Процесс
смесеобразование.
Процесс
смешивания топлива с воздухом в дизельных двигателях происходит в камере сгорания.
Цель данного процесса заключается в равномерном распределении топлива по всему
объёму камеры сгорания и обеспечения наиболее полного сгорания. Для наилучшего
смешивания топливо распыляется до туманообразного состояния за счет
впрыскивания форсунками при высоком давлении. От совершенства этого процесса во
многом зависит получение высоких экономических и экологических показателей, а также
хороших пусковых качеств.
Конструкции камеры
сгорания.
По
конструкции камеры сгорания делятся на разделенные и неразделенные.
Исторически приоритет принадлежит разделенным камерам
сгорания. Дело в том что, процесс смесеобразования является одним из наиболее
сложных процессом и долгое время не удавалось добиться значительных успехов в
его организации. Более того Рудольф Дизель после ряда неудачных попыток пришел
к выводу, что непосредственный впрыск топлива невозможен. Он применял впрыск
топлива с воздухом под давлением 60 бар. Такие двигатели называются
компрессорные, так как требуют компрессора для воздуха, используемого для
распыливания топлива. Особенно сложным оказался процесс пуска. Поэтому топливо
впрыскивали в чугунный полый шар (калоризатор), который перед пуском нагревали
до бордового цвета. Калоризатор стал прообразом разделенных камер сгорания.
Разделенные камеры сгорания состоят из основной камеры сгорания и предкамеры
(форкамерой). Дальнейшее развитие идеи применения предварительного сгорания топлива в
дополнительной камере и использования высоких скоростей истечения газов из этой
камеры совместно с несгоревшим топливом в основную камеру сгорания, где оно
хорошо перемешивалось с находившемся там воздухом, использовалось в двигателях
с предкамерным
смесеобразованием (см. рис. 3.1-32).
Для того чтобы
исключить потерю времени на подготовку топлива к самовоспламенению (температуры
в предкамере довольно низкие) в высокооборотных двигателях в камеру вставляют
свечи накала, от которых топливо воспламеняется. Использование предкамер, как
и остальных видов разделенных камер, позволяет обеспечить сгорание при меньших
значениях коэффициента избытка воздуха. Качество смесеобразования при этом меньше
зависит от качества распыливания топлива, так как оно в основном определяется
интенсификацией движения газов и воздушного заряда - отсюда меньше требования,
предъявляемые к топливной аппаратуре - достаточно давление впрыскивания до
200 бар. Недостаток предкамер - большие потери тепла через стенки камеры в
охлаждающую воду и затрудненный пуск при низких температурах окружающего
воздуха.
Наряду с предкамерным
смесеобразованием в быстроходных двигателях, а именно в них в силу малого
времени, отводимого на смесеобразование, до сих пор еще идут по пути использования
различных видов разделенных камер применяются вихревые камеры (рис. 3.1-33),
камеры в поршне (рис. 3.1-34).
Вихревая камера (ее объем - 60% Vc) на такте сжатия заполняется
воздухом, и он внутри камеры приобретает вращательное движение. Топливо
впрыскивается во вращающийся поток и благодаря этому обеспечивается хорошее
смесеобразование. В камерах в поршне также используется вращение воздушного
заряда, создаваемое в головке на такте сжатия. Топливо впрыскивается
однодырчатой форсункой на донышко камеры и растекается по ее поверхности. Там
оно постепенно испаряется, вовлекается вращающимися потоками воздуха и хорошо
с ним перемешивается. Скорость испарения и начало самовоспламенения
определяются температурой головки поршня. Ее температурный режим регулируется
интенсивностью струй масла, омывающего головку снизу от расположенных в
картере сопел. К сожалению, рассмотренные пути интенсификации движения воздуха
с использованием разделенных камер неприменимы в двигателях с высоким уровнем
форсировки, мало- и среднеоборотных, так как ресурс и надежность двигателей с
разделенными камерами ниже.
Неразделенные
камеры сгорания
Неразделенные камеры
сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая,
как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов
при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность
охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими
камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые
качества.
Нужно отметить, что
одними из главных причин возникавших затруднений в организации качественного
смесеобразования при непосредственном впрыскивании топлива в камеру сгорания
являлись причины технологического характера, связанные с изготовлением
высокопрецизионных деталей плунжерных пар топливных насосов и пар игла -
направляющая форсунок. Сюда же следует отнести и сложность обеспечить высокое
качество сверления отверстий распылителей малого диаметра. Лишь в последние
10-15 лет изготовители топливной аппаратуры смогли обеспечить создание высоких
давлений впрыска, которые сегодня поднялись с 500-700 бар до 1400-1800 и даже
2000 бар. При таком высоком давлении удается обеспечить не только очень мелкое
распыливание топлива, но необходимое распределение его по всему объему камеры
сгорания. Отсюда и отпала необходимость использования в двигателях дополнительных
камер и даже в высокооборотных двигателях перейти на непосредственный впрыск
топлива.
Распыливание топлива
форсункой зависит от физических свойств топлива, скорости топлива,
приобретаемой в отверстиях распылителя форсунки, плотности воздуха в камере
сжатия и пр.
С уменьшением вязкости
и сил поверхностного натяжения топлива момент начала распада струи наступает
раньше, струя дробится на меньшие капли.
Вывод - следите за
вязкостью топлива, не допускайте ее повышения сверх 10-12 сСт.
С увеличением
сопротивления (давления) воздуха распад струи начинается раньше, угол конуса
струи увеличивается и длина сокращается. С уменьшением диаметра сопловых отверстий
скорость истечения топлива увеличивается, благодаря удару струи о плотную
среду воздуха с поверхности струи отделяются мельчайшие капли, струя теряет
резко очерченный контур и начинает распадаться на мельчайшие струйки, которые в
свою очередь распадаются на мелкие капли.
Вывод — следите за диаметром
сопловых отверстий, который благодаря эрозии с течением времени увеличиваются.
Не используйте распылители, диаметр которых увеличился сверх 10% от
номинального.
Способы
смесеобразования.
Пленочным называется
способ смесеобразования, при котором топливо попадает не в центр воздушного
заряда, а на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в виде
тонкой пленки толщиной 12—14 мкм. Затем пленка интенсивно испаряется и
перемешиваясь с воздухом, вводится в зону горения.
При объемно-пленочном смесеобразовании
топливно-воздушная смесь приготавливается одновременно и объемным и пленочным
способами. Этот способ приготовления смеси имеет место практически во всех
дизелях и может рассматриваться как общий случай смесеобразования.
Пленочное смесеобразование устраняет два
из основных недостатков дизелей: «жесткость» работы и дымность при выпуске
отработавших газов.
При пленочном смесеобразовании
используется камера сгорания сферической формы, в которой осуществляется
интенсивное движение заряда: вращательное вокруг оси цилиндра и радиальное в
поперечном направлении.
Впрыск топлива осуществляется односопловой
форсункой с давлением начала подъема иглы 20 МПа. Впрыскиваемое топливо
встречается с поверхностью стенки под острым углом и, почти не отражаясь от
нее, растекается и «растягивается» попутными воздушными потоками в тонкую
пленку. Имея большую поверхность контакта с нагретыми стенками камеры сгорания,
пленка быстро прогревается и начинает интенсивно испаряться, и тем самым
последовательно вводится в центр камеры сгорания, где к этому времени
образуется очаг горения.
К
достоинствам пленочного смесеобразования можно отнести следующие:
·
«мягкая» работа (wp = 0,25—0,4 МПа/° при максимальном
давлении цикла pz = 7,5 МПа);
·
высокие экономические показатели на уровне двигателей с объемным
смесеобразованием и непосредственным впрыском;
·
сравнительно простая конструкция топливной аппаратуры.
Основным недостатком пленочного
смесеобразования являются низкие пусковые качества двигателя в холодном
состоянии в связи с малым количеством топлива, участвующим в первоначальном
сгорании. Примером объемно-пленочного смесеобразования может служить
камера сгорания, показанная на рисунке.
Рис. Камера сгорания двигателя с объемно-пленочным
смесеобразованием: 1 — форсунка; 2 — камера сгорания
Топливо из отверстий форсунки под острым
углом направляется к стенкам камеры сгорания. Однако поток воздуха,
перетекающий из надпоршневого пространства в камеру сгорания, направлен
навстречу движению топлива, препятствует образованию пленки и способствуя лишь
быстрому испарению топлива. «Жесткость» работы двигателя при этом способе
смесеобразования достигает 0,45—0,5 МПа/°, а удельный расход топлива — 106—170
г/(кВт * ч).
При объемном способе смесеобразования
топливо вводится в мелко распыленном капельно-жидком состоянии непосредственно
в воздушный заряд камеры сгорания, где затем оно испаряется и перемешивается с
воздухом, образуя топливно-воздушную смесь.
При объемном смесеобразовании используют,
как правило, неразделенные камеры сгорания (так называемый непосредственный
впрыск). Качество смесеобразования в этом случае достигается в основном путем
согласования формы камеры сгорания с формой и числом топливных факелов. При
этом важное значение имеет распыление топлива при впрыске. Коэффициент избытка
воздуха для таких двигателей ограничивается значениями 1,5—1,6 и выше.
Рабочий цикл при таком смесеобразовании
характеризуется высоким максимальным давлением сгорания рz и
большими скоростями нарастания давления wp = dp/dϕ
(«жесткостью» работы).
Двигатели с непосредственным впрыском
обладают следующими достоинствами:
·
высокой экономичностью (ge от 220 до 255 г/кВт*ч));
·
хорошими пусковыми качествами;
·
сравнительно низкой степенью сжатия (ε от 13 до 16);
·
относительной простотой конструкции камеры сгорания и возможностью
форсирования наддува.
Основными недостатками этих двигателей
являются:
·
повышенные значения коэффициента избытка воздуха (1,6—2) на
номинальных режимах и как следствие умеренная величина среднего эффективного
давления;
·
высокая «жесткость» работы (wр до 1 МПа/°);
·
сложная топливная аппаратура и тяжелые условия ее работы в связи с
высокими давлениями.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.