1. Впрыскивание и распыливание топлива.

Процесс подачи топлива в дизеле начинается в конце процесса сжатия до прихода поршня в ВМТ. Впрыскивание топлива в цилиндр осуществляется из рас­пылителя форсунки. Проходные сечения распылителя и давление впрыскивания изменяются в процессе подачи. Это обусловливает непостоянство скорости истечения и расхода топлива, характер изменения которых по времени зависит от конструкции топлив­ной системы, режимов ее работы и свойств топлива.

Подача топлива в дизеле должна удовлетворять следующим тре­бованиям.

1. Впрыскивание топлива необходимо осуществлять в строго определенный момент цикла.

2. Начало подачи, характеризуемое углом опережения впрыс­кивания φ_о.вп, длительность впрыскивания φ_вп и конец подачи долж­ны обеспечивать наиболее полное использование теплоты топ­лива. У автотракторных дизелей на полных нагрузках углы опере­жения впрыскивания составляют 5...30°, а продолжительность по­дачи топлива — 20... 45° ПКВ. Однако на всех режимах работы ди­зеля обеспечить оптимальные моменты начала и окончания впрыс­кивания невозможно. Поэтому стремятся установить оптимальные углы впрыскивания для режимов, наиболее часто встречающихся в эксплуатации.

3. Необходимо обеспечить требуемое качество распыливания и распределения топлива в камере сгорания для быстрого протека­ния в ней процессов нагревания и испарения топлива, его сме­шения и последующего горения. Это обеспечивается определен­ным законом изменения объемной скорости подачи топлива в про­цессе впрыскивания.

4. Цикловая подача должна соответствовать нагрузочному и ско­ростному режимам работы дизеля и быть одинаковой во всех цик­лах и во всех цилиндрах.

Параметры процесса впрыскивания описываются дифференци­альной и интегральной характеристиками впрыскивания (рис. 5.1).

Дифференциальная характеристика впрыскивания устанавливает зависимость скорости подачи топлива dV_вп/dφ_к из распылителя фор­сунки от угла поворота кулачкового вала топливного насоса высо­кого давления.

Интегральная характеристика впрыскивания определяет зависи­мость количества топлива V_вп, поступившего из распылителя фор­сунки в цилиндр от момента начала впрыскивания до любого момента подачи топлива.

На графике это ко­личество эквивалентно заштрихован­ной площади. При φ_к = φ_к.вп по ин­тегральной характеристике впрыски­вания определяют все количество топлива, поданное в цилиндр дизе­ля за один рабочий цикл, которое называют цикловой подачей (V_вп = V_ц). Она зависит от режимов работы ди­зеля.

Рис. 5.1. Характеристики впрыскивания топлива в дизеле: 1 – дифференциальная характеристика; 2 – интегральная характеристика; φ_н.вп – угол начало впрыскивания; φ_к.вп – угол конца впрыскивания; φ_.вп – продолжительности впрыскивания; φ_о.вп – угол опережения впрыскивания.

Проанализируем основные виды дифференциальных характеристик впрыскивания (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Типичные дифференциальные характеристики впрыскивания топлива: a — пологая; б — двухступенчатая; в — крутая; г — растянутая; д — двухфазная с подвпрыскиванием

Пологая характеристика впрыскивания (рис. 5.2, а) показывает, что скорость подачи топлива увеличивается посте­пенно (монотонно), а двухступен­чатая (рис. 5.2, б) — на начальном участке растет еще медленнее. За­вершается впрыскивание достаточно резко. Постепенное нарастание скорости подачи топлива рас­пространено у дизелей, где оно подается в объем камеры сгора­ния.

Характеристика впрыскивания, представленная на рис. 5.2, в, имеет вначале большую скорость подачи при небольшом объеме топлива (площадь S₁,), а значительная часть топлива впрыскивает­ся с убывающей скоростью (объем подаваемого топлива — пло­щадь S₂).

При растянутом конце подачи топлива (рис. 5.2, г), или при дополнительном впрыскивании (подвпрыскивании) (рис. 5.2, д) теплота последних частей топлива, впрыснутого после ВМТ, вы­деляется на линии расширения, используется неэффективно, ра­стет дымность отработавших газов.

Распыливание струи топлива на мелкие капли позволяет резко увеличить его поверхность (в 80...270 раз) и обеспечивает быст­рое протекание процессов тепло- и массообмена между каплями и воздухом при высокой температуре в камере сгорания. Распад струи топлива при его истечении через малые круглые сопловые отверстия форсунки в пространство, заполненное газом, проис­ходит с образованием капель разного диаметра.

Форма распада струи зависит от скорости истечения, а также от физических свойств топлива и начальных возмущений, возникаю­щих в потоке при его движении в распылителе. При небольших ско­ростях истечения на поверхности топлива возникают начальные возмущения, вызывающие осесимметричные колебания, которые разрывают струю с образованием отдельных капель. При больших скоростях истечения возникают волновые деформации оси струи и она теряет устойчивость, что приводит к волновому распаду. При истечении с еще большими скоростями начинается распад струи с образованием большого количества капель непосредственно вбли­зи распыливающего отверстия. Такой распад струи является основ­ным и называется распыливанием. Так как при каждом впрыскива­нии скорость истечения топлива изменяется в широких пределах, то все три вида распада струи участвуют в этом процессе.

Определяющими в процессе распыливания топлива являются его начальные возмущения, возникающие при движении в рас­пылителе. Они зависят от конструкции распылителя, скорости течения топлива в нем, геометрической формы его распыливающих отверстий и физических свойств жидкости.

Для дизелей с разделенными камерами сгорания в топливоподающих системах используют штифтовые распылители. В них топ­ливо впрыскивается в камеру сгорания через кольцевую щель между штифтом и корпусом распылителя. Вначале топливо распростра­няется в виде конуса. Из-за колебаний на поверхности топлива и уменьшения толщины пленки при увеличении боковой поверх­ности конуса происходит ее распад с дальнейшим образованием капель различных размеров.

В процессе распыливания топлива скорость движения его частиц по сечению струи, их размер различны. Также отличаются условия движе­ния частиц струи, пленок, нитей и капель в объеме камеры сгорания.

Структура струи определяется распределением топлива в ее поперечных и продольном сечениях. Распределение капель в струе и локальная концентрация топлива очень неравномерны. В попе­речных сечениях струи скорость движения капель и их количество возрастают по мере приближения к оси струи.

На мелкость распыливания, развитие и структуру струи влияет множество факторов. На рис. 5.3 представлены характеристика впрыскивания dV_вп/dφ_к , изменение средних диаметров капель а d_об и фотографии с отпечатками капель в различные моменты подачи топлива в зависимости от угла поворота кулачкового вала насоса φ_к. При увеличении давления впрыскивания и скорости истечения уменьшаются средние диаметры капель, повышается их мелкость и однородность распыливания.

Существенное влияние на мелкость и однородность распыли­вания топлива оказывают конструктивные параметры элементов топливной системы.

Конструкция многоструйного распылителя обеспечивает наиболь­шую концентрацию топлива на оси струи и практически постоян­ный угол рассеивания. Штифтовой распылитель создает полую струю с наибольшей концентрацией топлива на ее боковой по­верхности, а угол рассеивания изменяет в широких пределах. Уве­личение диаметра распиливающих отверстий многоструйных рас­пылителей при неизменном их общем проходном сечении приво­дит к увеличению массы вытекающего топлива и длины струи.

Физические свойства топлива также влияют на параметры рас­пыливания. С увеличением вязкости и сил поверхностного натя­жения топлива мелкость и однородность распыливания ухудша­ются.

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 φ_к, град

Рис. 5.3. Изменение подачи топлива и среднего диаметра капель в процессе впрыскивания

Физическое состояние заряда в камере сгорания к моменту впрыскивания топлива характеризуется высокими температурой и дав­лением и, следовательно, его плотностью, превышающей плот­ность окружающей среды в 12...30 раз. Такая плотность газовой среды, в которую впрыскивают топливо, увеличивает аэродина­мическое сопротивление движению капель, что способствует рас­паду струи и дроблению крупных капель. С повышением плотнос­ти среды резко снижается длина струи.

Движение заряда в камере сгорания дизеля существенно влия­ет на развитие и структуру распыленной струи топлива.