Смесеобразование

Процессы смесеобразования и сгорания в двигателях с искровым зажиганием.

Теплофизические свойства топлив и их продуктов сгорания.

Горение топлива представляет собой экзотермическую реакцию,
которая идет с выделением теплоты. Высшая теплота сгорания
топлива Н_в определяет полный тепловой эффект реакций с уче­том конденсации водяных паров, образующихся при сгорании.
В поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до темпера-­
туры, при которой происходит конденсация водяного пара. Поэтому

в расчетах двигателя используют низшую теплоту сгорания Н_н.
Для двигателя с искровым зажиганием Н_н = 44 МДж/кг, для дизеля
Н_н = 42,5 МДж/кг.

Процессы смесеобразованияи сгорания в двигателе с искро­вым зажиганием определяются физико-химическими свойствами топлива, способом его подачи (для бензинавпрыскивание или карбюрация ) или смесителемгазового двигателя, а также режи­мом его работы.

Комплекс взаимосвязанных процессов дози­рования топлива и воздуха, распыливания ииспарения топлива, а такжеперемешивания топлива с воздухом называется смесеоб­разованием. От состава и качестватопливовоздушнойсмеси, 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 трактеи завершается в цилиндре двигателя.

Процесс смесеобразования заключается в смешивании паров бензина с воздухом. Количество воздуха должно быть строго опре­деленным, в противном случае получить нормальную работу дви­гателя невозможно.

Приготовленная горючая смесь должна удовлетворять следую­щим требованиям:

- в цилиндрах двигателя смесь должна сгорать за очень корот­кий отрезок времени, измеряемый тысячными долями секунды.
Это обеспечивает максимальное давление газов на днище поршня,
а следовательно, максимальную работу от расширения газов;

- сгорание бензина в смеси должно происходить как можно полнее. Это будет способствовать повышению использования теп­лоты, превращаемой в механическую работу, и улучшению эконо­мических показателей работы двигателя.

Карбюрация смеси. Для обеспечения быстрого и полного сгора­ния топлива необходимо раздробить его на мелкие капли. Чем больше поверхность, тем активнее происходит окисление молекул топлива — горение. Процесс дробления и испарения бензина и других легких видов топлив под действием струи воздуха носит название, карбюрация. Прибор, который обеспечивает этот про­цесс, называют карбюратором.

Для лучшего протекания процесса сгорания нужно, чтобы топ­ливо попадало в цилиндры мелкораздробленным или в виде пара. Испарение топлива во многом зависит от поверхности испарения. Поверхность испарения 1000 капель в 10 раз больше, чем поверх­ность одной капли той же массы. Процесс распыления топлива основан на разбивании вытекающего со скоростью 4...6 м/с из распылителя (специальной трубки) топлива струей воздуха, дви­жущегося со скоростью до 150 м/с. Средний диаметр капель на выходе из карбюратора составляет примерно 100 мкм. На дробле­ние и испарение топлива требуется значительная теплота, что мо­жет приводить к образованию инея на стенках карбюратора и кол­лектора. Для снижения этого явления многие карбюраторы имеют систему подогрева.

При движении топливовоздушной смеси по впускному коллек­тору происходит соприкосновение капель топлива со стенками, в результате чего образуется топливная пленка, которая относитель­но медленно движется к цилиндру. Количество топлива в ней мо­жет достигать 25 % всей подачи. Все эти факторы приводят к не­равномерности распределения топлива по цилиндрам, которое может достигать 10...20 %. Кроме того, легкие фракции бензина испаряются быстрее, а тяжелые могут оставаться в цилиндре неиспарившимися. Эти фракции имеют меньшее октановое число, что также влияет на процесс сгорания.

Газовоздушная смесь (при работе на газе) более однородна и не создает топливной пленки.

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

Полученная таким образом смесь мельчайших частиц и паров бензина с воздухом называется горючей смесью.

В цилиндрах двигателя горючая смесь смешивается с оставшимися там от предыдущего цикла продуктами сгорания (остаточными газами) и превращается в рабочую смесь.

В карбюраторных двигателях процесс смесеобразования происходит в тысячные доли секунды. За это время бензин, поступающий в смесительную камеру карбюратора, должен достаточно тон­ко распылиться, перемешаться с воздухом и испариться. Распыление топлива происходит главным образом из-за разности скоростей поступления топлива и воздуха.

Наибольшая скорость топлива в смесительной камере карбюратора равна 5...7 м/с, а воздуха — примерно в 20—25 раз больше \ и составляет 100... 150 м/с.

С повышением скорости воздуха в смесительной камере тонкость распыливания бензина увеличивается, это увеличивает и скорость его испарения.

Увеличение скорости испарения бензина происходит еще и за счет подогрева горючей смеси горячими стенками цилиндров, камер сгорания и днищами поршней.

Если такой подогрев смеси оказывается недостаточным, то применяют местный подогрев участка впускного газопровода, связывающего карбюратор с цилиндрами двигателя отработавшими газами. Наиболее полное смесеобразование обеспечивается при температуре 45... 65 °С.

Состав горючей смеси. Для полного сгорания 1 кг бензина тео­ретически требуется около 15 кг (или 12,5 м³) воздуха. Однако при работе карбюраторного двигателя количество воздуха в горючей смеси может быть больше или меньше теоретически необходимо­го. Поэтому состав горючей смеси характеризуется коэффициен­том избытка воздуха α, который представляет собой отношение действительного количества воздуха L_Д, участвующего в сгорании топлива, к теоретически необходимому его количеству L_Т. Если в горючей смеси на 1 кг топлива приходится 15 кг воздуха, то смесь называется нормальной и в этом случае α = L_Д /L_{T =} 1. Если в горю­чей смеси на 1 кг топлива приходится 15... 17 кг воздуха, то ее называют обедненной (α = 1,05... 1,15), при содержании же воздуха свыше 17 кг — бедной (α = 1,20... 1,25). Горючую смесь, содержа­щую 12... 15 кг воздуха на 1 кг топлива, называют обогащенной (α = 0,80...0,95), а при содержании воздуха менее 12 кг — богатой (α = 0,4...0,7). Наиболее экономичная работа двигателя достигается на обедненной смеси (при α = 1,05... 1,15).

Дата добавления: 2014-01-07