Смесеобразование в дизелях и типы камер сгорания

Смесеобразование – процесс приготовления горючей смеси из топлива и воздуха. Топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр под высоким давлением, вследствие чего образуется горячая смесь.

На качество смесеобразования влияет не только качество распыливания топлива, но и способ смесеобразования и тип камеры сгорания. Различают дизели с непосредственным впрыском топлива (или дизели с неразделенной камерой сгорания) и дизели с разделенной камерой сгорания.

По типам камер сгорания дизельные ДВС делят на:

1. дизели с неразделенной камерой сгорания (или с непосредственным впрыском топлива);

2. дизели с разделенной камерой сгорания.

Рассмотрим некоторые типичные схемы неразделенных камер сгорания (рис. 1.5). Камеры этого типа получили наиболее широкое применение. Процесс смесеобразования здесь идет в едином объеме,, поэтому к качеству распыливания предъявляют очень высокие требования. Для более полного распыливания топлива применяют только многодырчатые форсунки 4. Хорошее распыливание обеспечивается при высоком давлении впрыска (200-2000 кГ/см2).

Рис. 5. Неразделенные камеры сгорания:

а - днище сложной формы с выступающей центральной частью, б - днище поршня с выступающим краем, в - днище с полусферической выемкой, г - камера в поршне с объемно-пленочным смесеобразованием; / - поршень, 2 - днище поршня, 3 - головка цилиндра, 4 - форсунка

В неразделенных камерах с объемным смесеобразованием стремятся все топливо равномерно распределить в воздушном заряде камеры. Камера сгорания должна иметь такую конфигурацию, чтобы каждая частица топлива успела загореться раньше, чем достигнет стенок цилиндра. У некоторых дизелей для более полного перемешивания топлива используют принудительное завихрение воздуха. У четырехтактных дизелей применяют впускные клапаны со специальным козырьком для завихрения, а у двухтактных - тангенциально направленные продувочные окна. Наиболее часто применяют форму камеры, показанную на рис. 5, а, которая напоминает горящие факелы топлива. Реже используют сковородообразную форму (рис. 5, б) и полусферическую (рис. 5, в). Главные достоинства объемного смесеобразования- простая и симметричная форма камеры, небольшие тепловые потери и хорошие пусковые качества.

В неразделенных камерах с пленочным смесеобразованием камера имеет шарообразную форму и располагается в поршне. Форсунка установлена под очень малым углом к внутренней сферической поверхности камеры и примерно 95% топлива под давлением около 150 кГ/см2 подается в виде тонкой пленки на эту поверхность. Поджигание топлива, испарившегося с поверхности камеры, осуществляется вследствие воспламенения 5% топлива, направленного в центральную часть воздушного заряда. Дизели с пленочным смесеобразованием являются многотопливными, т. е. могут работать на дизельном топливе, газойле-и др.

На рис. 5, г показана неразделенная камера со смешанным (объемно-пленочным) смесеобразованием. Здесь количество топлива, направляемого на стенки, зависит от формы камеры сгорания, расположения форсунок и др. Камеры с объемно-пленочным смесеобразованием характеризуются невысоким давлением сгорания, плавной и мягкой работой.

Разделенную камеру сгорания имеют предкамерные дизели. У этих дизелей камера сгорания состоит из основной камеры и предкамеры, сообщающееся с основной камерой одним или несколькими каналами. Предкамера чаще всего имеет цилиндрическую форму, а форсунка располагается по оси камеры и имеет однодырчатый распылитель. Процесс смесеобразования происходит следующим образом. При ходе сжатия давление в цилиндре возрастает и воздух с большой скоростью через соединительные каналы входит в предкамеру, где. происходит интенсивное вихреобразование. Благодаря этому топливо, впрыскиваемое за 10-20° до в.м.т. в предкамеру, хорошо перемешивается с воздухом и воспламеняется.

В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка кислорода. Остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании выбрасывается с большой скоростью через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыливается, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

Неразделенные камеры (рис. 6) ограничены днищем поршня 1 и поверхностями стенок и головки 5 цилиндра 2. В этот объем форсункой 4 впрыскивается топливо, чаще всего в виде нескольких струй, через отверстия достаточно малого диаметра (0,2—0,4 мм). Форму камеры приспосабливают в известной мере к форме струи топлива, чтобы лучше использовать воздушный заряд в цилиндре.

В большинстве дизелей с неразделенными камерами сгорания конструкция впускной системы обеспечивает создание вращательного движения воздуха в цилиндре, которое в некоторой степени сохраняется до конца сжатия, способствуя качественному смесеобразованию и сгоранию. В рассматриваемых дизелях скорость движения воздуха у стенки камеры не превышает 30—35 м/с.

Рис. 6. Неразделенная камера сгорания дизеля:

1 — поршень, 2 — цилиндр, 3 — камера сгорания, 4 — форсунка, 5 — головка цилиндра

Недостаток дизелей с неразделенными камерами — необходимость в высоком давлении впрыска — до 20 МПа, что предъявляет повышенные требования к топливной аппаратуре. Кроме того, дизель весьма чувствителен к сорту топлива: использование тяжелого топлива оказывается невозможным. Качество смесеобразования ухудшается при понижении нагрузок и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух частей: основной камеры, расположенной над поршнем, и дополнительной, помещенной чаще всего в головке цилиндра. Основная и дополнительная камеры соединены между собой одним или несколькими каналами. Наибольшее распространение получили следующие два типа разделенных камер сгорания: вихревые камеры и предкамеры.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Топливные системы

Система питания дизелей топливом включает топливный бак, фильтры, топливоподкачивающий насос, насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и соединительную арматуру.

Топливные фильтры являются ответственным элементом системы питания дизелей, так как качество очистки топлива оказывает большое влияние на надежность работы топливного насоса и форсунок. Зазоры в прецизионных парах топливной аппаратуры находятся в пределах 15—25-1СН. Поэтому и размеры механических примесей в топливе после очистки не должны превышать указанных значений. Очистку топлива производят в фильтрах грубой и тонкой очистки. В двигателе А-01Л применяют трехступенчатую очистку, являющуюся контрольной очисткой в фильтре ТФ-3.

Топливоподкачивающий насос может быть поршневым, шестеренчатым и коловратным. Поршневые насосы получили наибольшее распространение, так как могут создавать разрежение, обеспечивающее подсос топлива из емкости, расположенной на 1,5—2 м ниже насоса. Поршень движется вверх под действием роликового толкателя, приводимого в движение от кулачка, вниз —под действием сжатых пружин. Топливоподкачивающий насос создает давление в топливопроводе низкого давления в пределах 0,15—0,2 МПа и должен иметь производительность, примерно в 5 раз превышающую максимальную потребность двигателя в топливе. Объясняется такой большой резерв производительности тем, что для выделения пузырьков воздуха из топлива оно должно непрерывно циркулировать во впускной полости насоса высокого давления.

Топливный насос высокого давления подает топливо через трубопровод и форсунки в камеры сгорания двигателя. На автотракторных дизелях применяются насосы плунжерного типа, в которых имеются секции для каждого цилиндра. Плунжер (рис. 8, а) получает движение от кулачкового вала через роликовый толкатель. Гильза имеет впускное окно. Подъем плунжера под действием кулачка сопровождается сжатием пружины 8, под действием которой плунжер опускается.

Характерные положения плунжера показаны на рис. 8, б.

Верхняя часть плунжера имеет продольную канавку (см. рис. 8, б), кольцевую выточку с винтовой (отсечной) кромкой. Такое устройство плунжера необходимо для регулирования количества подаваемого топлива за один цикл работы насоса поворотом плунжера. С этой целью на его хвостовик насажен зубчатый сектор (см. рис. 7, а), находящийся в постоянном зацеплении с зубчатой рейкой, которая системой тяг и рычагов связана с центробежным регулятором двигателя и с ручным управлением. При повороте плунжера, вызываемом движением зубчатой рейки, изменяется расстояние по вертикали h (см. рис. 7, б) между винтовой кромкой плунжера и нижней кромкой впускного отверстия.

Рис. 8. Принципиальная схема топливного насоса высокого давления: а — схема устройства: 1 — кулачковый вал; 2 — роликовый толкатель; 3 — плунжер; 4 — гильза; 5 — впускное окно; 6 — нагнетательный клапан; 7 —пружина; 8 — пружина обратного хода плунжера; б — характерные положения плунжера: /— ход плунжера без подачи топлива; // —начало подачи; /// — конец подачи (отсечка); 1 — плунжер; 2 — гильза; 3 — седло обратного клапана; 4 — обратный клапан; 5 —пружина клапана; 6 — цилиндрический (разгрузочный) поясок клапана; 7— впускное отверстие

Размер h показывает величину рабочего (не полного!) хода плунжера, который определяет количество подаваемого топлива.

Форсунки осуществляют впрыск топлива в камеру сгорания, подводимого к ним под высоким давлением.

Качество впрыска определяется: тонкостью и однородностью распыливания топлива; равномерным распределением частиц распыленного топлива, в камере сгорания; своевременным началом и окончанием впрыска; поддержанием требуемого давления впрыска при различных режимах работы двигателя.

Форсунки бывают двух типов — открытые, не разобщающие камеру сгорания с форсункой после впрыска, и закрытые, имеющие запорную иглу, открывающую сопловое отверстие форсунки на период впрыска топлива. Закрытые форсунки конструктивно сложнее, по они обеспечивают впрыск топлива на всех режимах работы двигателя под постоянным давлением и поэтому более распространены.