Фазы процесса сгорания

Смесеобразование и тепловыделение.

Влияние различных факторов на мелкость распиливания, развитие и структуру струи

Средние диаметры капель находятся в обратной зависимости от скорости истечения топлива. Следовательно, на мелкость и однородность распыливания существенно влияет давление впрыскивания.

Один из основных факторов, определяющих длину струи,— кинетическая энергия топлива, вытекающего из распылителя. Она зависит от массы топлива и скорости истечения, которые определяются формой характеристики впрыскивания (или давлением рас­пыливания) и проходным сечением распыливающего отверстия, поэтому характеристика впрыскивания существенно влияет на развитие и длину струи топлива. Чем резче нарастает скорость подачи в начале впрыскивания, тем больший путь будет проходить струя на этом участке.

Из физических свойств топлива наибольшее влияние на мелкость и однородность распиливания оказывает вязкость. Вязкость уменьшает возмущения в потоке при его движении в распылителе, с увеличением вязкости мелкость и однородность распиливания ухудшаются. Силы поверхностного натяжения препятствуют распаду струй и капель, но способствуют дроблению пленок и нитей, поэтому влияние этих сил менее значительно.

Повышение плотности газовой среды, в которую впрыскивают топливо, увеличивает аэродинамическое сопротивление движению капель, что способствует распаду струи и дроблению крупных капель.

К смесеобразованию, которое в дизеле в большой мере определяет процесс тепловыделения, так как скорость выгорания до 90% всего впрыскиваемого топлива на режимах полной нагрузки зависит от скорости приготовления воспламенимой смеси, предъявляются следующие требования:

· обеспечение условий для полного и своевременного сгорания топлива с минимальными выбросами твердых частиц и токсичных веществ (СО, СН, NO_x и др.);

· ограничение количества смеси, приготовляемой за период задержки воспламенения и в начальный период видимого сгорания с целью уменьшения скорости нарастания давления, шума от процесса сгорания и образования оксидов азота.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания

Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры. Наименование вспомогательной камеры здесь распространено на всю камеру сгорания. Принципиально различен для рассматриваемых камер сгорания характер движения заряда в дополнительной камере. В случае вихревой камеры сгорания ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилинд­рической вихревой камеры сгорания (рис.29,а),поэтому в них создается направленное вихревое движение заряда.

Рис. 29

Камеры сгорания малоразмерных дизелей:

а — вихревая (показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру При сжатии); б — предкамера; в — камера сгорания непосредственного впрыскивания

Основные преимущества и недостатки разделенных камер сгорания

Преимущества:

1. Малая скорость нарастания давления в основной камере
сгорания и, как следствие, малое шумоизлучение от процесса
сгорания, что совершенно необходимо, исходя из комфорта пассажиров. Малое удлинение периода задержки воспламенения и градусах поворота коленчатого вала при увеличении частоты
и ращения и, как следствие, сохранение практически неизменной
доли смеси, приготовленной за период задержки воспламенения,
что важно из-за широкого диапазона рабочих частот вращения (n=1000…4500мин-1).

2. Интенсивное смесеобразование под действием высоких скоростей заряда и высокой интенсивности турбулентности обеспечивает
сравнительно малые выбросы частиц. Небольшими оказываются
и выбросы оксидов азота вследствие того, что избыточный кисло­
род в заряде появляется на более поздних стадиях в процессе
расширения.

3. Применение относительно несложных и недорогих систем
впрыскивания топлива в цилиндры.

Недостатки:

Высокий удельный расход топлива, а следовательно, и высокие выбросы в атмосферу диоксида углерода. Высокий удельный расход топлива является следствием энергетических потерь на перетекание заряда между обеими полостями камер сгорания через узкую соединительную горловину и больших потерь теплоты в среду охлаждения из-за развитой поверхности теплообмена и больших скоростей заряда.

Плохая приспособленность к высокому наддуву из-за повышенных Локальных тепловых нагрузок на детали.

Плохие пусковые качества дизеля являются следствием попадания значительной части топлива (особенно при вихревой камере сгорания) на холодную стенку дополнительной камеры, больших потерь теплоты в среду охлаждения и меньших давлений в дополнительной камере из-за дросселирования потока, перетекающего из основной камеры.

Смесеобразование и тепловыделение в дизелях с неразделенными камерами сгорания

Рассмотрим процессы применительно к камере сгорания дизеля легкового автомобиля, показанной на рис. 29,в.

Прежде всего приведем характеристику условий смесеобразования. В подавляющем большинстве моделей дизелей, в том числе дизелей легковых автомобилей, применяется четырехклапанное газораспределение и газотурбинный наддув. Первое позволяет поместить форсунку по оси цилиндра и организовать осесимметричный процесс смесеобразования. В этом случае все струи оказываются практически в одинаковых условиях и поэтому появляется возможность оптимизации условий воспламенения и сгорания для всей порции впрыскиваемого топлива.

В дизелях легковых автомобилей применяются распылители с 5...6 сопловыми отверстиями и вихревое движение заряда. При этом в ряде моделей используются два раздельных впускных канала, из которых один является наполнительным (обычно прямой или тангенциальный), а второй — винтовым. На рис. 30 иллюстрируются такие каналы. Тангенциальный впускной канал б на подходе к цилиндру имеет ось, расположенную на расстоянии от оси цилиндра в плане и составляющую острый угол с плоскостью поверхности головки цилиндра. В результате поток смеси входит в цилиндр на расстоянии от оси цилиндра и ось потока не параллельна вертикальной оси цилиндра. Поэтому поток, взаимодействуя со стенками цилиндра, приходит в состояние вращательного (вокруг оси цилиндра) вихревого движения. Помимо тангенциальной (касательной к окружности цилиндра) составляющей, скорость входящего в цилиндр воздуха имеет также другие составляющие: радиальную и осевую.

Винтовой канал 5 имеет форму неполной спирали и поток воздуха на подходе к цилиндру приобретает в нем вращательное движение вокруг оси клапана, а при входе в цилиндр, также взаимодействуя с его поверхностью, приобретает вращательное движение вокруг оси цилиндра.

Рис.30

Расположение каналов в головке цилиндров:

1— горловины впускных клапанов; 2 — то же, выпускных; 3 — отверстие под форсунку; 4 — го же, для пусковой свечи накаливания; 5 — винтовой канал,- 6 — тангенциальный впускной

канал

Процесс перетекания связан с определенными потерями энергии, которые тем больше, чем больше исходная энергия вращательного движения, создаваемая каналами к НМТ, и меньше отношение d₁/D.

Положительный эффект предварительного впрыскивания малых порций топлива при выборе оптимального интервала между его окончанием и началом основного впрыскивания сводится к тому, что в результате возбуждения цепи реакции образуются химически активные частицы-радикалы, присутствие которых сокращает период задержки воспламенения основной порции топлива, уменьшает количество смеси, приготовленной к объемному самовоспламенению. В результате уменьшаются скорость тепловыделения в начальной фазе, скорость нарастания давления в цилиндре, шумоизлучение от процесса сгорания и количество образующихся оксидов азота.

Отличие камер сгорания, применяемых в современных моделях дизеле для грузовых автомобилей, тягаче больших автобусов и гусеничных тракторов мощностью 150...320 кВ от рассмотренной выше камеры непосредственного впрыскивания со стоит в том, что первые имеют большой относительный диаметр d_ск/= = 0,8...0,85, меньшую интенсивность создаваемого при впуске вихря, меньшую степень трансформации вихря при вытеснении заряда в камеру сгорания, но большее число сопловых отверстий (i=7...8).

рис.31

Формы камер сгорания и расположение в них струй топлива для дизелей, обеспечивающих выполнение ужесточающихся требований по вредным выбросам

На рис. 31 а,б,в показана в развитии камера сгорания дизелей Mercedes-Benz в связи с изменением норм по токсичности.

Система впрыскивания с управлением от электромагнитного клапана и электронным управлением обеспечивает точный выбор на всех режимах цикловой подачи топлива и момента начала впрыскивания. Число сопловых отверстий равно 8. Обязательным условием высокого качества смесеобразования и тепловыделения является применение сопловых отверстий малого диаметра (D_c=0,8 мм и ниже).

Преимуществами дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива являются:

· высокая экономичность в силу отсутствия потерь на перетекание заряда между полостями камеры сгорания, имеющими место в дизелях с разделенными камерами сгорания, а также существенно меньшими потерями теплоты в среду охлаждения благодаря меньшим поверхностям теплообмена и скоростям движения заряда;

· лучшие пусковые качества дизеля благодаря меньшему попаданию ядра струй на холодные стенки камеры сгорания, меньшим потерям теплоты в среду охлаждения и большим значениям давления и температуры заряда в полости над поршнем, в которую осуществляется впрыскивание топлива;

· заметно лучшая приспособленность к высокому наддуву вследствие меньшей неравномерности распределения тепловой нагрузки но деталям дизеля.

В связи с началом широкого выпуска аккумуляторных топливных систем типа «Common Raih, которая обеспечивает предварительную очень малую стабильную подачу топлива ( G_{тц пред} = l ......3 мм³/цикл) до начала впрыскивания основной порции топлива, а также оптимизацию моментов начала подачи предварительной к основной подачи топлива и оптимизацию давлений впрыскивания, появилась возможность при применении камеры непосредственного впрыскивания соединить преимущества дизелей с разделенными и неразделенными камерами сгорания.

Дата добавления: 2014-10-31