Понятие о смесеобразовании. Смесеобразованием называется процесс приготовления горючей смеси в целях подготовки топлива к сгоранию. В дизеле на смесеобразование отводится в зависимости от его быстроходности от 0,05 до 0,005 с. В течение этого короткого времени топливо должно быть раздроблено на мельчайшие частицы и равномерно распределено в воздухе, находящемся в камере сгорания.

Раздробление топлива производится в момент его впрыска в цилиндр из форсунки через небольшие отверстия, называемые сопловыми. Совокупность частиц распыливаемого топлива, образующаяся по выходе его из сопла форсунки, называется факелом топлива. Он характеризуется углом и длиной. Вертикальный угол р между осями диаметрально противоположных факелов называется углом распыли вания.

Длина и угол факела топлива, угол распыливания согласуются с формой камеры сгорания: факел должен охватывать по возможности всю толщину воздуха в камере, но частицы топлива не должны попадать на охлаждаемые поверхности, где они будут оседать и коксоваться.

Количество факелов, обусловливаемое числом сопловых отверстий форсунки, желательно иметь большим: чем больше факелов, тем равномернее будет распределено топливо в воздухе камеры сгорания. Однако как бы ни были совершенны распыливание топлива и формы камер сгорания, при впрыске топлива отдельными факелами оно не будет перемешано со всем воздухом, если воздух будет неподвижен. Следовательно, для совершенного смесеобразования необходимо, чтобы в момент впрыска в воздухе, заполняющем камеру сгорания, были вихревые движения.

Распыливание топлива. Сопловое отверстие представляет канал, длина которого в 4 — 7 раз больше его диаметра. Вследствие трения внешнего слоя струи топлива о стенки канала скорость движения топлива в струе разная: она тем выше, чем ближе находится слой к оси канала. Таким образом, распад струи топлива на отдельные нити начинается еще в сопловом канале. По выходе из него нити топлива встречают сильное сопротивление сжатого воздуха, заполняющего камеру сгорания. Они распадаются на отдельные частицы, которые, отклоняясь в той или иной степени от оси канала, образуют факел топлива. Угол и длина факела зависят от свойств топлива, формы сопловых каналов и сопротивления воздуха.

Рис. 1. Факелы топлива

Рис. 2. Формы камер сгорания:
а — двигателя НФД48; б — двигателя ДР 30/50; в — двигателя J1275; г — двигателя Д50; д — двигателя 6ЧСП 18/22

Из свойств топлива на процесс его распыливания влияют поверхностное натяжение, вязкость и плотность. При значительных поверхностном натяжении и вязкости дробление топлива затрудняется, угол факела уменьшается, а длина его увеличивается.

Форма сопловых каналов влияет на образование вихрей внутри струи топлива. При острых кромках, шероховатости и значительной длине соплового канала топливо дробится быстрее, угол факела увеличивается, а длина его уменьшается. Сопротивление, оказываемое воздухом струям топлива, зависит от скорости его истечения из сопловых отверстий. Для хорошего смесеобразования скорость истечения топлива должна быть 250—350 м/с. Повышение ее приводит к более мелкому и равномерному дроблению топлива, к увеличению длины факела.

Скорость истечения топлива при определенном объеме впрыскиваемой дозы зависит от давления впрыска (точнее, от разности давления впрыска и противодавления в цилиндре) и от суммарного сечения сопловых отверстий. Распылители форсунок двигателей, встречающихся на речном флоте, выполняют с шестью — восемью сопловыми отверстиями при диаметре их от 0,20 до 0,50 мм. Для получения указанной скорости истечения в этих условиях требуются давления впрыска порядка 40 — 80 МПа. (400 — 800 кгс/см2), а в отдельных случаях еще выше.

Продолжительность впрыска топлива составляет 15 — 40° угла поворота коленчатого вала, причем у быстроходных двигателей она больше. Для улучшения процесса смесеобразования необходимо, чтобы скорость впрыскивания возрастала и имела макеимальное значение в момент прекращения впрыска. Тогда каждая последующая доза топлива будет достигать более дальних слоев воздуха, еще не принявших участия в процессе горения. В связи с этим профиль кулачковой шайбы топливного насоса делают таким, чтобы давление впрыска после его начала возрастало. Начальное давление впрыска у судовых двигателей составляет 18—38 МПа (180 — 380 кгс/см2)»

Формы камер сгорания. У четырехтактного двигателя форма камеры сгорания создается за счет очертаний днища поршня. Поэтому при ее выборе учитывают условия работы днища поршня.

При полусферической форме камеры сгорания основная масса воздуха сосредоточена в районе форсунки, что позволяет уменьшить длину факела и увеличить его угол. В данном случае угол распыливания меньше, чем в остальных. При полусферической форме камеры исключена опасность попадания частичек топлива на охлаждаемые поверхности. Вместе с тем при такой форме камеры хуже условия для отвода теплоты от днища поршня: тепловой поток должен направляться вниз, тогда как края днища направлены вверх. Имеются места, как, например, в центре камеры, не охватываемые факелами топлива. В связи с указанным при полусферической форме камеры особенно необходимы вихревые движения воздуха.

В двухтактных двигателях форма днища, изображенная на рис. 2, а, затруднит продувку цилиндра. Поэтому подобная камера образуется в двухтактных двигателях за счет формы днища крышки цилиндра при плоском днище поршня.

Наиболее соответствует форме факела топлива камера сгорания Гессельмана. В отличие от рассмотренной камеры основная масса воздуха сосредоточивается вдали от форсунки. Чтобы частички топлива не попадали на охлаждаемые стенки цилиндра, по краям поршня предусматриваются высокие бурты. Условия для качественного смесеобразования при такой камере лучше. Однако бурты и выступающая средняя часть днища поршня склонны перегреваться. Из-за перегрева буртов быстрее закоксовываются верхние кольца поршня.

Промежуточной формой камеры является камера, показанная на рис. 15,г. Как и во всяком промежуточном варианте, в этой камере в какой-то степени сочетаются преимущества и недостатки камер первого и второго типов.

Как было сказано, в камере сгорания должны быть вихревые движения воздуха. Они создаются в процессе наполнения цилиндра воздухом вследствие того, что впускной клапан смещен в сторону от оси цилиндра и поток воздуха будет завихряться. При ходе сжатия появятся вихревые движения, обусловленные неплоской формой днища поршня или крышки цилиндра. В этом отношении камера, изображенная на рис. 2, в, более удачна, чем камеры на рис. 2, а, б и г. При впрыске топлива возникнут вихревые движения воздуха из-за поглощения им кинетической энергии струй топлива.

Однако все перечисленные вихри являются слабыми и неопределенными, неорганизованными. Сильный организованный вихрь в двухтактных двигателях можно создать соответствующим направлением продувочных окон. В четырехтактных двигателях, чтобы создать круговой вихрь у поступающего в цилиндр воздуха, иногда делают криволинейным канал крышки цилиндра, по которому поступает воздух к впускному клапану.

Хороший организованный вихрь в цилиндре четырехтактного двигателя будет при камере сгорания, расположенной в поршне. При ходе сжатия воздух из пространства над поршнем перетекает в камеру внутри поршня, создавая в ней вихри. Существенно, что интенсивность их будет увеличиваться при приближении поршня к в. м. т. Неохлаждаемые массивные стенки камеры способствуют быстрому воспламенению топлива.

Недостатком смесеобразования с камерой в поршне является повышенный нагрев его стенок, днища и поршневых колец, что ограничивает область применения данного способа смесеобразования лишь двигателями небольшого размера.

Вихрекамерное смесеобразование. Рассмотренный способ смесеобразования называется однокамерным, или смесеобразованием с неразделенной камерой сгорания. При организации однокамерного смесеобразования в двигателях небольших размеров приходится встречаться со значительными трудностями. При малых диаметрах цилиндров в них оказывается недостаточно места для нормального развития факела топлива. Кроме того, при небольшой мощности двигателя в цилиндр впрыскивается настолько малый объем топлива, что для достижения необходимой скорости впрыска требуются весьма высокие давления и малые сечения сопловых отверстий: у двигателя ЯАЗ-204 при диаметре сопловых отверстий 0,15 мм давление впрыска доходит до 140 МПа (1400 кгс/см2). Такие высокие давления впрыска возможны при сложной и чувствительной к качеству обслуживания топливной аппаратуре. В то же время небольшие двигатели должны быть просты и нетребовательны к качеству обслуживания. Поэтому нашло широкое применение многокамерное смесеобразование. На речном флоте получила распространение его разновидность, называемая вихрекамерным.

При вихрекамерном смесеобразовании в крышке цилиндра создается вихревая камера обычно сферической формы. Она соединена каналом с пространством над поршнем. К приходу поршня в в. м. т. в ней находится до 70—80% всего объема воздуха, остальные 20—30% — в канале и в надпоршневом пространстве. При ходе сжатия воздух из цилиндра по каналу перетекает в вихревую камеру, где появляются закономерные круговые вихри.

Топливо впрыскивается форсункой внутрь вихревой камеры, здесь и сгорает его основная часть. В последующем, по мере перетекания газов из вихревой камеры в цилиндр, происходит догорание топлива за счет участия воздуха, оставшегося в канале и надпоршневом пространстве.

Ввиду наличия интенсивных вихрей воздух, заключенный в вихревой камере, обладает значительным запасом кинетической энергии. Это позволяет получить хорошее смесеобразование при малых давлениях впрыскиваемого топлива порядка 12—24 МПа (120—240 кгс/см2) и при однодырча-том распылителе форсунки.

Вихревые камеры часто делают с вставной горловиной, являющейся тепловым аккумулятором: нагреваясь при горении, она отдает теплоту воздуху в процессе сжатия, что способствует уменьшению периода задержки воспламенения, особенно при малых нагрузках.

Упрощение топливной аппаратуры, связанное с низким давлением впрыска, — большое преимущество вихрекамерных дизелей. Кроме того, вследствие хорошего вихреобразования в них лучше используется воздух для сгорания топлива, что позволяет при тех же размерах цилиндра получить мощность больше, чем при однокамерном смесеобразовании. Вихрека-мерные двигатели менее чувствительны к качеству топлива.

Однако вихрекамерные дизели менее экономичны: на перетекание воздуха в вихревую камеру и газов из нее затрачивается часть внутренней энергии газа, которая могла быть полезно использована. Конструкция крышки цилиндра усложняется. Вследствие разделения объема камеры сгорания на две части увеличивается поверхность, приходящаяся на единицу объема воздуха. Повышенный в связи с этим отвод теплоты через стенки снижает температуру сжимаемого воздуха, что затрудняет пуск холодного двигателя. Для его облегчения вихрекамерные двигатели снабжаются специальной запальной спиралью, устанавливаемой под форсункой.

Рис. 3. Вихревая камера

Тенденции в совершенствовании смесеобразования. В течение многих лет ведутся поиски путей по совершенствованию смесеобразования в целях уменьшения жесткости работы дизелей, обеспечения их многотоплиьности (т. е. возможности использования любого сорта топлива от бензина до сырой нефти), повышения экономичности и уменьшения загрязнения атмосферы вредными соединениями.

Одним из внедренных новых способов смесеобразования является пленочное (М-процесс). Полусферическая камера сгорания располагается в поршне. Топливо впрыскивается наклонно расположенной форсункой таким образом, что около 95% его оседает на стенках камеры сгорания в виде пленки и лишь около 5% распыливается в воздухе, находящемся в камере. Эти 5% топлива самовоспламеняются, после чего по мере его испарения спокойно сгорает топливо из пленки, покрывавшей стенки камеры. В более совершенной модификации этого способа (в НМ-процессе) обеспечивается вихревое движение всасываемого в цилиндр воздуха, а топливо воспламеняется запальной свечой специальной конструкции. Применение принудительного зажигания позволяет снизить степень сжатия. Эти способы смесеобразования встречаются в двигателях с диаметром цилиндра до 140 мм. Частичное пленочное (объемнопленочное) смесеобразование осуществляется и в камере сгорания ЦНИДИ.

В целях перенесения периода задержки самовоспламенения на ту часть цикла, которая предшествует приходу поршня в в. м. т. во время такта сжатия, предлагается применять частичное внешнее смесеобразование или двухфазный впрыск топлива. В первом случае небольшая часть топлива (порядка 15%) поступает в цилиндр с всасываемым воздухом, т. е. в результате внешнего смесеобразования. Им может быть газообразное топливо, бензин или пары дизельного топлива. Во втором случае примерно такая же часть дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через форсунку в начале хода сжатия. К приходу поршня в в. м. т. предварительно поступившее в цилиндр тем или другим путем топливо самовоспламеняется, и в этот момент впрыскивается его основная часть. Топливо, попадая в среду с пламенем, спокойно, по мере поступления в цилиндр, сгорает.