Одним из основных условий, обеспечивающих правильное осуществление процесса сгорания, является равномерное распределение топлива по всему объему камеры сгорания. Необходимо, чтобы каждая его частица была окружена достаточным для полного сгорания количеством воздуха. Наилучшим образом по камере сгорания распределяются мелкораздробленные капельки. При этом создается большая поверхность соприкосновения топлива с воздухом.
Чтобы раздробить топливо на мелкие капли и равномерно перемешать его с воздухом, оно подается насосом в каждый цилиндр под очень большим давлением. Так, например, в дизеле ЯАЗ давление, с которым топливо впрыскивается в цилиндр, достигает 1400 ат. При этом величина впрыскиваемой порции составляет всего 0,05 г при полной нагрузке, а при холостом ходе даже 0,01 г. Топливо впрыскивается в виде тонких струй через отверстия диаметром в несколько долей миллиметра. Входя в среду сжатого воздуха со скоростью 150—250 м/сек, оно вследствие трения о воздух раздробляется на очень мелкие капли, превращаясь в пыль.
Чтобы обеспечить возможно лучшее распределение топлива по камере сгорания и его перемешивание с воздухом, в цилиндре дизеля создаются интенсивные воздушные потоки, так называемые вихри. При наличии интенсивных вихрей воздух омывает каждую встречную частицу топлива, срывая с нее продукты горения и подвергая действию свежей струи кислорода.
Образование вихрей осуществляется: при впуске — специальными козырьками на впускных клапанах или соответствующим расположением продувочных окон, при сжатии — применением камер сгорания и поршней специальной формы.
Несмотря на ряд мероприятий, абсолютно равномерного распределения и перемешивания топлива с воздухом в камере сгорания достигнуть не удается. Капли рассеиваются форсункой не строго равномерно и получаются неодинаковыми по размеру. Поэтому в одних частях камеры сгорания топлива может оказаться больше, в других меньше. В тех частях камеры, где окажется избыток топлива, воздуха будет недостаточно и топливо полностью не сгорит. При неполном сгорании ухудшается экономичность дизеля, понижается мощность и происходит сильное дымление при выпуске отработавших газов. Чтобы обеспечить полное сгорание даже в тех частях камеры, где будет избыток топлива, в цилиндры дизеля вводится большее количество воздуха, чем это необходимо для полного сгорания впрысну-того количества топлива.
Состав горючей смеси в двигателях характеризуется коэффициентом избытка воздуха, т. е. отношением количества воздуха, действительно введенного в цилиндр, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо ввести для полного сгорания топлива. Если воздуха вводится ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива, то коэффициент избытка воздуха равен единице. В дизелях коэффициент избытка воздуха обычно равен 1,3—1,5, в то время как в карбюраторных двигателях он равен 0,8—1,1.
Таким образом, тонкость распиливания топлива, глубина его проникновения в среду сжатого воздуха и равномерность распределения по камере сгорания определяются формой камеры сгорания, давлением впрыска, давлением воздуха в камере сгорания и его завихрениями, величиной отверстий в форсунке и качеством применяемого топлива.
Между началом впрыска топлива и его воспламенением, как указывалось, проходит некоторый промежуток времени, который называется периодом задержки воспламенения. Величина этого периода тем меньше, чем выше температура воздуха, сжатого в цилиндре, чем интенсивнее завихрение и мельче распылено топливо. Время задержки воспламенения чрезвычайно мало (0,005 секунды), однако от его продолжительности сильно зависят мощность, развиваемая двигателем, и жесткость работы.
Если в цилиндр до начала воспламенения ввести все или большую часть впрыскиваемого за рабочий цикл топлива, то, как только будет достигнута температура воспламенения, пламя появится одновременно во многих точках и все топливо сгорит с чрезвычайно большой скоростью. При этом давление в цилиндре резко увеличится, работа дизеля будет сопровождаться стуком и большим износом деталей (жесткая работа двигателя). Чем меньше период запаздывания воспламенения, тем меньше за этот промежуток времени поступит топлива в цилиндр и тем плавнее будет нарастать давление.
Процессы смесеобразования и сгорания в большой степени зависят от конструкции камеры сгорания. Форма камеры сгорания должна соответствовать форме впрыскиваемой струи топлива. При этом капли топлива должны пронизывать весь воздух, находящийся в камере, но не ударяться о стенки камеры и днище поршня. Камера сгорания должна обеспечивать нужное направление создаваемым в ней вихрям.
В зависимости от методов распыливания топлива камеры сгорания дизелей можно разбить на две группы: неразделенные и разделенные. Неразделенные камеры состоят из одной полости, находящейся между головкой цилиндра и днищем поршня. Разделенные камеры состоят из двух полостей, соединенных между собой одним или несколькими каналами. Разделенные камеры сгорания делятся на предкамеры, вихревые камеры и воздушно-вспомогательные камеры.
Дизели с непосредственным впрыском (неразделенная камера)
В дизелях с непосредственным (струйным) впрыском топливо вводится непосредственно в камеру сгорания (рис. 44) в виде пучка струй через форсунку с одним или несколькими отверстиями.
Рис. 44. Камера сгорания дизеля ЯАЗ-204 с непосредственным впрыском
Главным преимуществом дизелей с непосредственным впрыском является высокая экономичность и сравнительно легкий запуск. Это объясняется тем, что в дизелях такого типа меньше тепловые, потери, так как поверхность камеры сгорания, через которую происходят потери тепла в систему охлаждения, меньше, чем в дизелях другого типа. Кроме того, отсутствуют потери на перетекание газов, которые имеют место в разделенных камерах.
Основные недостатки дизелей с непосредственным впрыском сводятся к следующему. Так как топливо должно быть очень тонко распылено, необходимо применять высокое давление впрыска и очень малые отверстия форсунки (0,15—0,25 мм). Вследствие этого изготовление дизеля обходится дороже и требуется Тщательная фильтрация топлива. В дизеле с непосредственным впрыском подача всей порции топлива в камеру сгорания, где находится необходимый для сгорания воздух, происходит за очень короткий промежуток времени. Это приводит к тому, что в соединение с кислородом воздуха вступает все горючее почти одновременно и работа дизеля получается жесткой. Дизели с непосредственным впрыском более чувствительны к изменению скоростного режима, чем дизели других типов.
Однако благодаря большим преимуществам по экономичности и по пусковым качествам дизели с непосредственным впрыском получают все большее распространение.
Предкамерные дизели (разделенная камера)
Камера сгорания предкамерного (рис. 45) дизеля состоит из двух частей: меньшей, составляющей 25—40% всего объема и называемой предкамерой, и большей, называемой главной камерой сгорания.
Рис. 45. Камера сгорания предкамерного дизеля КДМ-46
Предкамера помещается в головке цилиндра и соединяется с главной камерой одним или несколькими каналами. Сечение этих каналов выполняется таким, чтобы во время рабочего хода создавалась большая разность давлений в цилиндре и в камере и перетекание газов происходило с большой скоростью.
Топливо впрыскивается через форсунку в предкамеру, где и воспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. Так как в предкамере помещается только часть воздуха, сжимаемого над поршнем, то в ней сгорает не все топливо, впрыскиваемое форсункой. Давление в предкамере при сгорании сильно повышается и несгоревшая часть топлива по соединительным каналам с большой скоростью выбрасывается в главную камеру сгорания, хорошо перемешивается с воздухом и быстро воспламеняется.
Следовательно, процесс образования горючей смеси в предкамерных дизелях происходит: в предкамере — первичное распыливание топлива форсункой и его частичное воспламенение и в главной камере — вторичное распыливание за счет энергии выбрасываемых из предкамеры газовых потоков и окончательное сгорание всего топлива.
Благодаря двойному распыливанию отпадает необходимость впрыскивать топливо под очень большим давлением и применять форсунки с отверстиями весьма малого диаметра, как в двигателях с непосредственным впрыском. Это увеличивает долговечность топливной аппаратуры и облегчает экейлуатацию дизеля.
В предкамерных дизелях давление впрыска равно 300—600 кг/см2. Работают эти дизели мягче, чем дизели с непосредственным впрыском, вследствие того, что сгорание в главной камере начинается со значительным опозданием и давление над поршнем возрастает плавно. Максимальнее давление в предкамерных дизелях наступает позже, а его величина ниже, чем в дизелях с непосредственным впрыском, и часто не превышает 45—50 кг/см2. Благодаря этому работа кривошипно-шатунного механизма предкамерных дизелей протекает в более благоприятных условиях.
Основным недостатком предкамерных дизелей является больший удельный расход топлива по сравнению с дизелями с непосредственным впрыском. Это объясняется большими тепловыми потерями в охлаждающую воду и тем, что значительная часть топлива сгорает уже при движении поршня вниз.
Предкамерное распыливание применено на тракторном дизеле КДМ-46. Устанавливаемая в головке блока цилиндров предкамера изготовляется из двух сваренных между собой стальных частей и соединяется с главной камерой каналом диаметром 5 мм.
Дизели с вихревыми камерами
В дизелях с вихревой камерой, как, например, в тракторных дизелях Д-35 и Д-54, камера сгорания состоит из двух частей, соединенных узкой горловиной (рис. 46). Дополнительная вихревая камера располагается в головке блока цилиндров. Ее объем достигает 50—60% объема всей камеры сгорания.
Рис. 46. Вихревая камера сгорания дизеля Д-35
Во время сжатия поршень вытесняет воздух из цилиндра в вихревую камеру. Часть воздуха остается в зазоре между днищем поршня и головкой цилиндров.
При повышении давления во время сгорания газы из вихревой камеры с большой скоростью устремляются через горловину в пространство над поршнем. В камере сгорания образуются сильные завихрения, благодаря чему происходит интенсивное перемешивание еще не воспламенившегося топлива с воздухом.
Такие условия обеспечивают большую скорость сгорания и плавное нарастание давления над поршнем. Поэтому дизели с вихревыми камерами быстроходны, работают мягко и имеют сравнительно хорошие экономические и пусковые качества (хотя и несколько худшие, чем в дизелях с непосредственным впрыском).
Дизели с воздушно-вспомогательными камерами
Воздушно-вспомогательная камера располагается обычно в головке блока и соединяется с цилиндром узкой горловиной (рис. 47).
Рис. 47. Схема воздушно-вспомогательной камеры сгорания
Поршень вытесняет в камеру весь воздух из цилиндра, за исключением небольшого количества, остающегося в» зазоре между днищем поршня и головкой цилиндра. В струю воздуха, проходящего через горловину, впрыскивается топливо. Частицы его увлекаются во вспомогательную камеру сгорания, где благодаря чрезвычайно сильным завихрениям хорошо перемешиваются с воздухом и воспламеняются. Вследствие повышения давления при сгорании газы из вспомогательной камеры перетекают в основную камеру. Узкий соединительный канал способствует интенсивному перемешиванию и эффективному сгоранию остальной порции топлива, подаваемой форсункой.
Воздушно-вспомогательные камеры обеспечивают плавное повышение давления над поршнем и мягкую работу дизеля. Основными недостатками камер этого типа является сравнительно большой расход топлива и длительный период запаздывания воспламенения.
В дизелях встречаются и другие разнообразные камеры сгорания, однако большого распространения они не получили.