Слайд 1Раздел 2. Конструкция двигателя и рабочие процессы
Тема 2.14. Система питания
дизельного двигателя
УРОК № 49
Смесеобразование в дизельных двигателях
Учебник Автомобили:Теория и конструкция
автомобиля и двигателя, Глава 2 Топлива и их свойства, стр. 22. В.К.ВАХЛАМОВ, М.Г.ШАТРОВ, под редакцией д-ра техн. наук, профессора А. А. ЮРЧЕВСКОГО
Учебник для студ. учреждений сред. проф. Образования Автомобили: Устройство автотранспортных средств, Глава 7. Система питания дизелей, стр. 141, Пузанков А.Г.
Слайд 3Существует два варианта процесса смесеобразования в дизелях, обусловленных
формой камеры сгорания.
В первом варианте топливо впрыскивается
в предварительную камеру (предкамеру), а во
втором варианте впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания, выполненную в поршне
Слайд 4Двигатели, выполненные по первому варианту, называются дизелями с разделеннойкамерой сгорания
и обозначаются IDI (In Direct Injection), а выполненные по второму
варианту — дизелями с непосредственным впрыском — Dl (Direct Injection).
Слайд 5Дизели с разделенной камерой сгорания мягче работают и меньше шумят.
Тем не менее двигатели с непосредственным впрыском все более широко
используются на автомобилях, потому что их топливная экономичность примерно на 20 % выше
Слайд 6Основной функциональной задачей систем питания двигателей обоих типов является подача
точного количества топлива в соответствующий
цилиндр и в точно определенное время
Слайд 7В высокооборотных дизелях легковых автомобилей процесс впрыска занимает всего тысячную
долю секунды, и при этом впрыскивается
только небольшая доза топлива
Слайд 8Особенностью двигателей с самовоспламенением от сжатия, или, как их принято
называть, дизелей (по имени изобретателя Дизеля), является приготовление горючей смеси
топлива с воздухом внутри цилиндров
Слайд 9В дизелях смесеобразование происходит внутри цилиндра. Оно начинается в момент
начала впрыскивания топлива и заканчивается в конце его сгорания
Слайд 10В дизелях топливо поступает от насоса высокого давления и впрыскивается
форсунками в цилиндры под давлением, в несколько раз превышающим давление
воздуха в конце такта сжатия.
Слайд 11Смесеобразование начинается с момента поступления топлива в цилиндр. При этом
в результате трения о воздух струя топлива распыляется на мельчайшие
частицы, которые образуют топливный факел конусообразной формы. Чем мельче распылено топливо и чем равномернее распределено оно в воздухе, тем полнее сгорают его частицы
Слайд 12Испарение и воспламенение топлива осуществляются за счет высокой температуры и
давления сжатого воздуха (к концу такта
сжатия температура воздуха составляет 550...700
"С, а давление — 3,5... 5,5 МПа).
Слайд 13Следует отметить, что после начала горения смеси температура, и давление
в камере сгорания резко возрастают, что ускоряет процессы испарения и
воспламенения остальных частиц распыленного факела топлива
Слайд 14Чтобы обеспечить наилучшие мощностные и экономические показатели работы дизеля, необходимо
впрыскивать топливо в его цилиндры до прихода поршня в ВМТ.
Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до ВМТ в момент начала впрыскивания топлива, называют углом опережения впрыскивания топлива.
Слайд 15Для того чтобы форсунка впрыскивала топливо с требуемым опережением, топливный
насос должен начинать подавать топливо еще раньше. Это вызвано необходимостью
иметь некоторое время на нагнетание топлива от насоса к форсунке
Слайд 16Угол по кривошипу коленчатого вала, на который поршень не доходит
до ВМТ в момент начала подачи топлива из топливного насоса,
называют углом опережения подачи топлива
Слайд 17Существенное влияние на улучшение смесеобразования и процесса сгорания оказывают способы
приготовления рабочей смеси
и принятая форма камеры сгорания
Слайд 18Качество смесеобразования определяется характеристиками впрыскивания распыливания, свойствами топлива и заряда,
формой, размерами и температурами поверхностей камеры сгорания, взаимным направлением и
интенсивностью движения топливных струй и заряда в камере сгорания.
Слайд 19По способу приготовления рабочей смеси различают объемное, объемно-пленочное и пленочное
смесеобразования. Каждому из этих способов присуши свои характерные особенности, для
реализации которых требуются камеры сгорания с соответствующими конструктивными решениями
Слайд 20Существующие камеры сгорания дизелей по общности основных признаков их конструкции
объединяют в две группы: неразделенные(однополостные) и разделенные (двухполостные)
Слайд 21Неразделенные камеры сгорания представляют собой объем заключенный между днищем поршня,
когда он находится в ВМТ, и плоскостью головки. Такие камеры
называют также однополостными с объемным смесеобразованием, так как процесс смесеобразования основан на впрыскивании топлива непосредственно в толщу горячего воздуха, находящегося в камере сгорания дизеля
Слайд 22При этом для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом
свежему заряду сообщают при впуске вращательное движение с помощью завихрителей
или винтовых опускных каналов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемой форсункой
Слайд 23Объемное смесеобразование предполагает распыливание большей части топлива в объеме камеры
сгорания и лишь небольшая его часть попадает в ее пристеночный
слой. Оно реализуется в однополостной (неразделенной) камере сгорания, которая располагается в поршне;
Слайд 24Камера сгорания поршня, объемного смесеобразования, ее ось и ось форсунки
совпадают. Камера сгорания имеет малую глубину и большой диаметр, отношение
ее диаметра к диа-
метру цилиндра составляет dKC/D = 0,8...0,83. Прогрев и испарение топлива в этой камере происходят в основном от сжатого и нагретого заряда воздуха
Слайд 25Угол рассеивания струй топлива обычно не превышает 20°, потому для
полного охвата струями всего объема камеры сгорания и полного использования
заряда воздуха в форсунке необходимо иметь не менее 18 расспыливающих отверстий небольшого диаметра, что достаточно сложно для изготовления
Слайд 26Для полного сгорания впрыснутого топлива воздух приводится во вращательное движение
тем более интенсивно, чем меньшее количество распыливающих отверстий. Это достигается
применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла
Слайд 27Однако повышение интенсивности вращательного движения заряда при впуске приводит к
снижению коэффициента наполнения. Поэтому при объемном смесеобразовании используют 6... 10
распыливающих отверстий при небольшом значении скорости движения заряда (12... 15 м/с), чтобы избежать значительного падения наполнения свежим зарядом
Слайд 28Развеивание струй топлива вращающимся зарядом существенно влияет на объем и
поверхность струи и их изменение во времени
Теплообмен между зарядом и топливом происходит преимущественно в объеме факела и пары топлива перемещаются в направлении поверхности струй. Движение заряда сносит продукты сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним кислорода воздуха. При чрезмерной скорости движения заряда мелкие капли, пара топлива и продукты сгорания из одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, что приведет к ухудшению смеобразования. Такое явление называют перезавихриванием. Поэтому в дизелях с объемным смесеобразованием частота вращения ограничена и не превышает 3000 мин"1
Слайд 29При этом виде смесеобразования для проникновения капель топлива на периферию
камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая часть воздуха, необходимо повышать давление
впрыскивания, иногда до 200 МПа
Такое давление могут создавать насос-форсунки. Однако их применение связано с усложнением конструкции и необходимостью в эксплуатации обеспечивать равномерную подачу топлива по отдельным цилиндрам. При использовании; разделенных систем подачи топлива давление впрыскивания обычно не превышает 100 МПа, что связано с повышением сил, действующих на детали топливной аппаратуры, искажением объемов топлива в системе, а также с впрыскиваниями топлива из-за колебательных процессов в топливопроводах высокого давления
Слайд 30В современных дизелях используется также пленочное смесеобразование, которое характеризуется тем,
что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной
камеры сгорания, на которых оно образует сначала пленку, а затем испаряется, отнимая часть тепла от стенок
Слайд 31Принципиальная разница между объемным и пленочным способами смесеобразования заключается в
том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредственно смешиваются
с воздухом, а во втором основная часть топлива сначала испаряется и затем в парообразном состоянии перемешивается с воздухом при интенсивном вихревом движении его в камере
Слайд 32
Объемно пристеночно-пленочное смесеобразование. Из-за пристеночной струи такой процесс часто
называют объемным пристеночно-пленочным смесеобразованием. Этот процесс по сравнению с другими
способами смесеобразования экономичен и обеспечивает более мягкую работу дизеля с плавным нарастанием давления в его цилиндрах, а также улучшает пусковые качества дизеля
Топливо в камеру сгорания впрыскивается из двухдырочного распылителя форсунки , расположенного в головке цилиндра. Пристеночная струя топлива направлена вдоль образующей камеры сгорания, объемная струя пересекает внутренний объем камеры сгорания ближе к ее центру.
Слайд 33Разновидностью указанных способов смесеобразования является объемно-пленочное смесеобразование, которое обладает свойствами
как объемного, так и пленочного смесеобразования.
Слайд 34Комбинация
объемного и пристеночного смесеобразования
Комбинация объемного и
пристеночного смесеобразования заключается в том, что часть топлива подается на
стенку камеры сгорания и концентрируется в пристеночном слое, а другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Низкая температура стенок камеры сгорания (200...300 °С) и малая турбулентность заряда в этой зоне уменьшают скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В итоге снижается скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают.
Слайд 35При объемном и пристеночном смесеобразовани относительный диаметр камеры сгорания несколько
меньше (dKC/D =-- 0,5...0,6), а ее глубина больше
Тангенциальная составляющая скорость движения заряда воздуха достигает 25...30 м/с. Интенсивное
смщение заряда при его перетекании в камеру сгорания позволяет применять 3... 5 распыливающих отверстий большего диаметра. Снижаются требования к топливоподающей аппаратуре, которая должна обеспечить давление впрыскивания не более 80 МПа. При этом существенно снижаются нагрузки в топливной аппаратуре, повышаются ее износостойкость ц надежность.
Слайд 36Пристеночное смесеобразование предусматривает подачу почти
всего топлива в пристеночную зону камеры
сгорания. Она обычно
расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к
ее
периферии.
Слайд 37Пристеночное смесеобразование. Распылитель форсунки направляет одну-две струи топлива под острым
углом на стенку камеры сгорания сферической формы, или вблизи и
вдоль стенки камеры сгорания
При этом интенсивное вращательное движение заряда, скорость которого достигает 50...60 м/с, распределяет топливные капли вдоль стенки камеры сгорания. В объем горячего заряда в центральной части камеры сгорания попадает 5 -10 % топлива, которое воспламеняете в первую очередь. По мере испарения и смешения топлива с воздухом сгорание распространяется на основную часть топлива в пристеночном слое.
Слайд 38Разделенные камеры сгорания состоят из двух объемов, соединенных между собой
каналами: основного объема, заключенного в полости над днищем поршня, и
дополнительного, расположенного чаше всего в головке блока.
Слайд 39Применяются в основном две группы разделенных камер: предкамеры и вихревые
камеры. Дизели с такими камерами называют соответственно предкамерными и вихревыми
Слайд 40В дизелях вихревого типа объем дополнительной камеры составляет 0,5...0,7 общего
объема камеры сгорания
Слайд 41Основная и дополнительная камеры соединяются каналом,
который располагается тангенциально к образующей
дополнительной камере, в результате чего обеспечивается вихревое движение воздуха
Слайд 42В дизелях предкамерного типа предкамера имеет цилиндрическую форму и соединяется
прямым каналом с основной камерой, расположенной в днище поршня
Слайд 43В результате начального воспламенения и сгорания свежего заряда в предкамере
создается высокая температура и давление, способствующие более эффективному смесеобразованию и
сгоранию топлива в основной камере
Слайд 44Современные быстроходные вихре- и предкамерные дизели имеют достаточно высокие мощностные
показатели при сравнительно высокой степени сжатия. Но у них есть
недостаток — затрудненный пуск дизеля, для устранения которого применяют специальные пусковые устройства.
Слайд 45Смесеобразование при наддуве предполагает увеличение цикловой подачи топлива практически за
то же время, что и в дизеле без наддува. Ее
можно повысить путем увеличения эффективного проходного сечения распыливающих отверстий или увеличением давлений впрыскивания
Слайд 46При наддуве плотность заряда в цилиндре увеличивается. Поэтому, чтобы обеспечить
требуемое проникновение топливных
струй за период задержки воспламенения, необходимо более рез-
ко
повысить давление впрыскивания с увеличением частоты
вращения и нагрузки, чем в дизеле без наддува.
Слайд 47При высоких степенях наддува применяют насос-форсунки или топливные системы аккумуляторного
типа.
Слайд 48Процессы сгорания и тепловыделения
Слайд 49Сгорание - является сложным физико-химическим процессом.
Слайд 50Хорошие показатели работы дизеля на номинальном режиме достигаются при тепловыделении,
начинающемся в положении поршня за 5... 13° до ВМТ и
завершающемся на 45..50° после ВМТ
Слайд 51Процесс тепловыделения в дизеле можно условно разделить на четыре фазы
Слайд 52Первая фаза — период задержки воспламенения — начинается с момента
начала впрыскивания топлива и заканчивается в момент, когда давление в
цилиндре в результате выделения теплоты становится выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива. Длительность фазы определяют как интервал времени или угол поворота коленчатого вала
Слайд 53Фаза включает процессы распада струй на капли, продвижения
капель по объему
камеры сгорания, прогрева, частичного их испа-
рения и смешения с воздухом,
а также время саморазгона
химических реакций.
Слайд 54Неоднородность смеси по объему камеры сгорания положительно влияет на развитие
воспламенения. В некоторых локальных зонах камеры сгорания существуют благоприятные условия
для воспламенения даже бедной по составу смеси
Слайд 55На длительность, задержки воспламенения влияет воспламеняемость топлива улучшается при увеличении
цетанового числа топлива;
Слайд 56Увеличение давления и температуры заряда в начале впрыскивания топлива сокращает
время задержки воспламенения
Слайд 57Применение наддува также уменьшает длительность, задержки воспламенения
Слайд 58На длительность, задержки воспламенения влияет увеличение утечек заряда через кольца
давление и температура заряда в конце сжатия могут снижаться, а
это и приведет к увеличению задержки воспламенения
Слайд 59На длительность, задержки воспламенения влияет тип камеры
Слайд 60На длительность, задержки воспламенения влияет различия в распределении топлива по
объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температура
стенок камеры сгорания
Слайд 61Увеличение интенсивности направленного движения заряда
несколько сокращает длительность задержки воспламенения
Слайд 62Увеличение частоты вращения способствует лучшему распыливанию топлива, повышению давления и
температуры заряда и момент начала впрыскивания топлива, что сокращает длительность,
задержки воспламенения
Слайд 63Вторая фаза — фаза быстрого сгорания — начинается с мо-
мента
отрыва кривой сгорания от линии сжатия и завершается
при достижение максимума
давления.
Слайд 64В этой фазе вначале сгорает
часть смеси, подготовленной к воспламенению за
предыдущую
фазу а затем процесс сгорания определяется смешением воздуха и топлива,
подаваемого в данной фазе.
Слайд 65Развитие и длительность второй фазы сгорания определяют следующие факторы:
количество и
состояние топлива, поданного в цилиндр за время задержки воспламенения,
количество
и состояние топлива, поданного в цилиндр в течение второй фазы сгорания;
с увеличением мелкости распыливания первых порций впрыскиваемого топлива растут скорости тепловыделения и нарастания давления
Слайд 66Скорость движения заряда интенсифицирует тепловыделения в фазе быстрого сгорания, однако
при сильной турбулизации количество выделяемой теплоты уменьшается, что увеличивает длительность
второй фазы сгорания
Слайд 67Развитие и длительность второй фазы сгорания определяют тип камеры и
количество топлива попадающее в пристеночную зону и чем его больше,
тем меньше скорости тепловыделения и нарастания давления;
Слайд 68Развитие и длительность второй фазы сгорания определяют следующие факторы:
Слайд 69Количества впрыскиваемой порции топлива, и длительности подачи приводит к большей
продолжительности второй фазы сгорания
Слайд 70Повышение частоты вращения приводит к улучшению распыливания топлива, уменьшению продолжительности
впрыскивания по времени, увеличению интенсивности движения заряда, повышению температуры и
давления и ускорению химических реакций
Слайд 71Третья фаза — фаза быстрого диффузионного сгорания — начинается в
момент достижения максимума давления и завершается в момент достижения максимума
температуры.
Слайд 72В этот период происходит быстрое смешение воздуха с топливом, подаваемым
в пламя, а также интенсивное тепловыделение. В зонах с повышенным
содержанием топлива происходит активное образование сажи.
Слайд 73На продолжительность третьей фазы сгорания влияют следующие факторы: количество топлива,
впрыскиваемого после начала сгорания и качество распыливания
Слайд 74На продолжительность третьей фазы сгорания влияют следующие факторы
увеличение скорости движения воздушного заряда до определенного, оптимального значения повышает
тепловыделение в третьей фазе. Дальнейшее ее повышение создает ≪перезавихривание≫ заряда, тепловыделение снижается, что связано с ухудшением распределения топлива в объеме заряда. При этрм происходит перенос продуктов сгорания из зоны одного факела в зону другого. Это увеличивает неполноту сгорания и приводит к дымлению
дизеля;
Слайд 75На продолжительность третьей фазы сгорания влияет повышение нагрузки и наддув
увеличивается тепловыделение и его скорость, а также длительность третьей фазы
Слайд 76Увеличение частоты вращения интенсифицирует подачу и распыливание топлива благодаря повышению
скорости движения заряда, при этом продолжительность третьей фазы по времени
сокращается
Слайд 77Четвертая фаза — догорание — начинается с момента достижения максимальной
температуры цикла, т.е. практически после
завершения впрыскивания, и завершается по окончании
тепло-
выделения.
Слайд 78Чем больше диаметр капель, тем больше продолжается догорание и интенсивнее
сажеобразование.
Слайд 79Медленное завершение впрыскивания ц подвпрыскивание вызывают затягивание процесса сгорания и
образование сажи, снижает надежность работы дизеля, увеличивает закоксовывание распыливающих отверстий
и отложения на деталях
Слайд 80Попадание топлива на холодные поверхности внутри цилинд-
рового пространства затягивает догорание
топлива и вызывает
перегрев дизеля
Слайд 81Наддув обычно несколько затягивает процесс догорания топлива из-за роста продолжительности
впрыскивания и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.
