Система смесеобразования

В камерах сгорания неразделенного типа, все пространство сжатия представляет собой единый объем, ограниченный днищем поршня, крышки и стенками цилиндра. Необходимое качество смесеобразования достигается за счет согласования конфигурации камеры сгорания с формой и распределением факелов топлива, выходящих из отверстий распылителя форсунки. Вихревое движение воздуха, создаваемое в период газообмена, к концу сжатия невелико и в камерах этого типа играет второстепенное значение. Камеры неразделенного типа характеризуются простотой конструктивного исполнения и высокой экономичностью. Простота конфигурации камеры позволяет обеспечивать относительно низкие тепловые напряжения в ее стенках.

Объемное смесеобразование обеспечивает равномерное распределение всей цикловой подачи топлива в массе заряда воздуха, находящегося в камере сгорания, что достигается соответствующей формой топливного факела. Качество смесеобразования при этом в значительной мере зависит от наличия организованного вихреобразования потоков воздуха. В двухтактном двигателе вихреобразование обеспечивается наклонным или тангенциальным расположением продувочных окон.

Преимущества объемного смесеобразования: простота камеры сгорания при высоком качестве ее очистки; небольшая потеря теплоты через стенки камеры сгорания благодаря сравнительно небольшой поверхности; хорошие пусковые качества дизеля, не требующие дополнительных запальных устройств; высокая экономичность дизеля при расходе топлива 155 - 210 г/ (кВт ч). Недостатки: высокий коэффициент избытка воздуха (б = 1,6 ч2,2); высокое давление распыла (до 100 - 130 МПа); повышенные требования к топливной аппаратуре; невозможность качественного смесеобразования при небольших диаметрах цилиндров и малых значениях цикловой подачи топлива.

Объемное смесеобразование применяется практически у всех дизелей с диаметром цилиндра более 150 мм.

Система газораспределения

Поперечно-щелевая продувка. Особенность этого способа заключается в том, что выпускные и продувочные окна расположены с разных сторон втулки цилиндра. Они соединены соответственно с выпускным коллектором и с ресивером продувочного воздуха. Продувочным окнам придан наклон вверх, в связи с чем воздух движется сначала к крышке цилиндра, затем вытесняя отработавшие газы, меняет направление на обратное.

Чтобы к моменту открытия продувочных окон давление в цилиндре успело снизиться и стать ниже давления продувочного воздуха, выпускные окна предусмотрены выше продувочных. Однако в этом случае поршень, двигаясь вверх, закроет сначала продувочные окна, выпускные будут еще частично открыты. Процесс продувки после закрытия продувочных окон заканчивается, следовательно, через не полностью закрытые выпускные окна будет выходить (частичная утечка) свежий заряд воздуха. Чтобы избежать это явление, у крупных двигателей выпускные и продувочные окна выполняют одинаковой высоты, но в ресивере продувочного воздуха ставят невозвратные клапаны, которые предотвращают заброс отработавших газов из цилиндра в ресивер при открытии окон; продувка начинается лишь при падении давления в цилиндре после открытия выпускных окон. При движении же поршня вверх продувочный воздух будет поступать до момента закрытия и тех и других окон. С той же целью в некоторых крупных двигателях на выпускном патрубке ставят приводной золотник, привод которого регулируют так, чтобы в момент перекрытия поршнем продувочных окон золотник перекрыл выпускные.

Способ поперечно - щелевой продувки широко распространен вследствие его простоты.

Распределительный вал стальной. На нем имеются для каждого цилиндра по две пары кулачковых шайб симметричного профиля (переднего и заднего хода) для привода топливных насосов и воздухораспределителей. Кулачковые шайбы топливных насосов, а также их ролики - толкатели имеют на торцах скосы, и при реверсировании достаточно передвинуть распределительный вал в осевом направлении, чтобы соответствующие кулачковые шайбы стали под приводные ролики. На кормовом торце двигателя у распределительного вала размещены реверсивные баллоны. Распределительный вал состоит из ряда секций. Каждая отдельная секция состоит из участка вала с кулачными шайбами выхлопных клапанов и топливных насосов и соединительных частей.

Привод распределительного вала цепной; он расположен у первого цилиндра. Цепное колесо, закрепленное на коленчатом валу, через одинарную роликовую цепь приводит в движение цепное колесо, которое сидит на муфте распределительного вала. Цепь проходит через две направляющие и две натяжные звездочки, закрепленные в поворотном кронштейне. Натяжение цепи осуществляется разворотом кронштейна с помощью регулировочного болта с шаровой гайкой.

Смесеобразование в дизелях происходит внутри цилиндра и по времени совпадает с вводом топлива в цилиндр и частично с процессом сгорания.

Время, отводимое на процессы смесеобразования и сгорания топлива весьма ограниченно и составляет 0,05-0,005 сек. В связи с этим требования к процессу смесеобразования прежде всего сводятся к обеспечению полного сгорания топлива (бездымного).

Процесс смесеобразования в судовых дизелях особенно затруднен, так как режим работы дизеля на гребной винт с наибольшим числом оборо­тов, т. е. режим с наименьшим интервалом времени на процессе смесеобра­зования, соответствует наименьшему коэффициенту избытка воздуха в ра­бочей смеси (полной нагрузке двигателя).

Качество процесса смесеобразования в дизеле определяется тонкостью распыла топлива, подаваемого в цилиндр, и распределением там капель топлива по пространству сгорания.

Поэтому рассмотрим вначале процесс распыливания топлива. Струя топлива, вытекающая из сопла форсунки в пространство сжатия в цилиндре, находится под воздействием: внешних сил аэродинамического сопротивле­ния сжатого воздуха, сил поверхностного натяжения и сил сцепления топ­лива, а также возмущений, возникающих при истечении топлива.

Силы аэродинамического сопротивления препятствуют движению струи, и под воздействием их струя разбивается на отдельные капли. При увели­чении скорости истечения и плотности среды, куда происходит истечение, аэродинамические силы возрастают. Чем больше эти силы, тем раньше струя теряет свою форму, распадаясь на отдельные капли. Силы поверхностного натяжения и силы сцепления топлива, наоборот, своим действием стремятся сохранить форму струи, т. е. удлинить сплошную часть струи.

Начальные возмущения струи возникают вследствие: турбулентного движения топлива внутри сопла форсунки, влияния кромок соплового отверстия, шероховатости стенок его, сжимаемости топлива и пр. Начальные возмущения ускоряют распад струи.

Опыты показывают, что струя на некотором расстоянии от сопла рас­падается на отдельные капли, причем длина сплошной части струи (рис. 32) может быть различной. При этом наб­людаются следующие формы распада струи: распад струи без воздействия сил аэродинамического сопротивления воз­духа (рис. 32, а) происходит при малых скоростях истечения под действием сил поверхностного натяжения и начальных возмущений; распад струи при наличии некоторого воздействия сил аэроди­намического сопротивления воздуха (рис. 32, б); распад струи, который воз­никает при дальнейшем увеличении скорости истечения и возникновения начальных поперечных возмущений (рис. 32, в)] распад струи на отдельные капли сразу по выходе струи из соплового отверстия форсунки.

Последняя форма распада струи и должна быть для получения качест­венного процесса смесеобразования. На распад струи главным образом влия­ет скорость истечения топлива и плотность среды, куда происходит истече­ние; в меньшей степени влияет турбулентность струи топлива.

Схема распада струи показана на рис. 33. Струя по выходе из сопла рас­падается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на от­дельные капли. Сечение струи условно разбито на четыре кольцевых сече­ния; скорости истечения в этих кольцевых сечениях выражены ординатами 1;2;3 и 4. Наружное кольцевое сечение, вследствие наибольшего сопротивле­ния воздуха, будет иметь наименьшую скорость, а внутреннее (ядро) имеет наибольшую скорость истечения.

Вследствие различия скоростей в сечении струи возникает движение от ядра к наружной поверхности струи. В результате распада топливной струи образуются капли различного диаметра, величина которого колеблется от нескольких микрон до 60-65 мк. По опытным данным, средний диаметр капли у тихоходных дизелей составляет 20-25 мк, а у быстроходных около 6 мк. На тонкость распыла в основном влияет скорость истечения топлива из сопла форсунки, которая приближенно определяется так:

Для получения распыла топлива, удовлетворяющего требованиям сме­сеобразования, скорость истечения должна быть в пределах 250-400 м/сек. Коэффициент истечения ф зависит от состояния поверхности сопла; для ци­линдрических гладких сопловых отверстий с закругленными входными кромками (r?0,1.-0,2 мм) равен 0,7-0,8.

Для оценки совершенства распыливания топлива применяют характеристики распыливания, которые учитывают тон­кость и однородность распыливания.

На рис. 34 приведены характеристики распыливания. По оси ординат отложено процентное количество капель данного диа­метра от всего количества капель, распо­ложенного на определенной площади, а по оси абсцисс отложены диаметры капель в мк. Чем ближе вершина кривой характе­ристики к оси ординат, тем больше тон­кость распыливания, а однородность распыливания будет тем больше, чем круче подъем и падение кривой. На рис. 34 характеристика а имеет наибо­лее тонкое и однородное распыливание, а характеристика в - наиболее грубое, но однородное и характеристика 6 - средней тонкости, но неодно­родное распыливание.

Размеры капель определяют опытным путем, как наиболее достоверным, так как теоретический путь представляет значительные трудности. Мето­дика определения числа и размера капель может быть различна. Наиболь­шее применение получила методика, основанная на улавливании на пластин­ку, покрытую какой-либо жидкостью (глицерином, жидким стеклом, сме­сью воды с дубильным экстрактом), капель распыленной струи топлива. Изготовленная микрофотография с пластины позволяет измерить диаметр капель и подсчитать их число.

Необходимая величина давления впрыскивания, с увеличением кото­рого увеличивается скорость истечения топлива, окончательно устанавли­вается в период регулировочных испытаний двигателя. Обычно у тихоход­ных дизелей она составляет около 500 кГ/см 2 , у быстроходных 600- 1000 кГ/см 2 . При применении насоса-форсунки давление впрыска достигает 2000 кГ/см 2 .

Из конструктивных элементов топливоподающей системы наибольшее влияние на тонкость распыла оказывает размер диаметра соплового от­верстия форсунки.

При уменьшении диаметра соплового отверстия тонкость и равномер­ность распыливания возрастают. В быстроходных двигателях с однокамер­ным смесеобразованием диаметр сопловых отверстий обычно 0,15-0,3 мм,2 в тихоходных доходит до 0,8 мм, находясь в зависимости от цилиндровой мощности двигателя.

Отношение длины соплового отверстия к диаметру, в пределах, при­меняемых в двигателях, почти не влияет на качество распыливания топлива. Гладкое цилиндрическое сопловое отверстие форсунки оказывает наимень­шее сопротивление истечению топлива, а потому истечение из такого сопла происходит с большей скоростью, чем из сопел другой формы. А поэтому гладкое цилиндрическое сопло обеспечивает более тонкое распыливание. Так, например, сопло с винтовыми канавками имеет коэффициент истечения порядка 0,37, тогда как гладкое цилиндри­ческое сопло имеет коэффициент истечения 0,7-0,8.

Увеличения числа оборотов вала дви­гателя, а соответственно и числа оборотов вала топливного насоса, повышает скорость плунжера топливного насоса и, следова­тельно, повышает давление нагнетания и скорость истечения топлива.

Рассмотрение процесса распада выте­кающей струи топлива позволяет сделать заключение, что вязкость топлива также влияет на тонкость распыла. Чем больше вязкость топлива, тем менее совершенным будет процесс распыливания. Опытные дан­ные показывают, что чем больше вязкость топлива, тем больше размеры капель рас­пыленного топлива.

Струя топлива по выходе из сопла форсунки, как это было изложено ранее, разбивается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на отдельные капли. Вся масса капель образует так называемый факел топ­лива. Факел топлива по мере удаления от сопла расширяется, а следова­тельно, плотность его уменьшается. Плотность факела в пределах одного сечения также неодинакова.

Форма факела топлива показана на рис. 35, где изображено ядро факе­ла 1 (более плотное) и оболочка 2 (менее плотная). Кривая 3 показывает количественное распределение капель, а кривая 4 - распределение их скоростей. Ядро факела имеет наибольшую плотность и скорость. Такое рас­пределение капель можно объяснить следующим. Первые капли, поступив­шие в пространство сжатого воздуха, быстро теряют свою кинетическую энергию, но создают более благоприятные условия для движения последую­щих капель. Вследствие этого задние капли нагоняют передние и оттесняют их в стороны, сами продолжая двигаться вперед, пока не будут отстранены сзади двигающимися каплями, и. т. д. Такой процесс оттеснения одних ка­пель другими идет непрерывно до тех пор, пока не наступит равновесие меж­ду энергией струи в выходном сечении сопла и энергией, затрачиваемой на преодоление трения между частицами топлива, на проталкивание впереди идущих капель струи топлива, на преодоление трения струи о воздух, на увлечение воздуха и на создание вихревых движений воздуха в цилиндре.

Глубина проникновения факела топлива, или его дальнобойность, игра­ет весьма существенную роль в процессе смесеобразования. Под глубиной проникновения топливного факела понимают глубину проникновения вер­шины факела за определенный промежуток времени. Глубина проникнове­ния факела должна соответствовать форме и размерам пространства сгора­ния в цилиндре двигателя. При малой дальнобойности факела воздух, на­ходящийся около стенок цилиндра, не будет вовлечен в процесс сгорания, и тем самым ухудшатся условия для сгорания топлива. При большой дально­бойности частицы топлива, попадая на стенки цилиндра или поршня, обра­зуют нагар вследствие неполного сгорания. Таким образом, правильное определение дальнобойности факела имеет решающее значение в формиро­вании процесса смесеобразования.

К сожалению, решение этого вопроса теоретическим путем встречает огромные трудности, заключающиеся в учете влияния на дальнобойность эффекта облегчения движений одних капель другими и движения воздуха в направлении струи.

Все полученные формулы для определения дальнобойности факела L ф не учитывают указанных факторов и по существу справедливы для отдельных капель. Ниже приводим формулу для определения Ьф, которая получе­на из эмпирической закономерности:

Здесь? - скорость движения струи топлива;

0 - скорость движения в канале сопла форсунки;

k - коэффициент, который зависит от давления впрыскивания, от противодавления, от диаметра сопла, от рода топлива и др.;

T - время дальнобойности.

При выводе формулы (26) было принято, что k = const, и потому она не отражает действительности и, кроме того, не учитывает влияния ранее указанных факторов. Эта формула скорее справедлива для определения полета отдельной капли, а не для струи в целом.

Более достоверными являются результаты опытов по определению дальнобойности. На рис. 36 приведены результаты опытов по определению дальнобойности L ф, наибольшей ширины факела В ф и скорости перемеще­ния вершины факела? в зависимости от угла поворота валика топливного насоса? при различных противодавлениях в бомбе р б.

Диаметр сопла форсунки 0,6 мм. Давление впрыскивания р ф = 150 кГ/см 2 ; количество впрыскиваемого топлива?V = 75 мм 3 за ход. Скорость вращения вала насоса 1000 об/мин. Дальнобойность факела при р б = 26 кГ/см 2 достигает L ф = 120 см, а скорость порядка 125 м/сек и быстро падает до 25 м/сек.

Кривые? = f(?) и L ф = f(?) показывают, что с увеличением противо­давления дальнобойность и скорость истечения факела падают. Ширина факела В ф изменяется от 12 см при 5° до 25 см при 25° поворота вала насоса.

Сокращение периода подачи топлива, увеличение скорости истечения способствуют увеличению начальной скорости фронта факела и глубине его проникновения. Однако, вследствие более мелкого распыла, скорость факе­ла при этом быстрее падает. При увеличении диаметра сопла, с сохранением неизменной скорости истечения, дальнобойность факела возрастает. Проис­ходит это вследствие возрастания плотности ядра факела.

При уменьшении диаметра сопла, при неизменной суммарной площади сопел, угол конуса факела возрастает, а потому возрастает и лобовое сопро­тивление, дальнобойность же факела уменьшается. С увеличением суммар­ной площади сопловых отверстий форсунки давление распыливания умень­шается, уменьшается скорость исте­чения и уменьшается дальнобойность топливного факела.

Опыты В. Ф. Ермакова показы­вают, что предварительный подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр существенно влияет на размеры факе­ла и тонкость распыла.

На рис. 37 представлена зависи­мость длины факела L ф от темпера­туры впрыскиваемого топлива.

Зависимость длины факела от тем­пературы топлива через 0,008 сек от начала впрыска приведена на рис. 38. При этом было установлено, что с по­вышением температуры ширина факе­ла возрастает, а длина уменьшается.

Указанное изменение формы факела с повышением температуры топлива сви­детельствует о более тонком и однородном распыле топлива. С повышением температуры топлива от 50 до 200° С длина факела уменьшилась на 22%. Средний диаметр капли уменьшился от 44,5 мк при температуре топлива 35° С до 22,6 мк при температуре топлива 200° С. Указанные результаты опытов позволяют сделать вывод, что подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр значительно улучшает процесс смесеобразования в дизеле.

Многочисленные исследования показывают, что процессу самовоспла­менения топлива предшествует испарение его. При этом количество испа­ряющегося топлива до момента самовоспламенения зависит от размера ка­пель, от давления и температуры воздуха в цилиндре и от физико-химиче­ских свойств самого топлива. Увеличение испаряемости топлива способст­вует повышению качества процесса смесеобразования. Метод расчета про­цесса испаряемости факела топлива, разработанный проф. Д. Н. Выру­бовым, позволяет оценить влияние различных факторов на течение этого процесса, а особенно важным является количественная оценка полей кон­центрации паров топлива в смеси с воздухом.

Допуская, что среда, окружающая каплю на достаточном удалении от нее, имеет повсюду одинаковую температуру и давление, с концентрацией.

При выводе формулы (27) было принято, что капля имеет шарообраз­ную форму и неподвижна по отношению к окружающей среде. паров равной нулю (в то же время среда непосредственно у поверхности капли насыщена парами, парциальное давление которых соответствует тем­пературе капли) может быть получена формула, определяющая время пол­ного испарения капли:

Наибольшее влияние на скорость испарения топлива оказывает тем­пература воздуха в цилиндре. С повышением степени сжатия скорость испарения капли возрастает вследствие увеличения температуры воздуха. Повышение давления при этом несколько замедляет скорость испарения.

Равномерное распределение частиц топлива по пространству сгорания в основном определяется формой камеры сгорания. В судовых дизелях получили применение неразделенные камеры (смесеобразование в этом слу­чае называется однокамерным) и разделенные камеры (с предкамерным, вихрекамерным и воздушно-камерным смесеобразованием). Наибольшее применение имеет однокамерное смесеобразование.

Однокамерное смесеобразование характеризуется тем, что объем про­странства сжатия ограничен днищем крышки цилиндра, стенками цилиндра и днищем поршня. Топливо впрыскивается непосредственно в это простран­ство, и потому факел распыла по возможности должен обеспечить равно­мерность распределения частиц топлива по пространству сгорания. Дости­гается это согласованием форм камеры сгорания и факела распыла топлива, соблюдая при этом требования о дальнобойности и тонкости распыла топлив­ного факела.

На рис. 39 представлены схемы различных неразделенных камер сгора­ния. Все эти камеры сгорания имеют простую конфигурацию, не требуют усложнения конструкции цилиндровой крышки и имеют малую величину относительной поверхности охлаждения F охл / V c . Однако они обладают серь­езными недостатками, к числу которых следует отнести: неравномерное рас­пределение топлива по пространству камеры сгорания, вследствие чего для осуществления полного сгорания топлива необходимо иметь значительный коэффициент избытка воздуха (? = 1,8?2,1); требуемая тонкость распыла достигается высоким давлением нагнетания топлива, в связи с чем возрас­тают требования к топливной аппаратуре и процесс смесеобразования будет чувствителен к сорту топлива и к изменению режима работы двигателя.

Камеры сгорания могут быть разбиты на следующие группы: камеры в поршне (схемы 1-5); камеры в крышке цилиндра (схемы 6-8); между поршнем и крышкой (схемы 11-15); между двумя поршнями в двигателях с ПДП (схемы 9-10).

Из камер в поршне в среднеоборотных и многооборотных дизелях наи­большее применение имеет камера формы 2, в которой углубления в поршне воспроизводят форму факелов распыла и тем самым достигается повышение равномерности распределения частиц топлива. В целях улучшения смесеоб­разования в неразделенных камерах воздушному заряду цилиндра придают вихревое движение.

В четырехтактных дизелях вихревое движение достигается простановкой экранов на впускных клапанах или соответствующим направлением впускных каналов в крышке цилиндра (рис. 40). Наличие экранов на впуск­ном клапане уменьшает проходное сечение клапана, вследствие чего воз­растают гидравлические сопротивления, а потому целесообразнее применять для образования вихревого движения воздуха искривление впускных кана­лов. В двухтактных дизелях завихрение воздуха достигается тангенциаль­ным расположением продувочных окон. Весьма равномерное смесеобразова­ние достигается в камерах, большая часть которых расположена в поршне (см. рис. 39, схемы 4 и 5). В них при перетекании воздуха из подпоршневого пространства (в период такта сжатия) в камеру в поршне создаются радиаль­но направленные вихри, способствующие лучшему смесеобразованию. Камеры данного типа также называют «полуразделенными».

Камеры, расположенные в крышке цилиндра (см. рис. 39, схема 6-8), применяют в двухтактных двигателях. Камеры между поршнем и крышкой цилиндра (рис. 39, схемы 11-15) получаются наивыгоднейшей формы без больших углублений в поршне или в крышке цилиндра. Применяются та­кие камеры главным образом в двухтактных дизелях.

В камерах сгорания между двумя поршнями (см. рис. 39, схемы 9 и 10) ось форсунок направлена перпендикулярно оси цилиндра, с расположением сопловых отверстий в одной плоскости. При этом форсунки имеют диамет­рально противоположное расположение, чем достигается равномерное рас­пределение частиц топлива по пространству камеры сгорания.

Смесеобразованием называется приготовление горючей смеси для подготовки топлива к сжиганию в цилиндре ДВС. Процесс горения длится очень короткое время, например, в МОД оно составляет 0,05-0,1 секунды, в ВОД - 0,003-0,015 секунды. Для того, чтобы обеспечить полное сгорание топлива за этот короткий промежуток времени необходимо приготовить рабочую смесь, состоящую из мелко распыленного жидкого топлива (дизельные ДВС) или паров топлива (карбюраторные ДВС) перемешанных с воздухом. Для обеспечения высокого качества смеси, которое оценивается коэффициентом иэбытка воздуха (α), топливо должно быть мелко распылено и равномерно распределено по всему объёму камеры сгорания. Камера должна иметь конфигурацию, соответствующую форме и дальнобойности факела от форсунки.

Образование топливного факела характеризуется дальнобойностью, углом конуса распыливания и размером капель топлива. Для лучшего использования факел образует капельный туман в виде расходящегося конуса. Этот туман должен проникать во все части камеры сгорания, но не касаться поверхностей деталей ЦПГ. Капли топлива, попадающие на стенки цилиндровой втулки, растворяют масляную плёнку, плохо перемешиваются с воздухом и сгорают не полностью, образуя сажу и нагар. По способу смесеобразования двигатели различают на:

1). Однокамерные - струйное смесеобразование с непосредственным впрыском топлива, применяется в ДВС большой и средней мощности, имеющих различные формы головок поршней. У них маленькая поверхность теплопередачи и поэтому небольшие тепловые потери. Это даёт большую экономичность и хорошие пусковые качества.

Недостатки: высокое давление впрыска топлива (до 1200 кг/см 2), усложняющее топливную аппаратуру, жёсткость работы и повышенная шумность двигателя.

2). Предкамерное – такое смесеобразование применяется на ВОД с диаметром цилиндра D=180-200 мм. В крышке цилиндров размещена предкамера, объём которой составляет 20-40% общего объёма камеры сгорания. Предкамера соединена с основной камерой каналами, число которых может быть от 1 до 12. Часть топлива сгорает в предкамере, поэтому отпадает необходимость подачи его с большим давлением. Такие ДВС менее чувствительны к качеству топлива.

Недостатки: повышенный удельный расход топлива, трудность запуска в холодное время года, значительные тепловые потери из-за большой поверхности охлаждения, малая экономичность двигателя.

3). Вихрекамерное - применяется также на ВОД в виде сферической или цилиндрической камеры сгорания, расположенной в крышке цилиндров. Её объём составляет 50-80%. Она сообщается с основной камерой сгорания каналом большого сечения. Воздух, поступая в вихревую камеру во время такта сжатия, получает вращательное движение. Благодаря этому, впрыскивющееся под давлением 100-140кг/см 2 топливо, хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Вместе с горячими продуктами сгорания часть его перетекает в основную камеру, создавая вихревые потоки, где сгорает полностью.

Преимущества: снижение α, бездымный выхлоп, низкое давление впрыска, применение однодырчатых распылителей форсунок, что удешевляет изготовление топливной аппаратуры.

Недостатки: сложность конструкции цилиндровой крышки, трудность запуска холодного двигателя и необходимость применения спирали накаливания для подогрева воздуха в камере.

4). Плёночное - камера сгорания расположена в головке поршня и непосредственно соединена с надпоршневым пространством. Диаметр камеры составляет ≈ 0,3-0,5D цилиндровой втулки. Головка поршня охлаждается маслом, поэтому температура её наружной поверхности не более 200-400°C. Топливо впрыскивается под давлением ≈ 150 кг/см 2 через многодырчатую форсунку. Примерно 95% топлива попадает на внутреннюю поверхность камеры поршня в виде тончайшего слоя, остальное распыливается в объёме камеры сгорания. Вначале происходит самовоспламенение распыленного топлива, затем от горящего факела воспламеняются его пары. Интенсивное перемешивание паров топлива с воздухом происходит за счёт вихреобразования. ДВС с таким смесеобразованием являются многотопливными т.е. могут использовать легкие и тяжелые сорта топлива.

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по различным признакам.

1.По назначению:

а)стационарные, которые применяются на электростанции малой и средней мощности, для привода насосных установок, в сельском хозяйстве и т. п.

б)транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, самолетах, судах, локомотивах и других транспортных машинах.

2.По роду применяемого топлива различают двигатели, работающие на:

а) легком жидком топливе (бензине, бензоле, керосине, лигроине и спирте);

Предлагаемая классификация распространяется на двигатели внутреннего сгорания, широко применяемые в народном хозяйстве. Специальные двигатели (реактивные, ракетные и др.) в данном случае не рассматриваются.

б)тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле);

в)газовом топливе (генераторном, природном и других газах);

г)смешанном топливе; основным топливом является газ, а для пуска двигателя используется жидкое топливо;

д)различных топливах (бензине, керосине, дизельном топливе и др.) - многотопливные двигатели.

3.По способу преобразования тепловой энергии в механическую различают двигатели:

а)поршневые, в которых процесс сгорания и превращения тепловой энергии в механическую совершается в цилиндре;

б)газотурбинные, в которых процесс сгорания топлива совершается в специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в механическую происходит на лопатках колеса газовой турбины;

в)комбинированные, в которых процесс сгорания топлива происходит в поршневом двигателе, являющемся генератором газа, а превращение тепловой энергии в механическую совершается частично в цилиндре поршневого двигателя, а частично на лопатках колеса газовой турбины (свободнопоршневые генераторы газов, турбопоршневые двигатели и т. п.).

4.По способу смесеобразования различают поршневые двигатели:

а) с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра; по такому способу работают все карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу;

б) с внутренним смесеобразованием, когда в процессе впуска в цилиндр поступает только воздух, а рабочая смесь образуется внутри цилиндра; по такому способу работают дизели, двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива в цилиндр и газовые двигатели с подачей газа в цилиндр в начале процесса сжатия.

5.По способу воспламенения рабочей смеси различают:

а)двигатели с воспламенением рабочей смеси от электрической искры(с искровым зажиганием);

б)двигатели с воспламенением от сжатия (дизели);

в)двигатели с форкамерно-факельным зажиганием, в которых воспламенение смеси искрой осуществляется в специальной камере сгорания небольшого объема, а дальнейшее развитие процесса горения происходит в основной камере.

г)двигатели с воспламенением газового топлива от небольшой порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия, -

газожидкостный процесс.

6.По способу осуществления рабочего цикла поршневые

Двигатели делятся на:

а) четырехтактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением);

б) двухтактные - без наддува и с наддувом. Различают наддув с приводом компрессора от газовой турбины, работающей на отработавших газах (газотурбинный наддув); наддув от компрессора, механически связанного с двигателем, и наддув от компрессоров, один из которых приводится в действие газовой турбиной, а другой - двигателем.

7.По способу регулирования при изменении нагрузки различают:

а)двигатели с качественным регулированием, когда в связи с изменением нагрузки меняется состав смеси путем увеличения или уменьшения количества вводимого в двигатель топлива;

б)двигатели с количественным регулированием, когда при изменении нагрузки состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество;

в)двигатели со смешанным регулированием, когда в зависимости от нагрузки изменяются количество и состав смеси.

8.Поконструкцииразличают:

а)поршневые двигатели, которые, в свою очередь, делятся:

по расположению цилиндров на вертикальные рядные, горизонтальные рядные, V-образные, звездообразные и с противолеащими цилиндрами;

по расположению поршней на однопоршневые (в каждом цилиндре имеется один поршень и одна рабочая полость), с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре в противоположные стороны), двойного действия (по обе стороны поршня имеются рабочие полости);

б)роторно-поршневые двигатели, которые могут быть трех типов:

ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе; при движении ротора между ним и стенками корпуса образуются камеры переменного объема, в которых совершается цикл; эта схема получила преимущественное применение;

корпус совершает планетарное движение, а поршень неподвижен;

ротор и корпус совершают вращательное движение - биро-торный двигатель.

9. По способу охлаждения различают двигатели:

а)с жидкостным охлаждением;

б)с воздушным охлаждением.

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от сжатия (дизели). На некоторых опытных автомобилях применяют газотурбинные, а также роторно-поршневые двигатели.

Лекция 2: топлива и продукты сгорания.

1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.

2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.

3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах

Контрольные вопросы.

Лекция 3: рабочий процесс поршневой энергетической установки транспортной техники

1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых двс. Индикаторные диаграммы.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.

4. Процесс сжатия

Значения параметров процесса сжатия

Лекция 4: процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием.

1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

2. Воспламенение и сгорание топлива.

3. Нарушения сгорания.

4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.

1. Впрыскивание и распыливание топлива.

2. Смесеобразование в дизеле.

3. Процессы сгорания и тепловыделения.

4. Процесс расширения

Значения параметров процесса расширения

Контрольные вопросы.

Лекция 6: индикаторные и эффективные показатели

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дви­гателя с искровым зажиганием.

Pис. 6.1. Зависимости индикаторного кпд от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дизеля.

2. Механические потери в двигателе

3. Эффективные показатели двигателя

Значения индикаторных и эффективных показателей

4. Тепловой баланс двигателя

Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

Контрольные вопросы.

Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок.

1. Характеристики энергетических установок.

2. Виды характеристик поршневых двс.

3. Способы повышения мощности двигателя

Контрольные вопросы

1. Кинематические характеристики движения.

2. Динамика кривошипно-шатунного механизма

3. Влияние конструктивных соотношений кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя

Контрольные вопросы.

Лекция 9: испытание энергетических установок.

1. Цели и виды испытаний.

2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.

3. Техника безопасности при испытаниях.

Контрольные вопросы.

Лекция 10: кривошипно-шатунный механизм.

1. Классификация и назначение, компоновочные и кинематические схемы, конструкция элементов корпусной и цилиндровой группы.

2. Конструкция элементов поршневой группы.

3. Конструкция элементов шатунной группы.

4. Конструкция коленчатого вала

Контрольные вопросы.

Лекция 11: механизм газораспределения

1. Назначение, основные конструкционные решения и схемы грм.

2. Конструкция элементы механизма газораспределения

Контрольные вопросы.

Лекция №12. Смазочная система и система охлаждения

1. Основные функции и работа смазочной системы.

2. Основные агрегаты смазочной системы

3. Назначение и основные требования системе охлаждения

4. Агрегаты системы охлаждения и регулирование температу­ры охлаждающей жидкости

12.2. Схема системы охлаждения

Контрольные вопросы.

Лекция 13. Система питания топливом и воздухом. Система питания двигателя

1. Назначение, основные требования и конструктивные особенности системы питания двигателей с искровым зажиганием

2. Назначение, основные требования и конструктивные особенности приборов системы питания дизелей

3. Требования, предъявляемые к системам очистки воздуха, конструктивные особенности приборов подачи воздуха.

Контрольные вопросы

Лекция №14. Системы пуска энергетических установок.

1. Способы пуска двигателя

2. Средства, облегчающие пуск двигателя

Контрольные вопросы

Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации

1. Работа энергетических установок в эксплуатации на неустановившихся режимах.

2. Технико-экономические показатели работы энергетических установок в эксплуатации.

Литература

1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

Комплекс взаимосвязанных процессов дози­рования топлива и воздуха, распыливания и испарения топлива, а также перемешивания топлива с воздухом называется смесеоб­разованием. От состава и качества топливовоздушной смеси, полу­ченной при смесеобразовании, зависит эффективность процесса сгорания.

В четырехтактных двигателях обычно организуют внешнее сме­сеобразование , которое начинается дозированием топлива и воз­духа в форсунке, карбюраторе или в смесителе (газовый двига­тель), продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре двигателя.

Различают два типа впрыскивания топлива : центральное - впрыс­кивание топлива во впускной трубопровод и распределенное - впрыскивание во впускные каналы головки цилиндров.

Распыливание топлива при центральном впрыскивании и в кар­бюраторах начинается в период, когда струя топлива после ее выхода из отверстия форсунки или распылителя под воздействи­ем сил аэродинамического сопротивления и за счет высокой ки­нетической энергии воздуха распадается на пленки и капли раз­личных диаметров. По мере движения капли дробятся на более мелкие. С повышением мелкости распыливания растет суммарная поверхность капель, что приводит к более быстрому превраще­нию топлива в пар.

С увеличением скорости воздуха мелкость и однородность рас­пыливания улучшаются, а при большой вязкости и поверхност­ном натяжении топлива - ухудшаются. Так, при пуске карбюра­торного двигателя распыливания топлива практически нет.

При впрыскивании бензина качество распыливания зависит от давления впрыскивания, формы распыливающих отверстий фор­сунки и скорости течения топлива в них.

В системах впрыскивания наибольшее применение получили электромагнитные форсунки, к которым топливо подводится под давлением 0,15...0,4 МПа для получения капель требуемого раз­мера.

Распыливание пленки и капель топлива продолжается при дви­жении топливовоздушной смеси через сечения между впускным клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках - в щели, обра­зуемой прикрытой дроссельной заслонкой.

Образование и движение пленки топлива возникает в каналах и трубопроводах впускной системы. При движении топлива из-за взаимодействия с потоком воздуха и гравитации оно частично оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную пленку. Из-за действия сил поверхностного натяжения, сцепле­ния со стенкой, тяжести и других сил скорость движения пленки топлива в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси. С пленки потоком воздуха могут срываться капельки топлива (вто­ричное распыливание).

При впрыскивании бензина обычно в пленку попадает 60...80 % топлива. Ее количество зависит от места установки форсунки, даль­нобойности струи, мелкости распыливания, а в случае распреде­ленного впрыскивания в каждый цилиндр - и от момента его начала.

В карбюраторных двигателях на режимах полных нагрузок и малой частоты вращения до 25% от общего расхода топлива по­падает в пленку на выходе из впускного трубопровода. Это связа­но с небольшой скоростью потока воздуха и недостаточной мел­костью распыливания топлива. При прикрытии дроссельной зас­лонки количество пленки во впускном трубопроводе меньше из-за вторичного распыливания топлива около заслонки.

Испарение топлива необходимо для получения однородной смеси топлива с воздухом и организации эффективного процесса сгорания. Во впускном канале, до поступления в цилиндр, смесь является двух­фазной. Топливо в смеси находится в газовой и жидкой фазах.

При центральном впрыскивании и карбюрации для испарения пленки впускной трубопровод специально подогревают жидко­стью из системы охлаждения или отработавшими газами. В зависи­мости от конструкции впускного тракта и режима работы на вы­ходе из впускного трубопровода в горючей смеси топливо на 60...95 % находится в виде паров.

Процесс испарения топлива продолжается и в цилиндре во время тактов впуска и сжатия, а к началу сгорания топливо испа­ряется практически полностью.

При распределенном впрыскивании топлива на тарелку впускно­го клапана и работе двигателя на полной нагрузке испаряется 30...50 % цикловой дозы топлива до поступления в цилиндр. При впрыскивании топлива на стенки впускного канала доля испа­рившегося топлива возрастает до 50...70 % благодаря увеличению времени на его испарение. Подогрев впускного трубопровода в этом случае не нужен.

Условия для испарения бензина на режимах холодного пуска ухудшаются, а доля испарившегося топлива перед поступлением в цилиндр при этом составляет лишь 5... 10%.

Неравномерность состава смеси , поступающей в разные цилиндры двигателя, при центральном впрыскивании и карбюрации опреде­ляется разной геометрией и длиной каналов (неодинаковым сопро­тивлением ветвей впускного тракта), разницей скоростей движения воздуха и паров, капель и, главным образом, пленки топлива.

При неудачной конструкции впускного тракта степень равно­мерности состава смеси может достигать ±20%, что существенно снижает экономичность и мощность двигателя.

Неравномерность состава смеси зависит также от режима ра­боты двигателя. При центральном впрыскивании и в карбюратор­ном двигателе с ростом частоты вращения улучшаются распыли­вание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении нагрузки двигателя.

При распределенном впрыскивании неравномерность состава смеси по цилиндрам зависит от идентичности работы форсунок. Наибольшая неравномерность возможна на режиме холостого хода при малых цикловых дозах.

Организация внешнего смесеобразования газовых автомобиль­ных двигателей подобна карбюраторным двигателям. Топливо в воздушный поток вводится в газообразном состоянии. Качество топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании зави­сит от температуры кипения и коэффициента диффузии газа. При этом обеспечивается формирование практически однородной сме­си, а ее распределение по цилиндрам равномернее, чем в карбю­раторных двигателях.