (рис. 7.6). Внаслідок підвищення максимального тиску і температури та збільшення часу контакту газів зі стінками циліндрів різко збільшується тепловіддача в стінки. Тому жарове запалювання підсилюється і починає виникати все раніше і раніше, і може призвести до оплавлення та прогоряння поршня.

Передчасне запалювання є небезпечним видом порушення згоряння, на яке не завжди можна своєчасно звернути увагу. Ззовні воно виявляється у падінні потужності, перегріві двигуна, у вигляді глухих стуків, які важко діагностуються, оскільки вони мало відрізняються від загального шуму двигуна. До того ж воно звичайно виникає в якомусь одному з циліндрів двигуна і потужність двигуна змінюється дуже мало. Тому необхідно суворо дотримувати відповідність «жарового числа» свічок особливостям двигуна. Свічки повинні бути стійкими проти перегріву і в той же час не повинні бути надто «холодними» - при роботі на холостому ходу температура електродів свічок не повинна бути нижче 670 К. Потрібно періодично очищати камеру згоряння від нагару і слідкувати за регулюванням зазорів у механізмі газорозподілу.

3) Подальше жарове запалювання.

У двигунах з високими ступенями стиску при роботі на паливах з присадкою антидетонатора можуть виникати вогнища жарового запалювання в ще незгорілій частині робочої суміші вже після того, як почалось згоряння від електричної іскри. Внаслідок цього збільшується швидкість наростання тиску в другій фазі згоряння і підвищується максимальний тиск згоряння, на розгорнутій індикаторній діаграмі з'являється гострий пік (рис. 7.7).

Жарове запалювання відбувається від дрібних розжарених частинок нагару, що відірвалися від стінок камери згоряння і знаходяться в робочій суміші у звішеному стані. Нагар відкладається на стінках камери при тривалій роботі з дуже малим навантаженням, або на холостому ходу, а при збільшенні навантаження відшаровується від стінок. Тому подальше жарове запалювання звичайно з'являється при переході від невеликого навантаження до повного. Воно характерне для автомобілів з двигунами великого робочого об'єму і великим запасом потужності, які в міських умовах значну частину часу працюють при дуже малому навантаженні. У зарубіжній літературі таке порушення процесу згоряння здобуло назву «рамбл» (рокіт, гуркіт). Воно виявляється у вигляді стуків глухого тону, що нагадують жорстку роботу дизелів.

Ударні та детонаційні хвилі при такому згорянні не виникають, але жорсткість роботи в 5...7 разів перевищує нормальні межі.

4) Запалювання від стиснення при вимкнутому запалюванні.

Таке запалювання проявляється у тому, що двигун продовжує працювати в режимі холостого ходу після вимикання запалювання. Помилково це явище пояснюють жаровим запалюванням. Справжня причина полягає в тому, що при достатньо високому ступені стиснення (>8) при провертанні колінчатого валу прогрітого двигуна із прикритою дросельною заслінкою температура горючої суміші в кінці процесу стиснення досягає значень, достатніх для здійснення самозапалювання суміші при малій частоті обертання колінчатого валу

(300...400 хв-1). Радикальний спосіб усунення цього явища полягає в тому, щоб одночасно із вимиканням запалювання автоматично припинялась подача палива через систему холостого ходу.

3.

Загальні положення.

У такті стиску в циліндрах дизеля стискується повітря. Незадовго до приходу поршня в ВМТ починається вприскування палива. В момент початку вприскування тиск в циліндрі досягає 3,0... 5,0 МПа, а температура повітря становить 700...900 К, що приблизно на 150... 250 К вище температури самозаймання дизельного палива. При цьому густина повітря в камері згоряння в 12...15 разів і більше перевищує густину навколишнього повітря. При наявності наддуву тиск може бути значно вищий. Вприскування палива починається до ВМТ і може закінчуватися як до ВМТ, так і після неї. На весь період сумішоутворення в дизелі відводиться дуже мало часу - 20...40 ° п.к.в., або тисячні долі секунди, що приблизно в 10 разів менше, ніж у карбюраторному двигуні. За цей проміжок часу каплі вприснутого палива повинні встигнути нагрітися та випаруватись.

Займання палива відбувається в пароподібному стані. Однак за короткий проміжок часу між початком вприскування та займанням не все паливо встигає випаруватись і частина його перебуває на початку згоряння в капельно-рідинному стані. Тому процеси займання та згоряння в дизелях розгортаються в двофазній гетерогенній системі з нерівномірною макро- та мікроструктурою.

Із-за нерівномірного розподілу палива по об'єму камери згоряння суміш випаруваного палива з повітрям досягає межі самозаймання в різних ділянках камери згоряння не одночасно, тому самозаймання відбувається спочатку в тих зонах, де ця межа досягнута. Завдяки цьому в дизелях можна використовувати якісне регулювання потужності, тобто для зміни потужності двигуна змінюють тільки кількість палива, що подається в циліндри, а кількість повітря не регулюють. Хоча при зменшенні потужності дизеля середнє значення коефіцієнту надлишку повітря збільшується і на холостому ході досягає =5...6, в окремих зонах камери згоряння створюється склад суміші, необхідний для самозаймання.

Фази згорання.

Весь процес згоряння в дизелях можна умовно поділити на чотири фази, що показані на розгорнутій індикаторній діаграмі (рис. 8.1). На ній зображено зміну тиску р, температури Т у циліндрі дизеля та інших параметрів в залежності від кута повороту  колінчастого вала.

Вприскування палива починається в точці 1. Кут між початком вприскування палива та ВМТ називають кутом випередження вприскування.

Перша фаза (І) - період затримки самозаймання палива. У цей період відбувається вприскування, розпилювання, нагрівання та випаровування капель палива і розгортаються передполуменеві реакції.

Виділення енергії в цей період незначне, тому тиск в циліндрі підвищується тільки за рахунок стиску, що продовжується. Середня температура в циліндрі може навіть знизитися, оскільки частка теплоти йде на підігрівання та випаровування палива.

Тривалість цього періоду визначається по індикаторній діаграмі від початку вприскування палива з форсунки (точка 1) до моменту відхилення кривої тиску при згорянні від кривої тиску при стисканні без вприскування палива (точка 2). Період затримки самозаймання ста-новить 12...25° п.к.в. (0,001... 0,0003 с).

Друга фаза (II) - період швидкого горіння. Вона починається з моменту відриву кривої згоряння від лінії стиску (точка 2) і закінчується при досягненні максимального тиску (точка 3). У збагачених шарах суміші пари палива з повітрям, що оточують ядра капель, відбувається самозаймання і виникають вогнища горіння. Від цих вогнищ фронт полум'я розповсюджується в просторі між каплями, який заповнений однорідною сумішшю парів палива з повітрям.

У фронтах полум'я відбувається інтенсивне тепловиділення, тиск у фронті полум'я підвищується і виникає ударна хвиля. Але ці ударні хвилі не переходять в детонаційні, як в двигунах з іскровим запалюванням, через нерівномірну структуру суміші. Тому в дизелях можна застосовувати високі ступені стиску.

У другій фазі згоряє більша частина палива, вприснутого за час затримки самозаймання, а також частина палива, яке продовжує вприскуватись у другій фазі.

Вприскування палива звичайно закінчується в другій фазі. Але в дизелях, які мають високу частоту обертання, для підвищення ККД вся доза палива вприскується в першій фазі. Однак таким дизелям притаманна висока жорсткість роботи. Нормальна швидкість підвищення тиску в другій фазі 0,4... 0,5 МПа/°п.к.в., а максимальна не повинна бути вища за 1,0 МПа/°п.к.в. Середня температура робочого тіла підвищується до 1600... 1700 К, а тиск до 6... 8,5 МПа. При наддуві тиск може перевищувати 10 МПа. Тривалість другої фази становить 10... 20° п.к.в. (0,0008 0,0015 с), впродовж цього часу виділяється 30...45 % теплоти палива

Третя фаза (ІІІ) — згоряння при майже постійному тиску, або такому, що трохи понижується. Починається вона від положення максимуму тиску (точка 3) і закінчується в положенні максимуму температури в циліндрі (точка 4). До початку третьої фази незгоріле в перших двох фазах паливо знаходиться у вигляді капель та згущень пари відділених фронтом полум'я від зон із вільним повітрям. Особливо несприятливі умови для капель палива, що вприснуте в останню чергу і потрапило до зон, де горіння закінчилося і весь кисень повітря витрачений. Внаслідок цього процес в третій фазі має характер дифузійного горіння на поверхні розділу двох середовищ. Каплі палива, що потрапили до нагрітих зон без кисню, підпадають під термічний розклад - крекінг - з утворенням часток вуглецю у вигляді сажі. У подальшому, потрапляючи в зони з киснем, сажа вигоряє. Але при нестачі повітря сажа не встигає окислитися і виходить з циліндра у вигляді диму. Тривалість третьої фази при повному навантаженні становить 15... 25°п.к.в. (0,001...0,002 с). За цей час виділяється ще 25...30 % теплоти і температура підвищується до 1800... 2200 К, досягаючи максимального значення. Однак внаслідок збільшення об'єму робочої порожнини в зв’язку з переміщенням поршня тиск у третій фазі плавно знижується.

Четверта фаза (IV) — догоряння палива та продуктів його окислення. Починається при максимальній температурі (точка 4) і не має чіткого моменту завершення, який залежить від багатьох факторів. В цій фазі завершується окислення виважених часток вуглецю, догоряють пари палива, які не встигла згоріти в другій і третій фазах.

Із-за недостачі кисню догоряння вуглецю та палива відбувається дуже повільно. Для забезпечення найбільш повного згоряння палива в дизелях потрібен значний надлишок повітря, тому на номінальному режимі коефіцієнт надлишку повітря =1,2...1,7. Внаслідок цього робочий об'єм циліндра в дизелях використовується гірше, ніж у двигунах з іскровим запалюванням.

Тривалість четвертої фази становить 50... 65 ° п.к.в. (0,0035... 0,0055 с). За цей час виділяється 15... 25 % теплоти, що введена з паливом. Ця фаза значно впливає на економічність роботи двигуна.

У цілому ж за весь процес згоряння тепловиділення з палива досягає 90...95 %. Решта 5...10 % не використовується внаслідок хімічної та фізичної неповноти згоряння.

При несприятливих умовах у відпрацьованих газах дизеля містяться сажа, оксид вуглецю та деяка кількість продуктів розкладу рідкого палива.

Фактори, які впливають на процес згоряння в дизелях

Період затримки самозаймання має значний вплив на процес згоряння в дизелях. Від нього залежить жорсткість роботи дизеля. Чим більший цей період, тим більше палива накопичується в циліндрі перед самозайманням і тим більш різко підвищується тиск у другому періоді. При значних затримках самозаймання паливо-повітряна суміш стає більш однорідною. В таких умовах самозаймання може прийняти вибуховий характер, аналогічний детонації в двигунах з іскровим запалюванням. Це відбувається, наприклад, при роботі дизеля на легковипарному бензині, який має низьке цетанове число і відповідно великий період затримки самозаймання. Треба прагнути, щоб період затримки самозаймання був якнайменшим. Це залежить від ряду експлуатаційних та конструкційних факторів, розглянутих нижче.

Фізико-хімічні властивості палива. Основними вимогами до палива для дизелів є хороше самозаймання та здатність до якісного розпилювання та сумішоутворення. Чим вище цетанове число палива, тим менший період затримки самозаймання.

З фізичних властивостей палива на процес згоряння впливають в'язкість, поверхневий натяг та випарність. Перші два фактори впливають на дрібність розпилювання, а третій - на швидкість утворення горючої суміші.

Тиск і температура в кінці стиску. Підвищення тиску і особливо температури в момент вприскування палива в камеру згоряння сприяє зменшенню періоду затримки самозаймання. На тиск і температуру в циліндрі впливають тиск і температура повітря на впуску в дизель та його тепловий стан. Тому підвищення температури і тиску навколишнього повітря та підтримання нормального теплового стану дизеля сприятливо впливають на протікання робочого процесу та довговічність дизеля.

Частота обертання колінчастого вала. При збільшенні частоти обертання підсилюється турбулентність свіжого заряду, прискорюються теплообмін та випаровування крапель палива, а також передполуменеві реакції. Підвищується тиск вприскування. Знижується коефіцієнт наповнення циліндрів повітрям, що приводить до деякого збагачення робочої суміші. Все це разом сприяє прискоренню підготовки палива до самозаймання, скороченню періоду затримки самозаймання та всього процесу згоряння за часом. Однак кут повороту колінчастого вала за час згоряння збільшується. Тому, щоб процес згоряння проходив ближче до ВМТ і тепловикористання було кращим, необхідно в міру збільшення частоти обертання збільшувати кут випередження вприскування. Для цього на паливному насосі встановлюють спеціальну муфту випередження вприскування.

Завихрювання повітря в камері згоряння. В дизелі сумішоутворення відбувається майже водночас із згорянням, тому для ефективного згоряння необхідно створити достатньо інтенсивне направлене завихрення повітря, при якому буде забезпечено задовільне сумішоутворення по всьому об'єму камери згоряння.

Ступінь стиску. З підвищенням ступеню стиску збільшуються тиск і температура повітря до моменту вприскування палива, і період затримки самозаймання палива скорочується. Але при цьому значно зростає максимальний тиск згоряння. З точки зору найкращого тепловикористання оптимальною є ступінь стиску =13...14. Однак для забезпечення надійності пуску та стійкої роботи при малих навантаженнях і частотах обертання застосовують =14...17. А в деяких двигунах ступінь стиску підвищують до  = 22... 26.

Якість розпилювання палива. За період затримки самозаймання встигають повністю випаритись каплі діаметром 12...15 мкм; каплі більшого діаметра випаровуються частково. Навколо них утворюється оболонка з пари, в центрі якої залишається рідке ядро. Якщо діаметр капель дорівнює 15...50 мкм, то такі рідкі ядра встигають в процесі згоряння повністю випаруватись і окислитись. Але якщо діаметр капель перевищує 50...100 мкм, тоді в каплях відбувається термічний крекінг з утворенням твердого вуглецю. Тому при розпилюванні палива не повинно бути багато капель, більших за 50 мкм. Капель діаметром 100 мкм не повинно бути взагалі, оскільки вони є причиною сильного димління дизеля.

Однак надто дрібне та однорідне розпилювання палива призводить до збільшення затримки самозапалювання. Це пояснюється тим, що дрібні каплі встигають випаруватись і дифундувати в повітря до того, як буде досягнута температура самозаймання. Коли ж така ділянка буде прогріта до достатньої температури, суміш виявляється надто бідною і самозаймання не відбувається, дизель може навіть зупинитись. Тому факел розпиленого палива повинен мати оптимальну нерівномірність за розмірами капель, щоб на будь-якому режимі роботи утворювалися зони із збагаченою сумішшю, спроможною до самозаймання.

Суттєве значення має далекобійність факелу. Якщо паливо досягає холодних стінок головки блоку, то воно надто пізно випаровується і вступає в реакцію горіння із запізненням. При цьому з'являється сизий дим.

Якщо паливо потрапляє на гарячі стінки камери, розташованої в поршні, то це сприятливо впливає на процес згоряння. Робота багатьох сучасних дизелів супроводжується попаданням частки палива на стінки камери згоряння, розташованої в поршні.

Закон та тривалість вприскування палива. Для найкращого використання теплоти тривалість вприскування повинна бути якомога коротшою. В усякому разі впорскування необхідно скінчити у другій фазі згоряння. Але при короткому вприскуванні збільшується кількість палива, накопиченого в циліндрі за період затримки самозаймання. При цьому збільшується жорсткість роботи і максимальний тиск згоряння. Тому процес вприскування доводиться дещо розтягувати. При максимальній подачі палива він відбувається протягом 25...30° п.к.в. У звичайній паливній апаратурі швидкість подачі палива приблизно однакова за час всього періоду вприскування. Але більш раціонально для обмеження жорсткості згоряння організувати його так, щоб на початку вприскування подача палива була менш інтенсивною для зменшення кількості палива, що потрапляє до циліндра за час затримки самозаймання. В кінці, коли горіння почалось, швидкість вприскування повинна різко збільшитись. Таке вприскування називають ступінчастим.

Більш ефективна двохфазна подача палива, при якій частина палива (5...20 %) подається в циліндр на початку впуску і до вприскування основної дози палива проходить довготривалу підготовку до згоряння.

Матеріал поршня та головки блоку циліндрів. Тепловтрата з камер згоряння в дизелях повинна бути мінімальною, тому найкращим матеріалом для поршня та головки блоку циліндрів є чавун. Однак у дизелях з чавунними поршнями зростають сили інерції мас, що рухаються зворотно поступально, тому на сучасних швидкохідних дизелях застосовуються поршні з алюмінієвого сплаву, а обмеження тепловтрати забезпечується раціональною конструкцією поршня та камери згоряння.

Кут випередження вприскування. При надто ранньому вприскуванні паливо потрапляє в камеру згоряння при невеликому тискові і низькій температурі, що приводить до збільшення періоду затримки самозапалювання, підвищенню жорсткості роботи та зростанню максимального тиску згоряння (рис. 8.2). При пізньому куті випередження вприскування значна частина процесу згоряння переходить на лінію розширення і велика частка палива згоряє в фазі догоряння. Дизель працює при цьому м'яко, але корисна робота циклу зменшується, поршень, головка блоку циліндрів та циліндри перегріваються, підвищується температура відпрацьованих газів.

З підвищенням частоти обертання кут випередження вприскування треба збільшувати. Із зменшенням навантаження температура в циліндрах знижується, тому корисно зменшувати кут випередження вприскування, щоб паливо поступало при більшому тискові та більшій температурі повітря, що стискується.

Навантаження і склад робочої суміші. У дизелях потужність регулюється зміною подачі палива при практично постійній витраті повітря, при цьому середній коефіцієнт надлишку повітря збільшується від = 1,3...1,6 при повному навантаженні до =8...10 на холостому ходу.

На часткових навантаженнях зменшується кількість теплоти, що вводиться в дизель з паливом, тому зменшується температура продуктів згоряння та теплові навантаження на деталі камери згоряння. Зміни подачі палива не мають значного впливу на період затримки самозаймання, оскільки завдяки нерівномірності місцевих концентрацій палива завжди є зони з оптимальним складом суміші для самозаймання. Збільшення надлишку повітря на малих навантаженнях сприяє більш повному згорянню та покращенню тепловикористання на цих режимах, які переважають в експлуатації. Але це покращення має місце до =3... 3,5. При подальшому збільшенні  збільшується кількість зон з бідними сумішами і згоряння уповільнюється. Крім того, при малих подачах погіршується розпилювання палива, з'являються каплі діаметром більше 100 мкм. Негативно впливає на згоряння також зниження теплового стану двигуна. Основні параметри процесу згоряння наведено у табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Основні параметри процесу згоряння