Подготовка смеси топлива с воздухом в необходимых пропорциях, обеспечивающих наиболее эффективное горение, называется смесеобразованием. Различают двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
К ДВС с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные и некоторые газовые двигатели. В двигателях, работающих на бензине, смесь готовится в карбюраторе. Простейший карбюратор, принципиальная схема которого показана на рис. 42, состоит из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере помещается латунный поплавок 1 , укрепленный шарнирно на оси 3, и игольчатый клапан 2, которыми поддерживается постоянный уровень бензина. В смесительной камере расположен диффузор 6, жиклер 4 сраспылителем 5 и дроссельная заслонка 7 . Жиклер представляет собой пробку с калиброванным отверстием, рассчитанным на протекание определенного количества топлива.
Рис. 42. Принципиальная схема простейшего карбюратора
Когда поршень движется вниз и впускной клапан открыт, во впускном трубопроводе и смесительной камере создается разрежение, и под действием разности давлений в поплавковой и смесительной камерах из распылителя вытекает бензин. Одновременно через смесительную камеру проходит поток воздуха, скорость которого в суженной части диффузора (там, куда выходит конец распылителя) достигает 50-150 м/с. Бензин мелко распыливается в струе воздуха и, постепенно испаряясь, образует горючую смесь, которая по впускному трубопроводу поступает в цилиндр. Качество горючей смеси зависит от соотношения количеств бензина и воздуха. Горючая смесь может быть нормальной (15кг воздуха на 1 кг бензина), бедной (более 17 кг/кг) и богатой (менее 13 кг/кг). Количество и качество горючей смеси, а следовательно, мощность и число оборотов двигателя регулируются дроссельной заслонкой и рядом специальных приспособлений, которые предусматриваются в сложных многожиклерных карбюраторах.
К ДВС с внутренним смесеобразованием относятся дизельные двигатели. На процессы смесеобразования, происходящие непосредственно в цилиндре, отводится незначительное время - от 0,05 до 0,001 с; это в 20-30 раз меньше времени внешнего смесеобразования в карбюраторных двигателях. Подача топлива в цилиндр дизеля, последующее распыливание и частичное распределение по объему камеры сгорания производятся топливоподающей аппаратурой - насосом и форсункой. Современные дизели имеют форсунки, где число сопловых отверстий диаметром 0,25-1 мм доходит до десяти.
Бескомпрессорные дизели бывают с неразделенной и разделенной камерами сгорания. Тонкость распыливания и дальнобойность факелов в неразделенных камерах обеспечиваются благодаря высокому давлению впрыска топлива (60-100 МПа). В разделенных камерах сгорания происходит более качественное смесеобразование, что позволило существенно снизить давление впрыска топлива (8-13 МПа), а также использовать более дешевые сорта топлива.
В газовых двигателях газообразное топливо и воздух по соображениям безопасности подаются по отдельным трубопроводам. Дальнейшее смесеобразование осуществляется или в специальном смесителе до их поступления в цилиндр (заполнение цилиндра в начале хода сжатия производится готовой смесью), или в самом цилиндре, куда они подаются раздельно. В последнем случае вначале цилиндр заполняется воздухом и затем по ходу сжатия в него через специальный клапан подается газ под давлением 0,2- 0,35 МПа. Наибольшее распространение получили смесители второго типа. Воспламенение газовоздушной смеси осуществляется электрической искрой или раскаленным запальным шаром - калоризатором.
В соответствии с различными принципами смесеобразования различаются и требования, которые предъявляют карбюраторные двигатели и дизели к применяемым в них жидким топливам. Для карбюраторного двигателя важно, чтобы топливо хорошо испарялось в воздухе, который имеет температуру окружающей среды. Поэтому в них применяют бензины. Основной проблемой, препятствующей повышению степени сжатия в таких двигателях сверх уже достигнутых значений, является детонация. Упрощая явление, можно сказать, что это - преждевременное самовоспламенение горючей смеси, нагретой в процессе сжатия. При этом горение принимает характер детонационной (ударной, несколько напоминающей волну от взрыва бомбы) волны, которая резко ухудшает работу двигателя, вызывает его быстрый износ и даже поломки. Для ее предотвращения выбирают топлива с достаточно высокой температурой воспламенения или добавляют в топливо антидетонаторы - вещества, пары которых уменьшают скорость реакции. Наиболее распространенный антидетонатор - тетраэтилсвинца Pb (C 2 H 5) 4 - сильнейший яд, действующий на мозг человека, поэтому при обращении с этилированным бензином нужно быть крайне осторожным. Соединения, содержащие свинец, выбрасываются с продуктами сгорания в атмосферу, загрязняя и ее, и окружающую среду (с травой газонов свинец может попасть в пищу скоту, оттуда - в молоко и т. д.). Поэтому потребление этого экологически опасного антидетонатора должно быть ограничено, и в ряде городов меры в этом отношении принимаются.
Для определения склонности данного топлива к детонации устанавливают режим, при котором оно (естественно, в смеси с воздухом) начинает детонировать в специальном двигателе со строго заданными параметрами. Затем на этом же режиме подбирают состав смеси изо -октана C 3 H 18 (труднодетонирующего топлива) с н -гептаном C 7 H 16 (легкодетонирующим топливом), при котором тоже возникает детонация. Процентное содержание изооктана в этой смеси называется октановым числом данного топлива и является важнейшей характеристикой топлив для карбюраторных двигателей.
Автомобильные бензины маркируют по октановому числу (АИ-93, А-76 и т.п.). Буква А обозначает, что бензин автомобильный, И - октановое число, определенное специальными испытаниями, а цифра после букв - само октановое число. Чем оно выше, тем меньше склонность бензина к детонации и тем выше допустимая степень сжатия, а значит, и экономичность двигателя.
У авиационных двигателей степень сжатия выше, поэтому октановое число авиационных бензинов должно быть не меньше 98,6. Кроме того, авиационные бензины должны более легко испаряться (иметь низкую температуру «кипения») в связи с низкими температурами на больших высотах. В дизелях жидкое топливо испаряется в процессе горения при высокой температуре, поэтому испаряемость для них роли не играет. Однако при рабочей температуре (температуре окружающей среды) топливо должно быть достаточно жидкотекучим, т. е. иметь достаточно низкую вязкость. От этого зависит безотказная подача топлива к насосу и качество распыления его форсункой. Поэтому для дизельного топлива важна прежде всего вязкость, а также содержание серы (это связано с экологией). В маркировке дизельного топлива ДА, ДЗ, ДЛ и ДС буква Д обозначает - дизельное топливо, следующая буква А - арктическая (температура окружающего воздуха, при которой применяется это топливо t о = -30 °С), З - зимнее (t 0 = 0 ÷ -30 °С), Л - летнее (t о > 0°С) и С - специальное, получаемое из малосернистых нефтей (t 0 >0 o C).
Вопросы для самопроверки
1. Что называется поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС)?
2. Объясните принцип работы поршневого двигателя внутреннего сгорания?
3. Принцип действия простейшего карбюратора?
СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ - (в двигателях внутреннего сгорания) образование горючей смеси. Внешнее смесеобразование (вне цилиндра) осуществляется карбюратором (в карбюраторных двигателях) или смесителем (в газовых двигателях), внутреннее смесеобразование форсункой… … Большой Энциклопедический словарь
смесеобразование - я; ср. Процесс образования смесей. Ускоренное с. С. в двигателях внутреннего сгорания (перемешивание топлива с воздухом или др. окислителем для наиболее полного и быстрого сгорания топлива). * * * смесеобразование (в двигателях внутреннего… … Энциклопедический словарь
Смесеобразование - (в двигателях внутреннего сгорания), образование горючей смеси. Внешнее смесеобразование (вне цилиндра) осуществляется карбюратором (в карбюраторных двигателях) или смесителем (в газовых двигателях), внутреннее смесеобразование форсункой… … Автомобильный словарь
СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ - процесс получения рабочей (горючей) смеси в двигателях внутр. сгорания. Различают 2 осн. вида С.: внешнее и внутреннее. При внешнем С. процесс получения рабочей смеси осуществляется гл. обр. вне рабочего цилиндра двигателя. При внутреннем С.,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
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.
Бензиновые двигатели –
одна из разновидностей ДВС
(двигателей внутреннего
сгорания) в которых поджег
смеси из воздуха и топлива,
осуществляется в
цилиндрах, посредством
искр от свечей зажигания.
Роль регулятора мощности
выполняет дроссельная
заслонка, которая регулирует
поток поступающего
воздуха.
двухтактные и четырехтактные.
Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу
объема, однако проигрывают в КПД. Поэтому они нашли свое применение
там, где важна компактность, а не экономичность (мотоциклы, моторные
лодки, бензопилы и другие моторизованные инструменты).
Четырехтактные двигатели доминируют в остальных средствах
передвижения.Топливно-воздушная система
Главной задачей топливно-воздушной системы является бесперебойная
доставка в двигатель смеси топлива и воздуха. Система топливоподачи
еще называется топливной системой или системой питания топливом.
Такая система предназначена для питания двигателя, хранения и очистки
топлива.
Конструктивное строение
топливный бак
топливный насос
топливный фильтр
система впрыска
топливопроводы
Принцип работы топливно-воздушной системы
Вся схема работы системы топливоподачи выглядит следующимобразом:
Водитель включает зажигание;
Топливный насос закачивает топливо в систему и создает рабочее
давление;
Топливо поступает в систему впрыска;
Происходит распыление и образование топливно-воздушной
смеси;
Смесеобразование
Под смесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумеваюткомплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование
топлива и воздуха, распыливание и испарение топлива и перемешивание его
с воздухом. Качественное смесеобразование является необходимым условием
получения высоких мощностных, экономических и экологических
показателей двигателя.
Смесеобразование инжекторного ДВС
Обеспечивает хранениетоплива, необходимого
для питания двигателя
автомашины. Указанный
бак в легковых авто
зачастую расположен в
задней части и закреплен
на днище кузова.
Ответственен за очистку
топлива.
Отвечает за подачу топлива в систему впрыска и
поддерживает необходимое рабочее давление в
топливной системе.Принцип работы форсунки заключается в том, что ЭБУ
(электронный блок управления) подает на нее
электрический импульса. Под воздействием импульса
форсунка открывается и впрыскивает бензин во
впускной коллектор. Полученная топливно-воздушная
смесь всасывается через впускные клапаны поршнем
на такте впуска. Момент времени и длительность
впрыска для форсунки определяет ЭБУ.
Смесеобразование карбюраторного ДВС
Образование смеси бензина своздухом происходит в
карбюраторе, где бензин
смешивается с засасываемым
в двигатель воздухом в
нужном количестве,
распыляется и частично
испаряется. Дальнейшее
испарение и перемешивание
происходят во впускном
трубопроводе и в самих
цилиндрах двигателей.
10.
Способ образования горючей смеси в простейшемкарбюраторе (фиг. 71)
Топливо из бачка под напором поступает по каналу,
перекрытому игольчатым клапаном 4, в поплавковую камеру
2. Поплавком 3 измеряется уровень топлива в поплавковой
камере, а следовательно, и напор топлива поддерживается
почти постоянным, с тем чтобы этот уровень был несколько
ниже отверстия форсунки 7; таким образом, при
неработающем двигателе утечка топлива не происходит. При
всасывающем ходе поршня 10, т. е. при движении его вниз
воздух через патрубок 8 проходит диффузор 6, в котором его
скорость значительно повышается, а следовательно, давление
понижается. Благодаря разрежению топливо из поплавковой
камеры через калиброванное проходное отверстие 1,
называемое жиклером, и форсунку 7 фонтанирует в
диффузор, распадаясь при этом на мелкие капли,
испаряющиеся в воздушном потоке. Количество смеси,
всасываемой через впускной клапан 9, регулируется дроссельной заслонкой 5.
Под смесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумевают комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование топлива и воздуха, распыливание и испарение топлива и перемешивание его с воздухом. Качественное смесеобразование является необходимым условием получения высоких мощностных, экономических и экологических показателей двигателя.
Протекание процессов смесеобразования в значительной степени зависит от физико-химических свойств топлива и способа его подачи. В двигателях с внешним смесеобразованием процесс смесеобразования начинается в карбюраторе (форсунке, смесителе), продолжается во впускном коллекторе и заканчивается в цилиндре.
После выхода струи топлива из распылителя карбюратора или форсунки начинается распад струи под воздействием сил аэродинамического сопротивления (вследствие разности скоростей движения воздуха и топлива). Мелкость и однородность распыливания зависят от скорости воздуха в диффузоре, вязкости и поверхностного натяжения топлива. При пуске карбюраторного двигателя при его относительно низкой температуре распыливания топлива практически нет, и в цилиндры поступает до 90 и более процентов топлива в жидком состоянии. Вследствие этого для обеспечения надежного пуска необходимо существенно увеличивать цикловую подачу топлива (доводить б до значений? 0,1-0,2).
Процесс распыливания жидкой фазы топлива протекает также в проходном сечении впускного клапана, а при не полностью открытой дроссельной заслонке - в образуемой ею щели.
Часть капель топлива, увлекаемая потоком воздуха и паров топлива, продолжает испаряться, а часть - оседает в виде пленки не стенках смесительной камеры, впускного коллектора и канала в головке блока. Под действием касательного усилия от взаимодействия с потоком воздуха пленка движется в сторону цилиндра. Так как скорости движения топливовоздушной смеси и капель топлива отличаются незначительно (на 2-6 м/c), то интенсивность испарения капель низка. Испарение с поверхности пленки протекает более интенсивно. Для ускорения процесса испарения пленки впускной коллектор в двигателях карбюраторных и с центральным впрыскиванием подогревают.
Разное сопротивление ветвей впускного коллектора и неравномерное распределение пленки в этих ветвях приводят к неравномерности состава смеси по цилиндрам. Степень неравномерности состава смеси может достигать 15-17 %.
При испарении топлива протекает процесс его фракционирования. В первую очередь испаряются легкие фракции, а более тяжелые попадают в цилиндр в жидкой фазе. В результате неравномерного распределения жидкой фазы в цилиндрах может оказаться не только смесь с разным соотношением топливо - воздух, но и топливо различного фракционного состава. Следовательно, и октановые числа топлива, находящегося в разных цилиндрах, будут неодинаковыми.
Качество смесеобразования улучшается с ростом частоты вращения n. Особенно заметно негативное влияние пленки на показатели работы двигателя на переходных режимах.
Неравномерность состава смеси в двигателях с распределенным впрыскиванием определяется, главным образом, идентичностью работы форсунок. Степень неравномерности состава смеси составляет ±1,5 % при работе по внешней скоростной характеристике и ±4 % на холостом ходу с минимальной частотой вращения n х.х.min .
При впрыскивании топлива непосредственно в цилиндр возможны два способа смесеобразования:
С получением гомогенной смеси;
С расслоением заряда.
Реализация последнего способа смесеобразования сопряжена с немалыми трудностями.
В газовых двигателях с внешним смесеобразованием топливо вводится в воздушный поток в газообразном состоянии. Низкое значение температуры кипения, высокое значение коэффициента диффузии и существенно меньшее значение теоретически необходимого для сгорания количества воздуха (например для бензина? 58,6, метана - 9,52 (м 3 возд)/(м 3 топл) обеспечивают получение практически гомогенной горючей смеси. Распределение смеси по цилиндрам более равномерное.
