Конструкция камеры сгорания - общие принципы
Чтобы обеспечить максимальный кпд и вместе с тем не выйти за рамки установленных пределов по токсичности выхлопных газов, необходимо создать наилучшие условия контакта воздуха с топливом в процессе сгорания. Для достижения этой цели в цилиндре необходимо обеспечить высокую скорость капель топлива относительно воздуха. Каналы подвода воздуха в цилиндр специально спрофилированы, чтобы обеспечить оптимальную скорость, расход и направление потока. Препятствий потоку быть не должно, так как снижается заполнение камеры воздухом. Давление в начале горения также используется для контроля потока и скорости воздуха. Скорость топлива задается давлением открывания форсунки, диаметром сопла форсунки, углом конуса топливной струи и расположением сопла форсунки, чтобы струя топлива полностью перекрывала весь поток воздуха. В большинстве дизелей предусмотрены масло-распылительные сопла, которые смазывают днище поршня с внутренней стороны и тем самым охлаждают поршень, поддерживая постоянную температуру в камере сгорания.
Классификация камер сгорания
По конструктивным особенностям различают камеры сгорания следующих типов.
- 1. Камеры открытого типа (прямого впрыска).
- 2. Форкамерного типа.
- 3. Вихревые.
- 4. Воздушно-камерные.
В дизелях современных грузовиков, тракторов и судовых дизелях наиболее широко применяются камеры прямого впрыска, так как они обеспечивают высокий кпд, быстрый запуск двигателя и низкую токсичность отработавших газов. Конструкция камер такого типа для двигателей различного назначения отличается лишь незначительно.
Камеры открытого типа
Типовая камера открытого типа показана на рисунке 7.1. Камера сгорания образована днищем поршня, а форсунка с несколькими соплами расположена по центру поршня. В такой конструкции факел от сопел обеспечивает равномерное распределение струи по объему камеры. Факел топлива должен совпасть с потоком воздуха, чтобы устранить застойные зоны в камере.
7.1. Дизель с камерой прямого впрыска (дизель фирмы Allis-Chalmers Corp.)
Внимание! Диаметр камеры, глубина чаши в днище поршня и высота головки форсунки в различных дизелях различаются.
Процессы, происходящие в камере прямого впрыска
По мере продвижения поршня вниз, воздух засасывается через впускной клапан, совершая движение по спирали и заполняя цилиндр (рисунок 7.2а).
7.2. Процессы в открытой камере сгорания: 1. Форсунка; 2. Впускной клапан; 3. Выпускной клапан; 4. Поток воздуха; 5. Направление хода поршня; 6. Выпуклость днища поршня; 7. Чашеобразное углубление в поршне; 8. Край чашеобразного углубления; 9. Диаметр чашеобразного углубления; 10. Выдавливание горючей смеси
При движении поршня вверх (такт сжатия) воздух ускоряется за счет уменьшения размеров области, в которой происходит закручивание воздуха (рисунок 7.2б). При достижении поршнем ВМТ воздушный вихрь загоняется в малое пространство в днище поршня (рисунок 7.2в). В центральной части этого пространства имеется выпуклый конический участок (так называемая "мексиканская шляпа"), способствующий дополнительному закручиванию воздуха. Край факела впрыскиваемого топлива сталкивается с краем чашеобразного углубления поршня, а не с периферией днища поршня или со стенками цилиндра.
Открытые камеры сгорания, используемые, например, в дизелях фирмы Maschinenlabrick Augsburg-Nurnberg A.G. и в некоторых широко распространенных дизеля^, имеют следующие одинаковые особенности конструкции: впускной канал выполнен профилированным, чтобы усилить движение воздуха в цилиндрах на протяжении такта впуска, сферическая камера сгорания выполнена в днище поршня. Во время впрыска головка форсунки находится в раструбе днища поршня, который является продолжением камеры сгорания. Струя впрыскиваемого топлива направлена на стенки сферической камеры (форсунки могут быть с одними или несколькими соплами). Топливо покрывает тонким слоем горячие стенки, вследствие чего обеспечиваются благоприятные условия для испарения. Огненный вращающийся вихрь вынуждает послойное отделение испаренного топлива от стенок камеры, обеспечивая полное его сгорание (рисунок 7.3).
7.3. Камера сгорания открытого типа (дизель фирмы Int. Harvester): 1. Струя 1; 2. Струя 2
Преимущества открытой камеры:
- 1. Высокая тепловая эффективность.
- 2. Вся энергия топлива превращается в энергию механической силы, действующей на днище поршня.
- 3. Цилиндр и поршень очень слабо подвержены воздействию сгорания топлива из-за низкой температуры сгорания.
Недостатки открытой камеры:
- 1. Трудность контроля токсичности выхлопов.
- 2. Из-за малого периода задержки наблюдается неустойчивая работа двигателя (из-за короткого периода задержки давление быстро нарастает).
- 3. Двигатель очень чувствителен к топливу и к установке момента впрыска.
- 4. Применение форсунок с несколькими соплами и высокое давление впрыска усложняют уход за системой впрыска.
Камеры сгорания специальной конструкции
Большинство камер со специальной конструкцией представляют собой отдельные детали, которые либо крепятся болтами на головке блока цилиндров, либо в нее вворачиваются. Камера соединяется с пространством над поршнем через канал. Топливо впрыскивается в камеру через форсунку с одним отверстием, штифтовую форсунку, или через форсунку с увеличением подачи топлива к концу впрыска. Объем камеры форсунки как правило составляет значительную часть всего объема камеры сгорания. Благодаря широким возможностям контроля содержания углеводородов и окислов азота в выхлопных газах, заложенным в конструкции специальных камер, некоторые фирмы до сих пор выпускают такие камеры. Содержание окиси углерода в выхлопных газах форкамерных дизелей сравнительно низкое, так как время горения (выраженное в градусах угла поворота коленвала) меньше примерно на 15° по сравнению с дизелями прямого впрыска.
Форкамеры и вихревые камеры
Форсунка в форкамфзном дизеле расположена в отдельной камере, объем которой составляет около 30% всего объема камеры сгорания. Почти все отверстия в камере обращены к центру поршня. Форкамеры устанавливаются на части двигателей раннего выпуска фирмы Caterpillar (рисунок 7.4).
7.4. Конструкция форкамеры дизеля фирмы Caterpillar: 1. Гайки штуцера топливопровода; 2. Гайка; 3. Запальная свеча; 4. Уплотнитель; 5. Сопло; 6. Корпус; 7. Штуцер; 8. Заглушка; 9. Крышка головки цилиндров; 10. Форкамера
В вихревых камерах форсунка расположена в отдельной камере, объем которой составляет около 80% всего объема камеры сгорания. Камера форсунки соединяется с камерой сгорания широким каналом, сама камера сгорания смонтирована в боковой части цилиндра (Рисунок. 7.5). Так как форсунка находится с противоположной стороны цилиндра, то исключена возможность создания препятствий воздушному потоку. Поэтому, коэффициент заполнения цилиндра и среднее эффективное давление в таких камерах выше чем в форкамерных дизелях.
7.5. Вихревая камера (дизель фирмы Int. Harvester): 1. Форсунка; 2. Вихревая камера; 3. Запальная свеча
Процессы в форкамере и вихревой камере
Во время такта сжатия воздух с высокой скоростью нагнетается в камеру через канал узкого сечения, создавая высокую турбулентность. По мере приближения поршня к ВМТ топливо впрыскивается под сравнительно низким давлением. В процессе горения давление повышается, вытесняя с большой скоростью горящие капли топлива, воздух и продукты сгорания в основное пространство камеры. Несмотря на высокую степень турбулентности в основной камере, процесс горение контролируется впрыском. Под контролируемым горением подразумевается то, что горение начинается в момент впрыска и прогрессирует по мере продолжения впрыска.