2.2 Способы расширения диапазона изменения коэффициента избытка воздуха и реализации высоких степеней сжатия Турбулизация заряда

Одним из способов позволяющих реализовать повышенные степени сжатия при существующих антидетонационных качествах бензинов является повышение скорости сгорания. К числу мероприятий, увеличивающих скорость тепловыделения в современных бензиновых двигателях, относятся [2]:

1. Создание в цилиндре интенсивного турбулентного (вихревого) движения рабочего заряда за счет тангенциального направления впускного патрубка или выполнения его в виде улитки и позволяет создать устойчивое вращательное движение горючей смеси в камере сгорания, если последняя также имеет форму тела вращения. Кинематографирование через прозрачную крышку цилиндра показало, что даже в том случае, когда свеча зажигания расположена сбоку, начальный очаг горения при наличии вихря очень быстро переносится в центр камеры, откуда затем фронт пламени начинает распространяться равномерно во все стороны в радиальных направлениях. Исследования с использованием быстро вращающейся цилиндрической бомбы с прозрачными торцовыми стенками, по отношению к которым смесь оказывалась неподвижной, показали, что перенос к центру камеры начального очага пламени, значительно менее плотного, чем свежая смесь, происходит под действием центробежных сил, причем этот перенос происходит по логарифмической спирали за 0,6 полного оборота вихря независимо от его угловой скорости. Однако действие тех же центробежных сил, препятствуя диффузии сгоревших газов в радиальном направлении, замедляет процесс догорания периферийных слоев смеси. Еще одним недостатком является уменьшение коэффициента наполнения двигателя. В результате эффекта центрифугирования в пристеночных слоях оказывается большая доля топлива, в особенности его тяжелые фракции.

2. Придание камерам сгорания таких очертаний, при которых основная масса рабочего заряда была бы сосредоточена в компактном объеме, а остальная часть заключена в так называемых вытеснителях – относительно узких зазорах между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра. При этом появляется возможность значительно снизить или даже устранить нежелательные эффекты первого метода. Наличие вытеснителей не только создает дополнительную турбулизацию заряда в основной части камеры вследствие выталкивания в нее смеси из относительно более быстро уменьшающихся по высоте в конце такта сжатия щелевых зазоров, но также может способствовать ускоренному завершению сгорания вследствие засасывания в эти же зазоры горящей смеси при ходе поршня вниз, как схематически показано на рис.2.1, а. Аналогичный эффект достигается и в камерах сгорания, ограниченных сферическими поверхностями различных радиусов (рис.2.1, б), а также в камерах сгорания клиновидной формы или выполненных в виде углубления в поршне.

Рис.2.1. Характер движения рабочего заряда, создаваемого вытеснителями в конце сжатия и начале расширения [2]

В качестве примера использования описанного метода борьбы с детонацией за счет ускорения сгорания можно привести процесс May Fireball, позволяющий при существующих антидетонационных качествах бензинов существенно повысить степень сжатия и работать на обедненной смеси (  1,1 – 1,2) (см. рис.2.2). В экспериментальных вариантах двигателя степень сжатия доводилась до 15.

В конце такта сжатия смесь вытесняется поршнем из цилиндра и поступает через соединительный тангенциальный канал в расположенную под выпускным клапаном компактную шаровидную камеру сгорания. В камере сгорания образуется интенсивный вихревой поток смеси.

Рис. 2.2. Схема камеры сгорания для реализации процесса May Fireball

Малые размеры камеры, ее компактность, интенсивное вихреобразование, связанное как с тангенциальным входом, так и турбулизацией потока со стороны кромок камеры, способствуют быстрому горению без четкого фронта пламени, по крайней мере, во второй половине видимого сгорания, что приводит, в том числе, к дроблению очагов воспламенения. Это позволяет избежать условий, способствующих возникновению детонации.

Но наличие вытеснителей (защемленных объемов), высокая скорость заряда относительно стенок камеры сгорания вызывает увеличение поверхности стенок камеры, усиливает теплоотдачу, а также приводит к увеличению доли рабочего заряда, заключенной в пристеночных слоях, где процесс догорания оказывается сильно растянутым и неполным.