Что такое смесеобразование и почему оно затруднено в дизельных двигателях
Что такое смесеобразование и почему оно затруднено в дизельных двигателях
Смесеобразование в дизельных двигателях протекает за очень короткий промежуток времени, примерно в раз меньший, чем в карбюраторных. Поэтому получение однородной смеси в камере сгорания таких двигателей представляет значительно более трудную задачу, чем в карбюраторных. Для обеспечения своевременного и полного сгорания топлива необходимо вводить значительный избыток воздуха и применять ряд других мер, обеспечивающих хорошее перемешивание воздуха и топлива.
Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха, а следовательно, повысить среднее эффективное давление и литровую мощность, необходимо улучшить качество смесеобразования за счет:
— согласования формы камеры сгорания с формой топливного факела, выбрасываемого из форсунки при подаче топлива;
— создания в камере сгорания интенсивных воздушных потоков вихрей, которые способствуют перемешиванию топлива с воздухом;
— осуществления тонкого и однородного распыливания топлива.
Выполнение первых двух условий обеспечивается применением камер сгорания специальных форм. Тонкость и однородность распыливания топлива улучшается с увеличением давления впрыска, уменьшением диаметра соплового отверстия форсунки и вязкости топлива.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
По способу смесеобразования дизельные двигатели бывают с неразделенными и разделенными камерами сгорания.
Неразделенные камеры представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня и поверхностями головки и стенок цилиндра. В этот объем через форсунку впрыскивается топливо в виде одной или нескольких струй, и в нем происходят процессы смесеобразования и сгорания. Для улучшения смесеобразования форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемого форсункой, а воздушный поток заставляют вращаться вокруг вертикальной оси цилиндра и образовывать дополнительно кольцевой вихрь.
Основными преимуществами рассмотренного способа смесеобразования являются высокая экономичность и легкий пуск.
К недостаткам следует отнести сравнительно жесткую работу и высокое (25— 40 МПа) давление впрыска.
Разделенные камеры сгорания состоят из основной камеры, ограниченной днищем поршня и поверхностью головки, и дополнительной камеры, расположенной в головке цилиндра или в днище поршня. Основная и дополнительная камеры сообщаются между собой одним или несколькими каналами или горловиной.
В зависимости от способа улучшения смесеобразования дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания делятся на предкамерные и вихрекамерные.
В предкамерных двигателях камера сгорания делится на две полости: предкамеру, объем которой составляет 25—40% всего объема камеры сгорания, и основную камеру, расположенную над поршнем. Предкамера и камера сообщаются между собой каналом с одним или несколькими отверстиями небольшого диаметра. Сущность предка-мерного смесеобразования заключается в том, что при такте сжатия часть воздуха перетекает из цилиндра через соединительный канал в предкамеру. Топливо, впрыскиваемое форсункой в предкамеру, дополнительно распыливается встречными струями воздуха и самовоспламеняется. Так как в предкамере находится небольшая часть воздушного заряда, то в ней сгорает только часть впрыснутого топлива. При этом давление и температура в предкамере повышается и газы вместе с несгоревшим топливом с большой скоростью 200—300 м/с выдуваются через соединительный канал в основную камеру. За счет использования энергии части сгоревшего топлива образуется интенсивное вихревое движение и несгоревшее еще топливо хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Давление впрыска в предкамеру обычно составляет 8—13 МПа, что уменьшает износ топливной аппаратуры и обеспечивает большую надежность соединений трубопроводов высокого давления. Работают предкамерные двигатели более мягко — за счет последовательного сгорания топлива в двух объемах.
К недостаткам следует отнести большие потери тепла, увеличенный удельный расход топлива (из-за повышенных гидравлических потерь) по сравнению с двигателями с неразделенными камерами, затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых приспособлений.
В вихрекамерных двигателях камера сгорания также делится на две полости — вихревую камеру, объем которой составляет 60—80% объема камеры сгорания, и камеру, расположенную над поршнем. Вихревая камера и камера соединяются каналом специальной формы, который называется диффузором. Диффузор располагается по касательной по отношению к вихревой камере. При такте сжатия воздух из камеры через диффузор перетекает в вихревую камеру и приобретает в ней вращательное движение. Благодаря интенсивному завихрению воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо распыливается, перемешивается в воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление и температура газов повышается и они вместе с несгоревшей частью топлива перетекают в основную камеру сгорания, где перемешиваются с неиспользованным еще воздухом и полностью сгорают. Преимущества и недостатки двигателей с вихревыми камерами по сравнению с двигателями с неразделенными камерами те же, что и у пред-камерных двигателей.
В двигателе Д-108 применена нераздельная камера сгорания, расположенная в днище поршня.
Вихревое смесеобразование. При наличии в двигателе вихревой камеры, имеющей сферическую форму, создается интенсивное вихревое движение воздушного заряда при такте сжатия, что способствует хорошему перемешиванию впрыснутого топлива с воздухом. При такте сжатия воздух вытесняется из полости цилиндра и, проходя с большой скоростью через канал, расположенный наклонно-касательно к стенке камеры, вихреобразным потоком заполняет камеру. Вихревые потоки сжатого воздуха подхватывают струю топлива, дополнительно ее распыливают и равномерно распределяют по всему объему вихревой камеры. Частицы топлива, соприкасаясь со сжатым и сильно нагретым воздухом, сами нагреваются и воспламеняются. Таким образом, топливо, впрыскиваемое в вихревую камеру, начинает гореть не сразу, а через некоторый промежуток времени. При воспламенении топлива поток газов с нарастающим давлением проходит вместе с частью несгоревшего воздуха через канал, имеющий диффузор, в основную камеру сгорания (в полость над цилиндром), в которой топливо и догорает. При таком способе смесеобразования топливо сгорает постепенно и давление нарастает плавно (мягко). Объем вихревой камеры у двигателя Д-54А равен 54% объема всей камеры сгорания.
Сущность предкамерного способа состоит в том. что для распыливания топлива в основном воздушном заряде используется энергия сгораемой части топлива в предкамере. Впрыснутое топливо, смешиваясь с горячим воздухом, воспламеняется и 20—30% его сгорает в предкамере. Давление в предкамере резко возрастает, достигая 75—80 кГ/см2 при давлении сжатого воздуха в цилиндре, равном 35—38 кГ/см2. В результате этого происходит перетекание газов и остальной части несгоревшего топлива через соединительный канал в основную камеру сгорания. Несгоревшая часть топлива испаряется и хорошо перемешивается с воздухом в основной камере, где горение топлива заканчивается. При таком устройстве камеры сгорания давление на поршень нарастает сравнительно плавно, что обеспечивает «мягкую» работу двигателя.
Смесеобразование при камере сгорания, расположенной в поршне. Неразделенная камера сгорания в поршне двигателя Д-108 имеет своеобразную форму, близкую к овальной. Смесеобразование в такой камере обеспечивает превращение в полезную работу большей части тепла из-за меньшей отдачи его в охлаждающую среду и меньшей потери энергии при протекании газов из камеры сгорания в надпоршневое пространство. Таким образом, эти двигатели работают экономичнее Других.
Смесеобразование в дизельном двигателе
Смесеобразование –это процесс приготовления горючей смеси – смешивание паров топлива с воздухом.
У дизелей смесеобразование протекает внутри цилиндра и включает процессы:
— распыливание (дробление струи на капли);
— распределение его по камере.
Особенностями процесса смесеобразования в дизельном двигателе являются:
— протекание процесса внутри цилиндра;
— малое время протекания (0,0005 – 0,006 с), что соответствует углу поворота коленчатого вала 12 – 40 0 ;
— плохая испаряемость топлива, неравномерность распределения в объёме камеры сгорания.
Для достижения высоких энергетических и экономических показателей дизелей разработаны следующие основные способы смесеобразования:
Эти способы смесеобразования будут рассмотрены в других занятиях.
Способы, смесеобразования дизелей
Поступающее в цилиндр дизеля топливо должно сгорать полностью и в определенный период времени. Для этого топливо должно быть распылено на мельчайшие частицы (по возможности одинакового размера) и смешано с воздухом так, чтобы каждая частица распыленного топлива была обеспечена необходимым для сгорания количеством воздуха.
Теоретически для сгорания 1 кг нефтяного топлива требуется около 15 кг воздуха. В действительности количество воздуха, потребное для сгорания 1 кг топлива, может отличаться, и притом значительно, от теоретически необходимого. Это зависит от качества смесеобразования.
Оценивается качество смесеобразования коэффициентом избытка воздуха α, который представляет собой отношение действительно расходуемого количества воздуха mд для полного сгорания 1 кг топлива к теоретически необходимому
mт : α = mд / mт
При внешнем смесеобразовании (карбюраторные двигатели) α = 0,95÷1,1
При внутреннем смесеобразовании (дизели, калоризаторные двигатели) α = 1,4÷2,2
У компрессорных дизелей смесеобразование осуществляется при помощи форсунок, в которые подаются топливо под давлением 50 — 60 бар и для его распыливания — сжатый воздух от компрессора под давлением 60—70 бар.
У бескомпрессорных дизелей смесеобразование обеспечивается также при помощи форсунок, но за счет высокого давления топлива, создаваемого топливными насосами, и использования завихрений воздуха при его сжатии в цилиндре.
Способы смесеобразования, применяемые в бескомпрессорных дизелях.
В зависимости от конструкции и формы камеры сгорания различают двигатели с неразделенными и с разделенными камерами сгорания.
У дизелей с неразделенными камерами сгорания применяется прямоструйное смесеобразование — характеризуется высоким давлением топлива (от 250—700 до 2000 бар), поступающего в форсунку, и наличием в распылителе форсунки от 4 до 12 распыливающих отверстий диаметром от 0,2 до 0,9 мм, в зависимости от мощности цилиндра двигателя.
Форма камеры сгорания (рис. 18) приближается к форме факела впрыскиваемого топлива. Этим достигается равномерное распределение частиц топлива по всему объему камеры сгорания.
Площадь поверхностей, ограничивающих камеру сгорания, по отношению к ее объему невелика, что позволяет уменьшать потери тепла в окружающую среду и достигать высокой экономичности.
При прямоструйном смесеобразовании коэффициент избытка воздуха колеблется в пределах α = 1,8÷2,2. Столь высокий коэффициент избытка воздуха отчасти объясняется использованием воздуха для некоторого охлаждения стенок камеры сгорания.
У некоторых быстроходных дизелей применяется пленочное смесеобразование (рис. 19, а). В объем камеры сгорания входит небольшое пространство между поршнем и крышкой цилиндра, а также объем сферической выемки в поршне. Топливо через форсунку с одним отверстием впрыскивается под давлением 150—170 бар в сферическую выемку, покрывая тонкой пленкой поверхность поршня. При соприкосновении с нагретой поверхностью выемки топливо испаряется, интенсивно перемешиваясь с воздухом.
Экономичность при таком способе смесеобразования несколько ниже, чем при прямоструйном; коэффициент избытка воздуха α = 1,6÷1,8.
У дизелей с предкамерным смесеобразованием (двигатели с разделенными камерами сгорания) камера сгорания состоит из двух камер (рис. 19, б): основной, расположенной между поршнем и крышкой цилиндра, и предкамеры, объем которой составляет около 30% всего объема.
Топливо под давлением 120—150 бар впрыскивается через одно дырчатую форсунку в предкамеру. Здесь оно воспламеняется, и часть его сгорает, повышая давление в предкамере. Отсюда через соединительное отверстие несгоревшее топливо выбрасывается в основную камеру, где смешивается с оставшимся воздухом и окончательно сгорает.
Ввиду большой площади поверхности камеры сгорания экономичность при этом способе ниже, чем при способах смесеобразования, рассмотренных ранее, пусковые качества двигателя хуже.
Коэффициент избытка воздуха а = 1,5÷1,7.
При вихрекамерном смесеобразовании (рис. 19, в) смешивание топлива с воздухом достигается за счет интенсивного завихрения воздуха в вихревой камере. Этому способствуют расположенные на донышке поршня кругообразные выточки.
Топливо под давлением 120—150 бар подается через форсунку с одним отверстием в вихревую камеру, где воспламеняется и частично сгорает. Сгорание остального топлива завершается в основной камере, куда оно выбрасывается через горловину вихревой камеры. Экономичность и пусковые качества — примерно такие же, как в случае предкамерного смесеобразования. Коэффициент избытка воздуха а = 1,4÷1,6.