Процеси на смесване - Транспорт
1. Смесване при бензинови двигатели
1.1 Карбуриране Карбуриране
1.2 Смесообразуване с централно и разпределено впръскване на гориво
1.3 Характеристики на смесообразуване в газови двигатели
2. Смесване при дизелови двигатели
2.1 Характеристики на смесообразуване
2.2 Методи на смесване. Видове горивни камери
1. Смесване при бензинови двигатели
Под смесообразуване в двигатели с искрово запалване се разбира комплекс от взаимосвързани процеси, които съпътстват дозирането на гориво и въздух, пулверизирането и изпаряването на горивото и смесването му с въздуха. Качественото смесообразуване е необходимо условие за получаване на висока мощност, икономически и екологични показатели на двигателя.
Ходът на процесите на смесообразуване до голяма степен зависи от физикохимичните свойства на горивото и начина на неговото подаване. При двигатели с външно карбуриране процесът на карбуриране започва в карбуратора (инжектор, смесител), продължава във всмукателния колектор и завършва в цилиндъра.
След като горивната струя излезе от пулверизатора или дюзата на карбуратора, струята започва да се разпада под въздействието на аеродинамичните сили на съпротивление (поради разликата в скоростта на въздуха и горивото). Фиността и равномерността на разпръскването зависят от скоростта на въздуха в дифузора, вискозитета и повърхностното напрежение на горивото. При стартиране на карбураторен двигател при неговата относително ниска температура практически няма разпръскване на горивото и до 90 процента или повече от горивото в течно състояние навлиза в цилиндрите. В резултат на това, за да се осигури надежден старт, е необходимо значително да се увеличи цикличното захранване с гориво (за да се доведе α до стойности ≈0,1-0,2).
Процесът на разпръскване на течната фаза на горивото също протича в проходната секция на всмукателния клапан, а ако дроселната клапа не е напълно отворена, в образуваната от нея междина.
Част от капките гориво, отнесени от потока въздух и горивни пари, продължават да се изпаряват, а другата част се утаява под формата на филм върху стените на смесителната камера, всмукателния колектор и канала в главата на блока. Под действието на тангенциална сила от взаимодействие с въздушния поток филмът се придвижва към цилиндъра. Тъй като скоростите на въздушно-горивната смес и горивните капки се различават незначително (с 2–6 m/s), скоростта на изпаряване на капките е ниска. Изпарението от повърхността на филма протича по-интензивно. За да се ускори процесът на изпаряване на филма, всмукателният колектор в двигателите с карбуратор и централно впръскване се нагрява.
Различното съпротивление на клоновете на всмукателния колектор и неравномерното разпределение на филма в тези клонове води до неравномерен състав на сместа в цилиндрите. Степента на неравномерен състав на сместа може да достигне 15–17%.
Когато горивото се изпари, протича процесът на неговото фракциониране. На първо място, леките фракции се изпаряват, а по-тежките навлизат в цилиндъра в течната фаза. В резултат на неравномерното разпределение на течната фаза в цилиндрите може да има не само смес с различно съотношение гориво-въздух, но и гориво с различен фракционен състав. Следователно октановите числа на горивото в различните цилиндри няма да бъдат еднакви.
Качеството на образуване на сместа се подобрява с увеличаване на скоростта n. Отрицателният ефект на филма върху работата на двигателя в преходни условия е особено забележим.
Неравномерният състав на сместа при двигатели с разпределено впръскване се определя главно отсамоличността на инжекторите. Степента на неравномерност на състава на сместа е ±1,5% при работа по външна скоростна характеристика и ±4% на празен ход с минимална скорост nх.х.min.
Когато горивото се впръсква директно в цилиндъра, са възможни два метода за образуване на смес:
- до получаване на хомогенна смес;
− със стратификация на заряда.
Прилагането на последния метод за смесване е свързано със значителни трудности.
При газови двигатели с външно смесообразуване горивото се въвежда във въздушния поток в газообразно състояние. Ниска точка на кипене, висок коефициент на дифузия и значително по-ниска стойност на количеството въздух, теоретично необходимо за изгаряне (например за бензин - 58,6, метан - 9,52 (m 3 въздух) / (m 3 гориво) осигуряват почти хомогенна горима смес. Разпределението на сместа върху цилиндрите е по-равномерно.
1.1 Карбуриране Карбуриране
Пръскане на гориво. След като горивната струя излезе от пулверизатора на карбуратора, започва нейното разпадане. Под действието на аеродинамични съпротивителни сили (скоростта на въздуха е много по-висока от скоростта на горивото) струята се разпада на филми и капки с различен диаметър. Средният диаметър на капките на изхода на карбуратора може приблизително да се счита за равен на 100 микрона. Подобряването на пулверизацията увеличава общата повърхност на капките и допринася за по-бързото им изпаряване. Чрез увеличаване на скоростта на въздуха в дифузора и намаляване на вискозитета и повърхностното напрежение на горивото, фиността и равномерността на пулверизацията се подобряват. При стартиране на карбураторен двигател практически няма разпръскване на горивото.
Образуване и движение на горивен филм. Под въздействието на въздушния поток и гравитационните сили някои капки се утаяват по стенитекарбуратор и всмукателен колектор, образувайки горивен филм. Горивният филм се влияе от адхезионни сили със стената, тангенциална сила от страната на въздушния поток, спад на статичното налягане по периметъра на секцията, както и гравитация и повърхностно напрежение. В резултат на действието на тези сили филмът придобива сложна траектория на движение. Скоростта на движението му е няколко десетки пъти по-малка от скоростта на потока на сместа. Най-голямо количество филм се образува при пълно натоварване и режими на ниска скорост, когато скоростта на въздуха и фиността на разпръскване на горивото са ниски. В този случай количеството филм на изхода на всмукателния колектор може да достигне до 25% от общия разход на гориво. Характерът на съотношението на агрегатните състояния на горимата смес зависи основно от конструктивните характеристики на системата за подаване на гориво (фиг. 1).
Ориз. 1. Подаване на гориво по време на карбурация (а), централно (б) и разпределено (в) впръскване: 1 - въздух; 2 - гориво; 3 - горима смес
Изпаряване на гориво. Горивото се изпарява от повърхността на капчиците и филма при относително ниски температури. Капките са във всмукателната система на двигателя за приблизително 0,002–0,05 s. През това време само най-малките от тях имат време да се изпарят напълно. Ниските скорости на изпарение на капките се определят главно от молекулярния механизъм на пренос на топлина и маса, тъй като през повечето време капките се движат с малък въздушен поток. Следователно изпарението на капките се влияе значително от фиността на пулверизиране и началната температура на горивото, докато ефектът от температурата на въздушния поток е незначителен.
По този начин в режимите на студен старт и загряване, когато температурите на горивото, повърхностите на всмукателния тракт и въздуха са ниски, изпарението на бензин е минимално, в режим на стартиране, освен товапочти никакво пръскане, условията на смесване са изключително неблагоприятни.
Неравномерен състав на сместа в цилиндрите. Поради неравномерното съпротивление на клоновете на всмукателния тракт, пълненето на отделните цилиндри с въздух може да се различава (с 2-4%). Разпределението на горивото върху цилиндрите на карбураторния двигател може да се характеризира с много по-голяма неравномерност, главно поради неравномерното разпределение на филма. Това означава, че съставът на сместа в цилиндрите не е еднакъв. Характеризира се със степента на неравномерен състав на сместа:
където αi е коефициентът на излишък на въздух в i-тия цилиндър; α е средната стойност на коефициента на излишък на въздух на сместа, приготвена от карбуратора или инжектора за централно впръскване.
Ако, Di> 0, това означава, че сместа в този цилиндър е по-бедна, отколкото в целия двигател. Стойността на α се определя най-лесно чрез анализиране на състава на отработените газове, напускащи i-тия цилиндър. Степента на неравномерен състав на сместа с неуспешен дизайн на всмукателния тракт може да достигне стойност от 20%, което значително влошава икономическите, екологичните, мощностните и други показатели за работа на двигателя. Неравномерният състав на сместа зависи и от режима на работа на двигателя. С увеличаване на честотата n пулверизирането и изпарението на горивото се подобряват, така че нееднородността на състава на сместа намалява (фиг. 2а). Образуването на сместа също се подобрява с намаляване на натоварването, което по-специално се изразява в намаляване на степента на нееднородност на състава на сместа (фиг. 2б).
По време на образуването на сместа се получава фракциониране на бензина. В този случай леките фракции се изпаряват преди всичко (те имат по-ниско октаново число), а средните и тежките фракции се намират предимно в капки и филми. В резултат на неравномерното разпределение на течната фаза на горивото в цилиндрите,да бъде не само смес с различно α, но и фракционният състав на горивото (и съответно октановото му число) също може да бъде различен. Това важи и за разпределението на бензинови добавки, по-специално антидетонационни добавки, между цилиндрите. Поради посочените особености на смесообразуване, в цилиндрите на карбураторните двигатели постъпва смес, като в общия случай се различават по състав на горивото и октаново число.
Ориз. 2. Промяна в степента на неравномерност на състава на сместа за 1, 2, 3 и 4-цилиндъра в зависимост от скоростта n (пълна газ) (а) и натоварването (n=2000 min -1) (б)
1.2 Смесообразуване с централно и разпределено впръскване на гориво
Впръскването на гориво в сравнение с карбурацията осигурява:
1. Увеличаване на коефициента на пълнене поради намаляване на аеродинамичното съпротивление на всмукателната система при липса на карбуратор и нагряване на въздуха при всмукване поради по-късия всмукателен тракт.
2. По-равномерно разпределение на горивото по цилиндрите на двигателя. Разликата в коефициента на излишък на въздух в цилиндрите с впръскване на гориво е 6-7%, а с карбурация 20-30%.
3. Възможността за увеличаване на съотношението на компресия с 0,5–2 единици със същото октаново число на горивото в резултат на по-малко нагряване на свеж заряд на входа, по-равномерно разпределение на горивото върху цилиндрите.
4. Повишаване на енергийните показатели (Ni, Ne и др.) с 3–25%.
5. Подобрена реакция на двигателя и по-лесно стартиране.
Нека разгледаме процесите на образуване на смес по време на централно впръскване, подобни на протичането на тези процеси в карбураторния двигател и да отбележим основните разлики между тези процеси.
Пръскане на гориво. Инжекционните системи подават гориво подповишено налягане, както обикновено, във всмукателния колектор (централно впръскване) или всмукателните канали в главата на цилиндъра (впръскване на порт) (фиг. 1b, c).
За системите с централно и разпределено впръскване, в допълнение към горните параметри, фиността на пулверизиране зависи също от налягането на впръскване, формата на отворите за пръскане на дюзите и дебита на бензина в тях. В тези системи най-широко се използват електромагнитни дюзи, към които се подава гориво под налягане 0,15–0,4 MPa, което осигурява производството на капки със среден диаметър 50–400 микрона в зависимост от вида на дюзите (струйни, щифтови или центробежни). При карбурация този диаметър е до 500 микрона.
Образуване и движение на горивен филм. Количеството образуван филм при впръскване на бензин зависи от местоположението на дюзата, обхвата на струята, фиността на пръскането, а при разпределено впръскване във всеки цилиндър - от момента на стартиране. Практиката показва, че при всеки метод за организиране на впръскване масата на филма е до 60,80% от общото количество доставено гориво.
Изпаряване на гориво. Филмът се изпарява особено интензивно от повърхността на всмукателния клапан. Продължителността на това изпарение обаче е кратка, следователно при разпределено впръскване върху плочата на входящия клапан и работа на двигателя с пълно захранване с гориво само 30–50% от цикличната доза гориво се изпарява, преди да влезе в цилиндъра.
При разпределено впръскване по стените на входящия канал времето за изпаряване се увеличава поради ниската скорост на филма, а делът на изпареното гориво се увеличава до 50–70%. Колкото по-висока е скоростта на въртене, толкова по-кратка е продължителността на изпарението, което означава, че делът на изпарения бензин също намалява.
Входящо отоплениетръбопровод с разпределено впръскване не е препоръчително, т.к не може значително да подобри смесообразуването.
Неравномерен състав на сместа в цилиндрите. При двигатели с разпределено впръскване неравномерният състав на сместа в цилиндрите зависи от качеството на изработката (идентичността) на инжекторите и дозата на впръскваното гориво. Обикновено при разпределено впръскване неравномерният състав на сместа е малък. Най-голямата му стойност се наблюдава при минимални циклични дози (по-специално в режим на празен ход) и може да достигне ±4%. Когато двигателят работи при пълно натоварване, неравномерният състав на сместа не надвишава ± 1,5%.