Формы камер сгорания дизельных ДВС

Неразделенные камеры сгорания.

В неразделенных камерах сгорания Рис.26 улучшение процесса распыливания топлива и перемешивания его с воздухом достигают за счет впрыскивания дизельного топлива под большим давлением (до 100 МПа) через несколько отверстий небольшого диаметра (0,10 – 0,25 мм) в форсунке.

Рис. 26. Неразделенные камеры сгорания

Большое давление в сочетании с малыми распыливающими отверстиями обеспечивает достаточно мелкое распыливание и более полное его сгорание. Двигатели с неразделенными камерами сгорания обладают хорошими пусковыми качествами и экономичностью. Это объясняется меньшими, чем в других дизелях, поверхностями охлаждения камер сгорания и отсутствием дросселирования газов при перетекании их из основной камеры сгорания в дополнительную и обратно, как это происходит в дизелях с разделенными камерами сгорания.

Однако, в этих камерах сгорания турбулентность воздуха меньше, чем в других камерах сгорания, вследствие чего теплопередача от сжатого горячего воздуха к вспрыскиваемому холодному топливу невелика и период задержки воспламенения удлиняется. Это приводит к увеличению скорости нарастания и давлению газов, работа дизеля становится жесткой, что увеличивает нагрузки и износ деталей кривошипного механизма.

При применении пленочного смесеобразования (Рис. 27), при котором основная масса топлива (около 95%), поданная форсункой, направляется на стенку камеры сгорания, обычно располагаемую в поршне и имеющую температуру более высокую, чем температура стенки цилиндра и верхней части камеры сгорания.

Небольшая часть впрыснутого топлива (около 5%), образовавшаяся за счет отрыва наиболее мелких капель от струи впрыснутого топлива, остается в объеме камеры сгорания.

Рис. 27. Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования

Это запальное топливо проходит все стадии химической и физической подготовки к самовоспламенению. Однако, ввиду его незначительного количества работа дизеля не может быть жесткой.

Основная масса топлива, поданная на стенку поршня, растекается по ней и под действием завихренного (при впуске) воздуха, растекается в очень тонкую пленку, около 0,2 мм. Под действием горячих потоков воздуха она испаряется, пары ее перемешиваются с воздухом и, попадая в зону горения запального топлива, воспламеняются и сгорают. Однако быстрого повышения давления при этом быть не может, т.к. сравнительно медленный процесс испарения лимитирует скорость сгорания.

Пленочное смесеобразование обеспечивает сравнительно невысокое максимальное давление цикла (6-7 МПа), невысокую интенсивность нарастания давления (0,3-0,4 МПа на 1 0 поворота коленчатого вала) и нежесткую работу двигателя. Кроме того облегчает работу топливной аппаратуры т.к. позволяет использовать меньшие давления распыливания, не превышающие 20 МПа.

Использование пленочного смесеобразования в известной мере разрешает проблему многотопливности дизеля. При разных сортах топлива, характеризуемых разными цетановыми числами, продолжительность периода задержки воспламенения изменяется, но это незначительно отражается на процесс сгорания незначительного запального количества топлива и мало влияет на скорость нарастания давления во время периода сгорания остального топлива.

Разделенные камеры сгорания.

Разделенные камеры сгорания широко применяются в автомобильных и тракторных дизельных двигателях. Они бывают двух типов: вихрекамерные и предкамерные.

В вихрекамерных дизелях камера сгорания состоит из двух неравных по объему частей (Рис. 28).

Часть камеры сгорания, находящаяся над поршнем, имеет объем равный 30-50%, а вихревая камера, часто представляющая собой шаровую полость, занимает остальную часть объема от всего объема камеры сгорания. Эти два объема соединяют каналом диаметром в несколько миллиметров, располагаемым тангенциально к вихревой камере.

В процессе сжатия при перетекании воздуха из надпоршневого объема в вихревую камеру создается интенсивное вихревое движение воздуха, которое возрастает с увеличением скорости поршня и уменьшением размеров тангенциального канала.

Рис. 28. Вихревые камеры сгорания

Топливо через форсунку, размещенную в вихревой камере, подают так, чтобы интенсивно завихренных в ней воздух возможно равномерно насыщался топливом, После воспламенения температура и давление газов в вихревой камере повышаются и начинается обратное перетекание их из вихревой камеры в надпоршневой объем, в котором также возникает интенсивное вихревое движение.

Соединительный канал оказывает небольшое дросселирующее действие и несколько понижает давление в надпоршневом пространстве, причем нарастание давления происходит плавно и дизель работает мягко.

Вследствие хорошего перемешивания топлива с воздухом смесеобразование происходит вполне удовлетворительно при небольших давления распыливания (10-15 МПа).

По сравнению с дизелями с неразделенными камерами сгорания экономичность вихрекамерных дизелей на 5-10% хуже из-за увеличенных тепловых потерь. Кроме того, расположение вихревой камеры в охлаждаемой головке блока затрудняет пуск дизеля особенно в холодную погоду, поэтому для запуска дизеля в вихревой камере устанавливают свечу накаливания, которая дополнительно подогревает сжимаемый воздух и облегчает самовоспламенение топлива.

В дизелях с предкамерным смесеобразованием камеру сгорания также разделяют на две неравные по объему части (Рис. 29).

Часть камеры сгорания, находящаяся над порщнем, занимает примерно 70% объема, а предкамера, имеющая различные формы, около 30%.

В процессе сжатия воздух перетекает из надпоршневого объема в предкамеру, в которой вследствие дросселирования давление на 3-5%

Рис. 29. Предкамеры

меньше. В конце сжатия в предкамеру впрыскивают топливо, которое самовоспламеняется и начинает гореть. Однако в предкамере из-зи недостатка воздуха все топливо не может сгореть. При сгорании части топлива в предкамере повышаются температура и давление, и смесь состоящая из продуктов сгорания и несгоревшего топлива, кислорода и азота, с большой скоростью начинает перетекать из предкамеры в надпоршневой объем. При этом происходит энергичное перемешивание газов и сгорание переходит в надпоршневой объем.

Один или несколько (3-5) соединительных каналов небольшого диаметра понижают давление перетекающих газов на 1-1,5 МПа, причем нарастание давления получается плавным, а вследствие больших площадей охлаждения и дросселирования расход топлива повышается на 10-15%. Такое перемешивание топлива с воздухом позволяет понизить давление распыливания до 8-10 МПа. Для запуска дизеля также требуется установка в предкамеру свечи накаливания. Также следует отметить, что дизели с предкамерным смесеобразование способны работать на тяжелом топливе, состоящем из 20% дизтоплива и 80% мазута.

Классификация камер сгорания дизельного двигателя

Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.

Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

Неразделенные камеры сгорания

Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.

Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.

На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.

Разделенные камеры сгорания

Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.

Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.

Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.

Дизельный двигатель: устройство, принцип работы, преимущества

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель (дизель) представляет собой поршневой ДВС, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива при воздействии горячего сжатого воздуха.

Конструкция дизеля в целом мало чем отличается от бензинового двигателя, за исключением того, что в дизеле отсутствует как таковая система зажигания, поскольку воспламенение топлива происходит по другому принципу. Не от искры, как в бензиновом двигателе, а от высокого давления, с помощью которого сжимается воздух, из-за чего тот сильно разогревается. Высокое давление в камере сгорания накладывает особые требования к изготовлению деталей клапанов, которые предназначены для восприятия более серьезных нагрузок (от 20 до 24 единиц).

Дизельные двигатели применяются не только на грузовых, но и на многих моделях легковых автомобилей. Дизели могут работать на различных типах топлива – на рапсовом и пальмовом масле, на фракционных веществах и на чистой нефти.

Принцип действия дизельного двигателя

Принцип действия дизеля основан на компрессионном воспламенении топлива, которое попадает в камеру сгорания и смешивается с горячей воздушной массой. Рабочий процесс дизеля зависит исключительно от неоднородности ТВС (топливно-воздушной смеси). Подача ТВС в таком типе двигателя происходит раздельно.

Вначале подается воздух, который в процессе сжатия нагревается до высоких температур (около 800 градусов по Цельсию) , затем в камеру сгорания под высоким давлением (10-30 МПа) подается топливо, после чего происходит его самовоспламенение.

Сам процесс воспламенения топлива всегда сопровождается высокими уровнем вибраций и шума, поэтому двигатели дизельного типа являются более шумными в сравнении с бензиновыми собратьями.

Подобный принцип работы дизеля позволяет использовать более доступные и дешевые (до недавнего времени 🙂 ) виды топлива, снижая уровень затрат на его обслуживание и заправку.

Дизели могут иметь как 2, так и 4 рабочих такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск). Большинство автомобилей оснащено 4-х тактовыми дизельными двигателями.

Типы дизельных двигателей

По конструкционным особенностям камер сгорания дизели можно разделить на три типа:

• С разделенной камерой сгорания. В таких устройствах подача топлива осуществляется не в основную, а в дополнительную, т.н. вихревую камеру, которая располагается в головке цилиндрового блока и соединяется с цилиндром каналом. При попадании в вихревую камеру воздушная масса максимально сжимается, тем самым улучшая процесс воспламенения топлива. Процесс самовоспламенения начинается в вихревой камере, затем переходит в основную камеру сгорания.
• С неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях камера располагается в поршне, а топливо подается в пространство над поршнем. Нераздельные камеры сгорания с одной стороны позволяют экономить расход топлива, с другой стороны – повышают уровень шума при работе двигателя.
• Двигатели предкамерные. Подобные дизели оснащаются вставной форкамерой, которая соединяется с цилиндром тонкими каналами. Форма и размер каналов определяют скорость движения газов при сгорании топлива, снижая уровень шума и токсичности, увеличивая ресурс работы двигателя.

Топливная система в дизельном двигателе

Основой любого двигателя дизельного типа является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача нужного количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.

Важными элементами топливной системы в дизельном двигателе являются:

• насос высокого давления для подачи топлива (ТНВД);
• топливный фильтр;
• форсунки

Топливный насос

Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по установленным параметрам (в зависимости от числа оборотов, рабочего положения регуляторного рычага и давления турбонаддува). В современных дизельных двигателях могут применяться два типа насосов для топлива – рядные (плунжерные) и распределительные.

Топливный фильтр

Фильтр является важной составляющей частью двигателя дизельного типа. Топливный фильтр подбирается строго в соответствии с типом двигателя. Фильтр предназначен для выделения и удаления из топлива воды, и лишнего воздуха из топливной системы.

Форсунки

Форсунки не менее важные элементы топливной системы в дизеле. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяются два типа форсунок – с многодырчатым и шрифтовым распределителем. Распределитель форсунок определяет форму факела, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.

Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя

Холодный пуск отвечает за механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается за счет электрических нагревательных элементов – свечей накаливания, которыми оснащена камера сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры в 900 градусов, подогревая воздушную массу, которая попадает в камеру сгорания. Питание со свечи накаливания снимается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя обеспечивают его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.

Турбонаддув отвечает за повышение мощности и эффективности работы дизеля. Он обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличения рабочей мощности двигателя. Для обеспечения нужного давления наддува воздушной смеси во всех рабочих режимах двигателя применяется специальный турбонагнетатель.

Остается только сказать, что споры относительно того, что лучше выбрать рядовому автолюбителю в качестве силовой установки в свой автомобиль, бензин или дизель, не утихают до сих пор. Преимущества и недостатки есть у обоих типов двигателя и выбирать необходимо, исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.