Тема № 5. Система питания двигателей с искровым зажиганием. Система питания, воздухоподача и смесеобразование в дизелях. Анализ работы и основы расчета.

С помощью системы питания двигателей с искровым зажиганием приготавливается и подается в цилиндры горючая смесь, регулируется ее состав и количество в зависимости от режимов работы двигателя. В качестве топлива для этих двигателей используют бензин и газ.

При работе бензин распыливается и испаряется в карбюраторе и во впускном трубопроводе, газовое же топливо поступает в смесительное устройство.

Смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием

В двигателях с искровым зажиганием применяют следующие способы внешнего смесеобразования: карбюраторный; впрыскивание легкого топлива во впускной трубопровод; послойное и форкамерно–факельное. Наиболее широко в автомобильных двигателях используют карбюраторный способ смесеобразования, а процесс приготовления горючей смеси называют карбюрацией. При этом топливовоздушная смесь в основном образуется в системе впуска (в карбюраторе и впускном трубе–проводе) и завершается смесеобразование в цилиндре. В процессе карбюрации желательно получить однородную топливо–воздушную смесь, что возможно при полном испарении топлива и равномерном распределении его паров в воздухе. Но практически это невозможно, так как смешивание топлива и воздуха в начальной стадии происходит при двухфазном состоянии топлива (жидкость и пар) я большом соотношении объемов воздуха и паров бензина (примерно 50 : 1).

Процесс карбюрации включает в себя: движение воздуха через карбюратор и по впускному тракту двигателя; движение топлива по каналам и через калиброванные дозирующие отверстия (жиклеры); истечение топлива или бензовоздушной эмульсии из распылителей; распыливание, испарение и перемешивание топлива с воздухом.

На процесс карбюрации влияют качество топлива, температура смеси (зависящая от температуры окружающего воздуха и впускного трубопровода), конструкция карбюратора и элементов системы впуска, а также режимы работы двигателя. При этом важный фактор в достижении высококачественного смесеобразования – время, отводимое на этот процесс.

В современных высокооборотных автомобильных двигателях время для смесеобразования весьма ограниченно (0,02...0,03), что затрудняет образование смеси с высоким содержанием паров, надежное перемешивание топлива с воздухом и равномерныйсостав смеси по цилиндрам. Смесеобразование в первую очередь зависит от скорости испарения топлива. Распыливание топлива, подогрев и перемешивание заряда в процессе карбюрации необходимы для ускорения испарения и увеличения количества паров топлива в смеси.

Основной показатель качества процесса распыливания – тонкость распыливания, оцениваемая средним радиусом капель. Повышение тонкости распыливания способствует лучшему испарению.

Топливо распыливается в основном вследствие разности скоростей движения топлива и воздуха. При разности в 4...6 м/с. наступает разрушение струи; полное распыливание топлива достигается при разности в 30 м/с.

Движение воздуха по впускному тракту с местными сопротивлениями и перепадами давлении обусловливает его турбулизацию, что также способствует распыливанию топлива и его перемешиванию с воздухом.

Движение воздуха и топливовоздушной смеси через систему карбюратора.

Рассмотрим схему впускного тракта и изменение разрежения по его длине. При этом можно установить зоны ввода топлива, в которых будет создаваться наиболее эффективное его распыливание.

Впускной тракт включает в себя воздушный фильтр 1, карбюратор 2, трубопровод 3 и цилиндр 4 двигателя. При этом рассматриваются области I входного патрубка карбюратора, II диффузора, III смесительной камеры и IV впускного трубопровода. Во впускном тракте предусмотрены регулирующие расход воздушная 5 и дроссельная 6 заслонки.

Скорость воздуха достигает наибольших значений (100... 150 м/с) в узкой части диффузора в сечении А–А. При этом движение воздуха в диффузоре всегда турбулентно с интенсивным завихрением, что способствует дроблению, распыливанию и испарению топлива. В эту зону диффузора через главный жиклер вводится топливо при работе двигателя на режимах полной нагрузки и близких к ней. На режимах малых нагрузок и на холостом ходу заслонку прикрывают, разрежение в области впускного тракта за дроссельной заслонкой возрастает и там достигаются наиболее благоприятные условия для распыливания топлива. Поэтому на режимах малых нагрузок и холостого хода двигателя в карбюраторе предусмотрена подача топлива в зону за дроссельной заслонкой.

Рис.5.1. Схема впускного тракта карбюраторного двигателя:

1– воздушный фильтр; 2 – карбюратор; 3 – трубопровод; 4 – цилиндр; 5 – воздушная заслонка; 6 – дроссельная заслонка.

Параметры воздушного потока в сечениях впускного тракта можно рассчитать на основе уравнения Бернулли с учетом потерь энергии на отдельных участках и уравнения сплошности. Для двух рассматриваемых сечений уравнение Бернулли можно записать в следующем виде:

где и – давления в рассматриваемых сечениях впускного тракта; и – скорости потока воздуха в рассматриваемых сечениях впускного тракта; – коэффициент потерь при движении воздуха между рассматриваемыми сечениями; – плотность потока воздуха.

Так как при полном испарении бензина в смеси, характеризуемой , суммарный объемный расход паровоздушной смеси незначительно (не более чем на 1,8%) отличается от расхода чистого воздуха, то влиянием паров топлива при расчетах можно пренебречь. Тогда на основании уравнения оплошности для потока чистого воздуха можно записать соотношение:

т. е. скорость потока обратно пропорциональна квадрату диаметра сечения впускного тракта.

Разность давлений между входным сечением и любым рассматриваемым сечением впускного тракта вдоль оси х будет определяться по выражению:

C учетом уравнения сплошности имеем выражение для определения разности давлений в следующем виде:

Таким образом, разрежение во впускном тракте зависит от диаметра, кинетической энергии потока и гидравлических потерь в тракте.

На рисунке 5.1 кривая а соответствует изменению разрежения вследствие изменения скорости воздушного потока; кривая б – разрежению, вызванному гидравлическим сопротивлением потоку воздуха при его движении по тракту. При этом разрежение от гидравлических потерь непрерывно возрастает по пути движения воздуха. Полное разрежение вдоль впускного тракта дает сумма рассмотренных двух составляющих разрежение (кривая b).

Минимальное сечение диффузора выбирают с учетом получения наиболее высокой скорости потока, но при условии достигая требуемого коэффициента наполнения двигателя. Это условие можно выполнить при созданий определенного соотношения между разрежением в диффузоре и в смесительной камере , которое обычно составляет .

Чем выше разрежение в диффузоре, тем выше скорость воздуха и тонкость распыливания; при этом повышается скорость испарения топлива в связи с увеличением его поверхности. При распыливании шарообразной капли топлива объемом 1 см³ на капли диаметром 20 мкм поверхность топлива увеличивается с 4,85 до 3000 см², т. е. в 620 раз.

Для повышения тонкости распыливания топливо в карбюраторе дробится как при подаче воздуха в топливные каналы карбюратора для получения топливовоздушной эмульсии, так и истечении из жиклеров.

В карбюраторе испаряется сравнительно небольшая часть топлива. Оставшееся жидкое топливо в виде крупных капель вместе с воздухом и парами топлива при движении во впускном трубопроводе продолжает дробиться. Более мелкие капли дополнительно испаряются, а неиспарившаяся часть топлива оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную пленку. Пленка топлива наиболее интенсивно образуется смесительной камере III и на начальном участке впускного трубопровода IV. При движении по трубопроводу пленка частично испаряется и при входе в цилиндр доля испарившегося топлива составляет 60...80%. Завершается процесс испарения при прохождении оставшейся части жидкого топлива через щели впускного клапана и в цилиндре.

Образование топливной пленки вызывает нарушение нормальной работы двигателя. Особенно значительным оседание топлива па стенках трубопровода оказывается на неустановившихся режимах работы. Так, например, при резком открытии дроссельной заслонки условия испарения ухудшаются вследствие тепловой инерции стенок трубопровода. При этом количество топлива, которое выпадает на стенки, может быть больше количества топлива, которое испаряется из пленки, что вызывает обеднение топливовоздушной смеси и ухудшение равномерности распределения топлива по цилиндрам. В итоге часть топлива в отдельных цилиндрах не успевает испаряться до начала воспламенения и, как результат, ухудшается процесс сгорания, снижаются мощность и экономичность двигателя.

Уравнение теплового баланса и перепад температур в процессе карбюрации.

Испарение топлива сопровождается изменением температурных условий во впускном тракте. При этом процессе температура смеси понижается, так как на парообразование затрачивается теплота топлива и воздуха. При отсутствии специального подогрева испарение идет за счет той теплоты, которая привносится воздухом и топливом.

Рассмотрим уравнение теплового баланса для процесса карбюрации 1 кг топлива без специального подогрева и применяем процесс при постоянном давлении. Тогда уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:

где – коэффициент избытка воздуха; –теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива ( ); – температура воздуха и топлива до процесса карбюрации; и –соответственно теплоемкости воздуха при постоянном давлении и топлива; –температура смеси после карбюрации; – скрытая теплота парообразования топлива; – паросодержание топлива (массовая доля испаренного топлива).

Левая часть уравнения характеризует теплоту, вносимую воздухом и топливом до карбюрации, правая часть уравнения – после карбюрации.

Для получения горючей смеси, содержащей 1 кг топлива, с паросодержанием , нужно затратить количество теплоты

или или

Тогда перепад температур в процессе карбюрации

Определение минимальной температуры смеси, при которой возможен пуск двигателя. Для определения минимальной температуры смеси для пуска двигателя нужно определить парциальное давление паров топлива в топливовоздушной смеси.

По закону Дальтона давление во впускном трубопроводе:

где и – парциальные давления паров топлива и воздуха.

Напишем характеристические уравнения для воздуха и паров топлива при одинаковых объеме и температуре.

Характеристическое уравнение для массы воздуха в смеси:

Характеристическое уравнение для массы паров топлива:

где – характеристическая постоянная для паров топлива

Поделив почленно правые и левые части характеристических уравнений, получим:

Подставив в уравнение полученное выражение для . Тогда

откуда давление паров топлива в смеси будет

Так как и ( и – соответственно молекулярные массы топлива и воздуха ), то .

После определения по формуле парциального давления р_T паров топлива по экспериментальной кривой упругости насыщенного пара для данного топлива находим температуру , соответствующую полученному давлению.

Для более низкой температуры характерны меньшие упругость насыщенных паров и скорость испарения топлива. Чем выше давление паров топлива при неизменной температуре, тем меньше опасность их конденсации при понижении температуры или повышении давления, что особенно важно при пуске двигателя или резком открытии дроссельной заслонки.

Минимальная температура топливовоздушной смеси, при которой достигается полное испарение топлива, должна быть выше температуры , соответствующей давлению , на величину в связи с затратой теплоты на испарение топлива, т. е.

Тепловой расчет процесса карбюрации проводят в следующем порядке.

1. Рассчитывают парциальное давление паров топлива в смеси по уравнению.

2. По кривым упругости насыщенного тара для данного топливa определяют температуру , соответствующую полученному давлению

3. Рассчитывают перепад температур в процессе карбюрации по уравнению.

4. Находят минимальную температуру , при которой достигается полное испарение топлива, по уравнению.

По данным из [2]: для бензина , и ; для этилового спирта , и . Если температура будет ниже приведенных значений, то испарение топлива будет неполным.

Из приведенных данных следует, что при работе на этиловом спирте холодный двигатель нельзя запустить и для нормальной карбюрации требуется интенсивный подогрев смеси.

По результатам расчета решается вопрос о необходимости и степени подогревания смеси при карбюраторном способе смесеобразования. При выборе вида и параметров подогрева стенок впускного тракта следует иметь в виду, что интенсивность теплоотдачи к топливовоздушной смеси выше, чем к воздуху. При чрезмерном подогреве впускного трубопровода снижается наполнение цилиндров горючей смесью и повышается склонность к детонации при ее сгорании.

Вычисленная минимальная температура топливовоздушной смеси, при которой топливо полностью испаряется, – условная, так как при этом не учитывается время испарения.

Расчет системы топливоподачи

Расчет системы топливоподачи сводится к определению основных конструктивных параметров топливного насоса (диаметра и хода плунжера), а также диаметра соплового отверстия распылителя форсунки.

Основные конструктивные параметры топливного насоса зависят от цикловой подачи топлива , определяемой по заданной или расчетной эффективной мощности, расходу топлива и частоте вращения дизеля.

Цикловая подача топлива, или подача топлива за один цикл, в массовых единицах (г/цикл):

или в объемных единицах (мм³/цикл):

С учетом сжатия топлива, его утечек через неплотности, а также в связи с деформацией топливопроводов высокого давления теоретическая подача секции топливного насоса , соответствующая геометрической, должна быть больше цикловой подачи топлива , т.е.:

где коэффициент, учитывающий влияние на подачу насоса рассмотренных ранее факторов.

Для автотракторных дизелей при номинальной нагрузке:

= 0,7...0,9

Теоретическая цикловая подача, соответствующая объему,

описанному плунжером (мм³/цикл):

где площадь поперечного сечения плунжера, мм²; полный ход плунжера, мм.

В связи с предусмотренным в топливном насосе перепуском части топлива, а также дополнительным расходом топлива на режимах пуска и перегрузки действительную подачу насоса , принимают с учетом этих факторов равной:

= (2,5 ... 3,2)

С учетом определяют основные размеры топливного насоса (диаметр и ход плунжера) из выражения:

Из конструктивных соображений задаются отношением хода плунжера к диаметру плунжера =1,2...1,7. Тогда диаметр плунжера:

Полный ход плунжера:

Полученные расчетом значения диаметра и хода плунжера необходимо скорректировать с учетом типоразмерного ряда, принятого по ГОСТ 1057874.

Диаметр плунжера : 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 10; 11;12; 13; 14; 16 мм.

Ход плунжера 6, 7, 8, 9, 10, 12, 16, 20 мм.

После выбора диаметра плунжера определяют его активный ход:

.

При проектировании топливоподающей аппаратуры обычно предусматривают возможность увеличения активного хода плунжера на 25...30%. Для работы дизеля с перегрузкой и компенсации износа плунжерной пары. Наиболее приемлемое отношение полного хода плунжера к его активному ходу составляет 3,00...4,25.

Средняя скорость движения плунжера:

где ; продолжительность впрыскивания топлива в цилиндр дизеля; – коэффициент, учитывающий увеличение действительной продолжительности впрыскивания по сравнению с геометрической ( =1,3...1,7). При этом большие значения относятся к более высоким давлениям впрыскивания.

При расчете диаметра сопловых отверстий распылителя форсунки цикловая подача, определяемая из выражения, приравнивается к подаче, получаемой из уравнения:

где суммарная площадь сопловых отверстий форсунки, мм²;

коэффициент расхода топлива ( принимают в пределах 0,65...0,85);

средняя скорость истечения топлива через сопловые отверстия распылителя:

, м/с;

среднее давление газа в цилиндре в период впрыскивания:

, Па;

и давления соответственно в конце сжатия и сгорания, определяемые по данным теплового расчета дизеля;

время истечения топлива:

, с;

продолжительность подачи топлива, град п.к.в.

Продолжительность подачи топлива принимают с учетом способа смесеобразования в дизеле. При объемном способе смесеобразования принимают в пределах 10...20°. При пленочном смесеобразовании требуется меньшая скорость впрыскивания и =15...25°.

Среднее давление впрыскивания в автотракторных дизелях находится в пределах 15...40 МПа и зависит в первую очередь от затяжки пружины форсунки, гидравлического сопротивления сопловых отверстий, диаметра и скорости движения плунжера. При этом значение средней скорости истечения топлива изменяется в широких пределах =150...300 м/с.

Приравнивая выражения и, находим суммарную площадь сопловых отверстий распылителя форсунки (мм²):

Диаметр соплового отверстия распылителя форсунки (мм):

где т число сопловых отверстий в распылителе.

Число т расположение сопловых отверстий в распылителе принимают с учетом способа смесеобразования и типа камеры сгорания. В дизелях с объемным способом смесеобразования применяют многодырчатые распылители с малым диаметром сопловых отверстий (0,20...0,35 мм), в дизелях с объемно–пленочным и пленочным смесеобразованием применяют одно– или двухдырчатые распылители с d_c = 0,4...0,6 мм.

С помощью приведенных расчетных формул можно определить основные размеры топливного насоса и форсунки с известным приближением, а в процессе последующей доводки топливоподающей аппаратуры их уточняют.

Рассмотрим пример расчета основных размеров топливного насоса и форсунки.

Исходные данные для расчета основных размеров топливного насоса и форсунки принимают по результатам теплового расчета дизеля без наддува:

=120 кВт; п=2100 об/мин; =232 г/(кВт–ч); =4; =0,842 г/см³; р_z=7,74 МПа; р_с=4,3 МПа.

Расчет диаметра и хода плунжера. Цикловая подача топлива:

= 88 мм³/цикл.

Принимаем коэффициент подачи насоса =0,73. Тогда теоретическая подача секции насоса:

= 88/0,73 = 120 мм /цикл.

Полная производительность секции насоса:

120 3=360 мм³/цикл.

Принимаем отношение хода плунжера к диаметру = l. Тогда диаметр плунжера:

мм.

С учетом типоразмерного ряда по ГОСТ 1057874 принимаем диаметр плунжера 8 мм. Тогда полный ход плунжера:

= 8 мм.

Активный ход плунжера:

= 2,24 мм.

Средняя скорость движения плунжера:

= 1,415 м/с.

Расчет диаметра сопловых отверстий распылителя форсунки.

Принимаем продолжительность впрыскивания топлива = =15° п. к. в. Тогда время истечения топлива:

=0,00119 с.

Давление в конце процесса сжатия с учетом влияния на него воспламенения рабочей смеси до прихода поршня в в.м.т.:

Тогда:

= 1,2 ,3 = 5,16 МПа.

Среднее давление газа в цилиндре в период впрыскивания:

(5,16 + 7,74)/2 = 6,45 МПа.

Принимаем среднее давление распыливания =30 МПа. Средняя скорость истечения топлива через сопловые отверстия:

= 237 м/с.

Принимаем коэффициент расхода =0,75. Тогда суммарная площадь сопловых отверстий

=0,407 мм².

Принимаем число сопловых отверстий в распылителе форсунки m=4. Тогда диаметр соплового отверстия:

= 0,36 мм.

На тракторных и автомобильных дизелях в большинстве случаев применяется топливная аппаратура раздельного типа, состоящая из многоплунжерного или распределительного топливного насоса с механическим (кулачковым) приводом плунжера и с золотниковым регулированием цикловой подачи (по ее концу), трубопровода высокого давления и гидравлически управляемых форсунок. Такая система отличается простотой конструкции и удобством регулирования подачи топлива.

Для повышения экономичности работы дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, а также для улучшения пусковых качеств применяют устройства для изменения опережения впрыскивания топлива. В частности, на отечественных тракторных и автомобильных двигателях устанавливают автоматическую муфту центробежного типа, которая изменяет угол опережения впрыскивания топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.