Смесеобразование в двигателях. Судоремонт от а до я.: смесеобразование в двс

Бензиновые двигатели –
одна из разновидностей ДВС
(двигателей внутреннего
сгорания) в которых поджег
смеси из воздуха и топлива,
осуществляется в
цилиндрах, посредством
искр от свечей зажигания.
Роль регулятора мощности
выполняет дроссельная
заслонка, которая регулирует
поток поступающего
воздуха.

По способу осуществления рабочего цикла двигатели делятся на
двухтактные и четырехтактные.
Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу
объема, однако проигрывают в КПД. Поэтому они нашли свое применение
там, где важна компактность, а не экономичность (мотоциклы, моторные
лодки, бензопилы и другие моторизованные инструменты).
Четырехтактные двигатели доминируют в остальных средствах
передвижения.

Топливно-воздушная система
Главной задачей топливно-воздушной системы является бесперебойная
доставка в двигатель смеси топлива и воздуха. Система топливоподачи
еще называется топливной системой или системой питания топливом.
Такая система предназначена для питания двигателя, хранения и очистки
топлива.
Конструктивное строение
топливный бак
топливный насос
топливный фильтр
система впрыска
топливопроводы

Принцип работы топливно-воздушной системы

Вся схема работы системы топливоподачи выглядит следующим
образом:
Водитель включает зажигание;
Топливный насос закачивает топливо в систему и создает рабочее
давление;
Топливо поступает в систему впрыска;
Происходит распыление и образование топливно-воздушной
смеси;

Смесеобразование

Под смесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумевают
комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование
топлива и воздуха, распыливание и испарение топлива и перемешивание его
с воздухом. Качественное смесеобразование является необходимым условием
получения высоких мощностных, экономических и экологических
показателей двигателя.

Смесеобразование инжекторного ДВС

Обеспечивает хранение
топлива, необходимого
для питания двигателя
автомашины. Указанный
бак в легковых авто
зачастую расположен в
задней части и закреплен
на днище кузова.
Ответственен за очистку
топлива.
Отвечает за подачу топлива в систему впрыска и
поддерживает необходимое рабочее давление в
топливной системе.

Принцип работы форсунки заключается в том, что ЭБУ
(электронный блок управления) подает на нее
электрический импульса. Под воздействием импульса
форсунка открывается и впрыскивает бензин во
впускной коллектор. Полученная топливно-воздушная
смесь всасывается через впускные клапаны поршнем
на такте впуска. Момент времени и длительность
впрыска для форсунки определяет ЭБУ.

Смесеобразование карбюраторного ДВС

Образование смеси бензина с
воздухом происходит в
карбюраторе, где бензин
смешивается с засасываемым
в двигатель воздухом в
нужном количестве,
распыляется и частично
испаряется. Дальнейшее
испарение и перемешивание
происходят во впускном
трубопроводе и в самих
цилиндрах двигателей.

10.

Способ образования горючей смеси в простейшем
карбюраторе (фиг. 71)
Топливо из бачка под напором поступает по каналу,
перекрытому игольчатым клапаном 4, в поплавковую камеру
2. Поплавком 3 измеряется уровень топлива в поплавковой
камере, а следовательно, и напор топлива поддерживается
почти постоянным, с тем чтобы этот уровень был несколько
ниже отверстия форсунки 7; таким образом, при
неработающем двигателе утечка топлива не происходит. При
всасывающем ходе поршня 10, т. е. при движении его вниз
воздух через патрубок 8 проходит диффузор 6, в котором его
скорость значительно повышается, а следовательно, давление
понижается. Благодаря разрежению топливо из поплавковой
камеры через калиброванное проходное отверстие 1,
называемое жиклером, и форсунку 7 фонтанирует в
диффузор, распадаясь при этом на мелкие капли,
испаряющиеся в воздушном потоке. Количество смеси,
всасываемой через впускной клапан 9, регулируется дроссельной заслонкой 5.

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.

Построение ВСХ.

Эффективный крутящий момент:

с предкамерные

вихревое

дизель
. Часовой расход топлива:

5. Ускорение поршня.
,

с наддувом, без наддува

по числу цилиндров

по системе зажигания

по системе питания

Скорость поршня.

,

8 Перемещение поршня

м, а при = м

9 Наддув. , то

10. Процесс выпуска

11. система охлаждения

14 .Расчёт масляных насосов.

Процесс сгорания.

Основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Согласно первому закону термодинамики можно записать уравнение:

Для дизелей:

Для бензиновых:

Коэффициент выражает количество долей низшей теплоты сгорания, используемой на повышение внутренней энергии и на совершение работы. Для инжекторных двигателей: , карбюраторные: , дизели: .

Коэффициент использования зависит от режима работы двигателя, от конструкции, от частоты вращения, от системы охлаждения, от способа смесеобразования.

Тепловой баланс на участке можно записать в более краткой форме:

Расчетные уравнения сгорания: -для бензиновых двигателей: T z – температура конца сгорания, при подводе тепла при изохоре (V=const), следует:

Для дизелей: при V=const и р= const:

Где - степень повышения давления.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

После подстановки всех известных параметров и последующих преобразований решают уравнение второго порядка:

Откуда:

Давление сгорания для бензиновых двигателей:

Степень повышения давления:

Давление сгорания для дизелей:

Степень предварительного расширения:

Процесс сжатия.

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышаются температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надежное воспламенение и эффективное сгорание топлива.

Расчет процесса сжатия сводится к определению среднего показателя политропы сжатия , параметров конца сжатия и теплоемкости рабочего тела в конце сжатия .

Для бензиновых двигателей: давление и температура в конце сжатия.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси:

Классификация ДВС.

ДВС подразделяются: карбюраторные, дизельные, инжекторные.

По методу осущ. газообмена: двухтактные, четырехтактные, без наддува

По способу воспламенения: с воспламенением от сжатия, с принудительным зажиганием.

По способу смесеобразования: с внешним (карбюраторные и газовые), с внутренним (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр).

По роду применения: легкое, тяжелое, газообразное, смешанное.

По системе охлаждения: жидкостное, воздушное.

ДВС дизель: с наддувом, без наддува.

По расположению цилиндров: однорядные, двухрядные, V-образные, оппозитные, рядные.

Масляной радиатор, расчет.

Масляный радиатор представляет собой теплообменный аппарат для охлаждения масла, циркулирующего в системе двигателя.

Количество теплоты, отводимой водой от радиатора:

Коэффициент теплоотдачи от масла к воде, Вт\м 2 *К

Поверхность охлаждения водомасляного радиатора, м 2 ;

Средняя температура масла в радиатора,К;

Средняя температура воды в радиаторе,К.

Коэффициент теплоотдачи от масла к воде, (Вт\(м 2 *К))

α1-коэффициент теплоотдачи от масла к стенкам радиатора, Вт/м 2 *К

δ-толщина стенки радиатора,м;

λтеп-коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м*К).

α2-коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора к воде, Вт/м 2 *К

Количество тепла (Дж\с), отводимого маслом от двигателя:

Средняя теплоемкость масла, кДЖ/(кг*К),

Плотность масла, кг/м 3 ,

Циркуляционный расход масла, м 3 /с

И -температура масла на входе в радиатор и на выходе из него,К.

Поверхность охлаждения масляного радиатора, омываемая водой:

Форсунка, расчет.

Форсунка служит для распыливания и равномерного распределения топлива по объему камеры сгорания дизеля и выполняются открытыми или закрытыми. В закрытых форсунках распыливающиеотверстие сообщаются с трубопроводом высокого давления только в период передачи топлива. В открытых форсунках эта связь постоянна. Расчет форсунки – опр. Диаметра сопловых отверстий.

Объем топлива (мм3/цикл), впрыскиваемого форсункой за один рабочий ход четырехтактного дизеля (цикловая подача):

Время истечения топлива (с):

Угол поворота коленчатого вала, град

Средняя скорость истечения топлива (м\с) через сопловые отверстия распылителя:

Среднее давление впрыска топлива, Па;

-среднее давление газа в цилиндре в период впрыска, Па;

Давление в конце сжатия и сгорания,

Суммарная площадь сопловых отверстий форсунки:

- коэффициент расхода топлива, 0,65-0,85

Диаметр сопловых отверстий форсунки:

12. В бензиновых двигателях нашли наибольшее распространение:

1. Смещенная (Г-образная) (рис.1);

2. Полусферическая (рис.2);

3. Полуклиновая (рис.3) камеры сгорания

В дизелях форма и размещение камеры сгорания определяют способ смесеобразования.

Применяют два вида камер сгорания: неразделенные и разделенные.

Неразделенные камеры сгорания (рис.4) образованы

Построение ВСХ.

Эффективный крутящий момент:

Эффективная мощность бензинового двигателя:

Эффективная мощность дизельного (с неразделенной камерой сгорания) двигателя:

с предкамерные

вихревое

Удельный эффективный расход топлива: бензин

дизель
. Часовой расход топлива:

5. Ускорение поршня.
,

Двигатели внешнего и внутреннего смесеобразования.

по типу: карбюраторные, инжекторные, дизельные

по смесеобразованию: внешние, внутренние

по топливу: бензиновый, дизельный, газообразный

по системе охлаждения: воздушное, водяное

с наддувом, без наддува

по числу цилиндров

по расположению цилиндров: V,W,Х – образные

по системе зажигания

по системе питания

по конструкторским особенностям

Скорость поршня.

,

8 Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом

Для рачётов удобнее использовать выражение в котром перемещение поршня является функцией одного угла используют значение только первых двух членов, вследствии малой величины с выше второго порядка из уравнения следует что при м, а при = м

Заполняют таблицу, и строят кривую. При повороте кривошипа от в.м.т до н.м.т движение поршня происходит под влиянием перемещения шатуна вдоль оси цилиндра и отклонения его от этой оси.В следствии совпадения направлений перемещений шатуна при движении кривошипа по первой четверти окружности (0-90) поршени проходит больше половины своего пути. При прохождении второй четверти (90-180) проходит меньшее расстояние чем за первую. При граф построении указанную закономерность учитывают введением поправки Брикса

Перемещение поршня в смещнном кривошипно шатунном механизме

9 Наддув. Анализ формулы эффективной мощности двигателя, показывает, что если принять неизменными рабочий объём цилиндров и состав смеси, то величина Ne при n=const будет определяться отношением 𝝶е/α, значением 𝝶v и параметрами воздуха, поступающего в двигатель. Т.к массовый заряд воздуха Gв(кг), остающегося в цйилндрах двигателя , то из уравнений следует, что при увеличении плотности воздуха(наддува), поступившего в двигатель, эффективная мощность Ne значительно повышается.

А) наиболее распространённая схема с механическим приводом нагнетателя, от коленвала.центробежные, поршневые или роторно-шестёрёнчатые нагнетатели.

Б)объединение газовой турбины и компрессора-наиболее распространн в автомобилях и тракторах

В)комбинированный наддув-1 ступень комрессор не связан механически с двигателем, вторая ступень компрессора приводится в движение от коленвала.

Г)валу турбокомпрессора связан с коленвалом - такая компоновка позволяет при избытке мощности газовой турбины отдавать её на коленвал, а принедостатке отбирать от двигателя.

10. Процесс выпуска . За период выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы. Открытие выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т, снижая полезную работу расширения (площадь b"bb’’b"), способствует качественной очистке цилиндра от продуктов сгорания и уменьшает работу, необходимую для выталкивания отработавших газов. В современных двигателях открытие Впускного клапана происходит за 40 - 80 до н.м.т (точка b’)и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критческой скоростью 600

700 м/с. За этот период, заканчивающийся вблизи н.м.т в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60 -70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня к в.м.т. истечение газов происходит со скоростью 200 - 250 м/с и к концу вьшуска не превышает 60 - 100 м/с. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме находится в пределах 60 - 150 м/с.

Закрытие выпускного клапана происходит через 10- 50 После в.м.т, что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.

Снижение токсичности при эксплуатации: 1. Повышение требований к качеству регулировки топливо подающей аппаратуры, систем и устройств смесеобразования и сгорания; 2.более широким применением газовых топлив, продукты сгорания которых мение токсичны, а также переводом бензиновых двигателей на газообразное топливо.При проектировании: 1 установка доп обор,(катализаторы, дожигатели, нейтра-лизаторы); 2 разработка принципиально новых двигателей(электрические, инерционные, аккамуляторные)

11. система охлаждения . Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая - системой смазки и непосредственно окружающей средой. В зависимости от рода используемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего

вещества Используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения - воздух.

К преимутцествам жидкостного охлаждения следует отнести:

А) более эффективный отвод теплоты от нагретых деталей двигателя при любой тепловой нагрузке;

б) быстрый и равномерный прогрев двигателя при пуске; в) допустимость применения блочных конструкций цилиндров двигателя; г) меньшая склонность к детонации в бензиновых двигателях; д) более стабильное тепловое состояние двигателя при изменении режима его работы; е) меньшие затраты моащости на охлаждение и возможность использования тепловой энергии, отводимой в систему охлаждения.

Недостатки системы жидкостного охлаждения: а) большие затраты на обслуживание и ремонт в эксплуатации; б) пониженная надежность работы двигателя при отрицательных температурах окружающей среды и большая чувствительностьк ее изменению.

Расчет основных конструктивных элементов системы охлаждения производится исходя из количества теплоты, отводимой от двигателя в единицу времени.

При жидкостном охлаждении количество отводимой теплоты (Дж/с)

где ( - количество жидкости, циркулирующей в системе, кг/с;

4187 - теплоёмкость жидкости, Дж/(кг К); - температура выходящей из двигателя жидкости и входящей в него, К. расчёт системы сводится к определению размеров жидкосного насоса, поверхности радиатора, и подбору вентилятора.

14 .Расчёт масляных насосов. Одним из основных элементов смазочной системы является масляный насос, который служит для подачи маслакх трущимся поверхностям движущихся частей двигателя. По конструктивному исполнению масляные насосы бывают шстерёнчатые и винтовые. Шестеренчатые насосы отличаются простотой устройства, компакт-ностью, надежностью в работе и являются наиболее распространенными в автомобильных и тракторных двигателях. Расчет масляного насоса заключается в определении размеров его шестерен. Этому расчету предшествует определение циркуляционного расхода масла в системе.

Циркуляционный расход масла зависит от количества отводимой им от двигателя теплоты. В соответствии с данными теплового баланса величина ‚ (кДж/с) для современных автомобильных и тракторных двигателей составляет 1,5 - 3,0% от общего количества теплоты, введенной в двигатель с топливом: Qм= (0,015 0,030)Q0

Количество теплоты, выделяемой топливом в течение 1 с: Q0= НuGт/3б00, где Нu выражено в кДж/кг; Gт - в кг/ч.

Циркуляционньтй расход масла (м3/с) при заданной величине ‚ Vд=Qм/(рмсм ) (19.2)

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.

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.