Смесеобразование в бензиновых двигателях
Назначение и классификация автомобильных двигателей. Типы двигателей по виду топлива, количеству тактов, числу и расположению цилиндров, способу смесеобразования и воспламенения.
Введение
Двигатель автомобиля представляет собой совокупность механизмов и систем, преобразующих тепловую энергию сгорающего в его цилиндрах топлива в механическую. На современных автомобилях наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых расширяющиеся при сгорании топлива газы воздействуют на движущиеся в их цилиндрах поршни. Бензиновые двигатели работают на легком жидком топливе — бензине, который получают из нефти. Дизельные двигатели работают на тяжелом жидком топливе — дизельном, получаемом также из нефти. Из указанных двигателей наиболее мощными являются бензиновые, наиболее экономичными и экологичными — дизели, имеющие более высокий коэффициент полезного действия. Так, при равных условиях расход топлива у дизелей на 25 ...30% меньше, чем у бензиновых двигателей.
У двигателей с внешним смесеобразованием горючая смесь готовится вне цилиндров, в специальном приборе — карбюраторе (карбюраторные двигатели) или во впускном трубопроводе (двигатели с впрыском бензина) и поступает в цилиндры в готовом виде. У двигателей с внутренним смесеобразованием (дизели, двигатели с непосредственным впрыском бензина) приготовление горючей смеси производится непосредственно в цилиндрах путем впрыска в них топлива. В двигателях без наддува наполнение цилиндров осуществляется за счет вакуума, создаваемого в цилиндрах при движений поршней из верхнего крайнего положения в нижнее. В двигателях с наддувом горючая смесь поступает в цилиндры под давлением, которое создается компрессором. Принудительное воспламенение горючей смеси от электрической искры, возникающей в свечах зажигания, производится в бензиновых двигателях, а воспламенение от сжатия (самовоспламенение) — в дизелях.
|
|
|
Назначение двигателей
Двигатель — это машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. На большинстве современных автомобилей установлены тепловые поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в цилиндрах, преобразуется в механическую работу.
Классификация двигателей
ДВС применяются на тракторах, автомобилях и других машинах они классифицируются по следующим признакам:
по способу смесеобразования различают двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутренним смесеобразованием (дизели), у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндров;
|
|
|
по способу выполнения рабочего цикла двигатели подразделяются на двух- и четырехтактные;
по способу воспламенения рабочей смеси — с принудительным воспламенением от электрической искры (бензиновые, газовые и др.) и с воспламенением от сжатия, т. е. с самовоспламенением (дизели);
по способу наполнения цилиндров свежим зарядом — без наддува, т. е. со свободным впуском (наполнение осуществляется за счет перепада давления в цилиндрах и окружающей среде, возникающего при движении поршня) и с наддувом (наполнение происходит под давлением, создаваемым компрессором);
по способу охлаждения различают двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением;
по виду применяемого топлива двигатели подразделяются на бензиновые (карбюраторные, газовые), дизельные и многотопливные, а также других (альтернативных) видах топлива (спирте, водороде и т. п.);
по числу цилиндров двигатели подразделяются на одно-, двух- и многоцилиндровые;
по расположению цилиндров различают двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд и V-образные двигатели с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180° двигатель называют оппозитным, или двигателем с противолежащими цилиндрами), Х- и звездообразные (четырех-, пяти-, шестицилиндровые и т.д.).
|
|
|
Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели — бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:
в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.
|
|
|
Дизели — двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе — "тяговиты на низах").
Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:
большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты — медленнее набирают обороты.
Роторно-поршневой двигатель (Ванкеля) — в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории. Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью — быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания. Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание.
Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей. Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель. Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.
Компоновка поршневых двигателей
Рабочий процесс (цикл) четырехтактных двигателей состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Рабочий процесс происходит за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала. Рассмотрим протекание рабочего цикла бензинового двигателя. При такте впуска (рис.3, а) поршень -/движется от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 5 закрыт. Под действием вакуума, создаваемого при движении поршня, в цилиндр 3 поступает горючая смесь (бензина и воздуха) через впускной клапан 7, открытый распределительным валом 6.
\ 
Рис. 2.3. Схема рабочего процесса четырехтактного бензинового двигателя: а — впуск; 6 — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск; / — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — выпускной клапан; 6 — распределительный вал; 7 — впускной клапан
Горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами, образуя при этом рабочую смесь. В конце такта впуска давление в цилиндре составляет 0,08... 0,09 МПа, а температура рабочей смеси – 80... 120 °С. Такт сжатия (рис.3, б) происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем рабочей смеси уменьшается, а давление в цилиндре повышается и в конце такта сжатия составляет 0,9... 1,5 МПа. Повышение давления сопровождается увеличением температуры рабочей смеси до 450...500°С. При такте рабочего хода (рис.3, в) впускной и выпускной клапаны закрыты. Воспламененная в конце такта сжатия от свечи зажигания рабочая смесь быстро сгорает (в течение 0,001 ...0,002 с). Температура и давление образовавшихся газов в цилиндре возрастают соответственно до 2200...2500°С и 4...5,5 МПа. Газы давят на поршень, он движется от ВМТ до НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 2 коленчатый вал 1. По мере перемещения поршня к НМТ и увеличения объема пространства над ним давление в цилиндре уменьшается и в конце такта составляет 0,35...0,45 МПа. Снижается и температура газов до 900..Л200 °С. Такт выпуска (рис. 3, г) происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан, открытый распределительным валом. Давление и температура в цилиндре уменьшаются и в конце такта составляют 0,1 ...0,12 МПа и 700...800°С. Из рассмотренного рабочего процесса (цикла) следует, что полезная работа совершается только в течение одного такта — рабочего хода. Остальные три такта (впуск, сжатие, выпуск) являются вспомогательными, и на их осуществление затрачивается часть энергии, накопленной маховиком двигателя, который установлен на заднем конце коленчатого вала, при рабочем ходе. Рабочий процесс четырехтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла бензинового двигателя по смесеобразованию и воспламенению рабочей смеси. Основное различие рабочих циклов состоит в том, что в цилиндры дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, и при такте сжатия в цилиндры впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. Рассмотрим более подробно рабочий цикл дизеля. Такт впуска (рис.4, а) осуществляется при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 6 закрыт. Вследствие образовавшегося вакуума в цилиндр 7 через воздушный фильтр 4 и открытый впускной клапан 5 поступает воздух из окружающей среды. В конце такта впуска давление в цилиндре составляет 0,08...0,09 МПа, а температура - 40...60°С.
Рис. 4. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля: а — впуск; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск; 1 — топливный насос; 2 —поршень; 3 — форсунка; 4 — воздушный фильтр; 5 — впускной клапан; 6 —выпускной клапан; 7 — цилиндр; 8 — шатун; 9 — коленчатый вал
При такте сжатия (рис. 4, б) поршень движется от НМТ до ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень сжимает находящийся в цилиндре воздух, и его температура в конце такта сжатия достигает 550...700 °С при давлении 4...5 МПа. При такте рабочего хода (рис.4, в) поршень подходит к ВМТ, и в цилиндр двигателя из форсунки 3 под большим давлением впрыскивается распыленное дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1 высокого давления. Впрыснутое топливо перемешивается с нагретым воздухом, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется. При этом резко возрастают у образовавшихся газов температура до 1800...2000°С и давление до 6...9 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ до НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 8 коленчатый вал 9. К концу рабочего хода давление газов становится 0,3-0,5 МПа, а температура — 700...900°С. Такт выпуска (рис. 4, г) происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Через открытый выпускной клапан 6 поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы. К концу такта выпуска давление газов в цилиндре уменьшается до 0,11.-0,12 МПа, а температура — до 500...700 °С. После окончания такта выпуска при вращении коленчатого вала рабочий цикл двигателя повторяется в той же последовательности.
4. Порядок работы двигателя
Порядком работы двигателя называется последовательность чередования рабочих ходов по цилиндрам двигателя. Для равномерной и плавной работы двигателя рабочие ходы и другие одноименные такты должны чередоваться в определенной последовательности в его цилиндрах. При этом чередование должно происходить через равные углы поворота коленчатого вала двигателя, величина которых зависит от числа цилиндров двигателя. В четырехтактном двигателе рабочий процесс совершается за два оборота коленчатого вала, т.е. за поворот вала на 720°. Число рабочих ходов равно числу цилиндров двигателя. Их чередование для четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей будет происходить соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала.
Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Так, например, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя, представленного на рис.5, а,
Смесеобразование в бензиновых двигателях
Под смесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумевают комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование топлива и воздуха, распыливание и испарение топлива и перемешивание его с воздухом. Качественное смесеобразование является необходимым условием получения высоких мощностных, экономических и экологических показателей двигателя.
Протекание процессов смесеобразования в значительной степени зависит от физико-химических свойств топлива и способа его подачи. В двигателях с внешним смесеобразованием процесс смесеобразования начинается в карбюраторе (форсунке, смесителе), продолжается во впускном коллекторе и заканчивается в цилиндре.
После выхода струи топлива из распылителя карбюратора или форсунки начинается распад струи под воздействием сил аэродинамического сопротивления (вследствие разности скоростей движения воздуха и топлива). Мелкость и однородность распыливания зависят от скорости воздуха в диффузоре, вязкости и поверхностного натяжения топлива. При пуске карбюраторного двигателя при его относительно низкой температуре распыливания топлива практически нет, и в цилиндры поступает до 90 и более процентов топлива в жидком состоянии. Вследствие этого для обеспечения надежного пуска необходимо существенно увеличивать цикловую подачу топлива (доводить α до значений ≈ 0,1-0,2).
Процесс распыливания жидкой фазы топлива протекает также в проходном сечении впускного клапана, а при не полностью открытой дроссельной заслонке – в образуемой ею щели.
Часть капель топлива, увлекаемая потоком воздуха и паров топлива, продолжает испаряться, а часть – оседает в виде пленки не стенках смесительной камеры, впускного коллектора и канала в головке блока. Под действием касательного усилия от взаимодействия с потоком воздуха пленка движется в сторону цилиндра. Так как скорости движения топливовоздушной смеси и капель топлива отличаются незначительно (на 2–6 м/c), то интенсивность испарения капель низка. Испарение с поверхности пленки протекает более интенсивно. Для ускорения процесса испарения пленки впускной коллектор в двигателях карбюраторных и с центральным впрыскиванием подогревают.
Разное сопротивление ветвей впускного коллектора и неравномерное распределение пленки в этих ветвях приводят к неравномерности состава смеси по цилиндрам. Степень неравномерности состава смеси может достигать 15–17 %.
При испарении топлива протекает процесс его фракционирования. В первую очередь испаряются легкие фракции, а более тяжелые попадают в цилиндр в жидкой фазе. В результате неравномерного распределения жидкой фазы в цилиндрах может оказаться не только смесь с разным соотношением топливо – воздух, но и топливо различного фракционного состава. Следовательно, и октановые числа топлива, находящегося в разных цилиндрах, будут неодинаковыми.
Качество смесеобразования улучшается с ростом частоты вращения n. Особенно заметно негативное влияние пленки на показатели работы двигателя на переходных режимах.
Неравномерность состава смеси в двигателях с распределенным впрыскиванием определяется, главным образом, идентичностью работы форсунок. Степень неравномерности состава смеси составляет ±1,5 % при работе по внешней скоростной характеристике и ±4 % на холостом ходу с минимальной частотой вращения nх.х.min.
При впрыскивании топлива непосредственно в цилиндр возможны два способа смесеобразования:
− с получением гомогенной смеси;
− с расслоением заряда.
Реализация последнего способа смесеобразования сопряжена с немалыми трудностями.
В газовых двигателях с внешним смесеобразованием топливо вводится в воздушный поток в газообразном состоянии. Низкое значение температуры кипения, высокое значение коэффициента диффузии и существенно меньшее значение теоретически необходимого для сгорания количества воздуха (например для бензина − 58,6, метана – 9,52 (м3 возд)/(м3 топл) обеспечивают получение практически гомогенной горючей смеси. Распределение смеси по цилиндрам более равномерное.
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 1789; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!