Заняття 9. Процеси сумішоутворення в бензинових і газових двигунах внутрішнього згорання

1. Розглянути процес сумішоутворення в бензинових та газових двигунах внутрішнього згорання, його показники.

2. Ознайомитись із особливостями змішування палива з повітрям в карбюраторних та інжекторних системах паливоподачі..

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. Під сумішоутворенням розуміється процес приготування суміші палива з повітрям для наступного спалювання у циліндрах двигуна.

Розрізняють горючу і робочу суміш. Горюча суміш – суміш парів палива з повітрям, а робоча суміш – це горюча суміш з домішками залишкових відпрацьованих газів. Робоча суміш утворюється в циліндрах двигуна.

Для повного згорання 1 кг палива необхідно близько 15 кг повітря, вірніше кисню, який знаходиться в цій кількості повітря.

Склад горючої суміші характеризується коефіцієнтом надлишку повітря . В залежності від співвідношення між паливом і повітрям горючі суміші можуть бути:

нормальні (теоретичного або стехіометричного складу), у яких =1;

збагачені і багаті з <1;

збіднені і бідні з >1.

Збагачені суміші (=0,8...0,9) згорають з максимальною швидкістю, в результаті чого при роботі на таких сумішах двигуни розвивають найбільшу потужність. Тому такі суміші називають сумішами потужнісного складу.

При спалюванні збіднених сумішей (=1,05...1,15) швидкість згорання зменшується, але завдяки наявності надлишкового кисню вдається найбільш повно окислити паливо і досягнути максимального тепловиділення, в результаті чого знижуються питомі витрати палива і підвищується економічність двигуна. Виходячи з цього збіднені суміші називаються сумішами економічного складу.

Робота двигунів на багатих і бідних сумішах як правило пов’язана із значним погіршенням робочого процесу і супроводжується зниженням потужнісних і економічних показників, а також забрудненням навколишнього середовища. Тому застосування багатих і бідних сумішей вважається нераціональним.

За способом сумішоутворення двигуни можуть бути із зовнішнім та внутрішнім сумішоутворенням. В карбюраторних і газових двигунах сумішоутворення переважно зовнішнє, в дизелях — внутрішнє, в газодизелях — комбіноване.

Повнота і швидкість згоряння визначаються не тільки загальним співвідношенням кількості палива і повітря в суміші, яке характеризується коефіцієнтом надлишку повітря , але й однорідністю суміші, швидкістю, місцем і часом її утворення.

2. Утворення паливо-повітряних сумішей в бензинових двигунах здійснюється у системі впуску і передує процесу згорання. Умовою утворення однорідної суміші є рівномірний розподіл парів палива у повітрі, тобто однакове співвідношення між кількістю молекул бензину і кількістю оточуючих їх молекул кисню по всьому об’ємі камери згорання. Така умова може бути виконана при повному випаровуванні палива.

У карбюраторних двигунах процес сумішоутворення починається у карбюраторі, продовжується у впускному трубопроводі і закінчується в циліндрі. У сучасних швидкохідних двигунах на процес сумішоутворення відводиться короткий проміжок часу.

Для прискорення випаровування палива, яке поступає у повітряний потік, його струмінь повинен бути роздроблений на дуже дрібні краплини, з поверхні яких здійснюється дифузія палива у повітря.

Процес утворення однорідної горючої суміші ускладнюється порівняно малою концентрацією парів бензину у повітрі. Їх співвідношення складає приблизно 1:50. При застосуванні газового палива співвідношення між об’ємом, наприклад, метану і повітря, складає 1:9. У цьому випадку отримати однорідну суміш значно простіше.

В залежності від типу двигуна зовнішнє сумішоутворення може бути наступних видів:

• карбюрація;

• впорскування легкого палива у впускний трубопровід (неперервне або порційне);

• форкамерно-факельне;

• газове.

Найбільше розповсюдження у двигунах з іскровим запалюванням отримало сумішоутворення, яке здійснюється методом карбюрації легкого палива.

У карбюраторних двигунах утворенню однорідної горючої паливно-повітряної суміші заважає різний агрегатний стан компонентів. Тому дифузійним процесам змішування парів палива з повітрям повинні передувати процеси розпилювання і випаровування рідкого палива.

Розпилювання палива.

Паливо або паливна емульсія (суміш палива з невеликою кількістю повітря) під дією розрідження витікає із розпилювача в дифузор карбюратора, в якому з великою швидкістю рухається повітряний потік. За рахунок кінетичної енергії рухомого повітря паливо починає розпилюватись і його струмінь набуває форми конуса з вершиною біля розпилювача (рис. 1). Струмінь палива роздрібнюється на каплі різних діаметрів і плівки, які під час руху по впускному тракту розпадаються на більш дрібні утворення. Внаслідок цього поверхня палива збільшується в десятки і сотні разів, що значно прискорює швидкість його нагрівання і випаровування. Процес розпилювання палива інтенсифікується при збільшенні відносної швидкості обдування його повітрям і знижується при зростанні в'язкості і коефіцієнта поверхневого натягу палива.

Під час руху палива по впускній системі частина його осідає на стінках, утворюючи паливну плівку, параметри якої залежать від таких факторів, як сили зчеплення із стінкою, відносна швидкість повітряного потоку, сили ваги, сили поверхневого натягу та ін. Внаслідок цього траєкторія плівки має складний вид, а швидкість її руху значно менша, ніж швидкість суміші. Сумішоутворення внаслідок цього погіршується. Дослідження свідчать, що найбільша кількість плівки (до 25...40 % від поданого палива) утворюється на режимах повного навантаження і малих частот обертання колінчастого вала, коли швидкості потоку повітря в дифузорі відносно малі.

Випаровування палива.

Випаровування палива розпочинається з моменту його витікання з розпилювача і проходить, в основному, в повітряному потоці. Чим більша швидкість повітря, тим інтенсивніше процес випаровування.

Дрібні краплі легких фракцій бензину встигають випаруватись у змішувальній камері карбюратора. Частинки палива, які не встигли випаруватись, рухаються разом із повітряним потоком, продовжуючи випаровуватись. Найбільш крупні каплі палива осідають на стінках змішувальної камери, а також на внутрішній поверхні впускного трубопроводу неподалік від карбюратора, утворюючи паливну плівку. На наступних ділянках впускного тракту інтенсивність утворення плівки зменшується.

Паливна плівка під дією потоку повітря рухається по внутрішнім стінкам трубопроводу, частково при цьому випаровуючись. Швидкість руху плівки значно менша швидкості руху повітряного потоку. Інтенсивність утворення плівки залежить від властивостей палива, режиму роботи двигуна, його теплового стану і конструкції впускного трубопроводу. Для зменшення утворення плівки впускний трубопровід обігрівають відпрацьованими газами або охолоджуючою рідиною.

Одною з причин нерівномірного розподілу суміші між циліндрами являється неоднакова відстань, на яку переміщується суміш під час руху від карбюратора до циліндрів. Нерівномірний розподіл рідинної фази (плівки) призводить до утворення різного складу суміші у циліндрах і погіршенню потужнісних і економічних показників двигуна. Розподіл паливної плівки по довжині і контуру впускного трубопроводу залежить від форми трубопроводу, температури його стінок, режиму роботи двигуна.

При проникненні паливної плівки або краплин у циліндри двигуна розріджується і змивається масло із стінок циліндрів, внаслідок чого інтенсифікується зношування деталей циліндро-поршневої групи. Паливо, яке має більш важкі фракційні складові, спричинює підвищене зношення циліндро-поршневої групи. Підвищення температури підігріву суміші в деякій мірі знижує зношення деталей за рахунок інтенсивнішого випаровування важких фракцій бензину, які осідають у плівці.

Перемішування палива з повітрям.

Починаючи з моменту витікання палива з розпилювача здійснюється його перемішування з повітрям. Чим дрібніші краплини палива, тим вони рухоміші і тим однорідніша суміш. Практика показує, що в циліндри двигуна паливо надходить не повністю випаруване. В циліндрі здійснюється теплообмін між горючою сумішшю і залишковими газами, підвід тепла від гарячих поверхонь і нагрівання суміші внаслідок стиснення. Ці процеси сприяють подальшому випаровуванню палива, яке поступило у циліндри в рідинній фазі. Процеси випаровування та змішування парів палива з повітрям продовжуються і в циліндрі під час тактів впуску та стиснення і закінчуються перед початком згоряння.

Одним із шляхів поліпшення показників роботи автомобільних бензинових двигунів з іскровим запалюванням є застосування систем живлення з вприскуванням палива. Ці системи дозволяють істотно зменшити головний недолік карбюраторних систем – нерівномірний розподіл палива по циліндрах. Порівняно з карбюраторними двигуни з вприскуванням бензину мають як переваги, так і недоліки.

Переваги і недоліки вприскування бензину

Порівняно з карбюрацією вприскування бензину має такі переваги.

Паливо більш рівномірно розподіляється по циліндрах, що забезпечує в них приблизно однаковий склад суміші, внаслідок чого підвищується економічність двигуна, знижуються токсичність спрацьованих газів, вібрації і спрацювання його вузлів і деталей.

Зменшується опір впускної системи через відсутність карбюратора, завдяки чому поліпшується наповнення циліндрів і підвищується потужність двигуна.

Відкривається можливість підвищити ступінь стиску без детонації у зв'язку з більш рівномірним розподіленням суміші по циліндрах, що забезпечує підвищення потужності і економічності двигуна.

Складаються передумови для забезпечення оптимального управління роботою двигуна й поліпшення його показників на всіх режимах за рахунок більш ефективного застосування завдяки такій системі живлення мікропроцесорної техніки.

Спрощується проблема забезпечення припустимої токсичності відпрацьованих газів у зв'язку з більш якісними сумішоутворенням і згорянням.

При вприскуванні бензину у циліндр відкривається можливість здійснити порівняно простий спосіб розшарування заряду в камері згоряння і забезпечити економічне якісне згоряння при >1.

Недоліки, пов'язані з застосуванням систем вприскування бензину:

— ці системи конструктивно складніші й дорожчі порівняно з карбюраторними,

— експлуатація і обслуговування їх вимагають використання більш кваліфікованих кадрів.

3. Основними режимами роботи двигуна є

• пуск холодного двигуна;

• режим холостого ходу (при мінімальній стійкій частоті обертання колінчастого валу);

• режим часткових навантажень;

• режим повних навантажень;

• режим розгону (прискорення) автомобіля.

Під час пуску холодного двигуна швидкість повітряного потоку невелика (внаслідок малої частоти обертання колінчастого валу), а деталі двигуна холодні. Внаслідок цього паливо випаровується повільно і процес сумішоутворення недосконалий. Тому для забезпечення пуску двигуна необхідно, щоб у повітряний потік потрапила велика кількість палива. В цьому випадку в циліндрах двигуна утвориться достатня для запалювання концентрація парів бензину.

В режимі холостого ходу процеси сумішоутворення також не досконалі внаслідок малої швидкості повітря в карбюраторі. Тому в цьому режимі для забезпечення стійкої роботи двигуна необхідне приготування збагаченої горючої суміші.

В режимі часткових навантажень (основний режим роботи двигуна) необхідно приготування економічної горючої суміші.

В режимі повних навантажень необхідно, щоб двигун розвивав максимальну потужність. Для цього необхідно забезпечити приготування збагаченої горючої суміші (потужнісного складу).

У випадку прискорення автомобіля при різкому натисканні на педаль подачі палива кількість повітря, що надходить у циліндри, зростає швидше, ніж кількість палива, тому для запобігання перезбіднення суміші необхідне короткочасна подача додаткової порції палива.