коэффициенту диффузии, который, в свою очередь, возрастает с увеличением температуры и уменьшается с ростом давления; 3) обратно пропорционально упругости пара топлива, которая быстро растет с температурой испарения Эта температура повышается с увеличением температуры воздуха о. но рост температуры „ постепенно замедляется в связи с увеличением интенсивности испарения. Необходимо также отметить, что по мере испарения капли упругость пара несколько уменьшается вследствие более быстрого испарения наиболее легких фракций топлива.
Время перемешивания паров топлива с воздухом, т. е. собственно образование однородной смеси, зависит от турбулентности потока и обычно мало сравнительно с временем испарения.
При распыливании топлива получаются капли различных размеров (см, гл. XI), и время испарения капель различно. Поэтому в факеле топлива в начальный период происходит быстрое испарение мелких капель, а испарение более крупных капель затягивается. Неиспарившиеся капли топлива в смеси, поступающей в цилиндр карбюраторного двигателя, могут попадать на стенки цилиндра, в результате чего ухудшается экономичность работы, так как часть топлива не сгорает, и увеличивается износ деталей двигателя вследствие разжижения смазки топливом.
При образовании горючей смеси в карбюраторе некоторая часть капель топлива попадает на стенки впускного трубопровода и движется в виде пленки, увлекаемой потоком воздуха. Испарение пленки вследствие малой поверхности протекает медленно, и для улучшения испарения подогревают стенки впускного трубопровода, что приводит к увеличению упругости пара и, следовательно, ускоряет испарение.
Затрата теплоты на испарение приводит к понижению температуры смеси. Это понижение можно определить из выражения баланса теплоты
GCrTr + GcJ, {Gr + GJ с,,Т,, + 8Gr, (76)
где Gj и - весовые количества топлива и воздуха, в смеси;
су, и Срсм - весовые теплоемкости топлива, воздуха и смеси; Tjy и Tj - температура топлива, воздуха и смеси; г - скрытая теплота испарения; Ь - доля испарившегося топлива. Теплоемкость смеси
р. см
Полагая Tj- = = Т и Cj = Ср j (теплоемкости паров топлива), цз выражения (76) можно определить понижение температуры от испарения
ЪСтг
Gj-CrA- GfPp a Ст -f а/рСр.в
(77)
где а - коэффициент избытка воздуха;
/о - весовое теоретически необходимое количество воздуха.
Доля испарившегося топлива Б при входе смеси в цилиндр обычно составляет 60-80%, что определяет понижение температуры смеси вследствие испарения на 10-15°.
В рдиггтелях с внутренним смесеобразованием топливо распыливается внутри камеры сгорания. Совокупность капель, получающихся при распаде струи, образует факел топлива, движущийся в камере сгорания, причем объем факела увеличивается в результате подсасывания воздуха внутрь факела при движении капель. Распределение топлива в факеле обычно весьма
неравномерно. Для струйных форсунок наибольшая концентрация топлива наблюдается вдоль оси факела, для штифтовых, наоборот, факел представляет собой полый конус, внутри которого концентрация топлива невелика.
При движении факела в камере происходит некоторая сепарация капель по размерам. Мелкие капли затормаживаются скорее на небольшом расстоянии от форсунки, в то время как крупные капли, обладающие большей кинетической энергией, проникают в более удаленные части камеры сгорания. Подобная сепарация происходит также при впрыске топлива в поперечный поток воздуха, так как мелкие капли увлекаются потоком воздуха раньше, чем более крупные. При согласовании формы камеры сгорания с формой факелов распыленного топлива и образования соответствующих потоков воздуха в камере достигается более или менее равномер!гое распределение капель топлива и образуется неоднородная (двухфазная) топливо-воздушная смесь. При равномерном распределении капель одного диаметра в смеси, для которой соотношение между количеством топлива и воздуха соответствует стехиометрическому (а = 1), расстояния между каплями нефтяных топлив составляют около 17 диаметров капли при атмосферных условиях и около 8 диаметров для условий в камере сгорания двигателя с воспламенением от сжатия.
Во время движения капель в воздухе образующиеся пары удаляются с их поверхности и остаются в следе за каплями; при уменьшении скорости и, наконец, прекращении относительного движения вокруг каждой капли образуется сначала вытянутая, а затем почти сферическая оболочка смеси из паров топлива и воздуха, причем концентрация паров на поверхности капли соответствует упругости насыщенного пара при температуре этой поверхности и уменьшается по мере удаления от капли. Форма поля концентраций вокруг капли изменяется во времени и зависит также от концентрации паров в окружающей среде. Одновременно около капель возникает поле температур, так как теплота, затрачиваемая на испарение, поступает йз окружающей среды. Температура смеси на поверхности капли близка к температуре испарения, а на достаточном расстоянии от капли-температуре окружающей среды. Большая плотность расположения капель внутри факела вызывает понижение температуры вследствие испарения, что приводит к увеличению времени испарения капель.
В двигателях с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, в отличие от двигателей с посторонним зажиганием, получение однородной смеси нежелательно, так как в результате одновременного воспламенения и сгорания такой смеси происходит чрезмерно быстрое повышение давления в цилиндре, что ухудшает условия работы и увеличивает износ деталей механизма двигателя. Поэтому в двигателях с воспламенением от сжатия процесс смесеобразования стремятся осуществить параллельно с процессом горения, что оказывается возможным при образовании неоднородных смесей. В таких смесях при испарении капель, как было сказано выше, вокруг каждой капли появляются sofibi, в которых образуется горючая смесь, в то время как в других зонах пары топлива могут полностью отсутствовать (а = оо) или отсутствует воздух (а = 0). Следовательно, для неоднородных смесей понятие коэффициента избытка воздуха, определенного по общему соотношению количеств воздуха и топлива в свежем заряде, не характеризует действительного состава смеси в зоне смешения. Независимо от значения общего коэффициента избытка воздуха в неоднородной смеси возникают зоны, в которых состав смеси лежит в пределах, обеспечивающих возникновение и развитие реакций горения. Таким образом, изменением условий образования горючей смеси путем изменения, например, момента впрыска топлива, мелкости распыливания, длительности впрыска и др., а также изме-
нения температуры, давления и турбулентных характеристик в камере сгорания оказывается возможным воздействовать на протекание процессов воспламенения и горения и, следовательно, управлять изменением давлений в цилиндре двигателя.
0.8 oj
Фиг. 21. Изменение степени испарения капель дизельного топлива при давлении 30 uma:
приближенный расчет испарения капель топлива в камере двигателя с воспламенением от сжатия может быть проведен указанным ранее, методом. Результаты расчетов степени испарения Q„ капель дизельного топлива диаметром 10 и 20 мк в зависимости от времени при тем- пературе воздуха 500 и 600° С и
давлении 30 ата приведены на фиг. 21. Из диаграммы видно, что время полного испарения капель диаметром 10 мк составляет не более 1 миллисекунды.
В реальном факеле топлива находятся капли различных размеров. Кроме того, в средней части факела испарение капель замедляется из-за взаимодействия полей концентраций и температур соседних капель. Поэтому время испарения всех капель факела существенно больше, чем для отдельной капли, и к моменту воспламенения все топливо не успевает испариться. После воспламенения образовавшейся горючей смеси скорость испарения неиспарившихся" капель сильно возрастает вследствие повышения температуры.
§ 2. ТЕПЛОТВОРНОСТЬ СМЕСИ
В двигателях внутреннего сгорания топливо сжигается в замкнутом объеме цилиндра. Эффективность использования этого объема характеризуется количеством получаемой работы, а следовательно, количеством теплоты, выделяющейся в цилиндре в результате сжигания горючей смеси. Таким образом, эффективность использования объема цилиндра зависит от объемной теплотворности горючей смеси, т. е. от количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы ее объема Я.
Если теплотворность горючей смеси отнесена к 1 кг моль, то
ккал/кг моль.
(78)
для двигателей в кг моль/кг;
с воспламенением от сжатия
= aLo + - -для карбюраторны.х двигателей в кг моль/кг;
/И, = 2"/" - • газовых двигателей в кг моль/м. Теплотворность смеси, отнесенная к 1 м при 0° С и 760 мм рт. ст.
(79)
М[ = 22,4а
с воспламенением от сжатия
для двигателей в м/кг;
М[ = 22,4 аL„ -f -для карбюраторных двигателей в мкг; = 1 -- ccLq- для газовых двигателей в м/м.
