Распределение горючей смеси по цилиндрам, питающимся из одной общей ветви впускного тракта
Основные причины неравномерного распределения смеси по цилиндрам двигателя
Процесс образования горючей смеси в карбюраторном двигателе, начинаясь в карбюраторе, полностью заканчивается в цилиндре. Скорость воздушного потока в диффузоре карбюратора примерно в 20 - 30 раз превышает скорость топливной струи. Поэтому при выходе струи в воздушный поток топливо распыливается на отдельные капли, которые подхватываются воздушным потоком и начинают интенсивно испаряться. Постепенно скорость капель увеличивается до значений, близких к скорости паро-воздушного потока горючей смеси; процесс их испарения, несмотря на высокую турбулентность потока горючей смеси во впускном тракте, замедляется и даже в зоне впускных клапанов значительная часть топлива находится в виде не испаренных капель [11, 12]. Естественно, что некоторая часть капель попадает и непосредственно в цилиндры двигателя.
В результате многочисленных визуальных наблюдений и фоторегистраций процесса образования горючей смеси в карбюраторном двигателе установлено, что часть капель при выходе из диффузора карбюратора оседает на стенках впускного тракта и образует пленку жидкого топлива. Паро-воздушный поток увлекает эту пленку, которая перемещается по стенкам впускного тракта в направлении общего потока горючей смеси со значительно меньшей скоростью, чем скорость паро-воздушного потока. Даже при полированных стенках тракта скорость перемещения пленки жидкого топлива в 50 - 60 раз меньше скорости паро-воздушной смеси [3]. При этом, охватывая всю поверхность впускного тракта, пленка жидкого топлива в большинстве случаев имеет различную толщину в отдельных точках одного и того же сечения тракта [11, 15].
Наличие жидкой фазы топлива в смеси само по себе исключает возможность равномерного распределения топлива по поперечному сечению потока смеси, так как пленка жидкого топлива резко обогащает пристеночный слой, а наличие неиспаренных капель и постоянное их испарение приводят к образованию относительно обогащенных и обедненных топливом зон в паро-воздушной смеси.
В некоторых случаях пленка жидкого топлива может распределяться по поверхности тракта равномерно, образуя слой топлива одинаковой толщины во всех точках профиля поперечного сечения канала. Неиспаренные капли, вероятно, также могут быть равномерно распределены в хорошо перемешанной паро-воздушной смеси. Такое распределение топлива по сечению потока горючей смеси условно назовем равномерным.
Необходимо иметь в виду, что не только качество горючей смеси, поступающей в цилиндры, но и наполнение отдельных цилиндров двигателя может быть различным. Последнее является следствием неодинакового сопротивления отдельных ветвей впускного и выпускного трактов и гидродинамических явлений, происходящих в системе газообмена. Неодинаковое наполнение цилиндров влияет на величину максимальной мощности двигателя, а при определенных условиях может влиять и на степень неравномерности распределения горючей смеси по цилиндрам.
Если предположить, что впускной тракт двигателя равномерно распределяет жидкую фазу топлива по цилиндрам, а в результате неодинакового наполнения отдельные цилиндры получают разное количество паровоздушной смеси, то качество рабочей смеси в цилиндрах будет различным. Но при этом очевидно, что максимальная степень неравномерности распределения смеси будет в том случае, если паровая фаза топлива в смеси вообще отсутствует, причем величина максимальной степени неравномерности не может превышать относительной неравномерности наполнения цилиндров. В то же время специальные исследования [5, 12] показывают, что в современных двигателях относительная неравномерность наполнения отдельных цилиндров не превышает ±2%. Если еще учесть, что степень неравномерности распределения смеси может быть во много раз больше этой величины, то не вызывает сомнения тот факт, что влиянием различия в наполнении на качество смеси по цилиндрам можно пренебречь.
Распределение горючей смеси по цилиндрам, питающимся из одной общей ветви впускного тракта
Вследствие цикличности поступления горючей смеси в цилиндры двигателя перемещение потока горючей смеси по впускному тракту носит пульсирующий характер. Визуальные наблюдения и фоторегистрации явлений, происходящих во впускном тракте нормально работающего карбюраторного двигателя, проведенные рядом исследователей, а также анализ этих явлений с учетом существования жидкой фазы топлива в горючей смеси позволяют в настоящее время достаточно четко представить себе возможность влияния их на распределение горючей смеси по цилиндрам [11, 12].
Рассмотрим явления, происходящие в отдельном патрубке впускного тракта, по которому горючая смесь поступает к одному из цилиндров двигателя.
Во время процесса впуска горючая смесь перемещается в направлении цилиндра, причем скорость потока смеси постоянно меняется в зависимости от разряжения в цилиндре и площади проходных сечений в зоне впускного клапана. Закрытие клапана прекращает доступ смеси в цилиндр. Но поток смеси обладает определенной инерцией, в результате чего смесь продолжает поступать в данный патрубок впускного тракта. Это вызывает некоторое повышение давления в патрубке и тем самым создает благоприятные условия для конденсации паров топлива. Образующийся при этом туман частично оседает на поверхностях впускного тракта и наружных поверхностях впускного клапана. Под действием тепла, передаваемого от этих поверхностей, часть конденсата вновь переходит в парообразное состояние.
Жидкая фаза топлива, находящаяся во впускном тракте, обладает большей инерционностью, чем паровоздушная смесь. Поэтому при торможении потока, вызванном закрытием впускного клапана, она продолжает свое движение по направлению к цилиндру. Это вызывает не только общее обогащение смеси в данном патрубке впускного тракта, но и перераспределение топлива по длине потока - часть смеси, расположенная непосредственно в зоне впускного клапана, оказывается наиболее обогащенной топливом. При этом необходимо иметь в виду, что, поступая в хорошо прогреваемую зону впускного клапана, жидкая фаза топлива начинает интенсивно испаряться.
В первый момент после открытия впускного клапана в цилиндр будет поступать в основном богатая топливом паро-воздушная смесь, расположенная в зоне впускного клапана. Вместе с паро-воздушной смесью в цилиндр попадает и жидкая фаза топлива, скопившаяся в этой зоне. Поэтому в самом начале процесса впуска в цилиндр будет поступать очень богатая смесь. Затем смесь, поступающая в цилиндр, должна несколько объедниться, так как после обогащенной смеси, расположенной в зоне впускного клапана, в цилиндр начнет поступать паровоздушная смесь, находящаяся в более отдаленных от клапана участках впускного тракта. И только после преодоления инерции жидкой фазы топлива состав смеси более или менее стабилизируется.
Изменение в процессе впуска соотношения топлива и воздуха в горючей смеси, поступающей в цилиндр, вероятно, может вызывать неравномерное распределение смеси по объему цилиндра, т. е. образование в цилиндре зон с различным составом смеси, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Однако эти вопросы образования горючей смеси в карбюраторном двигателе не изучены и выходят за пределы рассматриваемой проблемы.
Описанные явления могут оказывать существенное влияние на распределение горючей смеси по цилиндрам. В первую очередь это относится к случаю питания двух или более цилиндров из одной общей ветви1 впускного тракта или полости, которой заканчивается ветвь.
1(Под ветвью впускного тракта подразумевается участок впускного трубопровода, начинающийся от первого за карбюратором места разделения потока и питающий несколько цилиндров.)
Схема впускного тракта четырехцилиндрового двигателя "Боргвард" показана на рис. 1. К каждым двум цилиндрам (к первому и второму, третьему и четвертому) горючая смесь подводится по одной ветви, которая заканчивается общей для обоих цилиндров полостью. Последовательность всасывания горючей смеси из каждой общей полости определяется порядком работы цилиндров двигателя. При порядке работы цилиндров 1 - 3 - 4 - 2 из полости первого и второго цилиндров после паузы, вызванной процессами впуска в третьем и четвертом цилиндрах, всасывание в первую очередь начинается во втором цилиндре. В первом цилиндре процесс всасывания начинается непосредственно вслед за вторым.
Рис. 1. Конструктивная схема впускного тракта двигателя 'Боргвард': А - зона разделения впускного тракта на отдельные ветви; Р - Р - разделительная плоскость зоны разделения; 7 - 4 - цилиндры двигателя [11]
После закрытия впускного клапана первого цилиндра происходит обогащение смеси в полости питания первого и второго цилиндров. Естественно, что второй цилиндр, в котором всасывание происходит сразу после паузы, получает эту обогащенную смесь и разгоняет поток перед началом процесса всасывания в первом цилиндре. Поэтому первый цилиндр будет иметь некоторые преимущества с точки зрения наполнения, но при этом он получает смесь более бедную, чем второй (рис. 2)1.
1(При графическом изображении неравномерности распределения смеси по цилиндрам на каком-либо конкретном режиме работы двигателя точки, соответствующие значениям коэффициентов избытка воздуха, концентраций топливных фракций и присадок, а также степени количественной и качественной неравномерности распределения смеси для отдельных цилиндров, условно соединяются прямыми линиями для более наглядного выявления характера неравномерности.)
Аналогичные условия для поступления смеси в отдельные цилиндры существуют и во второй полости впускного тракта, из которой питаются третий и четвертый цилиндры. И здесь третий цилиндр, в котором всасывание происходит сразу после паузы, получает более богатую топливом смесь, чем четвертый.
Рис. 2. Распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя 'Боргвард' (n = 3000 об/мин; дроссельная заслонка открыта полностью): - порядок работы цилиндров 1 - 3 - 4 - 2; х - порядок работы цилиндров 1 - 2 - 4 - 3 [11]
Изменение порядка работы цилиндров с 1 - 3 - 4 - 2 на 1 - 2 - 4 - 3 меняет последовательность процессов спуска смеси в цилиндрах, питающихся из одной общей полости, на обратную.
Из полости питания первого и второго цилиндров сразу после паузы всасывание начинается уже в первом цилиндре, а из полости третьего и четвертого - в четвертом. Поэтому изменение порядка работы цилиндров двигателя влечет за собой и изменение характера неравномерности распределения горючей смеси по цилиндрам.
На рис. 3 представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие описанные выше явления, происходящие во впускном тракте вследствие цикличности поступления горючей смеси в цилиндры, и возможность влияния этих явлений на распределение горючей смеси по цилиндрам. По этим данным можно только приближенно судить о действительном составе горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя, поскольку использовавшийся в данных экспериментах стробоскопический клапан обеспечивал отбор лишь паро-воздушной смеси с некоторым, довольно неопределенным количеством неиспаренных капелек, а пленка жидкого топлива не учитывалась совершенно.
Рис. 3. Изменение коэффициента избытка воздуха в пробах горючей смеси, отобранных в общей полости цилиндров 3 и 4 впускного тракта двигателя 'Боргвард', по углу поворота коленчатого вала φ (порядок работы цилиндров 1 - 2 - 4 - 3, n = 1000 об/мин; дроссельная заслонка открыта на 45°): В1 - В4 - фазы впуска горючей смеси в соответствующие цилиндры [12]
Как видно из рис. 3, за время паузы, наступающей после закрытия клапана третьего цилиндра, происходит постепенное обогащение смеси, и к моменту начала процесса впуска в четвертом цилиндре коэффициент избытка воздуха падает до 0,63. По мере всасывания смеси в четвертом цилиндре коэффициент избытка воздуха постепенно увеличивается, достигая максимального значения (1,48) к моменту закрытия впускного клапана этого цилиндра. Процесс впуска горючей смеси в третьем цилиндре начинается несколько раньше момента закрытия впускного клапана четвертого цилиндра (на величину перекрытия фаз). К этому времени коэффициент избытка воздуха достигает значения 1,2. Вторая стадия процесса впуска в третьем цилиндре (примерно с 660° пкв и до закрытия впускного клапана этого цилиндра) происходит в условиях постепенного обогащения смеси в общей полости впускного тракта, и к концу впуска коэффициент избытка воздуха вновь падает до α = 1,2. Обогащение смеси в этой стадии, по всей вероятности, свидетельствует о том, что инерция жидкой фазы топлива в смеси к этому времени преодолена и топливо начинает в достаточном количестве поступать в общую полость. Кроме того, на этой стадии начинается закрытие впускного клапана третьего цилиндра, происходит постепенное торможение общего потока смеси и развитие явлений, связанных с этим торможением.
Образование неравномерности распределения смеси по цилиндрам, питающимся из одной общей ветви, и влияние на характер неравномерности порядка работы цилиндров двигателя разобрано на примере двигателя, имеющего своеобразную схему впускного тракта. Используемые в большинстве современных двигателей схемы впускных трактов отличаются от представленной на рис. 1 отсутствием общей для нескольких цилиндров полости. Горючая смесь к впускным клапанам подводится по отдельным патрубкам, начинающимся на некотором расстоянии от клапанов. Зависимость характера неравномерности распределения горючей смеси по цилиндрам, питающимся из одной общей ветви, от порядка работы цилиндров двигателя при этом сохраняется. Однако явления, происходящие во впускном тракте вследствие цикличности поступления горючей смеси в цилиндры, усложняются, а степень влияния этих явлений на распределение смеси оказывается зависящей от относительной длины подводящих патрубков.
Рис. 4. Распределение горючей смеси в четырехцилиндровых двигателях (n = 2000 об/мин; дроссельная заслонка открыта полностью): а - двигатель ГАЗ-21, порядок работы цилиндров 1 - 2 - 4 - 3; б - двигатель 'Санбим-Рэпир', порядок работы цилиндров 1 - 3 - 4 - 2
На рис. 4, а даны схема впускного тракта и распределение смеси по цилиндрам двигателя ГАЗ-21, имеющего порядок работы цилиндров 1 - 2 - 4 - 3. После закрытия впускного клапана второго цилиндра обогащение рабочей смеси в результате инерционности жидкой фазы топлива будет происходить в основном лишь в подводящем патрубке этого цилиндра и в общей части передней ветви впускного тракта. За время всасывания в цилиндрах, питающихся из задней ветви (третий и четвертый цилиндры), жидкая фаза, попавшая в подводящий патрубок второго цилиндра, успевает пройти в зону его впускного клапана. Поэтому в процессе всасывания в первом цилиндре эта фаза уже не может полностью попасть в этот цилиндр, а попадает во второй цилиндр. В результате этого происходит некоторая компенсация, благодаря чему в первый цилиндр поступает смесь менее богатая, а во второй цилиндр - менее бедная, чем это могло бы быть в случае питания цилиндров из общей полости.
Аналогичная картина происходит и в задней ветви впускного тракта, из которой питаются третий и четвертый цилиндры.
На рис. 4, б изображены схема впускного тракта и распределение смеси в цилиндрах двигателя автомобиля "Санбим-Рэпир". Этот двигатель имеет порядок работы цилиндров 1 - 3 - 4 - 2. Его впускной тракт отличается от тракта двигателя ГАЗ-21 значительно большей относительной длиной подводящих патрубков и меньшим размером общей для обоих цилиндров части каждой ветви. Очевидно, что большая длина подводящих патрубков обеспечивает и больший компенсационный эффект, а малый размер общей части ветви резко снижает влияние состава смеси, находящейся в этой части, на состав смеси, поступающей в цилиндры, питающиеся из одной общей ветви. Вероятно поэтому и оказывается, что состав смеси в цилиндрах двигателя "Санбим-Рэпир", питающихся из одной общей ветви, практически одинаков.
Рис. 5. Распределение горючей смеси в шестицилиндровом двигателе (n - 1000 об /мин; дроссельная заслонка открыта полностью) [10]
Влияние явлений, происходящих во впускном тракте вследствие цикличности поступления смеси в отдельные цилиндры, на распределение смеси рассмотрено на примере рядных четырехцилиндровых двигателей. Практика показывает, что эти явления действенны и в двигателях с иным расположением и с большим количеством цилиндров, питающихся от одного карбюратора. При дальнейшем рассмотрении причин образования неравномерности распределения смеси мы еще не раз будем возвращаться к этому механизму. Здесь же ограничимся лишь анализом результатов исследований Донауэ и Кента [10], проведенных на шестицилиндровом рядном двигателе. Как видно из схемы впускного тракта данного двигателя, изображенной на рис. 5, крайние цилиндры (первый и второй, пятый и шестой) питаются из соответствующих общих полостей. При принятом порядке работы цилиндров 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 в первую очередь после более продолжительной паузы начинается всасывание: из передней полости во втором цилиндре, а из задней в пятом. Поэтому во второй цилиндр поступает смесь более богатая, чем в первый, а в пятый - более богатая, чем в шестой.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 441; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!