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

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

На рисунке показан цилиндр ДВС с предкамерным смесеобразованием . Камера сгорания состоит из предкамеры 2 , расположенной в крышке, и главной камеры 1 в надпоршневом пространстве, соединенных между собой. Объем предкамеры составляет 25—40 % общего объема камеры сгорания. При сжатии воздух, находящийся в цилиндре, с большой скоростью входит через соединительные каналы 4 в предкамеру, создавая в ней интенсивное вихреобразование. Топливо под давлением 8—12 МПа впрыскивается в предкамеру однодырчатой форсункой 3 , хорошо перемешивается с воздухом, воспламеняется, но сгорает лишь частично из-за недостатка воздуха. Оставшаяся (несгоревшая) часть топлива вместе с продуктами сгорания под давлением 5—6 МПа выбрасывается в основную камеру сгорания. При этом топливо интенсивно распыливается, перемешивается с воздухом и сгорает. К преимуществам ДВС с предка-мерным смесеобразованием относится то, что они не требуют наличия топливной аппаратуры, работающей под очень высоким давлением и не нуждаются в топливе высокой степени очистки.
Основными недостатками этих ДВС являются: более сложная конструкция цилиндровых крышек, создающая опасность образования трещин из-за тепловых напряжений; трудность пуска холодного двигателя; повышенный расход топлива из-за несовершенного смесеобразования. Относительно большая поверхность стенок предкамеры вызывает сильное охлаждение воздуха при его сжатии во время пуска двигателя, что затрудняет получение температуры, необходимой для самовоспламенения топлива. Поэтому в двигателях с предкамерным способом смесеобразования допускают более высокое сжатие (степень сжатия достигает 17—18), а также применяют электрические запальные свечи и подогрев засасываемого воздуха в период пуска.

Вихрекамерный способ смесеобразования также применяется в быстроходных ДВС небольшой мощности. В этих двигателях камера сгорания также разделена на две части. Вихревая камера, имеющая шаровую или цилиндрическую форму, помещается в крышке цилиндра или цилиндровом блоке и сообщается с основной камерой сгорания соединительным каналом, направленным по касательной к стенке вихревой камеры. Благодаря этому сжатый воздух, перетекающий в вихревую камеру через соединительный канал 1 , получает в ней вращательное движение, способствующее хорошему перемешиванию топлива с воздухом. Объем вихревой камеры составляет 50—80 % общего объема камеры сгорания. Топливо подается в вихревую камеру однодырчатой форсункой 2 под давлением 10—12 МПа. Диаметр отверстия сопла форсунки составляет 1—4 мм.
Применение вихрекамерного способа распыливания топлива обеспечивает достаточно полное сгорание топлива в быстроходных ДВС. Недостатками таких двигателей является повышенный расход топлива и трудность его пуска. Для облегчения пуска ДВС в ход используется электрическая запальная свеча 3 , расположенная рядом с форсункой.
Удельный расход топлива у двигателей с предкамерным и вихрекамерным способом смесеобразования на 10—15 % выше, чем у двигателей с однокамерным смесеобразованием.

Смесеобразование – это процесс перемешивания топлива с воздухом и образование горючей смеси за очень короткий промежуток времени. Чем равномернее распределены частицы топлива по камере сгорания тем совершеннее процесс сгорания. Гомогенизация смеси обеспечивается испарением топлива но для хорошего испарения жидкое топливо следует предварительно распылить. Распыление топлива также зависит от скорости движения воздушного потока но чрезмерное ее увеличение увеличивает гидродинамическое сопротивление впускного тракта что ухудшает...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

PAGE 4

Смесеобразование в ДВС

ЛЕКЦИЯ 6,7

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ДВС

1. Смесеобразование в карбюраторных двигателях

Совершенствование процесса сгорания в значительной степени зависит от качества смесеобразования. Смесеобразование – это процесс перемешивания топлива с воздухом и образование горючей смеси за очень короткий промежуток времени. Чем равномернее распределены частицы топлива по камере сгорания, тем совершеннее процесс сгорания. Различают двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. В двигателях с внешним смесеобразование гомогенизация смеси происходит в карбюраторе и при перемещении по впускному трубопроводу. Это карбюраторные и газовые двигатели. Гомогенизация смеси обеспечивается испарением топлива, но для хорошего испарения жидкое топливо следует предварительно распылить. Мелкое распыление обеспечивается формой выходных сечений отверстий жиклеров или каналов. Распыление топлива также зависит от скорости движения воздушного потока, но чрезмерное ее увеличение увеличивает гидродинамическое сопротивление впускного тракта, что ухудшает наполняемость цилиндра. Коэффициент поверхностного натяжения, температура влияют на энергию дробления струи. Более крупные капли достигают стенок впускного тракта и оседают на стенках в виде пленки, которая смывает смазку в цилиндрах, снижает однородность смеси. Пленка движется со значительно меньшими скоростями, чем поток смеси. Смешивание паров топлива и воздуха происходит как за счет диффузии, так и за счет турбулизации потоков паров топлива и воздуха. Смесеобразование начинается в карбюраторе, а заканчивается в цилиндре двигателя. В последнее время появились форкамерно-факельные системы.

Полное испарение бензина обеспечивается подогревом смеси во впускном трубопроводе за счет отработавших газов или охлаждающей жидкости.

Состав смеси обусловлен нагрузочным режимом: пуск двигателя – богатая смесь (альфа=0,4-0,6); холостой ход (альфа=0,86-0,95); средние нагрузки (альфа=1,05-1,15); полная мощность (альфа=0,86-0,95); разгон двигателя (резкое обогащение смеси). Элементарный карбюратор не может обеспечить необходимый качественный состав смеси, поэтому современные карбюраторы имеют специальные системы и устройства, обеспечивающие приготовление смеси необходимого состава на всех нагрузочных режимах.

В двухтактных карбюраторных двигателях смесеобразование начинается в карбюраторе и заканчивается в кривошипной камере и цилиндре двигателя.

1. C месеобразование в двигателях с впрыском легкого топлива

Карбюрация имеет недостатки : диффузор и дроссельная заслонка создают сопротивление; обледенение смесительной камеры карбюратора; неоднородность состава смеси; неравномерное распределение смеси по цилиндрам. От этих и других недостатков избавлена система принудительного впрыска легкого топлива. Принудительный впрыск обеспечивает хорошую однородность смеси за счет распыления под давлением, нет необходимости в подогреве смеси, возможна более экономичная продувка 2х-тактного двигателя без потерь топлива, снижается количество токсических компонентов в ОГ, обеспечивается более легкий пуск двигателя при отрицательных температурах. Недостаток системы впрыска – сложность регулирования подачи топлива.

Различают впрыск во впускной трубопровод или в цилиндры двигателя; непрерывный впрыск или цикловая подача, синхронизированная с работой цилиндров; впрыск под н и зким давлением (400-500КПа) или под высоким - (1000-1500КПа). Впрыск топлива обеспечивает топливный насос, фильтры, редукционный клапан, форсунки, арматура. Регулирование подачи топлива может быть механическим или электронным. Для работы устройства регулирования подачи требуется сбор данных о частоте вращения коленчатого вала, разряжения в системе впуска, нагрузки, температурах охлаждения и отработавших газов. Полученные данные обрабатывается миникомпьютером и в соответствии с полученными результатами изменяют подачу топлива.

1. Смесеобразование в дизельных двигателях

У двигателей с внутренним смесеобразованием в цилиндр поступает воздух, а затем туда же подается мелкораспыленное топливо, которое перемешивается с воздухом внутри цилиндра. Это объемное смесеобразование. Размеры капель в струе неодинаковы. Средняя часть струи состоит из более крупных частиц, а наружняя – из более мелких. Микрофотография показывает, что при увеличении давления размеры частиц резко снижаются. Чем равномернее распределено топливо по объему цилиндра, тем меньше зон с недостатком кислорода.

В современных дизелях применяют три основных способа смесеобразования: струйное для неразделенных камер сгорания и смесеобразование и сгорание в камерах, разделенных на две части (предкамера{20-35%}+основная камера сгорания, вихревая камера{до 80%}+основная камера сгорания). Дизели с разделенными КС имеют более высокий удельный расход топлива. Это объясняется затратой энергии при перетекании воздуха или газов из одной части камеры в другую.

У двигателей с неразделенными КС тонкое распыление топлива дополняется вихревым движением воздуха за счет спиралеобразной формы впускного патрубка.

Пленочное смесеобразование. В последнее время эффектиность смесеобразования повышается за счет впрыска топлива на стенки КС – пленочное смесеобразование. Это несколько замедляет процесс сгорания и способствует уменьшению максимального давления цикла. При пленочном смесеобразовании стремятся к тому , чтобы минимальное количество топлива успевало испариться и перемешаться с воздухом за период задержки воспламенения.

Факел топлива подается под острым углом на стенку камеры сгорания, чтобы капли не отражались, а растекались по поверхности в виде тонкой пленки толщиной 0,012-0,014мм. Путь факела от соплового отверстия до стенки должен быть минимальным, чтобы уменьшить количество испарившегося топлива за время движения струи в камере сгорания. Направление вектора скорости движения заряда воздуха совпадает с направлением движения топлива, что способствует растеканию пленки. Одновременно это понижает парообразование, т.к. снижаются скорости движения топлива и воздуха. Энергия топливных струй в 2 раза меньше чем при объемном (2,2-7,8 дж/г). Вместе с тем энергия воздушного заряда должна быть в 2 раза больше. Мелкие капли и образующиеся пары движутся к центру камеры сгорания.

Теплота для испарения топлива в основном подводится от поршня (450-610К). При большей температуре топливо начинает кипеть и отскакивать от стенок в виде сферических форм, возможно также термическое разложение топлива и его коксование – охлаждение поршня маслом. Испарение топлива происходит за счет движения воздуха вдоль стенки, процесс испарения резко увеличивается после начала горения за счет передачи энергии от пламени к стенкам.

Преимущества. При ПСО повышается экономичность двигателя (218-227г/квтч), среднее эффективное давление, снижается жесткость в работе двигателя (0,25-0,4МПа/гр), максимальное давление цикла возрастает до 7,0-7,5МПа. Двигатель может работать на различных топливах, в том числе на высокооктановом бензине.

Недостатки. Затрудненный пуск двигателя, на малых оборотах увеличение токсичности ОГ , увеличение высоты и массы поршня из-за присутствия КС в поршне, затруднения при форсировании двигателя за счет частоты вращения.

Подача топлива осуществляется при помощи ТНВД и форсунок. ТНВД обеспечивает дозировку топлива и своевременную подачу. Форсунка обеспечивает подачу, мелкое распыление топлива, равномерное распределение топлива по всему объему и отсечку. Закрытые форсунки, в зависимости от способа смесеобразования, имеют различную конструкцию распыливающей части: многодырчатые распылители (4-10отв. диаметром 0,2-0,4мм) и однодырчатые со штифтом на конце иглы и однодырчатые безштифтовые.

Количество топлива, подаваемое во все цилиндры должно быть одинаковым и соответствовать нагрузке. Для качественного смесеобразования подача топлива производится за 20-23 градуса до прихода поршня в ВМТ.

От качества работы приборов системы питания дизеля зависят показатели работы двигателя: мощность, приемистость, расход топлива, давление газов в цилиндре двигателя, токсичность ОГ.

Разделенные КС – предкамеры и вихревые камеры. Топливо впрыскивается в дополнительную камеру, расположенную в головке блока. За счет перемычки в дополнительной камере образуется мощное движение сжимаемого воздуха, что способствует лучшему перемешиванию топлива с воздухом. После воспламенения топлива в дополнительной камере нарастает давление и начинается движение газового потока через канал перемычки в надпоршневую камеру. Смесеобразование от энергии топливной струи зависит незначительно.

В вихревой камере соединительный канал располагается под углом к торцевой плоскости головки блока так, чтобы образующая поверхность канала была касательной к поверхности камеры. Топливо впрыскивается камеру под прямым углом к потоку воздуха. Мелкие капли подхватываются потоком воздуха и относятся к центральной части, где температура наиболее высока. Малый период задержки воспламенения топлива при высокой температуре обуславливает быстрое и надежное воспламенение топлива. Крупные капли топлива относятся потоком к стенкам КС, контактируя с нагретыми стенками топливо, также начинает испаряться. Интенсивное движение воздуха в вихревой камере позволяет установить форсунку закрытого типа с штифтовым распылителем.

Преимущества . Меньшее максимальное давление, меньшее нарастание давления, более полное использование кислорода (альфа 1,15-1,25) при бездымном выпуске ОГ, Возможность работы на высоких скоростных режимах с удовлетворительными показателями, возможность использования топлива различного фракционного состава, меньшее давление впрыска.

Недостатки . Более высокий удельный расход топлива, ухудшение пусковых качеств.

Предкамера имеет меньший объем, меньшую площадь соединительного канала (0,3-0,6% от F п), воздух перетекает в предкамеру с большими скоростями (230-320м/с). Форсунка размещается обычно по оси предкамеры навстречу потоку. Во избежание переобогащения смеси впрыск должен быть грубым, компактным, что достигается одноштифтовой форсункой при малом давлении впрыска топлива. Воспламенение происходит в верхней части предкамеры и используя весь объем камеры факел распространяется по всему объему. Давление резко возрастает и врываясь через узкий канал в основную в камеру происходит соединение с основной массой воздуха.

Преимущества . Невысокие максимальные давления (4,5-6Мпа), малое нарастание давления (0,2-0,3Мпа/гр.), интенсивный подогрев воздуха и топлива, меньшие энергетические затраты на распыление топлива, возможность форсирования двигателя по частоте, меньшая токсичность.

Недостатки . Ухудшение экономичности двигателя, увеличенный теплоотвод в систему охлаждения, затруднен запуск холодного двигателя (повышают степень сжатия и ставят калильные свечи зажигания).

Дизели с неразделенными камерами сгорания имеют более лучшие экономические и пусковые показатели, возможность применения наддува. Худший показатель по шумности, нарастанию давления (0,4-1,2Мпа/гр).

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.

Лекция 2: топлива и продукты сгорания.

1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.

2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.

3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах

Контрольные вопросы.

Лекция 3: рабочий процесс поршневой энергетической установки транспортной техники

1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых двс. Индикаторные диаграммы.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.

4. Процесс сжатия

Значения параметров процесса сжатия

Лекция 4: процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием.

1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

2. Воспламенение и сгорание топлива.

3. Нарушения сгорания.

4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.

1. Впрыскивание и распыливание топлива.

2. Смесеобразование в дизеле.

3. Процессы сгорания и тепловыделения.

4. Процесс расширения

Значения параметров процесса расширения

Контрольные вопросы.

Лекция 6: индикаторные и эффективные показатели

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дви­гателя с искровым зажиганием.

Pис. 6.1. Зависимости индикаторного кпд от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дизеля.

2. Механические потери в двигателе

3. Эффективные показатели двигателя

Значения индикаторных и эффективных показателей

4. Тепловой баланс двигателя

Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

Контрольные вопросы.

Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок.

1. Характеристики энергетических установок.

2. Виды характеристик поршневых двс.

3. Способы повышения мощности двигателя

Контрольные вопросы

1. Кинематические характеристики движения.

2. Динамика кривошипно-шатунного механизма

3. Влияние конструктивных соотношений кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя

Контрольные вопросы.

Лекция 9: испытание энергетических установок.

1. Цели и виды испытаний.

2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.

3. Техника безопасности при испытаниях.

Контрольные вопросы.

Лекция 10: кривошипно-шатунный механизм.

1. Классификация и назначение, компоновочные и кинематические схемы, конструкция элементов корпусной и цилиндровой группы.

2. Конструкция элементов поршневой группы.

3. Конструкция элементов шатунной группы.

4. Конструкция коленчатого вала

Контрольные вопросы.

Лекция 11: механизм газораспределения

1. Назначение, основные конструкционные решения и схемы грм.

2. Конструкция элементы механизма газораспределения

Контрольные вопросы.

Лекция №12. Смазочная система и система охлаждения

1. Основные функции и работа смазочной системы.

2. Основные агрегаты смазочной системы

3. Назначение и основные требования системе охлаждения

4. Агрегаты системы охлаждения и регулирование температу­ры охлаждающей жидкости

12.2. Схема системы охлаждения

Контрольные вопросы.

Лекция 13. Система питания топливом и воздухом. Система питания двигателя

1. Назначение, основные требования и конструктивные особенности системы питания двигателей с искровым зажиганием

2. Назначение, основные требования и конструктивные особенности приборов системы питания дизелей

3. Требования, предъявляемые к системам очистки воздуха, конструктивные особенности приборов подачи воздуха.

Контрольные вопросы

Лекция №14. Системы пуска энергетических установок.

1. Способы пуска двигателя

2. Средства, облегчающие пуск двигателя

Контрольные вопросы

Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации

1. Работа энергетических установок в эксплуатации на неустановившихся режимах.

2. Технико-экономические показатели работы энергетических установок в эксплуатации.

Литература

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.

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.

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.