Фракционирование топлива во впускном тракте и качественная неравномерность распределения смеси
Рис. 21. Кривые фракционной разгонки пленки жидкого топлива. Числа у кривых означают количество пленки во впускном тракте в процентах от общего количества топлива в смеси: I - исходный, бензин (А-98)
Бензин - основное топливо для карбюраторных двигателей. Он является многокомпонентной смесью углеводородов, испаряемость которых в значительной степени различна. Естественно, что в процессе образования горючей смеси во впускном тракте карбюраторного двигателя переход отдельных фракций бензина в парообразное состояние происходит в определенной последовательности, которая в первую очередь определяется упругостью паров углеводородов, входящих в эти фракции. Это, конечно, не означает, что происходит последовательное выделение индивидуальных углеводородов в чистом виде, так как при испарении легкокипящих компонентов всегда испаряется и некоторая часть менее летучих составляющих. В специальных исследованиях, например в работах проф. А. С. Ирисова, это явление называется фракционированием топлива. Результатом фракционирования является постепенное "утяжеление" жидкой фазы топлива по мере уменьшения ее количества (рис. 21 и табл. 3).
Таблица 3
Плотность не испарившихся остатков автомобильного бензина с начальной плотностью 0,749 [3]
| Не испарившиеся остатки | Скорость потока смеси в м/сек | |||
| 10 | 20 | 30 | 40 | |
| Пленка | 0,763 | 0,764 | 0,766 | 0,771 |
| Капли | 0,770 | 0,772 | 0,773 | - |
В случае использования топлив с присадками испарение каждой присадки происходит одновременно с теми фракциями топлива, испаряемость которых соответствует испаряемости данной присадки (под присадкой в данном случае подразумевается индивидуальное вещество, а не композиция отдельных веществ).
|
|
|
Поэтому одновременно с фракционированием топлива в процессе смесеобразования наблюдается и перераспределение присадок между паровой и жидкой фазами топлива: в паровой фазе оказываются повышенные концентрации присадок, имеющих низкую по отношению к пределам выкипания топлива температуру кипения, и пониженные концентрации присадок с относительно высокой температурой кипения; в жидкой фазе, наоборот, - повышенные концентрации кипящих при высоких температурах и пониженные концентрации кипящих при низких температурах присадок.
Например, антидетонатор ТЭС, наиболее распространенная топливная присадка, имеет температуру кипения, соответствующую температуре выкипания самых тяжелых фракций современных бензинов (около 200°С). Поэтому концентрация ТЭС в пленке жидкого топлива прогрессивно возрастает по мере уменьшения ее количества (рис. 22).
|
|
|
Рис. 22. Изменение концентрации ТЭС (Стэс) в пленке жидкого топлива в зависимости от количества пленки (концентрация ТЭС в исходном бензине - 1 г/кг): К - количество пленки жидкого топлива в процентах от общего количества топлива в смеси
Таким образом, паровая и жидкая фазы топлива, а также части топлива, испаряющиеся в разное время, имеют разный фракционный состав и могут иметь неодинаковые концентрации топливных присадок. Если по каким-то причинам в отдельные цилиндры двигателя поступает смесь с неодинаковым соотношением паровой и жидкой фаз топлива или частей топлива, испаряющихся в разное время, это приводит к качественной неравномерности распределения смеси.
Рис. 23. Распределение смеси и ТЭС по цилиндрам четырехцилиндрового двигателя; n = 2200 об /мин; дроссельная заслонка открыта полностью [13]
Например, в исследованиях Даунза [13] использовался четырехцилиндровый двигатель, впускной тракт которого изображен на рис. 23 (впускной тракт этого двигателя аналогичен тракту двигателя "Боргвард"). Двигатель имеет порядок работы цилиндров 1 - 3 - 4 - 2. В соответствии с этим, в результате описанных выше явлений, происходящих во впускном тракте вследствие цикличности поступления горючей смеси в отдельные цилиндры, средние цилиндры двигателя, которые первыми после паузы всасывают смесь из общей полости, получают смесь более богатую1, чем крайние. Но, как было показано ранее, поступление в средние цилиндры более богатой смеси - следствие обогащения смеси в общих полостях впускного тракта за счет перераспределения жидкой фазы топлива. Следовательно, средние цилиндры, в которых всасывание происходит сразу после паузы, получают не только большее количество топлива в целом, но и большее относительное количество жидкой фазы топлива или частей топлива, испаряющихся в последнюю очередь. Так как основная масса ТЭС испаряется вместе с последними порциями бензина и при наличии жидкой фазы остается в ней (см. рис. 22), повышенные концентрации ТЭС наблюдаются в средних цилиндрах двигателя, получающих более богатую смесь (см. кривую С на рис. 23).
|
|
|
1(Здесь и в дальнейшем под цилиндрами с более богатой (более бедной) смесью понимаются цилиндры, получающие смесь более богатую (более бедную), чем смесь, приготовляемая карбюратором.)
Для объяснения основных закономерностей распределения по цилиндрам отдельных фракций бензина и топливных присадок, а также зависимости характера их распределения от характера количественной неравномерности распределения смеси и свойств отдельных топливных фракций и присадок, воспользуемся представленной на рис. 24 схемой.
|
|
|
Рис. 24. Схема образования качественной неравномерности распределения смеси: Q - количество отдельных фракций топлива в цилиндрах; С - концентрация отдельных фракций в топливе по цилиндрам; 1 - цилиндр, получающий более богатую смесь; 2 - цилиндр, получающий более бедную смесь; 3 - концентрация фракций в исходном топливе
Для упрощения анализа все топливо условно будем рассматривать состоящим из трех равных фракций: легкая - полностью испаряющаяся, тяжелая - целиком остающаяся в жидкой фазе и средняя, половина которой испаряется вместе с легкой, а вторая половина остается в жидкой фазе вместе с тяжелой фракцией.
Предположим, что количественная неравномерность распределения смеси между двумя цилиндрами обусловлена попаданием в них различного количества только жидкой фазы топлива, а паровая фаза распределяется равномерно. Тогда количество легкой фракции, целиком находящейся в паровой фазе, в обоих цилиндрах будет одинаковым, а количество тяжелой фракции, целиком остающейся в жидкой фазе, - неодинаковым. Количество средней фракции в цилиндрах, находящейся частично в паровой, а частично в жидкой фазах топлива, будет промежуточным между количествами легкой и тяжелой фракций. Очевидно, что при принятых условиях общее количество топлива в каждом цилиндре будет пропорционально количеству средней фракции, поступившему в данный цилиндр.
Если теперь перейти к концентрациям отдельных фракций в топливе по цилиндрам, т. е. рассматривать количество каждой фракции по отношению к общему количеству топлива в цилиндрах, то в цилиндре с более богатой смесью концентрация тяжелой фракции должна быть больше, а концентрация легкой фракции - меньше, чем в исходном топливе. В цилиндре с более бедной смесью, наоборот, концентрация тяжелой фракции должна быть меньше, а концентрация легкой фракции - больше, чем в исходном топливе. Концентрации средних фракций в обоих цилиндрах должны быть одинаковыми и равными концентрации их в исходном топливе.
Различные топливные присадки, с точки зрения распределения их по цилиндрам, можно рассматривать как отдельные компоненты соответствующих им по испаряемости топливных фракций [9]. Поэтому характер и степень неравномерности распределения присадок по цилиндрам при принятых условиях Целиком определяются распределением соответствующих отдельных фракций топлива. В цилиндрах с более богатой смесью должны быть повышенные концентрации присадок, испаряющихся вместе с тяжелыми фракциями топлива, и пониженные концентрации легкокипящих присадок. В цилиндрах с более бедной смесью должна наблюдаться противоположная картина.
Чем ближе присадка по испаряемости к средней фракции топлива, тем равномернее будет концентрация этой присадки в топливе по цилиндрам. Очевидно, что те присадки, испаряемость которых лежит выше или ниже пределов испаряемости топлива, с точки зрения распределения их по цилиндрам следует относить соответственно к самой тяжелой или самой легкой фракции топлива.
Зависимости характера и степени качественной неравномерности распределения смеси от характера количественной неравномерности и свойств отдельных топливных фракций и присадок рассмотрены для случая, когда количественная неравномерность распределения смеси образуется за счет неравномерного распределения только жидкой фазы топлива, содержащей лишь тяжелые и часть средних фракций топлива. При этом предполагалось, что паровая фаза, состоящая только из легких и части средних фракций топлива, распределяется равномерно.
В реальных условиях впускного тракта, во-первых, неравномерно может распределяться и паровая фаза топлива и, во-вторых, паровая фаза будет всегда содержать какую-то часть тяжелых, а жидкая фаза - легких фракций топлива. Другими словами, в реальных условиях количество даже самых легких фракций топлива по цилиндрам может быть в той или иной мере различным.
Путем соответствующего анализа можно показать, что рассмотренные зависимости оказываются справедливыми и для реальных условий, если учесть, что, как правило, степень неравномерности распределения жидкой фазы больше степени неравномерности распределения паровой фазы топлива. Также можно показать, что если, несмотря на малую вероятность, степень неравномерности распределения паровой фазы все же будет превышать степень неравномерности распределения жидкой фазы топлива, то зависимость характера качественной неравномерности распределения смеси от характера количественной неравномерности должна быть обратной. В этом случае в цилиндрах двигателя с более богатой смесью будут наблюдаться повышенные концентрации легких фракций и пониженные концентрации тяжелых фракций топлива, а в цилиндрах с более бедной смесью - повышенные концентрации тяжелых и пониженные концентрации легких фракций топлива. Распределение средних фракций топлива и в этом случае должно быть равномерным.
Кроме того, предполагалось, что количество топлива, находящегося в паровой фазе, равно количеству топлива, находящегося в жидкой фазе, так как распределение средних фракций между фазами топлива было принято равномерным. В реальных условиях соотношение фаз топлива в смеси, находящейся во впускном тракте, постоянно меняется и может быть самым разнообразным.
Характер неравномерности распределения по цилиндрам самых тяжелых и самых легких топливных фракций и соответствующих им присадок, а также присадок, испаряемость которых лежит за пределами испаряемости топлива, в общем случае никак не может зависеть от соотношения фаз топлива в смеси.
Если учесть, что в реальных условиях впускного тракта практически всегда существуют и паровая и жидкая фазы топлива, изменение соотношения фаз не должно существенно влиять и на степень неравномерности распределения этих топливных фракций и присадок. Это объясняется тем, что основная масса самых легких фракций и соответствующих им присадок будет находиться в паровой фазе топлива даже при очень малых ее количествах, а основная масса самых тяжелых фракций и соответствующих им присадок, наоборот, будет оставаться в жидкой фазе до тех пор, пока вообще существует эта фаза. Поэтому, несмотря на то, что соотношение фаз топлива в смеси может существенно влиять на степень количественной неравномерности распределения смеси, относительные количества самых тяжелых и самых легких топливных фракций и соответствующих им присадок в топливе по цилиндрам будут меняться при этом незначительно. Этим, вероятно, объясняется показанное Купером, Кортни и Холлом [9] небольшое влияние испаряемости базового топлива на степень неравномерности распределения ТЭС (рис. 25). Как видно из рис. 25, существенное изменение испаряемости базового топлива, характеризуемой температурой выкипания 90% топлива по кривой фракционной разгонки, незначительно изменяет концентрацию ТЭС в топливе по цилиндрам.
Иначе обстоит дело с зависимостью от соотношения фаз топлива в смеси характера и степени неравномерности распределения по цилиндрам средних фракций топлива и соответствующих им присадок.
Необходимо отметить большую условность понятия "средние фракции топлива и соответствующие им присадки", так как верхний и нижний пределы испаряемости топлива отличаются между собой довольно сильно, и все фракции и присадки, испаряемость которых находится в этих пределах, можно в какой-то мере считать средними. Такая необходимость объясняется тем, что характер и степень неравномерности распределения отдельных топливных фракций и присадок по цилиндрам определяются в первую очередь распределением их между паровой и жидкой фазами топлива. Последнее, в свою очередь, зависит не только от соотношения фаз топлива в смеси, но и от относительной испаряемости каждой "средней" фракции или присадки. Поэтому чем больше топливная фракция или присадка приближается по испаряемости к верхнему или нижнему пределу испаряемости топлива, тем больше характер и степень неравномерности ее распределения приближаются к характеру и степени неравномерности распределения соответственно самой тяжелой или самой легкой фракции топлива и соответствующих им присадок. Однако, и это следует особо подчеркнуть, независимо от соотношения фаз топлива в смеси любая "средняя" топливная фракция или присадка должна распределяться более равномерно, чем самая тяжелая и самая легкая фракции топлива. Как показывает практика исследований, при использовании торговых бензинов нормальной испаряемости наилучшим распределением характеризуются топливные фракции и присадки, температура кипения которых соответствует примерно температуре выкипания 50% топлива по кривой фракционной разгонки [9, 10].
Рис. 25. Влияние испаряемости базового топлива на распределение ТЭС по цилиндрам V-образного восьмицилиндрового двигателя (за 100% принята концентрация ТЭС в топливе, поступающем в карбюратор; n = 800 об/мин; дроссельная заслонка прикрыта на 10°): 1 - смесь эталонного изооктана, с нормальным гептаном, tкип = 100°С; 2 - бензин t90% = 142°С; 3 - бензин, t90% = 166°C; 4 - бензин t90% = 193°С [9]
Разобранные зависимости качественной неравномерности распределения смеси (рис. 24) позволяют полностью объяснить имеющиеся в литературе экспериментальные данные по качеству топлива в смеси по цилиндрам.
Для примера рассмотрим данные, полученные Купером, Кортни и Холлом. Использование радиоактивных изотопов дало возможность этим исследователям определить распределение по цилиндрам V-образного восьмицилиндрового двигателя всевозможных компонентов топлива, начиная с отдельных фракций обычных торговых бензинов и кончая разнообразными топливными присадками, в качестве которых использовались и индивидуальные углеводороды. На рис. 26 представлены некоторые результаты исследования, показывающие на одном из режимов работы двигателя количественную неравномерность распределения смеси (рис. 26, а) и качественную неравномерность как с точки зрения фракционного состава топлива, поступающего в отдельные цилиндры (рис. 26,6), так и с точки зрения наиболее характерных топливных присадок (рис. 26, в, г, д). Концентрация присадок в топливе по цилиндрам дана в процентах. За 100% принята концентрация присадок в топливе, поступающем в карбюратор.
Рис. 26. Неравномерность распределения смеси по цилиндрам V-образного восьмицилиндрового двигателя (n = 2400 об/мин, дроссельная заслонка прикрыта на 40°): а - количественная неравномерность распределения смеси; б - распределение отдельных фракций топлива; в - распределение антидетонационных присадок; г - распределение выносителей; д - распределение фосфорных присадок и индивидуальных, углеводородов; I - АКЗЗХ, tкип = 233°С; II - ТЭС, tкип = 202°С; III - этилтреметилсвинец, tкип = 134,5°С; IV - этилен хлористый, tкип = 84°С; V - этилен бромистый, tкип = 131,5°С; VI - дибромтолуол, tкип = 245°С; VII - фосфорная присадка 'G', tкип = 300°С; VIII - фосфорная присадка 'V', tкип = 193°С; IX - толуол, tкип = 111°С; Х - циклопентан, tкип = 50°С; К - содержание в цилиндрах отдельных фракций в процентах от общего количества данной фракции; Р - объемные фракции бензина (по кривой фракционной разгонки) [9]
Из графика на рис. 26, б видно, что если количество отдельных фракций бензина в каждом цилиндре рассматривать относительно общего количества бензина, поступающего в данный цилиндр, то в цилиндрах с более богатой смесью наблюдается большее количество тяжелых фракций и меньшее количество легких фракций, а в цилиндрах с более бедной смесью, наоборот, большее количество легких и меньшее - тяжелых фракций бензина. Относительное количество средних фракций как в цилиндрах с более богатой, так и в цилиндрах с более бедной смесью примерно пропорционально общему количеству бензина, поступающему в каждый цилиндр.
В соответствии с относительными количествами отдельных фракций бензина в цилиндрах двигателя оказывается и изменение концентраций присадок в топливе по цилиндрам в зависимости от температуры кипения присадок (рис. 26, в - д): по мере повышения температуры кипения присадок концентрация их в топливе, поступающем в обогащенные цилиндры, увеличивается, а в обедненные - уменьшается. Поэтому в цилиндрах с более богатой смесью наблюдаются повышенные концентрации присадок, температура кипения которых соответствует пределам выкипания тяжелых фракций бензина, и пониженные концентрации присадок с температурой кипения, соответствующей пределам выкипания легких фракций бензина. В цилиндрах с более бедной смесью наблюдается обратная картина. Концентрации же присадок, имеющих температуру кипения, соответствующую пределам выкипания средних фракций бензина, например толуола, кипящего при 111°С (рис. 26, д), оказываются примерно одинаковыми во всех цилиндрах двигателя.
На рис. 27 показана средняя по всем восьми цилиндрам степень неравномерности распределения топливных компонентов в зависимости от их температуры кипения. Эти данные очень наглядно иллюстрируют высказанное выше положение о том, что степень неравномерности распределения присадок, температура кипения которых лежит выше верхнего предела выкипания бензина (в данном случае использовался бензин с температурой конца фракционной разгонки 205°С), очень мало зависит от абсолютного значения температуры кипения присадки. Из рис. 27 видно также, что по мере приближения температуры кипения присадки к температуре выкипания средних фракций бензина средняя степень неравномерности распределения ее по цилиндрам уменьшается, образуя минимум при температуре 110 - 115° С.
Рис. 27. Средняя степень неравномерности распределения топливных компонентов по цилиндрам V-образного восьмицилиндрового двигателя в зависимости от температуры их кипения: 1 - циклопентан; 2 - толуол; 3 - ксилол; 4 - n-цимол; 5 - тетралин; 6 - н. октадекан; 7 - тетраэтилсвинец; 8 - этилтриметилсвинец; 9 - АКЗЗХ; 10 - этилен хлористый; 11 - этилен бромистый; 12 - дибромтолуол; 13 - фосфор 'R'; 14 - фосфор 'G'; 15 - фосфор 'V' [9]
Анализ причин образования качественной неравномерности распределения смеси и особенностей распределения отдельных топливных фракций и присадок по цилиндрам двигателя показывает, что между количественной и качественной неравномерностью распределения смеси существует определенная и вполне закономерная связь. Эта связь, с одной стороны, позволяет при известных причинах образования количественной неравномерности распределения смеси и характере этой неравномерности с достаточной точностью предположить и наиболее вероятный характер качественной неравномерности распределения смеси. С другой стороны, по характеру количественной и качественной неравномерности распределения смеси эта связь дает возможность представить себе характер явлений, происходящих во впускном тракте двигателя, что особенно важно для выявления конкретных причин образования неравномерности распределения смеси и определения способов устранения этих причин.
Существование этой связи не означает неизбежности качественной неравномерности распределения смеси при наличии количественной неравномерности. Точно так же нельзя говорить о том, что отсутствие в каком-то конкретном случае количественной неравномерности распределения смеси само по себе исключает возможность существования при этом качественной неравномерности. Во всем этом легко убедиться, если предположить, что при различном общем количестве топлива в смеси, поступающей в отдельные ветви и патрубки впускного тракта, соотношения паровой и жидкой фаз топлива в разных ветвях и патрубках будут примерно одинаковы или, наоборот, примерно равные количества топлива в отдельных ветвях и патрубках впускного тракта будут наблюдаться при различных соотношениях паровой и жидкой фаз топлива. Основанием для таких предположений является тот факт, что иногда паровая фаза топлива может быть неравномерно распределена в потоке горючей смеси.
* * *
При рассмотрении причин неравномерного распределения смеси использовались экспериментальные данные, полученные на конкретных двигателях. В подавляющем большинстве случаев характер и степень неравномерности обусловливались одновременным действием целого ряда отдельных факторов, между которыми существуют весьма сложные связи. Из всех причин, действующих в каждом двигателе, искусственно выделялась по возможности лишь одна, которая свойственна не только данному конкретному двигателю, но типична и для карбюраторных двигателей вообще. Таким путем были последовательно рассмотрены основные возможные причины образования неравномерного распределения смеси по цилиндрам карбюраторного двигателя, которые могут действовать в различных сочетаниях в зависимости от конструктивной схемы впускного тракта.
Анализ причин показал, что поступление в отдельные цилиндры двигателя горючей смеси различного качества есть следствие или неравномерного распределения топлива по длине и поперечному сечению потока смеси, поступающей в зоны разделения впускного тракта на отдельные ветви и патрубки, или явлений, происходящих непосредственно в зонах разделения. Таким образом, для равномерного распределения смеси по цилиндрам конструкция впускной системы должна отвечать следующим общим требованиям:
а) паровая и жидкая фазы топлива в потоке смеси, поступающей в каждую зону разделения, должны быть распределены равномерно или, по крайней мере, симметрично относительно плоскости деления потока горючей смеси в этой зоне;
б) условия входа горючей смеси в отдельные ветви и патрубки, берущие начало в каждой данной зоне разделения впускного тракта, должны быть одинаковы.
Опыт показывает, что в большинстве случаев изменением конструкции элементов впускного тракта можно практически устранить действие каждой отдельной причины неравномерного распределения смеси. Это дает основание считать, что неравномерное распределение смеси по цилиндрам не является обязательным свойством карбюраторного двигателя и что при соответствующем конструктивном выполнении впускной системы можно обеспечить поступление во все цилиндры двигателя достаточно близкой по своим качествам смеси.
При конструировании впускных систем следует добиваться не только равномерного распределения смеси по цилиндрам, но и выполнять другие не менее важные условия (обеспечить мощностные и экономические удельные показатели, компактность и технологичность конструкции, удобство обслуживания и т. п.). Поэтому при проектировании трудно, а часто и невозможно предусмотреть во всех элементах впускного тракта исключение условий для неравномерного распределения смеси по цилиндрам, что вызывает необходимость в последующей экспериментальной доводке впускной системы. Следует иметь в виду, что сложная взаимосвязь явлений, вызывающих неравномерное распределение смеси, затрудняет исследования моделей впускных трактов в этом направлении на безмоторных стендах. Поэтому окончательную экспериментальную доводку впускного тракта необходимо проводить применительно к условиям реального двигателя.
Иногда при доводке полное устранение причин неравномерного распределения смеси сопряжено с большими техническими трудностями. В этих случаях может оказаться полезным использование так называемого компенсационного метода улучшения распределения смеси. Сущность метода заключается в том, что действие одного явления, вызывающего определенное перераспределение топлива по сечению потока смеси, компенсируется другим явлением, вызывающим перераспределение топлива в об ратном направлении (см. ниже, опыты, проведенные на двигателе МЗМА с карбюратором, повернутым на 180° в горизонтальной плоскости). Но этот метод трудно осуществить в условиях широкого диапазона изменения режимов работы двигателя, а кроме того, этому методу свойственны и другие недостатки:
1) если взаимно компенсирующие явления происходят в различных элементах системы впуска, то замена любого из этих элементов (например, карбюратора) вызывает ухудшение распределения смеси по цилиндрам;
2) в случае, когда взаимно компенсирующие явления происходят в различных участках тракта (пусть даже в пределах одного и того же элемента системы впуска), создаются условия для образования качественной неравномерности распределения смеси по цилиндрам.
Последнее объясняется тем, что перераспределению в потоке смеси в большей степени подвержена жидкая фаза топлива. Поскольку в процессе перемещения смеси по тракту постоянно происходит фракционирование топлива, постольку при расположении взаимно компенсирующих явлений на различных участках тракта выравнивание распределения общей массы топлива в потоке смеси влечет за собой образование различия качества топлива по потоку, а следовательно, и возможность качественной неравномерности распределения смеси по цилиндрам.
Проявление указанных недостатков компенсационного способа зависит от того, как расположены во впускном тракте взаимно компенсирующие явления. Первый недостаток может быть исключен, если оба явления будут происходить в одном элементе системы впуска (или только в карбюраторе, или только во впускной трубе). Влияние второго недостатка может быть снижено путем сближения по длине потока взаимно компенсирующих явлений.
Для того чтобы правильно выбрать способ устранения неравномерного распределения смеси в конкретном двигателе и наметить необходимые конструктивные мероприятия, следует прежде всего выявить основные причины, вызывающие неравномерное распределение смеси по цилиндрам. Ниже на примере доводки опытного двигателя МЗМА будут рассмотрены последовательность и методика приемов исследования причин образования неидентичности качества смеси по цилиндрам.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 389; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!