Характеристика свежего заряда.

Свежий заряд, находящийся в цилиндре в конце сжатия состоит из воздуха и остаточных газов (дизеля) и топливовоздушной смеси и остаточных газов (бензиновые двигатели).

Количество свежего заряда определяется из уравнения:

M₁=L₀ – для дизелей

M₁=L₀ + – для бензиновых двигателей

 – коэффициент избытка воздуха. Представляет собой отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для сгорания 1кг топлива.

если L_д<L₀ и <1 – то смесь называется богатой

если L_д=L₀ и =1 – стехнометрической

если L_д>L₀ >1 – бедной

В карбюраторных двигателях имеют место все составы смеси (0,6…1,3).

При  = 0,85…0,9смесь горит с наибольшей скоростью, при этом значении достигается максимальная мощность N_{e max}. При  = 1,1…1,3 достигается наибольшая экономичность и достаточно устойчивое протекание рабочего процесса. Предел обеднения смеси, при котором еще возможна работа двигателя несколько выше  = 1,35…1,4.

Для дизелей из-за малого отрезка времени на смесеобразование  лежит в пределах от 1,5 при номинальных нагрузках до 7 при холостом ходе. Расширение диапазона состава смеси для дизелей объясняется неравномерностью перемешивания воздуха с топливом, при котором в отдельных зонах при _ср. = 7 имеются зоны с местным переобогащением  = 0,8…1,2.

_т= 110…120 кг/кмоль – молярная масса паров бензина.

Отсутствие влияния топлива на М₁ в дизелях и слабое влияние в карбюраторных объясняется временным фактором смесеобразования (разница на 1/μ_т происходит из-за занятия некоторого объема напарившемся в процессе впуска бензином).

При <1 – потери теплоты от неполноты сгорания топлива, а при>1 – имеются потери теплоты на нагревание избыточного воздуха.

Смесеобразование в карбюраторных двигателях.

Процесс смесеобразования служит для перемешивания топлива с воздухом таким образом, чтобы к каждой частице топлива было подведено количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива с наибольшим выделением теплоты. В процессе смесеобразования происходит приготовление горючей смеси и с помощью системы питания происходит регулирование её состава и количества в зависимости от режима работы двигателя. В карбюраторном двигателе процесс смесеобразования начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре. Процесс карбюрации включает в себя:

• движение воздуха через карбюратор и по впускному тракту;

• движение топлива по каналам и через калиброванные отверстия (жиклеры);

• течение топлива или эмульсии через жиклеры;

• испарение топлива и перемешивание его с воздухом;

На процесс карбюрации оказывают влияние:

• время;

• температура смеси, что улучшает качество смесеобразования.

-конструктивные факторы: принципиальная схема карбюратора и конструкция его узлов, число и расположение карбюраторов; качество обработки элементов впускной системы, форма и сечение впускного трубопровода, форма камеры сгорания.

-качество топлива. В зависимости от свойств бензина испарение может происходить с неодинаковой интенсивностью. Повышенное содержание легких фракций обуславливает высокое содержание паров в смеси, лучшую равномерность распределения топлива в воздухе и более легкий пуск, тяжелых – большую вероятность попадания в цилиндр в жидкой фазе.

Приготовление смеси осуществляется в карбюраторе (Рис. 19).

Рис. 19. Схема элементарного карбюратора: 1 – патрубок; 2 – диффузор; 3 – отверстие в поплавковой камере; 4 – поплавковая камера; 5 – топливопровод; 6 – игольчатый клапан; 7 – поплавок; 8 – жиклер; 9 – смесительная камера; 10 – дроссельная заслонка; 11 – распылитель

Бензин из бака поступает в поплавковую камеру, регулирование уровня топлива в ней осуществляется поплавком и закрытием запорной иглы. Из камеры топливо через калиброванное отверстие (жиклер) поступает в распылитель. Для улучшения истечения и распыления топлива устье распылителя расположено в горловине диффузора. Для предотвращения вытекания топлива при неработающем двигателе и при наклонном положении карбюратора устье распылителя расположено на 2…5 мм выше уровня топлива в поплавковой камере. Топливо из-за разницы давлений в диффузоре и поплавковой камере начинает попадать в диффузор при скорости воздуха 8 – 10 м/с.

Сразу после выхода струи топлива из распылителя начинается ее распад в результате воздействия сил аэродинамического сопротивления, причем скорость воздуха значительно больше скорости топлива. Такой способ распыла называют пневматическим, так как для дробления топлива используется кинетическая энергия топлива. На расстоянии нескольких миллиметров от отверстия распылителя струя распадается на пленки и капли различных диаметров (примерно 2 мм), и в дальнейшем капли могут дробиться на более мелкие. Улучшение распыления увеличивает суммарную поверхность капель и способствует более быстрому их испарению. При максимальной скорости истечения топлива 5 – 6 м/с и воздуха 120 – 150 м/с средний диаметр капель достигает 0,01…0,025 мм и может считаться предельным, так как дальнейшее уменьшение диаметра капель не влияет на интенсивность поверхностного испарения.

Распыление топлива интенсифицируется при увеличении относительной скорости обдува воздуха, и, наоборот, мелкость и однородность распыления ухудшаются при больших значениях вязкости воздуха и коэффициента поверхностного натяжения.

При поступлении смеси во впускной трубопровод под действием сил, возникающих при взаимодействии капель с потоком воздуха, гравитационных сил, а так же в силу изменения направления движения часть топлива (20-30%) оседает на стенки в качестве пленки медленно движущуюся в направлении цилиндра. Исследования показали, что скорость пленки в 30 – 40 раз ниже скорости движения воздуха. При достаточно большом количестве пленки вихревым потоком воздуха могут срываться капельки топлива, то есть наблюдаются вторичные процессы образования капель.

С поверхности капель и пленки топливо испаряется при небольших температурах. В начальный период при встрече топлива с воздухом их относительная скорость может достичь 100 м/с, что способствует интенсивному оттоку паров, но затрудняет передачу теплоты в обратном направлении. По этим причинам испарение в рассматриваемый период идет за счет теплоты самих капель. После разгона капель потоком воздуха испарение лимитируется теплообменом между топливом и воздухом.

Существенную роль в общем испарении топлива играет испарение с поверхности пленки, которая обдувается воздухом и имеет волновой характер. Для улучшения испарения впускной трубопровод омывается охлаждающей жидкостью или отработавшими газами.

Образование пленки и различная длина трубопроводов приводит к тому, что в различные цилиндры поступает смесь неодинакового состава, что оценивается степенью неравномерности:

 – коэффициент избытка воздуха, определенный по двигателю;

_i- коэффициент избытка воздуха i-ого цилиндра.

Если D_i>0, то в этом цилиндре более бедная смесь, чем в целом по двигателю. При наличии одного карбюратора в цилиндры, расположенные ближе к ним поступает более обогащенная смесь, чем в отдаленные. Степень неравномерности зависит от режима работа двигателя и фракционного состава топлива. При пуске холодного двигателя в цилиндр в виде пленки поступает до 95% топлива, а при работе полностью прогретого – не более 2-3%.