Процессы смесеобразования и сгорания

1. Принципы образования горючих смесей

В отличие от идеальных циклов, где рабочее тело получает тепло извне по заданному закону, в действительных циклах тепло получается в результате сгорания горючих смесей, которые к моменту воспламенения и являются рабочим телом. Выделение тепла здесь определяется закономерностями организованных процессов смесеобразования и сгорания. Знания этих закономерностей позволяют рационально организовать процессы и получить достаточно высокие показатели эффективности реальных циклов.

Процессу сгорания всегда предшествует смесеобразование. Без образования горючей смеси невозможно воспламенение и сгорание, т.е. первой фазой процесса сгорания является приготовление горючей смеси. Требования к качеству горючей смеси определяются следующими обстоятельствами.

Окисление топлива начинается и развивается в результате контакта молекул топлива и кислорода. Причем химические реакции окисления протекают только газовой фазе, т.е. топливо должно находиться в газообразном состоянии. Исключением является реакция окисления свободного углерода, который может возникнуть в горючей смеси в результате пиролиза углеводородного топлива или вводится специально в виде суспензии в жидком топливе. Эта реакция протекает в результате диффузии кислорода к поверхности частичек. Необходимое количество контактов горючего и окислителя обеспечивается их предварительным смешением, т.е. смесеобразованием. Скорость сгорания топлива и его полнота определяется не только общим соотношением количества воздуха и топлива в смеси ( α ), но и такими факторами, как однородность смеси, скорость и место ее образования.

Однородной, или гомогенной смесью называют смесь, в которой топливо и окислитель находятся в газообразном виде и около каждой молекулы топлива находятся одинаковые количества компонентов воздуха. Смесь, состоящая из компонентов, находящихся в разных агрегатных состояниях (например, капли топлива в воздухе), называется двухфазной, или гетерогенной. Горючие смеси, приготовляемые из суспензии углерода или другого твердого вещества в жидком топливе, являются трехфазными.

Необходимым условием получения однородной горючей смеси является испарение топлива и смешение его с воздухом. Смешение компонентов происходит в результате молекулярной и турбулентной диффузии. Молекулярная диффузия осуществляется за счет взаимопроникновения молекул одного вещества между молекулами других веществ и приводит к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объему. Под турбулентной диффузией понимают перенос вещества в пространстве, обусловленный турбулентным движением среды. Турбулентный перенос характерен взаимопроникновением не отдельных молекул, а конечных объемов веществ, поэтому перемешивание происходит на порядки быстрее. При необходимости ускорения перемешивания прибегают к созданию условий для дополнительной турбулизации среды.

В связи с тем, что воспламенение и горение топлив возможно только в газовой фазе, процесс смесеобразования включает в себя и испарение жидких топлив. При этом следует учитывать, что в современных двигателях на процесс смесеобразования отводится 0,0005 – 0,06 секунд.

В газовых двигателях при внешнем смесеобразовании осуществляется достаточно просто и качественно. Струи газообразного топлива внедряются в поток воздуха и к моменту достижения свежего заряда рабочей камеры смесь достаточно хорошо перемешивается. Даже при использовании сжиженного газа он подается к смесителю уже в газовой фазе. При внутреннем смесеобразовании газовое топливо впрыскивается форсунками в камеру сгорания в некоторых случаях и жидким, но благодаря высокой испаряемости топлива смесь получается достаточно качественной, хотя и менее однородной, чем при внешнем смесеобразовании.

Образование горючих смесей при использовании жидких топлив затрудняет разное агрегатное состояние воздуха и топлива. Здесь необходимо организовать быстрое испарение топлива и, используя механизмы молекулярного и турбулентного переноса, готовить горючую смесь. Ускорение испарения топлива может быть достигнуто за счет увеличения площади поверхности испарения, правильной организации движения воздуха относительно открытой поверхности топлива, повышения температуры.

Увеличения площади поверхности испарения достигают распыливанием топлива, увеличивая за счет этого поверхность в десятки и сотни раз. Реализуется это путем подачи топлива из форсунок с высокой скоростью и взаимодействия струй топлива с воздушным зарядом, движущимся специально организованным образом. Повышение температуры воздушного заряда интенсифицирует испарение. Скорость испарения можно повысить, подавая топливо на горячую поверхность.

В зависимости от типа рабочего процесса требования к качеству смесеобразования, месту его организации и длительности различны. В двигателях с принудительным воспламенением необходимо подготовить однородную горючую смесь до момента подачи искры. Поэтому смесеобразование здесь внешнее, с подачей топлива во впускной тракт или вблизи впускного клапана. В течение процесса сжатия смесь гомогенизируется и далее воспламеняется свечой зажигания. Существуют двигатели с принудительным зажиганием и внутренним смесеобразованием. За счет достаточно раннего впрыска топлива и высокой испаряемости бензина в них также удается подготовить однородную горючую смесь до момента подачи искры. Кроме того, внутреннее смесеобразование и принудительное воспламенение применяют в многотопливных двигателях.

В двигателях с воспламенением от сжатия смесеобразование внутреннее, с целью управления моментом воспламенения топливо подается вблизи в.м.т. Смесеобразование и сгорание в этих двигателях идут параллельно, подготовленная часть топлива выгорает, остальная участвует в процессе смесеобразования и, в конечном итоге, тоже сгорает.

В зависимости от механизма ускорения испарения и способа распределения топлива в воздушном заряде различают следующие типы смесеобразования: объемное, пленочное, объемно-пленочное, послойное.

Объемное смесеобразование реализуется во всех двигателях с внешним смесеобразованием (кроме двигателей с послойным смесеобразованием) и в части двигателей с внутренним смесеобразованием (дизелях). При внутреннем смесеобразовании объемное смесеобразование используют в двигателях с большими размерами цилиндра, в которых струи топлива не достигают стенок цилиндра. При этом способе смесеобразования стараются распределить капли топлива равномерно по всему объему воздушного заряда.

При пленочном смесеобразовании струи топлива направляют под определенным углом на специально организованную в камере сгорания горячую поверхность, с которой топливо испаряется. Движение воздушного заряда здесь должно способствовать распространению паров топлива в объеме КС. Чисто пленочное смесеобразование организовать крайне затруднительно, т.к. в этом случае существуют трудности холодного пуска двигателя. Поэтому, пленочным смесеобразованием называют такой процесс, в котором около 90% цикловой дозы топлива поступает в пленку, а остальная распределяется в объеме, способствуя скорейшему воспламенению и холодному пуску.

Объемно-пленочное смесеобразование является наиболее распространенным. Здесь 40 – 60% топлива распределяется в объеме, остальная достигает днища поршня и с нее испаряется.

Послойное смесеобразование организуют в двигателях с принудительным воспламенением. Суть его заключается в том, что цикловую дозу топлива располагают в КС таким образом, что вблизи свечи зажигания находится горючая смесь воспламеняемого состава (α около 1), а в остальном объеме – обедненная смесь или чистый воздух. Целью расслоения заряда является улучшение экономических и экологических характеристик двигателя на режимах не полной мощности.