3. Смесеобразование в дизельных двигателях

У двигателей с внутренним смесеобразованием в цилиндр поступает воздух, а затем туда же подается мелкораспыленное топливо, которое перемешивается с воздухом внутри цилиндра. Это объемное смесеобразование. Размеры капель в струе неодинаковы. Средняя часть струи состоит из более крупных частиц, а наружняя – из более мелких. Микрофотография показывает, что при увеличении давления размеры частиц резко снижаются. Чем равномернее распределено топливо по объему цилиндра, тем меньше зон с недостатком кислорода.

В современных дизелях применяют три основных способа смесеобразования: струйное для неразделенных камер сгорания и смесеобразование и сгорание в камерах, разделенных на две части (предкамера{20-35%}+основная камера сгорания, вихревая камера{до 80%}+основная камера сгорания). Дизели с разделенными КС имеют более высокий удельный расход топлива. Это объясняется затратой энергии при перетекании воздуха или газов из одной части камеры в другую.

У двигателей с неразделенными КС тонкое распыление топлива дополняется вихревым движением воздуха за счет спиралеобразной формы впускного патрубка.

Пленочное смесеобразование. В последнее время эффектиность смесеобразования повышается за счет впрыска топлива на стенки КС – пленочное смесеобразование. Это несколько замедляет процесс сгорания и способствует уменьшению максимального давления цикла. При пленочном смесеобразовании стремятся к тому, чтобы минимальное количество топлива успевало испариться и перемешаться с воздухом за период задержки воспламенения.

Факел топлива подается под острым углом на стенку камеры сгорания, чтобы капли не отражались, а растекались по поверхности в виде тонкой пленки толщиной 0,012-0,014мм. Путь факела от соплового отверстия до стенки должен быть минимальным, чтобы уменьшить количество испарившегося топлива за время движения струи в камере сгорания. Направление вектора скорости движения заряда воздуха совпадает с направлением движения топлива, что способствует растеканию пленки. Одновременно это понижает парообразование, т.к. снижаются скорости движения топлива и воздуха. Энергия топливных струй в 2 раза меньше чем при объемном (2,2-7,8 дж/г). Вместе с тем энергия воздушного заряда должна быть в 2 раза больше. Мелкие капли и образующиеся пары движутся к центру камеры сгорания.

Теплота для испарения топлива в основном подводится от поршня (450-610К). При большей температуре топливо начинает кипеть и отскакивать от стенок в виде сферических форм, возможно также термическое разложение топлива и его коксование – охлаждение поршня маслом. Испарение топлива происходит за счет движения воздуха вдоль стенки, процесс испарения резко увеличивается после начала горения за счет передачи энергии от пламени к стенкам.

Преимущества. При ПСО повышается экономичность двигателя (218-227г/квтч), среднее эффективное давление, снижается жесткость в работе двигателя (0,25-0,4МПа/гр), максимальное давление цикла возрастает до 7,0-7,5МПа. Двигатель может работать на различных топливах, в том числе на высокооктановом бензине.

Недостатки. Затрудненный пуск двигателя, на малых оборотах увеличение токсичности ОГ, увеличение высоты и массы поршня из-за присутствия КС в поршне, затруднения при форсировании двигателя за счет частоты вращения.

Подача топлива осуществляется при помощи ТНВД и форсунок. ТНВД обеспечивает дозировку топлива и своевременную подачу. Форсунка обеспечивает подачу, мелкое распыление топлива, равномерное распределение топлива по всему объему и отсечку. Закрытые форсунки, в зависимости от способа смесеобразования, имеют различную конструкцию распыливающей части: многодырчатые распылители (4-10отв. диаметром 0,2-0,4мм) и однодырчатые со штифтом на конце иглы и однодырчатые безштифтовые.

Количество топлива, подаваемое во все цилиндры должно быть одинаковым и соответствовать нагрузке. Для качественного смесеобразования подача топлива производится за 20-23 градуса до прихода поршня в ВМТ.

От качества работы приборов системы питания дизеля зависят показатели работы двигателя: мощность, приемистость, расход топлива, давление газов в цилиндре двигателя, токсичность ОГ.

Разделенные КС – предкамеры и вихревые камеры. Топливо впрыскивается в дополнительную камеру, расположенную в головке блока. За счет перемычки в дополнительной камере образуется мощное движение сжимаемого воздуха, что способствует лучшему перемешиванию топлива с воздухом. После воспламенения топлива в дополнительной камере нарастает давление и начинается движение газового потока через канал перемычки в надпоршневую камеру. Смесеобразование от энергии топливной струи зависит незначительно.

В вихревой камере соединительный канал располагается под углом к торцевой плоскости головки блока так, чтобы образующая поверхность канала была касательной к поверхности камеры. Топливо впрыскивается камеру под прямым углом к потоку воздуха. Мелкие капли подхватываются потоком воздуха и относятся к центральной части, где температура наиболее высока. Малый период задержки воспламенения топлива при высокой температуре обуславливает быстрое и надежное воспламенение топлива. Крупные капли топлива относятся потоком к стенкам КС, контактируя с нагретыми стенками топливо, также начинает испаряться. Интенсивное движение воздуха в вихревой камере позволяет установить форсунку закрытого типа с штифтовым распылителем.

Преимущества. Меньшее максимальное давление, меньшее нарастание давления, более полное использование кислорода (альфа 1,15-1,25) при бездымном выпуске ОГ, Возможность работы на высоких скоростных режимах с удовлетворительными показателями, возможность использования топлива различного фракционного состава, меньшее давление впрыска.

Недостатки. Более высокий удельный расход топлива, ухудшение пусковых качеств.

Предкамера имеет меньший объем, меньшую площадь соединительного канала (0,3-0,6% от Fп), воздух перетекает в предкамеру с большими скоростями (230-320м/с). Форсунка размещается обычно по оси предкамеры навстречу потоку. Во избежание переобогащения смеси впрыск должен быть грубым, компактным, что достигается одноштифтовой форсункой при малом давлении впрыска топлива. Воспламенение происходит в верхней части предкамеры и используя весь объем камеры факел распространяется по всему объему. Давление резко возрастает и врываясь через узкий канал в основную в камеру происходит соединение с основной массой воздуха.

Преимущества. Невысокие максимальные давления (4,5-6Мпа), малое нарастание давления (0,2-0,3Мпа/гр.), интенсивный подогрев воздуха и топлива, меньшие энергетические затраты на распыление топлива, возможность форсирования двигателя по частоте, меньшая токсичность.

Недостатки. Ухудшение экономичности двигателя, увеличенный теплоотвод в систему охлаждения, затруднен запуск холодного двигателя (повышают степень сжатия и ставят калильные свечи зажигания).

Дизели с неразделенными камерами сгорания имеют более лучшие экономические и пусковые показатели, возможность применения наддува. Худший показатель по шумности, нарастанию давления (0,4-1,2Мпа/гр).