4 Сумішоутворення у розділених камерах згоряння.
Розділені камери згоряння складаються із основної і додаткової камер, які з'єднуються одним або декількома каналами.
У основній камері розташовані клапани, а у додатковій встановлена форсунка. Мета розділення полягає у використанні частини енергії палива, що займається у додаткової камері, для покращення сумішоутворення у основної камері. Паливо, що займається у додаткової камері, разом з продуктами згоряння і паливом, що не згоріло, під тиском продуктів згоряння енергійно викидається у основну камеру, де основна частина палива гарно перемішується з повітрям, що у ній знаходиться і згоряє.
Основні переваги дизелів з цими камерами згоряння такі: висока якість згоряння без диміння при порівняно малих значеннях коефіцієнта надміру повітря (а = 1,2...1,3); м’яка робота дизеля: порівняно невисока токсичність відпрацьованих газів завдяки якісному згорянню; відносно низькі вимоги до паливної апаратури, тому що функції сумішоутворення виконує головним чином частка палива, що згоряє в додатковій камері.
Дизелі з розділеними камерами згоряння порівняно з нерозділеними мають і кілька істотних недоліків: гіршу паливну економічність - внаслідок втрат на перетікання заряду із камери у камеру і втрат у систему охолодження; більш складний запуск (внаслідок перелічених вище причин).
Найбільше розповсюджені два типи додаткових камер: вихрові і передкамерні. Дизелі з такими камерами називають вихрокамерними і передкамерними.
У вихровій камері згоряння вісь з'єднувального каналу направлена по дотичній до внутрішньої поверхні сферичної або циліндричної порожнини додаткової камери (рис. 9.4, а), що забезпечує в ній під час стискування утворення направленого вихрового руху заряду. Швидкість перетікання його через горловину складає понад 200 м/с. Паливо звичайно вприскується в напрямку до поверхні з'єднувального каналу, а повітря, що рухається, відтискує факел розпиленого палива до стінки вихрової камери. Внаслідок цього забезпечується гарний розподіл палива в цьому об'ємі, а значить, і якісне сумішоутворення. Нижню частину вихрової камери, як правило, виконують змінною, теплоізольованою, завдяки чому температура її підвищується до 870...920 К, що також сприяє якісному сумішоутворенню, особливо при високих частотах обертання колінчастого вала. Об'єм вихрової камери складає 60...80% від загального об'єму камери згоряння. (VВК ≈(60…80)%VK3) Площа поперечного перерізу з’єднувального каналу f к = 1…5 % Fп . Тому після самозаймання перезбагачена суміш, яка знаходиться у вихровій камері, під дією перепаду тиску починає перетікати у основну камеру, виконану у вигляді невеликої фасонної виїмки у поршні. Суміш втягує у згоряння зосереджене там повітря і тим самим забезпечує швидке і повне догоряння палива.
Параметри, якими характеризується вихрова камера сумішоутворення:
= 1,2…1,3; W=0,3…0,4 МПа/град; Рz =7…8 МПа; ge =260…290 г/квт•год.
Переваги: Менша жорсткість та максимальний тиск циклу та чутливість до якості розпилу палива.
Недоліки: Гірші пускові властивості, підвищена питома витрата палива в наслідок гідравлічних і аеродинамічних втрат. Більший термін експлуатації
У передкамерному дизелі (рис. 9.4,б) відносний об'єм додаткової порожнини і переріз горловини виконуються меншими, ніж у вихро-камерних дизелів (VПК ≈(25…35)%VK3). Площа поперечного перерізу з’єднувального каналу f к = 0,3…0,8 % Fп . Цим забезпечується значне підвищення швидкості перетікання заряду (до 300...320 м/с) через з'єднувальний канал, що деякою мірою компенсує відсутність його направленого вихрового руху в камері. Паливо вприскується назустріч потоку повітря. Виникає інтенсивна турбулізація, яка сприяє якісному сумішоутворенню.
Після самозаймання перенасичена суміш, що горить, перетікає з високою швидкістю у основну камеру згоряння і тим самим забезпечує швидке і достатньо повне догоряння палива навіть при невеликому значенні коефіцієнта надміру повітря.
Параметри, якими характеризується вихрова камера сумішоутворення:
= 1,3…1,4; W = 0,3…0,4 МПа/град; Рz = 5,5…6 МПа; ge = 260…300 г/квт•год.
Переваги: Менша жорсткість та максимальний тиск циклу та чутливість до якості розпилу і сорту палива. Більший термін експлуатації
Недоліки: Гірші пускові властивості, підвищена питома витрата палива в наслідок гідравлічних і аеродинамічних втрат, підвищена ступінь стиску = 18…20
Рисунок 9.4 - Розділені камери згоряння
а – вихрова; б – передкамера; в – передкамера з виступом визискувачем;
1 – допоміжна камера; 2 – основна камера; 3 – виступ-витискувач
У останні роки увагу автомобілебудівників привертають передкамерні дизелі з виступом-витискувачем на поршні (рис. 9.4, в). Цей виступ переміщається у горловині передкамери і підвищує інтенсивність турбулізації заряду. Завдяки цьому забезпечуються якісні сумішоутворення і згоряння, а в результаті підвищується економічність і знижується токсичність відпрацьованих газів
Контрольні питання
Основні системи живлення дизельних двигунів.
Процес сумішоутворення у дизельних двигунах.
Розділені камери згорання.
Нероздільні камери згорання.
Види сумішоутворення
ТЕМА №10. СИСТЕМИ ЖИВЛЕННЯ ІНЖЕКТОРНИХ ДВИГУНІВ
Системи упорскування легкого палива та їх аналіз.
Конструктивні особливості елементів системи упорскування легкого палива.
Необхідність ускладнення системи уприскування
1. Системи упорскування легкого палива та їх аналіз
В існуючих системах живлення двигунів із примусовим запалюванням звичайні карбюратори безумовно поступаються системам живлення з електронним керуванням процесами дозування і упорскування палива у двигун, які дозволяють ураховувати найменші зміни теплового етапу двигуна, режиму роботи і стану навколишнього середовища. Системи упорскування легкого палива, що застосовуються на автомобільних двигунах, можна класифікувати за такими ознаками: за місцем подачі палива, за способом подачі палива, за конструкцією вузлів, які дозують паливо, за основними параметрами та способами регулювання складу суміші.
Види уприскування
Фазоване уприскування – здійснюється в певному положенні розподілвалу, перед відкриттям впускного клапана. Форсунки встановлені у відгалуженнях впускного колектора близько до камери згорання. Потрібний датчик положення розподілвалу.
Розподілене уприскування – паливо потрапляє в кожен циліндр окремо, а не в загальний впускний колектор (тобто не типу карбюратора). Потрібний по одній форсунці на циліндр.
Безпосереднє уприскування – уприскування прямо в камери згорання, а не у впускний колектор для кожного циліндра. Форсунки встановлені в камері згорання в ГБЦ.
У системах упорскування у впускний тракт паливо подається у впускний тракт двигуна (упорскування в зону впускних клапанів або у впускну трубу) . Форсунки установлюють у головці блока або у впускному трубопроводі дуже близько від вікон головки, для того, щоб розпилене форсунками паливо поступало в зону впускних клапанів, де відбувається процес утворення пальної суміші. Форсунки можуть бути установлені у впускній трубі на відстані від впускних клапанів, у цьому випадку пальна суміш утворюється уже в каналах впускної труби. При установленні форсунок до розгалуження патрубків впускної труби одна і та сама форсунка може бути використана для живлення двох або більше циліндрів. Можливий і варіант живлення усіх циліндрів однією форсункою, що подає паливо в загальну змішувальну камеру, звідки пальна суміш розподіляється по патрубках окремих циліндрів.
за способом подачі палива
До цього способу відносяться системи із циклічною подачею х у яких паливо подається у кожний цикл роботи циліндра, причому момент подачі палива в кожному циліндрі пристосований до однієї і тієї ж фази циклу. Таку подачу можна назвати циклічною. При упорскуванні у впускний тракт циклова подача палива може бути розділена на декілька доз так, щоб під час циклу паливо упорскувалося неодноразово, найчастіше - двічі. Цей варіант упорскування називають циклічним дворазовим.
У системах безперервного упорскування паливо під час роботи двигуна поступає із форсунок безперервно. Така подача застосовується при упорскуванні палива у впускний тракт.
за конструкцією вузлів, які дозують паливо
Система з плунжерними насосами дуже подібна до системи подачі палива, що застосовується у дизелях. Кількість палива, що подається за один пики регулюється зміною активного ходу плунжера. Ця система може використовуватися як для безпосереднього упорскування палива в циліндр двигуна, так і для упорскування у впускний тракт.
Системи з дозаторами-розподільниками використовуються для упорскування палива у впускний тракт. Тиск палива створюється шестеренчастим бензонасосом, а дозатор-розподільник відмірює циклові дози шляхом зміни ходу плунжера і розподіляє їх по форсунках.
Системи із електромагнітними форсунками застосовуються для упорскування палива у впускний тракт. Тиск палива створюється електричним насосом шестеренчастого або коловоротного типу. Дозування циклових подач здійснюється шляхом зміни тривалості відкритого стану клапана форсунки.
Системи з регулятором тиску палива використовуються для безперервного упорскування у впускний тракт. Тиск палива створюється електричним насосом шестеренчастого або коловоротного типу. Регулювання годинної витрати палива здійснюється за рахунок зміни тиску перед форсунками.
за основними параметрами та способами регулювання складу суміші
Двигуни із упорскуванням палива вимагають дуже високої точності щодо регулювання складу суміші. Всі системи, що застосовуються на двигунах, можна класифікувати за основними параметрами, за якими проводиться регулювання.
За розрідженням у впускній системі. Ця система грунтується на залежності і між розрідженням (абсолютним тиском) за дросельною заслінкою і цикловим зарядом повітря. Застосовуються в системах із плунжерним насосом або із дозатором-розподільником.
Відповідно до кута відкриття дросельної заслінки і частотою обертання колінчастого вала двигуна. Ця система характеризується високою точністю, особливо для високообертових двигунів. Застосовується у сучасних системах із електромагнітними форсунками.
Регулювання за годинною витратою палива базується на безпосередньому вимірюванні витрати повітря насадкою Вентурі або датчиком, який сприймає динамічний тиск потоку. Воно дозволяє легко пов'язати годинну витрату повітря з годинною витратою палива. Застосовується у системах безперервного упорскування і системах із електромагнітними форсунками.
Вибір способу регулювання тісно пов'язаний з вибором параметрів, за якими програмується склад суміші, і з типом вузлів, які дозують паливо.
Пневматичне регулювання застосовувалося в системах із плунжерними насосами при регулюванні за розрідженням у впускній трубі. Регулятор діафрагмового або сильфонного типу безпосередньо діяв на рейку насоса. Аналогічний пристрій застосовується і для керування дозатором-розподільником палива. Пневматичне регулювання використовується також у системах безперервного упорскування, що регулюється за годинною витратою повітря.
Механічне регулювання застосовується в системах із плунжерними насосами при регулюванні відповідного відкриття дроселя і частоти обертання колінчастого вала двигуна. Привод дроселя і відцентровий регулятор за допомогою просторового кулачка задають величину циклової подачі.
Електронне регулювання використовується в системах із електромагнітними форсунками при регулюванні за розрідженням у впускній системі та частотою обертання колінчастого вала двигуна, що ураховується частотними характеристиками електронного блока. Електронне регулювання можна застосовувати і при регулюванні відповідно до кута відкриття дроселя та частоти обертання вала, а також при регулюванні за безпосередньо виміряною годинною витратою повітря.
безпосереднє упорскування та упорскування у впускний тракт
При безпосередньому упорскуванні паливо, що розпилюється форсункою, поступає в камеру згоряння, в якій утворюється пальна суміш. Процес сумішоутворення залежить від форми камери згоряння, розташування форсунки, закону подачі палива і від руху повітряного заряду, що знаходиться в камері. При виборі форми камери згоряння та розташування свічки запалювання ураховують вимоги, що забезпечують бездетонаційну роботу двигуна на заданому сорті палива. Водночас в контур камери повинні вписуватися сідла впускного і випускного клапанів, переріз яких вибирається таким, щоб він забезпечував газообмін для двигунів із високою частотою обертання колінвала.
При розташуванні форсунки приймається до уваги, що упорскування відбувається під час такту усмоктування, тому паливо, що упорскується, не повинно викидатися у впускний канал. З другого боку, направлення факела палива в бік випускного клапана дає можливість трохи покращити напружений тепловий режим його тарілки. Водночас і сам розпилювач форсунки потребує захисту від теплових перевантажень і сажоутворення (для цього інколи використовують перекриття вихідного каналу верхньою кромкою поршня). Така форма камери згоряння (рис.10.1,а) була використана на двигуні М-196, який був побудований фірмою "Мерседес Бенц" для гоночного автомобіля, що розвивав потужність 220 кВт при 7400 об/хв і мав літрову потужність 73,6 кВт/л. Для транспортної моделі (двигун 3008) фірма розробила більш простішу конструкцію (рис.10.1,6). Для спрощення приводу клапани розташовані в один ряд, а камера має форму перевернутого клина. Вона утворена площиною головки і виїмками в блоці та головці поршня. Двигун розвивав потужність 145 кВт, а літрова потужність досягала 48,5 кВт/л. На двигунах Мерседес Бенц використовувалися закриті клапанні форсунки з тиском початку відкривання 6,2 МПа. Упорскування відбувалося в такті усмоктування, а регулювання кількості упорскненого палива здійснювалося шляхом зміни початку подачі. З огляду на важкі умови роботи надійність форсунок була недостатньою, тому фірма перенесла форсунки з камери згоряння у впускний тракт, при цьому потужність двигуна зменшилася незначно (5...6%).
При упорскуванні у впускний тракт форсунка може бути установлена в головці блока (рис.10.1,в). У цьому випадку під час упорскування у такті усмоктування значна частина палива попадає прямо у камеру згорання, аналогічно як при безпосередньому упорскуванні. Таке компонування вимагає виготовлення спеціального гнізда в головці. При перенесенні форсунки на впускну трубу (рис.10.1,г) головка блока може бути повністю уніфікована з головного карбюраторного двигуна, що значно здешевлює виробництво двигунів із упорскуванням. Форсунку прагнуть розташувати близько до зони впускного клапана, щоб паливо, яке розпилюється, не осідало на стінках впускного патрубка. Тиск відкриття клапана форсунки не перевищує 1,47 МПа, лише в окремих випадках досягає 2,9 МПа. У сучасних системах упорскування тиск палива не перевищує 0,19 МПа, що дозволяє відмовитися від використання плунжерних насосів високого тиску і подавати паливо до форсунок за допомогою шестеренчастого або коловоротного насоса.
Рисунок 10.1 - Камери згоряння та розташування форсунок: безпосереднє
упорскування - двигун М-196 (а), двигун 300SL (б); упорскування у впускний тракт - двигун 230SL (в), двигун 600 (г); 1 - форсунка; 2 - свічка запалювання
Під час розробки систем безпосереднього упорскування велика увага приділяється вибору моменту початку упорскування та його тривалості. Ці параметри підбираються експериментально в процесі дослідження дослідного зразка двигуна. Установлено, що момент упорскування суттєво не виливає на роботу двигуна. У такому випадку паливо можна подати до форсунок одночасно від однієї насосної секції. Такий принцип використовується в апаратурі упорскування "Бош" із електронним керуванням, в якому одночасно спрацьовує група з двох або трьох форсунок.