Смесеобразование в двс. Процессы смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания Внутреннее смесеобразование

Подготовка смеси топлива с возду­хом в необходимых пропорциях, обеспе­чивающих наиболее эффективное горе­ние, называется смесеобразованием. Различают двигатели с внешним и внутренним смесеобразо­ванием.

К ДВС с внешним смесеобразовани­ем относятся карбюраторные и некото­рые газовые двигатели. В двигателях, работающих на бензине, смесь готовится в карбюраторе. Простейший карбюра­тор, принципиальная схема которого по­казана на рис. 42, состоит из поплавко­вой и смесительной камер. В поплавко­вой камере помещается латунный по­плавок 1 , укрепленный шарнирно на оси 3, и игольчатый клапан 2, которыми поддерживается постоянный уровень бензина. В смесительной камере распо­ложен диффузор 6, жиклер 4 сраспыли­телем 5 и дроссельная заслонка 7 . Жик­лер представляет собой пробку с калиб­рованным отверстием, рассчитанным на протекание определенного количества топлива.

Рис. 42. Принципиальная схема простейшего карбюратора

Когда поршень движется вниз и впускной клапан открыт, во впускном трубопроводе и смесительной камере со­здается разрежение, и под действием разности давлений в поплавковой и сме­сительной камерах из распылителя вы­текает бензин. Одновременно через сме­сительную камеру проходит поток воз­духа, скорость которого в суженной части диффузора (там, куда выходит ко­нец распылителя) достигает 50-150 м/с. Бензин мелко распыливается в струе воз­духа и, постепенно испаряясь, образует горючую смесь, которая по впускному трубопроводу поступает в цилиндр. Ка­чество горючей смеси зависит от соотно­шения количеств бензина и воздуха. Го­рючая смесь может быть нормальной (15кг воздуха на 1 кг бензина), бедной (более 17 кг/кг) и богатой (менее 13 кг/кг). Количество и качество горючей сме­си, а следовательно, мощность и число оборотов двигателя регулируются дрос­сельной заслонкой и рядом специальных приспособлений, которые предусматри­ваются в сложных многожиклерных кар­бюраторах.

К ДВС с внутренним смесеобразова­нием относятся дизельные двигатели. На процессы смесеобразования, происходя­щие непосредственно в цилиндре, отво­дится незначительное время - от 0,05 до 0,001 с; это в 20-30 раз меньше времени внешнего смесеобразования в карбюра­торных двигателях. Подача топлива в цилиндр дизеля, последующее распыливание и частичное распределение по объему камеры сгорания производятся топливоподающей аппаратурой - насосом и форсункой. Современные дизели имеют форсунки, где число сопловых от­верстий диаметром 0,25-1 мм доходит до десяти.

Бескомпрессорные дизели бывают с неразделенной и разделенной камерами сгорания. Тонкость распыливания и дальнобойность факелов в неразделен­ных камерах обеспечиваются благодаря высокому давлению впрыска топлива (60-100 МПа). В разделенных камерах сгорания происходит более качественное смесеобразование, что позволило су­щественно снизить давление впрыска топлива (8-13 МПа), а также использо­вать более дешевые сорта топлива.

В газовых двигателях газообразное топливо и воздух по соображениям безо­пасности подаются по отдельным трубо­проводам. Дальнейшее смесеобразование осуществляется или в специальном сме­сителе до их поступления в цилиндр (за­полнение цилиндра в начале хода сжа­тия производится готовой смесью), или в самом цилиндре, куда они подаются раздельно. В последнем случае вначале цилиндр заполняется воздухом и затем по ходу сжатия в него через специальный клапан подается газ под давлением 0,2- 0,35 МПа. Наибольшее распространение получили смесители второго типа. Вос­пламенение газовоздушной смеси осуще­ствляется электрической искрой или раскаленным запальным шаром - кало­ризатором.

В соответствии с различными при­нципами смесеобразования различаются и требования, которые предъявляют кар­бюраторные двигатели и дизели к при­меняемым в них жидким топливам. Для карбюраторного двигателя важно, чтобы топливо хорошо испарялось в воздухе, который имеет температуру окружающей среды. Поэтому в них применяют бензи­ны. Основной проблемой, препятствую­щей повышению степени сжатия в таких двигателях сверх уже достигнутых зна­чений, является детонация. Упрощая яв­ление, можно сказать, что это - пре­ждевременное самовоспламенение горю­чей смеси, нагретой в процессе сжатия. При этом горение принимает характер детонационной (ударной, несколько на­поминающей волну от взрыва бомбы) волны, которая резко ухудшает работу двигателя, вызывает его быстрый износ и даже поломки. Для ее предотвращения выбирают топлива с достаточно высокой температурой воспламенения или добав­ляют в топливо антидетонаторы - ве­щества, пары которых уменьшают ско­рость реакции. Наиболее распространен­ный антидетонатор - тетраэтилсвинца Pb (C 2 H 5) 4 - сильнейший яд, действую­щий на мозг человека, поэтому при обра­щении с этилированным бензином нужно быть крайне осторожным. Соединения, содержащие свинец, выбрасываются с продуктами сгорания в атмосферу, за­грязняя и ее, и окружающую среду (с травой газонов свинец может попасть в пищу скоту, оттуда - в молоко и т. д.). Поэтому потребление этого экологически опасного антидетонатора должно быть ограничено, и в ряде городов меры в этом отношении принимаются.

Для определения склонности данного топлива к детонации устанавливают ре­жим, при котором оно (естественно, в смеси с воздухом) начинает детониро­вать в специальном двигателе со строго заданными параметрами. Затем на этом же режиме подбирают состав смеси изо -октана C 3 H 18 (труднодетонирующего топлива) с н -гептаном C 7 H 16 (легкодето­нирующим топливом), при котором тоже возникает детонация. Процентное содер­жание изооктана в этой смеси называет­ся октановым числом данного топлива и является важнейшей характеристикой топлив для карбюраторных двигателей.

Автомобильные бензины маркируют по октановому числу (АИ-93, А-76 и т.п.). Буква А обозначает, что бензин автомобильный, И - октановое число, определенное специальными испы­таниями, а цифра после букв - само ок­тановое число. Чем оно выше, тем мень­ше склонность бензина к детонации и тем выше допустимая степень сжатия, а зна­чит, и экономичность двигателя.

У авиационных двигателей степень сжатия выше, поэтому октановое число авиационных бензинов должно быть не меньше 98,6. Кроме того, авиационные бензины должны более легко испаряться (иметь низкую температуру «кипения») в связи с низкими температурами на больших высотах. В дизелях жидкое топ­ливо испаряется в процессе горения при высокой температуре, поэтому испаряе­мость для них роли не играет. Однако при рабочей температуре (температуре окружающей среды) топливо должно быть достаточно жидкотекучим, т. е. иметь достаточно низкую вязкость. От этого зависит безотказная подача топлива к насосу и качество распыления его форсункой. Поэтому для дизельного топлива важна прежде всего вязкость, а также содержание серы (это связано с экологией). В маркировке дизельного топлива ДА, ДЗ, ДЛ и ДС буква Д обоз­начает - дизельное топливо, следующая буква А - арктическая (температура окружающего воздуха, при которой при­меняется это топливо t о = -30 °С), З - зимнее (t 0 = 0 ÷ -30 °С), Л - летнее (t о > 0°С) и С - специальное, получае­мое из малосернистых нефтей (t 0 >0 o C).

Вопросы для самопроверки

1. Что называется поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС)?

2. Объясните принцип работы поршневого двигателя внутреннего сгорания?

3. Принцип действия простейшего карбюратора?

Объемное смесеобразование – это смесеобразование, при котором 90 – 95% впрыскивается в объем камеры сгорания и только 5 – 10% достигают стенок камеры сгорания. Конструктивно этот тип смесеобразования может оформляться как смесеобразование в неразделенных камерах сгорания и в вихревых камерах.

Несмотря на большое число факелов топлива, при отсутствии вращательного движения заряда в камере сгорания воздух между факелами используется не полностью. Смесеобразование улучшается путем создания тангенциального вращательного движения воздуха в камере сгорания. Однако должен существовать оптимум направленной скорости движения заряда. При чрезмерном ее значении мелкие капли и пары топлива из объема одной струи могут движением заряда переноситься в объем другой струи, приводя к ухудшению смесеобразования. Данный вид объемного смесеобразования характерен для тихоходных дизелей (Д-12).

На быстроходных дизелях используют разделенные вихревые камеры сгорания, состоящие из основной и вихревой камер сгорания. Объем вихревой камеры составляет (0,4…0,6) V с. Вихревые камеры размещаются в головке блока и выполняются в виде сферы, соединенной с напоршневым пространством серповидным каналом. При этом ось канала направлена по касательной к внутренней поверхности вихревой камеры. По этой причине в последней создается направленное вихревое движение заряда со скоростью 100-200 м/с.

Этот тип обеспечивает легкую работу двигателя, но имеет малую экономичность из-за тепловых потерь в вихревой камере и потерь при перетекании заряда из вихревой в основную камеру.

Плёночное смесеобразование .

Плёночное смесеобразование обеспечивается подачей 95% топлива на стенки камеры сгорания и только небольшой части в объём камеры сгорания. Эта часть топлива получила название запальной. В последнее время всё большее распространение получило плёночное смесеобразование, осуществляемое по M-процессу. Осуществляется в камерах типа MAN или «Дойтц».

Рис. 25. Камера сгорания типа «Дойтц» и MAN

Сущность M-процесса сводится к тому, что топливо впрыскивается форсункой с одним или двумя сопловыми отверстиями под углом 15 градусов к стенке камеры сгорания сферической формы, в которой создаётся интенсивное вращательное движение воздушного заряда. При этом направление движения струи топлива совпадает с направлением движения воздушного потока, что способствует равномерному растеканию топлива по стенкам камеры сгорания и образование пленки. Начальный очаг воспламенения возникает в объеме камеры сгорания за счет попадания в него 5% топлива, отражающегося от стенок камеры сгорания. В связи с тем, что количество топлива, испаряющегося в объеме камеры сгорания, невелико, соответственно и мало понижение температуры в начальных очагах смесеобразования, чем достигается сокращение периода задержки самовоспламенения. Топливо, попавшее на стенки, прогревается и испаряется и, перемешиваясь с воздухом в объеме камеры сгорания начинает принимать участие в процессе сгорания.

Сгорание в дизелях с М-процессом протекает мягко, сопоставляя с работой ДВС. Сгорание бездымное даже при  = 1,15..1,2.

К недостаткам можно отнести следующие:

Затрудненный пуск двигателя в холодное время, т.к. топливо, попавшее на стенки камеры сгорания, испаряется с трудом => необходим сильный подогрев поступающего воздуха

Наличие при работе ДВС неприятного запаха

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ - (в двигателях внутреннего сгорания) образование горючей смеси. Внешнее смесеобразование (вне цилиндра) осуществляется карбюратором (в карбюраторных двигателях) или смесителем (в газовых двигателях), внутреннее смесеобразование форсункой… … Большой Энциклопедический словарь

смесеобразование - я; ср. Процесс образования смесей. Ускоренное с. С. в двигателях внутреннего сгорания (перемешивание топлива с воздухом или др. окислителем для наиболее полного и быстрого сгорания топлива). * * * смесеобразование (в двигателях внутреннего… … Энциклопедический словарь

Смесеобразование - (в двигателях внутреннего сгорания), образование горючей смеси. Внешнее смесеобразование (вне цилиндра) осуществляется карбюратором (в карбюраторных двигателях) или смесителем (в газовых двигателях), внутреннее смесеобразование форсункой… … Автомобильный словарь

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ - процесс получения рабочей (горючей) смеси в двигателях внутр. сгорания. Различают 2 осн. вида С.: внешнее и внутреннее. При внешнем С. процесс получения рабочей смеси осуществляется гл. обр. вне рабочего цилиндра двигателя. При внутреннем С.,… … Большой энциклопедический политехнический словарь

В зависимости от способа приготовления топливовоздушной (горючей) смеси различают двигатели:

• с внешним смесеобразованием
• с внутренним смесеобразованием

Горючей смесью называют смесь паров топлива или горючего газа с воздухом в отношении, обеспечивающем сгорание ее в рабочем цилиндре двигателя. Образуется горючая смесь в двигателях в процессе смесеобразования. Она перемешивается в камере сгорания с остаточными продуктами сгорания и образует рабочую смесь.

Смесеобразование - процесс приготовления рабочей смеси. В двигателях внутреннего сгорания различают смесеобразование внешнее и внутреннее.

Внешнее смесеобразование - процесс приготовления рабочей смеси вне цилиндра двигателя - в карбюраторе (у двигателей, работающих на жидком легкоиепаряющемся топливе) или в смесителе - у двигателей, работающих на газе.

Внутреннее смесеобразование - процесс приготовления рабочей смеси внутри цилиндра. Топливо подается в камеру сгорания форсункой при помощи насоса высокого давления.

В быстроходных дизелях применяют два способа образования смеси: объемное и пленочное.

Объемным смесеобразованием называется такой способ образования горючей смеси, при котором топливо из жидкого состояния превращается в парообразное под действием вихревых потоков воздуха в камере сгорания.

Пленочный способ смесеобразования заключается в превращении топлива из жидкого состояния в парообразное в процессе перемещения тонкого слоя (пленки) топлива по поверхности камеры сгорания под действием потока воздуха. Для полного сгорания топлива при объемном смесеобразовании требуется, чтобы форсунки хорошо распыливали и равномерно распределяли топливо по объему камеры сгорания. В дизелях, работающих с пленочным смесеобразованием, топливо впрыскивается форсункой на поверхность камеры сгорания под малым углом к поверхности. Затем оно вихревыми потоками воздуха перемещается по нагретой поверхности камеры и испаряется. При таком способе смесеобразования к форсунке предъявляются менее высокие требования, чем при объемном.

Для полного сгорания топлива в двигателе требуется минимальное, так называемое теоретически необходимое, количество воздуха. Так, для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 0,496 кмоль воздуха, а для сгорания 1 кг бензина 0,516 кмоль воздуха. Однако вследствие несовершенства процесса смесеобразования количество воздуха, содержащегося в горючей смеси работающего двигателя, может быть больше или меньше, чем указано.

Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха а. Он зависит от типа двигателя, конструкции, вида и качества топлива, режима и условий работы двигателя. У автомобильных двигателей, работающих на бензине, а = 0,85… 1,3. Наиболее благоприятные условия для сгорания топлива создаются при а = 0,85…0,9. Двигатель при этом развивает максимальную мощность. Наиболее экономичный режим работы - при а = 1,1…1,3. Это режим нагрузок, близких к полной.

Образование рабочей смеси в карбюраторных двигателях начинается в карбюраторе, продолжается во впускных трубопроводах и заканчивается в камере сжатия. В дизелях рабочая смесь образуется в камере сжатия при впрыске топлива в нее форсункой. Поэтому времени на приготовление рабочей смеси в дизелях будет меньше, чем в карбюраторных двигателях, и качество приготовления рабочей смеси хуже.

Для обеспечения полного сгорания единицы поступившего в цилиндр топлива дизелям нужно больше воздуха, чем карбюраторным двигателям. В связи с этим коэффициент избытка воздуха у дизелей колеблется на режимах полной и близкой к полной нагрузке в пределах 1,4…1,25, а на холостом ходу равен 5 и более единицам.

Если в составе рабочей смеси воздуха меньше, чем теоретически необходимо для полного сгорания содержащегося в смеси топлива, то такая смесь называется «богатой». Если а>1, т. е. в смеси воздуха больше, чем теоретически необходимо для сгорания топлива, то такая смесь называется «бедной».

Чем выше качество смесеобразования, тем ближе величина а к единице. Для каждого типа двигателя коэффициент а имеет свои значения. В процессе эксплуатации нарушается регулировка топливоподающей аппаратуры, загрязняются воздушные фильтры, а это приводит к повышению гидравлического сопротивления и снижению количества воздуха, поступающего в цилиндры. При этом рабочая смесь часто переобогащается. В результате топливо сгорает не полностью. Вместе с отработавшими газами в атмосферу выбрасываются токсичные их составляющие, такие, как окись углерода (СО), окись и двуокись азота (NO, N02). Они загрязняют окружающую среду. Наряду с этим ухудшается экономичность работы двигателя. Особенно много выделяется окиси углерода при работе бензиновых двигателей на обогащенной смеси. В небольших количествах СО выделяется при работе дизелей на холостом ходу. Это вызывается местными переобогащениями смеси вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры.

Для уменьшения загрязнения окружающей среды необходимо своевременно и высококачественно регулировать топливоподающую аппаратуру и обслуживать систему фильтрации воздуха и механизм газораспределения.

По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия.

В двигателях с принудительным воспламенением рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, которая образуется тогда, когда поршень приближается к верхней мертвой точке (в.м.т.) в такте сжатия. К этому моменту в камере сжатия находится топливовоздушная смесь, сжатая до 0,9… 1,5 МПа и нагретая до 280…480°С.

Жидкое топливо может сгорать только в газообразном состоянии. Поэтому необходимо, чтобы карбюратор обеспечивал возможно более тонкое распыливание топлива. Чем тоньше распыливание, тем больше общая поверхность частичек топлива, тем за более короткий промежуток времени оно испаряется. При возникновении искры воспламеняется только та часть смеси, которая находится у электродов искровой свечи зажигания. В этой зоне температура достигает 10 000° С, и образовавшееся пламя распространяется со скоростью 30…50 м/с по всему объему камеры сгорания. Продолжительность процесса сгорания составляет 30…40° угла поворота коленчатого вала. Угол в градусах поворота коленчатого вала от момента образования искры в свече до в.м.т. называется углом опережения зажигания ф3. Оптимальное значение величины угла ф3 зависит от конструкции двигателя, режима работы, условий эксплуатации двигателя и качества топлива.

Смесеобразованием называется приготовление рабочей смеси топлива и воздуха для сжигания в цилиндрах двигателя. Процесс смесеобразования происходит почти мгновенно: от 0,03 до 0,06 с в тихоходных ДВС и от 0,003 до 0,006 с —в быстроходных. Для достижения полного сгорания топлива в цилиндрах необходимо обеспечить получение рабочей смеси требуемого состава и качества. При неудовлетворительном смесеобразовании (из-за плохого перемешивания топлива с воздухом) при недостатке кислорода в рабочей смеси происходит неполное сгорание, которое ведет к снижению экономичности работы ДВС. Экономичная работа двигателя достигается в первую очередь за счет обеспечения наиболее полного и быстрого сгорания топлива в цилиндрах вблизи в. м. т. Очень важное значение при этом имеет распыливание топлива на мельчайшие по возможности однородные частицы и равномерное распределение их по всему объему камеры сгорания.
В настоящее время в судовых ДВС применяют в основном однокамерный, предкамерный и вихрекамерный способы смесеобразования.
При однокамерном смесеобразовании топливо в мелкодисперсном состоянии под высоким давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, образованную днищами поршня, крышки и стенками цилиндра. При непосредственном впрыскивании топливным насосом создается давление 20— 50 МПа, а в отдельных типах двигателей 100—150 МПа. Качество смесеобразования зависит главным образом от согласования конфигурации камеры сгорания с формой и распределением факелов горения топлива. Для этого сопла форсунок имеют; 5— 10 отверстий диаметром 0,15—1 мм. Топливо во время впрыскивания, проходя через малые отверстия в сопле, приобретает скорость более 200 м/с, что обеспечивает его глубокое проникновение в воздух, сжатый в камере сгорания.
Камера сгорания типа Гессельмана:

Качество перемешивания частиц топлива с воздухом зависит прежде всего от формы камеры сгорания. Очень хорошее смесеобразование достигается в камере, показанной на рисунке выше и впервые предложенной Гессельманом. Она широко используется в четырех- и двухтактных ДВС. Бортики 1 у краев поршня предотвращают попадание частиц топлива на стенки втулки 2 цилиндра, имеющей сравнительно низкую температуру.
ДВС большой мощности часто имеют поршни с вогнутым днищем. Камера сгорания, образованная крышкой цилиндра и поршнем такой конструкции, позволяет добиться хорошего смесеобразования.
При смесеобразовании с непосредственным впрыскиванием топлива в неразделенную камеру последняя может иметь простую форму с относительно малой поверхностью охлаждения. Поэтому ДВС с однокамерным способом смесеобразования просты по конструкции и наиболее экономичны.
Недостатки однокамерного способа смесеобразования следующие: необходимость повышенных коэффициентов избытка воздуха для обеспечения качественного сгорания топлива; чувствительность к изменению скоростного режима (из-за ухудшения качества распыливания при понижении частоты вращения коленчатого вала двигателя); очень высокое давление впрыскиваемого топлива, усложняющее и удорожающее топливную аппаратуру. Кроме того, из-за малых отверстий сопел форсунок необходимо применять тщательно очищенное топливо. По этой же причине очень трудно осуществить однокамерное смесеобразование в быстроходных ДВС малой мощности, так как при незначительном расходе топлива диаметры отверстий сопел форсунок должны быть значительно уменьшены. Изготовить многодырчатые форсунки с очень малым диаметром сопловых отверстий очень трудно, кроме того такие отверстия во время работы быстро засоряются и форсунка выходит из строя. Поэтому в быстроходных ДВС малой мощности более эффективно смесеобразование с раздельными камерами сгорания (предкамерное и вихрекамерное), осуществляемое с однодырчатой форсункой.