Заняття 10. Процеси сумішоутворення в дизельних двигунах внутрішнього згорання

1. Розглянути процес сумішоутворення в дизельних двигунах внутрішнього згорання, його показники.

2. Ознайомитись із особливостями змішування палива з повітрям в нерозділених та розділених камерах згорання.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. Сумішоутворення в дизелях здійснюється в кінці такту стиснення і на початку такту розширення та займає короткий проміжок часу, який відповідає 20–600 кута повороту колінчатого валу. Паливо-повітряна суміш утворюється в період затримки запалювання і під час процесу горіння.

В період затримки запалювання рівномірний розподіл палива по об’єму повітря недоцільний, оскільки при нерівномірному розподілі реалізується можливість запалювання суміші із значним середнім коефіцієнтом надлишку повітря (>6). Це пояснюється наявністю зон з достатньою для запалювання концентрацією палива.

У методах сумішоутворення, запропонованих в останній час, передбачається зниження швидкості утворення робочої суміші у початковий період. Це необхідно для зменшення кількості готової до згорання суміші з метою зменшення швидкості тепловиділення і наростання тиску в першій фазі згорання. У процесі згорання прагнуть до вирівнювання складу суміші по об’єму камери для більш повного використання кисню повітря і, відповідно, можливості підвищення ефективного тиску та питомої потужності дизеля.

Сумішоутворення включає ряд фізичних процесів:

• дроблення струменю палива на краплі (розпилювання);

• нагрівання та випаровування палива;

• розподіл палива по об’єму камери згорання.

Більшість вказаних процесів протікає одночасно. Нагрівання і випаровування палива здійснюється за рахунок теплової енергії газового заряду. Тиск цього заряду в кінці такту стиснення становить 3,5...5,5 МПа, температура 700...900 К. Густина повітря у камері згорання дизеля без наддуву у 12...14 раз перевищує густину атмосферного повітря. Після початку згорання температура і тиск в камері різко зростають, за рахунок чого різко прискорюються процеси нагрівання і випаровування палива.

Вприскування палива в камеру згоряння починає здійснюватись системою живлення дизеля паливом через форсунку, встановлену в циліндрі, в кінці такту стиску. Тиск вприскування повинен перевищувати тиск повітря в камері згорання, оскільки струмінь палива повинен подолати противотиск повітря і мати необхідну далекобійність.

Розпилювання палива — це процес подрібнення струменя палива на окремі каплі, завдяки чому значно збільшується поверхня рідкого палива, прискорюється його прогрівання і випаровування. Під дією початкових збурень і аеродинамічного опору струмінь рідкого палива роздрібнюється на частки, нитки, краплини різного діаметра, які після повторних деформацій і розпаду складають у факелі розпиленого палива сукупність капель різного діаметра.

Паливо по камері згорання розподіляється за рахунок кінетичної енергії струменю палива та рухомого повітряного заряду.

У сучасних автотракторних дизелях в основному застосовуються наступні методи сумішоутворення:

• об’ємне;

• об’ємно–плівкове;

• плівкове.

У сучасних дизелях застосовуються три типи камер згоряння:

нерозділені (однопорожнинні), які складаються з простору над поршнем і неглибокої порожнини в поршні значного діаметра;

напіврозділені, в яких значна частина об'єму камери згоряння (до 70...90%) міститься у поршні;

розділені (двопорожнинні), в яких камера згоряння складається з простору над поршнем і додаткового об'єму, розташованого у головці циліндра (так звані вихрові камери і передкамери).

2. Нерозділена камера згорання являє собою єдиний об’єм, розміщений між головкою циліндрів та поршнем. Цей об’єм утворюється, як правило за рахунок заглиблення у поршні або інколи в головці блоку циліндрів. При об’ємному сумішоутворенні паливо впорскується безпосередньо у камеру згорання. Нерівномірність складу суміші, необхідна для скорочення періоду затримки запалювання, забезпечується нерівномірністю розподілу палива у факелах і в об’ємі камери згорання.

Широке розповсюдження отримали нерозділені камери згорання із заглибленням у поршні, форма якого відповідає формі факелу палива. Форсунка при цьому розміщується по осі циліндра. Розпилювач форсунки має 5–7 соплових отворів малого діаметру (0,15...0,35 мм). Не дивлячись на велику кількість факелів при відсутності обертового руху заряду повітря між факелами використовується не повністю.

Сумішоутворення покращується шляхом створення тангенціального обертального руху повітря у камері згорання. Обертальний рух заряду забезпечується застосуванням ширм (екранів) на головках клапанів або зміною напряму впускного каналу.

Інтенсивність обертального руху повітря у камері згорання узгоджується із кількістю та діаметром соплових отворів розпилювача, оскільки при великій швидкості обертання повітря дрібні краплини палива можуть переноситись із зони одного факела в зону іншого, що призводить до погіршення сумішоутворення. Вважається, що за час впорскування кут повороту повітря у камері згорання повинен дорівнювати куту між осями сусідніх факелів мінус кут конуса факела.

Інтенсивність обертового руху заряду збільшується при збільшенні частоти обертання колінчатого валу двигуна, тому при незмінній геометрії впускного тракту оптимальна інтенсивність обертання заряду досягається лише при певному швидкісному режимі двигуна.

Крім обертального руху повітря у процесі стиснення виникають радіальні потоки внаслідок витіснення повітря із порожнини між головкою циліндра та виступаючою частиною поршня (витіснювачем). Енергія радіальних потоків характеризується відношенням діаметру камери згорання до діаметру циліндра. Для камер згорання типу (рис. 1 а, б) це відношення становить dкз/Dц=0,75...0,85.

Перевагами таких нерозділених камер згорання із об’ємним сумішоутворенням є хороша якість сумішоутворення та малі втрати тепла через поверхні камери і, як наслідок, висока економічність. Якісне сумішоутворення досягається за рахунок високого тиску впорскування і правильного співвідношення діаметру та кількості соплових отворів з енергією тангенційного вихору. Мінімальні ефективні витрати палива дизелів з такими камерами згорання становить gетіп=227...241 г/(кВТ год), а найменший коефіцієнт надлишку повітря при бездимному згоранні і оптимальному вихроутворенні =1,20...1,25. До переваг таких двигунів відноситься також легкість пуску та можливість форсування за рахунок наддуву.

Недоліком вказаних камер згорання є велика швидкість зростання тиску (0,6...1,2 МПа/град) та високі значення максимального тиску рz (8...10 МПа). Велика швидкість наростання тиску пояснюється інтенсивним випаровуванням та перемішуванням парів палива з повітрям у період затримки запалювання та великою тривалістю цього процесу. Для зниження жорсткості роботи при застосуванні таких камер скорочують період затримки запалювання та зменшують кількість палива, яке впорскується в цей період. Іншим недоліком є необхідність високого тиску впорскування (тиск початку впорскування становить 20...25 МПа, а максимальний тиск впорскування – 40...60 МПа. Для якісного розпилювання виникає необхідність великої кількості соплових отворів малого діаметру, схильних до забруднення і закоксування.

Для збільшення інтенсивності вихору камери згорання у поршнях виконують більш глибокими (рис 1. в-з). Такі камери називають напіврозділеними. Інтенсивний вихровий рух заряду у таких камерах створюється за рахунок витіснення повітря із порожнини між поверхнею витіснювача та головкою циліндра у камеру згорання. Відношення dкз/Dц у таких двигунах становить 0,35...0,75, тиск початку впорскування 15...17,5 МПа, кількість соплових отворів – 2...5. Жорсткість роботи також зменшується за рахунок меншої кількості факелів палива та часткового попадання палива на стінки камери. В результаті в період затримки запалювання утворюється менша кількість парів палива і згорання протікає більш плавно.

Плівкове сумішоутворення.

При плівковому сумішоутворенні факел палива подається під гострим кутом на стінку камери згорання таким чином, щоб краплини палива розтікались по поверхні у вигляді тонкої плівки товщиною 0,012...0,014 мм. За рахунок цього у період затримки запалювання випаровується порівняно мала кількість палива. Теплота для випаровування палива підводиться від поршня, температура якого підтримується у межах 450...600 К. Процес випаровування швидко прискорюється після початку горіння палива.

Переваги плівкового сумішоутворення полягають у більшій економічності gетіп=218...227 г/(кВт год), високому середньому ефективному тиску ре=0,7...0,85 МПа, малій жорсткості роботи (0,25...0,4 МПа/град), нижчих значеннях максимального тиску циклу рz =7,0...7,5 МПа.

Недоліком є велика висота головки поршня, внаслідок чого зростає маса поршня та інерційні навантаження, що є перепоною до форсування двигунів по частоті обертання.

3. Значне збільшення енергії повітряних потоків у дизелях досягається застосуванням камер згорання, розділених на дві або більше порожнин, з’єднаних між собою каналами (рис. 2).

Паливо впорскується у додаткову камеру, інтенсивний рух повітря в якій створюється під час процесу стиснення внаслідок перетікання в неї заряду із циліндра через з’єднувальні канали. У просторі над поршнем вихроутворення виникає після початку згорання, коли здійснюється зворотне перетікання заряду із додаткової камери.

Конструктивні форми розділених камер можуть бути різноманітними, але найбільше розповсюдження отримали вихрові камери і передкамери. У вихровій камері обертальний рух повітря виникає у результаті його надходження в камеру при стисненні через з’єднувальну горловину. Для отримання направленого руху вісь горловини розташовують по дотичній до поверхні камери.

Повітря, яке рухається по горловині відтискає факел палива до поверхні камери, внаслідок чого частина палива потрапляє на стінки камери згорання і випаровується. Цим забезпечується якісне сумішоутворення. Пари палива повітряним потоком переносяться в зону горловини, де висока температура. Цим забезпечується малий період затримки запалювання. В результаті горіння палива у вихровій камері створюється високий тиск і згораючи паливо перетікає у над поршневу порожнину з високою швидкістю, що забезпечує хороше використання кисню і досягається бездимне згорання суміші при малих коефіцієнтах надлишку повітря та мала токсичність відпрацьованих газів.

Інтенсивний рух повітря дозволяє застосовувати форсунки із тиском початку впорскування 12,5...15,0 МПа.

Переваги вихрових камер наступні:

· менший максимальний тиск циклу та невелика інтенсивність наростання тиску в основній камері згорання;

· більш повне використання кисню та бездимна робота при a=1,15...1,25;

· можливість роботи двигуна на високих швидкісних режимах із задовільними економічними показниками, бездимним випуском та малим шумом;

· можливість застосування палив із різним фракційним складом без різких змін показників двигуна;

· менший тиск впорскування.

Недоліками вихрових камер є:

· підвищені питомі витрати палива внаслідок додаткових гідродинамічних та теплових втрат;

· погіршення умов пуску двигуна внаслідок підвищеної тепловіддачі у стінки із значною тепло передаючою поверхнею.