Смесеобразование в дизелях происходит непосредственно в камере сгорания. В сжатый горячий воздух впрыскивается определенная порция топлива. Задача смесеобразозателыюго процесса заключается в том, чтобы мелко распылить и хорошо перемешать определенную дозу топлива с воздухом. Смесеобразование происходит почти одновременно с процессом сгорания. Если в цилиндр подавать на одну часть топлива теоретически необходимое количество воздуха, достаточное для полного сгорания топлива, то двигатель будет работать,с дымлением. Объясняется это тем, что равномерно распределить мелкие частицы топлива в воздухе по всей камере сгорания дизеля очень трудно. Чтобы топливо полностью сгорело, воздуха приходится подавать в цилиндры значительно больше, чем теоретически необходимо. Однако увеличение коэффициента избытка воздуха уменьшает экономические показатели дизеля. Лучше, если сгорание топлива происходит при меньшем значении коэффициента избытка воздуха, так как полнее будет использовано тепло сгоревшего топлива. Минимальное значение коэффициента избытка воздуха, соответствующее бездымной работе дизеля с неразделенной камерой сгорания, равно 1,6—1,7, а с вихревой камерой 1,3—1,4.

Другой особенностью дизеля является то, что в цилиндр фактически поступает почти одно и то же количество воздуха, независимо от нагрузки. При малой нагрузке в цилиндре всегда имеется много воздуха и топливо сгорает полностью. Коэффициент избытка воздуха в этом случае имеет большую величину. При увеличении нагрузки возрастает подача топлива, уменьшается значение коэффициента избытка воздуха и ухудшается процесс сгорания топлива.

Для улучшения смесеобразования в дизелях применяют неразделенные камеры сгорания, разделенные (на два объема) камеры сгорания (вихревые и предкамеры). В неразделенные камеры сгорания (они расположены в днище поршня) топливо подают под большим давлением 50 000—100 000 кН/м2 (500—1000 кгс/см2). Это позволяет получить тонкое распыливание топлива, хорошее перемешивание его с воздухом, достаточную полноту сгорания, а дизель будет развивать наибольшую мощность. В разделенных камерах сгорания создается интенсивное завихрение воздуха, что способствует лучшему смесеобразованию и позволяет подавать топливо через форсунки с меньшим давлением 12 500—18 500 кН/м2 (125—185 кгс/см2).

Процесс смесеобразования в дизелях

Процесс смесеобразования в дизелях состоит в распыливании поступающего в цилиндр из форсунки топлива и распределении мельчайших капель топлива равномерно по всему объему камеры сгорания. Улучшить смесеобразование можно путем повышения тонкости, однородности и равномерности распыления топлива. Тонкость и однородность распыливания зависят от давления впрыска, вязкости топлива, противодавления в цилиндре, диаметра и конструкции сопла форсунки. Равномерность распределения капель топлива в камере сгорания зависит от глубины проникновения в нее струи топлива и движения сжатого воздуха в момент впрыска. Глубина проникновения факела топлива зависит от давления впрыска, частоты вращения коленчатого вала дизеля, противодавления в цилиндре.

Характер движения воздуха в камере сгорания в момент впрыска топлива во многом определяется конструкцией камеры сгорания. Камеры сгорания современных автотракторных дизелей по общности основных признаков их конструкции объединяют в две большие группы — неразделенные и разделенные. Неразделенные камеры сгорания представляют собой объем, заключенный между днищем поршня, когда он находится в в. м. т., и плоскостью головки. Объем неразделенных камер сгорания может быть увеличен за счет углублений различной формы в днище поршня. В камере происходит смесеобразование и сгорание топлива, поступившего через форсунку. Для обеспечения лучшего протекания этих процессов создается направленное движение воздуха. Это достигается приданием определенной формы впускному каналу (с местными сужениями или винтовой формы) и его расположением по отношению к цилиндру. Высокое давление впрыска топлива в неразделенные камеры сгорания (25—40 МПа) и малые диаметры сопловых отверстий обеспечивают высокую тонкость распыления и достаточную глубину проникновения факела в камеру сгорания. Дизели с неразделенными камерами сгорания обладают высокой экономичностью и хорошими пусковыми качествами. Недостаток таких камер — повышенная жесткость работы двигателя, сложность устройства топливной аппаратуры и необходимость тщательной очистки топлива, поступающего в форсунку.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух объемов, соединенных между собой каналами, и бывают двух типов: с предкамерами и с вихревыми камерами.

В первом случае камера сгорания состоит из предкамеры и основной камеры, соединенных между собой одним или несколькими каналами. Объем предкамеры составляет 25—40% общего объема камеры. Во время такта сжатия часть воздуха поступает в предкамеру по соединительным каналам, сопротивление которых снижает его давление. Благодаря этому топливо подается под значительно меньшим давлением, чем в дизелях с неразделенными камерами (8—13 МПа). Процесс горения топлива в предкамерных дизелях происходит следующим образом: вначале воспламеняется рабочая смесь в предкамере, ввиду недостатка воздуха в предкамере смесь полностью не сгорает, а выбрасывается под действием нарастающего давления в основную камеру, где, перемешиваясь с оставшимся воздухом, сгорает полностью. При этом давление на поршень нарастает постепенно, двигатель работает более плавно, износ деталей двигателя и топливной аппаратуры, уменьшается.

Недостатки предкамерных дизелей — более низкий КПД и повышенный расход топлива. Это связано с увеличенными потерями тепла через поверхность предкамеры и энергии при прохождении воздуха и газовой смеси через соединительные каналы.

В вихрекамерных двигателях камера сгорания состоит из вихревой камеры и камеры, расположенной над поршнем, которые соединяются каналом специальной формы — диффузором. Диффузор расположен по касательной по отношению к вихревой камере, объем которой составляет 60—80% общего объема камеры сгорания. Во время такта сжатия воздух по диффузору переходит в вихревую камеру, приобретая в ней вращательное движение. Благодаря этому топливо, впрыснутое форсункой, хорошо распыливается, испаряется и перемешивается с воздухом, сознавая благоприятные условия для процесса горения. Рабочий процесс вихрекамерных двигателей, а также их достоинства и недостатки те же, ЧТо и у предкамерных дизелей.

В настоящее время на некоторых автомобильных дизелях применяется также пленочный способ смесеобразования. При этом стремятся к тому, чтобы за период задержки воспламенения успело испариться и перемешаться с воздухом минимальное количество вспрыснутого через форсунку топлива, а его основная часть растеклась по стенкам камеры сгорания пленкой толщиной 0,012—0,014 мм. Камера сгорания при пленочном смесеобразовании обеспечивает размещение основного объема вздуха (около 70%) в полости, расположенной в днище поршня. Впрыск топлива происходит через форсунку. Путь факела топлива от соплового отверстия до стенки камеры должен быть минимальным, чтобы количество испарившегося топлива было небольшим. Испарившееся топливо перемешивается с воздухом и воспламеняется. Топливо же, находящееся на стенках, постепенно испаряется и, перемешиваясь с воздухом, воспламеняется, обеспечивая плавное и бесшумное протекание процесса горения. Такие камеры сгорания, по опытным данным, обладают высокой экономичностью при небольшой жесткости- процесса сгорания. Применяемое для камер сгорания топливо может быть разнообразным, в том числе с облегченным фракционным составом (бензин, керосин). Недостатки пленочного смесеобразования — затрудненный пуск холодного двигателя и увеличение токсичности отработавших газов при работе двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках.

Дизели с внутренним смесеобразованием

Дизели относятся к двигателям с внутренним смесеобразованием. Впрыскивание топлива в цилиндр двигателя производится в конце процесса сжатия через форсунку, скорость струи топлива достигает 150—400 м/с. Давление воздуха в цилиндре составляет более 2,9 МПа при температуре около 600 °C. Трение о воздух струи топлива и его гидродинамическое воздействие вызывают разрушение струи на капельки диаметром 2—3 мкм. Хорошее протекание процесса сгорания происходит в том случае, если впрыскиваемое топливо будет равномерно распределено в заряде воздуха. Распыливание топлива и характер движения воздуха в рабочей смеси в цилиндре зависят от конструкции камеры сгорания. Камеры сгорания дизельных двигателей бывают неразделенные и разделенные. У неразделенных камер сгорания все пространство сжатия представляет собой единый объем, в который непосредственно впрыскивается топливо. Поэтому эти камеры часто называют камерами непосредственного впрыскивания. В двигателях с неразделенными камерами сгорания процесс смесеобразования осуществляется в едином объеме, поэтому к качеству распыливания предъявляются очень высокие требования.

Раздельную камеру сгорания имеют предкамерные дизели. У этих дизелей камера сгорания состоит из основной камеры и предкамеры, сообщающейся с основной одним или несколькими каналами. В предкамере топливо частично сгорает из-за недостатка воздуха, остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании с большой скоростью выбрасывается через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыливается, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

Преимущества предкамерных дизелей следующие: хорошее распыливание топлива струей газов, применение форсунок с низким давлением впрыскивания, несложная конструкция топливного насоса, возможность использования тяжелых сортов топлива без особо тщательной очистки; недостаток предкамерных дизелей— затрудненный их пуск. На качество смесеобразования наряду с конструкцией камеры сгорания влияют свойства применяемого топлив плотность, вязкость, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, фракционный состав и других. Повышение плотности топлива сказывается на процессе смесеобразования так же, как и увеличение вязкости,— возрастает длина струи, ухудшается экономичное! двигателя и увеличивается дымность. При малой плотности топлива уменьшается длина струи, ухудшаете процесс смесеобразования. Поэтому величина плотное дизельного топлива должна быть оптимальной с учете: сезонности эксплуатации и других факторов. Плотное дизельных топливо 0,830—0,860 • 103 кг/м3.

Вязкость дизельного топлива влияет на качество распыливания топлива, смесеобразование, прокачиваемость работу топливного насоса, износ прецизионных пар наcoca высокого давления, для которого топливо одновреманно является смазочным материалом, полноту сгорания топлива, его расход, состав отработавших газов.

Вязкость бывает кинематическая и динамическая. Кинематическая вязкость — это отношение динамическо вязкости жидкости к плотности при той же температуре это мера сопротивления жидкости течению под влияние гравитационных сил.

Для дизельных топлив кинематическая вязкость определяется по ГОСТ 33—82 и выражается в миллиметра квадратных на секунду при 20 °C.

Топливо с очень большой вязкостью может вызвает перебои в подаче топлива к насосу вследствие большого сопротивления при протекании его по топливоподающей системе через фильтры и отверстия форсунок. Критически значения вязкости, при которых наблюдается подобие явление, не одинаковы для разных конструкций топлив: подающей системы. Чем меньше вязкость, тем тоньше распыливание топлива, меньшего диаметра образуются ei капельки, лучше испаряемость.

С повышением вязкости увеличивается длина струи, так как образуются капельки большего диаметра. При большом значении вязкости часть капель попадает на стенки камеры сгорания, в результате чего ухудшается процесс смесеобразования, испаряемость и полнота сгорания топлива. Зто ведет к перерасходу топлива, недобору мощности, повышению дымности отработавших газов.

Оптимальные пределы значений вязкости дизельных топлив зависят от конструктивных особенностей топливного насоса, камеры сгорания, сезонности использования. Для летних топлив вязкость должна быть 3—6 мм2/с, для зимних— 1,8—5 мм2/с.

—

Образование горючей смеси в дизеле происходит внутри его цилиндра следующим образом. Топливо в цилиндр впрыскивается через форсунку под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха в конце такта сжатия. При этом скорость истечения топлива достигает 150—400 м/сек. Вследствие трения о воздух струя топлива дробится на мелкие капельки диаметром 0,002—0,003 мм, которые образуют топливный факел, имеющий форму конуса. Угол конуса распиливания зависит в основном от формы и размеров сопла, давления впрыска, вязкости топлива и давления воздуха в цилиндре.

Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Это обстоятельство, а также плохая испаряемость дизельных топлив затрудняют процесс смесеобразования.

Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, нужно, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы (наиболее тонко) и чтобы каждая частица имела вокруг себя необходимое для полного сгорания количество кислорода. Добиться такого равномерного распределения распыленного топлива в воздухе, находящемся в камере сгорания, трудно. Поэтому в цилиндр дизеля вводят воздуха больше, чем это теоретически необходимо (а=1,20—1,65).

Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха, а следовательно, повысить среднее эффективное давление и литровую мощность дизеля, нужно улучшать качество смесеобразования.

Для этого необходимо выполнение следующих условий:
1) согласование формы камеры сгорания с формой, размером, числом и расположением топливных факелов, выходящих из форсунки;
2) создание в камере сгорания интенсивных воздушных потоков (вихрей), которые способствуют перемешиванию топлива с воздухом перед самовоспламенением и затем — наиболее полному сгоранию;
3) тонкое распиливание топлива;
4) однородное распиливание топлива, то есть раздробление струи на капли, размер которых примерно одинаков;
5) достаточная дальнобойность топливного факела.

Выполнение первых двух условий или по крайней мере одного из них обеспечивается применением камер сгорания специальных конструкций.

Тонкость и однородность распыливания топлива достигаются двумя способами:
а) увеличением давления впрыска, так как при этом создается большая скорость истечения топлива;
б) уменьшением диаметра сопловых отверстий форсунки.

Чем меньше вязкость топлива, тем тоньше и однороднее распыляется топливо.

Дальнобойность топливного факела увеличивается при повышении давления впрыска и уменьшается при увеличении давления в камере сгорания. Последнее является следствием повышения сопротивления газовой среды проникновению в него частиц топлива.

Типы камер сгорания. Камеры сгорания современных дизелей по конструкции делятся на два типа: разделенные и неразделенные.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух частей: основной камеры, ограниченной днищем поршня и поверхностью головки цилиндров, и дополнительной камеры, расположенной в головке цилиндров. Основная и дополнительная камеры сообщаются между собой одним или несколькими каналами.

Дизели с разделенными камерами сгорания образуют две основные группы:
1) с вихревыми камерами; 2) с предкамерами.

Камера сгорания дизеля с вихревой камерой сгорания состоит из основной и вихревой камер, соединенных диффузором. Вихревая камера чаще всего имеет форму шара (Д-50 и СМД-14). Объем вихревой камеры составляет 60—70% всего объема камеры сгорания. В такте сжатия воздух вытесняется поршнем из цилиндра через диффузор в вихревую камеру. Форма вихревой камеры способствует созданию в ней интенсивных вихревых потоков воздуха. Топливо, впрыскиваемое форсункой, подхватывается воздушный потоком, хорошо перемешивается с воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление и температура продуктов сгорания (газов) повышаются и они вместе с несгоревшей частью топлива перетекают в основную камеру сгорания, где перемешиваются с неиспользованным еще воздухом. В основной камере топливо сгорает полностью. В дизелях с вихревыми камерами интенсивное вихревое движение во время процессов сжатия и сгорания является главным фактором, обеспечивающим качественное смесеобразование.

Основные преимущества вихревых камер таковы: смесеобразование происходит при сравнительно невысоком давлении впрыска (ПО—130 кГ/см2), мягкая работа дизеля — нарастание давления не превышает 2—3 кГ/см2 на 1° поворота коленчатого вала.

К недостаткам вихревых камер следует отнести: повышенные удельные расходы топлива (190—200 Г/д.с.ч.) вследствие больших гидравлических и тепловых потерь при протекании газов из одной камеры в другую и более трудный пуск дизеля по причине повышенной теплопередачи от газов стенкам камеры сгорания.

Камера сгорания дизеля с предкамерой состоит из основной камеры и предкамеры. Объем предкамеры составляет 25—40% общего объема камеры сгорания.

Процесс смесеобразования и сгорания в дизелях с предкамерами происходит следующим образом. В такте сжатия часть воздуха перетекает из цилиндра через соединительный канал в предкамеру. Топливо, впрыскиваемое форсункой в предкамеру, дополнительно распиливается встречными струями воздуха и самовоспламеняется. Так как в предкамере находится небольшая часть воздушного заряда, то в ней сгорает только часть впрыснутого топлива. При этом давление и температура в предкамере повышаются и газы вместе с несгоревшим топливом с большой скоростью (200—300 м/сек) через соединительный канал 9 перетекают в основную камеру 8. Здесь образуется интенсивное вихревое движение, и несгоревшее топливо, хорошо перемешиваясь с воздухом crop ает.

Дизели с предкамерами работают при давлении впрыска 100—130 кГ/см2. Их достоинства и недостатки такие же, как у дизелей с вихревыми камерами.

Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня и поверхностями головки и стенок цилиндра. В этот объем через форсунку впрыскивается топливо в виде одной или нескольких струй, и в нем происходят процессы смесеобразования и сгорания. Для лучшего использования воздушного заряда форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Она должна способствовать созданию интенсивного вихревого движения воздуха.

Основными преимуществами дизелей с неразделенными камерами сгорания (с непосредственным впрыском топлива) по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания являются высокая экономичность (ge = 160 —175 г/л. с. ч.) и сравнительно легкий пуск. Это объясняется компактностью камеры сгорания (на единицу объема приходится относительно небольшая поверхность) и отсутствием потерь энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при перетекании газов из одной камеры в другую.

К недостаткам дизелей с неразделенными камерами сгорания следует отнести жесткую работу (нарастание давления в процессе сгорания на 1° поворота коленчатого вала составляет 6—10 кГ/см2), повышенные требования к качеству применяемого топлива и необходимость иметь высокое давление впрыска.

Неразделенные камеры сгорания в последние годы получили широкое распространение на дизелях ЯМЗ-236, ЯМЗ-238НБ, АМ-01, АМ-41, Д-37М, Д-21, Д-108 и Д-130.

Если смесеобразование в дизелях с неразделенными камерами сгорания характеризуется равномерным распределением тонко распыленного топлива по всему объему камеры сгорания, то его называют объемным.

В дизелях с неразделенными камерами сгорания применяется пленочное смесеобразование (М-процесс), которое протекает следующим образом. В объем камеры сгорания, находящейся в поршне, многодырчатая форсунка распыливает 5—7% цикловой подачи топлива, а его основная часть попадает на стенки горячей камеры сгорания и распределяется на них в виде тонкой пленки, толщина которой не превышает 0,015 мм. Вначале воспламеняется топливо, распыленное в сжатом воздухе, а топливная пленка, попавшая на горячие стенки камеры сгорания, испаряется и вихревыми потоками воздушного заряда постепенно подается в зону горения. Постепенное сгорание топлива обеспечивает мягкую, относительно бесшумную и экономичную работу дизеля и возможность использовать различные топлива (бензин, керосин и дизельное).

В камерах сгорания дизелей Д-108, Д-37 и Д-21 только часть топлива попадает на стенки камеры сгорания и образует пленку, поэтому смесеобразование в них можно отнести к объемно-пленочному.