Т.5. ПРОЦЕСИ СУМІШОУТВОРЕННЯ ТА ЗГОРЯННЯ У ДВЗ З ПРИМУСОВИМ ЗАПАЛЮВАННЯМ

Ключові слова та поняття

Сумішоутворення

Карбюрація

Нормальна (стехіометрична) суміш

Збіднена суміш

Збагачена суміш

Бідна суміш

Багата суміш

Карбюратор

Форсунка

Змішувач

Центральне впорскування

Розподілене впорскування

Детонація

Вхідна інформація

Приступаючи до вивчення даної теми, ВАМ необхідно відновити в пам’яті знання з минулих періодів навчання:

• з курсу «Основи газової динаміки»: виток газу крізь сопла та дифузори, критична швидкість;

• з курсу «Теоретичні основи теплотехніки»: випаровування, тиск насичених парів.

Зміст теми

§ 1. Процес сумішоутворення

§ 1.1. Загальна характеристика процесу

§ 1.2. Утворення гомогенних сумішей

§ 1.3. Утворення гетерогенних сумішей

§ 2. Процес згоряння

§ 3. Порушення процесу згоряння

§ 3.1. Детонація

§ 3.2. Передчасне запалення

§ 3.3. Подальше жарове запалення

§ 3.4. Запалення від стиску при виключеному запалюванні

Тематичний зміст

§ 1. Процес сумішоутворення

§ 1.1. Загальна характеристика процесу

Основними ознаками робочого циклу двигунів з примусовим запалюванням є:

1. Відносно низький ступінь стиску свіжого заряду (ε = 7–11 і трохи вище);

2. Приготування пальної суміші з легкого палива та повітря, як правило, поза циліндром двигуна у спеціальному приладі — карбюраторі (карбюраторні двигуни) або за допомогою впорскування такого палива у впускний трубопровід, а також у циліндр;

3. Запалювання суміші наприкінці процесу стиску електричною іскрою;

4. Неповнота згоряння при недостачі кисню, що проявляється наявністю у відпрацьованих газах, головним чином, оксиду вуглецю.

Процеси сумішоутворення й згоряння у двигуні з примусовим (іскровим) запалюванням визначаються фізико-хімічними властивостями палива, способом його подачі (для бензину — впорскування абокарбюрація) або змішувачем газового двигуна, а також режимом його роботи.

Від складу і якості паливоповітряної суміші, яка отримана при сумішоутворенні, залежить ефективність процесу згоряння. Повнота і швидкість згоряння палива визначаються такими факторами, як однорідність суміші, швидкість, місце і час утворення суміші.

За складом у залежності від коефіцієнту надлишку повітря розрізняють суміш:

• нормальну (стехіометричну) — α = 1;

• збіднену — α = 1,05–1,15;

• збагачену — α = 0,85–0,95;

• бідну — α > 1,15;

• багату — α < 0,85.

Однорідною (гомогенною) називають суміш, у якій біля кожної молекули палива розташована однакова кількість молекул кисню, азоту й інших компонентів. Суміш, що складається з компонентів, що знаходяться в різних агрегатних станах, завжди неоднорідна, тому її називають двофазною (гетерогенною).

ПИТАННЯ 1

Як Ви вважаєте, чи є обмеження для коефіцієнта надлишку повітря за забезпеченням запалення суміші? Подумайте й порівняйте свою відповідь з вірною.

§ 1.2.Утворення гомогенних сумішей

Змішення компонентів суміші відбувається в результаті молекулярної дифузії одного газу в іншій. У сучасних двигунах тривалість процесу сумішоутворення складає 0,0005–0,06 с. Інтенсифікації дифузійних процесів можливо досягти підвищенням температури компонентів, збільшенням поверхонь змішання, поділом потоків на окремі струмені, організацією турбулентної дифузії, що сприяє переходу з одного стану до іншого не тільки окремих молекул, але і цілих об’ємів компонентів. Утворення пальної суміші утрудняють різні агрегатні стани компонентів. Дифузійним процесам змішання повинне передувати випаровування палива. Це, поряд з великою масою молекул палива, сповільнює змішування в результаті молекулярної дифузії. Прискорення випару палива досягають збільшенням поверхні випаровування у десятки і сотні разів розпилюванням палива на окремі краплі розміром 100–300 мкм.

У чотиритактних двигунах, що працюють на гомогенних сумішах (рис. 1), звичайно організують зовнішнє сумішоутворення, що починається дозуванням палива й повітря у карбюраторі, форсунці або взмішувачі (газовий двигун), триває у впускному тракті й завершується у циліндрі ДВЗ.

Розрізняють два типи впорскування палива: центральне — впорскування палива у впускний трубопровід та розподілене — впорскування у впускні канали головки циліндрів.

а	б	в
Рис. 1. Подача палива при карбюрації (а), центральному (б), розподіленому (в) впорскуванні.

Розпилювання палива при центральному впорскуванні й у карбюраторах починається в період, коли струмінь палива після його виходу з отвору форсунки або розпилювача під впливом сил аеродинамічного опору й за рахунок високої кінетичної енергії повітря розпадається на плівки й краплі різних діаметрів. У міру руху краплі дробляться на більш дрібні. З підвищенням дрібності розпилювання росте сумарна поверхня крапель, що приводить до більш швидкого перетворення палива в пару.

Зі збільшенням швидкості повітря дрібність й однорідність розпилювання поліпшуються, а при більших в’язкості й поверхневому натягу палива — погіршуються. Так, при пуску карбюраторного двигуна розпилювання палива практично немає.

При впорскуванні бензину якість розпилювання залежить від тиску впорскування, форми отворів розпилювача форсунки й швидкості плину палива в них.

У системах впорскування бензинових ДВЗ найбільше застосування одержали електромагнітні форсунки, до яких паливо підводить під тиском 0,15–0,4 МПа для одержання крапель необхідного розміру.

Розпилювання плівки й крапель палива триває при русі паливоповітряної суміші крізь перетини між впускним клапаном і його сідлом, а на часткових навантаженнях — у щілині, що утворена прикритою дросельною заслінкою.

Утворення й рух плівки палива виникає у каналах і трубопроводах впускної системи. При русі палива через взаємодію з потоком повітря й гравітації воно частково осідає на стінках впускного трубопроводу й утворює паливну плівку. Через дію сил поверхневого натягу, зчеплення зі стінкою, ваги й інших сил швидкість руху плівки палива в кілька десятків разів менше швидкості потоку суміші. Із плівки потоком повітря можуть зриватися крапельки палива (вторинне розпилювання).

При впорскуванні бензину звичайно в плівку попадає 60–80% палива. Її кількість залежить від місця установки форсунки, далекобійності струменя, дрібності розпилювання, а у випадку розподіленого впорскування в кожен циліндр — і від моменту його початку.

У карбюраторних двигунах на режимах повних навантажень і малої частоти обертання до 25% від загальної витрати палива попадає в плівку на виході із впускного трубопроводу. Це пов’язане з невеликою швидкістю потоку повітря й недостатньою дрібністю розпилювання палива. При прикритті дросельної заслінки кількість плівки у впускному трубопроводі менше через вторинне розпилювання палива біля заслінки.

Випаровування палива необхідно для одержання однорідної суміші палива з повітрям й організації ефективного процесу згоряння. У впускному каналі, до надходження в циліндр, суміш є двофазною. Паливо в суміші перебуває в газовій і рідкій фазах.

При центральному впорскуванні й карбюрації для випару плівки впускний трубопровід спеціально підігрівають рідиною із системи охолодження або відпрацьованими газами. Залежно від конструкції впускного тракту й режиму роботи на виході із впускного трубопроводу в пальній суміші паливо на 60–95% перебуває у вигляді пару.

Процес випаровування палива триває й у циліндрі під час тактів впуску й стиску, а до початку згоряння паливо випаровується практично повністю.

При розподіленому впорскуванні палива на тарілку впускного клапана й роботі двигуна з повним навантаженням випаровується 30–50% циклової дози палива до надходження в циліндр. При впорскуванні палива на стінки впускного каналу частка палива, що випарувалося, зростає до 50–70% завдяки збільшенню часу на його випаровування. Підігрів впускного трубопроводу в цьому випадку не потрібний.

Умови для випаровування бензину на режимах холодного пуску погіршуються, а частка палива, що випарувалося, перед надходженням у циліндр при цьому становить лише 5–10%.

Нерівномірність складу суміші, що надходить у різні циліндри двигуна, при центральному впорскуванні й карбюрації визначається різною геометрією й довжиною каналів (неоднаковим опором областей впускного тракту), різницею швидкостей руху повітря й пару, краплі й, головним чином, плівки палива.

При невдалій конструкції впускного тракту ступінь рівномірності складу суміші може досягати ±20%, що істотно знижує економічність і потужність двигуна.

Рівномірність складу суміші по окремих циліндрах і однорідність її можна збільшити, забезпечуючи більш тонке розпилювання палива і більш інтенсивний прогрів двофазної суміші у впускній системі двигуна. Однак зменшення розмірів крапель при карбюрації та підігрів зменшують наповнення циліндрів. Тому карбюрацію здійснюють при Т = 250–350 К та малих швидкостях повітря в дифузорах карбюраторів (25–150 м/с).

Нерівномірність складу суміші залежить також від режиму роботи двигуна. При центральному впорскуванні й у карбюраторному двигуні з ростом частоти обертання поліпшуються розпилювання й випаровування палива, тому нерівномірність складу суміші знижується. Сумішоутворення поліпшується при зменшенні навантаження двигуна.

При розподіленому впорскуванні нерівномірність складу суміші по циліндрах залежить від ідентичності роботи форсунок. Найбільша нерівномірність можлива на режимі холостого ходу при малих циклових дозах.

Використання внутрішнього сумішоутворення дозволяє застосовувати підвищені ступені стиску, тому що завдяки усуненню підігріву у впускній трубі і більш пізньому впорскуванню палива можна уникнути зайвого нагрівання палива.

Організація зовнішнього сумішоутворення газових автомобільних двигунів подібна до карбюраторних двигунів. Паливо в повітряний потік уводиться в газоподібному стані. Якість паливоповітряної суміші при зовнішньому сумішоутворенні залежить від температури кипіння й коефіцієнта дифузії газу. При цьому забезпечується формування практично однорідної суміші, а її розподіл по циліндрах рівномірніше, ніж у карбюраторних двигунах. Для поліпшення змішування використовують завихрювання повітря в процесі наповнення циліндрів, багатоотворові форсунки і впуск газу з надкритичними швидкостями.