Двс с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится (7 видео)

В двигателях с внешним смесеобразованием воспламенение топлива происходит с помощью свечи зажигания 3 ( принудительное воспламенение), и топливо быстро сгорает в момент прихода поршня в в. Вследствие этого температура и давление продуктов сгорания резко возрастают при постоянном объеме. [17]

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление свежей смеси производится в смесителе. Готовая для горения смесь подается в цилиндр. Зажигание смеси в цилиндре производится принудительно от электрической искры. Двигатели с внешним смесеобразованием работают с низкой степенью сжатия смеси. К ним относятся карбюраторные и газовые двигатели. [18]

По схеме с внешним смесеобразованием ( рис. 5.6, а) топливо и воздух в соотношениях, требуемых для полного сгорания, перемешиваются вне цилиндра, топливо частично испаряется и с воздухом образует горючую смесь. [19]

Для двигателя с внешним смесеобразованием давление сжиженного газа на входе в газосмесительное устройство должно быть снижено от величины давления газа в баллоне до атмосферного. Поскольку процесс снижения давления может происходить только при использовании парообразного состояния газа, перед редуктором устанавливают испаритель газа. Для испарения газа может быть использовано тепло жидкости системы охлаждения двигателя, тепло отработавших газов или электрический подогрев. [20]

В двигателях с внешним смесеобразованием ( карбюраторные и газовые) сжатию подвергается готовая рабочая смесь, содержащая как топливо, так и необходимый для сгорания воздух. Поджигание рабочей смеси в таких двигателях осуществляется электрической искрой. [21]

В двигателе с внешним смесеобразованием горючая смесь образуется вне рабочего цилиндра, в особом приборе, называемом смесителем. В двигателе с внутренним смесеобразованием горючая смесь образуется внутри рабочего цилиндра. [22]

В двигателях с внешним смесеобразованием ( карбюраторных и газовых) это достигается перестановкой дроссельной заслонки, в двигателях с внутренним смесеобразованием ( в дизелях) — воздействием на топливный насос. [23]

В двигателях с внешним смесеобразованием и относительно невысокой степенью сжатия наиболее распространена плоская форма днища. [25]

В двигателях с внешним смесеобразованием , с относительно невысокими давлениями сжатия и расширения, поршни имеют по два-четыре компрессионных кольца. При этом большее число колец ставится в тихоходных двигателях. [26]

Для двигателей с внешним смесеобразованием без наддува газ поступает к смесительным устройствам под давлением, возможно близким к атмосферному. Только в этом случае предотвращается утечка газа во внешнюю среду и проникновение воздуха в газопровод. [27]

В двигателях с внешним смесеобразованием часть теплоты, вносимой с воздухом, расходуется на подогрев и испарение бензина. Однако чаще всего количество теплоты воздуха, которое используется для указанных целей, не может обеспечить полное испарение находящегося во впускном трубопроводе топлива. При низкой температуре окружающей среды возможно обледенение трубопровода. Поэтому при таком способе смесеобразования смесь дополнительно подогревают ( газом или чаще водой из системы охлаждения) во впускных патрубках. Следует иметь в виду, что чрезмерный подогрев впускной системы, при котором к тошшвовоздушной смеси подводится больше теплоты, чем можно использовать для испарения топлива, приводит к неоправданному повышению величины А 7 и соответствующему снижению коэффициента r v и массового заряда. [28]

В горелках с внешним смесеобразованием встреча потоков воздуха и газа осуществляется вне горелки, на выходе из амбразуры. [30]

ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ.

1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

2. Воспламенение и сгорание топлива.

4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.

Процессы смесеобразования и сгорания в двигателе с искровым зажиганием определяются физико-химическими свойствами топлива, способом его подачи (для бензина впрыскивание или карбюрация) или смесителем газового двигателя, а также режимом его работы.

1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

Комплекс взаимосвязанных процессов дозирования топлива и воздуха, распыливания и испарения топлива, а также перемешивания топлива с воздухом называется смесеобразованием. От состава и качества топливовоздушной смеси, полученной при смесеобразовании, зависит эффективность процесса сгорания.

В четырехтактных двигателях обычно организуют внешнее смесеобразование, которое начинается дозированием топлива и воздуха в форсунке, карбюраторе или в смесителе (газовый двигатель), продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре двигателя.

Различают два типа впрыскивания топлива: центральное — впрыскивание топлива во впускной трубопровод и распределенное — впрыскивание во впускные каналы головки цилиндров.

Распыливание топлива при центральном впрыскивании и в карбюраторах начинается в период, когда струя топлива после ее выхода из отверстия форсунки или распылителя под воздействием сил аэродинамического сопротивления и за счет высокой кинетической энергии воздуха распадается на пленки и капли различных диаметров. По мере движения капли дробятся на более мелкие. С повышением мелкости распыливания растет суммарная поверхность капель, что приводит к более быстрому превращению топлива в пар.

С увеличением скорости воздуха мелкость и однородность распыливания улучшаются, а при большой вязкости и поверхностном натяжении топлива — ухудшаются. Так, при пуске карбюраторного двигателя распыливания топлива практически нет.

При впрыскивании бензина качество распыливания зависит от давления впрыскивания, формы распыливающих отверстий форсунки и скорости течения топлива в них.

В системах впрыскивания наибольшее применение получили электромагнитные форсунки, к которым топливо подводится под давлением 0,15…0,4 МПа для получения капель требуемого размера.

Распыливание пленки и капель топлива продолжается при движении топливовоздушной смеси через сечения между впускным клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках — в щели, образуемой прикрытой дроссельной заслонкой.

Образование и движение пленки топлива возникает в каналах и трубопроводах впускной системы. При движении топлива из-за взаимодействия с потоком воздуха и гравитации оно частично оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную пленку. Из-за действия сил поверхностного натяжения, сцепления со стенкой, тяжести и других сил скорость движения пленки топлива в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси. С пленки потоком воздуха могут срываться капельки топлива (вторичное распыливание).

При впрыскивании бензина обычно в пленку попадает 60…80 % топлива. Ее количество зависит от места установки форсунки, дальнобойности струи, мелкости распыливания, а в случае распределенного впрыскивания в каждый цилиндр — и от момента его начала.

В карбюраторных двигателях на режимах полных нагрузок и малой частоты вращения до 25% от общего расхода топлива попадает в пленку на выходе из впускного трубопровода. Это связано с небольшой скоростью потока воздуха и недостаточной мелкостью распыливания топлива. При прикрытии дроссельной заслонки количество пленки во впускном трубопроводе меньше из-за вторичного распыливания топлива около заслонки.

Видео:Принцип работы двигателя. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3DСкачать

Испарение топлива необходимо для получения однородной смеси топлива с воздухом и организации эффективного процесса сгорания. Во впускном канале, до поступления в цилиндр, смесь является двухфазной. Топливо в смеси находится в газовой и жидкой фазах.

При центральном впрыскивании и карбюрации для испарения пленки впускной трубопровод специально подогревают жидкостью из системы охлаждения или отработавшими газами. В зависимости от конструкции впускного тракта и режима работы на выходе из впускного трубопровода в горючей смеси топливо на 60…95 % находится в виде паров.

Процесс испарения топлива продолжается и в цилиндре во время тактов впуска и сжатия, а к началу сгорания топливо испаряется практически полностью.

При распределенном впрыскивании топлива на тарелку впускного клапана и работе двигателя на полной нагрузке испаряется 30…50 % цикловой дозы топлива до поступления в цилиндр. При впрыскивании топлива на стенки впускного канала доля испарившегося топлива возрастает до 50…70 % благодаря увеличению времени на его испарение. Подогрев впускного трубопровода в этом случае не нужен.

Условия для испарения бензина на режимах холодного пуска ухудшаются, а доля испарившегося топлива перед поступлением в цилиндр при этом составляет лишь 5… 10%.

Неравномерность состава смеси, поступающей в разные цилиндры двигателя, при центральном впрыскивании и карбюрации определяется разной геометрией и длиной каналов (неодинаковым сопротивлением ветвей впускного тракта), разницей скоростей движения воздуха и паров, капель и, главным образом, пленки топлива.

При неудачной конструкции впускного тракта степень равномерности состава смеси может достигать ±20%, что существенно снижает экономичность и мощность двигателя.

Неравномерность состава смеси зависит также от режима работы двигателя. При центральном впрыскивании и в карбюраторном двигателе с ростом частоты вращения улучшаются распыливание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении нагрузки двигателя.

При распределенном впрыскивании неравномерность состава смеси по цилиндрам зависит от идентичности работы форсунок. Наибольшая неравномерность возможна на режиме холостого хода при малых цикловых дозах.

Организация внешнего смесеобразования газовых автомобильных двигателей подобна карбюраторным двигателям. Топливо в воздушный поток вводится в газообразном состоянии. Качество топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании зависит от температуры кипения и коэффициента диффузии газа. При этом обеспечивается формирование практически однородной смеси, а ее распределение по цилиндрам равномернее, чем в карбюраторных двигателях.

2. Воспламенение и сгорание топлива.

Для получения высокого индикаторного КПД двигателя необходимо полностью и своевременно сжечь топливо и выделить топливо при нахождении поршня вблизи ВМТ. Скорость сгорания смеси зависит от ее однородности и турбулизации в камере сгорания. О качестве сгорания можно судить по индикаторной диаграмме (рис. 4.1), на которой условно выделяют три фазы.

Рис. 4.1. Индикаторная диаграмм двигателя с искровым зажиганием.

Первая фаза θ_I, называется начальной фазой сгорания или фазой формирования фронта пламени. Она начинается в момент подачи электрической искры и заканчивается, когда давление в результате выделения теплоты в цилиндре будет выше, чем при сжатии смеси без сгорания. В этой фазе очаг горения формируется в зоне между электродами свечи при высоких температурах, а затем превращается во фронт пламени. В этот период сгорает 2… 3 % топлива. На длительность θ_I влияют следующие факторы.

Состав смеси: максимальная скорость сгорания и, следовательно, наименьшее значение и_I соответствует составу смеси при α = 0,8… 0,9; значительное обеднение смеси резко ухудшает стабильность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.

Вихревое движение заряда: сокращению длительности θ_I, способствует интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре при применении винтовых или тангенциальных впускных каналов.

Степень сжатия: высокие значения ε увеличивают температуру и давление рабочей смеси; при этом растет скорость сгорания и уменьшается длительность θ_I.

Частота вращения: длительность θ_I в градусах ПКВ возрастает с увеличением частоты вращения.

Нагрузка двигателя: при прикрытии дроссельной заслонки растет доля отработавших газов в рабочей смеси, снижается ее давление и ухудшается стабильность воспламенения, что увеличивает длительности θ_I.

Характеристики искрового разряда: с ростом пробивного напряжения, длительности и стабильности разряда θ_I уменьшается.

Читайте также: Крепление рабочего цилиндра нивы шевроле

Вторая фаза θ_II называется основной фазой сгорания. Она длится до момента достижения максимального давления цикла р_Z. Длительность θ_II определяется турбулентным горением, при котором максимальная скорость распространения пламени может составить 60 …80 м/с. В ней сгорает 80…85 % топлива. Обычно эффективный КПД η_e достигает максимального значения, если вторая фаза сгорания располагается симметрично относительно ВМТ; при полной нагрузке θ_II = 25…30°.

При повышении частоты вращения длительность второй фазы по времени уменьшается пропорционально изменению длительности всего цикла, а в градусах ПКВ она практически не изменяется из-за турбулизации заряда и повышения скорости фронта пламени.

При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания значение θ_II уменьшается.

Сгорание в конце фазы θ_II не заканчивается, поэтому средняя температура цикла возрастает и достигает максимального значения после максимума давления (p_z _max).

Третья фаза θ_III называется фазой догорания. Она начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельные объемы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. Момент окончания этой фазы определяется концом тепловыделения и на диаграмме не виден.

Детонационное сгорание в цилиндре двигателя представляет собой сгорание последних частей заряда в результате его объемного самовоспламенения. Оно сопровождается возникновением ударных волн, скорость которых может в десятки раз превышать скорость распространения фронта турбулентного пламени и достигать 1500 м/с.

В процессе сгорания часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, в результате увеличения давления от сгорания нагревается до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. В ней могут возникать очаги воспламенения. При достаточном времени в камере сгорания возможно образование и распространение ударных волн, которые также способствуют самовоспламенению рабочей смеси.

На индикаторных диаграммах детонация проявляется в виде пиковых колебаний давления (рис. 4.2, а, б). Внешним признаком детонационного сгорания является звонкий металлический стук, возникающий вследствие отражения ударных волн от стенок камеры сгорания. С увеличением детонации стуки становятся громче, мощность двигателя падает, а в отработавших газах наблюдается черный дым. При детонации растут тепловые и механические нагрузки на детали КШМ, а в результате продолжительной детонации оплавляются кромки поршней, обгорают прокладки головок цилиндров и электроды свечи, разрушаются подшипники коленчатого вала.

Рис. 4.2. Виды индикаторных диаграмм при нарушениях процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием: а — слабая детонация; б — сильная детонация; в — преждевременное воспламенение

Мероприятия по подавлению детонации:

Видео:Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать

• использование топлив с октановым числом, соответствующим требованиям завода-изготовителя. У легких фракций бензина октановое число меньше, чем у средних и тяжелых. При быстром открытии дроссельной заслонки тяжелые фракции бензина поступают в цилиндр с некоторым опозданием, поэтому в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива возможно появление детонации;

• уменьшение угла опережения зажигания для снижения максимального давления и скорости нарастания давления цикла;

• увеличение частоты вращения приводит к интенсификации процесса сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени. При этом также растет концентрация отработавших газов в рабочей смеси, что снижает вероятность возникновения детонации;

• уменьшение нагрузки двигателя прикрытием дроссельной заслонки приводит к снижению давления и температуры процесса сгорания и увеличению доли отработавших газов в рабочей смеси;

• конструктивные мероприятия по снижению вероятности появления детонации сводятся к усилению турбулизации заряда, улучшению охлаждения последних порций заряда, уменьшению пути, проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных частей камеры сгорания, уменьшению диаметра цилиндра, снижению степени сжатия.

Преждевременное воспламенение возникает во время процесса сжатия (до момента появления искры) от накаленных (выше 700…800 °С) зон центрального электрода свечи, головки выпускного клапана, тлеющих частиц нагара. При этом возрастают температура и давление цикла, происходит перегрев двигателя и уменьшение его мощности (рис. 4.2, в). Длительная работа в таком режиме может привести к прогоранию поршня. Для устранения преждевременного воспламенения необходимо быстро закрыть дроссельную заслонку. В эксплуатации следует использовать свечи с требуемым высоким калильным числом.

Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании возникает в двигателе с ε > 8,5, когда в конце сжатия при невысокой частоте вращения (n = 300…400 мин -1 ) температура рабочей смеси достаточна для ее самовоспламенения. Для остановки двигателя в этом случае необходимо одновременно с выключением зажигания прекращать подачу топлива.

4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.

Угол опережения зажигания φ_о.з. на каждом режиме должен обеспечивать наилучшие показатели двигателя. Такой угол называется оптимальным φ_{о.з. опт} . При этом основная фаза процесса сгорания θ_II располагается одинаково по обе стороны от ВМТ. Система зажигания обеспечивает автоматическое изменение фаз в зависимости от режима его работы и температурного состояния.

Угол опережения зажигания φ_о.з. зависит от длительности фаз процесса сгорания. Чем больше θ_I , тем раньше необходимо поджигать смесь. Однако при увеличении φ_о.з. ухудшаются начальные условия воспламенения рабочей смеси из-за уменьшения ее температуры и давления, что в итоге приводит к возрастанию θ_I

Состав смеси влияет на количество теплоты и скорость ее выделения при сгорании топлива, а также на токсичность отработавших газов. Минимальные значения и θ_I и θ_I _I , максимальные р_z и p_i и наибольшее тепловыделение достигаются при мощностном составе смеси α_м = 0,85…0,95.

В цилиндре выделяется наибольшее количество теплоты при достаточно высокой скорости сгорания топлива. Обеднение смеси до α_эк = 1,1…1,3 увеличивает индикаторный КПД η_i и повышает экономичность. При дальнейшем обеднении смеси резко ухудшаются процессы воспламенения и сгорания, растет неравномерность последовательных циклов, что приводит к снижению η_i .

Для газовых топлив характерны более широкие пределы воспламеняемости. Это позволяет эффективно сжигать сильно обедненные смеси. Например, для водорода р_i _m_ах достигается при α ≈ 1,0, а η_i _m_ах при α ≈ 2,5.

Изменение α для каждого режима работы ДВС обеспечивается автоматически системой топливоподачи для получения максимальных р_i или η_i и требуемой токсичности отработавших газов.

Нагрузка в двигателе с искровым зажиганием уменьшается путем прикрытия дроссельной заслонки. При этом снижается количество свежего заряда и растет доля остаточных газов. В результате ухудшаются условия воспламенения и растет продолжительность θ_I. По мере прикрытия заслонки повышается неравномерность последовательных циклов, что требует обогащения смеси для улучшения ее воспламенения искрой. Ухудшение условий сгорания при этом вызывает дополнительный расход топлива и рост токсичных компонентов СО и СН в отработавших газах.

Увеличение частоты вращения вызывает рост турбулизации заряда и улучшает смесеобразование. Так как при этом θ_II ≈ соnst, а θ_I возрастает, то для обеспечения тепловыделения у ВМТ необходимо увеличить φ_о.з..

Форма камеры сгорания должна обеспечить интенсивное управляемое сгорание при минимальных тепловых потерях. Турбулизацию в цилиндре и в зонах, до которых фронт пламени от свечи доходит в последнюю очередь, обеспечивают вытеснители. Они представляют собой зазоры между поверхностью головки цилиндров и днищем поршня и способствуют ускоренному догоранию смеси.

Свечу в камере сгорания располагают ближе к центру, чтобы обеспечить хорошую очистку зоны ее электродов от отработавших газов и сократить путь пламени до наиболее удаленных точек камеры сгорания.

При центральном расположении свечи в камере сгорания хорошо компонуются четыре клапана. Это позволяет получить высокое значение η_V при большой частоте вращения.

Степень сжатия увеличивают для получения большего давления и температуры рабочей смеси в момент искрового разряда и улучшения условий воспламенения смеси, повышения скорости сгорания в основной фазе, снижения η. Однако при повышении степени сжатия увеличивается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и возрастает вероятность детонации.

Расслоение смеси повышает эффективность процесса сгорания в том случае, если в зоне свечи зажигания образуется обогащенная смесь, а по мере удаления от нее — обедненная.

Лекция 5: ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕ.

1. Впрыскивание и распыливание топлива.

2. Смесеобразование в дизеле.

3. Процессы сгорания и тепловыделения.

Процессы смесеобразования и сгорания в дизелях идут параллельно и включают в себя впрыскивание и распыливание топлива, развитие топливного факела, прогрев, испарение топливных паров, смешение их с воздухом и непосредственно сгорание.

1. Впрыскивание и распыливание топлива.

Процесс подачи топлива в дизеле начинается в конце процесса сжатия до прихода поршня в ВМТ. Впрыскивание топлива в цилиндр осуществляется из распылителя форсунки. Проходные сечения распылителя и давление впрыскивания изменяются в процессе подачи. Это обусловливает непостоянство скорости истечения и расхода топлива, характер изменения которых по времени зависит от конструкции топливной системы, режимов ее работы и свойств топлива.

Подача топлива в дизеле должна удовлетворять следующим требованиям.

1. Впрыскивание топлива необходимо осуществлять в строго определенный момент цикла.

2. Начало подачи, характеризуемое углом опережения впрыскивания φ_о.вп, длительность впрыскивания φ_вп и конец подачи должны обеспечивать наиболее полное использование теплоты топлива. У автотракторных дизелей на полных нагрузках углы опережения впрыскивания составляют 5…30°, а продолжительность подачи топлива — 20… 45° ПКВ. Однако на всех режимах работы дизеля обеспечить оптимальные моменты начала и окончания впрыскивания невозможно. Поэтому стремятся установить оптимальные углы впрыскивания для режимов, наиболее часто встречающихся в эксплуатации.

Видео:Проект "проХлада". 40 Серия. Ориентация свечей зажигания в ГБЦ ВАЗ 8 клап.Скачать

3. Необходимо обеспечить требуемое качество распыливания и распределения топлива в камере сгорания для быстрого протекания в ней процессов нагревания и испарения топлива, его смешения и последующего горения. Это обеспечивается определенным законом изменения объемной скорости подачи топлива в процессе впрыскивания.

4. Цикловая подача должна соответствовать нагрузочному и скоростному режимам работы дизеля и быть одинаковой во всех циклах и во всех цилиндрах.

Параметры процесса впрыскивания описываются дифференциальной и интегральной характеристиками впрыскивания (рис. 5.1).

Дифференциальная характеристика впрыскивания устанавливает зависимость скорости подачи топлива dV_вп/dφ_к из распылителя форсунки от угла поворота кулачкового вала топливного насоса высокого давления.

Интегральная характеристика впрыскивания определяет зависимость количества топлива V_вп, поступившего из распылителя форсунки в цилиндр от момента начала впрыскивания до любого момента подачи топлива.

На графике это количество эквивалентно заштрихованной площади. При φ_к = φ_к.вп по интегральной характеристике впрыскивания определяют все количество топлива, поданное в цилиндр дизеля за один рабочий цикл, которое называют цикловой подачей (V_вп = V_ц). Она зависит от режимов работы дизеля.

Рис. 5.1. Характеристики впрыскивания топлива в дизеле: 1 – дифференциальная характеристика; 2 – интегральная характеристика; φ_н.вп – угол начало впрыскивания; φ_к.вп – угол конца впрыскивания; φ_.вп – продолжительности впрыскивания; φ_о.вп – угол опережения впрыскивания.

Проанализируем основные виды дифференциальных характеристик впрыскивания (рис. 5.2).

Читайте также: Утепление труб цилиндрами расценка в смете

Рис. 5.2. Типичные дифференциальные характеристики впрыскивания топлива: a — пологая; б — двухступенчатая; в — крутая; г — растянутая; д — двухфазная с подвпрыскиванием

Пологая характеристика впрыскивания (рис. 5.2, а) показывает, что скорость подачи топлива увеличивается постепенно (монотонно), а двухступенчатая (рис. 5.2, б) — на начальном участке растет еще медленнее. Завершается впрыскивание достаточно резко. Постепенное нарастание скорости подачи топлива распространено у дизелей, где оно подается в объем камеры сгорания.

Характеристика впрыскивания, представленная на рис. 5.2, в, имеет вначале большую скорость подачи при небольшом объеме топлива (площадь S₁,), а значительная часть топлива впрыскивается с убывающей скоростью (объем подаваемого топлива — площадь S₂).

При растянутом конце подачи топлива (рис. 5.2, г), или при дополнительном впрыскивании (подвпрыскивании) (рис. 5.2, д) теплота последних частей топлива, впрыснутого после ВМТ, выделяется на линии расширения, используется неэффективно, растет дымность отработавших газов.

Распыливание струи топлива на мелкие капли позволяет резко увеличить его поверхность (в 80…270 раз) и обеспечивает быстрое протекание процессов тепло- и массообмена между каплями и воздухом при высокой температуре в камере сгорания. Распад струи топлива при его истечении через малые круглые сопловые отверстия форсунки в пространство, заполненное газом, происходит с образованием капель разного диаметра.

Форма распада струи зависит от скорости истечения, а также от физических свойств топлива и начальных возмущений, возникающих в потоке при его движении в распылителе. При небольших скоростях истечения на поверхности топлива возникают начальные возмущения, вызывающие осесимметричные колебания, которые разрывают струю с образованием отдельных капель. При больших скоростях истечения возникают волновые деформации оси струи и она теряет устойчивость, что приводит к волновому распаду. При истечении с еще большими скоростями начинается распад струи с образованием большого количества капель непосредственно вблизи распыливающего отверстия. Такой распад струи является основным и называется распыливанием. Так как при каждом впрыскивании скорость истечения топлива изменяется в широких пределах, то все три вида распада струи участвуют в этом процессе.

Определяющими в процессе распыливания топлива являются его начальные возмущения, возникающие при движении в распылителе. Они зависят от конструкции распылителя, скорости течения топлива в нем, геометрической формы его распыливающих отверстий и физических свойств жидкости.

Для дизелей с разделенными камерами сгорания в топливоподающих системах используют штифтовые распылители. В них топливо впрыскивается в камеру сгорания через кольцевую щель между штифтом и корпусом распылителя. Вначале топливо распространяется в виде конуса. Из-за колебаний на поверхности топлива и уменьшения толщины пленки при увеличении боковой поверхности конуса происходит ее распад с дальнейшим образованием капель различных размеров.

В процессе распыливания топлива скорость движения его частиц по сечению струи, их размер различны. Также отличаются условия движения частиц струи, пленок, нитей и капель в объеме камеры сгорания.

Структура струи определяется распределением топлива в ее поперечных и продольном сечениях. Распределение капель в струе и локальная концентрация топлива очень неравномерны. В поперечных сечениях струи скорость движения капель и их количество возрастают по мере приближения к оси струи.

На мелкость распыливания, развитие и структуру струи влияет множество факторов. На рис. 5.3 представлены характеристика впрыскивания dV_вп/dφ_к , изменение средних диаметров капель а d_об и фотографии с отпечатками капель в различные моменты подачи топлива в зависимости от угла поворота кулачкового вала насоса φ_к. При увеличении давления впрыскивания и скорости истечения уменьшаются средние диаметры капель, повышается их мелкость и однородность распыливания.

Существенное влияние на мелкость и однородность распыливания топлива оказывают конструктивные параметры элементов топливной системы.

Конструкция многоструйного распылителя обеспечивает наибольшую концентрацию топлива на оси струи и практически постоянный угол рассеивания. Штифтовой распылитель создает полую струю с наибольшей концентрацией топлива на ее боковой поверхности, а угол рассеивания изменяет в широких пределах. Увеличение диаметра распиливающих отверстий многоструйных распылителей при неизменном их общем проходном сечении приводит к увеличению массы вытекающего топлива и длины струи.

Физические свойства топлива также влияют на параметры распыливания. С увеличением вязкости и сил поверхностного натяжения топлива мелкость и однородность распыливания ухудшаются.

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 φ_к, град

Рис. 5.3. Изменение подачи топлива и среднего диаметра капель в процессе впрыскивания

Физическое состояние заряда в камере сгорания к моменту впрыскивания топлива характеризуется высокими температурой и давлением и, следовательно, его плотностью, превышающей плотность окружающей среды в 12…30 раз. Такая плотность газовой среды, в которую впрыскивают топливо, увеличивает аэродинамическое сопротивление движению капель, что способствует распаду струи и дроблению крупных капель. С повышением плотности среды резко снижается длина струи.

Движение заряда в камере сгорания дизеля существенно влияет на развитие и структуру распыленной струи топлива.

2. Смесеобразование в дизеле.

В дизелях смесеобразование происходит внутри цилиндра. Оно начинается в момент начала впрыскивания топлива и заканчивается в конце его сгорания. Качество смесеобразования определяется характеристиками впрыскивания и распыливания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и температурами поверхностей камеры сгорания, взаимным направлением и интенсивностью движения топливных струй и заряда в камере сгорания.

Объемное смесеобразование предполагает распыливание большей части топлива в объеме камеры сгорания и лишь небольшая его часть попадает в ее пристеночный слой. Оно реализуется в однополостной (неразделенной) камере сгорания, которая располагается в поршне; ее ось и ось форсунки совпадают. Камера сгорания имеет малую глубину и большой диаметр, отношение ее диаметра к диаметру цилиндра составляет d_к.с./D = 0,8…0,83 (рис. 5.4, е). Прогрев и испарение топлива в этой камере происходят в основном от сжатого и нагретого заряда воздуха.

Угол рассеивания струй топлива обычно не превышает 20°, поэтому для полного охвата струями всего объема камеры сгорания и полного использования заряда воздуха в форсунке необходимо иметь не менее 18 распыливающих отверстий небольшого диаметра, что достаточно сложно для изготовления. В процессе эксплуатации дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр сопловых отверстий, проходные сечения уменьшаются из-за отложения на их поверхности кокса.

Видео:Смесеобразование и сгорание в цилиндре двигателя, 1982Скачать

Для полного сгорания впрыснутого топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше количество распыливающих отверстий. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла. Однако повышение интенсивности вращательного движения заряда при впуске приводит к снижению коэффициента наполнения η_V.

Поэтому при объемном смесеобразовании используют 6…10 распыливающих отверстий при небольшом значении скорости движения заряда (12… 15 м/с), чтобы избежать значительного падения наполнения свежим зарядом.

Развеивание струй топлива вращающимся зарядом существенно влияет на объем и поверхность струи и их изменение во времени.

Теплообмен между зарядом и топливом происходит преимущественно в объеме факела и пары топлива перемещаются в направлении поверхности струй. Движение заряда сносит продукты сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним кислорода воздуха. При чрезмерной скорости движения заряда мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания из одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, что приведет к ухудшению смесеобразования. Такое явление называют перезавихриванием. Поэтому в дизелях с объемным смесеобразованием частота вращения ограничена и не превышает 3000 мин -1 .

При этом виде смесеобразования для проникновения капель топлива на периферию камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая часть воздуха, необходимо повышать давление впрыскивания, иногда до 200 МПа. Такое давление могут создавать насос-форсунки.

Однако их применение связано с усложнением конструкции и необходимостью в эксплуатации обеспечивать равномерную подачу топлива по отдельным цилиндрам. При использовании разделенных систем подачи топлива давление впрыскивания обычно не превышает 100 МПа, что связано с повышением сил, действующих на детали топливной аппаратуры, искажением объемов топлива в системе, а также с подвпрыскиваниями топлива из-за колебательных процессов в топливопроводах высокого давления.

Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования заключается в том, что часть топлива подается на стенку камеры сгорания и концентрируется в пристеночном слое, а другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Низкая температура стенок камеры сгорания (200…300 °С) и малая турбулентность заряда в этой зоне уменьшают скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В итоге снижается скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают.

При таком виде смесеобразования относительный диаметр камеры сгорания несколько меньше (d_к.с./D= 0,5…0,6), а ее глубина больше (рис. 5.4, а, б, ж).

Тангенциальная составляющая скорости движения заряда воздуха достигает 25…30 м/с. Интенсивное вращение заряда при его перетекании в камеру сгорания позволяет применять 3…5 распыливающих отверстий большего диаметра. Снижаются требования к топливоподающей аппаратуре, которая должна обеспечить давление впрыскивания не более 80 МПа. При этом существенно снижаются нагрузки в топливной аппаратуре, повышаются ее износостойкость и надежность.

Рис. 5.4. Типы камер сгорания дизеля в поршне:

а – полусферическая (дизель ВТЗ); б – ЯМЗ и АМЗ; в – ЦНИДИ; г – «МАН»; д – «Дойц»; е — «Гессельман»; ж — «Даймлер-Бенц»; δ_н.з. — надпоршневой зазор

Данное смесеобразование позволяет смещать ось распылителя относительно оси цилиндра и располагать форсунку наклонно, что облегчает ее установку и снятие в эксплуатации. Оси отдельных распыливающих отверстий располагают под разными углами к оси распылителя. Поэтому необходимо обеспечивать строгую фиксацию распылителя относительно корпуса форсунки, а корпуса форсунки — относительно камеры сгорания.

В рассматриваемых камерах перетекающий заряд из объема над поршнем в камеру сгорания захватывает пары, мелкие капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры сгорания.

При малых d_к.с./D большее количество воздуха сосредоточивается в зазоре между поршнем и головкой цилиндра. Это приводит к менее полному использованию воздуха для сгорания топлива и снижает мощность дизеля. Аналогично влияют зазоры между головкой поршня и гильзой и расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца. Также важным при изготовлении и ремонте дизеля является стабилизация зазоров между поршнем и головкой цилиндра, поршнем и цилиндром.

Пристеночное смесеобразование предусматривает подачу почти всего топлива в пристеночную зону камеры сгорания. Она обычно расположена соосно с цилиндром, а форсунка смешена к ее периферии. Распылитель форсунки направляет одну-две струи топлива под острым углом на стенку камеры сгорания сферической формы (рис. 5.4, г), или вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (рис. 5.4, д). При этом интенсивное вращательное движение заряда, тангенциальная скорость которого достигает 50…60 м/с, распределяет топливные капли вдоль стенки камеры сгорания. В объем горячего заряда в центральной части камеры сгорания попадает 5… 10% топлива, которое воспламеняется в первую очередь. По мере испарения и смешения топлива с воздухом сгорание распространяется на основную часть топлива в пристеночном слое.

Читайте также: Зайчик из цилиндра из бумаги

В заряде происходит сепарация рабочей смеси: менее плотные продукты сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а более плотный воздух из центральной части камеры сгорания перемещается к периферии, где находится топливо. Это обеспечивает его постепенное и полное сгорание. Относительно малая скорость нарастания давления при начальном воспламенении небольшого количества топлива обусловливает сравнительно мягкую работу и снижение шума дизеля. Такой процесс в большей степени приспособлен к работе на топливах различного фракционного состава и даже на бензине.

Использование одного-двух распыливающих отверстий большого диаметра не требует тонкого распыления топлива, а максимальное значение давления впрыскивания не превышает 45 МПа. Основной недостаток двигателей с пристеночным процессом заключается в трудности пуска непрогретого дизеля, так как топливо впрыскивается в пристеночный слой и непосредственно на холодную стенку. К числу достоинств процесса относятся высокие экономические показатели и сравнительно низкие требования к топливной аппаратуре.

Камеры сгорания с пристеночным смесеобразованием имеют большую глубину, что приводит к росту высоты головки поршня и высокой тепловой напряженности горловины камеры сгорания. Все это приводит к увеличению массы поршня и усложняет его охлаждение.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания основано на использовании двухполостных разделенных камер сгорания: вспомогательной и основной, соединенных горловиной. С учетом характера движения заряда в дополнительной камере различают вихревые камеры сгорания и предкамеры.

Рис. 5.5. Разделенные камеры сгорания в головке цилиндров:

а — вихревая камера; б — предкамера

Вихревая камера сгорания (рис. 5.5, а) выполнена в головке цилиндра в форме сферы или цилиндра. Ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности вихревой камеры сгорания для создания направленного вихревого движения заряда. Объем вихревой камеры составляет 50…60% общего объема камеры сгорания. Скорость перетекания заряда через горловину достигает 100… 200 м/с. Топливо в вихревую камеру впрыскивается штифтовым распылителем. Оно отжимается движущимся зарядом к стенке камеры. Нижняя часть вихревой камеры с горловиной обычно является съемной и теплоизолированной. Температура горловины может достигать 600…650° С, что способствует интенсивному смесеобразованию.

В вихревой камере создается обогащенная смесь. После воспламенения топлива давление в вихревой камере повышается и горящий заряд перетекает в основную полость камеры сгорания, выполненную в днище поршня. Здесь сосредоточена значительная часть еще не использованного для сгорания воздуха, которая под воздействием вихревых потоков перемешивается с топливом и обеспечивает его полное сгорание.

Предкамера (рис. 5.5, б) имеет объем и сечение горловины обычно меньше, чем вихревая камера сгорания. С основной камерой сгорания предкамера соединяется каналами небольшого сечения.

Направление и число каналов выбирают таким образом, чтобы на такте сжатия при перетекании заряда в предкамере создавалось беспорядочное движение заряда при скоростях 300 м/с и более. Впрыскивание топлива происходит навстречу потоку заряда воздуха, поступающего из цилиндра. В результате интенсивной турбулизации заряда в предкамере топливо хорошо перемешивается с воздухом.

При быстром и неполном сгорании обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Это вызывает обратное перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где он быстро и достаточно полно догорает даже при малом избытке воздуха (при α= 1,15… 1,2).

При использовании разделенных камер сгорания значения максимального давления и скорости нарастания давления относительно невелики и приближаются к соответствующим значениям показателей двигателей с искровым зажиганием. Поэтому дизель работает мягче и менее шумно. Требования к топливной аппаратуре для организации смесеобразования такого вида невелики.

Разделенные камеры сгорания имеют ряд недостатков:

• малое проходное сечение горловины приводит к повышенным потерям при перетекании заряда между обеими полостями камеры сгорания, а это ухудшает экономичность дизеля;

• при пуске непрогретого дизеля топливо впрыскивается на холодную стенку, имеющую большую поверхность, что затрудняет пуск. Для повышения надежности пуска повышают степень сжатия до 23 и в камере сгорания устанавливают свечу накаливания.

Видео:Свечи Зажигания Расскажут Все о Вашем Авто / АвтоХакСкачать

Смесеобразование при наддуве предполагает увеличение цикловой подачи топлива практически за то же время, что и в дизеле без наддува. Ее можно повысить путем увеличения эффективною проходного сечения распыливающих отверстий или увеличением давлений впрыскивания.

При наддуве плотность заряда в цилиндре увеличивается. Поэтому, чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, необходимо более резко повысить давление впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем в дизеле без наддува.

При высоких степенях наддува применяют насос-форсунки или топливные системы аккумуляторного типа.

3. Процессы сгорания и тепловыделения.

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. Оно определяет энергетические, экономические и экологические показатели цикла, динамические нагрузки на детали двигателя. Хорошие показатели работы дизеля на номинальном режиме достигаются при тепловыделении, начинающемся в положении поршня за 5… 15° до ВМТ и завершающемся на 45…50° после ВМТ.

Процесс тепловыделения в дизеле можно условно разделить на четыре фазы (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Индикаторная диаграмма и фазы процесса сгорания дизеля.

Первая фаза — период задержки воспламенения — начинается с момента начала впрыскивания топлива и заканчивается в момент, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива. Длительность фазы определяют как интервал времени τ_i, или угол поворота коленчатого вала θ_i.

Фаза включает процессы распада струй на капли, продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного их испарения и смешения с воздухом, а также время саморазгона химических реакций. Неоднородность смеси по объему камеры сгорания положительно влияет на развитие воспламенения. В некоторых локальных зонах камеры сгорания существуют благоприятные условия для воспламенения бедной по составу смеси даже при среднем α = 6. Если большая часть впрыснутого топлива успевает испариться и смешаться с воздухом, то в цилиндре развиваются высокие давления, что приводит к высоким динамическим нагрузкам на детали двигателя и росту его шумоизлучения.

На длительность τ_i влияют следующие факторы:

• воспламеняемость топлива улучшается при увеличении цетанового числа топлива;

• увеличение давления и температуры заряда в начале впрыскивания топлива сокращает τ_i ; применение наддува также уменьшает τ_i . В процессе эксплуатации из-за увеличения утечек заряда через кольца давление и температура заряда в конце сжатия могут снижаться, а это приведет к увеличению τ_i;

• тип камеры сгорания оказывает влияние на τ_i из-за различий в распределении топлива по объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания;

• увеличение интенсивности направленного движения заряда несколько сокращает длительность задержки воспламенения;

• интенсификация характеристик впрыскивания и распыливания способствует небольшому сокращению τ_i;

• уменьшение нагрузки, если начало подачи в зависимости от нагрузки не изменяется, приводит к незначительному удлинению τ_i;

• увеличение частоты вращения способствует лучшему распыливанию топлива, повышению давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива, что сокращает τ_i, но продолжительность периода θ_i в градусах ПКВ несколько возрастает.

Вторая фаза — фаза быстрого сгорания θ_I — начинается с момента отрыва кривой сгорания от линии сжатия и завершается при достижении максимума давления. В этой фазе вначале сгорает часть смеси, подготовленной к воспламенению за предыдущую фазу (τ_i), а затем процесс сгорания определяется смешением воздуха и топлива, подаваемого в данной фазе.

Развитие и длительность второй фазы сгорания θ_I определяют следующие факторы:

• количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за время τ_i и подаваемого в течение второй фазы сгорания; с увеличением мелкости распыливания первых порций впрыскиваемого топлива растут скорости тепловыделения и нарастания давления;

• скорость движения заряда интенсифицирует тепловыделения в фазе быстрого сгорания; однако при сильной турбулизации количество выделяемой теплоты уменьшается;

• тип камеры сгорания определяет количество топлива, попадающее в пристеночную зону, и чем оно больше, тем меньше скорости тепловыделения и нарастания давления;

• увеличение нагрузки, т.е. количества впрыскиваемой порции топлива, и длительности подачи приводит к большей продолжительности второй фазы сгорания;

• повышение частоты вращения приводит к улучшению распыливания топлива, уменьшению продолжительности впрыскивания по времени, увеличению интенсивности движения заряда, повышению температуры и давления и ускорению химических реакций. При сокращении τ_i продолжительность θ_I , выраженная в градусах ПКВ, почти не изменяется.

Третья фаза — фаза быстрого диффузионного сгорания θ_II — начинается в момент достижения максимума давления и завершается в момент достижения максимума температуры. В этот период происходит быстрое смешение воздуха с топливом, подаваемым в пламя, а также интенсивное тепловыделение. В зонах с повышенным содержанием топлива происходит активное образование сажи.

На продолжительность третьей фазы сгорания влияют следующие факторы:

• количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания и качество распыливания;

• увеличение скорости движения воздушного заряда до определенного оптимального значения повышает тепловыделение в третьей фазе. Дальнейшее ее повышение создает «перезавихривание» заряда, тепловыделение снижается, что связано с ухудшением распределения топлива в объеме заряда. При этом происходит перенос продуктов сгорания из зоны одного факела в зону другого. Это увеличивает неполноту сгорания и приводит к дымлению дизеля;

• повышение нагрузки и наддув увеличивают тепловыделение и его скорость, а также длительность третьей фазы;

• увеличение частоты вращения интенсифицирует подачу и распыливание топлива благодаря повышению скорости движения заряда, при этом продолжительность третьей фазы по времени сокращается.

Четвертая фаза — догорание — начинается с момента достижения максимальной температуры цикла, т.е. практически после завершения впрыскивания, и завершается по окончании тепловыделения. В ней происходит диффузионное сгорание при малых скоростях смешения паров топлива и воздуха.

Видео:Говорю почему не работает один цилиндр двигателяСкачать

На развитие четвертой фазы сгорания влияют следующие факторы:

• турбулентные пульсации заряда интенсифицируют процесс догорания;

• качество распыливания порций топлива, подаваемых в конце впрыскивания, влияет на длительность процесса догорания топлива. Чем больше диаметр капель, тем больше продолжается догорание и интенсивнее сажеобразование. Медленное завершение впрыскивания и подвпрыскивание вызывают затягивание процесса сгорания и образование сажи, снижает надежность работы дизеля, увеличивает закоксовывание распыливающих отверстий и отложения на деталях;

• попадание топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства затягивает догорание топлива и вызывает перегрев дизеля;

• наддув обычно несколько затягивает процесс догорания топлива из-за роста продолжительности впрыскивания и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.

Значения давления р_z и температуры Т_z для различных типов двигателей приведены в табл. 5.1.