30.06.2023.                                              Группа: 401.

                                    Предмет: Устройство и эксплуатация автомобилей.  

                           Способы смесеобразования.
     Смесеобразованием называется приготовление горючей смеси для подготовки топлива к сжиганию в цилиндре ДВС. Процесс горения длится очень короткое время, например, в малооборотистом двигателе оно составляет 0,05-0,1 секунды, в высокооборотистом двигателе - 0,003-0,015 секунды. Для того, чтобы обеспечить полное сгорание топлива за этот короткий промежуток времени необходимо приготовить рабочую смесь, состоящую из мелко распыленного жидкого топлива (дизельные ДВС) или паров топлива (карбюраторные ДВС) перемешанных с воздухом. Для обеспечения высокого качества смеси, которое оценивается коэффициентом избытка воздуха (α), топливо должно быть мелко распылено и равномерно распределено по всему объёму камеры сгорания. Камера должна иметь конфигурацию, соответствующую форме и дальнобойности факела от форсунки.
    Образование топливного факела характеризуется дальнобойностью, углом конуса распыливания и размером капель топлива. Для лучшего использования факел образует капельный туман в виде расходящегося конуса. Этот туман должен проникать во все части камеры сгорания, но не касаться поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы. Капли топлива, попадающие на стенки цилиндровой втулки, растворяют масляную плёнку, плохо перемешиваются с воздухом и сгорают не полностью, образуя сажу и нагар. По способу смесеобразования двигатели различают на:
   1). Однокамерные - струйное смесеобразование с непосредственным впрыском топлива, применяется в ДВС большой и средней мощности, имеющих различные формы головок поршней. У них маленькая поверхность теплопередачи и поэтому небольшие тепловые потери. Это даёт большую экономичность и хорошие пусковые качества.
    Недостатки: высокое давление впрыска топлива (до 1200 кг/см²), усложняющее топливную аппаратуру, жёсткость работы и повышенная шумность двигателя.
   2). Предкамерное – такое смесеобразование применяется на высокооборотистых двигателях с диаметром цилиндра D=180-200 мм. В крышке цилиндров размещена предкамера, объём которой составляет 20-40% общего объёма камеры сгорания. Предкамера соединена с основной камерой каналами, число которых может быть от 1 до 12. Часть топлива сгорает в предкамере, поэтому отпадает необходимость подачи его с большим давлением. Такие ДВС менее чувствительны к качеству топлива.
    Недостатки: повышенный удельный расход топлива, трудность запуска в холодное время года, значительные тепловые потери из-за большой поверхности охлаждения, малая экономичность двигателя.
   3). Вихрекамерное - применяется также на высокооборотистых двигателях в виде сферической или цилиндрической камеры сгорания, расположенной в крышке цилиндров. Её объём составляет 50-80%. Она сообщается с основной камерой сгорания каналом большого сечения. Воздух, поступая в вихревую камеру во время такта сжатия, получает вращательное движение. Благодаря этому, впрыскивющееся под давлением 100-140кг/см² топливо, хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Вместе с горячими продуктами сгорания часть его перетекает в основную камеру, создавая вихревые потоки, где сгорает полностью.
    Преимущества: снижение α, бездымный выхлоп, низкое давление впрыска, применение однодырчатых распылителей форсунок, что удешевляет изготовление топливной аппаратуры.
    Недостатки: сложность конструкции цилиндровой крышки, трудность запуска холодного двигателя и необходимость применения спирали накаливания для подогрева воздуха в камере.
   4). Плёночное - камера сгорания расположена в головке поршня и непосредственно соединена с надпоршневым пространством. Диаметр камеры составляет ≈ 0,3-0,5D цилиндровой втулки. Головка поршня охлаждается маслом, поэтому температура её наружной поверхности не более 200-400°C. Топливо впрыскивается под давлением ≈ 150 кг/см² через многодырчатую форсунку. Примерно 95% топлива попадает на внутреннюю поверхность камеры поршня в виде тончайшего слоя, остальное распыливается в объёме камеры сгорания. Вначале происходит самовоспламенение распыленного топлива, затем от горящего факела воспламеняются его пары. Интенсивное перемешивание паров топлива с воздухом происходит за счёт вихреобразования. ДВС с таким смесеобразованием являются многотопливными т.е. могут использовать легкие и тяжелые сорта топлива.
    В двигателях внутреннего сгорания используются различные: газообразные, жидкие и даже твердые топлива, хотя практическое значение имеют только некоторые из них. Непосредственное сжига­ние, например, пылевидного твердого топлива в цилиндрах двига­теля технически вполне осуществимо, и такие попытки имели место. Однако золообразование в цилиндрах, чрезмерно высокий износ двигателя и другие связанные с этим трудности до сих пор не преодо­лены. Поэтому твердые топлива предварительно газифицируются в специальных установках — газогенераторах или же используют­ся как сырье для получения жидких топлив, например бензола. Таким образом, для приготовления рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания используются, как правило, жидкие или газообразные топлива.
    Смесеобразование в поршневых двигателях во многом зависит от вида применяемого топлива.
    Газообразное топливо смешивается с воздухом на входе в дви­гатель в специальном смесителе, поэтому в его цилиндры поступает уже готовая горючая смесь.
    Топливовоздушную смесь из жидкого топлива и воздуха готовят двумя способами:
   1) чистый воздух и жидкое топливо подаются в цилиндры дви­гателя раздельно и перемешиваются непосредственно в цилиндрах, образуя с остаточными газами рабочую смесь;
   2) жидкое топливо перемешивается с воздухом перед поступле­нием в цилиндры, куда поступает готовая горючая смесь.
    Следовательно, возможны два способа приготовления топливо-воздушной смеси: вне цилиндров и непосредственно в цилиндрах. В зависимости от этого двигатели внутреннего сгорания принято разделять на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
    В двигателях с внешним смесеобразованием и зажиганием рабо­чей смеси от электрической искры, работающих на жидком топливе, горючая смесь чаще всего подготавливается в карбюраторах. Такие двигатели принято называть карбюраторными. Внутреннее смесеоб­разование преимущественно используется в двигателях с воспламе­нением рабочей смеси от тепла, накапливаемого в процессе сжатия. Такие двигатели называются двигателями с воспламенением от сжа­тия, или дизелями (по имени изобретателя Рудольфа Дизеля).
    В практике применяются и другие сочетания методов приготов­ления и воспламенения рабочей смеси в поршневых двигателях, но они не изменяют основу рассмотренных методов смесеобразования.
    Моторные топлива независимо от того, из какого исходного сырья и каким методом они получены, должны обладать определен­ными физико-химическими свойствами, обеспечивающими надеж­ную работу двигателей, хорошую их топливную экономичность и возможно меньшие износы деталей. Экономичность двигателей, а следовательно, и общий расход горючего в известной мере зависят от теплоты сгорания топлива. Особенно большое значение это имеет для транспортных двигателей, так как радиус действия тран­спортных средств зависит от запаса топлива, а емкости их баков ограничены.
    Газообразные и жидкие топлива нефтяного происхождения представляют собой смеси различных углеводородов широкого фракционного состава. В практике используются топлива с фрак­ционным составом от легких газообразных до тяжелых, трудно испаряемых.
    Жидкие моторные топлива по роду исходного сырья подразде­ляются на две группы: нефтяные и ненефтяные, получаемые, напри­мер, при соответствующей переработке твердого топлива. В двига­телях внутреннего сгорания в основном применяются жидкие топлива, получаемые в больших количествах путем переработки нефти. Это бензин, керосин, газойлевые и соляровые фракции и даже мазут, который используется иногда в качестве тяжелого нефтя­ного топлива.
    Бензин представляет собой наиболее летучую жидкую часть нефти, состоящую в основном из группы индивидуальных углево­дородных соединений от пентана С5Н12 до октана C8H18. Темпера­тура кипения бензиновых компонентов нефти не превышает 185-205°С.
    Керосин состоит из более тяжелых углеводородов, выкипающих при температуре 290-300°С. Еще более тяжелыми фракциями являются газойль и соляровое масло. Температура выкипания угле­водородов газойлевой фракции достигает 380°С, а солярового мас­ла — 500°С.
    Для карбюраторных двигателей основным топливом служит бензин, а в двигателях с воспламенением от сжатия используется дизельное топливо, основанное на смеси фракций нефти, темпера­тура кипения которых не выходит за пределы 350°С. В крупных стационарных дизелях находят применение тяжелые моторные топлива, состоящие из смеси солярового масла и мазута. Газотур­бинные двигатели работают на керосине.
    Для топлив карбюраторных двигателей важнейшим качеством является, например, детонационная стойкость. Если детонационная стойкость топлива не соответствует выбранной (завышенной) сте­пени сжатия, то нормальное протекание процесса сгорания нару­шается. Сгорание приобретает взрывной характер, порождающий ударную волну давления, которая распространяется в цилиндре со сверхзвуковой скоростью. Удары детонационной волны о стенки цилиндра и поршень при многократном отражении вызывают вибра­цию стенок, воспринимаемую как характерный резкий детонацион­ный стук. Работа двигателя с детонационным сгоранием недопустима, так как ухудшает его показатели и приводит к разрушению неко­торых ответственных деталей кривошипно-шатунного механизма.
    Антидетонационные свойства топлив оцениваются октановым числом путем сравнения топлив с эталонами. В качестве эталонов приняты изооктан (и—C8H18), обладающий хорошими антидето­национными свойствами, и нормальный гептан (н — С7Н16) с низ­кими антидетонационными свойствами. Октановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая оказывается равно­ценной данному топливу по детонационной стойкости при испыта­ниях в стандартных условиях. Октановые числа (о. ч.) современ­ных бензинов находятся в пределах 70 ÷ 100 единиц.
    Для топлив, применяемых в дизелях, важнейшим качеством является самовоспламеняемость, определяющая степень жесткости работы двигателя, о которой можно судить, например, по резкости характерного стука, возникающего при работе дизеля. Самовоспла­меняемость дизельных топлив оценивается цетановым числом, которое определяют путем сравнения работы стандартного двига­теля на испытуемом топливе и па смеси эталонных топлив. В каче­стве эталонов используются цетан (С16Н34) из группы алканов с хорошей воспламеняемостью и альфа-метилнафталин (С10Н7СН3), являющийся ароматическим углеводородом, стойким против само­воспламенения. Цетановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию цетана в такой смеси с альфа-метил нафталином, которая по самовоспламеняемости оказывается равноценной испытуемому топливу.
    Чем выше содержание алканов в дизельном топливе, тем выше его склонность к самовоспламенению и тем мягче, без сильных сту­ков работают дизели. Цетановое число (ц. ч.) дизельных топлив составляет примерно 45—50 единиц.
    Газообразные моторные топлива широко используются для пита­ния как транспортных, так и стационарных силовых установок.
    В качестве газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания используют природные, промышленные и газогенератор­ные газы. Природные газы получают из скважин подземных газовых месторождений и на промыслах добычи нефти (промысловые или нефтяные газы); промышленные газы представляют собой продукты переработки нефти, твердых горючих ископаемых (например, при выжиге кокса в доменном производстве, в ряде химических произ­водств и т. д.); газогенераторные газы получают путем газификации различных твердых топлив в газогенераторных установках.
    Природные и промышленные газы в зависимости от их агрегатно­го состояния при использовании в качестве топлива подразделяют на два класса или группы: сжимаемые (или сжатые) и сжижаемые (или сжиженные). Эти названия групп носят условный характер, так как при глубоком охлаждении сжиженными могут быть и газы первого класса, имеющие низкую критическую температуру.
    К сжимаемым относятся следующие газы: метан СН4, водород Н2, окись углерода СО и их смеси. Эти газы при нормальной тем­пературе остаются в газообразном состоянии при сжатии их до лю­бого высокого давления. Они хранятся в специальных баллонах под давлением в 200 кГ/см2 (≈ 20 Мн/м2). По теплоте сгорания их подразделяют на высококалорийные, среднекалорийные и низко­калорийные.
    Высококалорийные газы состоят в основном из метана и имеют низшую теплоту сгорания 5500 ÷ 9000 ккал/м3 (≈ 22—36 Мдж/м3). В эту группу входят газы природные, нефтяные (промысловые) и ка­нализационные, получающиеся при переработке сточных вод город­ских канализационных систем. Сюда же относится метановая фрак­ция коксового газа .
    Среднекалорийные газы содержат много водорода и окиси угле­рода; низшая теплота сгорания их составляет 3500 ÷ 5500 ккал/м3 (≈ 14,2—22 Мдж/м3). В основном это коксовый газ, получаемый в больших количествах при выжиге кокса.
    Низкокалорийные газы характеризуются небольшим содержа­нием горючих компонентов, состоящих в основном из окиси угле­рода— 20 ÷ 30%. На инертные компоненты (балластную часть) этих газов приходится до 65%, поэтому низшая теплота сгорания их находится в пределах 1000 ÷ 3500 ккал/м3 (≈ 4—14,2 Мдж/м3). В эту группу
входят доменный и различные силовые (генераторные) газы. Используются они без предварительного сжатия в основном в стационарных силовых установках.
    К сжижаемым газам относятся: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Ню. этилен С2Н4, пропилен С3НС, бутилен С4Н8 и другие компо­ненты нефтяных (промысловых) и промышленных газов. Низшая теплота сгорания этих газов находится в пределах 14000 ÷ 26000 ккал/м3 (56—104 Мдж/м3) — сжижаются они при обычных температурах и относительно невысоких давлениях. Это выгодно отличает их даже от высококалорийных сжимаемых газов, так как позволяет обходиться более тонкостенными баллонами, рассчитан­ными на рабочее давление, не превышающее 16 ÷ 20 кГ/см2 (≈ 1,6—2,0 Мдж/м2).
    В качестве топлива для транспортных двигателей применяются в основном пропано -бутановые смеси. Газообразные топлива по сравнению с бензином обладают более высокими октановыми числами, составляющими 90 ÷ 120 единиц, что позволяет повышать степень сжатия в двигателях без опасения вызвать детонационное сгорание. При работе на газообразном топ­ливе в поршневых двигателях заметно уменьшается также износ стенок цилиндров, меньше накапливается отложений, улучшается смесеобразование, вследствие чего облегчается пуск и обеспечивается более полное сгорание топлива в цилиндрах. Поэтому газообраз­ное топливо целесообразно использовать в автомобильных двига­телях.
    В поршневых двигателях с внешним смесеобразованием можно использовать только некоторые из перечисленных видов моторных топлив — газообразные и жидкие, обладающие сравнительно хоро­шей испаряемостью, например бензин. При использовании топлив с недостаточной испаряемостью нельзя получить на входе в цилинд­ры горючую смесь с нужным паросодержанием, что нарушает смесеобразование и расстраивает нормальное протекание рабочего цикла в двигателе. С точки зрения ассортимента потребляемых топлив более предпочтителен поэтому способ внутреннего смесеобразо­вания.
    Двигатели с внутренним смесеобразованием при соответст­вующей организации процессов могут практически работать на лю­бых жидких моторных топливах, начиная от легких, высокооктано­вых бензинов до тяжелых погонов нефти. Такие многотопливные двигатели получают все большее распространение.

             Тема: Способы смесеобразования.
             Изучить: - понятие смесеобразования;
                             - способы смесеобразования;
                             - приготовление топливо-воздушной смеси;
                             - виды топлив и их свойства;
                             - свойства газообразных видов топлива;
                             - виды топлив, наиболее предпочтительных для каждого из
                                способов смесеобразования.

     Источник: Устройство и эксплуатация автотранспортных средств., Интернет издания.