2.5. Формы камер сгорания дизельных двс
Неразделенные камеры сгорания.
В неразделенных камерах сгорания Рис.29 улучшение процесса распыливания топлива и перемешивания его с воздухом достигают за счет впрыскивания дизельного топлива под большим давлением (до 100 МПа) через несколько отверстий небольшого диаметра (0,10 – 0,25 мм) в форсунке.
Рис. 29. Неразделенные камеры сгорания
Большое давление в сочетании с малыми распыливающими отверстиями обеспечивает достаточно мелкое распыливание и более полное его сгорание. Двигатели с неразделенными камерами сгорания обладают хорошими пусковыми качествами и экономичностью. Это объясняется меньшими, чем в других дизелях, поверхностями охлаждения камер сгорания и отсутствием дросселирования газов при перетекании их из основной камеры сгорания в дополнительную и обратно, как это происходит в дизелях с разделенными камерами сгорания.
Однако, в этих камерах сгорания турбулентность воздуха меньше, чем в других камерах сгорания, вследствие чего теплопередача от сжатого горячего воздуха к вспрыскиваемому холодному топливу невелика и период задержки воспламенения удлиняется. Это приводит к увеличению скорости нарастания и давлению газов, работа дизеля становится жесткой, что увеличивает нагрузки и износ деталей кривошипного механизма.
При применении пленочного смесеобразования (Рис. 30), при котором основная масса топлива (около 95%), поданная форсункой, направляется на стенку камеры сгорания, обычно располагаемую в поршне и имеющую температуру более высокую, чем температура стенки цилиндра и верхней части камеры сгорания.
Небольшая часть впрыснутого топлива (около 5%), образовавшаяся за счет отрыва наиболее мелких капель от струи впрыснутого топлива, остается в объеме камеры сгорания.
Рис. 30. Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования
Это запальное топливо проходит все стадии химической и физической подготовки к самовоспламенению. Однако, ввиду его незначительного количества работа дизеля не может быть жесткой.
Основная масса топлива, поданная на стенку поршня, растекается по ней и под действием завихренного (при впуске) воздуха, растекается в очень тонкую пленку, около 0,2 мм. Под действием горячих потоков воздуха она испаряется, пары ее перемешиваются с воздухом и, попадая в зону горения запального топлива, воспламеняются и сгорают. Однако быстрого повышения давления при этом быть не может, т.к. сравнительно медленный процесс испарения лимитирует скорость сгорания.
Пленочное смесеобразование обеспечивает сравнительно невысокое максимальное давление цикла (6-7 МПа), невысокую интенсивность нарастания давления (0,3-0,4 МПа на 10 поворота коленчатого вала) и нежесткую работу двигателя. Кроме того облегчает работу топливной аппаратуры т.к. позволяет использовать меньшие давления распыливания, не превышающие 20 МПа.
Использование пленочного смесеобразования в известной мере разрешает проблему многотопливности дизеля. При разных сортах топлива, характеризуемых разными цетановыми числами, продолжительность периода задержки воспламенения изменяется, но это незначительно отражается на процесс сгорания незначительного запального количества топлива и мало влияет на скорость нарастания давления во время периода сгорания остального топлива.
Разделенные камеры сгорания.
Разделенные камеры сгорания широко применяются в автомобильных и тракторных дизельных двигателях. Они бывают двух типов: вихрекамерные и предкамерные.
В вихрекамерных дизелях камера сгорания состоит из двух неравных по объему частей (Рис. 31 ).
Часть камеры сгорания, находящаяся над поршнем, имеет объем равный 30-50%, а вихревая камера, часто представляющая собой шаровую полость, занимает остальную часть объема от всего объема камеры сгорания. Эти два объема соединяют каналом диаметром в несколько миллиметров, располагаемым тангенциально к вихревой камере.
Рис. 31. Вихревые камеры сгорания
В процессе сжатия при перетекании воздуха из надпоршневого объема в вихревую камеру создается интенсивное вихревое движение воздуха, которое возрастает с увеличением скорости поршня и уменьшением размеров тангенциального канала.
Топливо через форсунку, размещенную в вихревой камере, подают так, чтобы интенсивно завихренных в ней воздух возможно равномерно насыщался топливом, После воспламенения температура и давление газов в вихревой камере повышаются и начинается обратное перетекание их из вихревой камеры в надпоршневой объем, в котором также возникает интенсивное вихревое движение.
Соединительный канал оказывает небольшое дросселирующее действие и несколько понижает давление в надпоршневом пространстве, причем нарастание давления происходит плавно и дизель работает мягко.
Вследствие хорошего перемешивания топлива с воздухом смесеобразование происходит вполне удовлетворительно при небольших давления распыливания (10-15 МПа).
По сравнению с дизелями с неразделенными камерами сгорания экономичность вихрекамерных дизелей на 5-10% хуже из-за увеличенных тепловых потерь. Кроме того, расположение вихревой камеры в охлаждаемой головке блока затрудняет пуск дизеля особенно в холодную погоду, поэтому для запуска дизеля в вихревой камере устанавливают свечу накаливания, которая дополнительно подогревает сжимаемый воздух и облегчает самовоспламенение топлива.
В дизелях с предкамерным смесеобразованием камеру сгорания также разделяют на две неравные по объему части (Рис. 32).
Часть камеры сгорания, находящаяся над порщнем, занимает примерно 70% объема, а предкамера, имеющая различные формы, около 30%.
В процессе сжатия воздух перетекает из надпоршневого объема в предкамеру, в которой вследствие дросселирования давление на 3-5%
Рис. 32. Предкамеры
меньше. В конце сжатия в предкамеру впрыскивают топливо, которое самовоспламеняется и начинает гореть. Однако в предкамере из-зи недостатка воздуха все топливо не может сгореть. При сгорании части топлива в предкамере повышаются температура и давление, и смесь состоящая из продуктов сгорания и несгоревшего топлива, кислорода и азота, с большой скоростью начинает перетекать из предкамеры в надпоршневой объем. При этом происходит энергичное перемешивание газов и сгорание переходит в надпоршневой объем.
Один или несколько (3-5) соединительных каналов небольшого диаметра понижают давление перетекающих газов на 1-1,5 МПа, причем нарастание давления получается плавным, а вследствие больших площадей охлаждения и дросселирования расход топлива повышается на 10-15%. Такое перемешивание топлива с воздухом позволяет понизить давление распыливания до 8-10 МПа. Для запуска дизеля также требуется установка в предкамеру свечи накаливания. Также следует отметить, что дизели с предкамерным смесеобразование способны работать на тяжелом топливе, состоящем из 20% дизтоплива и 80% мазута.