Прогрев, испарение и смешивание. Распыленные частицы топлива, находящиеся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются. Более интенсивно этот процесс протекает для распыленных частиц, имеющих наибольшее отношение площади поверхности к объему. Практика показывает, что частицы диаметром 10¸20 мкм в камере сгорания успевают полностью испариться за время (0,5¸0,9)-10-3 с, т.е. до начала воспламенения. Испарение более крупных частиц заканчивается в ходе начавшегося процесса сгорания.
Концентрация паров вокруг еще не испарившихся капель переменна. Она максимальна у их поверхности и непрерывно убывает по мере удаления в стороны. Как отмечено выше, местные значения коэффициента избытка воздуха изменяются в очень широких пределах. Движение частиц относительно воздуха несколько выравнивает распределение топлива в микросмеси, т.к. часть образующихся паров рассеивается по траектории движения частиц. Смешивание топлива и воздуха частично происходит внутри факела, что обусловлено вовлечением воздуха в сердцевину факела в процессе его формирования. Но большая концентрация топлива в сердцевине и менее благоприятные температурные условия значительно замедляют процесс испарения в этой зоне. Изложенное выше характеризует процесс смесеобразования той части топлива, которая поступила в цилиндр до начала воспламенения. В дальнейшем смесеобразование остальной части топлива значительно ускоряется, т.к. оно протекает в условиях начавшегося процесса горения при более высоких температурах и давлениях. Качество горючей смеси значительно определяется скоростью перемешивания топлива с воздухом. Существенное влияние на рабочие процессы в КС оказывает смесеобразо-вание части топлива, поступившей в камеру в начале впрыскивания. В ходе предпламенных химических реакций в отдельных зонах мик-росмеси возникает критическая концентрация промежуточных продуктов окисления, что приводит к тепловому взрыву и появлению первичных очагов пламени. Наиболее вероятной зоной появления таких очагов является пространство около испаряющихся частиц, где концентрация паров топлива оптимальна (α = 0,8-0,9). Первичные очаги пламени, прежде всего, образуются на периферии факела, т.к. физические и химические процессы подготовки топлива к сгоранию заканчиваются здесь раньше.
2.2 Способы смесеобразования. Типы камер сгорания
Распределение топлива по КС осуществляется за счет кинетических энергий топлива и движущегося воздушного заряда. Соотношение этих энергий обусловлено способом смесеобразования и формой КС. В современных автомобильных дизелях нашли применение объемное, пристеночное (пленочное), комбинированное, предкамерное и вихревое смесеобразования. КС в сочетании с топливоподающей аппаратурой определяют условия протекания процессов смесеобразования и сгорания. Камеры сгорания предназначены обеспечивать:
– полное сгорание топлива при минимально возможном коэффициенте a и в предельно короткий срок у ВМТ;
– плавное нарастание давления при сгорании и допустимые значения максимального давления цикла рz;
– минимальные потери теплоты в стенки;
– приемлемые условия работы топливной аппаратуры.
Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме однополостных (неразделенных) камер сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Такие КС имеют малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной – отношением диаметра КС к диаметру цилиндра: dкс/D = 0,75¸0,85. Такая КС располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, КС и цилиндра совпадают (рис. 8б).
Рабочий цикл дизелей с объемным смесеобразованием характеризуется следующими особенностями:
– смесеобразование обеспечивается путем мелкого распыливания топлива при высоких максимальных давлениях впрыскивания (рвпрmах=50¸150 МПа), турбулизация в КС возникает вследствие вытеснения воздуха из зазора между буртом поршня и головкой цилиндра при подходе поршня к ВМТ;
– равномерное распределение топлива в воздухе обеспечивается посредством взаимного согласования формы КС с формой и расположением топливных факелов;
– протекание процесса сгорания на номинальном режиме осуществляется при α = 1,50-1,6 и более, т.к. в результате неравномерного распределения топлива по объему КС при меньшем α не удается обеспечить бездымного сгорания, несмотря на согласование форм камеры и факелов, а также применения высокого давления впрыскивания;
– рабочий цикл характеризуется высокими максимальными давлениями сгорания рz и большими скоростями нарастания давления Δр/Δφ;
– двигатели с объемным смесеобразованием имеют высокий индикаторный к.п.д. из-за сравнительно быстрого сгорания топлива у ВМТ и меньших потерь теплоты в стенки КС, а также хорошие пусковые качества.
Важное значение имеет поверхность топливных струй, через которую происходит диффузия паров топлива в окружающий воздух. Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть ic=360/20 = 18.
Величина проходного сечения распыливающих отверстий fc определяется типом и размерами дизеля, условиями перед впускными органами. Она существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания, ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим. Чем меньше количество распыливающих отверстий, тем более интенсивно приводится во вращательное движение для полного сгорания топлива воздух, т.к. в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов.
Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к ухудшению наполнения цилиндров воздухом. Увеличение максимального значения тангенциальной скорости tmax вызывает уменьшение v (рис. 9). Пристеночное смесеобразование. Способ смесеобразования, при котором топливо подается на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в виде тонкой пленки толщиной 12¸14 мкм, получил название пристеночного или пленочного.
Рис. 8. Камеры сгорания в поршне:
а) полусферическая типа дизелей ВТЗ; б) типа четырехтактных дизелей ЯМЗ и АМЗ; в) типа ЦНИДИ; г) типа дизелей "МАН"; д) типа "Дойтц"; е) типа дизеля Д-37М; ж) типа "Гессельман"; з) типа дизелей "Даймлер-Бенц"
Рис. 9. Зависимость коэффициента наполнения от значения тангенциальной составляющей скорости движения заряда
При таком смесеобразовании КС может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку КС, имеющей сферическую форму (рис. 8г), либо вблизи и вдоль стенки КС (рис. 8д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50¸60 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания. Топливная пленка испаряется за счет теплоты поршня.
После начала горения процесс испарения резко возрастает под действием теплопередачи от пламени к пленке топлива. Испарившееся топливо уносится потоком воздуха и сгорает во фронте пламени, распространяющегося от очага воспламенения. При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарение существенно снижается температура заряда (до 150¸200 °С по осям струй). Это затрудняет воспламенение топлива вследствие уменьшения скорости химических реакций, предшествующих возникновению пламени.
Существенное улучшение воспламеняемости низкоцетановых топлив обесценивается при увеличении , которую у специальных многотопливных дизелей приходится повышать до 26. Для камер с пристеночным смесеобразованием опасность впрыскивания с недостаточной длиной топливных струй существенно меньше, чем в случае камер с объемным смесеобразованием. Поэтому повышение не вызывает ухудшения смесеобразования. При пристеночном способе смесеобразования требуется менее тонкое распыливание топлива. Максимальные величины давления впрыскивания не превышают 40¸45 МПа. Используют одно-два распыливающих отверстия большого диаметра.
В дизелях нашла применение КС, разработанная Центральным научно-исследовательским дизельным институтом (ЦНИДИ) (рис 8в). Топливные факелы в такой камере попадают на ее боковые стенки под входной кромкой. Отличительная особенность смесеобразования – встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме КС, и сближает этот процесс с объемным смесеобразованием. При использовании камеры ЦНИДИ применяют 3¸5 сопловых отверстий. Параметры впрыскивания топлива близки к тем, которые имеют место в КС типа ВТЗ и ЯМЗ (рис. 8а, б).
Объемно-пристеночное смесеобразование. Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах КС, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Часть этого топлива непосредственно соприкасается со стенкой КС. Другая часть располагается в пограничном слое заряда. Частичное попадание топлива на стенки камеры сгорания и интенсивное перемешивание воздуха и частиц топлива снижают количество паров топлива, образующихся в период задержки воспламенения. В результате снижается и скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешивания резко возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершение сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200¸300 °С.
При dкс/D = 0,5-0,6 (рис. 8а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения заряда при перетекании его в КС удается использовать 3¸5 распыливающих отверстий достаточно большого диаметра. Значение тангенциальной составляющей скорости движения заряда достигает 25¸30 м/с. Максимальные значения давлений впрыскивания, как правило, не превышают 50¸80 МПа.
Страницы: 1, 2, 3, 4
