Как добиться оптимального смесеобразования в дизельных двигателях? Большую роль в этом вопросе играют параметры камеры сгорания, а также способ получения топливовоздушной смеси.
Основные виды камер сгорания топлива
- Неразделенные (однополостные). Рабочий объем образуется между плоскостью ГБЦ и днищем поршня, находящегося в верхней мертвой точке. Такие КС отлично подходят для дизельных двигателей грузовиков и спецтехники: мотор работает более экономично и не создает проблем при холодном пуске.
- Разделенные. Как ясно из названия, объема здесь два; их соединяет один или несколько каналов. К бесспорным плюсам разделенных КС относится меньшая «капризность» относительно состава дизтоплива, высокое качество получаемой смеси; движок работает более мягко и менее шумно, в широком спектре частот вращения коленчатого вала. Зато топлива требуется больше, чем ДВС с неразделенными камерами, и запускать мотор сложнее. В зависимости от конфигурации (сферической или цилиндрической), выделяют вспомогательные полости:
- Вихревая (сферическая) – шарообразная полость в головке цилиндров, составляющая от 40 до 60 процентов общего объема КС. Когда поршень движется вверх, из основной камеры сгорания с большой силой вытесняется воздух и по соединительному каналу попадает в дополнительную камеру тангенциально ее стенкам; возникает вращающийся со скоростью до 200 м/с раскаленный вихрь, в который и распыляется топливо. Происходит воспламенение, сопровождающееся резким подъемом давления. Остатки смеси сбрасываются обратно в основной объем, где топливо сгорает окончательно. Вихревыми камерами оснащены дизельные двигатели Д-50, СМД-14.
- Предкамера (форкамера) – полость цилиндрической формы, куда впрыскивается топливо для предварительного воспламенения. В качестве образчика форкамерного двигателя можно привести КДМ-100.
- Полуразделенные. В этом случае основная полость находится в днище поршня; при впрыске дизтопливо работает и на его охлаждение. Топливовоздушная смесь сгорает практически так же, как в разделенных КС, но все же начало и завершение горения происходит в немного разных условиях, что и дает основания для выделения таких камер в отдельную группу.
Типы смесеобразования
Еще один фактор, важный для итогового качества топливовоздушной смеси – особенности взаимного движения воздушного потока и струй впрыскиваемого топлива. На сегодняшний день существует три типа смесеобразования:
Объемное. Принцип – впрыскивание дизтоплива прямо в нагретый воздух, заполняющий камеру сгорания. Каждый заряд при впрыске «закручивается», проходя по впускным винтообразным каналам или специальными завихрителями: это позволяет улучшить смешивание топливных частиц и воздуха. С той же целью конфигурация струй топлива из форсунок координируется с формой самой КС.
Для объемного смесеобразования характерно высокое – 100 МПа и выше – давление впрыска. ДВС функционирует довольно жестко (0,6-1,0 МПа/град), топливо расходуется экономно.
Пленочное. Принцип – распыление топлива на раскаленные стенки сферической полости. Образовавшаяся пленка испаряется, забирая часть тепла у поверхности, смешивание топлива с воздухом происходит уже в виде пара: в этом заключается базовое отличие пленочного смесеобразования от объемного варианта, при котором топливные частицы попадают в воздух напрямую.
Жесткость работы двигателя здесь вполне приемлема (0,2-0,3 МПа/град), экономичность также на высоте; но поршень постоянно должен быть нагрет до заданной температуры, чтобы осевшее на стенках топливо интенсивно испарялось. Примеры ДВС с применением пленочного образования топливовоздушной смеси можно найти в линейках Д-120 и Д-144; этот способ используется в дизельных движках MAN.
Объемно-пленочное. Принцип – впрыск топлива через два отверстия распылителя, причем одна струя подается по касательной к поверхностям, на которых образуется пленка, а вторая направляется в центральную часть КС, где частицы топлива смешиваются с воздухом. То есть, задействуется и объемный, и пленочный тип смесеобразования.
Именно этот вариант используется в большинстве современных ДВС на дизтопливе, так как позволяет добиться более мягкой работы (0,25-0,4 МПа/град), существенной экономии горючего и достаточно легкого пуска. Из примеров вспомним российские движки ЗИЛ-645; двигатели СМД, КамАЗ с торообразной камерой сгорания; Д-243 и Д-245 с дельтовидной камерой.
Но конфигурация КС и способы смешивания топлива с воздухом – еще не все факторы, влияющие на качество конечной смеси. Не следует забывать про то, каким образом осуществляется сам процесс подачи дизтоплива в камеру: на этом этапе тоже можно добиться существенного прогресса. Что и делается, к примеру, за счет установки насос-форсунок: подающаяся под более высоким давлением струя лучше распыляется. Другая перспективная технология – поэтапный впрыск, при котором топливо поступает порциями; такой подход оптимален при наличии микропроцессорного управления системой питания ДВС. И, наконец, смесеобразование улучшают грамотно подобранные распылители на форсунки, способные давать нужное число струй нужной формы и направления.
