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.
2.Впрыскивание и распыливание топлив
В современных поршневых двигателях подача (впрыскивание) жидкого топлива осуществляется либо во впускной тракт (двигатели с внешним смесеобразованием), либо непосредственно в цилиндр (при внутреннем смесеобразовании). Далее, при наличии организации такого движения воздушного заряда, которое способствовало бы распыливанию струи топлива и образованию горючей смеси необходимого качества, происходит смесеобразование. Мелкость распыливания, а отсюда и скорость испарения, во многом зависят от относительной скорости движения струи топлива и воздуха: чем выше скорость, тем мельче капли.
При внешнем смесеобразовании топливо может подаваться в струю воздуха с помощью карбюратора или специальных форсунок.
В карбюраторных двигателях топливо подается через распылитель, выведенный в горловину диффузора. Подача топлива происходит за счет разрежения, возникающего при течении поступающего в цилиндры воздуха через диффузор. Разрежение обычно невелико, скорость истечения топлива не превышает 10 м/с. Скорость воздуха в диффузоре в зависимости от режима работы двигателя колеблется в пределах 30-200 м/с, этого достаточно для требуемого уровня распыливания в двигателях такого типа. Распад струи на капли начинается уже при скорости 4-6м/с.
Недостатком такого способа смесеобразования является осаждение части капель на дроссельную заслонку и стенки впускных труб и дальнейшее движение этой части топлива в виде пленки. Часть топлива с пленки испаряется, а часть достигает цилиндра и поступает туда в виде капель. Далее капли испаряются и участвуют в процессе горения. Однако в многоцилиндровых двигателях неравномерное растекание пленки по индивидуальным для каждого цилиндра трубам приводит к неравномерности распределения топлива по цилиндрам, что неблагоприятно сказывается на экономичности двигателя. В одних цилиндрах оказывается слишком богатая смесь, в других она может обедняться вплоть до пропуска вспышек.
Еще одним недостатком карбюраторных систем является потеря полного давления струи воздуха при протекании ее через диффузор и последующем торможении. Другими словами, диффузор создает дополнительные гидравлические потери на впуске и снижает коэффициент наполнения.
Другой метод внешнего смесеобразования – центральный впрыск. Здесь карбюратор заменяется форсункой, непрерывно подающей топливо под избыточным давлением с расходом, определяемым расходом воздуха и заданным для текущего режима α. Создаваемая форсункой коническая струя топлива, состоящая на небольшом удалении от форсунки из капель, обтекается потоком воздуха, который дробит капли на более мелкие. Скорость воздуха, обтекающего факел, может быть меньше, чем в диффузоре карбюратора, что позволяет снизить гидравлические потери. Опасность возникновения пленки топлива и неравномерного распределения топлива по цилиндрам сохраняется. Еще одним достоинством данного метода является более гибкое регулирование подачей топлива при управлении расходом топлива с помощью электронного блока управления, который определяет необходимый расход по большему числу режимных параметров, чем карбюратор.
Современным способом внешнего смесеобразования является распределенный впрыск топлива. Вблизи впускного клапана каждого из цилиндров устанавливается индивидуальная топливная форсунка, обеспечивающая подачу цикловой дозы топлива в цилиндр во время впуска. Отсутствие в этом случае пленки топлива позволяет снизить неравномерность распределения топлива по цилиндрам с 10-20% в карбюраторных двигателях до 5-7% при распределенном впрыске. Имеется, также возможность еще более гибкого регулирования, чем в системах с центральным впрыском. Распределенный впрыск реализуют и путем подачи топлива непосредственно в цилиндр в период впуска или начала сжатия.
Существенно более сложной оказывается задача организация внутреннего смесеобразования с воспламенением от сжатия. Топливо в дизелях подается вблизи в.м.т. и в течение тысячных долей секунды необходимо подготовить и горючую смесь и сжечь ее, хотя дизельные топлива более вязки и имеют меньшую испаряемость, чем бензины. Несмотря на возникающие сложности, дизели благодаря своей экономичности достигли широкого распространения и стимулируют дальнейшие работы по их усовершенствованию и развитию.
Решение задачи смесеобразования в условиях цилиндра дизеля стало возможным в результате многочисленных исследований возникновения, развития, разрушения и испарения топливного факела, или факела распыливания. Получены необходимые для практики закономерности.
Механизм дробления и распыливания струи топлива может быть описан следующим образом. С целью сокращения длительности впрыска и повышения скорости истекающей из форсунки струи топлива давление подачи в дизелях в зависимости от способа смесеобразования колеблется от 7,5 до 200 и более МПа. Характер течения струи турбулентный, с наличием продольных и поперечных пульсаций. При попадании струи в плотный воздушный заряд камеры сгорания начинается взаимодействие сил поверхностного натяжения, стремящихся сохранить форму струи, и аэродинамических сил на неровной из-за внутренних возмущений поверхности струи. По мере прогрева струи от воздушного заряда в ней возникают пузырьки пара, деформируя и разрывая ее. Под действием этих сил и явлений струя разрушается на отдельные капли различного размера и формы. При дальнейшем движении вследствие действия аэродинамических и снижения сил поверхностного натяжения из-за прогрева капель они распадаются на еще более мелкие. Вследствие возникновения паров топлива и вовлечении в спутный поток. следующий за каплей, воздуха факел увеличивает свой объем, траектория капель отклоняется от оси факела и придает ему форму конуса. Структура факела может быть представлена в виде центрального стержня, где движутся крупные, мало испарившиеся капли, и оболочки, состоящей из паров, воздуха и мелких капель топлива. В оболочке можно выделить поверхности постоянной концентрации топлива в воздухе, например изостехиометрическую поверхность. По мере развития факела капли топлива, в т.ч. находящиеся в стержне, дробятся, испаряются, тормозятся аэродинамическими силами. На некотором расстоянии от форсунки стержень факела иссякает, отделившиеся капли полностью прекращают движение по инерции. Дальнейшее движение и испарение капель обеспечивается специальным образом организованным движением воздуха в камере сгорания.
Представленная схема факела реализуется при впрыске в неподвижную среду. В реальной камере сгорания факел деформируется в связи с вихревым движением воздушного заряда.
Факел распыливания характеризуют геометрическими характеристиками и характеристиками мелкости распыливания. Геометрическими характеристиками факела являются длина (дальнобойность) факела L, телесный угол (угол раскрытия) δ и ширина переднего фронта B.
Мелкость распыливания принято оценивать по среднему объёмному диаметру dоб капель, который определяется из условия равенства числа и суммарного объёма капель истинного и среднего диаметров
,
откуда
.
В записанных выражениях 
– суммарный объём n капель истинного диаметра; n – число капель распыленного топлива.
Средний объёмный диаметр используется для определения массы капель.
Средний диаметр капель по Заутеру dЗ находится из условий равенства суммарного объёма и суммарной поверхности капель истинного и среднего диаметров.
Математически это условие запишется следующим образом:
,
или
.
Окончательно
.
Средний диаметр капель по Заутеру dЗ используется для оценки суммарной поверхности и массы капель при расчётах прогрева и испарения капель.
Однородность распыливания оценивается посредством сопоставления величин средних диаметров капель d об и d З. При неоднородном распыливании эти диаметры существенно различаются, и чем больше это различие, тем неоднороднее распыливание.
При отсутствии данных по средним диаметрам капель однородность распыливания может быть приближённо оценена по численным значениям предельных диаметров капель.
Характеристики распыливания в представленной форме могут быть определены только в результате проведения экспериментальных работ. В специальной литературе имеются многочисленные полуэмпирические зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных с привлечением теории подобия. С их помощью можно оценить реализуемую мелкость распыливания расчетным путем. Например (Кавтарадзе):
d з = 26053Δ p- 0,58ν0,215(dm впр/ dτ)0,209(F с/μс F с '), мкм, здесь:
dm впр/ dτ – закон подачи топлива, г/мс;
F с – проходное сечение соплового отверстии форсунки, м2;
F с ' – меняющееся во времени текущее сечение соплового отверстия F с= F с(τ), м2;
Δ p = Δ p (τ) – текущий перепад давления на форсунке, бар;
ν – кинематическая вязкость топлива, м2/с.
Рассмотрение физики явления и анализ приведенного выше выражения позволяет выявить влияние различных факторов на мелкость распыливания топливной струи.
Давление впрыскивания – основной фактор Чем выше давление впрыскивания, тем выше дисперсность (мелкость) распыливания. При этом следует иметь в виду, что в течение цикла впрыска давление подачи топлива несколько меняется. В связи с тем, что скорость перемещения запорной иглы форсунки конечна, в начале и в конце подачи давление получается пониженным, в связи с этим мелкость распыливания в эти периоды ухудшается.
Диаметр сопла. Влияние диаметра сопла, проверяется при разном числе сопловых отверстий, но при одинаковой величине суммарного проходного сечения сопел. С уменьшением диаметра сопла повышается дисперсность распыливания.
Влияние диаметра сопла распылителя (d c) и числа сопловых отверстий (i c) на распыливание топлива:
1 – d c ´ i c = 0,4 ´ 4; 2 – d c ´ i c = 0,57 ´ 2; 3 – d c ´ i c= 0,8 ´ 1
Вязкость топлива. Чем выше вязкость, тем крупнее становятся капли.
Противодавление впрыскиванию определяется плотностью, а стало быть, и давлением рабочего тела в конце процесса сжатия. В различных дизелях без наддува эта плотность примерно одинакова. Однако, в дизелях с наддувом плотность рабочего тела в конце сжатия гораздо выше. Это обстоятельство приводит к улучшению распыливания.
3.Основные закономерности процессов воспламенения и сгорания
ПОНЯТИЕ ГОРЕНИЯ.
Под горением понимают протекание сложных быстротечных химических реакций, сопровождающихся свечением и интенсивным тепловыделением. В большинстве случаев эти реакции являются окислительными. Окислителем здесь является содержащийся в воздухе кислород, а горючим (топливом) обычно углеводороды, т.е. вещества, содержащие в своем составе углерод и водород. В некоторых топливах могут содержаться и другие химические элементы, которые также могут вступать в реакции окисления (например, сера), однако содержание их в топливе очень невелико, теплота реакции их окисления существенно ниже к тому же их окислы могут негативно воздействовать на детали двигателя. От подобных примесей в горючем стремятся избавляться при производстве топлива.
Характер горения зависит от агрегатного состояния окислителя и горючего. Горение может быть гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении и горючее (например, газообразное топливо или пары жидкого топлива) и окислитель находятся в газовой фазе, образуя гомогенную горючую смесь. Гетерогенное горение характерно тем, что в период горения часть топлива находится в жидкой фазе в виде капель и продолжает испаряться и смешиваться с воздухом, готовясь к сгоранию. Необходимость предварительного испарения связана с тем, что реакции окисления углеводородов являются газофазными.
В тепловых энергетических установках горением называют процессы, обусловленные наличием пламени. Этим термином характеризуют процессы окисления, сопровождаемые интенсивным тепловыделением и свечением, которое создают нагретые до высоких температур промежуточные и конечные продукты горения. Отсутствие свечения означает, что по каким-то причинам тепловыделение в процессе невелико и процесс не является пламенем в теплотехническом понимании. Еще одним признаком, характеризующим горение, является сильная зависимость скорости сгорания от температуры.
Как было указано выше, в поршневых двигателях процессы подготовки горючей смеси и ее сгорания крайне ограничены во времени. Для достижения достаточно высокого термического к.п.д. цикла подвод тепла в нем должен осуществляться вблизи ВМТ. Это обстоятельство выдвигает требование обеспечения быстрого сгорания цикловой дозы топлива. Для выполнения этого требования необходимы знания закономерностей процессов подготовки горючей смеси и ее выгорания.
Процессы подготовки горючей смеси и их закономерности были рассмотрены выше, далее необходимо ознакомиться с закономерностями процесса сгорания этой смеси.