Топливо и смесеобразование. Смесеобразование в двс

Сгорание топлива может протекать только в присутствии окислителя, в качестве которого используется кислород, находящийся в воздухе. Следовательно, для полного сгорания определенного количества топлива необходимо иметь определенное количество воздуха, соотношение которых в смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха.

Так как воздух является газом, а нефтяные топлива - жидкостью, то для полного окисления жидкое топливо необходимо превратить в газ, т. е. испарить. Поэтому кроме рассмотренных четырех процессов, соответствующих названиям тактов работы двигателя, всегда присутствует еще один - процесс смесеобразования.

Смесеобразование - это процесс приготовления смеси топлива с воздухом для сжигания ее в цилиндрах двигателя.

По способу смесеобразования ДВС разделяются на:

• двигатели с внешним смесеобразованием
• двигатели с внутренним смесеобразованием

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление смеси воздуха с топливом начинается за пределами цилиндра в специальном приборе - карбюраторе. Такие ДВС называются карбюраторными. В двигателях с внутренним смесеобразованием смесь приготавливается непосредственно в цилиндре. К таким ДВС относятся дизели.

Топливо, используемое в двигателях с искровым зажиганием, является более летучим, чем дизельное топливо, к тому же его смешивание с воздухом до попадания в камеру сгорания занимает больше времени, чем в дизеле. В результате двигатели с искровым зажиганием работают на более однородных смесях, которые, кроме того, очень близки к стехиометрическим (λ = 1). Дизели всегда работают на обедненных смесях (λ > 1). Если коэффициент избытка воздуха топливо-воздушной смеси недостаточно велик (λ < 1), это приводит к повышенным выбросам сажи, CO и CH.

Смесеобразование однородной топливной смеси

Для качественного смесеобразования однородной топливо-воздушной смеси топливо в момент зажигания должно полностью испариться, так как только качественная газовая или газо-паровая смесь может достичь состояния однородности.

Если существуют факторы, препятствующие полному испарению топлива и приводящие к ухудшению качества смеси (например, низкая температура при холодном пуске двигателя), то следует подать дополнительную порцию топлива, чтобы обогатить топливовоздушную смесь и сделать ее, таким образом, легко воспламеняемой (обогащение смеси при холодном пуске двигателя).

Система смесеобразования, кроме обеспечения однородности смеси, также отвечает за регулирование нагрузки двигателя (дроссельное регулирование) и сведение до минимума отклонения соотношения воздух/топливо в разных цилиндрах двигателя.

Смесеобразование неоднородной топливной смеси

Целью смесеобразования неоднородной топливо воздушной смеси является обеспечение работы двигателя во всех его режимах без дроссельного регулирования мощности. Внутреннее охлаждение является побочным эффектом от использования непосредственного впрыска топлива и двигатели этого типа могут работать при более высоких значениях степени сжатия. Сочетание этих двух факторов (отсутствие дроссельного регулирования и более высокие степени сжатия) обеспечивает получение более высокого коэффициента полезного действия, чем в случаях применения однородных топливных смесей. Нагрузка двигателя при этом регулируется изменением количества впрыскиваемого топлива.

Разработки систем смесеобразования дает новый импульс к развитию «гибридного» способа смесеобразования или способа «с послойным распределением заряда по составу», возможности применения которых интенсивно исследовались, начиная с 1970 года. Определенный прорыв в этом вопросе произошел с разработкой высокоскоростных топливных систем с электромагнитными форсунками, которые позволили обеспечить гибкость в регулировании момента впрыска топливной смеси и требуемые высокие давления этого впрыска.

GDI – непосредственный впрыск бензина – стал обобщенным термином, используемым для идентификации разрабатываемых во всем мире систем смесеобразования. На смесеобразование основное влияние оказывают расположение свечи зажигания и топливной форсунки, а характер циркуляции этой смеси в камере сгорания является сопутствующим фактором. Вихревое движение смеси (производимое винтовыми и тангенциальными каналами) – это в основном вращение вокруг оси параллельной оси цилиндра двигателя.

Точность размещения свечи зажигания относительно струи топлива, подаваемого форсункой, является определяющим моментом для системы с прямым впрыском топлива.

Свеча зажигания находится в условиях тяжелых нагрузок, так как она подвергается непосредственному воздействию впрыскиваемого топлива. При способе смесеобразования, когда топливо впрыскивается в выемку на днище поршня или в поток завихренного воздуха и направляется на свечу зажигания за счет вращательного движения заряда, - требования к точности расположения свечи и форсунки в этом случае не столь высоки.

Способы смесеобразования неоднородной смеси работают при избытке воздуха (управление без использования дросселя) и поэтому необходима разработка каталитических нейтрализаторов, снижающих выброс оксидов азота в отработавших газах двигателей, работающих на бедных смесях.

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?

Смесеобразование в дизелях происходит внутри цилиндра и по времени совпадает с вводом топлива в цилиндр и частично с процессом сгорания.

Время, отводимое на процессы смесеобразования и сгорания топлива весьма ограниченно и составляет 0,05-0,005 сек. В связи с этим требования к процессу смесеобразования прежде всего сводятся к обеспечению полного сгорания топлива (бездымного).

Процесс смесеобразования в судовых дизелях особенно затруднен, так как режим работы дизеля на гребной винт с наибольшим числом оборо­тов, т. е. режим с наименьшим интервалом времени на процессе смесеобра­зования, соответствует наименьшему коэффициенту избытка воздуха в ра­бочей смеси (полной нагрузке двигателя).

Качество процесса смесеобразования в дизеле определяется тонкостью распыла топлива, подаваемого в цилиндр, и распределением там капель топлива по пространству сгорания.

Поэтому рассмотрим вначале процесс распыливания топлива. Струя топлива, вытекающая из сопла форсунки в пространство сжатия в цилиндре, находится под воздействием: внешних сил аэродинамического сопротивле­ния сжатого воздуха, сил поверхностного натяжения и сил сцепления топ­лива, а также возмущений, возникающих при истечении топлива.

Силы аэродинамического сопротивления препятствуют движению струи, и под воздействием их струя разбивается на отдельные капли. При увели­чении скорости истечения и плотности среды, куда происходит истечение, аэродинамические силы возрастают. Чем больше эти силы, тем раньше струя теряет свою форму, распадаясь на отдельные капли. Силы поверхностного натяжения и силы сцепления топлива, наоборот, своим действием стремятся сохранить форму струи, т. е. удлинить сплошную часть струи.

Начальные возмущения струи возникают вследствие: турбулентного движения топлива внутри сопла форсунки, влияния кромок соплового отверстия, шероховатости стенок его, сжимаемости топлива и пр. Начальные возмущения ускоряют распад струи.

Опыты показывают, что струя на некотором расстоянии от сопла рас­падается на отдельные капли, причем длина сплошной части струи (рис. 32) может быть различной. При этом наб­людаются следующие формы распада струи: распад струи без воздействия сил аэродинамического сопротивления воз­духа (рис. 32, а) происходит при малых скоростях истечения под действием сил поверхностного натяжения и начальных возмущений; распад струи при наличии некоторого воздействия сил аэроди­намического сопротивления воздуха (рис. 32, б); распад струи, который воз­никает при дальнейшем увеличении скорости истечения и возникновения начальных поперечных возмущений (рис. 32, в)] распад струи на отдельные капли сразу по выходе струи из соплового отверстия форсунки.

Последняя форма распада струи и должна быть для получения качест­венного процесса смесеобразования. На распад струи главным образом влия­ет скорость истечения топлива и плотность среды, куда происходит истече­ние; в меньшей степени влияет турбулентность струи топлива.

Схема распада струи показана на рис. 33. Струя по выходе из сопла рас­падается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на от­дельные капли. Сечение струи условно разбито на четыре кольцевых сече­ния; скорости истечения в этих кольцевых сечениях выражены ординатами 1;2;3 и 4. Наружное кольцевое сечение, вследствие наибольшего сопротивле­ния воздуха, будет иметь наименьшую скорость, а внутреннее (ядро) имеет наибольшую скорость истечения.

Вследствие различия скоростей в сечении струи возникает движение от ядра к наружной поверхности струи. В результате распада топливной струи образуются капли различного диаметра, величина которого колеблется от нескольких микрон до 60-65 мк. По опытным данным, средний диаметр капли у тихоходных дизелей составляет 20-25 мк, а у быстроходных около 6 мк. На тонкость распыла в основном влияет скорость истечения топлива из сопла форсунки, которая приближенно определяется так:

Для получения распыла топлива, удовлетворяющего требованиям сме­сеобразования, скорость истечения должна быть в пределах 250-400 м/сек. Коэффициент истечения ф зависит от состояния поверхности сопла; для ци­линдрических гладких сопловых отверстий с закругленными входными кромками (r?0,1.-0,2 мм) равен 0,7-0,8.

Для оценки совершенства распыливания топлива применяют характеристики распыливания, которые учитывают тон­кость и однородность распыливания.

На рис. 34 приведены характеристики распыливания. По оси ординат отложено процентное количество капель данного диа­метра от всего количества капель, распо­ложенного на определенной площади, а по оси абсцисс отложены диаметры капель в мк. Чем ближе вершина кривой характе­ристики к оси ординат, тем больше тон­кость распыливания, а однородность распыливания будет тем больше, чем круче подъем и падение кривой. На рис. 34 характеристика а имеет наибо­лее тонкое и однородное распыливание, а характеристика в - наиболее грубое, но однородное и характеристика 6 - средней тонкости, но неодно­родное распыливание.

Размеры капель определяют опытным путем, как наиболее достоверным, так как теоретический путь представляет значительные трудности. Мето­дика определения числа и размера капель может быть различна. Наиболь­шее применение получила методика, основанная на улавливании на пластин­ку, покрытую какой-либо жидкостью (глицерином, жидким стеклом, сме­сью воды с дубильным экстрактом), капель распыленной струи топлива. Изготовленная микрофотография с пластины позволяет измерить диаметр капель и подсчитать их число.

Необходимая величина давления впрыскивания, с увеличением кото­рого увеличивается скорость истечения топлива, окончательно устанавли­вается в период регулировочных испытаний двигателя. Обычно у тихоход­ных дизелей она составляет около 500 кГ/см 2 , у быстроходных 600- 1000 кГ/см 2 . При применении насоса-форсунки давление впрыска достигает 2000 кГ/см 2 .

Из конструктивных элементов топливоподающей системы наибольшее влияние на тонкость распыла оказывает размер диаметра соплового от­верстия форсунки.

При уменьшении диаметра соплового отверстия тонкость и равномер­ность распыливания возрастают. В быстроходных двигателях с однокамер­ным смесеобразованием диаметр сопловых отверстий обычно 0,15-0,3 мм,2 в тихоходных доходит до 0,8 мм, находясь в зависимости от цилиндровой мощности двигателя.

Отношение длины соплового отверстия к диаметру, в пределах, при­меняемых в двигателях, почти не влияет на качество распыливания топлива. Гладкое цилиндрическое сопловое отверстие форсунки оказывает наимень­шее сопротивление истечению топлива, а потому истечение из такого сопла происходит с большей скоростью, чем из сопел другой формы. А поэтому гладкое цилиндрическое сопло обеспечивает более тонкое распыливание. Так, например, сопло с винтовыми канавками имеет коэффициент истечения порядка 0,37, тогда как гладкое цилиндри­ческое сопло имеет коэффициент истечения 0,7-0,8.

Увеличения числа оборотов вала дви­гателя, а соответственно и числа оборотов вала топливного насоса, повышает скорость плунжера топливного насоса и, следова­тельно, повышает давление нагнетания и скорость истечения топлива.

Рассмотрение процесса распада выте­кающей струи топлива позволяет сделать заключение, что вязкость топлива также влияет на тонкость распыла. Чем больше вязкость топлива, тем менее совершенным будет процесс распыливания. Опытные дан­ные показывают, что чем больше вязкость топлива, тем больше размеры капель рас­пыленного топлива.

Струя топлива по выходе из сопла форсунки, как это было изложено ранее, разбивается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на отдельные капли. Вся масса капель образует так называемый факел топ­лива. Факел топлива по мере удаления от сопла расширяется, а следова­тельно, плотность его уменьшается. Плотность факела в пределах одного сечения также неодинакова.

Форма факела топлива показана на рис. 35, где изображено ядро факе­ла 1 (более плотное) и оболочка 2 (менее плотная). Кривая 3 показывает количественное распределение капель, а кривая 4 - распределение их скоростей. Ядро факела имеет наибольшую плотность и скорость. Такое рас­пределение капель можно объяснить следующим. Первые капли, поступив­шие в пространство сжатого воздуха, быстро теряют свою кинетическую энергию, но создают более благоприятные условия для движения последую­щих капель. Вследствие этого задние капли нагоняют передние и оттесняют их в стороны, сами продолжая двигаться вперед, пока не будут отстранены сзади двигающимися каплями, и. т. д. Такой процесс оттеснения одних ка­пель другими идет непрерывно до тех пор, пока не наступит равновесие меж­ду энергией струи в выходном сечении сопла и энергией, затрачиваемой на преодоление трения между частицами топлива, на проталкивание впереди идущих капель струи топлива, на преодоление трения струи о воздух, на увлечение воздуха и на создание вихревых движений воздуха в цилиндре.

Глубина проникновения факела топлива, или его дальнобойность, игра­ет весьма существенную роль в процессе смесеобразования. Под глубиной проникновения топливного факела понимают глубину проникновения вер­шины факела за определенный промежуток времени. Глубина проникнове­ния факела должна соответствовать форме и размерам пространства сгора­ния в цилиндре двигателя. При малой дальнобойности факела воздух, на­ходящийся около стенок цилиндра, не будет вовлечен в процесс сгорания, и тем самым ухудшатся условия для сгорания топлива. При большой дально­бойности частицы топлива, попадая на стенки цилиндра или поршня, обра­зуют нагар вследствие неполного сгорания. Таким образом, правильное определение дальнобойности факела имеет решающее значение в формиро­вании процесса смесеобразования.

К сожалению, решение этого вопроса теоретическим путем встречает огромные трудности, заключающиеся в учете влияния на дальнобойность эффекта облегчения движений одних капель другими и движения воздуха в направлении струи.

Все полученные формулы для определения дальнобойности факела L ф не учитывают указанных факторов и по существу справедливы для отдельных капель. Ниже приводим формулу для определения Ьф, которая получе­на из эмпирической закономерности:

Здесь? - скорость движения струи топлива;

0 - скорость движения в канале сопла форсунки;

k - коэффициент, который зависит от давления впрыскивания, от противодавления, от диаметра сопла, от рода топлива и др.;

T - время дальнобойности.

При выводе формулы (26) было принято, что k = const, и потому она не отражает действительности и, кроме того, не учитывает влияния ранее указанных факторов. Эта формула скорее справедлива для определения полета отдельной капли, а не для струи в целом.

Более достоверными являются результаты опытов по определению дальнобойности. На рис. 36 приведены результаты опытов по определению дальнобойности L ф, наибольшей ширины факела В ф и скорости перемеще­ния вершины факела? в зависимости от угла поворота валика топливного насоса? при различных противодавлениях в бомбе р б.

Диаметр сопла форсунки 0,6 мм. Давление впрыскивания р ф = 150 кГ/см 2 ; количество впрыскиваемого топлива?V = 75 мм 3 за ход. Скорость вращения вала насоса 1000 об/мин. Дальнобойность факела при р б = 26 кГ/см 2 достигает L ф = 120 см, а скорость порядка 125 м/сек и быстро падает до 25 м/сек.

Кривые? = f(?) и L ф = f(?) показывают, что с увеличением противо­давления дальнобойность и скорость истечения факела падают. Ширина факела В ф изменяется от 12 см при 5° до 25 см при 25° поворота вала насоса.

Сокращение периода подачи топлива, увеличение скорости истечения способствуют увеличению начальной скорости фронта факела и глубине его проникновения. Однако, вследствие более мелкого распыла, скорость факе­ла при этом быстрее падает. При увеличении диаметра сопла, с сохранением неизменной скорости истечения, дальнобойность факела возрастает. Проис­ходит это вследствие возрастания плотности ядра факела.

При уменьшении диаметра сопла, при неизменной суммарной площади сопел, угол конуса факела возрастает, а потому возрастает и лобовое сопро­тивление, дальнобойность же факела уменьшается. С увеличением суммар­ной площади сопловых отверстий форсунки давление распыливания умень­шается, уменьшается скорость исте­чения и уменьшается дальнобойность топливного факела.

Опыты В. Ф. Ермакова показы­вают, что предварительный подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр существенно влияет на размеры факе­ла и тонкость распыла.

На рис. 37 представлена зависи­мость длины факела L ф от темпера­туры впрыскиваемого топлива.

Зависимость длины факела от тем­пературы топлива через 0,008 сек от начала впрыска приведена на рис. 38. При этом было установлено, что с по­вышением температуры ширина факе­ла возрастает, а длина уменьшается.

Указанное изменение формы факела с повышением температуры топлива сви­детельствует о более тонком и однородном распыле топлива. С повышением температуры топлива от 50 до 200° С длина факела уменьшилась на 22%. Средний диаметр капли уменьшился от 44,5 мк при температуре топлива 35° С до 22,6 мк при температуре топлива 200° С. Указанные результаты опытов позволяют сделать вывод, что подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр значительно улучшает процесс смесеобразования в дизеле.

Многочисленные исследования показывают, что процессу самовоспла­менения топлива предшествует испарение его. При этом количество испа­ряющегося топлива до момента самовоспламенения зависит от размера ка­пель, от давления и температуры воздуха в цилиндре и от физико-химиче­ских свойств самого топлива. Увеличение испаряемости топлива способст­вует повышению качества процесса смесеобразования. Метод расчета про­цесса испаряемости факела топлива, разработанный проф. Д. Н. Выру­бовым, позволяет оценить влияние различных факторов на течение этого процесса, а особенно важным является количественная оценка полей кон­центрации паров топлива в смеси с воздухом.

Допуская, что среда, окружающая каплю на достаточном удалении от нее, имеет повсюду одинаковую температуру и давление, с концентрацией.

При выводе формулы (27) было принято, что капля имеет шарообраз­ную форму и неподвижна по отношению к окружающей среде. паров равной нулю (в то же время среда непосредственно у поверхности капли насыщена парами, парциальное давление которых соответствует тем­пературе капли) может быть получена формула, определяющая время пол­ного испарения капли:

Наибольшее влияние на скорость испарения топлива оказывает тем­пература воздуха в цилиндре. С повышением степени сжатия скорость испарения капли возрастает вследствие увеличения температуры воздуха. Повышение давления при этом несколько замедляет скорость испарения.

Равномерное распределение частиц топлива по пространству сгорания в основном определяется формой камеры сгорания. В судовых дизелях получили применение неразделенные камеры (смесеобразование в этом слу­чае называется однокамерным) и разделенные камеры (с предкамерным, вихрекамерным и воздушно-камерным смесеобразованием). Наибольшее применение имеет однокамерное смесеобразование.

Однокамерное смесеобразование характеризуется тем, что объем про­странства сжатия ограничен днищем крышки цилиндра, стенками цилиндра и днищем поршня. Топливо впрыскивается непосредственно в это простран­ство, и потому факел распыла по возможности должен обеспечить равно­мерность распределения частиц топлива по пространству сгорания. Дости­гается это согласованием форм камеры сгорания и факела распыла топлива, соблюдая при этом требования о дальнобойности и тонкости распыла топлив­ного факела.

На рис. 39 представлены схемы различных неразделенных камер сгора­ния. Все эти камеры сгорания имеют простую конфигурацию, не требуют усложнения конструкции цилиндровой крышки и имеют малую величину относительной поверхности охлаждения F охл / V c . Однако они обладают серь­езными недостатками, к числу которых следует отнести: неравномерное рас­пределение топлива по пространству камеры сгорания, вследствие чего для осуществления полного сгорания топлива необходимо иметь значительный коэффициент избытка воздуха (? = 1,8?2,1); требуемая тонкость распыла достигается высоким давлением нагнетания топлива, в связи с чем возрас­тают требования к топливной аппаратуре и процесс смесеобразования будет чувствителен к сорту топлива и к изменению режима работы двигателя.

Камеры сгорания могут быть разбиты на следующие группы: камеры в поршне (схемы 1-5); камеры в крышке цилиндра (схемы 6-8); между поршнем и крышкой (схемы 11-15); между двумя поршнями в двигателях с ПДП (схемы 9-10).

Из камер в поршне в среднеоборотных и многооборотных дизелях наи­большее применение имеет камера формы 2, в которой углубления в поршне воспроизводят форму факелов распыла и тем самым достигается повышение равномерности распределения частиц топлива. В целях улучшения смесеоб­разования в неразделенных камерах воздушному заряду цилиндра придают вихревое движение.

В четырехтактных дизелях вихревое движение достигается простановкой экранов на впускных клапанах или соответствующим направлением впускных каналов в крышке цилиндра (рис. 40). Наличие экранов на впуск­ном клапане уменьшает проходное сечение клапана, вследствие чего воз­растают гидравлические сопротивления, а потому целесообразнее применять для образования вихревого движения воздуха искривление впускных кана­лов. В двухтактных дизелях завихрение воздуха достигается тангенциаль­ным расположением продувочных окон. Весьма равномерное смесеобразова­ние достигается в камерах, большая часть которых расположена в поршне (см. рис. 39, схемы 4 и 5). В них при перетекании воздуха из подпоршневого пространства (в период такта сжатия) в камеру в поршне создаются радиаль­но направленные вихри, способствующие лучшему смесеобразованию. Камеры данного типа также называют «полуразделенными».

Камеры, расположенные в крышке цилиндра (см. рис. 39, схема 6-8), применяют в двухтактных двигателях. Камеры между поршнем и крышкой цилиндра (рис. 39, схемы 11-15) получаются наивыгоднейшей формы без больших углублений в поршне или в крышке цилиндра. Применяются та­кие камеры главным образом в двухтактных дизелях.

В камерах сгорания между двумя поршнями (см. рис. 39, схемы 9 и 10) ось форсунок направлена перпендикулярно оси цилиндра, с расположением сопловых отверстий в одной плоскости. При этом форсунки имеют диамет­рально противоположное расположение, чем достигается равномерное рас­пределение частиц топлива по пространству камеры сгорания.

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.