Смесеобразование у дизелей

Образование горючей смеси у дизелей происходит иначе, чем у карбюраторных. У дизелей при такте впуска в цилиндры поступает воздух, который сжимается в 15-20 раз. За счет повышения давления температура воздуха достигает 600-900 º.

Образование горючей смеси происходит внутри цилиндра, куда топливо впрыскивается форсункой под давлением 16-18 МПа. Это давление значительно превышает давление сжатого в цилиндре воздуха, находящегося в пределах 4-5 МПа. Скорость истечения топлива из форсунки достигает 150-400 м/с (450-1440 км/ч). В результате трения о воздух струя топлива дробится на мелкие капли диаметром 0,002-0,003 мм. Мелко распыленное топливо быстро испаряется и сгорает. Угол конуса распыления зависит в основном от формы и размеров сопла, давления впрыска, вязкости топлива, и давления воздуха в цилиндре. У дизелей смесеобразование происходит за 20-40 ºповорота коленчатого вала и составляет 0,001 – 0,004 с, т.е. в 10-15 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей. При таком ограниченном времени однородная качественная смесь может быть получена только при достаточно хорошем распылении и испаряемости топлива.

Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, нужно, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы. Горение происходит только в присутствии кислорода, поэтому каждая частица топлива должна быть окружена необходимым для полного сгорания количеством кислорода воздуха. Это очень сложный процесс, и для его осуществления приходится наполнять цилиндр гораздо большим количеством воздуха, чем это требуется для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха у дизелей достигает 1,2 – 1,65.

Чтобы уменьшить избыточное количество воздуха и повысить среднее эффективное давление и литровую мощность дизеля, необходимо улучшать смесеобразование. Этого можно добиться следующими мерами:

• Форму камеры сгорания подобрать такую, чтобы она полнее обеспечивала распыление и перемешивание топливного факела, выходящего из сопел форсунки, с воздухом
• Создавать в камерах сгорания вихревое движение воздуха для наилучшего обеспечения распыления и перемешивания топлива с воздухом еще до момента самовоспламенения, что способствует более полному сгоранию топлива
• Путем оптимизации давления впрыска, давления воздуха в камере сгорания, направления выброса струй топлива из сопел форсунки добиваться максимально тонкого распыления топлива, что способствует лучшему испарению и горению топлива
• За счет конструкции распылителей форсунок и формы камер сгорания добиваться однородного распыления топлива в виде капель примерно одинаковых размеров
• Дальнобойность выбрасываемых струй из сопел форсунов должна иметь требуемую величину. Дальнобойность топливного факела увеличивается при повышении давления впрыска и уменьшается при возрастании давления в камере сгорания за счет повышения сопротивления газовой среды проникновению частиц топлива

Рис. 3.23 Виды камер сгорания

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Особенностью работы дизеля является то, что при различных оборотах коленчатого вала количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, почти не меняется, а изменяется количество впрыскиваемого топлива. Из-за этого при малой частоте коленчатого вала воздуха бывает достаточно с избытком, и топливо сгорает полностью. При увеличении частоты вращения коленчатого вала количество топлива, подаваемого в цилиндры, увеличивается, а количество воздуха в цилиндре остается постоянным и даже из-за уменьшения времени на такт впуска несколько уменьшается. В результате уменьшается коэффициент избытка воздуха и ухудшается процесс горения топлива.

Чтобы дизель обладал наилучшими мощностными и экономическими показателями впрыск топлива в цилиндр нужно начинать еще до прихода поршня в ВМТ примерно за 10-20º, считая по обороту коленчатого вала.

Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до ВМТ в момент начала впрыска топлива, называется углом опережения впрыска топлива.

Если топливо впрыскивается слишком рано, двигатель работает «жестко», а если топливо впрыснуто поздно, то оно будет сгорать уже при такте расширения (рабочий ход). В этом случае потери теплоты в систему охлаждения будут очень большими. Увеличивается потеря теплоты и с обработавшими газами. Все это приводит к уменьшению мощности и экономичности двигателя.

Чтобы форсунка впрыскивала топливо с требуемым опережением, ТНВД должен подавать топливо еще раньше. Это вызвано необходимостью иметь некоторое время на нагнетание топлива от насоса к форсунке.

Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до ВМТ в момент начала подачи топлива из топливного насоса, называется углом опережения подачи топлива.