Смесеобразование в дизеле

В дизелях смесеобразование происходит внут­ри цилиндра. Оно начинается в момент начала впрыскивания топ­лива и заканчивается в конце его сгорания. Качество смесеобразо­вания определяется характеристиками впрыскивания и распыли­вания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и тем­пературами поверхностей камеры сгорания, взаимным направле­нием и интенсивностью движения топливных струй и заряда в камере сгорания.

Объемное смесеобразование предполагает распыливание боль­шей части топлива в объеме камеры сгорания и лишь небольшая его часть попадает в ее пристеночный слой. Оно реализуется в однополостной (неразделенной) камере сгорания, которая располагается в поршне; ее ось и ось форсунки совпадают. Камера сгорания имеет малую глубину и большой диаметр, отношение ее диаметра к диа­метру цилиндра составляет d_к.с./D = 0,8...0,83 (рис. 5.4, е). Прогрев и испарение топлива в этой камере происходят в основном от сжа­того и нагретого заряда воздуха.

Угол рассеивания струй топлива обычно не превышает 20°, по­этому для полного охвата струями всего объема камеры сгорания и полного использования заряда воздуха в форсунке необходимо иметь не менее 18 распыливающих отверстий небольшого диамет­ра, что достаточно сложно для изготовления. В процессе эксплуа­тации дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр со­пловых отверстий, проходные сечения уменьшаются из-за отло­жения на их поверхности кокса.

Для полного сгорания впрыснутого топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше количество распыливающих отверстий. Это достигается примене­нием винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла. Однако повы­шение интенсивности вращательного движения заряда при впус­ке приводит к снижению коэффициента наполнения η_V.

Поэтому при объемном смесеобразовании используют 6...10 распыливающих отверстий при небольшом значении скорости движения заряда (12... 15 м/с), чтобы избежать значительного па­дения наполнения свежим зарядом.

Развеивание струй топлива вращающимся зарядом существенно влияет на объем и поверхность струи и их изменение во времени.

Теплообмен между зарядом и топливом происходит преиму­щественно в объеме факела и пары топлива перемещаются в на­правлении поверхности струй. Движение заряда сносит продукты сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним кислорода воздуха. При чрезмерной скорости движения заря­да мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания из одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, что приведет к ухудшению смесеобразования. Такое явле­ние называют перезавихриванием. Поэтому в дизелях с объемным смесеобразованием частота вращения ограничена и не превышает 3000 мин^-1.

При этом виде смесеобразования для проникновения капель топлива на периферию камеры сгорания, где сосредоточена наи­большая часть воздуха, необходимо повышать давление впрыски­вания, иногда до 200 МПа. Такое давление могут создавать насос-форсунки.

Однако их применение связано с усложнением конст­рукции и необходимостью в эксплуатации обеспечивать равно­мерную подачу топлива по отдельным цилиндрам. При использо­вании разделенных систем подачи топлива давление впрыскива­ния обычно не превышает 100 МПа, что связано с повышением сил, действующих на детали топливной аппаратуры, искажением объемов топлива в системе, а также с подвпрыскиваниями топ­лива из-за колебательных процессов в топливопроводах высокого давления.

Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования за­ключается в том, что часть топлива подается на стенку камеры сгорания и концентрируется в пристеночном слое, а другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Низкая температура стенок камеры сгорания (200...300 °С) и малая тур­булентность заряда в этой зоне уменьшают скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В итоге снижается ско­рость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламе­ни скорости испарения и смешения резко возрастают.

При таком виде смесеобразования относительный диаметр ка­меры сгорания несколько меньше (d_к.с./D= 0,5...0,6), а ее глубина больше (рис. 5.4, а, б, ж).

Тангенциальная составляющая скорости движения заряда воздуха достигает 25...30 м/с. Интенсивное вращение заряда при его перетекании в камеру сгорания позволя­ет применять 3...5 распыливающих отверстий большего диаметра. Снижаются требования к топливоподающей аппаратуре, которая должна обеспечить давление впрыскивания не более 80 МПа. При этом существенно снижаются нагрузки в топливной аппаратуре, повышаются ее износостойкость и надежность.

г е ж

Рис. 5.4. Типы камер сгорания дизеля в поршне:

а - полусферическая (дизель ВТЗ); б - ЯМЗ и АМЗ; в - ЦНИДИ; г - «МАН»; д - «Дойц»; е — «Гессельман»; ж — «Даймлер-Бенц»; δ_н.з. — надпоршневой зазор

Данное смесеобразование позволяет смещать ось распылителя относительно оси цилиндра и располагать форсунку наклонно, что облегчает ее установку и снятие в эксплуатации. Оси отдель­ных распыливающих отверстий располагают под разными углами к оси распылителя. Поэтому необходимо обеспечивать строгую фиксацию распылителя относительно корпуса форсунки, а кор­пуса форсунки — относительно камеры сгорания.

В рассматриваемых камерах перетекающий заряд из объема над поршнем в камеру сгорания захватывает пары, мелкие капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры сгорания.

При малых d_к.с./D большее количество воздуха сосредоточива­ется в зазоре между поршнем и головкой цилиндра. Это приводит к менее полному использованию воздуха для сгорания топлива и снижает мощность дизеля. Аналогично влияют зазоры между го­ловкой поршня и гильзой и расстояние от днища поршня до пер­вого компрессионного кольца. Также важным при изготовлении и ремонте дизеля является стабилизация зазоров между поршнем и головкой цилиндра, поршнем и цилиндром.

Пристеночное смесеобразование предусматривает подачу почти всего топлива в пристеночную зону камеры сгорания. Она обычно расположена соосно с цилиндром, а форсунка смешена к ее пе­риферии. Распылитель форсунки направляет одну-две струи топ­лива под острым углом на стенку камеры сгорания сферической формы (рис. 5.4, г), или вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (рис. 5.4, д). При этом интенсивное вращательное движение заряда, тангенциальная скорость которого достигает 50...60 м/с, распре­деляет топливные капли вдоль стенки камеры сгорания. В объем горячего заряда в центральной части камеры сгорания попадает 5... 10% топлива, которое воспламеняется в первую очередь. По мере испарения и смешения топлива с воздухом сгорание рас­пространяется на основную часть топлива в пристеночном слое.

В заряде происходит сепарация рабочей смеси: менее плотные продукты сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а бо­лее плотный воздух из центральной части камеры сгорания пере­мещается к периферии, где находится топливо. Это обеспечивает его постепенное и полное сгорание. Относительно малая скорость нарастания давления при начальном воспламенении небольшого количества топлива обусловливает сравнительно мягкую работу и снижение шума дизеля. Такой процесс в большей степени при­способлен к работе на топливах различного фракционного соста­ва и даже на бензине.

Использование одного-двух распыливающих отверстий боль­шого диаметра не требует тонкого распыления топлива, а макси­мальное значение давления впрыскивания не превышает 45 МПа. Основной недостаток двигателей с пристеночным процессом за­ключается в трудности пуска непрогретого дизеля, так как топли­во впрыскивается в пристеночный слой и непосредственно на хо­лодную стенку. К числу достоинств процесса относятся высокие экономические показатели и сравнительно низкие требования к топливной аппаратуре.

Камеры сгорания с пристеночным смесеобразованием имеют боль­шую глубину, что приводит к росту высоты головки поршня и высо­кой тепловой напряженности горловины камеры сгорания. Все это приводит к увеличению массы поршня и усложняет его охлаждение.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания основано на использовании двухполостных разделенных камер сгорания: вспо­могательной и основной, соединенных горловиной. С учетом ха­рактера движения заряда в дополнительной камере различают вихревые камеры сгорания и предкамеры.

а

Рис. 5.5. Разделенные камеры сгорания в головке цилиндров:

а — вихревая камера; б — предкамера

Вихревая камера сгорания (рис. 5.5, а) выполнена в головке цилиндра в форме сферы или цилиндра. Ось соединительной гор­ловины направлена по касательной к внутренней поверхности вихревой камеры сгорания для создания направленного вихрево­го движения заряда. Объем вихревой камеры составляет 50...60% общего объема камеры сгорания. Скорость перетекания заряда че­рез горловину достигает 100... 200 м/с. Топливо в вихревую камеру впрыскивается штифтовым распылителем. Оно отжимается дви­жущимся зарядом к стенке камеры. Нижняя часть вихревой каме­ры с горловиной обычно является съемной и теплоизолирован­ной. Температура горловины может достигать 600...650° С, что спо­собствует интенсивному смесеобразованию.

В вихревой камере создается обогащенная смесь. После воспла­менения топлива давление в вихревой камере повышается и горя­щий заряд перетекает в основную полость камеры сгорания, вы­полненную в днище поршня. Здесь сосредоточена значительная часть еще не использованного для сгорания воздуха, которая под воздействием вихревых потоков перемешивается с топливом и обеспечивает его полное сгорание.

Предкамера (рис. 5.5, б) имеет объем и сечение горловины обычно меньше, чем вихревая камера сгорания. С основной каме­рой сгорания предкамера соединяется каналами небольшого се­чения.

Направление и число каналов выбирают таким образом, чтобы на такте сжатия при перетекании заряда в предкамере создавалось беспорядочное движение заряда при скоростях 300 м/с и более. Впрыскивание топлива происходит навстречу потоку заряда воз­духа, поступающего из цилиндра. В результате интенсивной тур­булизации заряда в предкамере топливо хорошо перемешивается с воздухом.

При быстром и неполном сгорании обогащенной сме­си давление в предкамере резко возрастает. Это вызывает обрат­ное перетекание горящего заряда в основную полость камеры сго­рания, где он быстро и достаточно полно догорает даже при ма­лом избытке воздуха (при α= 1,15... 1,2).

При использовании разделенных камер сгорания значения мак­симального давления и скорости нарастания давления относительно невелики и приближаются к соответствующим значениям показателей двигателей с искровым зажиганием. Поэтому дизель работает мягче и менее шумно. Требования к топливной аппарату­ре для организации смесеобразования такого вида невелики.

Разделенные камеры сгорания имеют ряд недостатков:

• малое проходное сечение горловины приводит к повышенным потерям при перетекании заряда между обеими полостями каме­ры сгорания, а это ухудшает экономичность дизеля;

• при пуске непрогретого дизеля топливо впрыскивается на холодную стенку, имеющую большую поверхность, что затруд­няет пуск. Для повышения надежности пуска повышают сте­пень сжатия до 23 и в камере сгорания устанавливают свечу накаливания.

Смесеобразование при наддуве предполагает увеличение цик­ловой подачи топлива практически за то же время, что и в дизеле без наддува. Ее можно повысить путем увеличения эффективною проходного сечения распыливающих отверстий или увеличением давлений впрыскивания.

При наддуве плотность заряда в цилиндре увеличивается. По­этому, чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, необходимо более рез­ко повысить давление впрыскивания с увеличением частоты вра­щения и нагрузки, чем в дизеле без наддува.

При высоких степенях наддува применяют насос-форсунки или топливные системы аккумуляторного типа.

3. Процессы сгорания и тепловыделения.

Сгорание является слож­ным физико-химическим процессом. Оно определяет энергети­ческие, экономические и экологические показатели цикла, дина­мические нагрузки на детали двигателя. Хорошие показатели ра­боты дизеля на номинальном режиме достигаются при тепловы­делении, начинающемся в положении поршня за 5... 15° до ВМТ и завершающемся на 45...50° после ВМТ.

Процесс тепловыделения в дизеле можно условно разделить на четыре фазы (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Индикаторная диаграмма и фазы процесса сгорания дизеля.

Первая фаза — период задержки воспламенения — начинается с момента начала впрыскивания топлива и заканчивается в мо­мент, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива. Длительность фазы определяют как интервал времени τ_i, или угол поворота коленчатого вала θ_i.

Фаза включает процессы распада струй на капли, продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного их испа­рения и смешения с воздухом, а также время саморазгона хими­ческих реакций. Неоднородность смеси по объему камеры сгорания положительно влияет на развитие воспламенения. В некоторых ло­кальных зонах камеры сгорания существуют благоприятные усло­вия для воспламенения бедной по составу смеси даже при сред­нем α = 6. Если большая часть впрыснутого топлива успевает испариться и смешаться с воз­духом, то в цилиндре развива­ются высокие давления, что при­водит к высоким динамическим нагрузкам на детали двигателя и росту его шумоизлучения.

На длительность τ_i влияют следующие факторы:

• воспламеняемость топлива улучшается при увеличении цетанового числа топлива;

• увеличение давления и температуры заряда в начале впрыски­вания топлива сокращает τ_i; применение наддува также уменьша­ет τ_i. В процессе эксплуатации из-за увеличения утечек заряда че­рез кольца давление и температура заряда в конце сжатия могут снижаться, а это приведет к увеличению τ_i;

• тип камеры сгорания оказывает влияние на τ_i из-за различий в распределении топлива по объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания;

• увеличение интенсивности направленного движения заряда несколько сокращает длительность задержки воспламенения;

• интенсификация характеристик впрыскивания и распылива­ния способствует небольшому сокращению τ_i;

• уменьшение нагрузки, если начало подачи в зависимости от на­грузки не изменяется, приводит к незначительному удлинению τ_i;

• увеличение частоты вращения способствует лучшему распыливанию топлива, повышению давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива, что сокращает τ_i, но продолжительность периода θ_i в градусах ПКВ несколько возра­стает.

Вторая фаза — фаза быстрого сгорания θ_I — начинается с мо­мента отрыва кривой сгорания от линии сжатия и завершается при достижении максимума давления. В этой фазе вначале сгорает часть смеси, подготовленной к воспламенению за предыдущую фазу (τ_i), а затем процесс сгорания определяется смешением воз­духа и топлива, подаваемого в данной фазе.

Развитие и длительность второй фазы сгорания θ_I определяют следующие факторы:

• количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за вре­мя τ_i и подаваемого в течение второй фазы сгорания; с увеличе­нием мелкости распыливания первых порций впрыскиваемого топ­лива растут скорости тепловыделения и нарастания давления;

• скорость движения заряда интенсифицирует тепловыделения в фазе быстрого сгорания; однако при сильной турбулизации коли­чество выделяемой теплоты уменьшается;

• тип камеры сгорания определяет количество топлива, попада­ющее в пристеночную зону, и чем оно больше, тем меньше ско­рости тепловыделения и нарастания давления;

• увеличение нагрузки, т.е. количества впрыскиваемой порции топлива, и длительности подачи приводит к большей продолжи­тельности второй фазы сгорания;

• повышение частоты вращения приводит к улучшению распы­ливания топлива, уменьшению продолжительности впрыскива­ния по времени, увеличению интенсивности движения заряда, повышению температуры и давления и ускорению химических реакций. При сокращении τ_i продолжительность θ_I, выраженная в градусах ПКВ, почти не изменяется.

Третья фаза — фаза быстрого диффузионного сгорания θ_II — начинается в момент достижения максимума давления и заверша­ется в момент достижения максимума температуры. В этот период происходит быстрое смешение воздуха с топливом, подаваемым в пламя, а также интенсивное тепловыделение. В зонах с повышен­ным содержанием топлива происходит активное образование сажи.

На продолжительность третьей фазы сгорания влияют следую­щие факторы:

• количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания и качество распыливания;

• увеличение скорости движения воздушного заряда до опреде­ленного оптимального значения повышает тепловыделение в тре­тьей фазе. Дальнейшее ее повышение создает «перезавихривание» заряда, тепловыделение снижается, что связано с ухудшением рас­пределения топлива в объеме заряда. При этом происходит пере­нос продуктов сгорания из зоны одного факела в зону другого. Это увеличивает неполноту сгорания и приводит к дымлению дизеля;

• повышение нагрузки и наддув увеличивают тепловыделение и его скорость, а также длительность третьей фазы;

• увеличение частоты вращения интенсифицирует подачу и рас­пыливание топлива благодаря повышению скорости движения заряда, при этом продолжительность третьей фазы по времени сокращается.

Четвертая фаза — догорание — начинается с момента дости­жения максимальной температуры цикла, т.е. практически после завершения впрыскивания, и завершается по окончании тепло­выделения. В ней происходит диффузионное сгорание при малых скоростях смешения паров топлива и воздуха.

На развитие четвертой фазы сгорания влияют следующие фак­торы:

• турбулентные пульсации заряда интенсифицируют процесс догорания;

• качество распыливания порций топлива, подаваемых в конце впрыскивания, влияет на длительность процесса догорания топ­лива. Чем больше диаметр капель, тем больше продолжается до­горание и интенсивнее сажеобразование. Медленное завершение впрыскивания и подвпрыскивание вызывают затягивание процесса сгорания и образование сажи, снижает надежность работы дизе­ля, увеличивает закоксовывание распыливающих отверстий и от­ложения на деталях;

• попадание топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства затягивает догорание топлива и вызывает перегрев дизеля;

• наддув обычно несколько затягивает процесс догорания топлива из-за роста продолжительности впрыскивания и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.

Значения давления р_z и температуры Т_z для различных типов двигателей приведены в табл. 5.1.

Значения параметров процесса сгорания Таблица 5.1

Тип двигателя	рz, МПа	Тz, К
Дизель с неразделенной камерой сгорания Дизель с пристеночным смесеобразованием Дизель с разделенными камерами сгорания Дизель с искровым зажиганием	7,5…15* 6,5…8 6…7,5 3…3,5	1800…2200 1750…2100 1700…2000 2500…2850

*

Для двигателей с наддувом.