Необходимым условием возникновения и развития реакций горения является предварительное смешение реагентов. Во многих случаях скорость горения определяется не временем, необходимым для протекания химических реакций, а временем ввода компонентов в зону реакции, т. е. скоростью образования горючей смеси из топлива и окислителя (воздуха).
Образование горючей смеси может быть осуществлено или до начала •сгорания, или смесь может сжигаться по мере ее образования. Первый из этих способов смесеобразования осуществляется в двигателях с принудительным зажиганием, а второй - в двигателях с воспламенением от сжатия.
Если топливо так равномерно распределено в воздухе, что вблизи каждой молекулы топлива находится одинаковое число молекул кислорода, то такую равномерную смесь называют однородной. Получить однородную смесь возможно только при условии, если компоненты находятся в одинаковом агрегатном состоянии, и если для процесса смешения предоставляется достаточный промежуток времени, длительность которого зависит от свойств компонентов и условий перемешивания. Таким образом однородная топливо-воздушная смесь может быть получена только в случае газо- и парообразных топлив. Для получения однородной смеси из жидкого топлива необходимо его предварительное испарение.
Смешение компонентов, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии, может происходить в результате молекулярной диффузии, т. е. взаимного проникания молекул каждого из компонентов в другой через поверхность раздела неподвижных объемов или ламинарных потоков компонентов. Однако процессы молекулярной диффузии протекают относительно медленно и не могут обеспечить образования однородной смеси в короткий промежуток времени, предоставляемый для смесеобразования в рабочем цикле двигателя. Более интенсивное смесеобразование может быть получено путем перемеши" вания турбулентных потоков ко.мпонентов, при котором в дополнение к люле-кулярной возникает турбулентная диффузия. В этом случае происходит обмен уже не отдельными молекулами, а некоторыми объемами компонентов; размер этих объемов зависит от масштаба турбулентности. Поэтому скорость и совершенство смешения определяется не только физическими свойстваАШ компонентов, а главным образом турбулентными характеристиками смешиваемых потоков. В обоих случаях, однако, количество д.ис}хЬундиру10 щегр .газа пропорционально поверхности соирик.оеновения газовых noTOKOjB-Поэто.му для ускорешт. смссеобразова ни я п оток одного из смешиваемых ком-тон£ШШ--Деля1а ряд отдельных струй,„ прошзывающих другой потрк7 Jпpичeм для. yшшчшlляJlйyшшCiCxи..потоки.ндпрзвляют под углом один относительно другого ---
4 Орлин и др. 2146
Хорошее перемешивание газообразных компонентов можно получить, если количества обоих компонентов примерно одинаковы. Такой случай наблюдается при образовании горючей смеси из генераторного газа, для которого теоретически необходимое объемное количество воздуха примерно равно количеству газа. Значительно труднее получить однородную смесь из природного газа, так как для него объемы газа и воздуха (при а = 1) относятся примерно как 1 9. Наконец, особые трудности представляет получение однородной смеси из воздуха и паров жидкого.топлива, так как, например, даже для "наиболее легкого горючего - бензина отношение объемов паров топлива [Коздуха в смеси при а = 1 составляет около 1 • 50. Это приводит к необ-JЮдимocти аза.ться-от способа смехищя потоко.в лвух однофазных компонентов и перейти к другому способу смесеобразования.
Этот способ состоит в распределении в воздушном потоке или объеме воздуха мелких капель, полученных распыливанием струи жидкого топлива, выталкиваемой под некоторым напором из отверстия малого диаметра. В результате, капли топлива, движущиеся с определенной скоростью, проникают в поток воздуха и могут быть распределены в нем более или менее равномерно. Таким образом, при этом способе смесеобразования получается прежде всего неоднородная (двухфазная) смесь, состоящая из воздуха и капель жидкого топлива. В дальнейшем топливо начинает испаряться с поверхности капель, пары топлива диффундируют в окружающий воздух, концентрация топлива в воздухе быстро выравнивается, в особенности при наличии турбулентных пульсаций, и получается однородная смесь, если время, предоставленное для выравнивания концентраций, достаточно Скорость испарения определяется из выражения
-РДр„/ кг/сек, (73)
где - коэффициент испарения, отнесенный к разности
упругостей паров, в 1/сек; Др„ = р„ - р„о - разность упругостей паров топлива на поверхности капли и в окружающей среде в кг/см: / - поверхность капель в см. Выражение (73) показывает, что для увеличения скорости испарения необходимо увеличивать поверхность испарения,. Это возможно путем улучшения мелкости распыливания. дзк .как общая поверхность всех капель, полученных при распыливании некоторого объема жидкости, растет обратно пропорциональнодиаметру капель. Так, при распыливании 1 см топлива (поверхность шара объемом 1 см равна 4,85 см) на капли диаметром 20 мк общая поверхность всех получающихся примерно 240-10 капель составит приблизительно 3000 см.
В начальный момент испарения в окружающем воздухе паров топлива нет, т. е. р„о = 0; в дальнейшем по мере испарения давление pQ растет. Значение упругости (парциального давления) паров при полком испарении может быть получено из характеристических уравнений для воздуха, пара и смеси.
Температура поверхности капли, определяющая упругость пара р„, зависит от свойств топлива: его теплоемкости и скрытой теплоты испарения, а также от параметров окружающего воздуха (температуры и давления). Теплоту, затрачиваемую на нагрев и испарение жидкости, капля получает от воздуха вследствие теплопередачи. Если в начальный период испарения температура капли выше или равна температуре воздуха, то испарение происходит за счет уменьшения теплосодержания капли, и ее температура понижается. В результате образовавшейся разности температур возникает тепловой поток из окружающей среды к капле, компенсирующий затрату теплоты
на испарение. Таким образом, устанавливается некоторая равновесная температура испарения (меньшая температуры окружаюш.ей среды о). при которой количество подводящейся к капле извне теплоты равно количеству теплоты, затрачиваемой на нагрев и испарение жидкости и перегрев пара до температуры окружающей среды.
Интенсивность нагрева илсдарения зависит от относительной скорости движения капли в воздухе, его температуры и давлшия, а также от свойств пливаГСкорость движения капли в в.оздухе зависит от давлемя, под кото: 1м вытекает струя топлива из отверстия, и от скорости и направления jipTOKa воздуа При распыливании в карбюраторе в начальный момент отно- " сительная скорость равна разности скоростей воздушного потока в диффузоре карбюратора и скорости истечения топлива из форсунки. Затем капля увлекается потоком и относительная скорость становится равной нулю. При распыливании топлива в камере сгорания двигателя с внутренним смесеобразованием в момент распада струи на капли относительная скорость практически равна скорости истечения из форсунки. Затем капли затормаживаются вследствие сопротивления воздуха, относительная скорость уменьшается до нуля -И далее капли движутся только вместе с воздушным потоком в камере, который может быть создан в процессе наполнения цилиндра или возникает в результате впрыска топлива.
Топливная аппаратура поршневых двигателей обеспечивает получение* неоднородной смеси с каплями диаметром обычно в пределах от 5 до 50 мк, причем наибольшее число капель имеют диаметр 10-30 мк. Капли такого диаметра весьма быстро увлекаются (или тормозятся) воздухом и поэтому количество топлива, испарившегося в период изменения относительной скорости, невелико. Турбулентные пульсации также не могут значительно ускорить испарение, так как обычно масштаб интенсивных пульсаций существенно больше размеров капель, и они увлекаются этими пульсациями. Кроме ного, для таких мелких капель время прогрева (или охлаждения) до равновесной температуры испарения также мало. В первом приближении можно пренебречь периодом установления стационарного гидродинамического й теплового режимов и предположить, что неподвижные относительно воздуха капли испаряются при постоянной равновесной температуре и, следовательно, упругость паров топлива также постоянна. Тогда, используя уравнение (73) и известные из теории теплообмена выражения для коэффициента теплопередачи и коэффициента испарения, можно получить зависимости размеров капли от времени испарения. Если обозначить х~ диаметр капли через промежуток времени т после начала испарения, то
х1 = х1 - Кг, (74)
где Xq - диаметр капли в начальный момент времени;
А =---;
Dp - коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления; f - удельный вес топлива.
Время полного испарения определяется, если положить Xz = О,
D,Ap,
(75)
Выражение (75) .показывает, что время полного испарения: 1) прямо пропорционально квадрату начального диаметра капли, т. е. быстро уменьшается с улучшением мелкости распыливания; 2) обратно пропорционально.. 4*
