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 d_об 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 d_З 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 d_З 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 = 26053Δp^-0,58ν^0,215(dm_впр/dτ)^0,209(F_с/μ_сF_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;

Δp= Δp(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.