Утворення пальних сумішей

Повнота і швидкість згоряння палива визначаються такими факторами, як однорідність суміші, швидкість, місце і час утворення суміші.

Однорідною називають суміш, у якій біля кожної молекули палива розташована однакова кількість молекул кисню, азоту й інших компонентів. Суміш, яка складається з компонентів, що знаходяться в різних агрегатних станах, завжди неоднорідна, і її називають двухфазною чи гетерогенною.

Змішування компонентів суміші відбувається в результаті молекулярної дифузії одного газу в іншій. У сучасних двигунах тривалість процесу сумішоутворення складає 0,0005—0,06 с. Інтенсифікація дифузійних процесів можлива підвищенням температури компонентів, збільшенням поверхонь змішання поділом потоків на окремі струмені, організацією турбулентної дифузії, що сприяє переходу з одного середовища в інше не тільки окремих молекул, але і визначених об'ємів компонентів.

У газових двигунах здійснюють головним чином зовнішнє сумішоутворення за допомогою змішувачів, які установлюються у впускній системі. Для поліпшення змішування використовують завихрювання повітря в процесі наповнення циліндрів, багатодирчасті форсунки і впуск газу з надкритичними швидкостями. Проте при внутрішньому сумішоутворенні суміш менш однорідна, чим при зовнішньому.

Утворення пальної суміші з повітря і легковипаровуючих рідких палив утрудняють різні агрегатні стани компонентів. Дифузійним процесам змішування повинен передувати випар палива. Це, поряд з великою масою молекул палива, сповільнює змішування в результаті молекулярної дифузії ще більшою мірою, ніж при змішуванні з повітрям газоподібних палив з високою теплотою згоряння.

Прискорення випару палива досягають збільшенням поверхні випару в десятки і сотні разів розпилюванням палива, що випливає з розпилювачів карбюраторів, на окремі краплі розміром у 100 - 300 мкм. При випарі палива зменшується температура суміші; це знижує тиск насичених пар палива і, отже, кількість палива, що випарувалося, в одиниці об'єму суміші. Для підтримки швидкості випару суміш підігрівають так, щоб на шляху проходження суміші до циліндрів випаровувалося 60—80% палива. Інше паливо попадає в циліндри з потоком пароповітряної суміші у виді крапель і плівки. При цьому кількість палива, що попадає в окремі циліндри в рідкій фазі, різне.

Рівномірність складу суміші по окремих циліндрах і однорідність її можна збільшити, забезпечуючи більш тонке розпилювання палива і більш інтенсивний прогрів двохфазної суміші у впускній системі двигуна. Однак зменшення розмірів крапель при карбюруванні і підігріві зменшують наповнення циліндрів. Тому карбюрування здійснюють при температурі 250-350К и невеликих швидкостях повітря в дифузорах карбюраторів (25 - 150 м/с).

Поліпшення сумішоутворення можливо при використанні замість карбюрування вприскування палива насосами і форсунками у впускні патрубки (під тиском 0,25 - 0,5 МПа) чи безпосередньо в циліндри. Застосування вприскування поліпшує наповнення циліндрів, розпилювання і дозування палива по циліндрах, регулювання паливоподачі в залежності від умов роботи двигуна. Використання внутрішнього сумішоутворення дозволяє застосовувати підвищені ступені стиску, тому що усуненням підігріву у впускній трубі і більш пізнім вприскуванням палива можна уникнути зайвого нагрівання палива.

Особливостями процесів сумішоутворення в двигунах із запаленням палива від теплоти стиснутого заряду є погана випаровуваність палива, їхній збіг, у значній частині, за часом із процесами згоряння, нерівномірність розподілу палива в об'ємі камери згоряння. Для прискорення випару дизельного палива необхідно забезпечити розпилювання і прогрівши крапель. Це в значній мірі визначає момент початку вприскування, його тривалість і тиск палива при упорскуванні.

Кут випередження вприскування палива θ у сучасних двигунах складає 10 - 30° до ВМТ, а тривалість вприскування дози палива, що відповідає повній потужності, θ₁=12 - 40° кута повороту колінчастого вала двигуна. Для забезпечення необхідної тонкості розпилювання доводиться застосовувати тиск вприскування не менш 7,5 МПа для розділених камер і 25 МПа для нерозділених камер на початку вприскування і, що доходить у процесі вприскування відповідно до 25 - 245 МПа.

При плині палива по каналах распилюючих отворів і його відділенні від крайок цих отворів потік дістає збурювання, що викликають поперечні і подовжні коливання тиску в струмені, що деформують струмінь і в окремих випадках розривають її на частині. При влученні струменя в щільний повітряний заряд камери згоряння в результаті взаємодії сил поверхневого натягу й аеродинамічних сил, сил тиску струмінь починає руйнуватися на окремі об'єми різної величини і форми.

Краплі продовжують зменшуватися в результаті випару і триваючого розпаду. У результаті монолітний спочатку струмінь, розпадаючись, утворить факел, що складається з окремих крапель, пар палива і газів, що заповнюють простір між краплями.

Будова факела распиленого і випаруваного палива міняється безупинно під час вприскування. Концентрація палива в перетинах факела нерівномірна (по осі розташовується так називаний стрижень факела); у міру видалення від осі розмір крапель і їхня швидкість швидко зменшуються, а кількість крапель і пар зростає. З крапель навколо стрижня утвориться так називана оболонка факела. За першими краплями утвориться спутний потік газу і пар, температура в якому у результаті випару крапель знижується.

В міру переміщення крапель їхня траєкторія відхиляється від осі, чому сприяють випадково спрямовані від осі факела результуючі аеродинамічних сил. У результаті перетин факела збільшується, що характеризується величиною тілесного кута факела φ.

Паливо може запалитися вже під час розвитку факела; у результаті місцевого виділення теплоти можуть утворитися високотемпературні (заповнені продуктами згоряння) зони з тиском, що локально підвищується. Це приведе до руйнування і перебудови факела, прискоренню прогріву і випару крапель. Після відсічення подачі палива швидкість струменів і крапель швидко знижується, факел коротшає, його перетини зменшуються.

Якість розпилювання палива характеризується двома параметрами:

1) тонкістю розпилювання;

2) однорідністю крапель (відхиленням їхніх діаметрів від середнього значення).

Тонкість розпилювання визначається середнім діаметром крапель. Якість розпилювання палива залежить від тиску вприскування, геометричних розмірів соплових отворів форсунки, частоти обертання вала двигуна, властивостей палива, тиски і температури стиснутого повітря, типу камери згоряння.