Значения параметров процесса сжатия
| Параметр | Бензиновый двигатель | Дизель без наддува | Дизель с наддувом |
| С ieпень сжатияе Давление в конце сжатия рс, МПа 1 емпература в конце сжатия Тс, К | 7,5... 10 1,2 ...2,2 600... 900 | 15...232,9...6,0 700... 900 | 12...15 до 8,0 1000 |
оно мало, то могут возникнуть нарушения в процессе сгорания
из-за детонации. Следует иметь в виду, что с повышением е уве-
личивается количество оксидов азота.
В дизеле степень сжатия заряда выбирается из необходимости
обеспечения хорошего воспламенения впрыснутого топлива во всех
случаях его эксплуатации, включая пуск холодного двигателя. Одна-
ко с ростом г, повышаются нагрузку от газовых сил на КШМ и
тепловые нагрузки на детали, формирующие камеру сгорания.
Необходимо отметить, что при ржатии имеют место утечки
*'(130в через кольца в картер двигателя. Это вызывает снижениерс и
Тс. По мере роста степени сжатия и уменьшения частоты враще-
ния их доля возрастает.
Параметры процесса сжатия для резнадцувного дизеля, дизеля
с давлением наддуварк < 0,2 МПа без промежуточного охлажде-
ния воздуха после компрессора и бензинового двигателя при пол-
ностью отрьпой дроссельной заслонке представлены в табл. 3.2.
3.3. Процессы смесеобразования и сгорания
в двигателях с искровым зажиганием
Процессы смесеобразования и сгорания в двигателе с искро-
ным зажиганием определяются физико-химическими свойствами
топлива, способом его подачи (дл^ бензина впрыскивание или
карбюрация) или смесителем газоврго двигателя, а также режи-
мом его работы.
Offесеобраювание. Комплекс взаимосвязанных процессов дози-
рования топдива и воздуха, распыпуивания и испарения топлива,
а также перемешивания топлива с воздухом называется смесеоб-
разованием. От состава и качества тодливовоздушной смеси, полу-
ченной при смесеобразовании, зависит эффективность процесса
аордния.
В четырехтактных двигателях обычно организуют внешнее сме-
сеобразование, которое начинается дозированием топлива и воз-
духа в форсунке, карбюраторе или в смесителе (газовый двига-
тель), продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре
лиищтеля.
Различают два типа впрыскивания топлива: центральное — впрыс-
кивание топлива во впускной трубопровод и распределенное —
впрыскивание во впускные каналы головки цилиндров.
Распиливание топлива при центральном впрыскивании и в кар-
бюраторах начинается в период, когда струя топлива после ее
выхода из отверстия форсунки или распылителя под воздействи-
ем сил аэродинамического сопротивления и за счет высокой ки-
нетической энергии воздуха распадается на пленки и капли раз-
личных диаметров. По мере движения капли дробятся на более
мелкие. С повышением мелкости распыливания растет суммарная
поверхность капель, что приводит к более быстрому превраще-
нию топлива в пар.
С увеличением скорости воздуха мелкость и однородность рас-
пыливания улучщаются, а при больших вязкости и поверхност-
ном натяжении топлива — ухудшаются. Так, прц пуске карбюра-
торного двигателе распыливания топлива практически нет.
При впрыскивании бецзина качество распыливания зависит от
давления впрыскивания, формы распыливающих отверстий фор-
сунки и скорости течения топлива в них.
В системах впрыскивания наибольшее применение цолучили
электромагнитные форсунки, к которым топливо подводится под
давлением 0,15...0,4 МЩ для получения капель* требуемого раз-
мера.
Распиливание пленки и капель топлива продолжается при дви-
жении трпливовоздушной смеси через сечения между вдускным
клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках — в щели, обра-
зуемой прикрытой дроссельной заслонкой.
Образрвание и движение пленки топлива возникает в каналах
и трубопроводах рпускно# системы. При движении топлива из-за
взаимодействия с потоком воздуха и гравитации оно частично
оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную
пленку. ^1з-за действия сил прверхностного натяжения, сцепле-
ния со стенкой, тяжести и других сил скорость движения пленки
топлива в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси.
С пленки потоком воздуха могут срываться капельки топлива (вто-
ричное распыливание).
При впрыскивании бещина обычно в пленку цопадает 60...80%
топлива. Ее количество зависит от места установки форсунки, даль-
нобойности струи, мелкости распыливания, а в случае распреде-
ленного впрыскивания в каждый цилиндр — и от момента его
начала.
В карбюраторных двигателях на режимах полных нагрузок и
малой частоты вращения до 23 % от общего расхода топлива п0~
падает в пленку на выходе из впускного трубопровода. Это связа-
но с небольшой скоростью потока воздуха и недостаточной мел~
костью распыливания топлива. При прикрытии дроссельной зас~
лонки количество пленки во впускном трубопроводе меньше из-
за вторичного распыливания топлива около заслоню!.
Испарение топлива необходимо для получения однородной смеси
топлива с воздухом и организации эффективного процесса сгорания.
Но впускном канале, до поступления в цилиндр, смесь является двух-
фазной. Топливо в смеси находится в газовой и жидкой фазах.
При центральном впрыскивании и карбюрации для испарения
пленки впускной трубопровод специально подогревают жидко-
стью из системы охлаждения или отработавшими газами, В зависи-
мости от конструкции впускного тракта и режима работы на вы-
ходе из впускного трубопровода в горючей рмеси топливо на
60...95 % находится в виде паров.
Процесс испарения топлива продолжается и в цилиндре во
время тактов впуска и сжатия, а к началу сгорания топливо испа-
ряется практически полностью.
При распределенном впрыскивании трплива на тарелку впускно-
го клапана и работе двигателя на подной нагрузке испаряется
30...50 % цикловой дозы топлива до поступления в цилиндр. При
впрыскивании топлива на стенки впускного канала доля испа-
рившегося тогощва возрастает до 50... 70 % бла1 одаря увеличению
времени на его испарение. Подогрев впускного трубопровода в
)том случае не нужен.
Условия для испарения бензина на режимах холодного пуска
ухудшаются, а доля испарившегося топлива перед поступлением
в цилиндр при этом составляет лишь 5... 10 %.
Неравномерность состава смеси, поступающей в разные цилиндры
двигателя, при центральном впрыскивании и карбюрации опреде-
ляется разной геометрией и длиной каналов (неодинаковым сопро-
I ивлением ветвей впускного тракта), разницей скоростей движения
воздуха и паров, капель и, главным образом, пленки топлива.
При неудачной конструкции впускного тракта степень равно-
мерности состава смеси может достигать ±20 %, что существенно
снижает экономичность и мощность двигателя,
Неравномерность состава смеси зависит также от режима ра-
боты двигателя. При центральном впрыскивании и в карбюратор-
ном двигателе с ростом частоты вращения улучшаются распыли-
вание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава
смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении
нагрузки двигателя.
При распределенном впрыскивании неравномерность состава
смеси по цилиндрам зависит от идентичности работы форсунок.
Наибольшая неравномерность возможна на режиме холостого хода
при малых цикловых дозах.
Организация внешнего смесеобразования гаювых автомобиль-
ных двигателей родобна карбюраторным двигателям. Топливо в
воздушный поток вводится в газообразном состоянии. Качество
топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании зави-
сит от температуры кипения и коэффициента диффузии газа. При
этом обеспечивается формирование практически однородной сме-
си, а ее распределение по цилиндрам равномернее, чем в карбю-
раторных двигателях.
Воспламенение и сгорание топлива. Для получения высокого
индикаторного КПД двигателя необходимо полностью и своевре-
менно сжечь топливо и выделить топливо при нахождении порш-
ня вблизи ВМТ. Скорость сгорания смеси зависит от ее однород-
ности и турбулизации в камере сгорания. О качестве сгорания
можно судить по индикаторной диаграмме (рис 3.4), на которой
условно выделяют три фазы
Первая фаза 6[ называется начальной фазой сгоранцящт фазой
формирования фронта пламени. Она начинается в момент подачи
электрической искры и заканчивается, когда давление в резуль-
тате выделения теплоты в цилиндре будет выше, чем при сжатии
смеси без сгорания. В этой фазе очаг горения формируется в зоне
между электродами свечи при высоких температурах, а затем пре-
вращается во фронт пламени. В этот период сгорает 2 • 3 % топли-
ва. На длительность 6( влияют следующие факторы.
Состав смеси: максимальная скорость сгорания и, следователь-
но, наименьшее значение 6| соответствует составу смеси при а ~
= 0,8 ...0,9; значительное обеднение рмеси резко ухудшает стабиль-
ность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных
цилиндрах.
Вихревое движение заряда: сокращению длительности 0[ спо-
собствует интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре при
применении винтовых или тангенциальных впускных каналов.
Степень сжатия, высокие значения е увеличивают температуру
и давление рабочей смеси, при этом растет скорость сгорания и
уменьшаетсядлительность бр
Частота вращения', длитель-
ность 0[ в градуса^ ПКВ возрас-
тает с увеличением частоты вра-
щения.
Нагрузка двигателя: при при-
крытии дроссельной засдонки
растет доля отработавших газов
в рабочей смеси, снижается ее
давление и ухудшается стабиль-
ность воспламенения, что уве-
личивает длительности 0j.
 Рис. 3 4. Индикаторная диаграмма двигателя с искровым зажиганием |
Характеристику искрового раз-
ряда: с ростом пробивного напря-
жения, длительности и стабиль-
ности разряда 0| уменьшается.
Вторая фаза 0ц называется основной фазой сгорания. Она длится
до момента достижения максимального давления цикла pz. Дли-
тельность 0ц определяется турбулентным горением, при котором
максимальная скорость распространения пламени может соста-
вить 60 ...80 м/с. В ней сгорает 80...85 % топлива. Обычно эффек-
швный КПД Ле достигает максимального значения, если вторая
фаза сгорания располагается симметрично относительно ВМТ; при
полной нагрузке 0ц = 25.. 30°
При повышении частоты вращения длительность второй фазы
по времени уменьшается пропорционально изменению длитель-
ности всего цикла, а в градусах ПКВ она практически не изменя-
ется из-за турбулизации заряда и повышения скорости фронта
пламени.
При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания
значение 0П уменьшается.
Сгорание в конце фазы 0ц не заканчивается, поэтому средняя
температура цикла возрастает и достигает максимального значе-
ния после максимума давления (jJzmax).
Третья фаза ©ш называется фазой догорания. Она начинается в
момент достижения максимального давления цикла, В этрй фазе
остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельное объе-
мы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. Момент оконча-
ния этой фазы определяется концом тепловыделения и и[а диаг-
рамме не виден.
Нарушения сгорания. Детонационное сгорание в цилиндре дви-
гатрля представляет собой сгорание последних частей заряда в
результате его объемного самовоспламенения. Оно сопроврждает-
ся возникновением ударных волн, скорость которых может в де-
сятки раз превышать скорость рас пространения фронта турбулен-
тного пламени и достигать 1500 м/с.
В процессе сгорания часть рабочей смеси, до которой фронт
пламени доходит в последнюю очередь, в результате увеличения
дарения от сгорания нагревается до температуры, превышаю-
щей температуру самовоспламенения. В ней могут возникать очаги
воспламенения. При достаточном времени в камере сгорания воз-
можно образование и распространение ударных волн, которые
также способствуют самовоспламенению рабочей смеси.
На индикаторных диаграммах детонация проявляется в виде
пиковых колебаний давления (рис. 3.5, а, б). Внешним признаком
детонационного сгорания является звонкий металлический стук,
возникающий вследствие отражения ударных волн от стенок ка-
меры сгорания. С увеличением детонации стуки становятся гром-
че, мощность двигателя падает, а в отработавших газах наблюда-
ется черный дым. При детонации растут тепловые и механические
нагрузки на детали КШМ, а в результате продолжительной дето-
нации оплавляются кромку поршней, обгорают прокладки голо-
вок цилиндров и электроды све-
чи, разрушаются подшипники
коленчатого вала
Мероприятия по подавлению
детонации;
использование топлив с окта-
новым числом, соответствующим
требованиям завода-изготовите-
ля. У легких фракций бензина
октановое число меньше, чем у
средних и тяжелы к. При быст-
ром открытии дроссельной зас-
лонки тяжелые фракции бензи-
на поступают в цилиндр с не-
которым опозданием, поэтому
в начале разгона из-за времен-
ного снижения октанового чис-
ла топлива возможно появление детонации;
уменьшение угла опережения зажигания для снижения макси-
мального давления и скорости нарастания давления цикла;
увеличение частоты вращения приводит к интенсификации про-
цесса сгорания за счет повышения скоррсти распространения
фронта пламени. При этом также растет концентрация отработав-
ших газов в рабочей смеси, что снижает вероятность возникнове-
ния детонации;
уменьшение нагрузки двигателя прикрытием дрорсельно^ зас-
лонки приводит к снижению давления и температуры процесса
сгорания и увеличению доли отработавших газов в рабочей смеси;
конструктивные мероприятия по снижению вероятности появ-
ления детонации сводятся к усилению турбулизации заряда, улуч-
шению охлаждения последних порций заряда, уменьшению пути,
проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных
частей камеры сгорания, уменьшению диаметра цилиндра, сни-
жению степени сжатия.
Преждевременное воспламенение возникает во время процесса
сжатия (до момента появления искры) от накаленных (выше
700...800 °С) зон центрального электрода свечи, головки выпуск-
ного клапана, тлеющих частиц нагара. При этом возрастаю г тем-
пература и давление цикла, происходит перегрев двигателя и
уменьшение его мощности (рис. 3.5, в). Длительная работа в таком
режиме может привести к прогоранию поршня. Для устранения
преждевременного воспламенения необходимо быстро закрыть
дроссельную заслонку. В эксплуатации следует использовать свечи
с требуемым высоким калильным числом (см. разд 4),
| ВМТ ч> в |
| Рис. 3 5. Виды индикаторных диаг- рамм при нарушениях процесса сго- рания в двигателе с искровым зажи- ганием. а — слабая детонация; б — сильная де- тонация, в — преждевременное воспла- менение |
Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании возни-
кает в двигателе с е > 8,5, когда в конце сжатия при невысокой
частоте вращения (п - 300.,.400 мин-1) температура рабочей сме-
си достаточна для ее самовоспламенения. Для остановки двигате-
ля в этом случае необходимо одновременно с выключением за-
жигания прекращать подачу топлива
Влияние различных факторов на процесс сгорания. Угол опере-
жения зажигания ср0 3 на каждом режиме должен обеспечивать наи-
лучшие показатели двигателя. Такой У™ называется оптималь-
ным Фозопт- При этом основная фаза процесса сгорания 9ц распо-
лагается одинаково по обе стороны от ВМТ. Система зажигания
обеспечивает автоматическое изменение ср0 3 в зависимости от ре-
жима его работы и температурного срстояния.
Угол опережения зажигания <р03 зависит от длительности
фаз процесса сгорания. Чем больше 0|, тем раньше необходимо
поджигать смесь. Однако при увеличении ф03 ухудшаются на-
чальные условия воспламенения рабочей смеси из-за уменьше-
ние ее температуры и давления, что в итоге приводит к возра-
станию 0|.
Состав смеси влияет на количество теплоты и скорость ее вы-
деления при сгорании топлива, а также на токсичность отрабо-
тавших гаюв. Минимальные значения 0i и 01(, максимальныеpz и
f>t и наибольшее тепловыделение достигаются при мощностном
составе смеси ам = 0,85... 0,95. В цилиндре выделяется наибольшее
количество теплоты при достаточно высокой скорости сгорания
юплива. Обеднение смеси до аэк - 1,1 ..1,3 увеличивает индика-
юрный КПД г], и повышает экономичность. При дальнейшем обед-
нении смеси резко ухудшаются процессы воспламенения и сгора-
нии, растет неравномерность последовательных циклов, что при-
водит к снижению Г|г
Для газовых топлив характерны более широкие пределы вос-
пламеняемости. Это позволяет эффективно сжигать сильно обед-
ненные смеси. Например, для водорода р, тах достигается при
а * 1,0, а п, max при а » 2,5.
Изменение а для каждого режима работы ДВС обеспечивается
автоматически системой топливоподачи для получения максималь-
ныхр, или г|, и требуемой токсичности отработавших газов.
Нагрузкам двигателе с искровым зажиганием уменьшается пу-
тем прикрытия дроссельной заслонки. При этом снижается коли-
чество свежего заряда и растет доля ортаточных газов. В результате
ухудшаются условия воспламенения и растет продолжительность 0(.
По мере прикрытия заслонки повышается неравномерность по-
ел едоватедьных циклов, что требует обогащения смеси для улуч-
шения ее воспламенения искрой. Ухудшение условий сгорания при
'ломвызывает дополнительный расход топлива и рост токсичных
компонентов СО и СН в отработавших газах.
Увеличение частоты вращения вызывает рост турбулизации за-
ряда и улучшает смесеобразование. Так как при этом 0U « copst, а
6, возрастает, то для обеспечения тепловыделения у ВМТ необхо-
димо увеличить ф0 3.
Форма камеры сгорания должна обеспечить интенсивное управ-
ляемое сгорание при минимальных тепловых потерях. Турбулизацию
в цилиндре и в зонах, до которых фронт пламени от свечи доходит в
последнюю очередь, обеспечивают вытеснители. Они представляют
собой зазоры между поверхностью головки цилиндров и днищем
поршня и способствуют ускоренному догоранию смеси.
Свечу в камере сгорания располагают ближе к центру, чтобы
обеспечить хорошую очистку зоны ее электродов от отработавших
газов и сократить путь пламени до наиболее удаленных точек ка-
меры сгорания.
При центральном расположении свечи в камере сгорания хо-
рошо компонуются четыре клапана. Это позволяет получить высо-
кое значение лкпри большой частоте вращения.
Степень сжатия уведичивают для получения большего давле-
ния и температуры рабочей смеси в момент искрового разряда и
улучшения условий воспламенения смеси, повышения скорости
сгорания в основной фазе, снижения г\. Однако при повышении
степени сжатия увеличивается отношение поверхности камеры сго-
рания к ее объему и возрастает вероятность детонации.
Расслоение смеси повышает эффективность процесса сгорания
в том случае, если в зоне свечи зажигания образуется обогащен-
ная смесь, а по мере удаления от нее — обедненная,
3.4. Процессы смесеобразования и сгорания в дизелях
Процессы смесеобразования и сгорания в дизелях идут парал-
лельно и включают в себя впрыскивание и распыливание топли-
ва, развитие топливного факела, прогрев, испарение топцивных
паров, смешение их с воздухом и непосредственно сгорание.
Впрыскивание и распыливание топлива. Процесс подачи топлива
в дизеле начинается в конце процесса сжатия до прихода прршня
в ВМТ. Впрыскивание топлива в цилиндр осуществляется из рас-
пылителя форсунки. Проходные сечения распылителя и давление
впрыскивания изменяются в процессе подачи. Это обусловливает
непостоянство скорости истечения и расхода топлива, характер
изменения которых по времени зависит от конструкции трплив-
ной системы, режимов ее работы и свойств топлива.
Подача топлива в дизеле должна удовлетворять следующим тре-
бованиям.
1. Впрыскивание топлива необходимо осуществлять в строго
определенный момент цикла.
2. Начало подачи, характеризуемое углом опережения впрыс-
кивания фовп, длительность впрыскивания фши конец подачи долж-
ны обеспечивать наиболее полное использование теплоты топ-
Лива. У автотракторных дизелей на полных нагрузках углы опере-
жения впрыскивания составляют 5... 30°, а продолжительность по-
дачи топлива — 20... 45° ПКВ. Однако на всех режимах работы ди-
зеля обеспечить оптимальные моменты начала и окончания впрыс-
кивания невозможно. Поэтому стремятся установить оптимальные
yi лы впрыскивания для режимов, наиболее часто встречающихся
и эксплуатации.
3. Необходимо обеспечить требуемое качество распыливания и
распределения топлива в камере сгорания для быстрого протека-
мия в ней процессов нагревания и испарения топлива, его сме-
шения и последующего горения. Это обеспечивается определен-
ным законом изменения объемной скорости подачи топлива в про-
цессе впрыскивания,
4, Цикловая подача должна соответствовать нагрузочному и ско-
ростному режимам работы дизеля и быть одинаковой во всех цик-
лах и во всех цилиндрах.
Параметры процесса впрыскивания описываются дифференци-
альной и интегральной характеристиками впрыскивания (рис. 3.6).
Дифференциальная характеристика впрыскивания устанавливает
швисимость скорости подачи топлива dVm/dqKиз распылителя фор-
сунки от угла поворота кулачкового вала топливного насоса высо-
кого давления.
Интегральная характеристика впрыскивания определяет зависи-
мость количества топлива Ут, поступившего из распылителя фор-
сунки в цилиндр от момента начала
мпрыскивания до любого момента
подачи топлива. На графике это ко-
личество эквивалентно заштрихован-
ной площади. При фк ss фквп по ин-
1егральной характеристике впрыски-
вания определяют все количество
юплива, поданное в цилиндр дизе-
ля за один рабочий цикл, которое
называют цикловой подачей (Vm ~ Кц).
Она зависит от режимов работы ди-
»еля.
 Рис. 3-6. Характеристики впрыс- кивания топлива в дизеле: 1 — дифференциальная характери- стика, 2 — интегральная хараюге- ристир; <рнв„— угол начала впрыс- кивания; <рк „п — угол конца впрыс- кивания; фЫ1 — угол продолжитель- ности впрыскивания; <рОВ|) — угол опережения впрыскивания |
Проанализируем основные виды
дифференциальных характеристик
впрыскивания (рис. 3.7). Пологая
характеристика впрыскивания (рис.
3.7, а) показывает, что скорость
подачи топлива увеличивается посте-
пенно (монотонно), а двухступен-
чатая (рис. 3.7, б) — на начальном
участке растет еще медленнее. За-
нершается впрыскивание доетаточ-
но резко. Постепенное нарастание скорости подачи топлива рас-
пространено у дизелей, где оно подается в объем камеры сгора-
ния.
Характеристика впрыскивания, представленная на рис. 3.7, в,
имеет вначале большую скорость подачи при небольшом объеме
топлива (площадь а значительная часть топлива впрыскивает-
ся с убывающей скоростью (объем подаваемого топлива — пло-
щади S2).
Г|ри растянутом конце подачи топлива (рис. 3.7, г), или при
дополнительном впрыскивании (подвпрыскивании) (рис, 3,7, д)
теплота последних частей топлива, впрыснутого после ВМТ, вы-
деляется на линии расширения, используется неэффективно, ра-
стет дымность отработавших газов.
Распыливание струи топлива на мелкие капли позволяет резко
увеличить его поверхность (в 80...270 раз) и обеспечивает быст-
рое протекание процессов тепло- и массообмена между каплями
и воздухом при BbiccfKoft температуре в камере сгорация. Распад
струи топлива при ер истечении через малые круглые сопловые
отверстия форсунки в пространство, заполненное газом, проис-
ходит с образованием капель разного диаметра.
 |
 Рис. 3.7. Типичные дифференциальные характеристики впрыскивания топлива: а— 1|ологая; б — двухступенчатая; в — крутая; г — растянутая; д — двухфазная сподвпрыскиванием |
Форма рарпада струи зависит от скорости истечения, а также от
физических свойств топлива и начальных возмущений, возникаю-
щих в потоке при его движении в распылителе. При небольших ско-
ростях истечения на поверхности топлива возникают начальные
возмущения, вызывающие осесимметричные колебания, которые
разрывают струю с образованием отдельных капель. При больших
скоростях истечения возникают волновые деформации оси струи и
она теряет устойчивость, что приводит к волновому распаду. При
истечении с еще большими скоростями начинается распад струи с
образованием большого количества капель непосредственно вбли-
ш распыливающего отверстия. Такой распад струи является основ-
ным и называется распиливанием. Так как при каждом впрыскива-
иии скорость истечения топлива изменяется в широких пределах,
ю все три вща распада струи участвуют в этом процессе.
Определяющими в процессе распыливания топлива являются
его начальные возмущения, возникающие цри движении в рас-
пылителе. Они зависят от конструкции распылителя, скорости
ючения топлива в нем, геометрической формы его распылиьаю-
щих отверстий и физических свойств жидкости.
Для дизеле^ с разделенными камерами сгорания в топливопо-
длющцх системах исподьзуют штифтовые распылители. В них топ-
ливо впрыскивается в камеру сгорания через кольцевую щель между
штифтом и корпусом распылителя. Вначале топливо распростра-
няется в виде конуса. Из-за колебаний на поверхности топлива и
уменьшения толщины пленки при увеличении боковой поверх-
ности конуса происходит ее распад с дальнейшим образованием
капель различных размеров.
В процессе распыливания топлива скорость движения его частиц по
сечению струи, их размер различны. Также отличаются условия движе-
ния частиц струи, пленок, нитей и капель в объеме камеры сгорания.
Структура струи определяется распределением топлива в ее
поперечных и продольном сечениях. Распределение капель в струе
и локальная концентрация топлива очень неравномерны. В попе-
речных сечениях струи скорость движения капель и их количество
возрастают по мере приближения к оси струи.
На мелкость распыливания, развитие и структуру струи влияет
множество факторов. На рис. 3.8 представлены характеристика
впрыскивания dVm/dyк, изменение средних диаметров капель Jo6
и фотографии с отпечатками капель в различные моменты подачи
I оплива в зависимости от угла поворота кулачкового вала насоса фк.
При увеличении давления впрыскивания и скорости истечения
уменьшаются средние диаметры капель, повышается их мелкость
и однородность распыливания.
Существенное влияние на мелкость и однородность распыли-
вания топливу оказывают конструктивные параметры элементов
топливной системы.
Конструкция многоструйного распылителя обеспечивает наиболь-
шую концентрацию топлива на оси струи и практически пострян-
ный угол рассеивания. Штифтовой распылитель создает полую
 Рис. 3.8. Изменение подачи топлива и среднего диаметра капель в процессе впрыскивания |
струю с наибольшей концентрацией топлива на ее боковой по-
верхности, аугол рассеивания изменяет в широких пределах. Уве-
личение диаметра распыливающих отверстий многоструйных рас-
пылит елей при неизменном их общем проходном сечении приво-
дит к увеличению массы вытекающего топливу и длины струи.
Физические свойства топлива также влияют на параметры рас-
пыливания. С увеличением вязкости и сил поверхностного натя-
жения топлива мелкость и однородность распиливания ухудша-
ются.
Физическое, состояние заряда в камере сгорания к моменту впрыс-
кивания топлива характеризуется высокими температурой и дав-
лением и, следовательно, его плотностью, превышающей плот-
ность окружающей среды в 12...30 раз. Такая плотность газовой
среды, в которую впрыскивают топливо, увеличивает аэродина-
мическое сопротивление движению капель, что способствует рас-
паду струи и дроблению крупных капель. С повышением плотнос-
ти среды резко снижается длина струи.
Движение заряда в камере сгорания дизеля существенно влия-
ет на развитие и структуру распыленной струи топливу.
Смесеобразование. В дизелях смесеобразование происходит внут-
ри цилиндра. Оно начинается в момент начала впрыскивания топ-
лива и заканчивается в конце его сгорания. Качество смесеобразо-
вания определяется характеристиками впрыскивания и распыли-
вания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и тем-
пературами поверхностей камеры сгорания, взаимным направле-
кием и интенсивностью движения топливных струй и заряда в
камере сгорания.
О&ьемное смесеобразование предполагает распыливание боль-
шей части топлива в объеме камеры сгорания и лишь небольшая
сто часть попадает в ее пристеночный слой. Оно реализуется в одно-
полостной (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 диа-
метру цилиндра составляет dKC/D= 0,8...0,83 (рис. 3.9, е). Прогрев и
испарение топлива в этой камере происходят в основном от сжа-
'loro и нагретого заряда воздуха.
Угол рассеивания струй топлива обычно не превышает 20°, по-
лому для полного охвата струями всего объема камеры сгорания
и полного использования заряда воздуха в форсунке необходимо
иметь не менее 18 распыливающих отверстий небольшого диамет-
ра, что достаточно сложно для изготовления. В процессе эксплуа-
тации дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр со-
пловых отверстий, проходные сечения уменьшаются из-за отло-
жения на их поверхности кокса.
Для полного сгорания впрыснутого топлива воздух приводится
во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше
 Рис. 3.9. Типы камер сгорания дизеля в порщне: а — полусферическая (дизель ВТЗ); б— ЯМЗ и АМЗ; в —ЦНИДИ; г — «МАН»; д — «Дойц»; е — «Гесселъман»; ж — «Даймлер-Бенц»; 5НЗ — надпоршневой зазор |
количество распыливающих отверстий. Это достигается примене-
нием винтового или тангенциального впускного каналов, а также
экранированием впускного клапана или его седла. Однако повы-
шение интенсивности вращательного движения заряда при впус-
ке приводит к снижению коэффициента наполнения
Поэтому при объемном смесеобразовании используют 6... 10
распыливающих отверстий при небольшом значении скорости
движения заряда (12... 15 м/с), чтобы избежать значительного па-
дения 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 преиму-
щественно в объеме факела и пары топлива перемещаются в на-
правлении поверхности струй. Движение заряда сносит продукты
сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к
ним кислорода воздуха. При чрезмерной скорости движения заря-
да мелкие кайли, пары топлива и продукты сгорания из одной
струи могут движением заряда переноситься в объем соседней
струи, что приведет к ухудшению смесеобразования. Такое явле-
ние 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 наи-
большая часть воздуха, необходимо повышать давление впрыски-
вания, иногда до 200 МПа, Такое давление могут создавать насос-
форсунки. Однако их применение связано с усложнением конст-
рукции и необходимостью в эксплуатации обеспечивать равно-
мерную подачу топлива по отдельным цилиндрам. При использо-
вании разделенных систем подачи топлива давление впрыркива-
ния обычно не превышает 100 МПа, что рвязано с повышением
сил, действующих на детали топливной аппаратуры, искажением
объемов топлива в системе, а также с подвпрыскиваниями топ-
лива из-за колебательных процессов в топливопроводах вырокого
давления.
Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования за-
ключается в рм, чго 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 (20Q...300 °С) и малая тур-
булентность заряда в этой зоне уменьшают скорости испарения
тогощва и смешения его паров с воздухом. В итоге снижается ско-
рость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламе-
ни скорости испарения и смешения резко возрастают.
При таком виде смесеобразования относительный диаметр ка-
меры сгорания несколько меньше (dKC/D=-~ 0,5 ...0,6), а ее глубина
больше (рис. 3.9, а, б, ж). Тангенциальная составляющая скорос-
ти движения заряда воздуха достигает 25...30 м/с. Интенсивное
щмщение заряда при его перетекании в камеру сгорания позволя-
б! применять 3... 5 распыливающих отверстий большего диаметра,
Снижаются требования к топливоподающей аппаратуре, которая
должна обеспечить давление впрыскивания не более 80 МПа. При
цюм существенно снижаются нагрузки в топливной аппаратуре,
Повышаются ее износостойкость ц надежность.
Данное смесеобразование позволяет смещать ось распылителя
енносительно оси цилиндра и располагать форсунку наклонно,
то облегчает ее установку и снятие в эксплуатации. Оси отдель-
ных распыливающих отверстий располагают под разными углами
К оси распылителя. Поэтому необходимо обеспечивать строгую
фиксацию распылителя относительно корпуса форсунки, а кор-
пуса 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 dKC/Dбольшее количество воздуха сосредоточива-
(В1ся 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 го-
ионкой поршня и гильзой и расстояние от днища поршня до пер-
мого компрессионного кольца Также важным при изготовлении и
ремонте дизеля является стабилизация заборов между поршнем и
тловкой цилиндра, поршнем и цилиндром.
Пристеночное смесеобразование предусматривает подачу почти
нсего топливу в пристеночную зону камеры сгорания. Она обычно
расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее пе-
риферии. Распылитель форсунки направляет одну-две струи топ-
ми ва под острым углом на стенку камеры сгорания сферической
формы (рис. 3.9, г), или вблизи и вдоль стенки камеры сгорания
(рис. 3.9, д). При этом интенсивное вращательное движение заряда,
ингенциальная скорость которого достигает 50...60 м/с, распре-
деляет топливные ка