В дизельных двигателях смесеобразование осуществляется внутри цилиндра, вследствие чего продолжительность данного процесса в 45-70 раз меньше в сравнении с карбюраторными двигателями. Из-за этого топливо не успевает распределиться по объёму камеры сгорания равномерно. Учитывая данный фактор, для нормального сгорания топлива в дизельном двигателе коэффициент избытка воздуха α>1.
На [рис. 1] показана развёрнутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя в функции от угла поворота коленвала. Процесс сгорания в дизельном двигателе условно делится на четыре периода.
Рис. 1. Развёрнутая диаграмма процесса сгорания в дизельном двигателе.
Первый период. Топливо впрыскивается в точке (2), когда поршень не доходит до в.м.т. на угол θ (угол опережения впрыскивания). До точки (3) происходит подготовка топлива к сгоранию, и период от точки (2) до точки (3) именуется как период задержки воспламенения топлива. Его продолжительность по возможности должна быть минимальной, так как увеличение данного периода влечёт за собой накопление значительного количества топлива в цилиндре, что приведёт во втором периоде быстрого сгорания (отрезок 3-4) очень резкое повышение давления и, как итог, повышенную жёсткость работы дизельного двигателя.
Второй период. При нормальном протекании процесса сгорания отношение Δρ/Δα должно быть не более 0,4-0,6 МПа/град. Чтобы уменьшить жёсткость следует пытаться сократить первый период за счёт правильного выбора топлива, качества распыливания, степени сжатия, улучшения вихревого движения заряда и прочих факторов.
Цетановое число используется для оценки самовоспламеняемости топлива. Цетановое число тем выше, чем больше содержится в топливе парафиновых углеводородов. Использование таких топлив даёт возможность значительно уменьшить период задержки воспламенения и существенно снизить жёсткость работы дизельного двигателя.
Меньшая жёсткость работы у дизельных двигателей наблюдается при плёночном смесеобразовании и камерах сгорания раздельного типа.
Использование камер сгорания раздельного типа даёт возможность уменьшить скорость нарастания давления (Δρ/Δα) в надпоршневом пространстве за счёт уменьшения интенсивности истечения газов из отдельных частей камеры.
Топливо, подготовленное к сгоранию, в первом периоде самовоспламеняется и горит с интенсивным тепловыделением, а также повышением давления. Во втором периоде нарастание давления в основном зависит от продолжительности первого периода, а также от качества распыливания топлива и закона его подачи в первом и во втором периодах сгорания. К концу второго периода достигается максимальное давление pz.
Третий период протекает при замедленном тепловыделении вследствие недостатка кислорода и с несущественным изменением давления (отрезок 4-5) за счёт увеличения объёма и он именуется периодом медленного сгорания. Максимальная температура цикла достигается при 20-35 град. п.к.в. после в.м.т. К этому времени сгорает порядка 70-80% топлива. На продолжительность данного периода сгорания в основном влияет интенсивность перемешивания с воздухом горючих частей топлива. Сгорание тем полнее, чем она больше. Как правило, прекращение подачи топлива происходит в третьем периоде, но его догорание продолжается и в процессе расширения.
Четвёртый период – догорание топлива, которое начинается при максимальной температуре цикла (точка 5) и заканчивается на линии расширения (70-80 град. п.к.в. после в.м.т.). Чтобы достичь максимальных экономических и мощностных показателей дизельного двигателя требуется стремиться к сокращению периода догорания.
Факторы, влияющие на характер протекания всего процесса сгорания:
1) – состав дизельного топлива;
2) – степень сжатия;
3) – качество распыливания;
4) – закон (продолжительность) подачи топлива;
5) – конструкция камеры сгорания;
6) – угол опережения впрыскивания топлива;
7) – частота вращения коленвала;
8) – нагрузка на двигатель.
Использование тяжёлого топлива, которое имеет более низкую температуру самовоспламенения (в сравнении с карбюраторными двигателями) исключает возможность появления детонации за счёт его подачи в самом конце сжатия. Другим важным преимуществом дизельных двигателей является их лучшая экономичность (в сравнении с карбюраторными двигателями) при снижении нагрузки вследствие большей полноты сгорания топлива из достаточного объёма воздуха в рабочей смеси.