Сравнительная оценка различных способов смесеобразования

Каждому из способов смесеобразования присущи свои достоинства и недостатки.

Так, двигатели с непосредственным впрыском обладают хорошими пусковыми качествами, наиболее высокими экономическими показателями и допускают значительное форсирование наддувом.

В то же время для этих дизелей характерны высокие «жесткость» работы, уровень шума, нагрузки на детали и значения коэф­фициента избытка воздуха, повышенные требования к сорту топли­ва и ограниченные возможности форсирования по частоте враще­ния коленчатого вала без специальных изменений в конструкции.

Двигатели с пленочным и объемно-пленочным смесеобразова­нием при достаточно высоких эффективных показателях, «мягкой» работе и нетребовательности к топливу имеют плохие пусковые ка­чества.

«Мягкая» работа, сравнительно низкие нагрузки на детали, ме­ньшие значения коэффициента избытка воздуха и широкие возмож­ности форсирования по частоте вращения коленчатого вала прису­щи двигателям с разделенными камерами сгорания, однако имеются значительные ухудшения экономических показателей и плохие пусковые качества.

В табл. 1 приведены некоторые параметры дизелей с различ­ными способами смесеобразования.

Таблица 1. Значения параметров дизелей с различными способами смесеобразования

Распыление топлива

На свойство смесеобразования, особенно при объемном смесеобра­зовании, большое влияние оказывает качество распыления топлива при впрыске.

Критериями оценки качества распыления являются дисперс­ность распыления и однородность.

Распыление считается тонким, если средний диаметр капель 5—40 мкм.

Тонкость и однородность распыления определяются давлением впрыска, противодавлением среды, частотой вращения вала насоса и конструктивными особенностями распылителя.

Кроме качества распыления большое влияние на процесс смесе­образования в дизелях оказывает глубина проникновения факела распыленного топлива в воздушный заряд (так называемая «дально­бойность» факела). При объемном смесеобразовании она должна быть такой, чтобы топливо «пробивало» весь воздушный заряд, не осаждаясь при этом на стенках камеры сгорания.

Форма факела (рис. 5) характеризуется его длиной l_ф, углом конусности β_ф и шириной b_ф.

Рис. 5. Форма топливного факе­ла и его положение в камере сго­рания

Формирование факела происхо­дит постепенно в процессе развития процесса впрыска. Длина l_ф факела увеличивается по мере продвижения новых частиц топлива к его верши­не. Скорость продвижения вершины факела при увеличении сопротивле­ния среды и уменьшении кинетиче­ской энергии частиц уменьшается, а ширина b_ф факела увеличивается. Угол β_ф конусности при цилиндри­ческой форме соплового отверстия распылителя составляет 12—20°.

Предельная длина факела должна соответствовать линейным размерам камеры сгорания и обеспечивать полный охват простран­ства камеры сгорания факелами. При малой длине факела горение может протекать вблизи форсунки, т. е. в условиях недостатка возду­ха, который не успевает своевременно поступать из периферийных зон камеры в зоны горения. При чрезмерной длине факела топливо оседает на стенках камеры сгорания. Осевшее на стенках камеры топливо в условиях безвихревого процесса сгорает не полностью, причем на самих стенках образуется нагар и сажа.

Топливо, введенное в цилиндр в виде факелов, распределяется в воздушном заряде неравномерно, так как число факелов, определя­емое конструкцией распылителя, ограничено.

Другой причиной неравномерного распределения топлива в ка­мере сгорания является неравномерная структура самих факелов.

Обычно в факеле различают три зоны (рис. 6): сердцевину, среднюю часть и оболочку. Сердцевина состоит из крупных частиц топлива, которые в процессе формирования факела имеют наиболь­шую скорость движения. Кинетическая энергия частиц передней части факела передается воздуху, в результате чего воздух перемещается в направлении оси факела.

Рис. 6. Топливный факел:
1 — сердцевина; 2 — средняя часть; 3 — оболочка

Средняя часть факела содержит большое количество мелких частиц, образовавшихся при дроблении пе­редних частиц сердцевины силами аэродинамического сопротивления. Распыленные и утратившие кинети­ческую энергию частицы оттесняются и продолжают движение лишь под действием потока воздуха, увлекаемого по оси факела. В оболочке находятся наиболее мелкие частицы, имеющие минимальную ско­рость движения.

На распыление топлива оказывают влияние следующие факторы:

• конструкция распылителя;

• давление впрыска;

• состояние среды, в которую впрыскивается топливо;

• свойства топлива.

Несмотря на то, что конструкция распылителей отличается бо­льшим разнообразием, наибольшее распространение получили рас­пылители с цилиндрическими сопловыми отверстиями (рис. 7, а) и штифтовые распылители (рис. 7, б). Реже используются распы­лители со встречными струями (рис. 7, в) и с винтовыми завихри­телями (рис. 7, г).

Рис. 7. Распылители форсунок:
а — с цилиндрическим сопловым отверстием; б — штифтовой;
в — со встречными струями; г — с винтовыми завихрителями

Распылители с цилиндрическими сопловыми отверстиями могут быть многодырчатыми и однодырчатыми, открытыми и закрытыми (с запорной иглой). Штифтовые распылители выполняются только однодырчатыми закрытого типа; распылители со встречными струя­ми и с винтовыми завихрителями могут быть только открытыми.

Цилиндрические сопловые отверстия обеспечивают получение сравнительно компактных факелов с малыми конусами расширения и большой пробивной способностью.

С увеличением диаметра отверстия сопла глубина проникнове­ния факела возрастает. Распылитель открытого типа обеспечивает меньшее качество распыления, чем закрытый. Наиболее низкое ка­чество распыления отмечается при использовании сопел открытого типа в начале и конце впрыска топлива, когда истечение топлива в цилиндр происходит при малых перепадах давления.

Штифтовые распылители имеют иглу с цилиндрическим или коническим штифтом на конце. Между штифтом и внутренней по­верхностью соплового отверстия имеется кольцевая щель, отчего факел распыляемого топлива обретает форму полого конуса. Такие факелы хорошо распределяются в среде воздушного заряда, но име­ют малую пробивную способность. Подобные распылители исполь­зуются в разделенных камерах сгорания с небольшими размерами.

Чем выше давление впрыска, тем больше пробивная способ­ность и длина топливного факела, тем тоньше и равномернее рас­пыление топлива.

Среда, в которую впрыскивается топливо, влияет на качество распыления посредством давления, температуры и завихрения. С повышением давления среды увеличивается сопротивление про­движению факела, что приводит к уменьшению его длины. При этом качество распыления изменяется незначительно.

Возрастание температуры воздуха приводит к снижению длины факела вследствие более интенсивного испарения частиц топлива.

Чем интенсивнее движение среды в цилиндре, тем равномернее распределяется топливо в объеме камеры сгорания.

Повышение температуры топлива приводит к уменьшению дли­ны факела и более тонкому распылению, так как при нагреве топ­лива уменьшается его вязкость. Топлива, имеющие большую вяз­кость, распыляются хуже.