Сумішоутворення
Загальні вимоги до процесу сумішоутворення й згоряння
Процес сумішоутворення й згоряння в дизелях повинен відповідати наступним основним
вимогам:
1. Найбільш повне згоряння палива на всіх режимах роботи двигуна (повнота згоряння
визначається за змістом сажі, який повинне бути не більше 0,6 г/м3);
2. Найкраще використання кисню повітря має місце при роботі двигуна на режимі
максимальної потужності ( α → 1);
3. Характер згоряння повинен забезпечити реалізацію як можна кращої економічності
робочого циклу при сприятливій динаміці зміни тисків робочого тіла (згоряння повинне бути
«м'яким»);
4. Легкий пуск при низьких температурах;
5. Відсутність утворення смолистих відкладень при низьких температурах, а також при
роботі двигуна вхолосту й на малих частотах обертання вала.
За характером процесу сумішоутворення та процесу згоряння можна говорити про три
типи процесів сумішоутворення: об'ємне, плівкове й об'ємно-плівкове. Практично у двигунах із
самозапалюванням палива реалізується змішаний тип сумішоутворення.
У дизелях сумішоутворення відбувається усередині циліндра. Воно починається в момент
початку впорскування палива й закінчується наприкінці його згоряння. Якість сумішоутворення
визначається характеристиками впорскування й розпилювання, властивостями палива й заряду,
формою, розмірами й температурами поверхонь камери згоряння, взаємним напрямком й
інтенсивністю руху паливних струменів і заряду в камері згоряння.
Об'ємнесумішоутворення (6.2) припускає розпилювання більшої частини палива в
об’ємі камери згоряння й лише невелика його частина попадає в її пристіночний шар. Воно
реалізується у нерозділеній (однопорожнинній)камерізгоряння, що розташовується в поршні;
її вісь і вісь форсунки збігаються. Камера згоряння має малу глибину й великий діаметр,
відношення її діаметра до діаметра циліндра становить dК.З./D = 0,8ч0,83 (рис. 6.5,е). Прогрів і
випаровування палива в цій камері відбуваються в основному від стисненого й нагрітого заряду
повітря.
Кут розсіювання струменів палива δ (рис. 6.6) звичайно не перевищує 20°, тому для
повного охвату струменями всього об’єму камери згоряння й повного використання заряду
повітря у форсунці необхідно мати не менш 18 отворів розпилювання невеликого діаметра, що
досить складно для виготовлення. У процесі експлуатації дизеля з розпилювачами, що мають
малий діаметр соплових отворів, прохідні перетини зменшуються через відкладення на їхній
поверхні коксу.
Рисунок 6.5. Типи камер згоряння у поршні (нерозділені та напіврозділені): а – напівсферична
(ВТЗ), б – ω-подібна (ЯМЗ), в – типу ЦНИДИ, г – типу MAN, д – типу Deutz, е – типу Hesselman,
ж – типу Daimler Benz; δн.з. – надпоршневий зазор.
Рисунок 6.6. Форми паливних струменів
Для повного згоряння впорскнутого палива повітря приводиться в обертальний рух тим
інтенсивніше, чим менше кількість отворів розпилювання. Це досягається застосуванням
гвинтових впускних каналів (рис. 6.7), а також екрануванням впускного клапана або його сідла
(рис. 6.8). Однак підвищення інтенсивності обертального руху заряду при впуску приводить до
зниження коефіцієнта наповнення (3.2).
Тому при об'ємному сумішоутворенні використають 6ч10 отворів розпилювання при
невеликому значенні швидкості руху заряду (12ч15 м/с), щоб уникнути значного падіння
наповнення свіжим зарядом.
Рисунок 6.7. Схема утворення завихрення потоку використанням гвинтових каналів:
1 – впускні клапани, 2 – гвинтовий канал, 3 – циліндр, 4 – поршень, 5 – звичайний канал
(включається лише при великій частоті обертання), 6 – заслінка виключення звичайного каналу.
Рисунок 6.8. Схема організації повітряного вихру за допомогою заширмленого впускного
клапана
Розвіювання струменів палива обертальним зарядом істотно впливає на об’єм і поверхню
струменя і їхня зміна в часі. Теплообмін між зарядом і паливом відбувається переважно в об’ємі
факела й пари палива переміщаються в напрямку поверхні струменів. Рух заряду зносить
продукти згоряння з поверхні великих крапель і забезпечує підведення до них кисню повітря.
При надмірній швидкості руху заряду дрібні краплі, пари палива й продукти згоряння з одного
струменя можуть рухом заряду переноситися в об’єм сусіднього струменя, що приведе до
погіршення сумішоутворення. Таке явище називають перезавихренням. Тому в дизелях з
об'ємним сумішоутворенням частота обертання обмежена й не перевищує 3000 хв-1.
При цьому виді сумішоутворення для проникнення крапель палива на периферію камери
згоряння, де зосереджена найбільша частина повітря, необхідно підвищувати тиск впорскування,
іноді до 200 МПа. Такий тиск можуть створювати насоси-форсунки. Однак їхнє застосування
пов'язане з ускладненням конструкції й необхідністю в експлуатації забезпечувати рівномірну
подачу палива по окремих циліндрах. При використанні розділених систем подачі палива тиск
впорскування звичайно не перевищує 100 МПа, що пов'язане з підвищенням сил, що діють на
деталі паливних апаратур, перекручуванням об’ємів палива у системі, а також з
підвпорскуваннями палива через коливальні процеси в паливопроводах високого тиску.
Об'ємно-плівковесумішоутворення (6.3) полягає в тому, що частина палива подається на
стінку камери згоряння й концентрується в пристіночному шарі, а інша частина крапель палива
розташовується в прикордонному шарі заряду. Низька температура стінок камери згоряння
(200ч300°С) і мала турбулентність заряду в цій зоні зменшують швидкості випаровування
палива й змішання його парів з повітрям. У підсумку знижується швидкість тепловиділення на
початку згоряння. Після появи полум'я швидкості випару й змішання різко зростають.
При такому виді сумішоутворення відносний діаметр камери згоряння трохи менше
(dКЗ./D= 0,5ч0,6), а її глибина більше (рис. 6.5,а,б,в,ж). Такі камери згоряння називають
напіврозділеними. Тангенціальна складова швидкості руху заряду повітря досягає 25ч30 м/с.
Інтенсивне обертання заряду при його перетіканні в камеру згоряння дозволяє застосовувати 3ч5
отворів розпилювання більшого діаметра. Знижуються вимоги до апаратури паливоподачі, що
повинна забезпечити тиск впорскування не більше 80 МПа. При цьому істотно знижуються
навантаження в паливній апаратурі, підвищуються її зносостійкість і надійність.
Таке сумішоутворення дозволяє зміщати вісь розпилювача щодо осі циліндра й
розташовувати форсунки похило, що полегшує її установку й зняття в експлуатації. Осі окремих
отворів розпилювання розташовують під різними кутами до осі розпилювача. Тому необхідно
забезпечувати строгу фіксацію розпилювача щодо корпуса форсунки, а корпуса форсунки –
щодо камери згоряння.
У розглянутих камерах заряд, що перетікає з об’єму над поршнем у камеру згоряння,
захоплює пари, дрібні краплі, продукти згоряння й переносить їх углиб камери згоряння.
При малих dKЗ/Dбільша кількість повітря зосереджується в зазорі між поршнем і
головкою циліндра. Це приводить до менш повного використання повітря для згоряння палива й
знижує потужність дизеля. Аналогічно впливають зазори між головкою поршня й гільзою й
відстань від днища поршня до першого компресійного кільця. Також важливим при
виготовленні й ремонті дизеля є стабілізація зазорів між поршнем і головкою циліндра, поршнем
і циліндром.
Плівковесумішоутворення (6.4) (рис. 6.9) передбачає подачу основної частини палива на
стінки камери, яке розтікається у виді тонкої рідкої плівки. У цьому випадку для гарного
запалення в стиснене повітря впорскується близько 5% палива, а інша його частина – на стінки.
Камера згоряння звичайно розташована на одній осі з циліндром, а форсунка зміщена до її
периферії. Розпилювач форсунки направляє один-два струмені палива під гострим кутом на
стінку напіврозділеної камери згоряння сферичної форми (рис. 6.5,г), або поблизу й уздовж
стінки камери згоряння (рис. 6.5,д). При цьому інтенсивний обертальний рух заряду,
тангенціальна швидкість якого досягає 50ч60 м/с, розподіляє паливні краплі уздовж стінки
камери згоряння. В об’єм гарячого заряду у центральній частині камери згоряння попадає 5ч10%
палива, що запалюється в першу чергу. У міру випару й змішування палива з повітрям згоряння
поширюється на основну частину палива в пристіночному шарі.
Рисунок 6.9. Схема плівкового сумішоутворення та згоряння
У заряді відбувається сепарація робочої суміші: менш щільні продукти згоряння
переносяться в центр камери згоряння, а більш щільне повітря із центральної частини камери
згоряння переміщається до периферії, де перебуває паливо. Це забезпечує його поступове й
повне згоряння. Відносно мала швидкість наростання тиску при початковому запаленні
невеликої кількості палива обумовлює порівняно м'яку роботу й зниження шуму дизеля. Такий
процес більшою мірою пристосований до роботи на паливах різного фракційного состава й
навіть на бензині.
Використання одного-двох отворів розпилювання великого діаметра не вимагає тонкого
розпилення палива, а максимальне значення тиску впорскування не перевищує 45 МПа.
Основний недолік двигунів із плівковим процесом полягає в труднощі пуску непрогрітого
дизеля, тому що паливо впорскується в пристіночний шар і безпосередньо на холодну стінку. До
числа переваг процесу відносяться високі економічні показники й порівняно низькі вимоги до
паливної апаратури.
Камери згоряння із плівковим сумішоутворенням мають більшу глибину, що приводить
до росту висоти головки поршня й високої теплової напруженості горловини камери згоряння.
Все це приводить до збільшення маси поршня й ускладнює його охолодження.
Один зі способів плівкового сумішоутворення (М-процес, запропонований Мейрером)
розроблено німецькою фірмою MAN. Він характеризується наступними особливостями:
- для кращого запалення і згоряння в стиснене повітря впорскується 5% палива, а основна
маса палива (95%) наноситься на стінки у вигляді плівки товщиною 10ч15 мкм;
- паливо, що впорскнуте в нагріте повітря, самозаймається і потім підпалює пальну суміш,
яка утворюється в процесі випару плівки зі стінок циліндра і перемішування парів палива з
повітрям;
- паливо з поверхні стінок на початку згоряння випаровується порівняно повільно і
горіння починається також повільно. Потім процеси прискорюються, при цьому поршень йде до
НМТ і тому двигун працює м'яко і безшумно;
- камера згоряння має розвиті виштовхувачі, що створюють інтенсивний вихровий рух
повітряного заряду, що сприяє гарному випару і сумішоутворенню.
Такий процес згоряння дозволяє використовувати в двигуні різні палива: бензин, гас,
лігроїн, солярове масло та ін. Двигуни з подібним процесом називаються багатопаливними
(1.7).
При використанні в напіврозділених камерах згоряння плівкового способу
сумішоутворення пуск двигуна погіршується. Це пояснюється тим, що в період пуску стінки
камери мають невисоку температуру, і паливна плівка випаровується погано. Для поліпшення
пускових якостей цих двигунів, а також для поліпшення реалізації багатопаливності фірмою
MAN підвищено ступінь стиску. Однак, при цьому помітно виріс максимальний тиск газів. У
зв'язку із цим було застосовано FM-процес – із примусовим запалюванням, що забезпечило
стійке запалення високооктанових бензинів на усіх режимах роботи двигуна.
У камері згоряння напроти форсунки встановлена свіча з довгим електродом (рис. 6.10),
до якого по канавці підводиться частина палива, що впорскується на стінку, і де утворюється
суміш, що близька до стехіометричного складу. Цей склад мало залежить від режимів роботи
двигуна. Застосування FM-процесу дозволило знизити ступінь стиску до 14ч17, зменшити рmax,
знизити димність і токсичність відпрацьованих газів.
У багатопаливних ДВЗ у випадку використання палив з поганою схильністю до
запалювання та при відсутності свічі можливі надзвичайно високі ступені стиску (двигун MTU
концерну Mercedes-Benz мав ε = 25).
На деяких двигунах ідея обмеження маси палива, що бере участь у самозапалюванні,
реалізована без подачі палива на стінку камери згоряння. У цьому випадку використовується
пристіночнесумішоутворення (6.5), яке застосовано вперше у дизелях фірми „Дойц” (Deutz).
При такому сумішоутворенні паливний струмінь із розпилювача направляється
паралельно твірній стінки камери згоряння (рис. 6.11). Інтенсивний повітряний вихор навколо
осі циліндра створюється за допомогою гвинтових впускних каналів. Цей вихор викликає
сепарацію (поділ за масою) крапель паливного струменя.
Більші краплі палива під впливом відцентрових сил зосереджують біля стінок камери
згоряння, а більше дрібні й підготовлені до запалення утворюють близький до стехіометричного
(5.3) склад суміші, беруть участь у самозапалюванні й згорянні. Напрямок осі факела
паралельний твірній гіперболоїда, що збільшує вільну довжину факела (L > H).
Рисунок 6.10. Напіврозділена камера з FM-процесом
Рисунок 6.11. Гіперболічна камера згоряння з пристіночним сумішоутворенням
На рис. 6.12 наведено схему камери згоряння із пристіночним сумішоутворенням дизеля
ЗіЛ-645. Розпилювач із двома сопловими отворами (dc≈ 0,45 мм) створює пристіночний факел,
що спрямований паралельно стінці камери згоряння, і об'ємний факел, що спрямований до
центра напівсферичного днища й призначений, головним чином, для організації
самозапалювання палива.
На пускових режимах подача палива через пристіночний канал зменшується, а через
об'ємний збільшується, що поліпшує пуск. Камера згоряння циліндричного типу значно
спрощена в порівнянні з камерою згоряння «Deutz». Завихрення створюється гвинтовим
каналом. Окружна швидкість повітря на периферії камери згоряння досягає 60 м/с. Під дією
повітряного вихру пристіночний факел відкидається на стінки камери згоряння й утворює тонку
плівку. Далі тривають процеси нагрівання, випаровування, змішування з повітрям і згоряння.
Можлива робота на бензинах і сумішах бензину з дизельним паливом.
Рисунок 6.12. Камера згоряння ЗіЛ-645 з пристіночним сумішоутворенням
Двигуни з плівковим та пристіночним сумішоутворенням, а також багатопаливні через
невідповідність сучасним вимогам з витрати палива та шкідливих викидів зараз майже не
застосовуються.
Сумішоутворенняврозділенихкамерах згоряння засновано на використанні
двопорожниннихрозділенихкамер згоряння: допоміжної й основної, які з'єднані горловиною. З
урахуванням характеру руху заряду в додатковій камері розрізняють вихрові камери згоряння й
передкамери.
Рисунок 6.13. Розділені камери згоряння у головці циліндрів:
а – вихрова, б – передкамера
Вихровакамеразгоряння (рис. 6.13,а) виконана у головці циліндра у формі сфери або
циліндра. Вісь горловини сполучення спрямована по дотичній до внутрішньої поверхні вихрової
камери згоряння для створення спрямованого вихрового руху заряду. Об’єм вихрової камери
становить 50ч60% загального об’єму камери згоряння. Швидкість перетікання заряду через
горловину досягає 100ч200 м/с. Паливо у вихрову камеру впорскується штифтовим
розпилювачем. Воно віджимається зарядом, що рухається, до стінки камери. Нижня частина
вихрової камери з горловиною звичайно є знімною й теплоізольованою. Температура горловини
може досягати 600ч650°С, що сприяє інтенсивному сумішоутворенню.
У вихровій камері створюється збагачена суміш. Після запалення палива тиск у вихровій
камері підвищується й палаючий заряд перетікає в основну порожнину камери згоряння, яка
виконана у днищі поршня. Тут зосереджена значна частина ще не використаного для згоряння
повітря, що під впливом вихрових потоків перемішується з паливом і забезпечує його повне
згоряння.
Передкамера (рис. 6.13,б) має об’єм і перетин горловини звичайно менше, ніж вихрова
камера згоряння. З основною камерою згоряння передкамера з'єднується каналами невеликого
перетину.
Напрямок і число каналів вибирають таким чином, щоб на такті стиску при перетіканні
заряду в передкамері створювався безладний рух заряду при швидкостях 300 м/с і більше.
Впорскування палива відбувається назустріч потоку заряду повітря, що надходить із циліндра. У
результаті інтенсивної турбулізації заряду в передкамері паливо гарно перемішується з повітрям.
При швидкому й неповному згорянні збагаченої суміші (5.5) тиск у передкамері різко зростає.
Це викликає зворотне перетікання палаючого заряду в основну порожнину камери згоряння, де
він швидко й досить повно догоряє навіть при малому надлишку повітря (при α = 1,15ч1,2).
При використанні розділених камер згоряння значення максимального тиску й швидкості
наростання тиску відносно невеликі й наближаються до відповідних значень показників двигунів
з іскровим запалюванням. Тому дизель працює м'якше й менш шумно. Вимоги до паливної
апаратури для організації сумішоутворення такого виду невеликі.
Розділені камери згоряння мають ряд недоліків:
- малий прохідний перетин горловини приводить до підвищених втрат при перетіканні
заряду між обома порожнинами камери згоряння, а це погіршує економічність дизеля;
- при пуску непрогрітого дизеля паливо впорскується на холодну стінку, яка має більшу
поверхню, що утрудняє пуск. Для підвищення надійності пуску підвищують ступінь стиску до
23ч24 й у камері згоряння встановлюють свічу накалювання.
Типи розділених камер показано на рис. 6.14.
Сумішоутворення при наддуві припускає збільшення циклової подачі палива практично
за той же час, що й у дизеля без наддуву. Її можна підвищити шляхом збільшення ефективного
прохідного перетину отворів розпилювання або збільшенням тиску впорскування.
При наддуві густина заряду у циліндрі збільшується. Тому, щоб забезпечити необхідне
проникнення паливних струменів за період затримки запалювання, необхідно більш різко
підвищити тиск впорскування зі збільшенням частоти обертання й навантаження, ніж у дизелі
без наддуву.
При високих ступенях наддуву застосовують насоси-форсунки або паливні системи
акумуляторного типу.
Рисунок 6.14. Типи вихрових камер (а-г) та передкамер (д-ж)