Тороидальная камера сгорания для быстроходногодизеля

Неразделенная камера сгорания

Двигатели с непосредственным впрыском топлива (рис. 1) имеют более высокий КПД и работают экономичнее, чем двигатели с разделенными камерами, поэтому они используются на всех грузовых автомобилях и на большинстве новых легковых автомобилей.

Рис.11. Многострунный распылитель2. ‘ / образная выемка в поршне3. Штифтовая свеча накаливания

При непосредственном впрыске топливо сразу попадает в камеру сгорания 1 с ш-образной выемкой 2, находящейся в поршне, поэтому распылнвание, нагрев, испарение и смешивание топлива с воздухом должны быстро следовать друг за другом. При этом предъявляются высокие требования к подаче не только топлива, но и воздуха. Во время тактов впуска и сжатия в цилиндре благодаря специальной конструкции впускного канала в головке блока цилиндров возникает воздушный вихрь. Форма камеры сгорания также способствует вихревому движению воздуха в конце хода сжатия (т. е. к началу впрыскивания). Из различных видов выемок в поршне, образующих камеру сгорания, в разное время применявшихся при создании дизелей, в настоящее время широкое применение нашла ц-образная выемка в поршне. Топливо должно вводи 1Ы.И и камеру сгорания таким образом, чтобы, равномерно распределяясь по объему камеры, оно могло быстро перемешиваться с воздухом. Для этого, в отличие от дизеля с разделенными камерами сгорания, где используется форсунка со штифтовым распылителем, при непосредственном впрыске топлива применяется форсунка с многоструйным распылителем 1. Распространение его топливных факелов должно быть оптимизировано и согласовано с параметрами камеры сгорания. Давление впрыскивания при непосредственной подаче топлива очень высокое (до 2000 бар).На практике при непосредственном впрыске применяются два способа интенсификации смесеобразования:• за счет целенаправленного движения воздуха;• за счет впрыска топлива — без использования движения воздуха.

Во втором случае отсутствуют затраты энергии на завихрение воздуха на впуске, что уменьшает потери на газообмен и улучшает наполнение цилиндра. Использование этого способа, однако, предъявляет повышенные требовании к расположению и количеству отверстии в распылителе форсунки, а также к тонкости распыливання топлива, что определяется диаметром отверстии распылителя. Кроме того, для достижения малой продолжительности впрыскивания и хорошего распыликания топлива необходимо очень высокое давление впрыска.

Камеры сгорания дизелей

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
20737 0

У дизелей требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.

Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.

В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами), которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Скорость потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания [2].

Число струй, однако, ограничено, и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее распыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот период, не было настолько большим, чтобы после воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.

Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25—0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4—5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.

Образование смеси с помощью второго способа — подвода топлива к воздуху — затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается.

Таким образом, по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошипный механизм и потерями на трение, а снизу — условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия ε лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.

У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия — от 20 до 24, но, несмотря на это, при холодном пуске двигателя воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.

Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой сгорания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.

Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.

Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.

Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое — меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не происходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.

В частности, в камере сгорания цилиндрической формы (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.

При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 3 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя»), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории (Англия) этот процесс был зарегистрирован на кинопленку.

В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 1).

Удельный расход топлива при частоте вращения n = 2500 мин-1 дизельного и бензинового двигателей автомобиля «Фольксваген Гольф» показан на рис. 2.

При среднем эффективном давлении pe = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.

Рис. 3

Влияние размещения свечи накаливания в дизеле «Фольксваген» на его среднее эффективное давление pe, удельный расход топлива ge и дымность K отработавших газов.

Варианты конструкции дизеля «Фольксваген», отличающиеся размещением форсунки и свечи накаливания, показаны на рис. 1. Изменение местоположения свечи накаливания принесло уменьшение удельного расхода топлива и снижение дымности отработавших газов, что отражено на графиках, приведенных на рис. 3, а. Влияние нагрузки, т. е. среднего эффективного давления pe на те же показатели при работе двигателя в режиме постоянной частоты вращения, равной 3000 мин-1, показано на рис. 3, б. Улучшение отчетливо видно на всех режимах работы двигателя. Вариант Б (см. рис. 1) отличается расположением свечи накаливания относительно направления вращения воздуха в вихревой камере. Эта конструкция, однако, достаточно сложна при ее реализации в производстве.

Энергетический кризис [3] подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД. Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт при конвертировании бензиновых двигателей достиг экономии топлива до 20 %. В его дизелях «ЭЛКО» используется непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.

Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.

Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.

Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.

Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.

Водяные каналы в головке цилиндра дизеля «ЭЛКО» исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6—8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.

При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, однако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей «ЭЛКО» изображены на рис. 4, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см3 мощностью 80 кВт (рис. 4, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13300 см3 (рис. 4, б) [4]. Оба дизеля имеют газотурбинный наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

Рис. 4

Характеристики дизелей «ЭЛКО»: а — пятицилиндровый двигатель с рабочим объемом 2300 см3; б — шестицилиндровый двигатель с рабочим объемом 13300 см3.

Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения позволяет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.

Рис. 5

Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля «ЭЛКО».

При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больше диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя, о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля «ЭЛКО» показаны на рис. 5.

Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Однако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 6 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра 111А» (ЧССР).

Рис. 6

Совершенствование камеры сгорания дизеля «Татра 111А»: а — исходный вариант; б — модернизированный вариант.

В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в зоне седла выпускного клапана. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания днище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потерям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.

Уменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения поверхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла, и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, показанных на рис. 6, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.

Последнее обновление 02.03.2012 Опубликовано 26.05.2011

Наверх

Камера — сгорание — дизельный двигатель

КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах
Камеры сгорания дизельных двигателей, используемых наземными транспортными средствами, в основном, располагаются в поршне. Впускной канал создает необходимую закрутку воздушного потока для улучшения процессов смесеобразования и сгорания свежего заряда. В случае перехода на газовое моторное топливо, как правило, не имеется технологических возможностей изменения геометрии проточной части впускных органов, и повлиять на характер движения свежего заряда в цилиндре двигателя можно только подбором соответствующей камеры сгорания.

Камеры сгорания дизельных двигателей.

Камеры сгорания дизельных двигателей бывают неразделенного и разделенного типа.

Штатная камера сгорания дизельного двигателя, имея малый объем и обеспечивающее, соответственно, большую степень сжатия, не гарантирует использовать в качестве топлива природный газ, поскольку не обеспечивает бездетонационную работу во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Изменяя геометрию камеры сгорания, необходимо учитывать, что в газовом двигателе с искровым воспламенением значительное влияние на экологические и экономические показатели оказывает уровень турбулизации свежего заряда в цилиндре до воспламенения и в течение процесса сгорания.

Штатная камера сгорания дизельного двигателя, имея малый объем и, соответственно, большую степень сжатия, не позволяет использовать в качестве топлива природный газ, поскольку не обеспечивает бездетонационную работу во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Изменяя геометрию камеры сгорания, необходимо учитывать, кроме того, тот факт, что в газовом двигателе с искровым воспламенением значительное влияние на экологические и экономические показатели оказывает уровень турбулизации свежего заряда в цилиндре до воспламенения и в течение процесса сгорания.

Камера сгорания дизельных двигателей второго типа состоит из основной и дополнительной камер, В конце такта сжатия топливо впрыскивается через форсунку в дополнительную камеру, где оно частично сгорает, после чего продукты сгорания и еще не сгоревшее топливо перетекают в основную камеру, где и завершается процесс горения. Хорошее перемешивание топлива с воздухом и полное сгорание полученной смеси у двигателей этого типа достигаются благодаря перетеканию с большой скоростью газов через канал, соединяющий обе части камеры сгорания.

Форму камеры сгорания дизельного двигателя в основном определяет примененный способ смесеобразования. Камеры сгорания дизельных двигателей подразделяются на разделенные и неразделенные.

В камере сгорания дизельного двигателя смесь гетерогенна. Таким образом, характер смесеобразования, предпламенных превращений, воспламенения и горения в дизельном двигателе предопределяет значительно большие размеры образования сажи по сравнению с бензиновыми двигателями.

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя ( пояснения в тексте.

Топливовоздушная смесь в камере сгорания дизельного двигателя никогда не бывает однородной по температуре, поэтому развитие предпламенных реакций всегда протекает неодинаково в отдельных ее частях.

Очень опасным является попадание значительного количества масла в камеру сгорания дизельного двигателя. В этом случае выключение подачи топлива насосом не прекращает нарастания оборотов, так как топливом служит сгорающее масло и двигатель трудно остановить сразу. Поэтому необходимо прежде всего нагрузить двигатель вплоть до стопорения, снизить давление сжатия в цилиндрах и выключить подачу топлива.

На рис. 55 показана зависимость степени сжатия в камере сгорания дизельного двигателя на уровень цетанового числа применяемого топлива.

Форсунки предназначены для высокодисперсного распыла и равномерной подачи топлива в камеру сгорания дизельного двигателя.

Сила тока прямо пропорциональна количеству отложившейся сажи. Так как условия горения топлива на лабораторной установке отличаются от условий горения в камере сгорания дизельного двигателя, прямой надежной зависимости между результатами, полученными по методу Факел и в стендовых испытаниях, нет, хотя в некоторых случаях корреляция наблюдается.

Смесеобразование при неразделенных камерах сгорания

Предыдущая | Содержание | следующая

Автомобильные двигатели

Неразделенная камера сгорания представляет собой единый объем, заключенный между головкой цилиндра и поршнем. Этот объем образуется обычно за счет углубления в поршне или иногда в головке двигателя. Конфигурация неразделенных камер сгорания весьма разнообразна. Некоторые наиболее распространенные типы таких камер показаны на рис. 211.

Объемное смесеобразование. При объемном смесеобразовании топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Неравномерность состава смеси, необходимая для сокращения задержки воспламенения, получается из-за неравномерности распределения топлива в факелах и в объеме камеры сгорания.

В случае неразделенных камер сгорания основную долю энергии смесеобразования составляет кинетическая энергия, полученная топливом при впрыске. Энергия воздушного вихря в этих камерах меньше энергии топлива.

Смесеобразование улучшается путем создания тангенциального вращательного движения воздуха в камере сгорания. Вращательное движение воздуха, как показано выше, получается в процессе наполнения цилиндра свежим зарядом.

. Число сопловых отверстий распылителя при проведении испытаний было различным, а общее проходное сеченне оставалось постоянным.

Интенсивность вихря повышалась также изменением направления впускного канала. Схемы головок, впускного и выпускного каналов и размещения клапанов показаны вверху на рис. 212.

i среднее эффективное давление резко уменьшалось (кривая 1).

Изменение скоростного режима двигателя влияет на интенсивность вращательного движения воздуха в камере сгорания, так как при этом меняется скорость и, следовательно, кинетическая энергия воздушного потока во впускном канале и клапане. С повышением частоты вращения коленчатого вала интенсивность вихря в камере сгорания увеличивается, поэтому при больших частотах вращения интенсивность вихря, создаваемая путем изменения направления впускного канала, может оказаться достаточной. Дополнительное завихрение воздуха с помощью ширмы на впускном клапане в этом случае будет ухудшать показатели двигателя.

Таким образом, на каждом скоростном режиме двигателя в зависимости от числа сопловых отверстий распылителя может быть подобрана оптимальная интенсивность вращательного движения воздушного заряда в камере сгорания. Поэтому при отработке рабочего процесса в дизеле интенсивности тангенциального вихря уделяется большое внимание.

К преимуществам рассматриваемых камер сгорания следует отнести более легкий пуск двигателей, а также возможность форсирования дизелей путем применения наддува.

8-10 МПа). Большая скорость нарастания давления объясняется интенсивным испарением и перемешиванием паров топлива с воздухом в период задержки воспламенения и большой продолжительностью этого периода. Для понижения жесткости работы при использовании таких камер стремятся к сокращению периода задержки воспламенения и уменьшению количества топлива, впрыскиваемого в данный период. Другим недостатком является необходимость создания высоких давлений впрыска, так как кинетическая энергия топливной струи имеет большое значение при смесеобразовании в неразделенных камерах. Поэтому в случае закрытых форсунок давление начала подъема иглы должно быть 2025 МПа, а максимальное давление распыливания 4060 МПа. Для насосфорсунок типа АР-20 и АР-21 максимальные давления впрыска достигают 120140 МПа.

Энергия вращательного движения заряда, создаваемая в процессе впуска, может оказаться недостаточной при применении распылителей с малым числом сопловых отверстий. Вследствие этого распылитель форсунки должен иметь большое число сопловых отверстий малого диаметра, но при этом они быстрее засоряются и закоксовываются в процессе эксплуатации.

= 0,615.

= 0,35 0,37. Факелы топлива, поступающие из четырех сопловых отверстий распылителя форсунки, попадают на боковые стенки камеры под входной кромкой горловины.

= 0,75 -ч- 0,9.

зависит от зазора между днищем поршня и головкой цилиндров, ограниченного точностью изготовления деталей кривошипно-шатунного механизма и их тепловыми деформациями. При уменьшении расстояния между головкой цилиндров и поршнем меньше воздуха остается в зазорах, что способствует более полному использованию воздуха и уменьшению минимально допускаемого коэффициента а.

Наряду с тороидальным вихрем в этих камерах сохраняется и тангенциальное вращательное движение воздуха. В камере сгорания ЦНИДИ интенсивного тангенциального движения воздуха не требуется.

Камеры сгорания в поршне обеспечивают получение высоких мощностных и экономических показателей дизелей. При этом сохраняются указанные выше преимущества неразделенных камер сгорания. Кроме того, наличие дополнительных вихревых потоков позволяет снизить давление впрыска и уменьшить число сопловых отверстий в распылителе. Давление начала подъема иглы форсунки в случае применения камер сгорания в поршне составляет 15 17,5 МПа, число сопловых отверстий два пять.

Жесткость работы дизеля и максимальные давления цикла с камерами сгорания в поршне также уменьшаются, что объясняется меньшим количеством факелов, взаимодействующих с воздушным вихрем, и частичным попаданием топлива на стенки камеры. В результате этого в течение задержки воспламенения образуется меньшее количество паров топлива и сгорание протекает более плавно.

Отметим, что в таких камерах Сгорания чисто объемное смесеобразование заменяется смешанным, объемно-пленочным. Количество топлива, попадающее на стенку илп в пристеночный объем, зависит от типа камеры и режима работы дизеля.

Объемное смесеобразование в камере сгорания фирмы Дойц (рис. 211, ж) обеспечивает уменьшение скорости образования топливовоздушной смеси, подготовленной к сгоранию за период задержки воспламенения. Достигается это созданием зоны с переобогащенной смесью в пристеночном объеме камеры сгорания.

Распылитель форсунки с двумя сопловыми отверстиями располагают вблизи стенки камеры.

Факелы топлива в процессе впрыска двигаются вдоль стенки камеры сгорания, выполненной в поршне, как показано на рис. 211, ж. Под действием вращательного движения воздуха создается кольцевая зона с переобогащенной смесью. Объем смеси, подготовленной к быстрому сгоранию, уменьшается, что снижает скорость нарастания давления в цилиндре. Вместе с тем обеспечивается достаточная скорость смесеобразования после начала воспламенения.

При данном методе смесеобразования давление впрыска, скорость подачи топлива и энергия струй должны быть меньшими, чем при использовании камер сгорания, показанных на рис. 211, а и б. Объясняется это тем, что для получения переобогащенной зоны не нужно улучшать качество распыливания и равномерность распределения топлива в объеме факела. Энергия впрыска должна быть достаточной для обеспечения продвижения факела на всю глубину камеры сгорания. Однако не должно быть значительного попадания топлива на ее днище.

Экономичность работы дизеля и его пусковые качества с камерой сгорания Дойц не уступают двигателям с описанными выше объемным и объемно-пленочными методами смесеобразования.

Пленочный метод смесеобразования. При пленочном смесеобразовании также стремятся к тому, чтобы минимальное количество топлива успевало испариться и перемешаться с воздухом за период задержки воспламенения. Факел топлива подается под острым углом на стенку камеры сгорания, чтобы капли не отражались, а растекались по поверхности в виде тонкой пленки толщиной 0,012 0,014 мм. Путь факела от соплового отверстия до стенки должен быть минимальным, чтобы уменьшить количество испарившегося топлива за время движения струи в камере сгорания. Этим условиям удовлетворяет камера, показанная на рис. 211, з.

Направление вектора скорости воздушного заряда при пленочном смесеобразовании совпадает с движением струи топлива, что способствует растеканию пленки по поверхности камеры. Одновременно это уменьшает парообразование, так как понижаются относительные скорости движения топлива и воздуха.

= 2,2 н- 7,8 Дж/г, т. е. примерно в 2 раза меньше, чем при объемном. Вместе с тем энергия движения воздушного заряда при пленочном смесеобразовании более чем в 2 раза превышает соответствующие значения для случаев объемного образования топливовоздушных смесей.

Мелкие капли и образующиеся пары топлива движутся к центру камеры сгорания.

Теплота для испарения топлива в основном подводится от поршня, температура которого поддерживается в пределах 450610 К. Дальнейшее повышение температуры топлива нецелесообразно, так как при соприкосновении с горячей поверхностью оно вместо растекания по ней в виде пленки начинает кипеть, причем частицы топлива приобретают сферическую форму и отскакивают от стенки. Возможно также термическое разложение и коксование топлива. В случае повышения температуры поршня выше допускаемой, например при наддуве, охлаждают днище поршня маслом. Быстрому испарению топливной пленки способствует движение воздуха с большой скоростью относительно стенок камеры сгорания. Процесс испарения резко ускоряется после начала горения за счет теплопередачи от пламени к пленке топлива. Испарившееся топливо уносится потоком воздуха и сгорает во фронте пламени, распространяющемся из центра камеры, от первоначального очага воспламенения.

Описываемую камеру сгорания широко применяют на дизелях фирмы MAN (М-процесс).

= 218

МПа).

при полной нагрузке дизеля составляет 0,250,4 МПа/°, а максимальнее давление цикла 7,0-7,5 МПа.

Преимуществом камеры сгорания с пленочным смесеобразованием является удовлетворительная работа двигателя на различных топливах, в том числе и на высокооктановых бензинах.

К недостаткам пленочного смесеобразования относится затрудненный пуск холодного двигателя, так как основная масса топлива попадает на стенку и его испарение затруднено. При малых нагрузках и на холостом ходу пз-за низкой температуры стенки поршня и меньшей по сравнению с режимами средних и полных нагрузок передачи теплоты от пламени к пленке топлива процессы смесеобразования и сгорания затягиваются, что приводит к увеличению токсичности отработавших газов. Этот недостаток отсутствует при смесеобразовании в камере Дейтц, так как с уменьшением подачи топливо распределяется более равномерно и процесс сгорания не затягивается.

В камере ЦНИДИ (рис. 211, д) также часть топлива (до 3540% цикловой подачи) попадает на стенку или в пристеночный слой.

В этой камере расстояния между соплами распылителя и стенкой сравнительно малы, и струя встречается с поверхностью камеры под малым углом, что способствует растеканию топлива и образованию пленки.

К общим недостаткам камер сгорания в поршне относится большая высота головки поршня, вследствие чего его масса и инерционные нагрузки возрастают, что может явиться препятствием для форсирования дизелей по частоте вращения.

Размер — камера — сгорание

Система питания дизельного двигателя- Устройство и неисправности

Размеры камеры сгорания должны быть таковы, чтобы смешение и химические реакции успели закончиться до входа в сопло двигателя. Необходимые размеры камеры определяются величиной т — временем пребывания в камере топлива и его продуктов сгорания, которое находится по величине объема продуктов сгорания при температуре горения Т, давлении в двигателе р, объеме камера сгорания V, соотношению pV RT и количеству топлива, сгорающего в 1 сек. Однако нужно иметь в виду, что объем топлива по мере его сгорания в камере возрастает от очень малой величины ( объема жидкого тела) до значения VK, а время пребывания вычисляется по этому большему объему. При увеличении давления время пребывания в камере увеличивается, поэтому камера на том же расходе топлива может быть меньших размеров.

Распределение температур в пламенной трубе малой опытной камеры. а — при горелке с плоским регистром. б — при горелке с коническим регистром.

С увеличением размеров камеры сгорания температура пламенной трубы возрастает. Однако имеющийся опытный материал, касающийся камер сгорания размером около одного метра и более, показывает, что температура пламенной трубы не достигает опасного уровня.

При уменьшении размеров камеры сгорания уменьшаются разрежение, создаваемое горелкой в начале камеры, и количество рецирку-лирующих газов, а последнее при сжигании холодного газа с холодным воздухом ухудшает условия воспламенения и увеличивает отрыв факела от горелки. При очень малом сечении камеры и сжигании холодного газа с холодным воздухом для обеспечения устойчивого горения требуются специальные стабилизаторы воспламенения.

С уменьшением размеров камеры сгорания увеличивается влияние нагрузки на полноту сгорания.

При расчете размеров камер сгорания или при решении обратной задачи — выборе горелок для камер заданных размеров — руководствуются опытными данными работы сходственных установок и интуицией.

Опережение зажигания зависит от размеров камеры сгорания, числа оборотов машины, нагрузки и должно быть определено экспериментально. Для транспортных двигателей, работающих с неременным числом оборотов, предусматривается автоматическое регулирование опережения зажигания.

Скорость выделения тепла непосредственно влияет на размеры камеры сгорания, которые должны быть как можно меньше, чтобы снизить габариты и вес двигателя. Таким образом, задача состоит в достижении высокой интенсивности сгорания при минимальных турбулентности и потерях от неполноты сгорания. Мы располагаем очень малым количеством данных о влиянии различных топлив и их свойств на размеры пламени, хотя исследование этого вопроса ведется и в настоящее время.

Погружная горелка.

Поэтому он должен свестись к определению размеров камеры сгорания в зависимости от расхода горючей смеси. Чрезвычайно важным элементом расчета является определение длины камеры сгорания как непременное условие для полного сгорания топлива.

Стволы детонационных установок различаются формой и размерами камеры сгорания, местом ввода горючей смеси и порошка, способом и местом инициирования горения горючей смеси, конструктивными особенностями системы охлаждения. Более перспективны конструкции стволов с переменным по длине сечением камеры сгорания.

В работе [ 2J впервые рассмотрено влияние размеров камеры сгорания на среднюю скорость горения. Аналогичные, результаты сравнительно просто получить, используя метод Авери для определения повышения температуры, обусловленного поглощением энергии излучения.

Если ширина зоны горения становится сравнимой с размерами камеры сгорания, то, несмотря на охват пламенем всего объема заряда, горение может затягиваться на значительную часть хода расширения, с соответствующим снижением экономичности цикла. Кроме того, вследствие непосредственного соприкосновения со стенками, резко возрастают скорости теплоотдачи и гибели активных частиц, что может не только снизить скорость горения, но и привести к полному его прекращению.

Степень черноты канала и Пропускательная способность пристеночного слоя для экспоненциальной модели полосы с перекрытыми линиями.

Камера — сгорание — двигатель

Описание двигателя Camry GSV40 3.5 2GR-FE

Камера сгорания двигателя — прямоточная кольцевого типа, состоит из следующих основных узлов: наружного и внутреннего корпусов, жаровой части с 32 горелками и двух воспламенителей.

Камеры сгорания двигателей с подвесными клапанами по сравнению с камерами сгорания двигателей с боковыми клапанами и двигателей со смешанным расположением клапанов обладают рядом преимуществ. Эти камеры имеют компактную форму, благодаря чему их относительная поверхность, а следовательно, и потери на охлаждение получаются меньшими, чем в камерах с боковым и смешанным расположением клапанов. Благодаря меньшим сопротивлениям при всасывании ( отсутствие резких поворотов всасываемого потока и относительно слабые его удары о днище поршня, меньшие вихри и меньшие потери на трение смеси о стенки камеры) коэффициент наполнения r v двигателей с подвесными клапанами выше, чем двигателей с боковыми клапанами.

Камеры сгорания двигателей с подвесными клапанами допускают более высокие степени сжатия, что позволяет повысить литровую мощность и экономичность двигателя. Двигатели западноевропейских автомобилей, работающие на бензинах с октановым числом 75 — 85, характеризуются менее высокими степенями сжатия ( 6 5 — 8 5), чем американские двигатели.

Камеры сгорания двигателей с подвесными клапанами допускают более высокие степени сжатия, что позволяет повысить литровую мощность и экономичность двигателя.

Камера сгорания двигателя имеет наружное охлаждение горючим. Система охлаждения устроена по принципу двух ходов, в соответствии с которым охладитель проходит по одной трубке и возвращается обратно по соседней. Существуют конструкции, в которых используется пористо-регенеративная система, включающая в себя пористую вставку, расположенную от форсуночной головки до линии несколько ниже критического сечения, и трубки регеративного охлаждения.

Камера сгорания двигателя короткая, кольцевого типа, спроектирована специально для работы при большом давлении газа. Она работает бездымно с высокой полнотой сгорания, что достигнуто с помощью хорошего перемешивания топлива и воздуха непосредственно за форсунками и применения завихрителя с увеличенным расходом воздуха через первичную зону. Кроме того, перед фронтовым устройством камеры установлен разделитель потока воздуха, гарантирующий распределение воздуха по наружному и внутреннему кольцевым каналам камеры.

Камера сгорания двигателя — кольцевая, с форсунками испарительного типа, бездымная. В задней части внутреннего корпуса расположен роликовый подшипник турбины высокого давления.

Камера сгорания двигателя — кольцевая, противоточная, с пневматическими форсунками, имеет высокую полноту сгорания в расчетной точке работы двигателя. Камера обеспечивает низкий уровень выделения загрязняющих веществ, работая на обедненной топливовоздушгюй смеси в первичной зоне.

Камера сгорания двигателя — кольцевого типа, очень короткая, с оригинальным смесеобразующим устройством. В этом устройстве топливо через 20 трубок подается в небольшие смесители вихревого типа, где оно предварительно смешивается с поступающим воздухом. Такая конструкция обеспечивает хорошее смешение и полное сгорание топлива на длине камеры менее 255 мм, причем в зоне длиной приблизительно 50 мм происходит смешение, а в остальной части — горение.

Камера сгорания двигателя кольцевого типа имеет внутреннее пленочное и внешнее конвективное охлаждение. Для получения расчетного поля температур на выходе из камеры применены высокоэффективный диффузор за компрессором и относительно большое число ( тридцать) топливных форсунок.

Конструкция камеры сгорания двигателя существенно влияет на ег о работу по циклу Дизеля — Отто на газе. Наилучшие результаты получаются у однокамерных дизелей, наихудшие-у двигателей с разделенной камерой сгорания и другими теплоаккумулирующими и вихревыми приспособлениями.

Охлаждение камер сгорания двигателей, особенно форсированных, как правило, выполняется жидкостным.

Отсек камер сгорания двигателя газовой турбины включает: сборник камеры сгорания; пламенные трубы; переходные патрубки в сборе; топливные форсунки; запальные свечи; трансформаторы запала; индикаторы пламени; пламеперебросные патрубки; различные элементы материального обеспечения и прокладки.

Устройство топливной системы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного двигателя обуславливает важность подачи в камеру сгорания строго дозированной порции смеси в определенный момент времени и под четко рассчитанным давлением. Система впрыска включает в себя следующие основные компоненты.

Топливный насос высокого давления (ТНВД).

Этот элемент предназначается для забора порции горючего от расположенного в баке насоса подкачки и поочередной раздачи дозированных порций в индивидуальные трубопроводы форсунок на каждый цилиндр. Конструкция таких распылителей подразумевает их открытие при повышении давления в топливных магистралях. В зависимости от технологических решений различают следующие типы ТНВД:

Многоплунжерные рядные. Этот вариант насоса состоит из отдельных секций, по одной на цилиндр. Как правило, блоки имеют рядную сборку. Каждая секция снабжена гильзой и плунжером, который приводится в движение мотором через кулачковый вал. Давление в подаваемом горючем зависит от частоты оборотов коленвала. Специфика конструкции такого насоса обуславливает высокий уровень шума при его работе и сложность в соблюдении актуальных экологических норм.
Распределительные. Этот тип насосов поддерживает необходимое давление в соответствии с режимом эксплуатации двигателя и отличаются равномерностью подачи горючего по цилиндрам, а также – стабильной работой на высоких оборотах. Конструкции данного типа имеют один плунжер, который перемещается в двух плоскостях. Поступательные движения обеспечивают нагнетание порции горючего, а вращательные – распределяют его по форсункам. Специфика распределительных насосов обуславливает требовательность к качеству топлива, так как оно служит для смазки трущихся деталей, а прецизионные элементы имеют минимально допустимые зазоры.

Топливные фильтры.

Эта деталь дизельного двигателя предназначается для отделения и последующего отвода воды из заправленного в бак горючего, для чего используется сливная пробка в нижней части. Удаление воздуха из системы производится с помощью ручного насоса, расположенного на верхней стороне корпуса. Несмотря на относительную простоту конструкции, фильтр требует внимательного подбора по таким параметрам, как пропускная способность, тонкость очистки и т.д. Для предотвращения забивания кристаллизующимися парафинами и облегчения запуска в холодное время года система может снабжаться электроподогревом.

Турбонаддув.

Этот элемент предназначен для нагнетания в цилиндры дополнительного объема воздуха, что позволяет увеличить подачу горючего и повысить мощность силового агрегата. Принцип работы дизельного двигателя подразумевает высокое давление выхлопных газов, которое дает возможность обеспечить эффективность наддува с низких оборотов и при этом избежать эффекта «турбо-ямы». Отсутствие дроссельной заслонки в силовых агрегатах этого типа упрощает схему управления компрессором и позволяет поддерживать эффективность наполнения цилиндров во всем диапазоне оборотов. В первую очередь, наддув позволяет оптимизировать процессы сгорания смеси в ситуациях, в которых атмосферный силовой агрегат будет испытывать нехватку воздуха. Наличие турбины обеспечивает повышение мощности при меньшем рабочем объеме и меньшей массе мотора. При этом снижается жесткость его работы. Установка дополнительного интеркулера – промежуточного охладителя воздуха, позволяет дополнительно повысить мощность силового агрегата на 15% и более за счет увеличения массового наполнения цилиндров.

Специфика работы турбины обуславливает срок ее эксплуатации, значительно меньший, чем ресурс самого дизельного двигателя. При этом, в связи с форсированием, снижается и срок работы силового агрегата, в камерах сгорания которого постоянно поддерживается повышенная температура, требующая охлаждения подаваемым через дополнительные форсунки маслом. Эта конструктивная особенность влечет за собой критическую требовательность мотора к качеству смазочных материалов.

Форсунки

. Этот элемент топливной системы предназначен для подачи строго отмеренной дозы горючего в точно рассчитанный момент времени. Появление электронного управления подачей топлива позволило организовать его двухступенчатую подачу неравномерными порциями. При воспламенении первичной дозы повышается температура в камере, после чего в нее поступает основной «заряд» на этот цикл. Такая схема дала возможность исключить скачкообразное нарастание давления и снизить шум работы двигателя. В зависимости от конструкции различают два типа распылителей.

Насос-форсунки. Эта конструкция объединяет в себе распылитель и плунжерный насос. Данный элемент устанавливается по одному на каждый цилиндр и приводится в действие толкателем, соединенным с кулачком распредвала. Линии подачи и слива горючего представляют собой технологические каналы в головке блока, благодаря чему может быть достигнуто давление до 2200 бар. Электронный блок управления отвечает за дозирование порции топлива и контроль угла опережения впрыска путем отправки сигналов на запорные пьезоэлектрические или электромагнитные клапаны. Конструкция насос-форсунок позволяет эксплуатировать их в многоимпульсном режиме, совершая от 2 до 4 впрысков за один цикл. Такая технология позволяет смягчить работу силового агрегата и снизить токсичность выхлопа.
Common Rail. Эта конструкция представляет собой общую топливную магистраль (рампу), в которой накапливается горючее, после чего по команде электронного управляющего блока впрыскивается через пьезоэлектрические или электромагнитные форсунки. Конструкция данного типа подразумевает применение ТНВД только для нагнетания давления в аккумуляторе, не используя его для регулировки момента впрыска и дозирования порций топлива. Такое конструктивное решение позволило сократить расход горючего до 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах до 25%. Электронный блок управления распылителями контролирует длительность фазы впрыска и оптимальный момент ее проведения по показателям ряда датчиков – температурного режима мотора, текущей нагрузки на него, давления в рампе, положение педали акселератора и т.д.

Сочетания турбины и системы Common Rail на сегодняшний день считается наиболее эффективным способом увеличения мощности дизельного двигателя при одновременном уменьшении токсичности его выхлопа.

Влияние коэффициента сжатия на характеристики мотора

Чем выше степень сжатия, тем больше компрессия ДВС и его мощность (при прочих равных условиях). Повышая степень сжатия, мы также способствуем увеличению КПД двигателя за счет снижения удельного расхода топлива. Степень сжатия ДВС, определяет октановое число используемого для работы мотора бензина. Так, низкооктановое топливо станет причиной детонации мотора с большим значением этого коэффициента. Чрезмерно высокое октановое число топлива не позволит силовому агрегату, компрессия которого невысока, развивать полную мощность.

Исходные данные

Октановое число топлива, используемого для бензиновых двигателей с различной степенью сжатия.

7,0–7,5 октановое число 72–76.
7,5–8,5 октановое число 76–85.
5,5–7 октановое число 66–72.
10:1 октановое число 92.
От 10,5 до 12,5 октановое число 95.
От 12 до 14,5 октановое число 98.

Выравнивание плоскости сопряжения головки с блоком срезанием слоя металла приводит к уменьшению камеры сгорания мотора. От этого показатель сжатия увеличивается в среднем на 0,1 при уменьшении толщины головки на 0,25 мм. Имея в своем распоряжении эти данные, можно определить, не превысит ли он после ремонта головки блока допустимые пределы. И не следует ли принять меры для его снижения. Опыт показывает, что при удалении слоя менее 0,3 мм последствия можно не компенсировать.

Основная камера — сгорание

Основная камера сгорания расположена в нижней части крышки и обеспечивает работу двигателя на генераторном газе со степенью сжатия 9 вместо 18 на жидком топливе.

Основные камеры сгорания ВРД размещаются обычно так, чтобы их внешний диаметр был равен наружному диаметру корпуса компрессора или турбины или несколько превышал его.

К основным камерам сгорания ВРД предъявляются следующие требования.

Каждая форкамера соединяется с основной камерой сгорания двумя отверстиями ( соплами) диаметром по 3 5 мм.

Основная система топливопитания предназначена для подачи топлива в основные камеры сгорания в течение всего времени работы двигателя.

ПВРД предъявляются те же требования, что и к основным камерам сгорания ВРД. Основнв отличие этих камер заключается в том, что коэффициент избытка воздуха в таких камерах близок к единице, вследствие чего объем камеры не делится на первичную и вторичную зоны.

Вместо бункера 8 может устанавливаться небольшая пусковая топка, служащая для разогрева основной камеры сгорания в период пуска и выполняющая функцию бункера накопления провала в период работы.

Крышка цилиндра двух.

Возникшее пламя с большей скоростью выбрасывается в виде факела через сопло дополнительной камеры в основную камеру сгорания. Факел пламени служит мощным многоочаговым источником воспламенения и турбулизации основной порции горючей смеси в надпоршневом пространстве, что обусловливает быстрое сгорание обедненных смесей.

При термическом зажигании газообразные продукты разложения перекиси, поступая из сравнительно малого объема предкамеры в основную камеру сгорания, выбрасывают из нее топливо, если оно там накопилось к моменту запуска.

При повороте коромысла открывается дополнительный клапан 12 форкамеры и затем ( почти одновременно) впускной клапан 7 основной камеры сгорания. Горючая смесь поступает в форкамеру из форка-мерной секции 4 карбюратора 5 по отдельному каналу 3 питания, выполненному во впускном трубопроводе и в головке цилиндров. При открытом дополнительном клапане 12 в форкамеру поступает обогащенная ( а 0 85 — — — н 0 90) горючая смесь, а в основную камеру и цилиндр двигателя ( при открытом впускном клапане 7) при движении поршня 2 вниз очень бедная ( а 1 горючая смесь.

Организация процесса горения топлива в форсажных камерах ТРД ( рис. 5.14 и 5.21) в сравнении с основными камерами сгорания имеет ряд особенностей.

Схема воздушно-камерного дизеля.

Воздушно-камерные дизели имеют разделенную камеру ( рис. 58), состоящую из воздушной камеры 2 в головке цилиндра и основной камеры сгорания 3 в надпор-шневом пространстве. Объем воздушной камеры у старых конструкций дизелей составляет около 70 %, а у новых — до 25 % объема пространства камеры сгорания. Камеры сообщаются между собой узкой горловиной. Форсунка 5 расположена вне воздушной камеры: струя топлива направляется к горловине, соединяющей обе камеры, и лишь частично попадает в воздушную камеру.

Цельнолитая вихревая камера представляет собой плоский цилиндр с горизонтально расположенной осью, имеет наклонное тангенциальное отверстие, связывающее вихревую камеру с основной камерой сгорания.