Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Образование — горючая смесь
Образование горючей смеси и горение распыленного топлива определяются аэродинамическими характеристиками форсунки, горелки и топки, а также тепломассообменными и химическими процессами, протекающими на различных стадиях подготовки топлива к горению и его выгорания. Эти вопросы в общем виде освещены в известных работах Г. Ф. Кнорре [9, 131 ], и, по-видимому, многие из них в одинаковой мере применимы к высоковязкому и маловязкому топливам. [1]
Образование горючей смеси у карбюраторных двигателей происходит в карбюраторах, а у газовых двигателей — в смесителях. [3]
Образование горючей смеси в дизелях происходит в течение очень короткого промежутка времени. Так, например, при 1500 об / мин и угле опережения 10 горючая смесь образуется в течение 0 001 — 0 002 сек. Для обеспечения полного сгорания топлива горючая смесь в дизелях всегда имеет избыточное количество воздуха. Порция топлива впрыскивается в сжатый и нагретый в камере сгорания воздух. Рабочая смесь образуется в цилиндре после впрыска топлива. [5]
Образование горючей смеси зависит от фракционного состава бензина. [6]
Образование горючей смеси происходит в карбюраторе 7, откуда смесь по впускной трубе 6 через клапан 11 поступает в камеру сгорания цилиндра. [7]
Образование горючей смеси в смесительной камере карбюратора происходит не в полнэм объеме. Часть топлива в виде капелек не успевает испариться и перемешаться с воздухом. Неиспарившиеся капельки топлива движутся в потоке воздуха и оседают на стенках смесительной камеры и впускного трубопровода. Топливо, осевшее на стенки, образует пленку, которая движется с малой скоростью. Чтобы испарить пленку топлива, впускной трубопровод при работе двигателя подогревается. Чаще всего используется жидкостный подогрев ( от системы охлаждения двигателя) или подогрев теплом отработавших газов. Таким образом, можно считать, что образование горючей смеси заканчивается в конце впускного трубопровода двигателя. [8]
Образование горючей смеси в смесительной камере карбюратора происходит не в полном объеме. Часть топлива в виде капелек не успевает испариться и перемешаться с воздухом. Неиспарившиеся капельки топлива движутся в потоке воздуха и оседают на стенках смесительной камеры и впускного трубопровода. Топливо, осевшее на стенки, образует пленку, которая движется с малой скоростью. Чтобы испарить пленку топлива, впускной трубопровод при работе двигателя подогревается. Чаще всего используется жидкостный подогрев ( от системы охлаждения двигателя) или подогрев теплом отработавших газов. Таким образом, можно считать, что образование горючей смеси заканчивается в конце впускного трубопровода двигателя. [9]
Образование горючей смеси и интенсивность ее сгорания в дизельных двигателях зависят от многих причин, к которым относят — — ся давление и температура сжатого воздуха, тонкость распыла, количество и испаряемость топлива в воздухе. [10]
Образование горючих смесей может происходить либо до начала нагревания вещества, либо в процессе подготовки его к горению. Это имеет существенное влияние на скорость реакции, а последняя определяет область, в которой будет происходит горение. [11]
Образование горючей смеси в дизелях происходит следующим образом. Топливо в цилиндр дизеля вводится через форсунку под давлением, в 5 — 10 раз превышающим давление конца сжатия, поэтому скорость струи топлива достигает 150 — 400 м / сек. Вследствие трения быстродвижущейся струи топлива о воздух происходит ее разрушение на мельчайшие капельки диаметром 2 — 3 мкм с образованием факела сравнительно большого объема. [12]
Образование горючей смеси в двигателях с внутренним смесеобразованием представляет значительно более сложную задачу, вследствие краткости времени, отводимого в рабочем цикле для этого процесса. Действительно, даже в случае не слишком высокого числа оборотов, например, 600 об / мин, на весь рабочий цикл в двухтактном двигателе отводится только 0 1 сек, так что если даже использовать весь такт сжатия, то для введения топлива в цилиндр, испарения и смешения паров с рабочим воздухом предоставляется меньше 0 05 сек. [13]
Образование горючей смеси непосредственно в цилиндрах позволяет применять для двигателей с воспламенением от сжатия топлива более тяжелые по фракционному составу, чем применяемые для карбюраторных двигателей. Однако для более форсированных, высокооборотных автомобильных двигателей с воспламенением от сжатия применение такого рода тяжелых топлив не обеспечивает достаточно удовлетворительного смесеобразования, а вследствие этого и полного, без дыма на выпуске, сгорания смеси. Поэтому для высокооборотных форсированных автомобильных двигателей необходимо применение дизельных топлив, более легких по фракционному составу, с лучшей испаряемостью, чем дизельные топлива для тихоходных двигателей. [14]
Для образования горючей смеси применяются также особые смесительные вентиляторы центробежного или капсюльного типа и другие устройства; на фиг. [15]
Источник
Образование горючей смеси и воспламенение топлива
Распыленное топливо, попадая в слои горячего воздуха, нагревается и испаряется. При этом в первую очередь испаряются частицы топлива диаметром 10—20 мкм, а более крупные частицы испаряются уже в ходе процесса сгорания, постепенно вовлекаясь в него. Пары топлива, перемешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь неоднородную по составу. Чем ближе к поверхности еще не испарившихся частиц топлива, тем смесь богаче и наоборот. При этом значения коэффициента избытка воздуха по всему объему камеры сгорания меняются в очень широких пределах. Продвижение частиц топлива в слоях воздуха способствует некоторому выравниванию состава смеси по объему камеры сгорания, так как при этом происходит рассеивание паров по траектории движения топлива.
Так как в оболочке факела размеры частиц топлива минимальны, а температура по сравнению со всей структурой факела здесь наибольшая, то и процесс смесеобразования в оболочке происходит наиболее интенсивно. В результате вся оболочка факела испаряется еще до начала горения. Тем не менее, какое-то количество воздуха успевает попасть и в среднюю часть факела, а также в сердцевину. Однако в силу значительной концентрации топлива в этой зоне процесс испарения замедлен.
После воспламенения процесс смесеобразования ускоряется, так как резко возрастает температура и скорость перемешивания топлива с воздухом. Большее влияние на работу двигателя оказывает смесеобразование, прошедшее до начала сгорания.
До начала сгорания испарившееся топливо проходит стадию химической подготовки. При этом в отдельных зонах смеси возникают критические концентрации промежуточных продуктов окисления, что приводит к тепловому взрыву и появлению в нескольких местах первичных очагов пламени. Зоны с коэффициентом избытка воздуха 0,8—0,9 наиболее благоприятны для появления таких очагов. Эти зоны наиболее вероятны на периферии факела, так как химические и физические процессы подготовки топлива к сгоранию здесь заканчиваются раньше.
Таким образом, воспламенение в дизеле возможно при любом суммарном коэффициенте избытка воздуха. Следовательно, в дизеле коэффициент избытка воздуха не характеризует условия воспламенения смеси, как это имеет место в карбюраторном двигателе (пределы воспламенения).
Контрольные вопросы
1. При каких значениях происходит сгорание смеси в дизелях?
2. Чем определяется совершенство процесса сгорания в дизелях?
3. Чем отличаются разделенные камеры сгорания от неразделенных?
4. Назовите известные вам формы неразделенных камер сгорания.
5. Преимущества и недостатки разделенных камер сгорания.
6. Какие способы смесеобразования Вы знаете?
7. Преимущества и недостатки непосредственного впрыска.
8. Расскажите о пленочном и объемно-пленочном способах смесеобразования.
9. Достоинства и недостатки пленочного смесеобразования.
10. Какими критериями оценивается качество распыления смеси?
11. Какие факторы оказывают влияние на распыление топлива?
12. Какие типы распылителей топлива получили наибольшее распространение?
13. Почему в дизеле коэффициент избытка воздуха не характеризует условия воспламенения смеси (по пределам)?
Источник
Классификация двигателей
В зависимости от способа приготовления топливовоздушной (горючей) смеси различают двигатели:
- с внешним смесеобразованием
- с внутренним смесеобразованием
Горючей смесью называют смесь паров топлива или горючего газа с воздухом в отношении, обеспечивающем сгорание ее в рабочем цилиндре двигателя. Образуется горючая смесь в двигателях в процессе смесеобразования. Она перемешивается в камере сгорания с остаточными продуктами сгорания и образует рабочую смесь.
Смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси. В двигателях внутреннего сгорания различают смесеобразование внешнее и внутреннее.
Внешнее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси вне цилиндра двигателя — в карбюраторе (у двигателей, работающих на жидком легкоиепаряющемся топливе) или в смесителе — у двигателей, работающих на газе.
Внутреннее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси внутри цилиндра. Топливо подается в камеру сгорания форсункой при помощи насоса высокого давления.
В быстроходных дизелях применяют два способа образования смеси: объемное и пленочное.
Объемным смесеобразованием называется такой способ образования горючей смеси, при котором топливо из жидкого состояния превращается в парообразное под действием вихревых потоков воздуха в камере сгорания.
Пленочный способ смесеобразования заключается в превращении топлива из жидкого состояния в парообразное в процессе перемещения тонкого слоя (пленки) топлива по поверхности камеры сгорания под действием потока воздуха. Для полного сгорания топлива при объемном смесеобразовании требуется, чтобы форсунки хорошо распыливали и равномерно распределяли топливо по объему камеры сгорания. В дизелях, работающих с пленочным смесеобразованием, топливо впрыскивается форсункой на поверхность камеры сгорания под малым углом к поверхности. Затем оно вихревыми потоками воздуха перемещается по нагретой поверхности камеры и испаряется. При таком способе смесеобразования к форсунке предъявляются менее высокие требования, чем при объемном.
Для полного сгорания топлива в двигателе требуется минимальное, так называемое теоретически необходимое, количество воздуха. Так, для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 0,496 кмоль воздуха, а для сгорания 1 кг бензина 0,516 кмоль воздуха. Однако вследствие несовершенства процесса смесеобразования количество воздуха, содержащегося в горючей смеси работающего двигателя, может быть больше или меньше, чем указано.
Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха а. Он зависит от типа двигателя, конструкции, вида и качества топлива, режима и условий работы двигателя. У автомобильных двигателей, работающих на бензине, а = 0,85… 1,3. Наиболее благоприятные условия для сгорания топлива создаются при а = 0,85…0,9. Двигатель при этом развивает максимальную мощность. Наиболее экономичный режим работы — при а = 1,1…1,3. Это режим нагрузок, близких к полной.
Образование рабочей смеси в карбюраторных двигателях начинается в карбюраторе, продолжается во впускных трубопроводах и заканчивается в камере сжатия. В дизелях рабочая смесь образуется в камере сжатия при впрыске топлива в нее форсункой. Поэтому времени на приготовление рабочей смеси в дизелях будет меньше, чем в карбюраторных двигателях, и качество приготовления рабочей смеси хуже.
Для обеспечения полного сгорания единицы поступившего в цилиндр топлива дизелям нужно больше воздуха, чем карбюраторным двигателям. В связи с этим коэффициент избытка воздуха у дизелей колеблется на режимах полной и близкой к полной нагрузке в пределах 1,4…1,25, а на холостом ходу равен 5 и более единицам.
Если в составе рабочей смеси воздуха меньше, чем теоретически необходимо для полного сгорания содержащегося в смеси топлива, то такая смесь называется «богатой». Если а>1, т. е. в смеси воздуха больше, чем теоретически необходимо для сгорания топлива, то такая смесь называется «бедной».
Чем выше качество смесеобразования, тем ближе величина а к единице. Для каждого типа двигателя коэффициент а имеет свои значения. В процессе эксплуатации нарушается регулировка топливоподающей аппаратуры, загрязняются воздушные фильтры, а это приводит к повышению гидравлического сопротивления и снижению количества воздуха, поступающего в цилиндры. При этом рабочая смесь часто переобогащается. В результате топливо сгорает не полностью. Вместе с отработавшими газами в атмосферу выбрасываются токсичные их составляющие, такие, как окись углерода (СО), окись и двуокись азота (NO, N02). Они загрязняют окружающую среду. Наряду с этим ухудшается экономичность работы двигателя. Особенно много выделяется окиси углерода при работе бензиновых двигателей на обогащенной смеси. В небольших количествах СО выделяется при работе дизелей на холостом ходу. Это вызывается местными переобогащениями смеси вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры.
Для уменьшения загрязнения окружающей среды необходимо своевременно и высококачественно регулировать топливоподающую аппаратуру и обслуживать систему фильтрации воздуха и механизм газораспределения.
По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия.
В двигателях с принудительным воспламенением рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, которая образуется тогда, когда поршень приближается к верхней мертвой точке (в.м.т.) в такте сжатия. К этому моменту в камере сжатия находится топливовоздушная смесь, сжатая до 0,9… 1,5 МПа и нагретая до 280…480°С.
Жидкое топливо может сгорать только в газообразном состоянии. Поэтому необходимо, чтобы карбюратор обеспечивал возможно более тонкое распыливание топлива. Чем тоньше распыливание, тем больше общая поверхность частичек топлива, тем за более короткий промежуток времени оно испаряется. При возникновении искры воспламеняется только та часть смеси, которая находится у электродов искровой свечи зажигания. В этой зоне температура достигает 10 000° С, и образовавшееся пламя распространяется со скоростью 30…50 м/с по всему объему камеры сгорания. Продолжительность процесса сгорания составляет 30…40° угла поворота коленчатого вала. Угол в градусах поворота коленчатого вала от момента образования искры в свече до в.м.т. называется углом опережения зажигания ф3. Оптимальное значение величины угла ф3 зависит от конструкции двигателя, режима работы, условий эксплуатации двигателя и качества топлива.
Источник
