Смесеобразованием называется приготовление горючей смеси для подготовки топлива к сжиганию в цилиндре ДВС. Процесс горения длится очень короткое время, например, в МОД оно составляет 0,05-0,1 секунды, в ВОД - 0,003-0,015 секунды. Для того, чтобы обеспечить полное сгорание топлива за этот короткий промежуток времени необходимо приготовить рабочую смесь, состоящую из мелко распыленного жидкого топлива (дизельные ДВС) или паров топлива (карбюраторные ДВС) перемешанных с воздухом. Для обеспечения высокого качества смеси, которое оценивается коэффициентом иэбытка воздуха (α), топливо должно быть мелко распылено и равномерно распределено по всему объёму камеры сгорания. Камера должна иметь конфигурацию, соответствующую форме и дальнобойности факела от форсунки.
Образование топливного факела характеризуется дальнобойностью, углом конуса распыливания и размером капель топлива. Для лучшего использования факел образует капельный туман в виде расходящегося конуса. Этот туман должен проникать во все части камеры сгорания, но не касаться поверхностей деталей ЦПГ. Капли топлива, попадающие на стенки цилиндровой втулки, растворяют масляную плёнку, плохо перемешиваются с воздухом и сгорают не полностью, образуя сажу и нагар. По способу смесеобразования двигатели различают на:
1). Однокамерные - струйное смесеобразование с непосредственным впрыском топлива, применяется в ДВС большой и средней мощности, имеющих различные формы головок поршней. У них маленькая поверхность теплопередачи и поэтому небольшие тепловые потери. Это даёт большую экономичность и хорошие пусковые качества.
Недостатки: высокое давление впрыска топлива (до 1200 кг/см2), усложняющее топливную аппаратуру, жёсткость работы и повышенная шумность двигателя.
2). Предкамерное – такое смесеобразование применяется на ВОД с диаметром цилиндра D=180-200 мм. В крышке цилиндров размещена предкамера, объём которой составляет 20-40% общего объёма камеры сгорания. Предкамера соединена с основной камерой каналами, число которых может быть от 1 до 12. Часть топлива сгорает в предкамере, поэтому отпадает необходимость подачи его с большим давлением. Такие ДВС менее чувствительны к качеству топлива.
Недостатки: повышенный удельный расход топлива, трудность запуска в холодное время года, значительные тепловые потери из-за большой поверхности охлаждения, малая экономичность двигателя.
3). Вихрекамерное - применяется также на ВОД в виде сферической или цилиндрической камеры сгорания, расположенной в крышке цилиндров. Её объём составляет 50-80%. Она сообщается с основной камерой сгорания каналом большого сечения. Воздух, поступая в вихревую камеру во время такта сжатия, получает вращательное движение. Благодаря этому, впрыскивющееся под давлением 100-140кг/см2 топливо, хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Вместе с горячими продуктами сгорания часть его перетекает в основную камеру, создавая вихревые потоки, где сгорает полностью.
Преимущества: снижение α, бездымный выхлоп, низкое давление впрыска, применение однодырчатых распылителей форсунок, что удешевляет изготовление топливной аппаратуры.
Недостатки: сложность конструкции цилиндровой крышки, трудность запуска холодного двигателя и необходимость применения спирали накаливания для подогрева воздуха в камере.
4). Плёночное - камера сгорания расположена в головке поршня и непосредственно соединена с надпоршневым пространством. Диаметр камеры составляет ≈ 0,3-0,5D цилиндровой втулки. Головка поршня охлаждается маслом, поэтому температура её наружной поверхности не более 200-400°C. Топливо впрыскивается под давлением ≈ 150 кг/см2 через многодырчатую форсунку. Примерно 95% топлива попадает на внутреннюю поверхность камеры поршня в виде тончайшего слоя, остальное распыливается в объёме камеры сгорания. Вначале происходит самовоспламенение распыленного топлива, затем от горящего факела воспламеняются его пары. Интенсивное перемешивание паров топлива с воздухом происходит за счёт вихреобразования. ДВС с таким смесеобразованием являются многотопливными т.е. могут использовать легкие и тяжелые сорта топлива.
Процесс смесеобразования карбюраторных двигателей
У большинства бензиновых двигателей с электрическим зажиганием смесеобразование происходит в карбюраторе, а процесс смесеобразования называется карбюрацией. В карбюраторе бензин испаряется и пары его перемешиваются с воздухом. Образующаяся в карбюраторе горючая смесь поступает в цилиндры. Для разных режимов работы бензинового двигателя требуется разный состав смеси. Под составом смеси понимается соотношение между топливом и воздухом. Если имеется избыток воздуха по отношению к стехиометрическому составу смеси, то такую смесь называют "бедной", так как в ней количество топлива меньше теоретически необходимого для полного использования кислорода воздуха.
При работе с электрическим зажиганием существуют сравнительно узкие пределы воспламеняемости смеси, определяемые величиной коэффициента избытка воздуха. Коэффициентом избытка воздуха называют отношение действительного количества воздуха, участвовавшего в сгорании, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, содержащегося в горючей смеси.
Для получения максимальной мощности двигателя смесь должна быть богатой с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы. При таком составе смеси скорость сгорания максимальная и давление в цилиндре достигает наибольшей величины. Вместе с тем при коэффициенте избытка воздуха меньше единицы сгорает не все топливо, так как для окисления некоторой части топлива не хватает кислорода. Поэтому на богатой смеси двигатель работает неэкономично. Однако в некоторых случаях (движение автомобиля с максимальной возможной скоростью, разгон и пр.) возможность кратковременной работы с повышенной мощностью окупает потерю экономичности на этом режиме.
При работе со средними нагрузками желательно иметь наибольшую экономичность (минимальный удельный расход топлива), так как на таких режимах двигатель работает большую часть времени. В этом случае коэффициент избытка воздуха должен быть больше единицы, чтобы все топливо могло соединиться с кислородом воздуха. Если коэффициент равен 1,0, то вследствие неполного перемешивания бензина с воздухом, часть топлива остается несгоревшей.
При пуске двигателя для лучшей воспламеняемости так же, как и при работе с максимальной нагрузкой, необходимо, чтобы смесь была богатой, т. е. чтобы коэффициент избытка воздуха был меньше единицы.
Смесь, поступающая в цилиндры двигателя, должна быть однородной (гомогенной) по составу. В смеси не должно быть капель бензина во избежание ее медленного и неполного сгорания, что влечет за собой понижение мощности и экономичности двигателя. Однородность (гомогенность) смеси обеспечивается, в основном, хорошим испарением топлива.
Полное испарение бензина в современных двигателях достигается лишь при специальном подогреве смеси во впускном трубопроводе. Для подогрева чаще всего используется тепло отработавших газов, в связи с чем впускной трубопровод выполняют так, чтобы он соприкасался частью своей поверхности с выпускным.
Состав смеси во всех цилиндрах должен быть одним и тем же. Разный состав смеси в цилиндрах приводит к неодинаковой их работе, неравномерному распределению нагрузки и ухудшению работы двигателя.