3

28,4 мм топлива. Максимальное давление топлива перед фор­сункой не превышает 19,5 МПа. В зависимости от частоты вра­щения коленчатого вала, величины цикловой подачи топлива эти параметры процесса топливоподачи будут изменяться.

Рисунок 11.4 - Осциллограмма изменения параметров топливоподачи в вихрекамерном дизеле ВАЗ-341 (S/D = 80/76) при частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин и цикловой подаче В_ц = 28,4 мм /цикл:

1 - давление топлива перед форсункой; 2 - подъем иглы форсунки (^_игл = 0,8 мм); 3 - закон подачи топлива а = В_ф /В_ц (В_ф -количество топлива, поступающего в камеру сгорания к углу поворота криво­шипа ф); 4 - отметка ВМТ поршня; 5 - отметка времени (Ах = 2 мс)

§2. Процессы смесеобразования

Эффективность процесса сгорания топлива в дизелях в зна­чительной степени зависит от тонкости и однородности распыла топлива, распределения топлива по объему камеры сгорания, взаимодействия факелов впрыснутого топлива со стенками каме­ры сгорания и потоками воздуха (продуктов сгорания) в камере сгорания. При повышенных цикловых подачах топлива подача топлива в камеру сгорания продолжается и после начала сгора­ния, то есть процессы смесеобразования и сгорания в дизелях протекают в течение некоторого времени одновременно.

382

Качество распыливания топлива определяется тонкостью и однородностью распыла топлива, дальнобойностью факела, структурой факела распыленного топлива. Тонкость распылива­ния топлива характеризуется величиной среднего диаметра ка­пель топлива, а однородность распыливания топлива - предель­ными отклонениями диаметра капель топлива от среднего зна­чения. Эти показатели качества распыливания топлива, как и дальнобойность факела, угол конуса факела, зависят от особен­ностей конструкции распылителей, давления топлива у отверстий распылителя (под иглой распылителя) и характера его изменения в течение впрыскивания, давления (плотности) среды (воздуха, продуктов сгорания), в которую осуществляется впрыскивание, интенсивности турбулизации среды.

Впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля в зависи­мости от особенностей организации рабочих процессов, частоты вращения коленчатого вала начинается за 10-40 °ПКВ до ВМТ и продолжается в зависимости от величины цикловой подачи топ­лива 10-60 °ПКВ. Давление воздуха в камере сгорания к началу впрыскивания в дизелях без наддува достигает в зависимости от степени сжатия 3-6 МПа, в дизелях с наддувом - до 10 МПа, температура воздуха - 900-1100 К. В течение подачи топлива в камеру сгорания изменяется давление топлива перед сопловыми каналами распылителя, давление, температура и плотность воз­духа (продуктов сгорания) в камере сгорания, а соответственно и перепад давления на сопловом канале распылителя. Перепад дав­ления на сопловом канале распылителя зависит также и от мест­ных сопротивлений канала (остроты кромок канала, шерохова­тости поверхности стенок канала).

Действительная скорость истечения топлива из соплового канала, м/с:

где ф = 0,7-0,8 - скоростной коэффициент; р_т, р_пр - давление топлива перед сопловым каналом (под иглой) и воздуха в камере сгорания в Па; р_т - плотность топлива перед сопловым каналом в

(11.1)

кг/м³.

383

Для примера (табл. 11.1) определим скорость истечения топ-

3

лива из соплового канала при плотности топлива р_т = 850 кг/м , скоростном коэффициенте ф = 0,7, учитывающем уменьшение скорости истечения вследствие трения потока топлива о стенки и внутреннего трения, давлении воздуха в камере сгорания р_пр = = 4 МПа.

Таблица 11.1 - Изменение скорости истечения топлива из соплового канала в зависимости от перепада давления на сопловом канале

(Рт - Рпр) -10 5, Па	60	160	260	460	960	1460
W^ м/с	83	136	173	230	333	410

Распад струи топлива на выходе из отверстия распылителя, образование факела распыленного топлива зависит от конструк­ции распылителя, скорости истечения топлива, давления и плот­ности газовой среды, определяющих аэродинамическое сопро­тивление среды, в которую осуществляется впрыскивание. На распад струи значительное влияние оказывают также начальные возмущения в сопловом канале, которые зависят от кромок от­верстий соплового канала, отношения длины соплового канала к его диаметру, шероховатости стенок соплового канала, пузырь­ков паров топлива и воздуха в струе топлива, сжимаемости топ­лива. Центральная часть факела состоит из более крупных частиц топлива и отходящих от нее тонких нитей топлива, которые затем разрушаются под воздействием сил аэродинамического сопро­тивления газовой среды, образуя оболочку факела из мелких ка­пель. Скорость капель топлива в оболочке факела вследствие аэ­родинамического сопротивления газовой среды по мере удаления от оси факела резко уменьшается.

При впрыскивании топлива в вакуум распад струи на вы­ходе из соплового отверстия зависит только от начального воз­мущения в сопловом канале. Если начальное возмущение в со­пловом канале незначительно, на выходе из отверстия соплового канала образуется плотная струя (рис. 11.5, а) или рыхлая струя топлива (рис. 11.5, б, в) [2]. Замена цилиндрического штифта в

384

распылителе (рис. 11.5, а) на штифт с обратным конусом (рис.

11. 5, г) увеличила начальное возмущение в канале распылителя [2]. На выходе из соплового отверстия струя топлива распадается на тонкие нити, которые затем разрываются, образуя отдельные капли. С повышением противодавления газовой среды (воздуха) в бомбе, в которую осуществляется впрыскивание топлива, с 30­40 мм рт.ст. до атмосферного (760 мм рт.ст.) аэродинамическое сопротивление среды возросло примерно пропорционально уве­личению плотности газовой среды и квадрату скорости частиц топлива, что увеличило скорость распада струи, дробление час­тиц топлива непосредственно на выходе из соплового канала (рис. 11.6, а). Образующиеся при этом вихри воздуха переносят мельчайшие частицы топлива на периферию факела, образуя его оболочку в форме конуса. Если начальное возмущение в сопло­вом канале незначительно (штифтовой распылитель с цилиндри­ческим штифтом - рис. 11.5, а), то при увеличении противодей­ствия газовой среды до 1,6 МПа на выходе из соплового канала формируется плотная струя топлива, которая распадается на за­метном удалении от отверстия канала распылителя (рис. 11.6, б).

a б в г

Рисунок 11.5 - Впрыскивание топлива в вакуум (абсолютное давление газовой среды в бомбе, в которую осуществлялся впрыск, составляет 30 - 40 мм рт.ст.)

385

При впрыскивании топ- лива через сопловой распы- литель (рис. 11.7, а) при по- стоянном давлении топлива в аккумуляторе, а соответст- венно и перед отверстием ка- нала распылителя, и проти- водавлении 0,1 МПа по оси факела образуется более плотное ядро, состоящее из более крупных капель. Вер- шина этого ядра несколько

отстает от переднего фронта

газовую среду с противодавлением:

_Л, _Л ^ , факела. В ядре факела нахо-

а - р_пр = 0,1 МПа, распылитель штифтовой ^{т г т}

с обратным конусом - рис. 11.5, г; ^дится °^сн°^{вная масса впр}ЬГС^-

б -р_пр = 1,6 МПа, распылитель штифтовой киваемого топлива [3]. Мель- с цилиндрическим штифтом - рис. 11.5, а чайшие частицы топлива, об- разующиеся на поверхности ядра, вихрями воздуха выносятся из этой зоны на периферию факела. С повышением противодавления газовой среды до 1,4 МПа возрастает интенсивность образования мельчайших капель топлива в зоне ядра факела, интенсивность их переноса вихрями воздуха на периферию факела, увеличивает- ся угол конуса факела, однородность распыливания топлива (рис. 11.7, б).

Противодавление (плотность газовой среды, в которую осу- ществляется впрыскивания топлива) влияет и на дальнобойность

Ьф и на угол Рф конуса факела (рис. 11.8) [2].

С увеличением про- тиводавления газовой среды дальнобойность факела уменьшается, увеличивается угол ко- нуса факела. На каче- ство распыла топлива и дальнобойность факе-

ла оказывает заметное распылитель дырчатый - рис. 11.5, б; d_с = 0,56 мм

а б

Рисунок 11.7 - Впрыскивание топлива в газовую среду при постоянном давлении топлива в аккумуляторе р_ак = 56 МПа и противодавле­нием р_пр = 0,1 МПа (а) и р_пр = 1,4 МПа (б):

386

влияние диаметр сопловых ка­налов дырчатого распылителя (рис. 11.9, 11.10) [2]. С умень­шением диаметра соплового ка­нала улучшается тонкость и од­нородность распыливания топли­ва - увеличивается относитель­ный суммарный объем капель У_к с меньшим диаметром d_к и уменьшаются предельные значе­ния диаметра капель (рис. 11.9). Дальнобойность факела с умень­шением диаметра соплового ка­нала также уменьшается (рис. 11.10). На дальнобойность факе­ла, угол конуса факела и мелкость распыливания топлива оказывает влияние не столько диаметр со­плового канала, сколько соотно­шение между диаметром и дли­ной соплового канала. Чем мень-

Рф

30

20

10

х, мс

Рисунок 11.8 - Влияние противодав­ления газовой среды на дально­бойность факела L_ф и на угол конуса факела Р _ф:

ше отношение длины соплового распылитель многодырчатый с

канала дырчатого распылителя ^d = ⁰,^{8 мм; давление на}чала. ^подъе-

/ _ч ма иглы форсунки - 20 МПа; часто-

(толщины стенки распылителя) к ^ ^{F J}

^{v r 7} та вращения кулачкового вала

его диаметру, тем тоньше распы- _Пк = 800 об/мин; ливание топлива, больше угол ко- 1 - р_пр = 0,1 МПа; 2 - р_пр = 1 МПа; нуса факела. Дальнобойность фа- ^{3 -р}пр = ²,^{1 МПа; А -р}пр = °,^{7 МПа;} кела при этом уменьшается. Ми- ^{В - Рпр} = ^{1,73 МПа} нимальная толщина стенки дырчатого распылителя в зоне сопло­вых каналов обычно определяется механической прочностью стенки колодца под иглой распылителя.

Скорость частиц топлива и их размер в факеле за фронтом факела изменяются незначительно, поскольку они перемещаются по трасам с пониженным сопротивлением за фронтальными час­тицами топлива. С потерей скорости каплями топлива во фронте факела следующие за ними капли топлива нагоняют их, сливаются с ними, сообщая им дополнительный импульс для

2

1

387

20

40

60

80 d_K, мкм

дальнейшего поступатель- ного движения. Поэтому диаметр капель топлива во фронтальной зоне факела будет постепенно увеличи- ваться. Достигнув поверх- ности стенок камеры сгора- ния, капли топлива фрон- тальной зоны факела расте- каются по поверхности, об- разуя тончайшую пленку. Скорость испарения топли- ва с поверхности пленки зависит от температуры по- верхности стенки камеры сгорания, скорости потоков газа над пленкой.

Рисунок 11.9 - Влияние диаметра соплового канала дырчатого распылителя на качество распыливания топлива: давление впрыска постоянное,

^рвпр ^{_ 17},^{5 МПа}₅

1 - d_G = 0,203 мм; 2 - d_G = 0,508 мм)

Взаимодействие факела впрыскиваемого топлива с пото- ками газовой среды в надпоршне- вой полости, интенсивность пере- мешивания паров топлива с воз- душным зарядом зависит от типа и формы камеры сгорания, на- правления движения фронта факе- ла и газовых потоков. В двигате- лях с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобра- зованием (рис. 11.11), используе- мыми в основном в стационарных,

тепловозных и судовых дизелях, определяющее влияние на интен- сивность процесса смешивания паров топлива с воздушным заря- дом оказывает интенсивность кру- гового движения воздушного за-

^{ряда к концу такта сжатия}. К^руго- 1 _ через 1 мс после начала впрыска; вое движение воздушного заряда 2 - через 3 мс после начала впрыска

Рисунок 11.10 - Влияние диаметра соплового канала многодырчатого распылителя на дальнобойность факела:

давление начала подъема иглы рас­пылителя р_впр = 20 МПа; противо­давление среды р_пр= 1,5 МПа;

388

достигается тангенциальным направлением каналов подвода воз­духа в головке цилиндров четырехтактных дизелей, заширмлени- ем впускных клапанов или тангенциальным направлением про­дувочных окон в гильзе цилиндров двухтактных дизелей. При тангенциальной скорости воздушного заряда на периферии каме­ры сгорания до 20 м/с в направлении движения заряда смещается только внешняя оболочка факела с мельчайшими частицами топ­лива (рис. 11.11, а). При тангенциальной скорости воздушного заряда до 50 м/с - искривляется ось факела (рис. 11.11, б), а при тангенциальной скорости воздушного заряда свыше 50 м/с - про­исходит разрушение факела. Поэтому в дизелях с неразделенной камерой сгорания с дырчатым распылителем количество отверс­тий распылителя подбирают таким образом, чтобы на режиме ра­боты дизеля при максимальной цикловой подаче топлива до на­чала воспламенения не происходило наложение факелов топлива. При наложении факелов распыленного топлива и повышенных цикловых подачах возникают зоны с переобогащением топливо­воздушной смеси, что снижает эффективность использования воздушного заряда, полноту сгорания топлива, увеличивает вы­бросы твердых частиц и токсичных веществ с отработавшими га­зами.

a

б

Рисунок 11.11 - Схема взаимодействия факелов впрыскиваемого топлива с воздушным зарядом в неразделенной камере сгорания:

а - тангенциальная скорость воздушного заряда на периферии камеры сгорания при W < 20 м/с; б - 20 м/с < W < 50 м/с

389

Для исключения наложения факелов впрыскиваемого топ­лива возможное смещение вершины факела за период задержки воспламенения топлива при повышенных цикловых подачах топ­лива должно быть меньше длины дуги по периферии камеры сго­рания между осями факелов, т.е.

% D

W х, <—S (11.2)

^Пс

где W_r - тангенциальная скорость воздушного заряда на перифе­рии камеры сгорания, м/с; х, - период задержки воспламене­ния, с; D_R -диаметр камеры сгорания (рис. 11.11, а), м; n_c - ко­личество сопловых отверстий в распылителе.

С изменением частоты вращения коленчатого вала это соот­ношение практически не изменяется вследствие противополож­ного характера изменения W_T и х, от частоты вращения коленча­того вала.

В двигателях с полуразделенными камерами сгорания, ис­пользуемых в основном в быстроходных автотракторных дизе­лях, камеры сгорания различных форм (тороидальных, цилинд­рических, шаровых и т.п.) обычно размещают в днище поршня. Объем камеры сгорания в поршне составляет 75-80 % объема камеры сжатия V_c. При отношении диаметра камеры сгорания в поршне к диаметру цилиндра D_R /D > 0,5 используют объемное смесеобразование, при отношении D_R /D < 0,4 - объемно­пленочное или пленочное. При пленочном смесеобразовании ис­пользуют обычно однодырчатые или двухдырчатые распылители, при объемном и объемно-пленочном - многодырчатые распыли­тели. Интенсивность смешивания паров топлива с воздушным за­рядом определяется тангенциальной, радиальной и осевыми ско­ростями перетекания воздуха из надпоршневого объема в полость камеры сгорания в поршне, то есть, зависит от отношения диа­метра горловины камеры к диаметру цилиндра, глубины камеры, надпоршневого зазора, частоты вращения коленчатого вала, на­правления и формы канала подвода воздуха к впускному клапану. Значительное увеличение тангенциальной составляющей скорос­ти воздушного заряда на входе в камеру сгорания в поршне к концу такта сжатия достигается также выфрезеровкой спираль­

390

ных углублений на поверхности днища поршня, обеспечивающих интенсивную закрутку воздушного заряда.

Рассмотрим для примера особенности процессов пленоч- ного смесеобразования (М-процесс), реализованного в автотрак- торных дизелях фирмы МАН с полуразделенной камерой сгора- ния сферической формы (рис. 11.12) [4, 5]. Топливо впрыскивает- ся форсункой с однодырчатым распылителем под небольшим уг-

лом к поверхности стенок каме- ры сгорания в направлении вра- щения воздушного заряда в ка- мере сгорания. Интенсивное вращение воздушного заряда в надпоршневой полости в камере сгорания достигается тангенци- альным направлением впускного канала и спиральными углубле- ниями 2 на поверхности днища поршня. Направление оси факе- ла 1 впрыскиваемого топлива под небольшим углом (< 15°) к сферической поверхности стен- ки камеры сгорания в направле- нии вращения воздушного заря- да обеспечивает равномерное растекание топлива по сфери- ческой поверхности стенки, об- разование тончайшей пленки топлива. Скорость испарения топлива с поверхности пленки,

интенсивность образования паровоздушной смеси определяется температурой поверхности стенки камеры сгорания (« 300- 350°С), тангенциальной скоростью воздушного заряда (до 90 м/с). Вследствие относительно медленного испарения топлива с по- верхности пленки температура воздушного заряда в камере сго- рания снижается незначительно, что сокращает период задержки воспламенения, снижает скорость нарастания давления, уровень шума при сгорании. После воспламенения испарение топлива с

Рисунок 11.12 - Схема взаимодействия факела впрыскиваемого топлива с воздушным зарядом в полураз­деленной камере сгорания с пленочным смесеобразованием

391

поверхности пленки происходит в основном за счет теплоты про­дуктов сгорания, излучения пламени. Полнота сгорания топлива при пленочном смесеобразовании не ниже, чем в двигателях с объемным смесеобразованием. При этом коэффициент избытка воздуха, соответствующий началу дымления, снижается до 1,1—1,2.

В дизелях с разделенными камерами сгорания (вихревыми, предкамерами) степень сжатия в зависимости от диаметра ци­линдра составляет 18-23. Каналы, соединяющие камеру сгора­ния с надпоршневой полостью выполнены во вставках 1 из жаро­прочного материала (рис. 11.13). Температура этих вставок при повышенных нагрузках может достигать 600-700 °С, что предо­пределяет повышение температуры воздушного заряда, перете­кающего из надпоршневой полости в дополнительную камеру сгорания, быстрое испарение топлива, сокращение периода за­держки воспламенения до 0,3-0,4 мс, снижение скорости нарас­тания давления, уровня шума при сгорании. Объем вихревых ка­мер сгорания (сферических, цилиндрических) с направленным по касательной к поверхности стенок камеры сгорания движением потока воздуха из надпоршневой полости составляет 40-60 % от объема камеры сжатия, площадь поперечного сечения соедини­тельного канала составляет 0,01-0,03 от площади поршня. Объем предкамер не превышает 30 % от объема камеры сжатия, пло­щадь поперечного сечения соединительных каналов < 0,01 от площади поршня. При этих соотношениях объемов дополнитель­ных камер сгорания и объема камеры сжатия, площадей попереч­ного сечения соединительных каналов и площади поршня макси­мальная скорость перетекания воздуха из надпоршневой полости в дополнительную камеру сгорания может достигать 200-300 м/с. В вихревых камерах сгорания за один оборот коленчатого вала воздушный заряд совершает 30-50 оборотов, а за период задерж­ки воспламенения - 2-5 оборотов. Потери энергии на перетека­ние воздушного заряда из надпоршневой полости в вихревую ка­меру сгорания достигают в быстроходных дизелях 5-10 Дж/цикл. В вихревых камерах сгорания факел топлива пересекает вра­щающийся воздушный заряд практически по диаметру вихревой камеры. В предкамерах пересекающиеся струи воздуха из от­

392