Впорскування й розпилювання палива

 

Процес подачі палива у дизеля починається наприкінці процесу стиску до приходу

поршня у ВМТ (1.19). Впорскування палива в циліндр здійснюється з розпилювача форсунки

 

(5.9). Прохідні перетини розпилювача й тиск впорскування змінюються у процесі подачі. Це

обумовлює мінливість швидкості витікання й витрати палива, характер зміни яких за часом

залежить від конструкції паливної системи, режимів її роботи й властивостей палива.

Подача палива в дизелі має задовольняти наступним вимогам:

1. Впорскування палива необхідно здійснювати в строго певний момент циклу.

2. Початок подачі, який характеризується кутом випередження впорскування φв.вп,

тривалість впорскування φвп і кінець подачі повинні забезпечувати найбільш повне використання

теплоти палива. В автотракторних дизелів на повних навантаженнях кути випередження

впорскування становлять 5ч30°, а тривалість подачі палива – 20ч45° кута повороту колінчастого

вала (ПКВ). Однак на усіх режимах роботи дизеля забезпечити оптимальні моменти початку й

закінчення впорскування складно. Тому прагнуть установити оптимальні кути впорскування для

режимів, що найчастіше зустрічаються в експлуатації.

3. Необхідно забезпечити необхідну якість розпилювання й розподілу палива в камері

згоряння для швидкого протікання у ній процесів нагрівання й випаровування палива, його

змішування й наступного горіння. Це забезпечується певним законом зміни об'ємної швидкості

подачі палива в процесі впорскування.

4. Циклова подача повинна відповідати навантажувальному й швидкісному режимам

роботи дизеля й бути однаковою у всіх циклах і у всіх циліндрах.

Параметри процесу впорскування описуються диференційною й інтегральною

характеристиками впорскування (рис. 6.1).

 

Рисунок 6.1. Характеристика впорскування у дизелі: 1 – диференційна характеристика, 2 –

інтегральна характеристика, φп.вп – кут початку впорскування, φк.вп. – кут кінця впорскування,

φв.вп – кут випередження впорскування, φвп. – кут тривалості впорскування

 

Диференційна характеристика впорскування встановлює залежність швидкості подачі

палива dVвп^/dφк з розпилювача форсунки від кута повороту кулачка вала паливного насоса

високого тиску.

Інтегральна характеристика впорскування визначає залежність кількості палива Vвп^,що

надійшло з розпилювача форсунки в циліндр від моменту початку впорскування до будь-якого

моменту подачі палива. На графіку ця кількість еквівалентна площі, що заштрихована. При φк =

φк.вп за інтегральною характеристикою впорскування визначають всю кількість палива, яка

подана в циліндр дизеля за один робочий цикл. Її називають цикловоюподачею (VВП⁼VЦ^).Вона

залежить від режимів роботи дизеля.

Проаналізуємо основні види диференційних характеристик впорскування (рис. 6.2).

Полога характеристика впорскування (рис. 6.2,а) показує, що швидкість подачі палива

збільшується поступово (монотонно), а двоступінчаста (рис. 6.2,б) – на початковій ділянці росте

ще повільніше. Завершується впорскування достатньо різко. Поступове наростання швидкості

подачі палива поширено в дизелів, де воно подається в об’єм камери згоряння.

Характеристика впорскування, що представлена на рис. 6.2,в, має спочатку більшу

швидкість подачі при невеликому об’ємі палива (площа S1), а значна частина палива

впорскується з убуванням швидкості (об’єм подачі палива – площа S2).

При розтягнутому кінці подачі палива (рис. 6.2,г), або при додатковому впорскуванні

(підвпорскуванні) (рис. 6.2,д) теплота останніх частин палива, яке впорскнуте після ВМТ,

виділяється на лінії розширення, використається неефективно, росте димність відпрацьованих

газів.

Розпилювання струменя палива на дрібні краплі дозволяє різко збільшити його поверхню

(в 80ч270 разів) і забезпечує швидке протікання процесів тепло- і масообміну між краплями й

повітрям при високій температурі в камері згоряння. Розпад струменя палива при його витіканні

через малі круглі соплові отвори форсунки в об’єм, що заповнений газом, відбувається з

утворенням крапель різного діаметра.

 

Рисунок 6.2. Типові диференційні характеристики впорскування: а – полога, б – двоступінчаста,

в – крута, г – розтягнута, д – двофазна з підвпорскуванням

 

 

Форма розпаду струменя залежить від швидкості витікання, а також від фізичних

властивостей палива й початкових збурювань, що виникають у потоці при його русі в

розпилювачі. При невеликих швидкостях витікання на поверхні палива виникають початкові

збурювання, що викликають осесиметричні коливання, які розривають струмінь із утворенням

окремих крапель. При більших швидкостях витікання виникають хвильові деформації осі

струменя й вона губить стійкість, що приводить до хвильового розпаду. При витіканні із ще

більшими швидкостями починається розпад струменя з утворенням великої кількості крапель

безпосередньо поблизу отвору розпилювання. Такий розпад струменя є основним і називається

розпилюванням (6.1). З причини того, що при кожному впорскуванні швидкість витікання

палива змінюється в широких межах, то всі три види розпаду струменя беруть участь у цьому

процесі. Визначальними в процесі розпилювання палива є його початкові збурювання, що

виникають при русі в розпилювачі. Вони залежать від конструкції розпилювача, швидкості

плину палива в ньому, геометричної форми його отворів розпилювання і фізичних властивостей

рідини.

Для дизелів з розділеними камерами згоряння в системах паливоподачі використовують

штифтові розпилювачі (рис. 6.3,в-е). У них паливо впорскується в камеру згоряння через

кільцеву щілину між штифтом і корпусом розпилювача. Спочатку паливо поширюється у

вигляді конуса. Через коливання на поверхні палива й зменшення товщини плівки при

збільшенні бічної поверхні конуса відбувається її розпад з подальшим утворенням крапель

різних розмірів.

 

 

Рисунок 6.3. Типи розпилювачів: а – багатоструменевий з запірною голкою, б –

одноструменевий з запірною голкою, в-е – штифтові.

 

У процесі розпилювання палива швидкість руху його часток по перетину струменя, їхній

розмір різні. Також відрізняються умови руху часток струменя, плівок, ниток і крапель в об’ємі

камери згоряння. Структура струменя визначається розподілом палива в його поперечних і

поздовжніх перетинах. Розподіл крапель у струмені й локальній концентрації палива дуже

нерівномірні. У поперечних перерізах струменя швидкість руху краплі і їхня кількість зростають

у міру наближення до осі струменя.

Краплі продовжують зменшуватися в результаті випару і розпаду. У результаті

монолітний спочатку струмінь, розпадаючись, утворює факел, що складається з окремих

крапель, парів палива і газів, що заповнюють простір між краплями.

На дрібність розпилювання, розвиток і структуру струменя впливає безліч факторів. На

рис. 6.4 представлено характеристику впорскування dVвп^/dφК^,зміну середніх діаметрів краплі dОБ

і фотографії з відбитками крапель у різні моменти подачі палива залежно від кута повороту

кулачкового вала насоса φк. При збільшенні тиску впорскування й швидкості витікання

зменшуються середні діаметри крапель, підвищується їхня дрібність й однорідність

розпилювання.

Істотний вплив на дрібність й однорідність розпилювання палива оказують конструктивні

параметри елементів паливної системи.

Конструкція багатоструменевого розпилювача (рис. 6.3,а) забезпечує найбільшу

концентрацію палива на осі струменя й практично постійний кут розсіювання. Штифтовий

розпилювач створює порожній струмінь із найбільшою концентрацією палива на її бічній

поверхні, а кут розсіювання змінює в широких межах. Збільшення діаметра отворів

розпилювання багатоструменевих розпилювачів при незмінному їх загальному прохідному

перетині приводить до збільшення маси палива, що витікає, і довжини струменя.

Фізичні властивості палива також впливають на параметри розпилювання. Зі

збільшенням в'язкості й сил поверхневого натягу палива дрібність й однорідність розпилювання

погіршуються.

Фізичний стан заряду в камері згоряння до моменту впорскування палива

характеризується високими температурою і тиском й, отже, його щільністю, що перевищує

щільність навколишнього середовища в 12ч30 разів. Така щільність газового середовища, у яку

впорскують паливо, збільшує аеродинамічний опір руху краплі, що сприяє розпаду струменя й

дробленню великих крапель. З підвищенням щільності середовища різко знижується довжина

струменя.

Рух заряду в камері згоряння дизеля істотно впливає на розвиток і структуру распиленого

струменя палива.

Для забезпечення необхідної тонкості розпилювання приходиться застосовувати тиск

впорскування не менш 7,5 МПа для розділених камер і 25 МПа для нерозділених камер на

початку впорскування і доводити його у процесі впорскування до 25ч45 МПа (у сучасних ДВЗ

тиск досягає 200 МПа).

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 впорскування, геометричних розмірів соплових отворів форсунки,

частоти обертання вала двигуна, властивостей палива, тиску і температури стиснутого повітря,

типу камери згоряння.

 

 

 

Рисунок 6.4. Зміна подачі палива та діаметра крапель у процесі впорскування