Смесеобразование в дизелях

Смесеобразованием называют прочес приготовления рабочей топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя с целью подготовки топлива к сгоранию. На смесеобразование в дизелях отводится незначительная часть времени рабочего цикла, соответствующая всего 15-40* поворота коленчатого вала. Практически за несколько тысячных долей секунды топливо в виде мелких капель должно равномерно распространиться по объёму камеры сгорания, прогреться, частично испариться и хорошо перемешаться с воздушным зарядом. От совершенства топливной аппаратуры и количества образования горючей топливовоздушной смеси зависят своевременность и полнота сгорания смеси и, следовательно эффективные и экономические показатели дизеля.    Различают следующие основные способы смесеобразования: объёмное, плёночное и объёмно-плёночное. Под объёмным смесеобразованием понимают получение горючей смеси при испарении капель топлива, подаваемого в воздушный заряд камеры сгорания. Топливо впрыскивается форсункой за 10-30* до прихода поршня в ВМТ под давлением 10-200 МПа.                                                                           При плёночном смесеобразовании основная доля топлива впрыскивается на горячие (200-400*С) стенки камеры сгорания, образуя на них тонкую плёнку. Испарение топлива происходит с поверхности плёнки, омываемой воздушным зарядом. Меньшая часть топлива, распыляемая в объёме камеры сгорания, воспламеняется в первую очередь и зажигает горючую смесь над плёнкой. Давление впрыска составляет 15-20 МПа.

Объёмно-плёночное смесеобразование представляет сочетание обоих способов и практически реализуется во всех дизелях. Быстротечность процесса смесеобразования и сравнительно низкая испаряемость дизельного топлива приводят к тому, что при всех способах смесеобразования частицы топлива распределяются в объёме камеры сгорания неравномерно. Разная концентрация топлива, т.е. различный состав смеси в отдельных зонах камеры сгорания, обусловливает обязательность подачи в цилиндр дизеля воздуха в большем количестве, чем это теоретически необходимо для полного сгорания топлива, поэтому дизели работают со значительным избытком воздуха (d=1,3-1,8 и более). Для уменьшения коэффициента избытка воздуха, т.е. для лучшего использования воздушного заряда в рабочем объёме цилиндра, необходимо повышать качество смесеобразования. В зависимости от конструкции и способа смесеобразования камеры сгорания дизелей могут быть неразделённые и разделённые.

Неразделённые камеры выполняют в виде единого объёма. Они компактны и имеют малые потери тепла, что обеспечивает хорошие пусковые и экономические показатели дизелей. Конструкция неразделённых камер разнообразна. Обычно их выполняют в днище поршня, иногда одновременно и в днище поршня и в головке блока, ещё реже – в головке цилиндра. В этих камерах используют форсунки с многодырчатыми распылителями (5-7 и более отверстий диаметром 0,15-0,55мм) и высокое давление впрыска. В неразделённых камерах сгорания при диаметрах цилиндра до 160-180мм применяют как объёмное, так и плёночное смесеобразование. С увеличением диаметра цилиндра предпочтение отдаётся объёмному смесеобразованию. Для его осуществления камере придают форму, соответствующую форме и размерам факела впрыскиваемого топлива. Недостатками неразделённых камер сгорания являются высокий коэффициент избытка воздуха (d=1,6-2.0), необходимый для получения бездымного сгорания, большая скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, высокие требования к качеству топлива и регулировке топливной аппаратуры. Следовательно, смесеобразование в них ухудшается при работе дизеля на переменных режимах и при износе сопряженных деталей топливной аппаратуры.                           В неразделённых камерах с объёмным смесеобразованием необходимо всё топливо равномерно распределить в воздушном заряде камеры, которая должна иметь такую конфигурацию, чтобы каждая частица топлива успела загораться раньше, чем достигнет стенок цилиндра. На некоторых дизелях для более полного перемешивания топлива используют принудительное завихрение воздуха. В четырёхтактных дизелях применяют впускные клапаны со специальным козырьком для завихрения, а в двухтактных – тангенциально-направленные продувочные окна. Наиболее часто используют форму камеры, которая напоминает горящие факелы топлива, а реже – полусферическую форму. Преимуществами объёмного смесеобразования являются простая и симметричная формы камеры, небольшие тепловые потери и хорошие пусковые качества. Неразделённая камера с плёночным смесеобразованием 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 15 МПа подаётся в виде тонкой плёнки на эту поверхность. Поджигание топлива, испарившегося с поверхности камеры, осуществляется вследствие воспламенения 5% топлива, направленного в центральную часть воздушного заряда. Дизели с плёночным смесеобразованием являются многтопливными, т.е. смогут работать на дизельном топливе, газойле и др.                                                            В них количество топлива, направляемого на стенки, зависит от формы камеры сгорания, расположения форсунок и др. Камеры с объёмно-плёночным смесеобразованием характеризуются невысоким давлением сгорания, плавной и мягкой работой.

Разделённые камеры состоят из двух сообщающихся объёмов. Воздушный заряд при этом размещается в надпоршневом пространстве и полости, расположенной обычно в головке (крышке) цилиндра, соединённой с надпоршневым пространством каналом относительно малого диаметра.                                                                  Различают два типа дизелей с разделёнными камерами сгорания: предкамерные и вихрекамерные. Они имеют хорошее смесеобразование, которое обеспечивается перетеканием заряда и рабочей смеси из одной полости в другую при сжатии и расширении в цилиндре. Это даёт возможность снизить требования к мелкости и равномерности распыления топлива, применять пониженное давление впрыска 10-17 МПа и удешевить стоимость форсунки. Дросселирующее действие каналов между полостями снижает жесткость работы двигателя и связанные с ней перегрузки деталей КШМ. Преимуществом разделённых камер является полное сгорание топлива при сравнительно малых коэффициентах избытка воздуха, а также более высокое среднее эффективное давление и литровая мощность, чем в дизелях с неразделёнными камерами и без наддува. Дизели с разделёнными камерами сгорания менее чувствительны к изменению скоростного режима, нарушениям процесса впрыска и качеству топлива. Однако из-за увеличения поверхности теплоотдачи в этих камерах теряется больше тепла, чем в неразделённых. Поэтому дизели с разделёнными камерами сгорания трудно запускаются и менее экономичны. Для облегчения пуска применяют повышенные степени сжатия и подогрев воздуха во впускном трубопроводе или в камере сгорания.

Предкамерные дизели имеют разделённую камеру сгорания, состоящую из основной камеры и предкамеры, сообщающейся с основной камерой одним или несколькими каналами. Предкамера чаще всего бывает цилиндрической формы, а форсунки располагаются по оси камеры и имеет однодырчатый распылитель. Процесс смесеобразования происходит следующим образом. При сжатии давление в цилиндре возрастает, и воздух большой скоростью через соединительные каналы входит в предкамеру, где происходит интенсивное вихреобразование. Благодаря этому топливо, впрыскиваемое за 10-20* до ВМТ в предкамеру, хорошо перемещается с воздухом и самовоспламеняется. В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка воздуха. 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. Преимущества предкамерных дизелей – это хорошее распыливание топлива струей газов, применение форсунок с низким давлением впрыскивания (8-12МПа), несложная конструкция топливного насоса, а также возможность использования тяжёлых сортов топлива без особенно тщательной очистки. Основным их недостатком является трудный запуск.                                                                                                                                  Камеры сгорания вихрекамерных дизелей имеют форму сферы и соединены с цилиндром одним или несколькими каналами. Объём вихревой камеры составляет 40-60% суммарного объёма камеры сгорания. В процессе сжатия воздушный заряд перетекает из надпоршневого пространства в вихревую камеру. Для облегчения запуска дизеля используется свеча подогрева воздуха. Топливо впрыскивается во вращающийся воздушный заряд форсункой в конце такта сжатия. Топливо частично испаряется в объёме камеры, частично – на её стенках. После воспламенения паров давление в вихревой камере резко повышается, благодаря чему продукты сгорания и пары топлива интенсивно выносятся в надпоршневое пространство. Хорошее перемешивание этих продуктов с воздухом при перетекании обеспечивает полное и бездымное последующее сгорание при малом коэффициенте избытка воздуха. В поршне обычно делают выемки для улучшения смесеобразования и снижения местного нагрева поршня.                          У некоторых вихревых камер имеется неохлаждаемая вставка из жаропрочной стали, которая играет роль теплового аккумулятора. Она принимает теплоту во время горения и отдаёт её при сжатии, вследствие чего сокращается период задержки воспламенения и обеспечивается хорошая работа дизеля на различных нагрузках. Воздушно-камерные дизели имеют разделённую камеру, состоящую из воздушной камеры в головке цилиндра и основной камеры сгорания в надпоршневом пространстве. Объём воздушной камеры у старых конструкций дизелей составляет около 70%, а у новых –до 25% объёма пространства камеры сгорания. Камеры сообщаются между собой узкой горловиной. Форсунка расположена вне воздушной камеры: струя топлива направляется к горловине, соединяющей обе камеры, и лишь частично попадает в воздушную камеру. В воздушной камере происходит первоначальная вспышка; давление в ней становится выше, чем в основной камере, и продукты сгорания вместе с воздухом устремляются в основную камеру навстречу струе топлива. Это способствует хорошему смесеобразованию топлива в основной камере. Весь процесс сгорания топлива может быть разделён на четыре фазы (1-4). Первая фаза (1) это период задержки воспламенения. Она охватывает время от начала подачи топлива в цилиндр (подъём иглы форсунки) до момента начала воспламенения топлива и повышения давления. В начале первой фазы происходят процессы подогрева, испарения, смешение топлива с воздухом и образования очагов воспламенения. Вторая фаза (2) – период быстрого сгорания. В процесс сгорания вступает всё топливо, поступившее в камеру сгорания в течение первой фазы и продолжающее поступать во второй фазе. Интенсивно растут давление и температура. От скорости нарастания давления во время второй фазы зависть жёсткость работы двигателя (появление в нём стуков). Отношение приращения давления в цилиндре от начала сгорания до ВТМ к углу поворота коленчатого вала за это же время и называют жёсткость работы двигателя. Характеристика жесткости работы дизеля зависит главным образом от длительности периода задержки самовоспламенения. Чем продолжительнее задержка воспламенения топлива, тем больше топлива, подаваемого форсункой, накапливается в цилиндре и тем самым больше топлива сгорает во второй фазе процесса. Это приводит к резкому возрастанию давления в цилиндре, увеличению напряжений в деталях и узлах, снижению КПД двигателя. Продолжительность второй фазы и характер нарастания давления при заданном режиме работы дизеля и данном регулировании обусловливаются продолжительностью периода задержки самовоспламенения и не поддаются непосредственному регулированию. Третья фаза (3) – это горение топлива. В течение этой фазы топливо, последовательно поступающее в цилиндр, подготовляется к сгоранию и сгорает. Воспламеняется оно не мгновенно, а через некоторый малый промежуток времени для каждой последующей порции топлива, что не сказывается на динамике процесса сгорания. Характер изменения давления в этой фазе зависит от закона и продолжительности подачи топлива, а также от интенсивности завихрений газа в цилиндре. Окончанием третьей фазы условно считается момент прекращения подачи топлива в цилиндр. Четвертая фаза (4) – это догорание топлива. Окончание подачи топлива не совпадает с концом сгорания всего впрыскиваемого в цилиндр топлива. В этот период происходит догорание топлива, поступившего в конце впрыска. Эффективность догорания топлива по ходу расширения мала. Затягивание догорания приводит к повышению температуры выпускных газов, увеличению тепловых потерь и расхода топлива. Чем быстроходнее дизель, тем заметнее это явление. Решающее значение на процесс сгорания топлива имеет угол опережения подачи топлива. Чем меньше угол опережения, тем при больших значениях давления и интенсивности завихрения воздуха начинается поступление топлива в цилиндр, а следовательно, тем благоприятнее условия подготовки топлива к самовоспламенению и тем меньше период задержки возгорания. Такая закономерность сохраняется до определённого предела, которому соответствует минимальный период задержки воспламенения. Минимальный период задержки воспламенения находится на грани неэкономичного взрывного сгорания топлива или догорания его в процессе расширения газов в цилиндре.