Устройство автомобилей
Смесеобразование в дизелях
Как известно, для того, чтобы топливо сгорело и выделило теплоту, необходим кислород, поскольку горение — это процесс окисления топлива (горючего вещества), т. е. соединения его с кислородом. И если кислорода будет недостаточно, то даже самое пожаро- и взрывоопасное горючее вещество гореть не будет.
Вся эта философия в полной мере относится и к тепловым двигателям. Чтобы топливо в камере сгорания начало гореть, необходим кислород, который в нашем случае подается в цилиндры с атмосферным воздухом.
Но и это еще не все. Топливо в цилиндрах должно сгорать очень быстро, иначе то, что не успело сгореть «вылетит в трубу» в буквальном смысле этого слова.
Скорость горения напрямую зависит от того, насколько быстро и качественно мы перемешаем воздух с топливом в цилиндре перед воспламенением.
Процесс перемешивания топлива с воздухом перед сгоранием этой смеси называется смесеобразованием . Качественное смесеобразование — залог эффективной и экономичной работы любого теплового двигателя.
В карбюраторных двигателях бензин перемешивается с воздухом сначала в карбюраторе, затем во время перемещения по впускному коллектору мимо впускного клапана в цилиндр, а также в течение тактов впуска и сжатия. В дизелях этому важнейшему процессу отводится чрезвычайно короткий миг — в камеру сгорания дизельных двигателей топливо подается в конце такта сжатия за 10…20 ˚ угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ). При этом оно подается в цилиндр не в смеси с воздухом, как в карбюраторном двигателе, а впрыскивается в «чистом виде», и лишь в цилиндрах оно получает возможность «встретиться» с кислородом воздуха, чтобы быстро перемешаться, сгореть и выделить тепло.
Время, отводимое на смесеобразование и сгорание смеси в дизелях примерно в пять-десять раз меньше, чем в карбюраторных двигателях и составляет не более 0,002…0, 01 секунды.
Поскольку сгорание происходит достаточно быстро, дизель работает «жестко» — в два-три раза жестче бензинового двигателя.
Следует отметить, что жесткость работы двигателя — измеряемый параметр (Ж = dp/dφ) – это скорость нарастания давления (dp) по углу поворота (dφ) коленчатого вала, поэтому ее можно рассчитать.
Несмотря на быстротечность сгорания в дизелях, его условно разделяют на четыре фазы, первая из которых называется периодом задержки воспламенения (0,001…0,003 сек). В это время происходит распад впрыскиваемого топлива на мельчайшие капли, которые, продвигаясь по камере сгорания, испаряются и смешиваются с воздухом, а также разгон химических реакций самовоспламенения. Следующие три фазы – фазы горения топливовоздушной смеси.
Если период задержки воспламенения оказывается продолжительным, то значительная часть топлива успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате одновременного воспламенения этой части по всему объему возникает резкое повышение давления в камере сгорания (жесткая работа) с ростом динамических нагрузок на детали и повышение уровня шума.
Поэтому длительный период задержки самовоспламенения не желателен. Он зависит от температурных условий, сорта топлива, нагрузки на двигатель и других факторов. Однако внутреннее смесеобразование в дизелях всегда определяет более жесткую работу по сравнению с карбюраторными двигателями.
Так как время на смесеобразование в дизеле очень мало, то для более полного сгорания топлива в его цилиндры воздуха вводят больше, чем в бензиновых двигателях (кроме инжекторных двигателей использующих непосредственный впрыск, где воздуха тоже впускают чуть больше нормы). Коэффициент избытка воздуха α в дизельных двигателях составляет от 1,4 до 2,2.
Таким образом, к смесеобразованию дизелей предъявляются высокие требования. Оно должно обеспечить равномерное перемешивание топлива с воздухом, постепенное сгорание топлива во времени, полное использование всего воздуха в камере сгорания при минимально возможном значении α , а также максимально мягкую работу дизеля.
Способы улучшения смесеобразования
Большинство задач повышения качества смесеобразования в дизельных двигателях во многом решаются путем выбора формы камеры сгорания.
Различают неразделенные камеры сгорания (однополостные) (рис. 1а, б ) и разделенные (рис. 1,в ).
Неразделенные камеры сгорания представляют собой камеру, образованную днищем поршня, когда он находится в ВМТ, и плоскостью головки цилиндров. Неразделенные камеры сгорания применяют в основном в дизелях тракторов и грузовых автомобилей. Они позволяют повысить экономичность двигателя и его пусковые качества (особенно холодного двигателя).
Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные каналом 11. Вспомогательная камера может быть не только сферической, как показано на рис. 1, в , но и цилиндрической.
В первом случае она называется вихревой (дизели Д-50, СМД-114), во втором – предкамерой или, как ее чаще называют — форкамерной (КДМ-100).
Вихревая камера работает следующим образом. В головке цилиндров имеется шаровая полость – вихревая камера, соединенная каналом с основной камерой сгорания над поршнем. При движении поршня вверх во время сжатия воздух с большой скоростью входит в вихревую камеру по касательной к ее стенкам.
В результате этого поток воздуха закручивается со скоростью до 200 м/с. В этот раскаленный (700…900 К) воздушный вихрь форсунка впрыскивает топливо, которое воспламеняется и давление в камере резко возрастает.
Газы с недогоревшим топливом по каналу выбрасываются в основную камеру, где происходит догорание оставшегося топлива. Объем вихревой камеры составляет 40…60% общего объема камеры сгорания, т. е. примерно половину объема.
Предкамерные (форкамерные) двигатели имеют камеру из двух частей. Топливо впрыскивается в цилиндрическую предкамеру (форкамеру), и часть его (до 60%) воспламеняется. Процесс горения топлива протекает так же, как и в вихревой камере.
Разделенные камеры сгорания менее чувствительны к составу топлива, работают в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, обеспечивают более качественное смесеобразование и менее жесткую работу путем сокращения периода задержки воспламенения.
Однако их основным недостатком является затруднительный пуск двигателя и увеличенный расход топлива по сравнению с неразделенными камерами сгорания.
Иногда выделяют полуразделенные камеры сгорания ( см. рис. 2 ), к которым относят камеры, образованные глубокими полостями в головке поршня. Процессы горения топливовоздушной смеси в таких камерах сходны с процессами горения в разделенных камерах, при этом впрыск топлива в полость поршня благотворно влияет на его охлаждение во время работы.
На качество смесеобразования также оказывает значительное влияние взаимное направление и интенсивность движения топливных струй и заряда воздуха в камере сгорания. В связи с этим различают объемное смесеобразование, пленочное и объемно-пленочное.
Объемное смесеобразование отличается тем, что топливо впрыскивается непосредственно в толщу раскаленного воздуха, находящегося в объеме камеры сгорания. При этом для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом его свежему заряду сообщают вращательное движение с помощью завихрителей или винтовых впускных каналов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, впрыскиваемой форсункой.
Для нормальной работы дизеля с объемным смесеобразованием требуется очень высокое давление топлива на впрыске – до 100 МПа и более. Двигатели с таким смесеобразованием достаточно экономичны, но работают жестко (Ж = 0,6…1,0 МПа/град).
Пленочное смесеобразование характеризуется тем, что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной камеры сгорания, на которых образует пленку, а затем испаряется отнимая часть тепла от стенок.
Принципиальная разница между объемным и пленочным образованием заключается в том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредственно смешиваются с воздухом, а во втором основная часть топлива сначала испаряется, и уже в парообразном состоянии перемешивается с воздухом.
Пленочное смесеобразование используют двигатели фирмы MAN, некоторые двигатели семейства Д-120 и Д144. Этот способ обеспечивает приемлемую жесткость работы дизеля (Ж = 0,2…0,3 МПа/град) и неплохую экономичность, но требует поддержания температуры поршня в заданных пределах, обеспечивающих интенсивное испарение топливной пленки.
Объемно-пленочное смесеобразование сочетает в себе процессы объемного и пленочного смесеобразования. Такой способ смесеобразования используется, например, на отечественных двигателях ЗИЛ-645, где объемная камера сгорания располагается в поршне.
Форсунка, расположенная в головке блока, впрыскивает топливо через распылитель, имеющий два отверстия, в виде двух пылеобразных струй. Пристеночная струя направляется вдоль образующей камеры сгорания, создавая на ней тонкую пленку. Объемная струя направлена ближе к центру камеры сгорания.
Объемно-пленочное смесеобразование обеспечивает более мягкую работу дизельного двигателя (Ж = 0,25…0,4), приемлемые пусковые качества при хорошей экономичности, и применяется на большинстве современных дизелей. Выемки в поршне образуют форму камеры в виде тора (СМД, КамАЗ, ЯМЗ А-41, А-01) или усеченного конуса – дельтавидная камера (Д-243, Д-245).
Качество смесеобразования в дизельных двигателях можно повысить не только конструкцией и формой камеры сгорания. Большую роль играет технология самого процесса впрыска топлива форсункой.
Здесь конструкторы решают вопросы улучшения смесеобразования несколькими способами:
- повышением давления впрыска, благодаря чему улучшается качество распыла топливной струи (один из путей достижения данной цели – применение насос-форсунок);
- применением поэтапного (разделенного) впрыска, когда топливо в камеру сгорания подается в несколько приемов (поэтапный впрыск легко осуществить в системах питания, управляемых микроЭВМ);
- подбором распылителей для форсунок, обеспечивающих оптимальную форму распыленной струи, количество струй и их направление.
Источник
15. Способы смесеобразования в дизелях.
Объемное смесеобразование. Топливо впрыскивается непосредственно в объем камеры сгорания, заключенный между поршнем, крышкойи стенками втулки цилиндра. Для равномерного распределения топлива по всему объему камеры сгорания его впрыскивают через многодырчатые распылители форсунок. Качество смесеобразования при этом существенно зависит от наличия организованного вихреобразования потоков заряда в камере сгорания. Вихреобразование обеспечивается благодаря движению поршня и вытеснению заряда из наиболее узких мест надпоршневого пространства. В двухтактных дизелях вихреобразование дополнительно создается благодаря наклонному расположению продувочных окон во втулке цилиндра.
Объемно-пленочное смесеобразование. Это один из наиболее совершенных способов смесеобразования для высокооборотных дизелей с небольшими диаметрами цилиндров. Основная часть объема камеры сгорания размещена в поршне.
Топливо впрыскивается через многодырчатую форсунку в центре крышки цилиндра. Топливные струи под углом направляются на кромку горловины поршня. Топливо, попадая под острым углом на внутреннюю поверхность горловины и на торцовую поверхность поршня, растекается по поверхности тонким слоем и относительно быстро испаряется, не образуя нагара. Пары топлива хорошо перемешиваются с воздухом благодаря интенсивному вихревому движению последнего в объеме камеры сгорания. Вихреобразование создается вследствие вытеснения заряда из надпоршневого пространства при подходе поршня к ВМТ. Часть капель факела топлива успевает испариться в объеме камеры сгорания, не соприкасаясь со стенками поршня.
Пристеночное. Сгорания почти все топливо направляется в пристеноч-ную зону, т. е. имеет место пристеночное смесеобразование. При таком смесеобразовании камера сгорания может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (см. рис. 7.1, г), либо вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (см. рис. 7.1, д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение , способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания.
16. Назначение, принцип действия, конструкция ТННД и ТНВД. Топливоподкачивающий насос низкого давления предназначен для подачи топлива из топливного бака к впускной полости насоса высокого давления через фильтры грубой и тонкой очистки.. Топливоподкачивающий насос поршневого типа приводится в действие от эксцентрика кулачкового вала насоса высокого давления. Насос установлен на задней крышке регулятора и приводится от эксцентрика кулачкового вала топливного насоса высокого давления.
Насос низкого давления работает следующим образом. При опускании толкателя 1 поршень 2 под действием пружины 3 движется вниз. При этом в полости А создается разрежение и впускной клапан 4, сжимая пружину, перепускает топливо в эту полость по топливопроводу от фильтра грубой очистки. Одновременно топливо, находящееся в нагнетательной полости Б, вытесняется к топливному насосу высокого давления (ТНВД).
При движении поршня 2 вверх под давлением предварительно поступившего топлива закрывается впускной клапан 4 и открывается выпускной клапан 6. В этом случае топливо из полости А через перепускной канал поступает в полость Б и при последующем перемещении поршня 2 вниз вышеописанный цикл работы насоса повторяется.
При различных режимах работы дизеля постоянное давление в перепускном канале достигается переменным ходом поршня 2, обеспечиваемым специально подобранной пружиной 3. На режимах частичных нагрузок дизеля при малых расходах топлива в полости Б возникает давление и поршень 3 не совершает своего полного хода, поэтому шток толкателя частично перемещается вхолостую, вследствие чего подача топлива уменьшается.
К фланцу насоса низкого давления крепится насос 5 ручной подкачки топлива, который служит для заполнения системы питания топливом и удаления из нее воздуха после проведения ремонтно-профилактических работ или длительной стоянки автомобиля. В системе питания дизелей КамАЗ установлен второй насос ручной подкачки топлива аналогичного типа, который крепится через кронштейн к картеру сцепления. Этот насос позволяет подкачивать топливо без опрокидывания кабины, что создает значительные удобства при пуске двигателя в условиях эксплуатации автомобилей.
Топливный насос высокого давления служит для подачи через форсунки в цилиндры двигателя под большим давлением , требуемых порций топлива в определенные моменты времени. Насос состоит из одинаковых по конструкции секций, число которых равно числу цилиндров двигателя. Каждая секция насоса соединена топливопроводом 13 (рис. 2) с форсункой 16.
Плунжер 6 и гильза 5 секций насоса изготовлены с высокой точностью и чистотой поверхности. Зазор между ними не превышает двух микрон. На плунжере имеются вертикальный паз 9, скошенная кромка 11 и кольцевая проточка 7. Шестерня 2, закрепленная на плунжере, находится в зацеплении с зубчатой рейкой 3, перемещением которой поворачивается плунжер в гильзе. Пружина 4 прижимает плунжер к эксцентрику 1 кулачкового вала насоса, который приводится во вращение от коленчатого вала. В гильзе имеются впускное 8 и выпускное 10 отверстия, а в верхней ее части установлен нагнетательный клапан 12. Пружина 14 прижимает иглу 15 форсунки к соплу 18 и закрывает полость 77, которая заполнена топливом. При нижнем положении плунжера 6 отверстия 8 и 10 открыты, и через них над плунжером циркулирует топливо. Нагнетательный клапан 12 в этом случае закрыт, и в полости 17 форсунки поддерживается избыточное давление топлива.
При движении плунжера вверх при вращении кулачка перекрывается выпускное отверстие 10, а затем впускное отверстие 8. Под давлением топлива открывается клапан 12, и в полости 17 форсунки создается высокое давление. При этом игла 15 форсунки преодолевает сопротивление пружины 14, поднимается вверх, и через открывшееся сопло 18 топливо впрыскивается в цилиндр двигателя.
Впрыск топлива заканчивается, когда кромка 11 открывает выпускное отверстие 10. При этом давление топлива уменьшается, игла 15 опускается вниз и закрывает сопло 18. Одновременно закрывается клапан 12, и в полости 17 форсунки топливо остается под избыточным давлением.
Рис. 2. Схема работы топливного насоса высокого давления:
1 — эксцентрик; 2 — шестерня; 3 — рейка; 4, 14 — пружины; 5 — гильза; 6 — плунжер; 7 — проточка; 8, 10 — отверстия; 9 — паз; 11 — кромка; 12 — клапан; 13 — топливопровод; 15 — игла; 16 — форсунка; 17 — полость; 18 — сопло.
Поворотом плунжера 6 в гильзе 5 изменяют конец подачи топлива и его количество, впрыскиваемое за один ход плунжера. Подача топлива прекращается при совмещении вертикального паза 9 с выпускным отверстием 10, и двигатель останавливается.
С топливным насосом высокого давления соединены муфта опережения впрыска топлива, всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала двигателя и топливоподкачивающий насос с насосом ручной подкачки топлива.
Источник
