Смесеобразование в системах впрыска дизельных двигателей

Смесеобразование

Коэффициент избытка воздуха

Для характеристики того, насколько отличаются реальные показатели топливовоздушной смеси от теоретического или стехиометрического отношения вводится коэффициент избытка воздуха (лямбда). Коэффициент избытка воздуха показывает отношение массы введенного в цилиндр воздуха к требуемой при cтехиометрическом сгорании для данной массы топлива:

Лямбда  = Масса воздуха / (Масса топлива * стехиометрический коэффициент)

Лямбда = 1: введенное в цилиндр количество воздуха соответствует теоретически необходимому для сгорания всего топлива.

Лямбда < I: имеется недостаток воздуха, соответственно смесь — богатая.

Лямбда > 1: имеется избыток воздуха, соответственно смесь — бедная.

Значения коэффициента избытка воздуха к для дизельного двигателя

Наличие в цилиндре зон с богатой смесью (Лямбда < 1) приводит к увеличению выбросов сажи, СО и СН. Чтобы избежать возникновения таких зон с богатой смесью, дизель должен работать при избытке воздуха. Значения Лямбда для дизелей с наддувом при полной нагрузке находятся между 1,15 и 2,0. На холостом ходу и при нулевой нагрузке они повышаются до Лямбда > 10.

Данные величины коэффициента избытка воздуха показывают значение общего по цилиндру соотношения масс воздуха и топлива. С точки зрения самовоспламенения и образования вредных веществ существенное значение имеют локальные значения Лямбда.

Дизель работает при гетерогенном смесеобразовании и самовоспламенении полученной смеси от сжатия. Перед или вовремя сгорания невозможно обеспечить полностью гомогенное смешивание впрыснутого топлива с воздухом. Самовоспламенение происходит через несколько градусов угла поворота коленчатого вала после начала впрыскивания (период задержки воспламенения). При гетерогенной смеси в цилиндре дизеля локальные коэффициенты избытка воздуха имеют весь диапазон значений от Лямбда = 0 (чистое топливо) в центре факела около носка распылителя до Лямбда = бесконечности (чистый воздух) в зоне внешнего пламени. При ближайшем рассмотрении отдельной жидкой (свободной) капли можно отметить, что на ее поверхности (паровая зона ) имеют место локальные значения Лямбда от 0,3 до 1,5, обеспечивающие возможность самовоспламенения смеси (рис. 2 и 3). Из этого следует, что при тонком распыливании (много мелких капель), высоком коэффициенте избытка воздуха и «дозированном» движении заряда возникает множество локальных зон с небольшими значениями Лямбда, обеспечивающими воспламенение. Это потенциально обеспечивает при сгорании незначительное образование сажи и NOх


boschdiesel 56

Рис. 2 d  диаметр капли топлива (220 мкм)



Хорошее распыливание происходит благодаря высокому давлению впрыскивания (в настоящее время максимальные давления в опытных системах превышают 2000 бар). Таким образом, в цилиндре достигается высокая относительная скорость между факелом топлива и воздухом, что обеспечивает хороший распыл факела топлива.

boschdiesel 57

Рис.3

а  низкая относительная скорость Ь  высокая относительная скорость 1 Зона пламени 2. Зона паров 3. Капля топлива 4. Поток воздуха


С учетом минимизации массы двигателя и соответствующих этому затрат следует получать по возможности большую мощность с имеющегося рабочего объема. Для этого дизель должен работать с высокой нагрузкой при незначительном избытке воздуха, что, однако, повышает эмиссию вредных веществ. Именно поэтому коэффициент Лямбда должен находиться в определенных границах, устанавливаемых точным дозированием количества топлива в зависимости от количества воздуха в цилиндре и от частоты вращения коленчатого вала.

Низкое атмосферное давление также требует изменения цикловой подачи топлива с учетом недостатка воздуха.