Смесеобразование в дизельных двигателях
Категория:
Автомобили и трактора
Публикация:
Смесеобразование в дизельных двигателях
Читать далее:
Мощность и экономичность двигателя
Смесеобразование 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;
— 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.
Рис. 1. Схемы камер сгорания дизельных двигателей
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 дизельных двигателях топливо воспламеняется от сжатия воздуха в цилиндре при такте сжатия. Смесеобразованием называется распыливание топлива, вводимого в камеру сгорания под большим давлением, и смешение его с сжатым воздухом. При давлении сжатого воздуха в цилиндре 35—38 кГ1см2 у дизельных двигателей топливо впрыскивается топливным насосом под давлением 120—130 кГ1см2 (а у двигателя Д-108 под давлением 200—210 кГ/см2) и вводится в камеру сгорания через сопло форсунки. При этом топливо приобретает скорость движения на выходе из сопла форсунки до 150—200 мДек, что дает струе необходимую скорость и глубину проникания в сжатый воздух в течение некоторого промежутка времени, а также нужный угол конуса струи — в пределах 15—20°. Различают несколько видов смесеобразования. В двигателях с раздельной камерой сгорания (Д-54А, СМД-14) применяется вихревое смесеобразование; в двигателях КДМ-100, 6КДМ-50 — предкамерное.
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.
Предкамерное смесеобразование. В ряде двигателей (КДМ-100, 6КДМ-50) камера сгорания разделена на две части: на предкамеру, расположенную в головке цилиндра, и основную камеру 6, которая представляет собой пространство над поршнем, образуемое сферической выемкой в его днище, и частично сферической выемкой в головке цилиндра.
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.
Рис. 2. Камеры сгорания: а — вихревое смесеобразование двигателя Д-54А; б — вихревое смесеобразование двигателя СМД-14; в — предкамерное смесеобразование двигателей КДМ-100 и 6КДМ-50; г — смесеобразование при камере сгорания, расположенной в поршне двигателя Д-108; 1 — отверстие для установки форсунки; 2 — вихревые камеры; 3 — канал; 4 — стенки камеры; 5 и 14 — поршни; 6 и 13 — камеры сгорания; 7 — соединительный канал; 8 — предкамера; 9 — форсунка; 10 и 12 — головки цилиндров; 11 — рубашка охлаждения головки цилиндров
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.
Лекция 19. Смесеобразование в дизельных двигателях
Лекция 19. Смесеобразование в дизельных двигателях
1. 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.
Чтобы обеспечить наилучшие мощностные 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-М,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.1,а) представляют собой объем 3, заключенный между днищем поршня, когда он находится в ВМТ., и плоскостью головки 2. Такие камеры называют также однополостными 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 1.
Такой принцип смесеобразования используется в дизелях ЯМЗ и КамАЗ.
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 5 (рис. 8.1, б), расположенной в поршне б 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 9, расположенного в головке цилиндра 4. Пристеночная струя 8 направлена вдоль образующей камеры сгорания, объемная струя 7 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 предкамерными и вихревыми.
В в их рекамерных дизелях (рис. 1, в) объем дополнительной камеры 10 составляет 0,5— 0,7 общего объема камеры сгорания. Основная 12 и дополнительная 10 камеры соединяются каналом 11, который располагается тангенциально к образующей дополнительной камере, в результате чего обеспечивается вихревое движение воздуха.
В дизелях с предкамерным 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 вихреи 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.
4
Формирование и смешивание распыления дизельного топлива
Формирование и смешивание распыления дизельного топлива Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.
Реферат : Приготовление смеси при сгорании дизельного топлива начинается с образования брызг после выхода топлива из форсунки. Топливная струя распыляется на капли, испаряется и смешивается с воздухом.
Процесс проникновения топливной струи и образования капель можно описать моделями проникновения струи. В фазе контролируемого смешивания сгорание дизельного топлива происходит с поднятым пламенем, состоящим из диффузионного пламени на периферии топливной струи и богатой предварительно перемешанной реакционной зоны, которая существует ниже по потоку от длины отрыва в активной зоне. Смешение топлива и воздуха в цилиндре может быть дополнительно улучшено за счет мер ниже или выше по потоку от длины отрыва.
- Спрей
- Взрыв пламени
- Улучшение смешивания в цилиндрах
- Карты φ-T
Распыление топлива
Первым этапом в процессе смесеобразования в обычном дизельном двигателе сгорания с регулируемым смешиванием является формирование распыла. На рис. 1 показана струя, образованная впрыскиванием топлива из одного отверстия в стоячий воздух [531] . Выйдя из отверстия сопла, струя становится полностью турбулентной на очень небольшом расстоянии от точки выброса и смешивается с окружающим воздухом.
Этот вовлеченный воздух уносится струей и увеличивает массовый расход в направлении x и заставляет струю распространяться в направлении y. К уменьшению скорости струи приводят два фактора: сохранение импульса при втягивании воздуха в струю и сопротивление трения капель жидкости. На рис. 1 показано распределение скорости в двух поперечных сечениях. Скорость топлива максимальна на осевой линии и снижается до нуля на границе раздела зоны дезинтеграции (или конической оболочки факела) с окружающим воздухом.
Первичное распыление. Вблизи сопла форсунки непрерывная струя жидкости распадается на нити и падает за счет взаимодействия с газом в цилиндре. Это начальное разрушение непрерывной струи жидкости называется первичным распылением .
В целом распыление струи можно разделить на разные режимы в зависимости от скорости струи [391] :
- Режим Рэлея. В этом режиме с низкой скоростью струи разрушение происходит из-за нестабильного роста поверхностных волн, вызванного поверхностным натяжением, и приводит к образованию капель, превышающих диаметр струи.
- Режим развала, вызванный первым ветром. В этом режиме средней скорости струи силы, обусловленные относительным движением струи и окружающего воздуха, увеличивают силу поверхностного натяжения и приводят к размерам капель порядка диаметра струи.
- Второй режим развала, вызванный ветром. В этом высокоскоростном режиме срыв струи характеризуется расхождением факела струи после неповрежденной или невозмущенной длины за соплом. Неустойчивый рост коротковолновых волн, вызванный относительным движением жидкости и окружающего воздуха, приводит к образованию капель, средний размер которых много меньше диаметра струи.
- Режим распыления. При очень высокой скорости струи разрушение внешней поверхности струи происходит в плоскости среза сопла или перед ней. Средний диаметр капель намного меньше диаметра сопла. Аэродинамические взаимодействия на границе раздела жидкость/газ, по-видимому, являются одним из основных компонентов механизма распыления в этом режиме.
Первоначальное разрушение струй дизельного топлива обычно происходит в режиме распыления. Доминирующие механизмы, управляющие этим процессом, не совсем ясны. Взаимозависимые явления, такие как турбулентность и схлопывание кавитирующих пузырьков, могут инициировать флуктуации скорости потока внутри сопла форсунки, которые дестабилизируют выходящую струю жидкости. Важную роль играют также нестационарность скорости инжекции и каплепадение [1616] .
Для большинства систем впрыска дизельного топлива струйное распыление на выходной плоскости форсунки происходит, когда:
ρaρf<18,3 А (1)
где ρ a и ρ f — плотности окружающего газа и топлива соответственно, а A — функция отношения длины к диаметру (L o / D o ) сопла:
A=3,0+0,28LoDo (2)
Вторичный разрыв. После начального распада струи жидкости и начального образования капель аэродинамическое дробление капель еще больше уменьшает размер капель по мере их проникновения в окружающий воздух.
это вторичное дробление в сочетании с испарением гарантирует, что капли продолжают уменьшаться в размере по мере их движения вдоль оси x (см. рис. 1).
Предполагается, что вторичное разрушение контролируется числом Вебера капли (We), которое определяется как отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения:
We=ρaDdurel2σf (3)
где
ρ a — плотность окружающей среды
D d — диаметр капли
u отн — относительная скорость между каплей и окружающими газами
σ f — поверхностное натяжение топлива.
Этот вторичный разрыв можно разделить на несколько различных режимов в зависимости от числа Вебера, как показано в таблице 1 [1617] [1618] [1619] .
| We | Разрывной режим |
|---|---|
| We ≤ 12 | колебательный |
| 12 < We ≤ 18 | bag |
| 18 < We ≤ 45 | bag-and-steamen |
| 45 < We ≤ 100 | chaotic |
| 100 < We ≤ 350 | sheet stripping |
| 350 < We ≤ 1000 | срыв гребня волны |
| 1000 < We ≤ 2670 | катастрофический |
В современных дизельных двигателях число Вебера капель обычно превышает 100, что указывает на то, что наиболее важными режимами вторичного распада являются срывной и катастрофический режимы.
Вторичный разрыв начинается на конечном расстоянии от инжектора, порядка нескольких мм, и затем прекращается примерно в 15-20 мм от инжектора. Дальнейшее уменьшение размера капель ниже этого расстояния можно объяснить почти полностью испарением [1617] .
Капли претерпевают значительную деформацию при распаде и фактически не имеют сферической формы. Деформация капли, измеряемая отношением диаметра длинной оси вытянутой капли к диаметру сферической капли, может составлять около 5 при типичных условиях впрыска современного дизельного топлива. Это увеличивает площадь поверхности капли в 7-10 раз и сильно влияет на испарение топлива. Эта деформация гарантирует, что скорость испарения топлива будет равна скорости впрыска вскоре после начала впрыска 9.0026 [1617] .
###
количественных измерений смешивания в испаряющемся дизельном аэрозоле с помощью Rayleigh Imaging. (Конференция)
Количественные измерения смешивания в испаряющемся дизельном спрее с помощью Rayleigh Imaging.
(Конференция) | ОСТИ.GOVперейти к основному содержанию
- Полная запись
- Другое связанное исследование
Аннотация не предоставлена.
- Авторов:
- Пикетт, Лайл М.; Идичерия, Чериан
- Дата публикации:
- Исследовательская организация:
- Национальная лаборатория Сандия. (SNL-CA), Ливермор, Калифорния (США)
(SNL-CA), Ливермор, Калифорния (США)- Организация-спонсор:
- Национальная администрация по ядерной безопасности Министерства сельского хозяйства США (NNSA)
- Идентификатор OSTI:
- 1264710
- Номер(а) отчета:
- ПЕСОК2006-7092К
524843
- Номер контракта Министерства энергетики США:
- АК04-94АЛ85000
- Тип ресурса:
- Конференция
- Отношение ресурсов:
- Conference: Предлагается для презентации на Всемирном конгрессе SAE, который проходил 16-19 апреля 2007 г. в Детройте, штат Мичиган.
- Страна публикации:
- США
- Язык:
- Английский
Форматы цитирования
- ГНД
- АПА
- Чикаго
- БибТекс
Пикетт, Лайл М.
и Идичерия, Чериан. Количественные измерения смешивания в испаряющемся дизельном аэрозоле с помощью Rayleigh Imaging. . США: Н. П., 2006.
Веб.
Копировать в буфер обмена
Пикетт, Лайл М. и Идичерия, Чериан. Количественные измерения смешивания в испаряющемся дизельном аэрозоле с помощью Rayleigh Imaging. . Соединенные Штаты.
Копировать в буфер обмена
Пикетт, Лайл М. и Идичерия, Чериан. 2006.
«Количественные измерения смешивания в испаряющемся дизельном аэрозоле с помощью визуализации Рэлея». Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/1264710.
Копировать в буфер обмена
@статья{osti_1264710,
title = {Количественные измерения смешивания в испаряющемся дизельном аэрозоле с помощью Rayleigh Imaging.