2. Смесеобразование в дизелях, особенности процесса

Смесеобразование в дизелях происходит непосредственно в камере сгорания за короткое время. Скорость истечения топлива достигает 400 м/с. Вследствие трения о воздух струя топлива распадается на мелкие (диаметром 0,002…0,003мм) капли, образующие топливный факел конусообразной формы. Таким образом многократно увеличивается поверхность испарения, обеспечивается быстрое протекание процессов тепло и массообмена между топливом и воздухом в камере сгорания, имеющим высокую температуру. Процесс смесеобразования состоит из: распыливания топлива, развития топливного факела, прогрева, испарения, перегрева топливных паров, смесеобразования паров с воздухом. Смесеобразование начинается практически с момента впрыскивания и заканчивается одновременно с окончанием сгорания.

При постоянной частоте вращения коленчатого вала количество воздуха, подаваемого в дизельный двигатель неизменно. Поэтому мощность двигателя можно регулировать только изменением количества топлива. Для полного сгорания топлива приходится подавать воздух значительно больше теоретически необходимого количества. Для полного использования теплоты сгоревшего топлива, необходимо чтобы сгорание происходило при возможно  меньшем значении коэффициенте избытка воздуха. Минимальное значение α =1,6…1,7 – при неразделенных и α =1,3…1,4 при разделенных камерах сгорания.

Количество воздуха поступающего в цилиндр практически не зависит от нагрузки. Поэтому при малой нагрузке (малая подача топлива) топливо сгорает полностью, при большой – уменьшается α и  процесс сгорания ухудшается. Развитие и совершенство процесса смесеобразования зависит: от характера впрыска и распыливания топлива, скорости движения зарядов в камере сгорания, свойств топлива, формы, размеров и температуры поверхности камеры сгорания, направления движения струй топлива и воздуха.

Объемное смесеобразование. Осуществляется в неразделенных (однополостных) камерах сгорания. Отношение диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра составляет 0,75…0,85. В этом случае топливо распыливается в объеме камеры сгорания, в пристеночный слой попадает лишь небольшая часть. Большое значение для процесса имеют: характер распределения топлива, в объеме свежего заряда, форма поверхности топливной струи, из которой и происходит диффузия паров в воздух.   Угол рассеивания топливной струи обычно не превышает 20˚, поэтому для полного охвата всего объема камеры сгорания их должно быть 18 (360˚/20˚=18). Однако из-за сложности эксплуатации двигателя с распылителями малого диаметра целесообразно применение меньшего количества отверстий большего диаметра. Для полного сгорания воздух приводится во вращательное движение за счет специальной конструкции впускного канала и формы камеры сгорания.

Пристеночное смесеобразование. Все топливо направленное в пристеночную зону. Камера сгорания сосна с цилиндром, а форсунка смещена к его периферии. Одна или две струи топлива направлены под острым углом на стенку камеры сгорания, воздух совершает вращательное движение со скоростью 50…60 м/с, обеспечивая концентрацию капель топлива около поверхности камеры и перемещение воздуха из центральной части камеры к периферии, где сконцентрировано топливо. При таком способе смесеобразования происходит постепенная подготовка смеси, уменьшается количество смеси одновременно готовой к сгоранию, процесс сгорания сопровождается малой скоростью нарастания давления в цилиндре. При таком способе смесеобразования двигатель в большей степени приспособлен к работе на топливах различного фракционного состава. При впрыскивании топлива в пристеночный слой попадает 5…10% массы топлива, основная часть топлива сосредоточена в удалении от нагретых стенок камеры сгорания, и лишь затем, по мере испарения и смешивания с воздухом, горение распространяется на остальную часть топлива, перемещающегося к стенкам камеры.

Впрыскивание топлива на стенку и в пристеночный слой затрудняет пуск двигателя из-за низкой температуры стенок камеры сгорания холодного двигателя, существенное улучшение воспламеняемости топлива обеспечивается увеличением степени сжатия  до 26.

Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования. Получается при небольшом диаметре камеры сгорания, когда основная часть топлива располагается в пристеночном слое. В результате интенсивного испарения снижается скорость тепловыделения в начале сгорания, однако процесс не затягивается при температуре стенки камеры сгорания в пределах 200…300˚С. Важное значение при таком способе смесеобразования имеют радиальные составляющие скорости перетекания заряда, преобразующиеся в осевые (направленные вдоль цилиндра), захватывающие пары и капли топлива, продукты сгорания и переносящие их в глубь цилиндра.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательных и основных полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вспомогательные вихревые камеры сгорания (рис. 3, а, б). Ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилиндрической основной камеры сгорания. Поэтому в основной камере создается направленное вихревое движение заряда. Скорость движения заряда сост. 100…200м/с. Топливо впрыскивается распылителем. Движущимся зарядом топливо отжимается к стенке вихревой камеры – т.е. имеет место элемент пристеночного смесеобразования. Нижняя часть вихревой камеры имеет высокую температуру. Воздух, протекая через горловину, дополнительно нагревается (температура горловины 600…650˚), так же как и топливо. Все это способствует интенсивному смесеобразованию. В вихревую камеру подается вся порция топлива и здесь создается обогащенная смесь, полное сгорание топлива невозможно. В результате повышения давления в вихревой камере горящий заряд перетекает в основную камеру, где сосредоточена основная часть воздуха. Здесь происходит быстрое и полное догорание топлива, даже при малых значениях α = 1,15…1,2.

В отличие от вихревой камеры, предкамера (вспомогательная камера) имеет относительно меньшие объем и сечение горловины (рис. 3, в, г). Это вызывает повышенные потери при перетекании. Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, обеспечивает беспорядочное движение заряда в последней во время такта сжатия, скорости перетекания достигают 300 м/с. Впрыскивание топлива осуществляется навстречу движению заряда, поступающего из цилиндра. В предкамере наступает быстрое, но неполное сгорание обогащенной смеси, давление в ней быстро возрастает, начинается перетекание горящего заряда в основную полость, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и полностью сгорает. 

Рис. 3. Разделенные камеры сгорания: а, б - вихревые камеры; в, г - предкамеры