книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

в камеру сгорания. Поднимается игла гидравлическим давлением топлива.

Типы закрытых форсунок весьма разнообразны. На рис. 3-28 по­ казана типичная закрытая форсунка. Топливо подается насосом по

Рис. 3-29. Закрытая форсунка двигателя Ярославского моторного завода:

трубопроводу к штуцеру / и далее по каналу 2 в полость 3, находя­ щуюся под иглой. Под давлением топлива игла преодолевает силу на­ жатия пружины 8 и приподнимается, топливо попадает в сопловые отверстия — происходит впрыск. С прекращением подачи топлива насосом давление в полости под иглой падает, игла под давлением пружины мгновенно садится на седло и впрыск топлива прекращает-

310

ся. Начальное давление впрыскивания регулируется в закрытой фор­ сунке натяжением пружины 8, опирающейся на иглу 6. Это осуществ­ ляется регулировочным болтом 10, а высота подъема иглы ограничи­ вается контрольным штырьком 9. Поэтому в закрытой форсунке с изменением числа оборотов начальное давление впрыскиваемого топ­ лива не особенно сильно будет меняться.

Для отвода небольшого количества топлива, просачивающегося между иглой и направляющей втулкой в полость корпуса форсунки 7, служит второй штуцер 11.

Направляющим для иглы служит распылитель. В кон­ це распылителя просверли­ ваются сопловые отверстия 4.

Комплект распылительной пары (распылитель 5 и игла 6) является прецизионной парой, и нельзя переставлять отдельную деталь из одного комплекта в другой.

На рис. 3-29 показана форсунка двигателя Ярос­ лавского моторного завода. Топливо из канала штуцера

сгорания. Ограничителем хода иглы является нижний торец корпуса / форсунки, и подъем иглы 5 распылителя в этой форсунке составляет £,28-г-0,38 мм.

На рис. 3-30 показаны различные конструкции распылителя. Диа­ метр сопловых отверстий в одно- и многодырчатых соплах (рис. 3-30, б, а соответственно) в зависимости от формы камеры сгорания и раз­ меров цилиндра двигателя обычно составляет 0,15-^-0,7 мм и число отверстий — l-r-12.

Сверление сопловых отверстий, обработка конической поверхности седла, шлифовка направляющей поверхности распылителя, обработ­ ка запорного конуса иглы и шлифовка цилиндрической поверхности иглы являются наиболее точными операциями при изготовлении фор­ сунки. Малейшее отклонение в сверлении сопловых отверстий наруша­ ет точность направления струи топлива и ухудшает смесеобразование в двигателе.

Иногда делают в распылителях только одно сопловое отверстие диаметром 0,8-т-1 мм. Игла оканчивается в этом случае расширяю­ щимся (рис. 3-30, в) или цилиндрическим (рис. 3-30, г) отростком •(штифтом), который входит в сопловое отверстие с очень малым за-

311

зором. Такие форсунки называются штифтовыми. В штифтовых фор­ сунках топливо распиливается в виде полого конуса. Применяют еще закрытые форсунки с плоским или коническим седлом (соответственно рис. 3-30, дне). При изготовлении штифтовых форсунок и форсунок с плоским седлом отпадает необходимость сверления сопловых от­ верстий с весьма малым диаметром, поэтому изготовление их несколь­ ко упрощается.

Смесеобразование в дизелях

От качества смесеобразования зависят скорость, интенсивность к полнота сгорания топлива, что в свою очередь влияет на экономич­ ность, тепловое состояние и число оборотов двигателя. Создание горю­ чей смеси внутри цилиндра двигателя из-за краткости времени, отво­ димого для этого процесса, представляет довольно сложную и труд­ ную задачу. В дизелях процессы смесеобразования и сгорания про­ текают в основном параллельно за время, соответствующее повороту коленчатого вала обычно на 304-40°.

Время поворота коленчатого вала на угол а° t = а/(6л),

где п — число""оборотов в минуту.

Принимая п = 1000 об/мин и необходимый угол для смесеобразо­ вания и сгорания а = 40°, получаем

t= 40/(6-1000) = 0,0067 с,

т.е. в данном случае время, отведенное для впрыска топлива, испаре­ ния, смешения с воздухом и сгорания, порядка 0,0064-0,007 с. В со­ временных быстроходных дизелях п достигает 4000 об/мин и соответст­ венно t уменьшается до 0,002 с. За это время в камеру сгорания дол­ жно быть подано под высоким давлением точно отмеренное соответст­ венно нагрузке количество топлива (несколько десятков кубических миллиметров).

Чтобы получить эффективное смесеобразование и обеспечить пол­ ное сгорание топлива в столь короткий промежуток времени при ми­ нимальном коэффициенте избытка воздуха, необходимы следующие условия: 1) доза жидкого топлива должна быть распылена на мель­ чайшие капельки; 2) капли жидкого топлива должны быть более или менее равномерно распределены в сжатом воздухе по всему объему камеры сгорания; 3) процесс впрыскивания должен начаться и кон­ читься в точно установленные моменты и не должно быть дополни­ тельного подтекания топлива через форсунку.

Всовременных дизелях процесс смесеобразования осуществляется

восновном следующими способами: 1) непосредственным впрыски­ ванием топлива под высоким давлением в неразделенную камеру сго­ рания (струйное или однокамерное распыливание); 2) многокамер­ ным смесеобразованием при помощи нескольких разделенных камерсгорания.

312

Н е р а з д е л е н н ы е к а м е р ы с г о р а н и я . Неразделен­ ные камеры сгорания применяются в двигателях большой и средней мощности (более 10 кВт в цилиндре), а разделенные камеры сгорания (многокамерное смесеобразование) — в основном в некоторых быстро­ ходных дизелях транспортного типа и стационарных при небольших мощностях и малых размерах цилиндра двигателя. В двигателях с неразделенной камерой сгорания топливо впрыскивается через ряд сопловых отверстий форсунки под давлением 2004-600 бар, а в неко­ торых быстроходных транспортных дизелях давление впрыскивания доходит даже до 1000 бар, а иногда и до 2000 бар.

Рис. 3-31. Схема неразделенных камер сгорания

Скорость истечения топлива из сопла достигает 100 м/с и более. Струя топлива, вылетая из сопла в камеру сгорания с такой ско­ ростью, распадается на мельчайшие капли, образующие факел топли­ ва в среде сжатого воздуха. Диаметр капель составляет 54-80 мк. Чем больше капель малого размера, тем лучше сгорает топливо. При соответствующих давлениях хорошие форсунки дают до 80% капель диаметром 154-40 мк. При этом длина и расположение каждой струи (факела топлива) и форма камеры сгорания должны способствовать равномерному перемешиванию топлива с воздухом и в то же время капли топлива не должны попадать (ударяться) в относительно хо­ лодные стенки камеры, так как капли, попавшие на стенки камеры, коксуются (в горении не участвуют), а попавшие в стенки цилиндра растворяются в смазочном масле и разжижают его.

На рис. 3-31 приводятся наиболее типичные схемы камер сгорания, применяемые в настоящее время в двигателях со струйным распыле­ нием. Форсунка в большинстве случаев смонтирована по оси цилинд­ ра и дает .34-12 струй топлива, которые, распадаясь на мельчайшие частицы, образуют факел топлива и теряют свою скорость, не доходя

313

до поршня. В камерах, изображенных на рис. 3-31, а, б, в, по образую­ щей поршня имеется стенка для предохранения от попадания топлива

рис. 3-31,з показана камера, находящаяся между двумя расходящи­

В предкамерных дизелях топливо впрыскивается в конце хода сжатия (20—30°дов.м.т.) в предкамеру под давлением 1004-150 бар. Распыленное топливо, попав в среду сжатого воздуха с высокой тем­ пературой, воспламеняется и частично сгорает, но полностью сгореть в предкамере не может, так как объем последней составляет только 25^-40% от полного объема камеры сжатия и, следовательно, воздуха для полного сгорания не хватает. В процессе сгорания в пред­ камере некоторой части топлива температура и давление газов в ней становятся выше, чем в основной камере, что вызывает истечение про­ дуктов сгорания вместе с еще не сгоревшим топливом в основную ка­ меру, в результате чего происходит дополнительное распыливание топлива. При этом в основной камере создается сильное вихреобразование, что способствует интенсивному перемешиванию топлива с возду­ хом и более полному сгоранию. Благодаря этому процесс полного сгорания в предкамерных двигателях может быть осуществлен и при

314

обычно находится в пределах 504-70 бар, и двигатель работает значи­ тельно мягче, т. е. без резкого повышения давления в цилиндре. Бурное вихревое движение газов и высокие температуры стенок пред­ камеры (обычно предкамеры выполняются в виде отдельно вставлен­ ного в головку двигателя неохлаждаемого стакана) делают эти двига­ тели менее чувствительными к сорту применяемого топлива. Предкамерные дизели менее требовательны и к качеству топливоподающей аппаратуры. Форсунка имеет лишь одно сопловое отверстие и, следо­ вательно, сравнительно больший диаметр, а давление впрыскиваемого топлива значительно меньше, чем при неразделенной камере.

Основными недостатками предкамерных двигателей являются не­ сколько повышенный удельный расход топлива и более затруднитель­ ный пуск холодного двигателя. Повышенный удельный расход топли­ ва объясняется потерями энергии на дросселирование и завихрение при перетекании воздуха и газов из одной камеры в другую и вследст­ вие увеличенной поверхности камеры сжатия более интенсивным ох­ лаждением газов, особенно в соединительных каналах. Увеличенный теплообмен в камере сжатия затрудняет пуск двигателя, так как воз­ дух, протекая при сжатии через холодные соединительные каналы в предкамеру, довольно сильно охлаждается и самовоспламенения топлива не получается.

В связи с этим в предкамерных дизелях применяются при пуске различные искусственные принудительные способы зажигания. В транспортных дизелях в предкамере монтируется спираль, нака­ ляемая электрическим током от аккумулятора. Перед пуском ток вклю­ чается, а после получения нормальных вспышек — выключается. В стационарных двигателях в предкамере иногда делают запальный патрон для вставки в него перед пуском двигателя тлеющей папирос­ ки. При пуске первые капли топлива, попадая в тлеющую папироску, воспламеняются и нагревают предкамеру, после чего дальнейшие вспышки получаются нормально.

В некоторых дизелях применяют еще дополнительную пусковую форсунку для подачи небольшой порции топлива непосредственно в основную камеру сжатия. Температура воздуха при пуске в основной камере бывает выше, чем в предкамере, так как воздух не проходит через соединительные каналы и не охлаждается, поэтому топливо здесь лучше воспламеняется. После того как двигатель при холостом ходе разовьет нормальное число оборотов, пусковая форсунка выклю­ чается и при этом автоматически включается главная форсунка дви­ гателя.

В вихрекамерных дизелях камера сгорания состоит из вихревой камеры и надпоршневого пространства (рис. 3-33). Вихрекамерное смесеобразование применяют в наиболее быстроходных дизелях (с п = 1500 об/мин и выше). Конструктивно вихревая камера имеет форму тела вращения, большей частью шарообразного; объем вихре­ вой камеры составляет значительно большую часть объема сжатия.

315

Соединительный канал, связывающий вихревую камеру с полостью цилиндра, направлен тангенциально к камере, благодаря этому при истечении через горловину газы в вихревой камере получают круго­ вое движение. Площадь сечения соединительных каналов вихревой камеры с надпоршневым пространством довольно значительная, по­ этому при сжатии и расширении перепад давления и соответственно скорость газов между полостями получаются небольшими.

Всвязи с тем что смесеобразование происходит в основном в самой вихревой камере, стремятся вводить в вихревую камеру возможно большую долю воздушного заряда. Однако конструктивно необходимо сохранить зазор между поршнем и головкой, а также некоторое рас­ стояние между тарелками клапанов и поршнем, поэтому обычно объем вихревой камеры получается не более 70-7-75 % полного объема сжатия.

Внижней части (а иногда и в верхней) вихревой камеры имеется специальная вставка из жароупорной стали. Между вставкой и го­ ловкой двигателя имеется некоторый зазор, благодаря этому вихре­

вая камера сильно нагревается (зазор служит тепловой изоляцией), что способствует сокращению периода запаздывания самовоспламене­ ния топлива и лучшему его сгоранию.

Максимальное давление над поршнем в двигателях с вихревой ка­

Экономичность вихрекамерных дизелей, хотя и несколько выше предкамерных, но все же ниже, чем дизелей с однокамерным смесеобра-

316

зованием. Отрицательное влияние на экономичность оказывает в основном значительное увеличение поверхности охлаждения всей камеры сжатия по сравнению с однокамерными двигателями при од­ ном и том же объеме сжатия.

Пуск двигателя с вихревой камерой в холодном состоянии затруд­ нителен, так как относительно большая поверхность камеры и значи­ тельное охлаждение воздуха при проходе через холодную горловину ухудшают самовоспламенение топлива. Для облегчения пуска дизели с вихревой камерой, так же как и предкамерные двигатели, снабжа­ ются специальными приспособлениями (в большинстве случаев све­ чей накаливания).

П л е н о ч н о е с м е с е о б р а з о в а н и е . В высокооборот­ ных дизелях с диаметром цилиндра примерно 1504-180 мм иногда применяют еще так называемое пленочное смесеобразование. В дви­ гателях с пленочным смесеобразованием камера сгорания размеща­ ется в поршне (рис. 3-31, г и д), и топливо впрыскивается под острым углом к поверхности горячей камеры. При этом часть топлива распыливается непосредственно в объеме камеры, а часть, попадая на по­ верхности камеры сгорания, образует тонкую пленку, которая от воз­ действия горячей стенки и интенсивного потока газов быстро испаря­ ется.

При пленочном смесеобразовании необходимо, чтобы температура стенки камеры была не менее 200° С и не более 400° С: при меньших температурах не происходит достаточно быстрого испарения, а при больших происходит термическое разложение топлива.

Дизели с пленочным смесеобразованием работают более мягко и имеют достаточно хорошую экономичность.

§ 3-15. Топливоподающая система в карбюраторных и газовых двигателях

Карбюраторы

Преобразование жидкого горючего путем распыления и испарения во влажный пар и смешение его с воздухом в определенных пропор­ циях вне цилиндра двигателя называется карбюрацией, а прибор, служащий для этой цели, -— карбюратором.

На рис. 3-34 показана схема элементарного карбюратора. Образо­ вание горючей смеси, т. е. процесс карбюрации, происходит следую­ щим образом. Топливо из топливного бака 1 подкачивающим бензо­ насосом 2 подается в поплавковую камеру 3 карбюратора. В поплав­ ковой камере имеется поплавок 5, который при повышении уровня топлива поднимается и запорной иглой 4 закрывает доступ топлива в

317

воздух проходит через воздушный фильтр 9, очищается от пыли и поступает в смесительную камеру /7. карбюратора. В то же время из поплавковой камеры топливо по каналу распылителя 7 поступает в ту же смесительную камеру 11. Далее топливо, дробясь в струе вса­ сываемого воздуха на мельчайшие частицы, смешивается с ним и час­ тично испаряется. В результате в смесительной камере образуется

зовании более тяжелых бензинов и в особенности керосина в качестве топлива. В то же время излишне высокий подогрев может привести к уменьшению мощности и экономичности двигателя, так как при этом из-за снижения плотности поступающей смеси уменьшается наполне­ ние двигателя, т. е. весовое количество поступающей горючей смеси в цилиндр двигателя. Для регулировки количества горючей смеси, всасываемой в цилиндр двигателя, за диффузором ставится дроссель­ ная заслонка 12. Перед диффузором ставится воздушная заслонка 8, которая регулирует количество поступающего в смесительную камеру воздуха. Прикрывая воздушную заслонку 8, можно уменьшить ко­ личество всасываемого воздуха и тем самым увеличить разрежение в диффузоре. При частичном прикрытии впускной трубы воздушной заслонкой топливо будет обильно фонтанировать из распылителя карбюратора и горючая смесь сильно обогатится, т. е. увеличится доля топлива в ней. Воздушную заслонку всегда держат открытой, ее при­ крывают только при пуске двигателя, когда необходимо большее обо­ гащение горючей смеси.

318

По конструкции карбюраторы могут быть с поднимающимся (вос­ ходящим), падающим (опускающимся) и горизонтальным потоками.. В карбюраторах с поднимающимся потоком (рис. 3-35, а) горючая смесь двигается в карбюраторе в направлении снизу вверх, в кар­ бюраторах с опускающимся потоком (рис. 3-35, б) горючая смесь опус­ кается из карбюратора к цилиндрам двигателя сверху вниз, в карбю­ раторах с горизонтальным потоком (рис. 3-35, в) движение смеси & карбюраторе горизонтальное.

а ) 1 <г 5) • в)'

т=П /

3-'

Рис . 3-35. Схемы карбюраторов

Вавтомобильных двигателях распространены карбюраторы с опус­ кающимся потоком, в которых впускные патрубки короче, наполне­ ние цилиндра двигателя горючей смесью лучше, и они более удобны для обслуживания. Карбюраторы с горизонтальным потоком уста­ навливаются лишь в небольших двигателях преимущественно мото­ циклетного типа. Карбюраторы с восходящим потоком применялись ранее, теперь они почти не применяются.

Вэлементарном карбюраторе при повышении скорости потока воздуха через диффузор смесь обогащается, а при уменьшении этой

ния не изменяются пропорционально друг к другу. Вследствие этого

состав горючей смеси не остается постоянным. В то же время, как показывают исследования, наибольшая мощность в карбюраторных двигателях получается при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8-f- -т-0,9, а наиболее экономичный режим работы двигателя — при а =

=1,02+1,15.

Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от числа оборотов двигателя называется характеристикой карбюратора. Для получения желаемой характеристики карбюратора применяются раз­ личные корректирующие приспособления. Совокупность Есех элемен­ тов карбюратора, поддерживающих необходимый состав горючей сме­ си при различных режимах работы двигателя, называется главной топливодозирующей системой. Кроме главной топливодсзирующей системы карбюраторы обычно имеют еще пусковые приспособления, систему холостого хода, экономайзер и ускорительный насос. В со-

319