Смесеобразование при разделенных камерах сгорания

Значительное увеличение энергии воздушных потоков в дизеле достигается применением камер сгорания, разделенных на две или больше полостей, соединенных между собой каналами, рис. 18.

Одна область размещается между поршнем и головкой цилиндра, а другая (дополнительная камера) – в головке цилиндра или в блоке. Топливо впрыскивается форсункой в дополнительную камеру, интенсивное движение воздуха в которой создается во время хода сжатия вследствие перетекания в неё заряда из цилиндра через соединительные каналы. В пространстве над поршнем вихреобразование возникает после начала сгорания, когда происходит обратное истечение заряда из дополнительной камеры в пространство между поршнем и головкой цилиндра. В соответствии с этим при изучении смесеобразования в двигателях с разделенными камерами сгорания следует отдельно рассматривать процессы, происходящие в надпоршневом пространстве и в дополнительной камере.

Конструктивные формы размерных камер и типы вихревых потоков в них могут быть различными. В автотракторных дизелях наиболее распространены вихревые камеры и предкамеры.

В разделенных камерах сгорания энергия смесеобразования в основном создается за счет кинетической энергии движения воздушных вихрей, возникающих в процессах сжатия и сгорания топлива. Энергия топливной струи в этих камерах сгорания оказывает меньшее воздействие на смесеобразование.

Особенности смесеобразования в вихревой камере. В вихревой камере сгорания вращательное движение воздуха возникает в результате втекания его в камеру во время сжатия через соединительную горловину. Для получения направленного движения ось соединительной горловины располагают под углом к торцовой плоскости головки цилиндров так, чтобы образующая поверхность горловины была касательной к поверхности камеры.

Движущийся воздух воздействует на факел топлива и отжимает его к поверхности камеры, вследствие чего часть топлива попадает на стенку и испаряется. Этим самым обеспечивается высококачественное смесеобразование. Пары и мелкие капли топлива, находящиеся в камере, подхватываются воздухом и переносятся в зону горловины. В этой зоне температура высокая, что обусловливает воспламенение топлива при очень малой задержке воспламенения. В результате горения топлива в вихревой камере создается высокое давление, и горящее топливо перетекает в надпоршневую полость с большой скоростью. Основная масса воздуха, оставшаяся в цилиндре, заполняет специальное углубление в днище поршня под соединительной горловиной. Этим обеспечивается хорошее использование кислорода воздуха и достигается бездымный выпуск при малых коэффициентах избытка воздуха и меньшей (по сравнению с объемным и пленочным смесеобразованием) токсичностью отработавших газов.

Интенсивное движение воздуха в вихревой камере позволяет установить форсунку закрытого типа с штифтовым распылителем. Давление затяжки иглы форсунки составляет 12,5-15,0 МПа. В некоторых вихревых дизелях применяют двухструйную форсунку, у которой не режимах пуска топливо впрыскивается

через боковое отверстие распылителя в цилиндр (рис 18, г), где температура заряда выше, чем в вихревой камере. Это способствует более надежному пуску холодного двигателя. Относительный объем вихревой камеры в современных двигателях

Рис. 18. Схемы разделенных камер сгорания: а – г – вихревые; д – ж – предкамеры

Основными преимуществами вихревых камер являются:

1) меньшее по сравнению с неразделенными камерами сгорания максимальное давление и невысокая степень нарастания давления в основной камере сгорания;

2) более полное использование кислорода воздух, что обеспечивает работу двигателя с бездымным выпуском при ;

3) возможность работы двигателя на высоких скоростных режимах с удовлетворительными экономическими показателями, бездымным выпуском и малым шумом;

4) возможность использования топлив различного фракционного состава без резких изменений показателей двигателя;

5) меньшее давление впрыска, что облегчает условия работы топливоподающей аппаратуры.

К недостаткам вихревых камер относятся:

1) более высокий удельный расход топлива вследствие дополнительных тепловых и гидродинамических потерь, связанных с перетеканием газов из одной полости в другую, и увеличенных тепловых потерь из-за большой относительной теплопередающей поверхности;

2) ухудшение пуска холодного двигателя из-за интенсивного отвода теплоты к стенкам, имеющим большую относительную теплопередающую поверхность.

Особенности смесеобразования в предкамере.Процесс смесеобразования в предкамереимеет особенности.В процессе сжатия воздух перетекает из цилиндра впредкамеру с большими скоростями, максимальные значения которых достигают 230-320 м/с за 15-20^одоприхода поршня в в.м.т. Однако при этом не образуется организованного, направленного вихря, как вихревой камере. Из-за малого сечения соединительных каналов давление в цилиндре в процессе сжатия превышает давление в предкамере. Максимальная разность давлений составляет 0,3-0,5 МПа.

Форсунку обычно размещают по оси предкамеры, и впрыск топлива осуществляется по направлению к соединительным каналам, навстречу потоку воздуха, примерно в момент достижения им максимальной скорости. Объем предкамеры небольшой, поэтому смесь в ней при хорошем распыливании может сильно переобогащаться, что приводит к дымному сгоранию. Во избежание этого факел топлива должен быть компактным, а распыливание грубым, что достигается применением штифтовой или односопловой форсунки с низким давлением впрыска. Начало подъема иглы в распылителе соответствует давлению

Воздух, движущийся навстречу факелу с большой скоростью, подхватывает пары и мелкие капли с оболочки факела и уносит их в верхнюю часть предкамеры, где и происходит воспламенение. Нежелательно, чтобы большое количество топлива скапливалось в верхней части предкамеры, так как это способствует переобогащению смеси в верхней зоне камеры и выделению сажи. Основная масса впрыснутого топлива должна сосредоточиться в нижней части предкамеры. После начала сгорания давление в предкамере резко повышается, топливо вместе с горящими газами выдувается в надпоршневую полость, где оно интенсивно перемешивается в воздухом и полностью сгорает. Это обеспечивает хорошее использование воздуха в двигателях ( ) и достаточно высокое среднее эффективное давление

Число и форму соединительных каналов подбирают так, чтобы горящие факелы, вылетающие из предкамеры, по возможности заполняли весь объем между поршнем и головкой.

Расчет скорости и кинетической энергии потока при перетекании его из предкамеры в надпоршневую полость возможен при наличии кривых давлений, полученных одновременно для указанных объемов.

Предкамеру обычно размещают сбоку в головке цилиндров, если двигатель имеет два клапана. Боковое размещение предкамеры позволяет увеличить проходное сечение клапанов. На рис. 18, д, показана головка цилиндров дизеля с водяным охлаждением при боковом размещении предкамеры. В случае бокового размещения предкамеры часто делают один соединительный канал, что увеличивает дальнобойность факела горящей смеси.

Центральное размещение предкамеры (рис.18, е) применяется при четырех клапанах. Соединительных каналов делают возможно больше (до восьми). Их число ограничивается условием прочности перемычек. Выходное сечение соединительного канала может изменяться в результате перемещения поршня, если он имеет выступ в центральной части днища. Относительный объем предкамеры в этом случае может быть меньше, чем при её боковом размещении.

С целью уменьшения тепловых и газодинамических потерь фирмой MWM была предложена разделенная камера (см. рис. 18, ж) с малым перепадом давления. Дополнительная камера имеет грушевидную форму, сужающейся стороной обращенную к соединительным каналам (центральному и нескольким боковым), выполненным в проставке, которую изготавливают из жаропрочной стали. Параметры камеры сгорания MWM ( и ) выше, чем у предкамер существующих дизелей. По способу смесеобразования она соответствует обычным предкамерам.

Основные преимущества предкамер следующие:

1. Малые максимальные давления цикла и небольшие скорости нарастания давления в цилиндре двигателя; для обычных предкамер и вследствие чего уменьшаются нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

2. Интенсивный подогрев воздуха и топлива, поступающих в предкамеру, так как в нижней её части, около соединительных каналов, имеется горячая зона. Поэтому можно применять топливо с меньшим цетановым числом и разных марок.

3. Возможность более грубо распыливать топливо при впрыске, что позволяет использовать односопловый распылитель с большим проходным сечением и снижать давление распыливания, облегчая условия работы топливоподающей аппаратуры.

4. Интенсивное вихреобразование при истечении газа из предкамеры в основную камеру, в результате чего обеспечивается хорошее смесеобразование и сгорание на повышенных скоростных режимах работы дизеля и облегчается форсирование двигателя по частоте вращения.

5. Меньшая токсичность выпуска.

Вместе с тем, предкамеры имеют ряд существенных недостатков:

1. Тепловые и газодинамические потери, связанные с перетеканием газа с большими скоростями из основной камеры в предкамеру и обратно, ухудшают экономичность дизеля. Имеются также дополнительные потери теплоты в воду из-за увеличенных относительных поверхностей охлаждения камеры сгорания.

2. Трудный пуск холодного двигателя вследствие того, что воздух, проходя через соединительные каналы в процессе сжатия, отдает теплоту холодным стенкам. Поэтому температура в предкамере повышается значительно медленнее, чем в цилиндре.

Для улучшения пусковых качеств у предкамерных дизелей повышают степени сжатия ( ) по сравнению с дизелями с неразделенными камерами сгорания. Кроме того, предкамеры оборудуют обычно калильными свечами.

Сравнение различных методов смесеобразования. Проведенный выше анализ различных методов смесеобразования показывает, что можно достигнуть высоких мощностных показателей (высоких ) в дизеле с камерой любого типа при тщательной отработке рабочего процесса. Несколько меньше среднее эффективное давление получается у предкамерных дизелей из-за увеличенных потерь при осуществлении рабочего цикла.

Форсирование двигателя путем применения наддува более затруднено в случае разделенных камер, так как при повышении плотности воздушного заряда в цилиндре возрастают тепловые и газодинамические потери.

По экономическим показателям лучшими являются дизели с неразделенными камерами сгорания. У них отсутствуют дополнительные потери, вызываемые перетеканием газа через соединительные каналы, и меньше относительная теплопередающая поверхность камеры. У двигателей с неразделенными камерами сгорания пусковые качества лучше, чем у дизелей с разделенными камерами.

Нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма и шум при работе двигателя будут наименьшими в случае разделенных камер сгорания, которые обусловливают также лучшую работу двигателя на переменных режимах, возможность применения различного топлива и снижение давления впрыска.

В случае разделенных камер сгорания меньше токсичность отработавших газов, чем при неразделенных камерах.

Некоторые показатели рабочего процесса при различных способах смесеобразования в камерах сгорания приведены в табл. 3.

Таблица 3