Способы смесеобразования. Конструкция камер сгорания.

Распределение топлива по КС осуществляется за счет кинетических энергий топлива и движущегося воздушного заряда. Соотношение этих энергий обусловлено способом смесеобразования и формой КС. В современных автомобильных дизелях нашли применение объемное, пристеночное (пленочное), комбинированное, предкамерное и вихревое смесеобразования. КС в сочетании с топливоподающей аппаратурой определяют условия протекания процессов смесеобразования и сгорания. Камеры сгорания предназначены обеспечивать:

– полное сгорание топлива при минимально возможном коэффициенте и в предельно короткий срок у ВМТ;

– плавное нарастание давления при сгорании и допустимые значения максимального давления цикла р_z;

– минимальные потери теплоты в стенки;

– приемлемые условия работы топливной аппаратуры.

Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме однополостных (неразделенных) камер сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Такие КС имеют малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной - отношением диаметра КС к диаметру цилиндра: d_кс/D = 0,750,85. Такая КС располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, КС и цилиндра совпадают (рис. 8б).

Рабочий цикл дизелей с объемным смесеобразованием характеризуется следующими особенностями:

– смесеобразование обеспечивается путем мелкого распыливания топлива при высоких максимальных давлениях впрыскивания (р_впрmах=50150 МПа), турбулизация в КС возникает вследствие вытеснения воздуха из зазора между буртом поршня и головкой цилиндра при подходе поршня к ВМТ;

– равномерное распределение топлива в воздухе обеспечивается посредством взаимного согласования формы КС с формой и расположением топливных факелов;

– протекание процесса сгорания на номинальном режиме осуществляется при б = 1,50-1,6 и более, т.к. в результате неравномерного распределения топлива по объему КС при меньшем б не удается обеспечить бездымного сгорания, несмотря на согласование форм камеры и факелов, а также применения высокого давления впрыскивания;

– рабочий цикл характеризуется высокими максимальными давлениями сгорания р_z и большими скоростями нарастания давления Др/Дц;

– двигатели с объемным смесеобразованием имеют высокий индикаторный к.п.д. из-за сравнительно быстрого сгорания топлива у ВМТ и меньших потерь теплоты в стенки КС, а также хорошие пусковые качества.

Важное значение имеет поверхность топливных струй, через которую происходит диффузия паров топлива в окружающий воздух. Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть i_c=360/20 = 18.

Величина проходного сечения распыливающих отверстий f_cопределяется типом и размерами дизеля, условиями перед впускными органами. Она существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания, ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим. Чем меньше количество распыливающих отверстий, тем более интенсивно приводится во вращательное движение для полного сгорания топлива воздух, т.к. в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов.

Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к ухудшению наполнения цилиндров воздухом. Увеличение максимального значения тангенциальной скорости _tmax вызывает уменьшение _v (рис. 9). Пристеночное смесеобразование. Способ смесеобразования, при котором топливо подается на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в виде тонкой пленки толщиной 1214 мкм, получил название пристеночного или пленочного.

Рис. 8. Камеры сгорания в поршне:

а) полусферическая типа дизелей ВТЗ; б) типа четырехтактных дизелей ЯМЗ и АМЗ; в) типа ЦНИДИ; г) типа дизелей "МАН"; д) типа "Дойтц"; е) типа дизеля Д-37М; ж) типа "Гессельман"; з) типа дизелей "Даймлер-Бенц"

Рис. 9. Зависимость коэффициента наполнения от значения тангенциальной составляющей скорости движения заряда

При таком смесеобразовании КС может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку КС, имеющей сферическую форму (рис. 8г), либо вблизи и вдоль стенки КС (рис. 8д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 5060 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания. Топливная пленка испаряется за счет теплоты поршня.

После начала горения процесс испарения резко возрастает под действием теплопередачи от пламени к пленке топлива. Испарившееся топливо уносится потоком воздуха и сгорает во фронте пламени, распространяющегося от очага воспламенения. При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарение существенно снижается температура заряда (до 150200 °С по осям струй). Это затрудняет воспламенение топлива вследствие уменьшения скорости химических реакций, предшествующих возникновению пламени.

Существенное улучшение воспламеняемости низкоцетановых топлив обесценивается при увеличении , которую у специальных многотопливных дизелей приходится повышать до 26. Для камер с пристеночным смесеобразованием опасность впрыскивания с недостаточной длиной топливных струй существенно меньше, чем в случае камер с объемным смесеобразованием. Поэтому повышение не вызывает ухудшения смесеобразования. При пристеночном способе смесеобразования требуется менее тонкое распыливание топлива. Максимальные величины давления впрыскивания не превышают 4045 МПа. Используют одно-два распыливающих отверстия большого диаметра.

В дизелях нашла применение КС, разработанная Центральным научно-исследовательским дизельным институтом (ЦНИДИ) (рис 8в). Топливные факелы в такой камере попадают на ее боковые стенки под входной кромкой. Отличительная особенность смесеобразования - встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме КС, и сближает этот процесс с объемным смесеобразованием. При использовании камеры ЦНИДИ применяют 35 сопловых отверстий. Параметры впрыскивания топлива близки к тем, которые имеют место в КС типа ВТЗ и ЯМЗ (рис. 8а, б).

Объемно-пристеночное смесеобразование. Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах КС, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Часть этого топлива непосредственно соприкасается со стенкой КС. Другая часть располагается в пограничном слое заряда. Частичное попадание топлива на стенки камеры сгорания и интенсивное перемешивание воздуха и частиц топлива снижают количество паров топлива, образующихся в период задержки воспламенения. В результате снижается и скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешивания резко возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершение сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200300 °С.

При d_кс/D = 0,5-0,6 (рис. 8а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения заряда при перетекании его в КС удается использовать 35 распыливающих отверстий достаточно большого диаметра. Значение тангенциальной составляющей скорости движения заряда достигает 2530 м/с. Максимальные значения давлений впрыскивания, как правило, не превышают 5080 МПа.

В связи с тем, что на такте расширения во время обратного перетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива переносится в пространство над вытеснителем, где имеется еще не использованный для сгорания воздух. Он не полностью участвует в процессе окисления. Поэтому стремятся уменьшить до минимума объем заряда, находящегося в пространстве между поршнем (при положении в ВМТ) и головкой цилиндра, доводя высоту его д_из (рис 8а) до 0,9-1 мм. При этом важной оказывается стабилизация зазора при изготовлении и ремонте дизеля. Положительные результаты обеспечивает также минимизация зазора между головкой поршня и гильзой и уменьшение расстояния от днища поршня до первого компрессионного кольца.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из основной и вспомогательной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые КС и предкамеры.

Вихревые камеры сгорания. Вихревая камера сгорания (рис. 10) представляет собой шаровое или цилиндрическое пространство, соединенное с надпоршневым пространством цилиндра тангенциальным каналом. Объем V_K вихревой КС 2 составляет примерно 60-80 % общего объема сжатия V_с, площадь f_cпоперечного сечения соединительного канала 3 cоставляет 1-5 % площади поршня F_п.

Как правило, в вихревых камерах сгорания используются закрытые форсунки 1 штифтового типа, обеспечивающие полый факел распыленного топлива.

При поступлении воздуха из цилиндра в вихревую камеру во время такта сжатия воздух интенсивно завихривается. Воздушный вихрь, непрерывно воздействуя на формирующийся топливный факел, способствует лучшему распыливанию топлива и смешиванию его с воздухом. В ходе начавшегося горения воздушный вихрь обеспечивает подвод к факелу свежего воздуха и отвод от него продуктов сгорания. При этом скорость вихря должна быть такой, чтобы за время впрыскивания топлива воздух мог совершить в камере сгорания не менее одного оборота.

Сгорание вначале происходит в вихревой камере. Повышающееся при этом давление вызывает перетекание продуктов сгорания и топливовоздушной смеси в цилиндр, где процесс сгорания завершается.

На рис. 11 представлены конструктивные элементы вихревых камер. Нижняя часть камеры, как правило, образуется специальной вставкой из жаропрочной стали, которая предохраняет головку от обгорания. Высокая температура вставки (800-900 К) способствует сокращению периода задержки воспламенения топлива в КС. Интенсивное вихреобразование и наличие вставки позволяют получить устойчивое протекание рабочего цикла в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов.

Вихрекамерный рабочий цикл обеспечивает бездымное сгорание топлива при малых коэффициентах избытка воздуха (б = 1,2-1,3) вследствие благоприятного влияния интенсивного воздушного вихря. Сгорание значительной части топлива в дополнительной камере, расположенной вне цилиндра, обусловливает снижение максимального давления сгорания (р_z=7-8 МПа) и скорости нарастания давления (0,3-0,4 МПа/°ПКВ) в надпоршневой полости цилиндра на полной нагрузке.

Рабочий цикл вихрекамерного двигателя менее чувствителен к качеству распыливания топлива, что позволяет использовать однодырчатые распылители с невысокими максимальными давлениями впрыскивания (р_впр = 20-25 МПа) и сопловым отверстием сравнительно большого диаметра - до 1,5 мм.

Основные недостатки вихрекамерного двигателя: повышенный удельный эффективный расход топлива, достигающий на режиме полной нагрузки 260270 г/(кВт·ч), а также худшие по сравнению с двигателями с неразделенными КС пусковые качества. Однако при использовании свечей накаливания в вихрекамере пусковые качества существенно улучшаются.

Более низкая экономичность вихрекамерных дизелей объясняется увеличением теплоотдачи в стенки основной и дополнительной КС вследствие более развитой их поверхности, наличия в КС интенсивного вихреобразования, больших гидравлических потерь при перетекании рабочего тела из цилиндра в вихревую камеру и обратно, а также зачастую увеличением продолжительности процесса сгорания. Ухудшение пусковых качеств двигателя обусловлено понижением температуры воздуха при перетекании в вихревую камеру и увеличением теплоотдачи в стенки вследствие развитой поверхности дополнительной КС.

К числу двигателей с вихрекамерным смесеобразованием относятся тракторные дизели СМД, ЗИЛ-136, Д50, Д54 и Д75, автомобильные дизели "Перкинс", "Ровер" (Великобритания) и др.

Предкамерные дизели. Объем предкамеры (рис. 12) составляет 25-35 % общего объема сжатия V_с. Площадь проходного сечения соединительных каналов равна 0,3-0,8 % площади поршня.

В КС используется однодырчатая (обычно штифтовая) форсунка 1, обеспечивающая впрыскивание топлива в направлении соединительных каналов 3.

В предкамерном дизеле воздух в процессе сжатия частично перетекает в предкамеру, где продолжает сжиматься. В нее же в конце сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется и горит, вызывая быстрое повышение давления. В объеме предкамеры сгорает часть топлива, т.к. количество воздуха в ней ограничено. Несгоревшее топливо продуктами сгорания выносится в цилиндр, где дополнительно распыливается и тщательно перемешивается с воздухом за счет образующихся интенсивных газовых потоков. Сгорание переносится в надпоршневое пространство, вызывая повышение давления в цилиндре.

Таким образом, в предкамерных дизелях для смесеобразования используется энергия газа, перетекающего из предкамеры вследствие предварительного сгорания части топлива в ее объеме.

Использование для смесеобразования газового потока позволяет интенсифицировать перемешивание топлива с воздухом при сравнительно грубом распыливании топлива форсункой. Поэтому в предкамерных дизелях сравнительно низкие начальные давления впрыскивания, не превышающие 10-15 МПа, а коэффициент избытка воздуха на режиме полной нагрузки составляет 1,3-1,

Другое важное преимущество предкамерных дизелей небольшая жесткость сгорания топлива . Давление газа в надпоршневом пространстве - не более 5,56 МПа вследствие дросселирования газа в соединительных каналах.

К преимуществам предкамерных дизелей следует отнести также меньшую чувствительность рабочего цикла к виду применяемого топлива и к изменению скоростного режима работы. Первое объясняется влиянием на условия воспламенения разогретой поверхности днища предкамеры, второе - независимостью энергии газового потока, вытекающего из предкамеры, от скорости движения поршня. Максимальная частота вращения для предкамерных дизелей малой размерности цилиндра (малого диаметра) составляет 30004000 мин^-1.

Основные недостатки предкамерного дизеля: низкая топливная экономичность вследствие тепловых и гидравлических потерь, возникающих при перетекании газов, из-за растянутости процесса сгорания, а также увеличенной суммарной поверхности КС. Среднее давление механических потерь р_м у предкамерных дизелей на 2535 % выше, чем у двигателей с неразделенными камерами, а удельный эффективный расход топлива равен 260290 г/(кВт·ч).

Как и вихрекамерные, дизели с предкамерным смесеобразованием имеют низкие пусковые качества. Поэтому эти дизели часто отличаются повышенной (до 18-20) степенью сжатия и снабжены пусковыми свечами накаливания.

В табл. 1 представлены статистические данные по двигателям с различным способом смесеобразования.

Таблица 1 Характеристика смесеобразования

Особенности смесеобразования при наддуве. Существенно большая цикловая подача топлива должна осуществляться за время, не большее, чем топливоподача в базовом дизеле без наддува. Для увеличения цикловой подачи топлива и сохранения общей продолжительности впрыскивания _дп можно увеличить до приемлемого предела эффективное проходное сечение распыливающих отверстий.

Вторая возможность - увеличение давлений впрыскивания. На практике обычно прибегают к сочетанию этих мероприятий. Увеличение давлений впрыскивания при прочих одинаковых условиях обеспечивает более мелкое и однородное распыливание топлива, что может способствовать повышению качества смесеобразования. Необходимую степень увеличения давлений впрыскивания устанавливают исходя из требуемой степени ускорения процесса смесеобразования. При впрыскивании в более плотную среду увеличивается угол рассеивания топливных струй.

Отмеченная величина _дп при необходимости может быть сокращена также другими, более трудоемкими способами, в частности путем увеличения диаметра плунжера топливного насоса и увеличения крутизны его кулачков. При модернизации дизелей с наддувом часто вносятся существенные изменения во все основные его системы и механизмы: снижают степень сжатия, частоту вращения n, изменяют угол опережения впрыскивания и т.д. Эти мероприятия, естественно, влияют и на смесеобразование в КС.

В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндре увеличивается с ростом частоты вращения n и нагрузки, а продолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй в слой воздуха за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечить более резкое увеличение значений давления впрыскивания с увеличением частоты вращения n и нагрузки, чем на дизеле без наддува. При высоких степенях форсирования наддувом применяются насосы-форсунки и топливные системы аккумуляторного типа. В малоразмерных вихрекамерных дизелях легковых автомобилей =21-23.