Устройство автомобилей




Смесеобразование в дизелях




Как известно, для того, чтобы топливо сгорело и выделило теплоту, необходим кислород, поскольку горение - это процесс окисления топлива (горючего вещества), т. е. соединения его с кислородом. И если кислорода будет недостаточно, то даже самое пожаро- и взрывоопасное горючее вещество гореть не будет.
Вся эта философия в полной мере относится и к тепловым двигателям. Чтобы топливо в камере сгорания начало гореть, необходим кислород, который в нашем случае подается в цилиндры с атмосферным воздухом.
смесеобразование в дизеле Но и это еще не все. Топливо в цилиндрах должно сгорать очень быстро, иначе то, что не успело сгореть «вылетит в трубу» в буквальном смысле этого слова.
Скорость горения напрямую зависит от того, насколько быстро и качественно мы перемешаем воздух с топливом в цилиндре перед воспламенением.
Процесс перемешивания топлива с воздухом перед сгоранием этой смеси называется смесеобразованием. Качественное смесеобразование - залог эффективной и экономичной работы любого теплового двигателя.

В карбюраторных двигателях бензин перемешивается с воздухом сначала в карбюраторе, затем во время перемещения по впускному коллектору мимо впускного клапана в цилиндр, а также в течение тактов впуска и сжатия. В дизелях этому важнейшему процессу отводится чрезвычайно короткий миг - в камеру сгорания дизельных двигателей топливо подается в конце такта сжатия за 10…20 ˚ угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ). При этом оно подается в цилиндр не в смеси с воздухом, как в карбюраторном двигателе, а впрыскивается в «чистом виде», и лишь в цилиндрах оно получает возможность «встретиться» с кислородом воздуха, чтобы быстро перемешаться, сгореть и выделить тепло.

Время, отводимое на смесеобразование и сгорание смеси в дизелях примерно в пять-десять раз меньше, чем в карбюраторных двигателях и составляет не более 0,002…0, 01 секунды.
Поскольку сгорание происходит достаточно быстро, дизель работает «жестко» - в два-три раза жестче бензинового двигателя.
Следует отметить, что жесткость работы двигателя - измеряемый параметр (Ж = dp/dφ) – это скорость нарастания давления (dp) по углу поворота () коленчатого вала, поэтому ее можно рассчитать.

Несмотря на быстротечность сгорания в дизелях, его условно разделяют на четыре фазы, первая из которых называется периодом задержки воспламенения (0,001…0,003 сек). В это время происходит распад впрыскиваемого топлива на мельчайшие капли, которые, продвигаясь по камере сгорания, испаряются и смешиваются с воздухом, а также разгон химических реакций самовоспламенения. Следующие три фазы – фазы горения топливовоздушной смеси.

Если период задержки воспламенения оказывается продолжительным, то значительная часть топлива успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате одновременного воспламенения этой части по всему объему возникает резкое повышение давления в камере сгорания (жесткая работа) с ростом динамических нагрузок на детали и повышение уровня шума.
Поэтому длительный период задержки самовоспламенения не желателен. Он зависит от температурных условий, сорта топлива, нагрузки на двигатель и других факторов. Однако внутреннее смесеобразование в дизелях всегда определяет более жесткую работу по сравнению с карбюраторными двигателями.

Так как время на смесеобразование в дизеле очень мало, то для более полного сгорания топлива в его цилиндры воздуха вводят больше, чем в бензиновых двигателях (кроме инжекторных двигателей использующих непосредственный впрыск, где воздуха тоже впускают чуть больше нормы). Коэффициент избытка воздуха α в дизельных двигателях составляет от 1,4 до 2,2.

Таким образом, к смесеобразованию дизелей предъявляются высокие требования. Оно должно обеспечить равномерное перемешивание топлива с воздухом, постепенное сгорание топлива во времени, полное использование всего воздуха в камере сгорания при минимально возможном значении α, а также максимально мягкую работу дизеля.

***

Способы улучшения смесеобразования

Большинство задач повышения качества смесеобразования в дизельных двигателях во многом решаются путем выбора формы камеры сгорания.
Различают неразделенные камеры сгорания (однополостные) (рис. 1а, б) и разделенные (рис. 1,в).

способы повышения качества смесеобразования в дизеле

Неразделенные камеры сгорания представляют собой камеру, образованную днищем поршня, когда он находится в ВМТ, и плоскостью головки цилиндров. Неразделенные камеры сгорания применяют в основном в дизелях тракторов и грузовых автомобилей. Они позволяют повысить экономичность двигателя и его пусковые качества (особенно холодного двигателя).

Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные каналом 11. Вспомогательная камера может быть не только сферической, как показано на рис. 1, в, но и цилиндрической.
В первом случае она называется вихревой (дизели Д-50, СМД-114), во втором – предкамерой или, как ее чаще называют - форкамерной (КДМ-100).

Вихревая камера работает следующим образом. В головке цилиндров имеется шаровая полость – вихревая камера, соединенная каналом с основной камерой сгорания над поршнем. При движении поршня вверх во время сжатия воздух с большой скоростью входит в вихревую камеру по касательной к ее стенкам.
В результате этого поток воздуха закручивается со скоростью до 200 м/с. В этот раскаленный (700…900 К) воздушный вихрь форсунка впрыскивает топливо, которое воспламеняется и давление в камере резко возрастает.
Газы с недогоревшим топливом по каналу выбрасываются в основную камеру, где происходит догорание оставшегося топлива. Объем вихревой камеры составляет 40…60% общего объема камеры сгорания, т. е. примерно половину объема.




Предкамерные (форкамерные) двигатели имеют камеру из двух частей. Топливо впрыскивается в цилиндрическую предкамеру (форкамеру), и часть его (до 60%) воспламеняется. Процесс горения топлива протекает так же, как и в вихревой камере.

Разделенные камеры сгорания менее чувствительны к составу топлива, работают в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, обеспечивают более качественное смесеобразование и менее жесткую работу путем сокращения периода задержки воспламенения.
Однако их основным недостатком является затруднительный пуск двигателя и увеличенный расход топлива по сравнению с неразделенными камерами сгорания.

Иногда выделяют полуразделенные камеры сгорания (см. рис. 2), к которым относят камеры, образованные глубокими полостями в головке поршня. Процессы горения топливовоздушной смеси в таких камерах сходны с процессами горения в разделенных камерах, при этом впрыск топлива в полость поршня благотворно влияет на его охлаждение во время работы.

типы камер сгорания дизельных двигателей

На качество смесеобразования также оказывает значительное влияние взаимное направление и интенсивность движения топливных струй и заряда воздуха в камере сгорания. В связи с этим различают объемное смесеобразование, пленочное и объемно-пленочное.

Объемное смесеобразование отличается тем, что топливо впрыскивается непосредственно в толщу раскаленного воздуха, находящегося в объеме камеры сгорания. При этом для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом его свежему заряду сообщают вращательное движение с помощью завихрителей или винтовых впускных каналов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, впрыскиваемой форсункой.
Для нормальной работы дизеля с объемным смесеобразованием требуется очень высокое давление топлива на впрыске – до 100 МПа и более. Двигатели с таким смесеобразованием достаточно экономичны, но работают жестко (Ж = 0,6…1,0 МПа/град).

Пленочное смесеобразование характеризуется тем, что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной камеры сгорания, на которых образует пленку, а затем испаряется отнимая часть тепла от стенок.
Принципиальная разница между объемным и пленочным образованием заключается в том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредственно смешиваются с воздухом, а во втором основная часть топлива сначала испаряется, и уже в парообразном состоянии перемешивается с воздухом.
Пленочное смесеобразование используют двигатели фирмы MAN, некоторые двигатели семейства Д-120 и Д144. Этот способ обеспечивает приемлемую жесткость работы дизеля (Ж = 0,2…0,3 МПа/град) и неплохую экономичность, но требует поддержания температуры поршня в заданных пределах, обеспечивающих интенсивное испарение топливной пленки.

Объемно-пленочное смесеобразование сочетает в себе процессы объемного и пленочного смесеобразования. Такой способ смесеобразования используется, например, на отечественных двигателях ЗИЛ-645, где объемная камера сгорания располагается в поршне.
Форсунка, расположенная в головке блока, впрыскивает топливо через распылитель, имеющий два отверстия, в виде двух пылеобразных струй. Пристеночная струя направляется вдоль образующей камеры сгорания, создавая на ней тонкую пленку. Объемная струя направлена ближе к центру камеры сгорания.

Объемно-пленочное смесеобразование обеспечивает более мягкую работу дизельного двигателя (Ж = 0,25…0,4), приемлемые пусковые качества при хорошей экономичности, и применяется на большинстве современных дизелей. Выемки в поршне образуют форму камеры в виде тора (СМД, КамАЗ, ЯМЗ А-41, А-01) или усеченного конуса – дельтавидная камера (Д-243, Д-245).

Качество смесеобразования в дизельных двигателях можно повысить не только конструкцией и формой камеры сгорания. Большую роль играет технология самого процесса впрыска топлива форсункой.
Здесь конструкторы решают вопросы улучшения смесеобразования несколькими способами:

  • повышением давления впрыска, благодаря чему улучшается качество распыла топливной струи (один из путей достижения данной цели – применение насос-форсунок);
  • применением поэтапного (разделенного) впрыска, когда топливо в камеру сгорания подается в несколько приемов (поэтапный впрыск легко осуществить в системах питания, управляемых микроЭВМ);
  • подбором распылителей для форсунок, обеспечивающих оптимальную форму распыленной струи, количество струй и их направление.

***

Топливный бак и топливные фильтры дизеля