Образование смеси в дизельных двигателях | Автомобильный справочник
Отличительной особенностью дизельных двигателей является отсутствие внешних источников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбонаддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.
Содержание
Образование смеси в дизельных двигателях
Процесс смесеобразования в основном определяется взаимодействием впрыскиваемой струи топлива с полем воздушного потока в камере сгорания. Здесь проблема заключается в быстром впрыске и приготовлении относительно больших масс топлива, до 200 мг на литр рабочего объема. Типичная продолжительность впрыска составляет около 1 мс. Термин, используемый в отношении массового расхода топлива, поступающего в камеру сгорания, — скорость впрыска (единица измерения: кг/с). Впрыск топлива, как правило, осуществляется форсунками с несколькими отверстиями.
Обычно используется комбинация отверстий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.
Вначале диаметр струи топлива равен диаметру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдельные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зависимости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис. «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях» ).
Образованию капель топлива и его испарению способствует турбулентность. В современных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива. Развитию турбулентности способствует движение заряда топлива, причем на дизельных двигателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения. Дополнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направленные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая конструкция камеры сгорания, в которой, например, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.
Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вихревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка топлива в основном осуществляется за счет формирования локального потока в предкамере.
Процесс сгорания в дизельных двигателях
Процесс сгорания топлива в дизельном двигателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и зажиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажигания: сгорание предварительно приготовленной смеси и сгорание с контролем смесеобразования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. «Сгорание топлива в дизельном двигателе» ).
Задержка зажигания относится к периоду времени между началом впрыска топлива и началом фактического процесса сгорания. В основном она определяется температурой в цилиндре, давлением в цилиндре и воспламеняемостью топлива. На стадии задержки зажигания проходят процессы смесеобразования и первых, предварительных химических реакций топливовоздушной смеси. Задержка зажигания увеличивается, когда двигатель не прогрет или при использовании топлива плохого качества с низким цетановым числом.
Влияние давления в цилиндре менее значительно, по сравнению с влиянием температуры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки зажигания. Топливо, впрыснутое в течение задержки зажигания, пока что не сгорает. Величина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.
Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предварительно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горение, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо перемешано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ. В результате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует зажигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходящими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвычайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше. Это обычно достигается путем предварительного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.
Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси. В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называемого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется процессом переноса кислорода в зону горения. При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанавливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8<λ<1,4. При изменении граничных условий (например, условий дальнейшего испарения топлива, переноса кислорода, контакта со стенками цилиндра) зона реакции также сдвигается в ту сторону, где преобладают локальные стехиометрические условия (см. рис. «Процесс сгорания в режиме контроля смеси» )
Сгорание в режиме контроля смеси преобладает в диапазоне высоких нагрузок, когда имеет место впрыск большого количества топлива. Здесь процессы смесеобразования и сгорания протекают параллельно. Так же как при сгорании предварительно смешанного топлива, на скорость преобразования может оказывать влияние процесс впрыска. Меньшее, однако также ускоряющее влияние оказывают повышение температуры и давления, а также снижение содержания инертных газов. Доминирующими факторами являются смесеобразование и перенос кислорода в зону горения за счет высокой локальной турбулентности.
По этой причине интенсивность турбулентности является определяющей переменной величиной в процессах сгорания топлива в дизельных двигателях. Турбулентность способствует созданию высоких давлений впрыска с высокой кинетической энергией струи топлива, которая в дальнейшем преобразуется в турбулентную кинетическую энергию. Локальная турбулентность вызывает быстрый перенос кислорода в локальные зоны реакций. Это явление также поддерживается движением заряда топлива в цилиндре (горизонтальные завихрения, потоки сжатия), однако основной вклад осуществляется импульсом впрыскиваемой струи топлива. Так же как повышение давления впрыска, можно рассмотреть целесообразность увеличения диаметра отверстий. Однако увеличение скорости впрыска приводит в основном к локальному переобогащению смеси, что отрицательно влияет на преобразование топлива.
Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях
Холодный пуск дизельных двигателей представляет собой особую проблему, в особенности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин-1 большая часть заряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери через стенки. Результатом являются низкие пиковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимости от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).
Испарение топлива в положении верхней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих циклов. Его зажигание после нескольких рабочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.
Поскольку фаза холодного пуска не обеспечивает времени, достаточного для надлежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двигателя. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как подогрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидкости. Последнее, так же как повышение температуры в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.
С еще одним явлением приходится сталкиваться во время работы при очень высоких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плотность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.
Это явление также имеет место на двигателях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.
По истечении периода приработки на дизельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к снижению массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.
Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей
В отличие от двигателей с искровым зажиганием, оборудуемых каталитическими нейтрализаторами отработавших газов, работающими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизельных двигателей значительно большее значение имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продуктов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO
Для снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством снижения концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажигания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.
Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вызывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинамических, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогащения смеси (λ < 1), однако в ходе последующих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значение имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на процесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, несгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.
Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис. «Выбросы NO и сажи» ). Уровень сложности и затрат, необходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоящее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для снижения содержания оксидов азота в сочетании с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).
В этом контексте следует различать выбросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, продукты коррозии и сульфаты.
Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых частиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.
Смешанные формы и альтернативные стратегии управления
Классическая стратегия управления дизельным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (послойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными двигателями.
Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях
Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), которым был посвящен ряд публикаций, целью является, посредством значительного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значительного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NOx в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, будет иметь место, благодаря высокой температуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения температуры в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отработавших газов. Тем не менее, получить оптимальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрастания давления, и управление работой двигателя в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.
Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием
Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования режима HCCI, аналогично дизельным двигателям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Недостатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенсируются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NOx, благодаря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является переменной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.
Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива
Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением заряда топлива имеют много общего с процессами в дизельных двигателях и, следовательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обычных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широкое применение, благодаря их более высокой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.
Многотопливные двигатели
Многотопливные двигатели, характеризующиеся возможностью использования различных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможностью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.
В следующей статье я расскажу о системах управления бензиновым двигателем.
Рекомендую еще почитать:
press.ocenin.ru
Способы смесеобразования в дизелях — Библиотека морской литературы
Объемное смесеобразование. Топливо впрыскивается непосредственно в объем камеры сгорания, заключенный между поршнем, крышкойи стенками втулки цилиндра. Для равномерного распределения топлива по всему объему камеры сгорания его впрыскивают через многодырчатые распылители форсунок. Качество смесеобразования при этом существенно зависит от наличия организованного вихреобразования потоков заряда в камере сгорания. Вихреобразование обеспечивается благодаря движению поршня и вытеснению заряда из наиболее узких мест надпоршневого пространства. В двухтактных дизелях вихреобразование дополнительно создается благодаря наклонному расположению продувочных окон во втулке цилиндра.
\r\n \r\nОбъемно-пленочное смесеобразование. Это один из наиболее совершенных способов смесеобразования для высокооборотных дизелей с небольшими диаметрами цилиндров. Основная часть объема камеры сгорания размещена в поршне. В отечественных дизелях широко распространена форма камеры сгорания ЦНИДИ, имеющая вид усеченного конуса с закругленной кромкой у основания.
Топливо впрыскивается через многодырчатую форсунку в центре крышки цилиндра. Топливные струи под углом альфап направляются на кромку горловины поршня. Топливо, попадая под острым углом на внутреннюю поверхность горловины и на торцовую поверхность поршня, растекается по поверхности тонким слоем и относительно быстро испаряется, не образуя нагара. Пары топлива хорошо перемешиваются с воздухом благодаря интенсивному вихревому движению последнего в объеме камеры сгорания. Вихреобразование создается вследствие вытеснения заряда из надпоршневого пространства при подходе поршня к ВМТ. Часть капель факела топлива успевает испариться в объеме камеры сгорания, не соприкасаясь со стенками поршня.
Предкамерное смесеобразование. Этот способ применяют в дизелях с диаметрами цилиндров меньше300 мм. Камера сгорания разделенного типа состоит из предкамеры, расположенной в крышке цилиндра, и основной камеры — между поршнем, крышкой и стенками цилиндра.
Предкамера соединяется с основной камерой (цилиндром) одним или несколькими соединительными отверстиями, суммарное проходное сечение которых составляет 0,5—1 % площади поршня. Объем предкамеры составляет 15—30 % всего объема камеры сжатия Vс. Конфигурации предкамер весьма разнообразны. Преобладают в основном сферические, овальные и цилиндрические формы.
Вихрекамерное смесеобразование. Для создания равномерной топливновоздушной смеси используют вихревое движение воздуха в камере сгорания. Это позволяет добиться полного сгорания топлива в дизеле с небольшим диаметром цилиндра при пониженном давлении впрыскивания и уменьшенном коэффициенте избытка воздуха.
У дизелей с вихрекамерным смесеобразованием камера сгорания разделенного типа состоит из вихревой и основной камер, сообщенных соединительным каналом относительно большого сечения. Вихревая камера сфероидальной или цилиндрической формы расположена в крышке цилиндра. Основная камера цилиндрической формы расположена между крышкой цилиндра и поршнем.Соединительный канал направлен тангенциально к окружности сечения вихревой камеры. В процессе сжатия воздух вытесняется из основной камеры через канал в вихревую камеру и приобретает там вихревое движение. Струя топлива впрыскивается форсункой в объем вихревой камеры. Форсунка имеет обычно одно сопло. Необходимое качество распыливания достигается при давлении впрыскивания 9-12МПа. За период впрыскивания вихревой поток воздуха в камере совершает примерно один оборот. Таким образом, каждая новая порция топлива впрыскивается в объем воздуха, еще не заполненный каплями топлива. Происходит хорошее перемешивание топлива с воздухом.
www.sealib.com.ua
4.1. Смесеобразование в дизелях, особенности процесса
Смесеобразование в дизелях происходит непосредственно в камере сгорания за короткое время. Скорость истечения топлива достигает 400 м/с. Вследствие трения о воздух струя топлива распадается на мелкие (диаметром 0,002…0,003мм) капли, образующие топливный факел конусообразной формы. Таким образом многократно увеличивается поверхность испарения, обеспечивается быстрое протекание процессов тепло и массообмена между топливом и воздухом в камере сгорания, имеющим высокую температуру. Процесс смесеобразования состоит из: распыливания топлива, развития топливного факела, прогрева, испарения, перегрева топливных паров, смесеобразования паров с воздухом. Смесеобразование начинается практически с момента впрыскивания и заканчивается одновременно с окончанием сгорания.
При постоянной частоте вращения коленчатого вала количество воздуха, подаваемого в дизельный двигатель неизменно. Поэтому мощность двигателя можно регулировать только изменением количества топлива. Для полного сгорания топлива приходится подавать воздух значительно больше теоретически необходимого количества. Для полного использования теплоты сгоревшего топлива, необходимо чтобы сгорание происходило при возможно меньшем значении коэффициенте избытка воздуха. Минимальное значение α =1,6…1,7 – при неразделенных и α =1,3…1,4 при разделенных камерах сгорания.
Количество воздуха поступающего в цилиндр практически не зависит от нагрузки. Поэтому при малой нагрузке (малая подача топлива) топливо сгорает полностью, при большой – уменьшается α и процесс сгорания ухудшается. Развитие и совершенство процесса смесеобразования зависит: от характера впрыска и распыливания топлива, скорости движения зарядов в камере сгорания, свойств топлива, формы, размеров и температуры поверхности камеры сгорания, направления движения струй топлива и воздуха.
Объемное смесеобразование. Осуществляется в неразделенных (однополостных) камерах сгорания. Отношение диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра составляет 0,75…0,85. В этом случае топливо распыливается в объеме камеры сгорания, в пристеночный слой попадает лишь небольшая часть. Большое значение для процесса имеют: характер распределения топлива, в объеме свежего заряда, форма поверхности топливной струи, из которой и происходит диффузия паров в воздух. Угол рассеивания топливной струи обычно не превышает 20˚, поэтому для полного охвата всего объема камеры сгорания их должно быть 18 (360˚/20˚=18). Однако из-за сложности эксплуатации двигателя с распылителями малого диаметра целесообразно применение меньшего количества отверстий большего диаметра. Для полного сгорания воздух приводится во вращательное движение за счет специальной конструкции впускного канала и формы камеры сгорания.
Пристеночное смесеобразование. Все топливо направленное в пристеночную зону. Камера сгорания сосна с цилиндром, а форсунка смещена к его периферии. Одна или две струи топлива направлены под острым углом на стенку камеры сгорания, воздух совершает вращательное движение со скоростью 50…60 м/с, обеспечивая концентрацию капель топлива около поверхности камеры и перемещение воздуха из центральной части камеры к периферии, где сконцентрировано топливо. При таком способе смесеобразования происходит постепенная подготовка смеси, уменьшается количество смеси одновременно готовой к сгоранию, процесс сгорания сопровождается малой скоростью нарастания давления в цилиндре. При таком способе смесеобразования двигатель в большей степени приспособлен к работе на топливах различного фракционного состава. При впрыскивании топлива в пристеночный слой попадает 5…10% массы топлива, основная часть топлива сосредоточена в удалении от нагретых стенок камеры сгорания, и лишь затем, по мере испарения и смешивания с воздухом, горение распространяется на остальную часть топлива, перемещающегося к стенкам камеры.
Впрыскивание
топлива на стенку и в пристеночный слой
затрудняет пуск двигателя из-за низкой
температуры стенок камеры сгорания
холодного двигателя, существенное
улучшение воспламеняемости топлива
обеспечивается увеличением степени
сжатия 
до 26.
Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования. Получается при небольшом диаметре камеры сгорания, когда основная часть топлива располагается в пристеночном слое. В результате интенсивного испарения снижается скорость тепловыделения в начале сгорания, однако процесс не затягивается при температуре стенки камеры сгорания в пределах 200…300˚С. Важное значение при таком способе смесеобразования имеют радиальные составляющие скорости перетекания заряда, преобразующиеся в осевые (направленные вдоль цилиндра), захватывающие пары и капли топлива, продукты сгорания и переносящие их в глубь цилиндра.
Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательных и основных полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вспомогательные вихревые камеры сгорания (рис. 4, а, б). Ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилиндрической основной камеры сгорания. Поэтому в основной камере создается направленное вихревое движение заряда. Скорость движения заряда сост. 100…200м/с. Топливо впрыскивается распылителем. Движущимся зарядом топливо отжимается к стенке вихревой камеры – т.е. имеет место элемент пристеночного смесеобразования. Нижняя часть вихревой камеры имеет высокую температуру. Воздух, протекая через горловину, дополнительно нагревается (температура горловины 600…650˚), так же как и топливо. Все это способствует интенсивному смесеобразованию. В вихревую камеру подается вся порция топлива и здесь создается обогащенная смесь, полное сгорание топлива невозможно. В результате повышения давления в вихревой камере горящий заряд перетекает в основную камеру, где сосредоточена основная часть воздуха. Здесь происходит быстрое и полное догорание топлива, даже при малых значениях α = 1,15…1,2.
В
Рис. 4. Разделенные камеры сгорания: а, б — вихревые камеры; в, г — предкамеры
отличие от вихревой камеры, предкамера (вспомогательная камера) имеет относительно меньшие объем и сечение горловины (рис. 4, в,г). Это вызывает повышенные потери при перетекании. Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, обеспечивает беспорядочное движение заряда в последней во время такта сжатия, скорости перетекания достигают 300 м/с. Впрыскивание топлива осуществляется навстречу движению заряда, поступающего из цилиндра. В предкамере наступает быстрое, но неполное сгорание обогащенной смеси, давление в ней быстро возрастает, начинается перетекание горящего заряда в основную полость, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и полностью сгорает.studfile.net
15. Способы смесеобразования в дизелях.
Объемное смесеобразование. Топливо впрыскивается непосредственно в объем камеры сгорания, заключенный между поршнем, крышкойи стенками втулки цилиндра. Для равномерного распределения топлива по всему объему камеры сгорания его впрыскивают через многодырчатые распылители форсунок. Качество смесеобразования при этом существенно зависит от наличия организованного вихреобразования потоков заряда в камере сгорания. Вихреобразование обеспечивается благодаря движению поршня и вытеснению заряда из наиболее узких мест надпоршневого пространства. В двухтактных дизелях вихреобразование дополнительно создается благодаря наклонному расположению продувочных окон во втулке цилиндра.
Объемно-пленочное смесеобразование. Это один из наиболее совершенных способов смесеобразования для высокооборотных дизелей с небольшими диаметрами цилиндров. Основная часть объема камеры сгорания размещена в поршне.
Топливо впрыскивается через многодырчатую форсунку в центре крышки цилиндра. Топливные струи под углом направляются на кромку горловины поршня. Топливо, попадая под острым углом на внутреннюю поверхность горловины и на торцовую поверхность поршня, растекается по поверхности тонким слоем и относительно быстро испаряется, не образуя нагара. Пары топлива хорошо перемешиваются с воздухом благодаря интенсивному вихревому движению последнего в объеме камеры сгорания. Вихреобразование создается вследствие вытеснения заряда из надпоршневого пространства при подходе поршня к ВМТ. Часть капель факела топлива успевает испариться в объеме камеры сгорания, не соприкасаясь со стенками поршня.
Пристеночное. Сгорания почти все топливо направляется
в пристеноч-ную зону, т. е. имеет место
пристеночное смесеобразование. При
таком смесеобразовании камера сгорания
может быть расположена соосно с
цилиндром, а форсунка смещена к ее
периферии. Одна или две струи топлива
направляются либо под острым углом на
стенку камеры сгорания, имеющей
сферическую форму (см. рис. 7.1, г), либо
вблизи и вдоль стенки камеры сгорания
(см. рис. 7.1, д). В обоих случаях заряд
приводится в достаточно интенсивное
вращательное движение , способствующее
распространению топливных капель вдоль
стенки камеры сгорания.
16.
Назначение, принцип действия, конструкция
ТННД и ТНВД. Топливоподкачивающий
насос низкого давления предназначен
для подачи топлива из топливного бака
к впускной полости насоса высокого
давления через фильтры грубой и тонкой
очистки.. Топливоподкачивающий насос
поршневого типа приводится в действие
от эксцентрика кулачкового вала насоса
высокого давления. Насос
установлен на задней крышке регулятора
и приводится от эксцентрика кулачкового
вала топливного насоса высокого
давления.
Насос низкого давления работает следующим образом. При опускании толкателя 1 поршень 2 под действием пружины 3 движется вниз. При этом в полости А создается разрежение и впускной клапан 4, сжимая пружину, перепускает топливо в эту полость по топливопроводу от фильтра грубой очистки. Одновременно топливо, находящееся в нагнетательной полости Б, вытесняется к топливному насосу высокого давления (ТНВД).
При движении поршня 2 вверх под давлением предварительно поступившего топлива закрывается впускной клапан 4 и открывается выпускной клапан 6. В этом случае топливо из полости А через перепускной канал поступает в полость Б и при последующем перемещении поршня 2 вниз вышеописанный цикл работы насоса повторяется.
При различных режимах работы дизеля постоянное давление в перепускном канале достигается переменным ходом поршня 2, обеспечиваемым специально подобранной пружиной 3. На режимах частичных нагрузок дизеля при малых расходах топлива в полости Б возникает давление и поршень 3 не совершает своего полного хода, поэтому шток толкателя частично перемещается вхолостую, вследствие чего подача топлива уменьшается.
К фланцу насоса низкого давления крепится насос 5 ручной подкачки топлива, который служит для заполнения системы питания топливом и удаления из нее воздуха после проведения ремонтно-профилактических работ или длительной стоянки автомобиля. В системе питания дизелей КамАЗ установлен второй насос ручной подкачки топлива аналогичного типа, который крепится через кронштейн к картеру сцепления. Этот насос позволяет подкачивать топливо без опрокидывания кабины, что создает значительные удобства при пуске двигателя в условиях эксплуатации автомобилей.
Топливный насос высокого давления служит для подачи через форсунки в цилиндры двигателя под большим давлением , требуемых порций топлива в определенные моменты времени. Насос состоит из одинаковых по конструкции секций, число которых равно числу цилиндров двигателя. Каждая секция насоса соединена топливопроводом 13 (рис. 2) с форсункой 16.
Плунжер 6 и гильза 5 секций насоса изготовлены с высокой точностью и чистотой поверхности. Зазор между ними не превышает двух микрон. На плунжере имеются вертикальный паз 9, скошенная кромка 11 и кольцевая проточка 7. Шестерня 2, закрепленная на плунжере, находится в зацеплении с зубчатой рейкой 3, перемещением которой поворачивается плунжер в гильзе. Пружина 4 прижимает плунжер к эксцентрику 1 кулачкового вала насоса, который приводится во вращение от коленчатого вала. В гильзе имеются впускное 8 и выпускное 10 отверстия, а в верхней ее части установлен нагнетательный клапан 12. Пружина 14 прижимает иглу 15 форсунки к соплу 18 и закрывает полость 77, которая заполнена топливом. При нижнем положении плунжера 6 отверстия 8 и 10 открыты, и через них над плунжером циркулирует топливо. Нагнетательный клапан 12 в этом случае закрыт, и в полости 17 форсунки поддерживается избыточное давление топлива.
При движении плунжера вверх при вращении кулачка перекрывается выпускное отверстие 10, а затем впускное отверстие 8. Под давлением топлива открывается клапан 12, и в полости 17 форсунки создается высокое давление. При этом игла 15 форсунки преодолевает сопротивление пружины 14, поднимается вверх, и через открывшееся сопло 18 топливо впрыскивается в цилиндр двигателя.
Впрыск
топлива заканчивается, когда кромка
11 открывает выпускное отверстие 10. При
этом давление топлива уменьшается,
игла 15 опускается вниз и закрывает
сопло 18. Одновременно закрывается
клапан 12, и в полости 17 форсунки топливо
остается под избыточным давлением.
Рис. 2. Схема работы топливного насоса высокого давления:
1 — эксцентрик; 2 — шестерня; 3 — рейка; 4, 14 — пружины; 5 — гильза; 6 — плунжер; 7 — проточка; 8, 10 — отверстия; 9 — паз; 11 — кромка; 12 — клапан; 13 — топливопровод; 15 — игла; 16 — форсунка; 17 — полость; 18 — сопло.
Поворотом плунжера 6 в гильзе 5 изменяют конец подачи топлива и его количество, впрыскиваемое за один ход плунжера. Подача топлива прекращается при совмещении вертикального паза 9 с выпускным отверстием 10, и двигатель останавливается.
С топливным насосом высокого давления соединены муфта опережения впрыска топлива, всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала двигателя и топливоподкачивающий насос с насосом ручной подкачки топлива.
18.
studfile.net
Особенности смесеобразования в дизелях
Категория:
Техническое обслуживание автомобилей
Публикация:
Особенности смесеобразования в дизелях
Читать далее:
Особенности смесеобразования в дизелях
Особенностью двигателей с самовоспламенением от сжатия, или, как их принято называть, дизелей (по имени изобретателя Р. Дизеля), является приготовление горючей смеси топлива с воздухом внутри цилиндров.
В дизелях топливо поступает от насоса высокого давления и посредством форсунки впрыскивается в цилиндры под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха в конце такта сжатия. Смесеобразование начинается с момента поступления топлива в цилиндр. При этом в результате трения о воздух струя топлива распыливается на мельчайшие частицы, которые образуют топливный факел конусообразной формы. Чем мельче распылено топливо и чем равномернее распределено оно в воздухе, тем полнее сгорают его частицы.
Испарение и воспламенение топлива осуществляются за счет высокой температуры и давления сжатого воздуха (к концу такта сжатия температура воздуха составляет 550-700°С, а давление—3,5—5,5 МПа). Следует отметить, что после начала горения смеси температура и давление в камере сгорания резко возрастают, что ускоряет процессы испарения и воспламенения остальных частиц распыленного факела топлива.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Чтобы обеспечить наилучшие мощ-ностные и экономические показатели работы дизеля, необходимо впрыскивать топливо в его цилиндры до прихода поршня в в.м.т. Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до в.м.т. в момент начала впрыскивания топлива, называют углом опережения впрыскивания топлива.
Для того чтобы форсунка впрыскивала топливо с требуемым опережением, топливный насос должен начинать подавать топливо еще раньше. Это вызвано необходимостью иметь некоторое время на нагнетание топлива от насоса к форсунке.
Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до в. м. т. в момент начала подачи топлива из топливного насоса, называют у г-лом опережения подачи топлива.
В цилиндры дизеля фактически поступает одно и то же количество воздуха независимо от его нагрузки. При малой нагрузке в цилиндрах практически всегда имеется достаточное количество воздуха для полного сгорания топлива. В этом случае коэффициент избытка воздуха имеет большую величину. С увеличением нагрузки возрастает только подача топлива, но при этом значение коэффициента избытка воздуха уменьшается, вследствие чего ухудшается процесс сгорания топлива. Поэтому минимальное значение коэффициента избытка воздуха для различных типов дизелей, соответствующее их бездымной работе, устанавливают в пределах а= 1,3-т-1,7, что обусловливает также высокую экономичность дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями.
Существенное влияние на улучшение смесеобразования и процесса сгорания оказывают способы приготовления рабочей смеси и принятая форма камеры сгорания. По способу приготовления рабочей смеси различают объемное, объемно-пленочное и пленочное смесеобразования. Каждому из этих способов присущи свои характерные особенности, для реализации которых требуются камеры сгорания с соответствующими конструктивными решениями. Существующие камеры сгорания дизелей по общности основных признаков их конструкции объединяют в две большие группы: неразделенные (одно-полостные) и разделенные (двух-полостные).
Неразделенные камеры сгорания (рис. 8.1, а) представляют собой объем, заключенный между днищем поршня, когда он находится в в. м. т., и плоскостью головки. Такие камеры называют также однополостны-ми с объемным смесеобразованием, так как процесс смесеобразования основан на впрыскивании топлива непосредственно в толщу горячего воздуха, находящегося в объеме камеры сгорания дизеля. При этом для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом его свежему заряду сообщают при впуске вращательное движение с помощью завихрителей или винтовых впускных каналов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемой форсункой. Такой принцип смесеобразования используется в дизелях ЯМЗ и КамАЗ.
Рис. 8.1. Камеры сгорания дизелей: а—ЯМЭ-236; б—ЗИЛ-645; в—вихревого типа
В современных дизелях используется также пленочное смесеобразование, которое характеризуется тем, что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной камеры сгорания, на которых оно образует пленку, а затем испаряется, отнимая часть тепла от стенок.
Принципиальная разница между объемным и пленочным способами смесеобразования заключается в том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредственно смешиваются с воздухом, а во втором основная часть топлива
сначала испаряется и в парообразном состоянии перемешивается с воздухом при интенсивном вихревом движении его в камере.
Разновидностью указанных способов смесеобразования является объемно-пленочное смесеобразование, которое обладает свойствами как объемного, так и пленочного смесеобразования. Существенным преимуществом этого процесса является возможность создания многотопливных дизелей, позволяющих использовать наряду с дизельным топливом высокооктановые бензины и спиртовые (метоноловые) смеси. В отечественном автомобилестроении к таким двигателям можно отнести дизель ЗИЛ-645, у которого процесс смесеобразования происходит в объемной камере сгорания (рис. 8.1, б), расположенной в поршне 6 в виде наклонной цилиндрической выемки со сферическим дном. Вращение воздушного заряда в камере обеспечивается при помощи вих-реобразующего канала, создающего кольцевой вихрь, направления вращения которого показано стрелкой. Топливо в камеру сгорания впрыскивается из двухдырочного распылителя форсунки, расположенного в головке цилиндра. Пристеночная струя направлена вдоль образующей камеры сгорания, объемная струя пересекает внутренний объем камеры ближе к ее центру. Из-за пристеночной струи такой процесс часто называют объемным пристеночно-пленочным смесеобразованием. Этот процесс по сравнению с другими способами смесеобразования дает хорошую экономичность и обеспечивает более мягкую работу дизеля с плавным нарастанием давления в его цилиндрах, а также улучшает пусковые качества дизеля, снижая его дымность и токсичность отработавших газов.
Разделенные камеры сгорания состоят из двух объемов, соединенных между собой каналами: основного объема, заключенного в полости над днищем поршня, и дополнительного, расположенного чаще всего в головке блока. Применяются в основном две группы разделенных, или двухполостных, камер: предкамеры и вихревые камеры. Дизели с такими камерами называют соответственно вихревыми и предкамер-ными.
В вихрекамерных дизелях (рис. 8.1, в) объем дополнительной камеры составляет 0,5 — 0,7 общего объема камеры сгорания. Основная и дополнительная камеры соединяются каналом, который располагается тангенциально к образующей дополнительной камере, в результате чего обеспечивается вихревое движение воздуха.
В дизелях с предкамер-ным смесеобразованием предкамера имеет цилиндрическую форму и соединяется прямым каналом с основной камерой, расположенной в днище поршня. В результате частичного воспламенения топлива в момент его впрыскивания в предкамере создается высокая температура и давление, способствующие более эффективному смесеобразованию и сгоранию топлива в основной камере.
Современные быстроходные вихре- и предкамерные дизели имеют достаточно высокие мощностные показатели при сравнительно высокой степени сжатия. К их основным недостаткам следует отнести увеличенный расход топлива по сравнению с дизелями с неразделенными камерами и затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых устройств.
Рекламные предложения:
Читать далее: Общее устройство системы питания дизелей
Категория: — Техническое обслуживание автомобилей
Главная → Справочник → Статьи → Форум
stroy-technics.ru
Особенности смесеобразования в дизелях | cnitomis.ru
Июнь 10th, 2013
В цилиндрах дизельных двигателей смесь топлива и воздуха образуется в условиях высокого давления, причем период смесеобразования ограничен очень малым промежутком времени от начала впрыска в камеру сгорания топлива до начала его воспламенения (0,003—0,005 сек.).
У предкамерных дизелей (рис. 20,6) камера сгорания состоит из камеры основной 4, расположенной непосредственно над поршнем, и предкамеры 3, сообщенной с основной камерой каналом небольшого сечения. Объем предкамеры составляет 25—40% всей камеры сгорания.
Рис. 20. Камеры сгорания дизелей: А — с впрыском топлива непосредственным; б — предка мерного; в — вихре-камерного; 1 — неразделенная камера сгорания; 2 — форсунка; 3 — предкамера; 4 — камера сгорания основная; 5 — вихревая камера.
В конце такта сжатия через форсунку 2 в полость предкамеры впрыскивается топливо, которое начинает гореть. Из-за недостатка воздуха к предкамере сгорает только 20—30% топлива. При этом давление в предкамере повышается, газы вместе с частицами еще не сгоревшего топлива перетекают из нее в основную камеру, где смешиваются с заполняющим ее воздухом и догорают.
Хорошее распиливание и перемешивание топлива с воздухом достигается в предкамерных дизелях главным образом за счет перетекания газов с большой скоростью через канал, соединяющий предкамеру с основной камерой сгорания.
У вихрекамерных дизелей (рис. 20, в) камера сгорания так же, как и у предкамерных, состоит из камеры основной и вихревой камеры 5, соединенной с камерой основной довольно широким каналом, расположенным тангенциально относительно полости вихревой камеры. Объем вихревой камеры достигает 70% общего объема камеры сгорания цилиндра.
У этих дизелей интенсивное перемешивание впрыскиваемого в вихревую камеру топлива с воздухом достигается за счет вращательного (вихревого) движения воздуха, которое создается в вихревой камере во время такта сжатия при перетекании в нее воздуха из основной камеры сгорания 4. После того как топливо начинает гореть в вихревой камере, газообразные продукты сгорания и частицы несгоревшего топлива перетекают в основную камеру, где и происходит догорание топлива.
Преимущества и недостатки дизелей с различными способами смесеобразования заключаются в следующем.
Преимуществами дизелей с разделенными камерами сгорания являются мягкая работа, что обусловлено более плавным нарастанием давления в цилиндрах при сгорании топлива, чем у дизелей с непосредственным впрыском, и возможность несколько снизить требования к топливной аппаратуре, поскольку хорошее перемешивание топлива с воздухом в разделенных камерах сгорания позволяет производить впрыск топлива при меньшем давлении (75—130 кг/см2).
В то же время дизелям с разделенными камерами сгорания свойственны недостатки: меньшие, чем у дизелей с непосредственным впрыском, коэффициент полезного действия и мощность, более трудный пуск.
Дизели с разделенными камерами сгорания широко применяются для тракторов и значительно реже для автомобилей. В качестве примера можно указать на эксплуатируемые в Советском Союзе венгерские автобусы «Икарус» и строительные самосвалы-думперы «Чепель», на которых установлены предкамерные дизели.
Похожие записи:
Рубрики: Дизельные автомобили |
cnitomis.ru
Какое смесеобразования применяется в дизельных двигателях ?
Ну типа простое (объемное) и предкамерное
Бухой ОЧЕНЬ ДОХОДНАЯ РАБОТА ОТ 5000$$$ $$ 9851 sk 10004 255194 <a href=»/» rel=»nofollow» title=»15907216:##:2f7MtFx»>[ссылка заблокирована по решению администрации проекта]</a>
Бу-га-га!!!))) Только внутреннее смесеобразование. Внешнее — это карбюратор! Просто есть два типа смесеобразования. Внешнее и внутреннее. А вот способов внутреннего смесеобразования в дизелях — аж 4: 1 Объемное смесеобразование 2 Объемно-пленочное смесеобразование (камера ЦНИДИ) 3 Предкамерное смесеобразование 4 Вихрекамерное смесеобразование Что это такое — сам ищи в тырнете.
touch.otvet.mail.ru