Учебник. Двигатели внутреннего сгорания теория, моделирование и расчёт процессов / DVS_teoriy_modelir_i_raschet_processov1

Дальнобойность топливной струи за определенный промежуток времени (0,001 с) характеризуется линейной зависимостью от частоты вращения вала топливного насоса,

рис. 6. 10.

С увеличением давления впрыскивания дальнобойность струи возрастает. С ростом диаметра сопловых отверстий струя становится ком-

пактнее, и её дальнобойность Рис. 6. 8. Влияние давления впрыскивания увеличивается, рис. 6. 9.

на дальнобойность топливной струи

Завихривание воздушного заряда. Рассмотрим влияние завихривания воздушного заряда на распределение капелек топлива по объёму камеры сгорания на примерах камер сгорания ДВС со встречно движущимися поршнями и двигателей типа «Рикардо».

150

В камере сгорания первого типа воздушный заряд имеет вращательное движение, создаваемое при поступлении его в цилиндр в процессе продувки, рис. 6. 11. По мере приближения противоположно движущихся поршней к точке минимального объёма производится впрыскивание топлива через четыре форсунки.

Рис. 6. 12. Схема организации движения воздушного заряда в камере сгорания типа «Рикардо»

В камере сгорания типа «Риккардо» (рис. 6. 12) смесеобразование улучшается посредством так называемого гильзового газораспределения. Распределительная гильза совершает поступа- тельно-вращательное движение, в результате чего достигаются оптимальные фазы процессов выпуска и наполнения.

Воздух совершает вращательное движение в КС.

Для оценки интенсивности вихревого движения используют вихревое отношение, представляющим собой частное от деления числа оборотов вихря

на число оборотов вала двигателя, то есть, nвихря/n. Исследования показывают, что существует оптимальное вихревое отношение, при котором двигатель дос-

тигает наибольшей мощности при наилучшей экономичности. Для названного двигателя оптимальная величина вихревого отношения равна примерно 10,

рис.6. 13.

151

должительности впрыскивания воздушный вихрь должен повернуться на угол между топливными струями. Это правило позволяет ориентировочно определить необходимое вихревое отношение. Так, при числе сопловых отверстий ic = 4 (рис. 6. 14) и продолжительности впрыскивания ϕвпр = 35 град ПКВ вихревое отношение должно быть равным

где

360 =ϕвихря –

iс

угол поворота (путь) вихря между сопловыми отверстиями.

Чем меньше число сопловых отверстий, тем более интенсивным должен быть вихрь.

Таким образом, правильное согласование продолжительности впрыскивания топлива с интенсивностью завихривания воздуха имеет большое значение. Воздушные вихри могут быть созданы применением заширмленных клапанов (рис. 6. 15), а также использованием тангенциальных и винтовых впускных каналов.

152

Температура поверхности стенки камеры достигает 340 0С, в результате чего плёнка нагревается, происходит послойное испарение топлива с её поверхности, смешивание с воздухом, воспламенение и сгорание, рис. 6. 16. После воспламенения испарению способствует лучистая энергия пламени.

Рис. 6. 16. Схема плёночного смесеобразования и сгорания

Можно различными способами воздействовать на скорость испарения, смешивания и сгорания с целью обеспечения оптимального протекания процесса тепловыделения.

Температура «холодного» воздуха в камере сгорания перед воспламенением в двигателях без наддува находится в пределах 500…600 0С, а в наддув-

ных – 700…800 0С.

Теория смесеобразования в камере сгорания с круговым движением воздуха, как это имеет место и при плёночном смесеобразовании, более подробно изложена в разделе 6. 4.

6. 3. Воспламенение и сгорание в дизелях

Воспламенение может произойти лишь в тех зонах, где пары топлива образуют с воздухом горючую смесь, находящуюся в пределах воспламеняемости (горючести). Очевидно, что зона необходимой концентрации топлива в смеси может образоваться лишь в тех областях камеры сгорания, где образуются пары впрыснутого и распыленного топлива. Эта зона всегда будет находиться где-то между ядром струи или топливной пленки и областью перехода смеси в воздух.

154

Кинематографирование пространства камер сгорания в дизелях показывает, что начальные очаги самовоспламенения почти всегда формируются локализовано вблизи внешних границ головной части распыленной топливной струи. Как правило, число таких очагов не меньше, чем число топливных струй. От этих очагов пламя быстро распространяется сначала по объёму, охваченному топливными струями, а затем, по мере смешивания распыленного, испарившегося и горящего топлива с воздухом, по всей камере сгорания.

Необходимо отметить, что в дизелях, в отличие от бензиновых двигателей, предел воспламеняемости по среднему составу смеси значительно шире, и воспламенение топлива происходит при более высоком среднем численном значении коэффициента избытка воздуха (вплоть до α ≈ 6…8), так как в пространстве, охваченном распыленной струёй, всегда найдутся зоны с благоприятным для самовоспламенения составом смеси (α ≈ 0,9…1,0).

Процесс самовоспламенения

Процесс самовоспламенения (инициирование реакции) можно объяснить следующей теорией (цепная теория). Часть молекул топлива под влиянием повышенной температуры и плотности воздуха вступает в соединение с молекулами кислорода, образуя перенасыщенные кислородные соединения, так называемые гидроперекиси

Сn H m + O2 → ROOH ,

где RООН – общая формула гидроперекисей.

Эти соединения устойчивы лишь в узких пределах температур и плотностей. Вне этих пределов перекиси распадаются с освобождением больших количеств теплоты и образованием свободных радикалов (осколков молекул) и атомов.

Расщепление RООН легко происходят по связи О – О ROOH → RO •+•OH + теплота,

где RO • – алкоксильный радикал.

Распад гидроперекисей при критических значениях температуры и давления приводит к образованию начальных активных центров, свободных радикалов и атомов, которые начинают цепную реакцию. Распад гидроперекисей, то есть, собственно воспламенение, происходит практически мгновенно.

Для воспламенения топлива в дизелях его необходимо нагреть до температуры самовоспламенения. Температурой самовоспламенения топлива называется низшая температура, при которой происходит воспламенение топлива без помощи какого-либо специального внешнего источника зажигания (постороннее пламя, раскалённое тело, электрическая искра и т. д.).

155

Температура самовоспламенения зависит от вида топлива, рода и плотности окислителя (рис. 6. 17).

Для осуществления самовоспламенения требуется некоторое время. Период от начала впрыскивания топлива в камеру сгорания до момента его самовоспламенения называется периодом задержки воспламенения. Приближенно принято считать началом процесса сгорания в дизеле момент отрыва линии сгорания от линии сжатия индикаторной диаграммы.

Период задержки воспламенения

Время задержки воспламенения в дизеле имеет большое значение для последующего сгорания топлива, особенно при объёмном смесеобразовании. На рис 6. 18 показана индикаторная диаграмма при относительно небольшом периоде задержки самовоспламенения ϕс, а на рис. 6. 19 – при существенно большем ϕс.

Особенностью второй диаграммы является резкий подъём линии видимого сгорания y – zp и высокое максимальное давление

цикла pмакс. Для такой диаграммы характерна «жёсткая» и шумная работа двигателя. «Жёсткая» работа вызывается большой быстротой нарастания давления. Количественно средняя быстрота нарастания давления wp выражается отношением

Максимальная быстрота нарастания давления

Условно можно считать работу дизеля «мягкой», если wpмакс < 0,5 МПа/град ПКВ.

Скачок быстроты нарастания давления в момент воспламенения

156

157

самовоспламенению, происходят разрывы химических связей части молекул топлива и кислорода. Установлено, что процесс самовоспламенения наступает в газовой фазе, что лимитируется фазой испарения. Для самовоспламенения топлива необходимо его вначале испарить и смешать с воздухом в определенной пропорции. Второе условие выполняется автоматически, так как в области топливной струи всегда имеет место переменная концентрация от очень бедной смеси на периферии до очень богатой в ядре (стержне) струи.

Для испарения топлива требуется определенное количество тепловой энергии. Можно считать главным в процессе самовоспламенения топлива передачу энергии от нагретого воздуха распыленным капелькам топлива. Это процесс теплоотдачи. Для простоты можно считать процесс теплоотдачи установившимся (стационарным). При этом упрощении для процесса самовоспламенения можно написать уравнение теплоотдачи (закон Ньютона)

Qn =α(tc − tТ )Fτc ,

где Qn – теплота, необходимая для испарения такого количества распыленного топлива, которого достаточно для образования с воздухом местного очага самовоспламенения;

tc – средняя температура воздуха за время задержки самовоспламенения; tТ – температура впрыскиваемого топлива;

α – коэффициент теплоотдачи;

F – поверхность распыленного топлива; τc – время задержки самовоспламенения.

Из уравнения теплоотдачи следует, что

Величина Qn зависит от природы топлива. Топливо с большим содержанием парафинов (дизельное) характеризуется меньшими величинами Qn, а топливо с большим содержанием ароматиков (бензины), наоборот, большими Qn. Это объясняется тем, что молекулы ароматических углеводородов обладают наибольшей прочностью связей между атомами.

Средняя температура заряда в течение периода задержки воспламенения является функцией степени сжатия ε , температуры заряда в конце впуска Та, скоростного режима работы двигателя n.

В свою очередь, Та зависит от температуры окружающей среды, степени подогрева заряда при впуске, способа охлаждения, материала поршня и т. д. При наддуве большое значение имеет степень охлаждения воздуха после нагнетателя.

158

Коэффициент теплоотдачи α зависит от плотности рабочего тела (степени наддува) и характера относительного движения капелек топлива и воздуха. В том случае, когда капелька топлива покоится в воздушном потоке, коэффициент теплоотдачи сравнительно невелик. Он существенно повышается, когда капельку обтекает воздух при встречном движении, рис. 6. 20.

Относительное движение капель топлива и воздуха возникает вследствие впрыскивания топлива в камеру сгорания с большой скоростью, а также вследствие турбулентного движения воздушного заряда.

Для ускорения относительного движения, а оно желательно и для обеспечения быстрого сгорания топлива, в современных камерах сгорания создают вихревые движения воздушного заряда.

Площадь поверхности распы-

ленного топлива F зависит от степени дисперсности распыливания, или, как говорят, от тонкости распыливания, то есть, от величины среднего радиуса капли топлива. Чем на более мелкие капли дробится подаваемое в цилиндр топливо, тем больше величина суммарной поверхности капелек распыленного топлива. Это поясняется рис. 6. 21.

Удельная поверхность распылен-

ного топлива является одним из показателей качества распыливания. Она определяется выражением

где F – общая поверхность капелек топлива, образовавшаяся при подаче в цилиндр порции топлива;

Vтц – объём поданной порции топлива; rк – радиус капельки.

Чем больше отношение F/Vтц, тем мельче распылено топливо.

159