Диск СГЭО (Лекции_СГЭО_ВЗО_2012) / Глава_6_Смесеобразование и сгорание в дизеле

Глава 6. ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

ИСГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕ (с. 88)

§6.1. Способы смесеобразования и типы камеры

сгорания (с. 88)

Качество распыливания топлива характеризуется:

тонкостью (размером капель топлива);

однородностью (« одинаковостью» капель по размерам).

	На рис. 6.1 - варианты		%	40
	характеристики распыливания:				а				в
			капель,	30		б
	а –	однородное распыливание с
				20
		мелкими каплями (« тонкое
		распыливание»);	Число	10
	б –	неоднородное распыливание;		0	10	20	30	40	50
	в –	однородное распыливание с
					Диаметр капель, мкм
		крупными каплями (« грубое
				Рис. 6.1. Характеристики
		распыливание»).
				распыливания топлива

Параметры распределения зависят:

-от физических свойств топлива (вязкости νт и проч.);

-от размеров сопловых отверстий форсунки dc ;

-от давления впрыскивания pвпр , которое, в свою очередь, зависит от конструктивных и режимных параметров топливной аппаратуры.

1

Основные способы смесеобразования: объемное, пленочное

иобъемно-пленочное смесеобразование (с. 89).

1)ОБЪЕМНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ – смешение топлива и воздуха происходит преимущественно в объеме камеры сгорания (КС). При этом избегают попадания капель топлива на стенки камеры. Роль нагретых стенок в смесеобразовании мала.

2)ПЛЕНОЧНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ – основная масса топлива (до 95%) наносится в виде тонкой пленки на нагретую поверхность КС. Некоторое количество т.н. « запального» топлива (около 5%) распыливается в объеме КС.

Нагретая поверхность КС способствует ускорению испарения топлива и, соответственно, ускорению горения. При этом имеют место высокие скорости движения газового заряда цилиндра вдоль пленки.

3) ОБЪЕМНО-ПЛЕНОЧНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ занимает промежуточное положение. Примерно половина цикловой подачи топлива (≈40–60%) распыливается в объеме КС, а другая часть топлива наносится на стенку КС в виде пленки.

ФОРМЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ (с. 90)

Неразделенные КС (или открытые КС), в

которых происходит объемное смесеобразование, показаны на рис. 6.2.

На сечения КС нанесены изображения струй топлива, впрыскиваемого форсунками.

Рис. 6.2. Неразделенные камеры сгорания

2

Разделенные КС представлены на рис. 6.3.

Такая камера состоит из двух полостей – надпоршневой и отделенной, соединенной с надпоршневой одним или несколькими каналами малого сечения.

а) б)

Рис. 6.3. Разделенные камеры сгорания:

а) – с вихревой камерой; б) – с предкамерой

На рисунке:

а) Вихревая камера (см. рис. 6.3а), в которой за счет перетекания рабочего тела создается высокоинтенсивный вихрь. Топливо наносится на стенки вихревой камеры в виде пленки. В этом случае осуществляется пленочное смесеобразование.

б) Предкамера или форкамера (см. рис. 6.3б), в которой перетекание рабочего тела создает интенсивные беспорядочные вихри, разрушающие топливную струю и улучшающие перемешивание топлива с воздухом.

Полуразделенные КС изображены на рис. 6.4.

Отличительным признаком такой камеры является наличие углубления в поршне.

В полуразделенных КС может осуществляться как объемно-пленочное, так и пленочное смесеобразование.

а) б)

Рис. 6.4. Полуразделенные камеры сгорания:

а) – камера ЦНИДИ; б) – торообразная камера

Отнесение той или иной камеры к одному из указанных способов смесеобразования зависит от соотношения долей топлива, оказавшегося в объеме камеры и на ее стенке, а также от степени участия в смесеобразовании нагретой стенки.

3

§6.2. Сравнение различных способов смесеобразования

итипов камеры сгорания (с.98)

Преимущества неразделенных КС (объемного смесеобразования) и оборудованных ими дизелей:

1) Высокий КПД дизеля. (Основные причины:

а) уменьшенные потери теплоты в стенки, так как мала площадь поверхности стенок, приходящаяся на единицу объема цилиндра; б) малы потери энергии на перетекание рабочего тела; в) сокращенная продолжительность горения, так как в объеме КС облегчен подвод окислителя к каплям топлива).

2)Умеренная степень сжатия ( ε =12–17) и хорошие пусковые качества дизеля (малы потери теплоты в стенки при сжатии).

3)Простота и высокая надежность элементов КС (Отсутствуют вставки и острые кромки, имеющие высокую температуру).

Недостатки неразделенных КС:

1)Необходимость обеспечения высококачественного распыливания топлива.

2)Повышенные максимальное давление цикла pz и жесткость процесса сгорания (dpdϕ)max или pΔϕ , что вызывает

увеличенные механические нагрузки на КШМ дизеля.

3) Требуется повышенный коэффициент избытка воздуха для сгорания α (для обеспечения быстрого перемешивания топлива с окислителем).

4) Малая приспособленность дизеля к использованию различных сортов топлива.

Свойства разделенных КС противоположны описанным свойствам неразделенных камер: преимущества одних можно считать недостатками других.

4

В частности, в дизелях с разделенной КС степень сжатия ε повышена, она может достигать значений 21 и более.

Это вызвано тем, что в данном случае при сжатии имеют место увеличенные потери теплоты в стенки, ввиду значительного отношения площади поверхности стенок к объему камеры. Поэтому для поддержания необходимых пусковых качеств дизеля принимают увеличенную ε .

Дизели с разделенной КС обладают так называемым свойством многотопливности – способностью работать на топливах широкого ассортимента.

Дело в том, что стенки отделенных камер имеют повышенную температуру (до 1000К и выше). Это улучшает условия испарения топлива и уменьшает зависимость этих условий от сорта топлива.

Главный фактор, определяющий выбор разделенной КС -

размеры цилиндра, точнее, его диаметр D .

При малом D (100 мм и менее) разделенную КС выбирают потому, что в ограниченном пространстве трудно организовать объемное (струйное) смесеобразование: при впрыскивании топлива струя очень скоро оказывается на стенке камеры, не успевает произойти ее распад

5

§ 6.3. Фазы процесса сгорания топлива в дизеле (с. 101)

Точка ННХП – « начало нагнетательного хода плунжера» ТНВД.

Точка 2 – начало впрыскивания топлива в цилиндр;

задержка впрыскивания (от точки ННХП до точки 2) вызвана сжимаемостью топлива, упругими деформациями ТА, в частности, топливного трубопровода высокого давления (ТВД), а также конечностью скорости распространения волн давления в ТВД.

Точка 3 – начало самовоспламенения (« отрыв» линии сгорания от линии сжатия).

	p		Tz	5,
		3	,
		2,	pz	T
		3		p
		2
		ННХП		5
		1 2 3 4
		fi
			ВМТ	f,Åп.к.в.
	Рис. 6.9. Фазы процесса сгорания
		топлива в дизеле

I фаза (процесс 2 – 3) – « период задержки самовоспламенения ( τi , ◦п.к.в. или, ϕi мс)».

В этот период происходит физико-химическая подготовка топлива к быстрому окислению (горению).

τi зависит:

от сорта топлива,

от T и в некоторой мере от p в КС,

от способа и качества смесеобразования и других факторов. Длительность τi существенно влияет на характер сгорания.

II фаза (процесс 3 – pz ) – « период быстрого горения».
В этот период сгорает топливо, поступившее в цилиндр
преимущественно в период задержки τi .	τi ),
Чем больше топлива поступает в период τi (чем более длителен
тем « жестче» происходит сгорание, то есть тем выше (dp d ϕ)max
и p Δϕ в период быстрого горения и, следовательно, выше

динамические нагрузки на КШМ дизеля.

6

III фаза (процесс pz – Tz ) – « период основного (эффективного) горения».

Здесь сгорает топливо, поступившее в фазе II и частично в фазе III.

Топливо поступает в среду с высокими T и p , поэтому сгорает с ничтожно малой задержкой и с высокими скоростями реакций.

« Эффективным» горение в этой фазе называют потому, что подвод теплоты в цикл происходит при высокой T , что способствует получению высокого термического КПД цикла.

IV фаза (процесс Tz – 5) – « период догорания».

В этой фазе идет замедленное горение.

« Замедление» вызвано недостатком кислорода воздуха в цилиндре (он в значительной мере использован на предыдущих стадиях горения), а также снижением в цилиндре в результате расширения рабочего тела.

Этот процесс желательно всячески сокращать, так как снижение T делает подвод теплоты в цикл неэффективным.

7

§ 6.4. Формула теоретически необходимого количества воздуха для сгорания топлива (с. 103)

Элементарный состав топлива:

1 кг топлива =	с	кг	С		,
				+ h кг H + s кг S + o кг O
где C , H , S,O – химические символы соответственно углерода,
водорода, серы и кислорода;
c, h, s, o – массовые доли указанных элементов.
Топливо « среднего» состава: c = 0,87; h = 0,126;					s = 0; o = 0,004.

ВЫВОД ФОРМУЛЫ Используя стехиометрические соотношения, определим количество

кислорода, необходимое для окисления горючих элементов топлива.

C + O2 = CO2

;

1 кмоль С + 1 кмоль O2

= 1 кмоль СO2 ;

С учетом мольной массы углерода μС

= 12 кг/кмоль запишем:

12 кг С + 1 кмоль O2 = 1 кмоль СO2

или

1 кг С +

1

кмоль O

=

1

кмоль СO

12

2

12

2

или

с кг С +

с

кмоль O

=

с

кмоль СO

12

2

12

2

.

(6.1)

Таким образом, для окисления массовой доли c углерода, содержащейся в 1 кг топлива, необходимо подать в зону горения c /12 киломоля кислорода.

Выполним аналогичные действия для других горючих элементов

топлива, учтя их мольные массы μH = 4 кг/кмоль и																	μS = 32 кг/кмоль:
				H		2	+	1	O =	H	2			O
							2		2
		h кг H	2	+	h		кмоль O			=			h		кмоль H O		;		(6.2)
				4					2		2					2
				S + O2 = SO2
	s кг S +			s		кмоль O				=			s			кмоль SO		.	(6.3)
				32
									2		32						2

8

Для сгорания 1 кг топлива (содержащего доли элементов c, h, s, o ) необходимо количество кислорода, определяемое суммированием вторых членов уравнений (6.1), (6.2) и (6.3):

с

+

h

+

s

-

o

кмоль кислорода

,

(6.4)

12

4 32

32

кг топлива

где

−

o

(со знаком «минус») –

количество киломолей кислорода,

32

которое не потребуется подавать в зону горения, так как оно содержится в топливе.

Если учесть, что в сухом воздухе содержится 21% кислорода, то для сжигания 1 кг топлива потребуется следующее количество воздуха:

L	=	1		с	+ h +			s	−	o		кмоль воздуха	.	(6.5)
0		0, 21				4		32				кг топлива
			12							32

Если в выражение (6.5) подставить вышеуказанные значения

c, h, s, o , то окажется, что для сжигания 1 кг топлива среднего состава требуется воздуха:

L	=	1	0,87		+	0,126	+	0	−	0,004		= 0,495	кмоль воздуха	. (6.6)
0		0, 21		12	4			32	32				кг топлива

Эту величину называют « теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива».

То же количество воздуха, выраженное в килограммах на 1 кг топлива:

¢	= mвL0	= 28, 97 × 0, 495 = 14, 33	кг воздуха
L0			кг топлива	,	(6.7)
где μв = 28, 97		– мольная масса воздуха, кг/кмоль.

9

§ 6.5. Коэффициент избытка воздуха для сгорания и его выбор (с. 105)

Если в цилиндре дизеля содержится только теоретически необходимое для сгорания количество топлива, то за отводимое на смесеобразование короткое время не удается обеспечить достаточно качественное перемешивание топлива с воздухом. Поэтому в цилиндр подают избыточное количество воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха для сгорания называется

	отношение действительного количества воздуха L			в горючей смеси
	к количеству воздуха, теоретически необходимого для сжигания
	топлива L0 :	L
	α =
		L .		(6.8)
		0

Коэффициент избытка α можно выразить через расходы воздуха и топлива (формула 6.9), а также через массы воздуха и топлива, поданные в цилиндр дизеля на один цикл (формула 6.10):

			α =	Ga		,		(6.9)
				L′G
где G ,G				0 т
		т	– расходы соответственно воздуха и топлива, подаваемых
a
в дизель, кг/ч (или кг/c);				Vsρк	ηн
			α =
				L′ q		,		(6.10)
где ρк				0	ц
	– плотность воздуха перед цилиндром, кг/м3;

ηн – коэффициент наполнения;

qц – цикловая подача топлива, кг/цикл.

Выбор значения α зависит от многих факторов, в частности, от оборотности дизеля и способа смесеобразования:

10