Процеси сумішоутворення - Транспорт
1. Сумішоутворення в бензинових двигунах
1.1 Сумішоутворення при карбюрації
1.2 Сумішоутворення при центральному та розподіленому упорскуванні палива
1.3 Особливості сумішоутворення в газових двигунах
2. Сумішоутворення в дизелях
2.1 Особливості сумішоутворення
2.2 Способи сумішоутворення. Типи камер згоряння
1. Сумішоутворення в бензинових двигунах
Під сумішоутворення в двигунах з іскровим запаленням мають на увазі комплекс взаємопов'язаних процесів, що супроводжують дозування палива і повітря, розпилювання і випаровування палива і перемішування його з повітрям. Якісне сумішоутворення є необхідною умовою отримання високих потужних, економічних та екологічних показників двигуна.
Перебіг процесів сумішоутворення значною мірою залежить від фізико-хімічних властивостей палива та способу його подачі. У двигунах із зовнішнім сумішоутворенням процес сумішоутворення починається в карбюраторі (форсунці, змішувачі), продовжується у впускному колекторі і закінчується в циліндрі.
Після виходу струменя палива з розпилювача карбюратора або форсунки починається розпад струменя під впливом сил аеродинамічного опору (внаслідок різниці швидкостей руху повітря та палива). Дрібність та однорідність розпилювання залежать від швидкості повітря в дифузорі, в'язкості та поверхневого натягу палива. При пуску карбюраторного двигуна при його відносно низькій температурі розпилювання палива практично немає, і циліндри надходить до 90 і більше відсотків палива в рідкому стані. Внаслідок цього для забезпечення надійного пуску необхідно суттєво збільшувати циклову подачу палива (доводити α до значень ≈0,1-0,2).
Процес розпилювання рідкої фази палива протікає також у прохідному перерізі впускного клапана, а при не повністю відкритій дросельній заслінці - у щілини, що нею утворюється.
Частина крапель палива, що захоплюється потоком повітря та парів палива, продовжує випаровуватися, а частина – осідає у вигляді плівки на стінках змішувальної камери, впускного колектора та каналу в головці блоку. Під дією дотичного зусилля від взаємодії з потоком повітря плівка рухається у бік циліндра. Оскільки швидкості руху паливоповітряної суміші та крапель палива відрізняються незначно (на 2–6 м/c), то інтенсивність випаровування крапель низька. Випаровування з поверхні плівки протікає більш інтенсивно. Для прискорення процесу випаровування плівки впускний колектор в карбюраторних двигунах і з центральним упорскуванням підігрівають.
Різний опір гілок впускного колектора та нерівномірний розподіл плівки у цих гілках призводять до нерівномірності складу суміші по циліндрах. Ступінь нерівномірності складу суміші може досягати 15-17%.
При випаровуванні палива протікає процес його фракціонування. У першу чергу випаровуються легкі фракції, а більш важкі потрапляють у циліндр рідкій фазі. В результаті нерівномірного розподілу рідкої фази в циліндрах може виявитися не тільки суміш із різним співвідношенням паливо - повітря, а й паливо різного фракційного складу. Отже, і октанові числа палива, що у різних циліндрах, будуть неоднаковими.
Якість сумішоутворення покращується зі зростанням частоти обертання n. Особливо помітним є негативний вплив плівки на показники роботи двигуна на перехідних режимах.
Нерівномірність складу суміші в двигунах з розподіленим упорскуванням визначається, головним чином,ідентичності роботи форсунок. Ступінь нерівномірності складу суміші становить ±1,5% при роботі за зовнішньою швидкісною характеристикою та ±4% на холостому ході з мінімальною частотою обертання nх.х.min.
При впорскуванні палива безпосередньо в циліндр можливі два способи сумішоутворення:
− з отриманням гомогенної суміші;
− із розшаруванням заряду.
Реалізація останнього способу сумішоутворення пов'язана з чималими труднощами.
У газових двигунах із зовнішнім сумішоутворенням паливо вводиться в повітряний потік у газоподібному стані. Низьке значення температури кипіння, високе значення коефіцієнта дифузії та суттєво менше значення теоретично необхідного для згоряння кількості повітря (наприклад для бензину − 58,6, метану – 9,52 (м 3 повітря)/(м 3 топл) забезпечують отримання практично гомогенної горючої суміші .Розподіл суміші по циліндрах більш рівномірний.
1.1 Сумішоутворення при карбюрації
Розпорошення палива. Після виходу струменя палива з розпилювача карбюратора починається його розпад. Під дією сил аеродинамічного опору (швидкість повітря істотно вище швидкості палива) струмінь розпадається на плівки та краплі різних діаметрів. Середній діаметр крапель на виході з карбюратора орієнтовно вважатимуться рівним 100 мкм. Поліпшення розпилювання збільшує сумарну поверхню крапель і сприяє більш швидкому їх випаровуванню. Збільшуючи швидкість повітря в дифузорі та зменшуючи в'язкість та коефіцієнт поверхневого натягу палива, покращують дрібність та однорідність розпилювання. Під час запуску карбюраторного двигуна розпилювання палива практично немає.
Утворення та рух плівки палива. Під дією потоку повітря та гравітаційних сил деякі краплі осідають на стінках.карбюратора та впускного трубопроводу, утворюючи паливну плівку. На плівку палива впливають сили зчеплення зі стінкою, дотичне зусилля потоку повітря, перепад статичного тиску по периметру перерізу, а також сили тяжіння і поверхневого натягу. В результаті дії цих сил плівка набуває складної траєкторії руху. Швидкість її руху в кілька десятків разів менша за швидкість потоку суміші. Найбільше плівки утворюється на режимах повних навантажень і малої частоти обертання, коли швидкість повітря і дрібність розпилювання палива невеликі. У цьому випадку кількість плівки на виході із впускного трубопроводу може сягати 25 % від загальної витрати палива. Характер співвідношення фізичних станів горючої суміші суттєво залежить від конструктивних особливостей системи паливоподачі (рис. 1).
Мал. 1. Подача палива при карбюрації (а), центральному (б) та розподіленому (в) впорскуванні: 1 – повітря; 2 – паливо; 3 – горюча суміш
Випаровування палива. Паливо випаровується з поверхні крапель та плівки при порівняно невеликих температурах. Краплі знаходяться у системі впускної двигуна приблизно протягом 0,002-0,05 с. За цей час встигають повністю випаруватися лише найдрібніші з них. Низькі швидкості випаровування крапель визначаються головним чином молекулярним механізмом перенесення теплоти та маси, оскільки більшу частину часу краплі рухаються при незначному обдуві повітрям. Тому на випаровування крапель помітно впливають дрібність розпилювання і початкова температура палива, вплив температури повітряного потоку незначно.
Таким чином, на режимах холодного пуску та прогріву, коли температури палива, поверхонь впускного тракту та повітря малі, випаровування бензину мінімальне, на режимі пуску до того жмайже відсутнє розпилювання, умови сумішоутворення вкрай несприятливі.
Нерівномірність складу суміші за циліндрами. Зважаючи на неоднаковий опір гілок впускного тракту, наповнення окремих циліндрів повітрям може відрізнятися (на 2–4 %). Розподіл палива по циліндрах карбюраторного двигуна може характеризуватись значно більшою нерівномірністю, головним чином, за рахунок неоднакового розподілу плівки. Це означає, що склад суміші в циліндрах неоднаковий. Він характеризується ступенем нерівномірності складу суміші:
де αi - коефіцієнт надлишку повітря в i-му циліндрі; α – середнє значення коефіцієнта надлишку повітря суміші, що готується карбюратором або інжектором центрального упорскування.
Якщо, Di> 0, це означає, що в даному циліндрі суміш більш бідна, ніж в цілому по двигуну. Значення α найпростіше визначити за аналізом складу ОГ, що виходять з i-го циліндра. Ступінь нерівномірності складу суміші при невдалій конструкції впускного тракту може досягати величини 20%, що помітно погіршує економічні, екологічні, потужні та інші показники роботи двигуна. Нерівномірність складу суміші залежить також від режиму роботи двигуна. Зі зростанням частоти n покращуються розпилювання та випаровування палива, тому нерівномірність складу суміші знижується (рис. 2а). Сумішоутворення покращується і при зменшенні навантаження, що, зокрема, виявляється у зменшенні ступеня нерівномірності складу суміші (рис. 2б).
При сумішоутворенні відбувається фракціонування бензину. При цьому в першу чергу випаровуються легкі фракції (вони мають нижче октанове число), а в краплях та плівці виявляються переважно середні та важкі. Внаслідок нерівномірного розподілу рідкої фази палива в циліндрах можевиявитися не тільки суміш з різним α, а й фракційний склад палива (а отже, і його октанове число) також може бути неоднаковим. Сказане відноситься і до розподілу циліндрів присадок до бензину, зокрема антидетонаційних. Внаслідок зазначених особливостей сумішоутворення в циліндри карбюраторних двигунів надходить суміш, в загальному випадку різниться по складу палива і його октановому числу.
Мал. 2. Зміна ступеня нерівномірності складу суміші по 1, 2, 3 і 4-циліндрам залежно від частоти обертання n (повний дросель) (а) та навантаження (n=2000 хв -1 ) (б)
1.2 Сумішоутворення при центральному та розподіленому упорскуванні палива
Упорскування палива в порівнянні з карбюрацією забезпечує:
1. Підвищення коефіцієнта наповнення внаслідок зменшення аеродинамічного опору впускної системи за відсутності карбюратора та підігріву повітря на впуску через меншу довжину впускного тракту.
2. Більш рівномірний розподіл палива по циліндрах двигуна. Відмінність коефіцієнта надлишку повітря з циліндрів при впорскуванні палива становить 6-7 %, а за карбюрації 20–30 %.
3. Можливість підвищення ступеня стиснення на 0,5–2 одиниці за однакового октанового числа палива внаслідок меншого підігріву свіжого заряду на впуску, більш рівномірного розподілу палива по циліндрах.
4. Підвищення енергетичних показників (Ni, Ne та інших.) на 3–25 %.
5. Поліпшення прийомистості двигуна та легший його пуск.
Розглянемо процеси сумішоутворення при центральному впорскуванні аналогічно перебігу цих процесів у карбюраторному двигуні та відзначимо основні відмінності між цими процесами.
Розпорошення палива. Системи з упорскуванням здійснюють подачу палива підпідвищеним тиском, як завжди, у впускний трубопровід (центральне впорскування) або впускні канали в головці циліндрів (розподілене впорскування) (рис. 1б, в).
Для систем центрального і розподіленого впорскування крім перерахованих параметрів дрібність розпилювання залежить також від тиску впорскування, форми отворів, що розпилюють, форсунки і швидкості перебігу бензину в них. У цих системах найбільше застосування отримали електромагнітні форсунки, до яких паливо підводиться під тиском 0,15 0,4 МПа, що забезпечує отримання крапель із середнім діаметром 50 400 мкм, залежно від типу форсунок (струменева, штифтова або відцентрова). При карбюрації цей діаметр становить 500 мкм.
Утворення та рух плівки палива. Кількість плівки, що утворюється при впорскуванні бензину, залежить від місця встановлення форсунки, далекобійності струменя, дрібності розпилювання, а при розподіленому впорскуванні в кожен циліндр від моменту його початку. Практика показує, що при будь-якому способі організації впорскування маса плівки становить до 60. 80% від загальної кількості палива, що подається.
Випаровування палива. Особливо інтенсивно випаровується плівка з поверхні впускного клапана. Однак тривалість цього випаровування невелика, тому при розподіленому впорскуванні на тарілку впускного клапана і роботі двигуна з повною подачею до надходження в циліндр випаровується лише 30-50% циклової дози палива.
При розподіленому впорскуванні на стінки впускного каналу збільшується час випаровування через малу швидкість руху плівки, і частка палива, що випарувалося, зростає до 50-70%. Чим вище частота обертання, тим менша тривалість випаровування, а значить, зменшується і частка бензину, що випарувався.
Підігрів впускноготрубопроводу при розподіленому впорскуванні недоцільний, т.к. він не може помітно покращити сумішоутворення.
Нерівномірність складу суміші за циліндрами. У двигунів з розподіленим упорскуванням нерівномірність складу суміші по циліндрах залежить від якості виготовлення (ідентичності) форсунок і дози палива, що впорскується. Зазвичай при розподіленому впорскуванні нерівномірність складу суміші невелика. Найбільше значення має місце при мінімальних циклових дозах (зокрема, на режимі холостого ходу) і може досягати ±4 %. Працюючи двигуна на повному навантаженні нерівномірність складу суміші вбирається у ±1,5 %.