Содержание
1. Смесеобразованиев бензиновых двигателях
1.1 Смесеобразование при карбюрации
1.2 Смесеобразование при центральном и распределенном впрыскетоплива
1.3 Особенности смесеобразования вгазовых двигателях
2. Смесеобразованиев дизелях
2.1 Особенностисмесеобразования
2.2 Способы смесеобразования. Типыкамер сгорания
Библиографический список
1. Смесеобразование в бензиновых двигателях
Подсмесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумевают комплексвзаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование топлива и воздуха,распыливание и испарение топлива и перемешивание его с воздухом. Качественноесмесеобразование является необходимым условием получения высоких мощностных,экономических и экологических показателей двигателя.
Протеканиепроцессов смесеобразования в значительной степени зависит от физико-химическихсвойств топлива и способа его подачи. В двигателях с внешним смесеобразованиемпроцесс смесеобразования начинается в карбюраторе (форсунке, смесителе),продолжается во впускном коллекторе и заканчивается в цилиндре.
После выходаструи топлива из распылителя карбюратора или форсунки начинается распад струипод воздействием сил аэродинамического сопротивления (вследствие разностискоростей движения воздуха и топлива). Мелкость и однородность распыливаниязависят от скорости воздуха в диффузоре, вязкости и поверхностного натяжениятоплива. При пуске карбюраторного двигателя при его относительно низкойтемпературе распыливания топлива практически нет, и в цилиндры поступает до 90и более процентов топлива в жидком состоянии. Вследствие этого для обеспечениянадежного пуска необходимо существенно увеличивать цикловую подачу топлива (доводитьα до значений ≈ 0,1-0,2).
Процессраспыливания жидкой фазы топлива протекает также в проходном сечении впускногоклапана, а при не полностью открытой дроссельной заслонке – в образуемой еющели.
Часть капельтоплива, увлекаемая потоком воздуха и паров топлива, продолжает испаряться, ачасть – оседает в виде пленки не стенках смесительной камеры, впускногоколлектора и канала в головке блока. Под действием касательного усилия отвзаимодействия с потоком воздуха пленка движется в сторону цилиндра. Так какскорости движения топливовоздушной смеси и капель топлива отличаютсянезначительно (на 2–6 м/c), то интенсивность испарениякапель низка. Испарение с поверхности пленки протекает более интенсивно. Дляускорения процесса испарения пленки впускной коллектор в двигателяхкарбюраторных и с центральным впрыскиванием подогревают.
Разноесопротивление ветвей впускного коллектора и неравномерное распределение пленкив этих ветвях приводят к неравномерности состава смеси по цилиндрам. Степеньнеравномерности состава смеси может достигать 15–17 %.
При испарениитоплива протекает процесс его фракционирования. В первую очередь испаряютсялегкие фракции, а более тяжелые попадают в цилиндр в жидкой фазе. В результатенеравномерного распределения жидкой фазы в цилиндрах может оказаться не толькосмесь с разным соотношением топливо – воздух, но и топливо различногофракционного состава. Следовательно, и октановые числа топлива, находящегося вразных цилиндрах, будут неодинаковыми.
Качествосмесеобразования улучшается с ростом частоты вращения n.Особенно заметно негативное влияние пленки на показатели работы двигателя напереходных режимах.
Неравномерностьсостава смеси в двигателях с распределенным впрыскиванием определяется, главнымобразом, идентичностью работы форсунок. Степень неравномерности состава смесисоставляет ±1,5 % при работе по внешней скоростной характеристике и ±4 % нахолостом ходу с минимальной частотой вращения nх.х.min.
Привпрыскивании топлива непосредственно в цилиндр возможны два способасмесеобразования:
− с получениемгомогенной смеси;
− срасслоением заряда.
Реализацияпоследнего способа смесеобразования сопряжена с немалыми трудностями.
В газовыхдвигателях с внешним смесеобразованием топливо вводится в воздушный поток вгазообразном состоянии. Низкое значение температуры кипения, высокое значениекоэффициента диффузии и существенно меньшее значение теоретически необходимогодля сгорания количества воздуха (например для бензина − 58,6, метана –9,52 (м3 возд)/(м3 топл) обеспечивают получениепрактически гомогенной горючей смеси. Распределение смеси по цилиндрам болееравномерное.
1.1Смесеобразование при карбюрации
Распыливание топлива. После выхода струи топлива из распылителя карбюратораначинается ее распад. Под действием сил аэродинамического сопротивления(скорость воздуха существенно выше скорости топлива) струя распадается напленки и капли различных диаметров. Средний диаметр капель на выходе изкарбюратора ориентировочно можно считать равным 100 мкм. Улучшение распыливанияувеличивает суммарную поверхность капель и способствует более быстрому ихиспарению. Увеличивая скорость воздуха в диффузоре и уменьшая вязкость икоэффициент поверхностного натяжения топлива, улучшают мелкость и однородностьраспыливания. При запуске карбюраторного двигателя распыливания топливапрактически нет.
Образование и движение пленки топлива. Под действием потока воздуха игравитационных сил некоторые капли оседают на стенках карбюратора и впускноготрубопровода, образуя топливную пленку. На пленку топлива воздействуют силы сцеплениясо стенкой, касательное усилие со стороны потока воздуха, перепад статическогодавления по периметру сечения, а также силы тяжести и поверхностного натяжения.В результате действия этих сил пленка приобретает сложную траекторию движения.Скорость ее движения в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси.Наибольшее количество пленки образуется на режимах полных нагрузок и малойчастоты вращения, когда скорость воздуха и мелкость распыливания топливаневелики. В этом случае количество пленки на выходе из впускного трубопроводаможет доходить до 25 % от общего расхода топлива. Характер соотношенияфизических состояний горючей смеси существенно зависит от конструктивныхособенностей системы топливоподачи (рис. 1).
/>
Рис. 1. Подача топлива при карбюрации (а), центральном (б) и распределенном(в) впрыскивании: 1 – воздух; 2 – топливо; 3 – горючая смесь
Испарение топлива. Топливо испаряется с поверхности капель и пленки присравнительно небольших температурах. Капли находятся во впускной системедвигателя примерно в течение 0,002–0,05 с. За это время успевают полностьюиспариться лишь самые мелкие из них. Низкие скорости испарения капельопределяются главным образом молекулярным механизмом переноса теплоты и массы,поскольку большую часть времени капли движутся при незначительном обдувевоздухом. Поэтому на испарение капель заметно влияют мелкость распыливания иначальная температура топлива, влияние же температуры воздушного потоканезначительно.
Пленка топлива интенсивно обдувается потоком. При этом большое значениедля ее испарения имеет теплообмен со стенками впускного тракта, поэтому прицентральном впрыскивании и карбюрации впускной трубопровод обычно обогреваетсяохлаждающей двигатель жидкостью или ОГ. В зависимости от конструкции впускноготракта и режима работы карбюраторного двигателя и при центральном впрыскиваниина выходе из впускного трубопровода содержание в горючей смеси паров топлива можетсоставлять 60–95 %. Процесс испарения топлива продолжается в цилиндре во времятактов впуска и сжатия. К началу сгорания топливо практически испаряетсяполностью.
Таким образом, на режимах холодного пуска и прогрева, когда температурытоплива, поверхностей впускного тракта и воздуха малы, испарение бензинаминимально, на режиме пуска к тому же почти отсутствует распыливание, условиясмесеобразования крайне неблагоприятны.
Неравномерность состава смеси по цилиндрам. Ввиду неодинаковогосопротивления ветвей впускного тракта наполнение отдельных цилиндров воздухомможет отличаться (на 2–4 %). Распределение топлива по цилиндрам карбюраторногодвигателя может характеризоваться значительно большей неравномерностью, главнымобразом, за счет неодинакового распределения пленки. Это означает, что составсмеси в цилиндрах неодинаков. Он характеризуется степенью неравномерностисостава смеси:
/>
где αi – коэффициент избыткавоздуха в i-м цилиндре; α – среднее значениекоэффициента избытка воздуха смеси, приготовляемой карбюратором или инжекторомцентрального впрыска.
Если, Di>0, то это означает, что в данном цилиндре смесь более бедная, чем в целом подвигателю. Значение α проще всего определить по анализу состава ОГ,выходящих из i-го цилиндра. Степень неравномерности составасмеси при неудачной конструкции впускного тракта может достигать величины 20 %,что заметно ухудшает экономические, экологические, мощностные и другиепоказатели работы двигателя. Неравномерность состава смеси зависит также отрежима работы двигателя. С ростом частоты n улучшаются распыливание и испарениетоплива, поэтому неравномерность состава смеси снижается (рис. 2а).Смесеобразование улучшается и при уменьшении нагрузки, что, в частности,выражается в уменьшении степени неравномерности состава смеси (рис. 2б).
При смесеобразовании происходит фракционирование бензина. При этом впервую очередь испаряются легкие фракции (они имеют более низкое октановоечисло), а в каплях и пленке оказываются преимущественно средние и тяжелые. Врезультате неравномерного распределения жидкой фазы топлива в цилиндрах можетоказаться не только смесь с разным α, но и фракционный состав топлива (аследовательно, и его октановое число) также может быть неодинаковым. Сказанноеотносится и к распределению по цилиндрам присадок к бензину, в частностиантидетонационных. Вследствие указанных особенностей смесеобразования вцилиндры карбюраторных двигателей поступает смесь, в общем случае различающаясяпо />, составу топлива и егооктановому числу.
/>
Рис. 2. Изменение степени неравномерности состава смеси по 1, 2, 3 и4-цилиндрам в зависимости от частоты вращения n (полный дроссель) (а) инагрузки (n=2000 мин-1) (б)
1.2Смесеобразование при центральном и распределенном впрыске топлива
Впрыскивание топлива по сравнению с карбюрацией обеспечивает:
1. Повышение коэффициента наполнения вследствие уменьшенияаэродинамического сопротивления впускной системы при отсутствии карбюратора иподогрева воздуха на впуске из-за меньшей длины впускного тракта.
2. Более равномерное распределение топлива по цилиндрам двигателя.Отличие коэффициента избытка воздуха по цилиндрам при впрыскивании топливасоставляет 6-7 %, а при карбюрации 20–30 %.
3. Возможность повышения степени сжатия на 0,5–2 единицы приодинаковом октановом числе топлива в результате меньшего подогрева свежегозаряда на впуске, более равномерного распределения топлива по цилиндрам.
4. Повышение энергетических показателей (Ni, Ne и др.) на 3–25 %.
5. Улучшение приемистости двигателя и более легкий его пуск.
Рассмотрим процессы смесеобразования при центральном впрыскиваниианалогично протеканию этих процессов в карбюраторном двигателе и отметимосновные отличия между этими процессами.
Распыливание топлива. Системы с впрыскиванием осуществляют подачу топливапод повышенным давлением, как обычно, во впускной трубопровод (центральноевпрыскивание) или впускные каналы в головке цилиндров (распределенноевпрыскивание) (рис. 1б, в).
Для систем центрального и распределенного впрыскивания кромеперечисленных параметров мелкость распыливания зависит также от давлениявпрыскивания, формы распыливающих отверстий форсунки и скорости течения бензинав них. В этих системах наибольшее применение получили электромагнитныефорсунки, к которым топливо подводится под давлением 0,15¸0,4 МПа, что обеспечивает получениекапель со средним диаметром 50¸400мкм, в зависимости от типа форсунок (струйная, штифтовая или центробежная). Прикарбюрации этот диаметр составляет до 500 мкм.
Образование и движение пленки топлива. Количество пленки, образующейсяпри впрыскивании бензина, зависит от места установки форсунки, дальнобойностиструи, мелкости распыливания, а при распределенном впрыскивании в каждыйцилиндр – от момента его начала. Практика показывает, что при любом способеорганизации впрыскивания масса пленки составляет до 60...80 % от общегоколичества подаваемого топлива.
Испарение топлива. Особенно интенсивно испаряется пленка с поверхностивпускного клапана. Однако продолжительность этого испарения невелика, поэтомупри распределенном впрыскивании на тарелку впускного клапана и работе двигателяс полной топливоподачей до поступления в цилиндр испаряется лишь 30–50 %цикловой дозы топлива.
При распределенном впрыскивании на стенки впускного канала увеличиваетсявремя испарения из-за малой скорости движения пленки, и доля испарившегосятоплива возрастает до 50–70 %. Чем выше частота вращения, тем меньшепродолжительность испарения, а значит, уменьшается и доля испарившегосябензина.
Подогрев впускного трубопровода при распределенном впрыскивании нецелесообразен, т.к. он не может заметно улучшить смесеобразование.
Неравномерность состава смеси по цилиндрам. У двигателей с распределеннымвпрыскиванием неравномерность состава смеси по цилиндрам зависит от качестваизготовления (идентичности) форсунок и дозы впрыскиваемого топлива. Обычно прираспределенном впрыскивании неравномерность состава смеси невелика. Наибольшееее значение имеет место при минимальных цикловых дозах (в частности, на режимехолостого хода) и может достигать ±4 %. При работе двигателя на полной нагрузкенеравномерность состава смеси не превышает ±1,5%.
1.3 Особенности смесеобразования в газовых двигателях
При внешнем смесеобразовании качество смеси зависит от температурыкипения и коэффициента диффузии газа. Поэтому при работе на газовом топливе ивнешнем смесеобразовании обеспечивается формирование практически однороднойгорючей смеси и исключается образование жидкой пленки на поверхностях впускноготракта. Для газовых двигателей подогрев впускного трубопровода не требуется.
Газовоздушная смесь распределяется по цилиндрам равномернее, чем смесь сжидким топливом. Внутреннее смесеобразование применяется для немногих типовдвухтактных, а также четырехтактных стационарных газовых двигателей. Качествосмесеобразования при этом хуже, чем при внешнем смесеобразовании, ноисключаются потери газа с продувкой цилиндров.
2. Смесеобразование в дизелях
Смесеобразование в дизельных двигателях осуществляется вконце такта сжатия и начале такта расширения. Процесс продолжается короткийпромежуток времени, соответствующий 20–60° поворота коленчатого вала. Этотпроцесс в дизеле имеет следующие особенности:
– смесеобразование протекает внутрицилиндра и в основном осуществляется в процессе впрыскивания топлива;
– по сравнению с карбюраторным двигателемпродолжительность смесеобразования в несколько раз меньше;
– горючая смесь, приготовленная вусловиях ограниченного времени, характеризуется большой неоднородностью, т.е.неравномерным распределением топлива по объему камеры сгорания. Наряду с зонамивысокой концентрации топлива (с малыми значениями локального (местного)коэффициента избытка воздуха), имеются зоны с малой концентрацией топлива (сбольшими значениями α). Это обстоятельство предопределяет необходимостьсжигания топлива в цилиндрах дизелей при относительно большом суммарномкоэффициенте избытка воздуха a > 1,2.
Поэтому в отличие от карбюраторного двигателя, имеющегопределы воспламеняемости горючей смеси, в дизеле α не характеризуетусловия воспламенения топлива. Воспламенение в дизеле практически возможно прилюбом суммарном значении α, т.к. состав смеси в различных зонах камерысгорания (КС) изменяется в широком диапазоне. От нуля (например, в жидкой фазекапель топлива) до бесконечности ¾ вне капли, где нет топлива.
2.1 Особенности смесеобразования
Процессы смесеобразования в дизелях включают в себяраспыливание топлива и развитие топливного факела, его прогрев, испарениетопливных паров и смешивание их с воздухом.
Распыливаниетоплива. Впрыскивание и распыливание топлива в цилиндредизеля осуществляется с помощью специальных устройств – различных типовфорсунок, имеющих, в частности, разное число сопловых отверстий распылителя.
Распыливание струи на мелкие капли резко увеличивает поверхность дозыжидкости. Отношение поверхностей образовавшегося множества капель к единичнойкапле той же массы примерно равно корню кубическому из количества капель. Общееколичество капель в результате распыливания достигает (0,5-20)·106,что дает увеличение поверхности приблизительно в 80–270 раз. Последнееобеспечивает быстрое протекание процессов тепло- и массообмена между каплями ивоздухом в камере сгорания, имеющим высокую температуру до 2000 °C и более. Размеры частиц,обеспечивающих быстрое сгорание в дизеле, составляют 5¸40мкм.
/>
Для одновременной оценки мелкости и однородностираспыливания пользуются характеристикой распыливания, представляющей собойзависимость между диаметрами капель dк и их относительнымсодержанием Ω – отношением объема капель, имеющих диаметры от минимальногодо данного, к объему всех капель. Зависимость Ω = f(dк) приведена на рис. 3. Чемкруче и ближе к оси ординат располагается суммарная характеристикараспыливания, тем мельче и однороднее распылено топливо. Вместо указанныхобъемов по оси ординат можно откладывать относительную массу капель.
Развитие топливного факела. Первичный распад струи (наотносительно крупные частицы) происходит посредством турбулентных возмущений,возникающих при течении топлива через сопловое отверстие, а также упругогорасширения топлива при выходе из устья сопла. В последующем крупные частицыразбиваются при полете на более мелкие посредством сил аэродинамическогосопротивления среды.
Форма факела (струи) характеризуется его длиной Lст, углом конусности γст и шириной Вст(рис. 4). Формирование факела происходит постепенно помере развития процесса впрыскивания. Длина факела Lст увеличивается вследствие непрерывного «выдвижения»новых частиц топлива к его вершине. Скорость />ст продвижениявершины факела при увеличении сопротивления среды и уменьшении кинетическойэнергии частиц уменьшается, а ширина факела Вст увеличивается. Уголконусности Вст прицилиндрической форме соплового отверстия распылителя составляет Вст= 12–20°. На рис. 5 представлено изменение по времениLст, />ст, Вст.
/>
Топливо, введенное в цилиндр в виде факелов, распределяетсяв воздушном заряде неравномерно, т.к. число факелов, определяемое конструкциейраспылителя, ограничено. Другой причиной неравномерного распределения топлива вкамере сгорания является неоднородная структура самих факелов.
Обычнов факеле (рис. 6) различают три зоны: сердцевину, среднюю часть и оболочку. Сердцевина состоит из крупных частицтоплива, которые имеют наибольшую скорость движения. Средняя часть факеласодержит большое количество мелких частиц, образовавшихся при дроблениипередних частиц сердцевины силами аэродинамического сопротивления. Распыленныеи потерявшие запас кинетической энергии частицы топлива оттесняются ипродолжают движение лишь за счет потока воздуха, увлекаемого попутно факелом. Воболочке находятся наиболее мелкие частицы, имеющие минимальную скоростьдвижения.
/>
Влияние на параметры распыливания топлива и развитие топливного факела оказывают конструкцияраспылителя, давление впрыскивания, состояние среды, в которую впрыскиваетсятопливо, свойства самого топлива.
Распылителис цилиндрическими сопловыми отверстиями (рис. 7а) могут быть многодырчатыми иоднодырчатыми, открытыми и закрытыми (с запорной иглой). Штифтовые распылители(рис. 7б) выполняются только однодырчатыми, закрытого типа. Распылители совстречными струями и с винтовыми завихрителями могут быть только открытыми(рис. 7в, г). Цилиндрические сопловые отверстия обеспечивают получениесравнительно компактных факелов с малыми конусами расширения и большойпробивной способностью.
/>
Рис. 7. Типы распылителей форсунок: а) цилиндрические; б)штифтовые; в) со встречными струями; г) с завихрителями
С увеличением диаметра отверстия d0 соплового отверстия распылителя глубина проникновенияфакела возрастает. Распылитель открытого типа без запирающейся иглыхарактеризуется менее качественным распыливанием, чем закрытый, и длявпрыскивания топлива в КС дизелей не применяется. У штифтовых распылителейфакел имеет форму полого конуса. Это улучшает распределение топлива в воздушнойсреде, но уменьшает пробивную способность факела.
С увеличением давления впрыскивания длина факелавозрастает, тонкость и равномерность распыливания улучшается. При повышениинагрузки двигателя и частоты вращения n улучшается качество распыливания.
Состояние среды (рабочего тела) внутри цилиндра дизелясущественно влияет на процесс смесеобразования. С повышением давления в КС,обычно в пределах 2,5¸5,0 МПа, увеличивается сопротивление продвижению факела,что приводит к уменьшению его длины. При этом качество распыливания изменяетсянезначительно. Возрастание температуры воздуха в пределах 750…1000 К приводит кснижению длины факела вследствие более интенсивного испарения частиц топлива.Движение среды в цилиндре положительно влияет на равномерность распределениятоплива в факеле и в объеме камеры сгорания. Повышение температуры топлива приводитк уменьшению длины факела и более тонкому распыливанию, что обусловленоснижением вязкости нагретого топлива. Более тяжелые топлива, имеющие большиеплотность и вязкость, естественно, при прочих одинаковых условиях распыливаютсяхуже, чем легкие автотракторные топлива.
Прогрев, испарение и смешивание. Распыленные частицытоплива, находящиеся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются.Более интенсивно этот процесс протекает для распыленных частиц, имеющихнаибольшее отношение площади поверхности к объему. Практика показывает, чточастицы диаметром 10¸20 мкм в камере сгорания успевают полностью испариться завремя (0,5¸0,9)-10-3 с, т.е. до начала воспламенения.Испарение более крупных частиц заканчивается в ходе начавшегося процессасгорания.
Концентрация паров вокруг еще не испарившихся капельпеременна. Она максимальна у их поверхности и непрерывно убывает по мере удаленияв стороны. Как отмечено выше, местные значения коэффициента избытка воздухаизменяются в очень широких пределах. Движение частиц относительно воздуханесколько выравнивает распределение топлива в микросмеси, т.к. частьобразующихся паров рассеивается по траектории движения частиц. Смешиваниетоплива и воздуха частично происходит внутри факела, что обусловленововлечением воздуха в сердцевину факела в процессе его формирования. Но большаяконцентрация топлива в сердцевине и менее благоприятные температурные условиязначительно замедляют процесс испарения в этой зоне. Изложенное вышехарактеризует процесс смесеобразования той части топлива, которая поступила вцилиндр до начала воспламенения. В дальнейшем смесеобразование остальной частитоплива значительно ускоряется, т.к. оно протекает в условиях начавшегосяпроцесса горения при более высоких температурах и давлениях. Качество горючейсмеси значительно определяется скоростью перемешивания топлива с воздухом. Существенноевлияние на рабочие процессы в КС оказывает смесеобразо-вание части топлива,поступившей в камеру в начале впрыскивания. В ходе предпламенных химическихреакций в отдельных зонах мик-росмеси возникает критическая концентрацияпромежуточных продуктов окисления, что приводит к тепловому взрыву и появлениюпервичных очагов пламени. Наиболее вероятной зоной появления таких очаговявляется пространство около испаряющихся частиц, где концентрация паров топливаоптимальна (α = 0,8-0,9). Первичные очаги пламени, прежде всего,образуются на периферии факела, т.к. физические и химические процессыподготовки топлива к сгоранию заканчиваются здесь раньше.
2.2 Способы смесеобразования. Типы камер сгорания
Распределение топлива по КС осуществляется за счеткинетических энергий топлива и движущегося воздушного заряда. Соотношение этихэнергий обусловлено способом смесеобразования и формой КС. В современныхавтомобильных дизелях нашли применение объемное, пристеночное (пленочное),комбинированное, предкамерное и вихревое смесеобразования. КС в сочетании стопливоподающей аппаратурой определяют условия протекания процессовсмесеобразования и сгорания. Камеры сгорания предназначены обеспечивать:
– полное сгорание топлива при минимальновозможном коэффициенте a и в предельно короткий срок у ВМТ;
– плавное нарастание давления присгорании и допустимые значения максимального давления цикла рz;
– минимальные потери теплоты в стенки;
– приемлемые условия работы топливнойаппаратуры.
Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается вобъеме однополостных (неразделенных) камер сгорания и лишь небольшая часть егопопадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Такие КСимеют малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной –отношением диаметра КС к диаметру цилиндра: dкс/D = 0,75¸0,85.Такая КС располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, КС и цилиндрасовпадают (рис. 8б).
Рабочий цикл дизелей с объемным смесеобразованиемхарактеризуется следующими особенностями:
– смесеобразование обеспечивается путеммелкого распыливания топлива при высоких максимальных давлениях впрыскивания (рвпрmах=50¸150 МПа), турбулизация в КС возникает вследствие вытеснениявоздуха из зазора между буртом поршня и головкой цилиндра при подходе поршня кВМТ;
– равномерное распределение топлива ввоздухе обеспечивается посредством взаимного согласования формы КС с формой ирасположением топливных факелов;
– протекание процесса сгорания наноминальном режиме осуществляется при α = 1,50-1,6 и более, т.к. врезультате неравномерного распределения топлива по объему КС при меньшем α не удаетсяобеспечить бездымного сгорания, несмотря на согласование форм камеры и факелов,а также применения высокого давления впрыскивания;
– рабочий цикл характеризуется высокимимаксимальными давлениями сгорания рz и большими скоростями нарастания давленияΔр/Δφ;
– двигатели с объемным смесеобразованиемимеют высокий индикаторный к.п.д. из-за сравнительно быстрого сгорания топливау ВМТ и меньших потерь теплоты в стенки КС, а также хорошие пусковые качества.
Важное значение имеет поверхность топливных струй, черезкоторую происходит диффузия паров топлива в окружающий воздух. Угол рассеиваниятопливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струямивсего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающихотверстий форсунки теоретически должно быть ic=360/20 = 18.
Величина проходного сечения распыливающих отверстий fc определяется типом иразмерами дизеля, условиями перед впускными органами. Она существенно влияет напродолжительность и давление впрыскивания, ограничена условиями обеспеченияхорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом количествераспыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим. Чем меньше количествораспыливающих отверстий, тем более интенсивно приводится во вращательноедвижение для полного сгорания топлива воздух, т.к. в этом случае заряд захарактерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительностивпрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Это достигаетсяприменением винтового или тангенциального впускного каналов.
Создание вращательного движения заряда при впуске приводитк ухудшению наполнения цилиндров воздухом. Увеличение максимального значениятангенциальной скорости />tmax вызывает уменьшение />v(рис. 9). Пристеночное смесеобразование. Способ смесеобразования, при котором топливоподается на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в видетонкой пленки толщиной 12¸14 мкм,получил название пристеночного или пленочного.
/>
Рис.8. Камеры сгорания в поршне:
а) полусферическая типадизелей ВТЗ; б) типа четырехтактных дизелей ЯМЗ и АМЗ; в) типа ЦНИДИ; г) типа дизелей«МАН»; д) типа «Дойтц»; е) типа дизеля Д-37М; ж) типа «Гессельман»;з) типа дизелей «Даймлер-Бенц»
/>
Рис.9. Зависимость коэффициента наполнения от значения тангенциальнойсоставляющей скорости движения заряда
Притаком смесеобразовании КС может быть расположена соосно с цилиндром, а форсункасмещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острымуглом на стенку КС, имеющей сферическую форму (рис. 8г), либо вблизи и вдольстенки КС (рис. 8д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивноевращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50¸60 м/с), способствующеераспространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания. Топливная пленкаиспаряется за счет теплоты поршня.
После начала горения процесс испарения резко возрастает поддействием теплопередачи от пламени к пленке топлива. Испарившееся топливоуносится потоком воздуха и сгорает во фронте пламени, распространяющегося оточага воспламенения. При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарениесущественно снижается температура заряда (до 150¸200 °С по осямструй). Это затрудняет воспламенение топлива вследствие уменьшения скорости химическихреакций, предшествующих возникновению пламени.
Существенное улучшение воспламеняемости низкоцетановых топливобесценивается при увеличении />, которуюу специальных многотопливных дизелей приходится повышать до 26. Для камер с пристеночнымсмесеобразованием опасность впрыскивания с недостаточной длиной топливных струйсущественно меньше, чем в случае камер с объемным смесеобразованием. Поэтомуповышение /> не вызывает ухудшениясмесеобразования. При пристеночном способе смесеобразования требуется менеетонкое распыливание топлива. Максимальные величины давления впрыскивания непревышают 40¸45 МПа. Используют одно-два распыливающих отверстиябольшого диаметра.
Вдизелях нашла применение КС, разработанная Центральным научно-исследовательскимдизельным институтом (ЦНИДИ) (рис 8в). Топливные факелы в такой камере попадаютна ее боковые стенки под входной кромкой.Отличительная особенность смесеобразования – встречное движение струй топлива изаряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличениюколичества топлива, взвешенного в объеме КС, и сближает этот процесс с объемнымсмесеобразованием. При использовании камеры ЦНИДИ применяют 3¸5сопловых отверстий. Параметры впрыскивания топлива близки к тем, которые имеютместо в КС типа ВТЗ и ЯМЗ (рис. 8а, б).
Объемно-пристеночное смесеобразование. Такое смесеобразованиеполучается при меньших диаметрах КС, когда часть топлива достигает ее стенки иконцентрируется в пристеночном слое. Часть этого топлива непосредственносоприкасается со стенкой КС. Другая часть располагается в пограничном слоезаряда. Частичное попадание топлива на стенки камеры сгорания и интенсивноеперемешивание воздуха и частиц топлива снижают количество паров топлива,образующихся в период задержки воспламенения. В результате снижается и скоростьтепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения исмешивания резко возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зонуне затягивает завершение сгорания, если температура стенки в местах попаданияна нее струй находится в пределах 200¸300 °С.
Приdкс/D = 0,5-0,6(рис. 8а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения заряда приперетекании его в КС удается использовать 3¸5распыливающих отверстий достаточно большого диаметра. Значение тангенциальной составляющейскорости движения заряда достигает 25¸30м/с. Максимальные значения давлений впрыскивания, как правило, не превышают 50¸80 МПа.
В связи с тем, что на такте расширения во время обратногоперетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива переносится в пространствонад вытеснителем, где имеется еще не использованный для сгорания воздух. Он неполностью участвует в процессе окисления. Поэтому стремятся уменьшить доминимума объем заряда, находящегося в пространстве между поршнем (при положениив ВМТ) и головкой цилиндра, доводя высоту его δиз (рис 8а) до0,9-1 мм. При этом важной оказывается стабилизация зазора при изготовлении иремонте дизеля. Положительные результаты обеспечивает также минимизация зазорамежду головкой поршня и гильзой и уменьшение расстояния от днища поршня допервого компрессионного кольца.
Смесеобразование в разделенных камерах сгорания.Разделенные камеры сгорания состоят из основной и вспомогательной полостей,соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые КС ипредкамеры.
Вихревыекамеры сгорания. Вихревая камера сгорания (рис. 10)представляет собой шаровое или цилиндрическое пространство, соединенное с надпоршневымпространством цилиндра тангенциальным каналом. Объем VK вихревой КС 2составляет примерно 60–80 % общего объема сжатия Vс, площадь fc поперечного сечения соединительного канала 3 cоставляет 1–5% площади поршня Fп.
/>
Как правило, в вихревых камерах сгорания используютсязакрытые форсунки 1 штифтового типа, обеспечивающие полый факел распыленноготоплива.
При поступлении воздуха из цилиндра в вихревую камеру вовремя такта сжатия воздух интенсивно завихривается. Воздушный вихрь, непрерывновоздействуя на формирующийся топливный факел, способствует лучшему распыливаниютоплива и смешиванию его с воздухом. В ходе начавшегося горения воздушный вихрьобеспечивает подвод к факелу свежего воздуха и отвод от него продуктовсгорания. При этом скорость вихря должна быть такой, чтобы за времявпрыскивания топлива воздух мог совершить в камере сгорания не менее одногооборота.
Сгорание вначале происходит в вихревой камере. Повышающеесяпри этом давление вызывает перетекание продуктов сгорания и топливовоздушнойсмеси в цилиндр, где процесс сгорания завершается.
Нарис. 11 представлены конструктивные элементы вихревых камер. Нижняя частькамеры, как правило, образуется специальной вставкой из жаропрочной стали,которая предохраняет головку от обгорания. Высокая температура вставки (800–900К) способствует сокращению периода задержки воспламенения топлива в КС.Интенсивное вихреобразование и наличие вставки позволяют получить устойчивоепротекание рабочего цикла в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов.
Вихрекамерный рабочий цикл обеспечивает бездымное сгораниетоплива при малых коэффициентах избытка воздуха (α = 1,2-1,3) вследствиеблагоприятного влияния интенсивного воздушного вихря. Сгорание значительнойчасти топлива в дополнительной камере, расположенной вне цилиндра, обусловливаетснижение максимального давления сгорания (рz=7-8 МПа) искорости нарастания давления (0,3-0,4 МПа/°ПКВ) в надпоршневой полости цилиндрана полной нагрузке.
Рабочий цикл вихрекамерного двигателя менее чувствителен ккачеству распыливания топлива, что позволяет использовать однодырчатыераспылители с невысокими максимальными давлениями впрыскивания (рвпр= 20–25 МПа) и сопловым отверстием сравнительно большого диаметра – до 1,5 мм.
Основные недостатки вихрекамерного двигателя: повышенныйудельный эффективный расход топлива, достигающий на режиме полной нагрузки 260¸270г/(кВт·ч), а также худшие по сравнению сдвигателями с неразделенными КС пусковые качества. Однако при использовании свечейнакаливания в вихрекамере пусковые качества существенно улучшаются.
Более низкая экономичность вихрекамерных дизелейобъясняется увеличением теплоотдачи в стенки основной и дополнительной КСвследствие более развитой их поверхности, наличия в КС интенсивного вихреобразования,больших гидравлических потерь при перетекании рабочего тела из цилиндра ввихревую камеру и обратно, а также зачастую увеличением продолжительностипроцесса сгорания. Ухудшение пусковых качеств двигателя обусловлено понижениемтемпературы воздуха при перетекании в вихревую камеру и увеличением теплоотдачив стенки вследствие развитой поверхности дополнительной КС.
К числу двигателей с вихрекамерным смесеобразованиемотносятся тракторные дизели СМД, ЗИЛ-136, Д50, Д54 и Д75, автомобильные дизели «Перкинс»,«Ровер» (Великобритания) и др.
Предкамерныедизели. Объем предкамеры (рис. 12) составляет 25–35% общего объема сжатия Vс. Площадь проходного сечения соединительных каналов равна0,3–0,8 % площади поршня.
/>
В КС используется однодырчатая (обычно штифтовая) форсунка 1,обеспечивающая впрыскивание топлива в направлении соединительных каналов 3.
В предкамерном дизеле воздух в процессе сжатия частичноперетекает в предкамеру, где продолжает сжиматься. В нее же в конце сжатиявпрыскивается топливо, которое воспламеняется и горит, вызывая быстроеповышение давления. В объеме предкамеры сгорает часть топлива, т.к. количествовоздуха в ней ограничено. Несгоревшее топливо продуктами сгорания выносится вцилиндр, где дополнительно распыливается и тщательно перемешивается с воздухомза счет образующихся интенсивных газовых потоков. Сгорание переносится внадпоршневое пространство, вызывая повышение давления в цилиндре.
Таким образом, в предкамерных дизелях для смесеобразованияиспользуется энергия газа, перетекающего из предкамеры вследствие предварительногосгорания части топлива в ее объеме.
Использование для смесеобразования газового потокапозволяет интенсифицировать перемешивание топлива с воздухом при сравнительногрубом распыливании топлива форсункой. Поэтому в предкамерных дизеляхсравнительно низкие начальные давления впрыскивания, не превышающие 10–15 МПа,а коэффициент избытка воздуха на режиме полной нагрузки составляет 1,3-1,
Другое важное преимущество предкамерных дизелей ¾небольшая жесткость сгорания топлива Dr/Dj. Давление газа в надпоршневом пространстве – не более 5,5¸6МПа вследствие дросселирования газа в соединительных каналах.
К преимуществам предкамерных дизелей следует отнести такжеменьшую чувствительность рабочего цикла к виду применяемого топлива и к изменениюскоростного режима работы. Первое объясняется влиянием на условия воспламененияразогретой поверхности днища предкамеры, второе – независимостью энергиигазового потока, вытекающего из предкамеры, от скорости движения поршня.Максимальная частота вращения для предкамерных дизелей малой размерностицилиндра (малого диаметра) составляет 3000¸4000 мин-1.
Основные недостатки предкамерного дизеля: низкая топливнаяэкономичность вследствие тепловых и гидравлических потерь, возникающих приперетекании газов, из-за растянутости процесса сгорания, а также увеличеннойсуммарной поверхности КС. Среднее давление механических потерь рм упредкамерных дизелей на 25¸35 % выше, чем у двигателей с неразделенными камерами, аудельный эффективный расход топлива равен 260¸290 г/(кВт·ч).
Как и вихрекамерные, дизели с предкамернымсмесеобразованием имеют низкие пусковые качества. Поэтому эти дизели частоотличаются повышенной (до 18–20) степенью сжатия и снабжены пусковыми свечаминакаливания.
Втабл. 1 представлены статистические данные по двигателям с различным способомсмесеобразования.
Таблица1 Характеристика смесеобразованияВид смесеобразования
αmin
/>
pz, МПа
Δp/Δφ, МПа/ 0ПКВ
ре, МПа
gе, г/(кВт·ч)
объемное и объемно-
пристеночое 1,4¸1,8 14¸16 705¸9 1,5 0,7¸0,8 225¸255 пристеночное 1,1 14¸16 6,5¸8,0 1,0 0,7¸0,8 220¸240 вихрекамерное 1,2¸1,3 16¸18 6,0¸7,0 0,5 0,7¸0,85 260¸290 предкамерное 1,3¸1,4 17¸20 5,5¸6,0 0,5 0,65¸0,75 260¸300
Особенности смесеобразования при наддуве. Существеннобольшая цикловая подача топлива должна осуществляться за время, не большее, чемтопливоподача в базовом дизеле без наддува. Для увеличения цикловой подачитоплива и сохранения общей продолжительности впрыскивания jдп можно увеличить до приемлемого предела эффективное проходноесечение распыливающих отверстий.
Вторая возможность – увеличение давлений впрыскивания. Напрактике обычно прибегают к сочетанию этих мероприятий. Увеличение давленийвпрыскивания при прочих одинаковых условиях обеспечивает более мелкое иоднородное распыливание топлива, что может способствовать повышению качествасмесеобразования. Необходимую степень увеличения давлений впрыскиванияустанавливают исходя из требуемой степени ускорения процесса смесеобразования.При впрыскивании в более плотную среду увеличивается угол рассеивания топливныхструй.
Отмеченная величина jдп при необходимости может быть сокращена также другими,более трудоемкими способами, в частности путем увеличения диаметра плунжератопливного насоса и увеличения крутизны его кулачков. При модернизации дизелейс наддувом часто вносятся существенные изменения во все основные его системы имеханизмы: снижают степень сжатия, частоту вращения n, изменяют уголопережения впрыскивания и т.д. Эти мероприятия, естественно, влияют и насмесеобразование в КС.
В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндреувеличивается с ростом частоты вращения n и нагрузки, апродолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобыобеспечить требуемое проникновение топливных струй в слой воздуха за периодзадержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечить болеерезкое увеличение значений давления впрыскивания с увеличением частоты вращенияnи нагрузки, чем на дизеле без наддува. При высоких степенях форсированиянаддувом применяются насосы-форсунки и топливные системы аккумуляторного типа.В малоразмерных вихрекамерных дизелях легковых автомобилей />=21–23.
Библиографическийсписок
смесеобразование вихревой камера дизель
1. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания [Текст]: учебник. в 3 т. Т. 1. Теория рабочих процессов /В.Н. Луканин, К.А. Мо-розов, А.С. Хачиян [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 2009. – 368 с.: ил.
2. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания [Текст]: учебник. в 3 т. Т. 2. Динамика и конструирование/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. –М.: Высшая школа, 2008. – 365 с.: ил.
3. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей [Текст] / А.И.Колчин, В.П. Демидов. – М.: Высшая школа, 2003.
4. Автомобильный справочник [Текст] / под ред. В.М. Приходько. – М.: Машиностроение,2008.
5. Сокол, Н.А. Основы конструкции автомобиля. Двигатели внутреннегосгорания [Текст]: учеб. пособие / Н.А. Сокол, С.И. Попов. – Ростов н/Д:Издательский центр ДГТУ, 2010.
6. Кульчицкий, А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей[Текст] / А.Р. Кульчицкий. – М.: Академический Проект, 2010.
7. Вахламов, В.К. Техника автомобильного транспорта. Подвижной состав иэксплуатационные свойства [Текст]: учеб. пособие для студ. высш. учеб.заведений / В.К. Вахламов. – М.: Академия, 2009. – 528 с.
8. Иванов, А.М. Основы конструкции автомобиля [Текст] / А.М. Ива-нов, А.Н.Солнцев, В.В. Гаевский [и др.]. – М.: «Книжное издательство „Зарулем“», 2009. – 336 с.: ил.
9. Орлин, А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированныхдвигателей [Текст] / под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение,2008.
10. Алексеев, В.П. Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работапоршневых и комбинированных двигателей [Текст] / В.П. Алексеев [и др.]. – 4-еизд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2010.
11. Бочаров, А.М. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теориярабочих процессов двигателей внутреннего сгорания» [Текст] / А.М. Бочаров,Л.Я. Шкрет, В.М. Сычев [и др.]; Южно-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ,2010.
12. Ленин, И.М. Автомобильные и тракторные двигатели [Текст]. в 2 ч. / И.М. Ленин, А.В. Костров, О.М.Малашкин [и др.]. – М.: Высшая школа, 2008. – Ч. 1.
13. Григорьев, М.А. Современные автомобильные двигатели и их перспективы[Текст] / М.А. Григорьев // Автомобильная промышленность. – 2009. – № 7. – С.9–16.
14. Гирявец, А.К. Двигатели ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ и УАЗ. Конструктивныеособенности. Диагностика. Техническое обслуживание. Ремонт [Текст] / А.К.Гирявец, П.А. Голубев, Ю.М. Кузнецов [и др.]. – Нижний Новгород: Изд-во НГУим. Н.И. Лобачевского, 2010.
15. Шкрет, Л.Я. О методах оценки токсичности карбюраторных двигателей вэксплуатационных условиях [Текст] / Л.Я. Шкрет // Дви-гателестроение. –2008. –№ 10–11.
16. Бочаров, А.М. Оценка технического состояния ЦПГ [Текст] / А.М. Бочаров,Л.Я. Шкрет, В.З. Русаков // Автомобильная промышленность. – 2010. – № 11.
17. Орлин, А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работапоршневых и комбинированных двигателей [Текст] / под ред. А.С. Орлина и М.Г.Круглова. – М.: Машиностроение, 2009. – 283 с.