На рис. 1 показана типичная развернутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя, то есть диаграмма изменения давления внутри цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала <р.

Подача топлива форсункой в камеру сгорания начинается в точке 1 за 10—20° поворота коленчатого вала до в. м. т. Заканчивается впрыскивание топлива у различных двигателей как после в. м. т., так и до нее. Угол между началом подачи топлива и в. м. т. называется углом опережения впрыскивания топлива. Продолжительность впрыскивания топлива соответствует периоду от начала до конца подачи топлива.

Воспламенение топливовоздушной смеси происходит не сразу, а спустя некоторое время после впрыскивания топлива в камеру сгорания. Это время называется периодом задержки самовоспламенения. Самовоспламенение паров топлива происходит в точке 2, этому предшествует определенный период, измеряемый тысячными долями секунды, в течение которого происходит ряд физических и химических процессов. Топливо распиливается в сжатом горячем воздухе, капельки его подогреваются до высокой температуры и испаряются. Под действием высокой температуры и кислорода воздуха происходят предпламенные реакции многостадийного окисления углеводородов, входящих в состав топлива. В горючей смеси накапливаются кислородсодержащие неустойчивые соединения, которые затем начинают распадаться с выделением части тепловой энергии (10—15%) и кислорода, тем самым способствуя окислению других молекул углеводородов. Холодно-пламенное окисление приводит к повышению температуры рабочей смеси и появлению многих очагов воспламенения. В этот момент появляется голубое свечение, называемое “холодным пламенем”. В результате повышения температуры рабочей смеси скорость химических реакций возрастает, происходит ее самовоспламенение, то есть появление горячего пламени.

Общий период задержки можно разделить на время, затрачиваемое на протекание физических процессов (распыливание топлива, испарение, смешивание паров с воздухом), и время, необходимое для химических реакций (предпламенные реакции и формирование очагов самовоспламенения).

В точке 2 начинается сгорание топлива, большая часть поступившего топлива к этому моменту успевает испариться и процесс сгорания охватывает все новые порции топливовоздушной смеси. Топливо продолжает подаваться форсункой в’ камеру сгорания, оно интенсивно смешивается с воздухом, испаряется и быстро сгорает. Поданное топливо в основном воспламеняется вследствие смешивания с горячими продуктами сгорания топлива, поступившего в цилиндр в период задержки самовоспламенения. В результате быстрого сгорания топлива давление в цилиндре значительно увеличивается. Период быстрого сгорания продолжается от точки 2 до точки 3. В этом периоде выделяется основное количество тепловой энергии цикловой подачи топлива (до 70%), подача топлива форсункой продолжается, давление увеличивается. Концом периода условно считают точку 3, в которой достигается максимальное давление. В конце быстрого сгорания нарастание давления прекращается, скорость сгорания снижается. После точки 3 начинается период замедленного сгорания, давление изменяется незначительно. В этот период прекращается подача топлива, но процесс сгорания продолжается и температура газов повышается, при этом выделяется около 20% тепловой энергии топлива. Снижение давления в конце периода (точка 4) объясняется увеличением объема камеры сгорания в связи с движением поршня к н. м. т. Концом периода замедленного сгорания условно принимается точка 4, когда достигается максимальная температура газов в камере сгорания. После этого происходит догорание остатков несгоревшего топлива и продуктов неполного сгорания. Чем тяжелее топливо, выше его вязкость и плотность, тем длительнее период догорания. Фаза догорания может охватывать до 70° угла поворота коленчатого вала до в. м. т., причем процесс догорания влияет на дымность и токсичность отработавших газов.

При большом периоде задержки самовоспламенения топливо-воздушной смеси в цилиндре дизеля накопляется и сгорает большая часть топлива. Это вызывает резкое увеличение давления на каждый градус поворота коленчатого вала, в результате чего наблюдается так называемая «жесткая работа» двигателя. Внешние признаки «жесткой работы» двигателя идентичны детонационному сгоранию бензина в бензиновых двигателях. Если на один градус поворота коленчатого вала давление в камере сгорания увеличивается на 0,25—0,6 МПа, то двигатель работает мягко, при 0,6—0,9 МПа — жестко, а выше 0,9 МПа — очень жестко. .

На рис. 1 показана жесткая работа двигателя (кривая б). Период задержки самовоспламенения соответствует т2, в точке 2 происходит самовоспламенение, давление после самовоспламенения нарастает с большой скоростью. При жесткой работе дизеля увеличиваются силовые нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя, что ведет к повышенному их износу.

Состав топлива оказывает большое влияние на период задержки самовоспламенения. В табл. 1 приведены температуры самовоспламенения углеводородов. Самую низкую температуру самовоспламенения имеют «-парафиновые углеводороды. Чем выше их молекулярная масса, тем ниже температура самовоспламенения. Оценкой самовоспламеняемости дизельных топлив служит цетановое число. Для определения цетанового числа применяются установки ИТ9-3 и ИТ9-ЗМ. Установки имеют одноцилиндровый четырехтактный дизель с переменной степенью сжатия от 7 до 23. При проведении испытаний частота вращения коленчатого вала дизеля должна быть 14,4 с-1, угол опережения впрыскивания топлива —13° до в. м. т., давление впрыскивания 10,4 МПа. Установки снабжены приборами для замера степеней сжатия двигателей, при которых испытуемое, топливо и смеси эталонных топлив; имеют одинаковый период задержки самовоспламенения. Оценка самовоспламеняемости дизельных топлив произвол дится по ГОСТ 3122—67.

Таблица 1.
Температура самовоспламенения углеводородов

В качестве эталонных топлив выбраны «-парафиновый: углеводород — w-цетан и ароматический углеводород —: а-метилнафталин. Цетан имеет очень малый период задержки самовоспламенения, его цетановое число условно принято за 100. а-Метилнафталин имеет большой период задержки самовоспламенения и его цетановое число условно принято за 0. Смеси «-цетана и а-метилнафталина в раз: личных соотношениях имеют разную самовоспламеняемость. Определение цетанового числа дизельного топлива-производят следующим образом. Запускают двигатель на; испытуемом топливе и, изменяя степень сжатия, добиваются, чтобы самовоспламенение топлива началось точно в; в. м. т., т. е. период задержки самовоспламенения равнялся 13°. Затем подбирают такую смесь н-цетана и а-метил-J нафталина, которая при той же степени сжатия также воспламеняется в в. м. т., то есть обладает таким же периодом; задержки самовоспламенения (13°), как и испытуемое топливо.

Цетановым числом называется процентное (объемное) содержание н-цетана и а-метилнафталина в смеси, которая по самовоспламеняемости аналогична испытуемому топливу. Например, если испытуемое дизельное топливо имеет! цетановое число 45, это значит, что по своей самовоспламеняемости оно эквивалентно искусственной смеси эталонных топлив, содержащей 45% н-цетана и 55% а-метил-нафталина. Цетановое число дизельного топлива зависит от его химического состава, склонности к окислению. Наиболее быстро окисляются и распадаются парафиновые углеводороды нормального строения, в результате чего образуются пероксиды и другие легковоспламеняющиеся соединения. Нормальные парафиновые углеводороды имеют самые высокие цетановые числа. Ароматические углеводороды самовоспламеняются при более высоких температурах и за больший промежуток времени, имеют самые низкие цетановые числа. Поэтому увеличение содержания ароматических углеводородов в дизельном топливе ведет к ухудшению его самовоспламеняемости, т. е. снижению цетанового числа.

Таблица 2.
Цетановые числа углеводородов

Для увеличения цетанового числа дизельных топлив могут быть испольк>ваны различные присадки, например, изопропилнитрат. Присадки ускоряют начальные пред-< пламенные реакции, благоприятствуют разветвлению окислительных цепей и образованию новых активных центров реакции.

Чем ниже цетановое число, тем выше жесткость работы дизеля. Значение цетанового числа оказывает большое влияние и на другие показатели работы двигателя! его пуск, максимальное давление сгорания, удельный расход топлива, температуру выхлопа, отложения в двигателе, дымность и запах отработавших газов. С увеличением цетанового числа топлива облегчается пуск двигателя и увеличивается максимальное давление сгорания, остальные показатели снижаются, работа двигателя в целом улучшается. Например, при цетановом числе юплива, равном 35, дизель запускается легко при температуре окружающего воздуха + 35 °C и выше, а при цетановом числе, равном 50 двигатель запускается при температуре воздуха + 4 ®С, – На топливе с цетановым числом 53 дизель запускается в течение 3 с, а на топливе с цетановым числом 38 — в течение 45—50 с.