Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

378

Глава 11

ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ,

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, СГОРАНИЯ И РАСШИРЕНИЯ

В ДВИГАТЕЛЯХ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ

ТОПЛИВА ОТ СЖАТИЯ

§ 1. Системы подачи топлива в камеру сгорания дизеля

В первых конструкциях дизелей [1] подача топлива осу-

ществлялась сначала в смесительную камеру форсунки, а подача

топлива в надпоршневую полость (камеру сгорания) – сжатым

воздухом. Сжатый воздух подавался в смесительную камеру фор-

сунки при давлении большем на 1,5–2 МПа давления воздуха в

надпоршневой полости в конце такта сжатия. Давление воздуха в

надпоршневой полости к концу такта сжатия достигало 3,2–

3,5 МПа, температура – 550–600 С. Подача топлива в надпорш-

невую полость начиналась до ВМТ. Момент начала подачи топ-

лива из смесительной камеры форсунки в надпоршневую полость

определялся моментом открытия иглы форсунки. Подъем иглы

форсунки осуществлялся с помощью кулачкового вала с приво-

дом от коленчатого вала. Продолжительность открытия иглы

форсунки не зависела от нагрузки. В качестве топлива использо-

вался керосин.

Применение сжатого воздуха для распыливания и подачи

топлива в надпоршневую полость обеспечивало высокую дис-

персность его распыла, интенсивное перемешивание мельчайших

капель топлива с горячим воздухом, сокращение периода задерж-

ки воспламенения. Поэтому скорость сгорания топлива опреде-

лялась в основном скоростью его поступления в надпоршневую

полость. Процесс сгорания при этом происходил практически при

постоянном давлении.

Изобретение механической системы подачи топлива непо-

средственно в камеру сгорания значительно упростило конструк-

цию дизеля, систему управления, позволило повысить частоту

вращения коленчатого вала дизеля. В современных дизелях ис-

пользуется несколько типов механических систем топливоподачи

379

на базе плунжерных насосов высокого давления: раздельные сис-

темы топливоподачи (насос и форсунки – отдельные узлы, со-

единенные трубопроводом высокого давления); насос-форсунки

(плунжерный насос высокого давления и форсунка в общем кор-

пусе); аккумуляторные системы топливоподачи с электронной

системой управления перемещением иглы распылителя форсун-

ки.

Рассмотрим, в качестве примера, особенности процессов по-

дачи топлива в камеру сгорания в дизеле с раздельной механичес-

кой системой (рис. 11.1).

Топливо из бака 1 под-

качивающим топливным на-

сосом 3 через фильтры гру-

бой 2 и тонкой 4 очистки

топлива подводится к корпу-

су топливного насоса высоко-

го давления 6 (рис. 11.1).

Давление в каналах подвода

топлива к нагнетательным

секциям насоса поддержива-

ется на уровне 0,2–0,3 МПа

обратным клапаном 7. Нагне-

тательные секции соединены

трубопроводами высокого

давления 8 с форсунками 9.

Топливо, поступившее в по-

лость пружины форсунки че-

рез зазор между иглой распы-

лителя и корпусом распылителя, отводится в топливный бак 1.

Нагнетательная секция топливного насоса высокого давле-

ния (рис. 11.2) содержит узел нагнетательного клапана 3, втулку

плунжера 4 с каналами для подвода топлива в надплунжерную

полость, плунжер 6 с отсечной канавкой 7, поворотную втулку

10, толкатель 11, пружину толкателя 12. Изменение цикловой по-

дачи топлива в приведенной конструкции определяется измене-

нием момента открытия кромкой отсечной канавки на плунжере

7 отверстия 5 во втулке плунжера 4. Этот момент зависит от угла

поворота плунжера 6, осуществляемого через поворотную втулку

Рисунок 11.1 – Схема системы подачи

топлива в автотракторном дизеле:

– топливный бак; 2 –

фильтр грубой

очистки топлива; 3 –

подкачивающий

топливный насос; 4 –

фильтр тонкой

очистки топлива; 5 – вентиль для удале-

ния из системы воздуха; 6 –

топливный

насос высокого давления; 7 –

обратный

клапан; 8 – трубопровод высокого дав-

ления; 9 – форсунка

380

10 рейкой 9 топливного насоса,

соединенной тягой с централь-

ным регулятором.

Перемещение плунжера 6

нагнетательной секции осуществ-

ляется через толкатель 11 кулач-

ковым валом. Максимальное дав-

ление в надплунжерной полости,

а соответственно и перед форсун-

кой, в раздельных системах топ-

ливоподачи составляет 30 – 100

МПа. В насос-форсунках это дав-

ление может превышать и 150

МПа.

В раздельных системах топ-

ливоподачи используются в ос-

новном закрытые форсунки с

многодырчатым распылителем

(рис. 11.3, а) или со штифтовым

распылителем (рис. 11.3, б) с раз-

личной формой штифта. Форсун-

ки с многодырчатым распылите-

лем применяются в дизелях с не-

разделенными и полуразделен-

ными камерами сгорания. Коли-

чество отверстий распылителя в

зависимости от формы камеры

сгорания и ее расположения по

отношению к распылителю форсунки, диаметра горловины каме-

ры сгорания и интенсивности тангенциального вихря в надпорш-

невой полости составляет 4–12; диаметр отверстий распылителя в

зависимости от объема надпоршневой полости – 0,2–1 мм и бо-

лее. Форсунки со штифтовым распылителем (диаметр штифта 1–

2 мм) используются в быстроходных дизелях с разделенными ка-

мерами сгорания (вихрекамерные и предкамерные дизели).

Давление топлива в полости под иглой распылителя 5, соот-

ветствующее моменту начала подъема иглы распылителя, опре-

деляется предварительной затяжкой пружины форсунки 2

Рисунок 11.2 – Топливный насос

(поперечный разрез):

1 – корпус; 2 – каналы для топл

и-

ва; 3 – узел нагнетательного кл

а-

пана; 4 – втулка плунжера; 5

–

каналы для топлива во

втулке

плунжера; 6 – плунжер; 7 – отсе

ч-

ная канавка; 8 – штифт; 9 –

рейка;

10 – поворотная втулка; 11 – то

л-

катель; 12 – пружина толкателя

381

(рис. 11.3) и зависит от типа

камеры сгорания и других

особенностей организации

процессов смесеобразова-

ния. В форсунках со штиф-

товым распылителем это

давление обычно не превы-

шает 13 МПа, в форсунках с

многодырчатым распылите-

лем давление начала подъе-

ма иглы распылителя со-

ставляет 17–30 МПа.

Рассмотрим для приме-

ра особенности процессов

подачи топлива в вихрека-

мерном дизеле с топливным

насосом распределительного

типа и штифтовой форсун-

кой при частоте вращения

коленчатого вала 5000 мин

–1

(рис. 11.4). Остаточное дав-

ление в трубопроводе высо-

кого давления р

ост

составля-

ет примерно 0,6 МПа. Нача-

ло подъема иглы распыли-

теля форсунки по отноше-

нию к моменту начала по-

вышения давления топлива

перед форсункой смещается

примерно на 15 ПКВ. По отношению к ВМТ поршня опереже-

ние начала подъема иглы распылителя форсунки 

впр

составляет

17 ПКВ. В этот момент давление топлива перед форсункой

достигает значения, соответствующего давлению затяжки пру-

жины (р

впр

 13 МПа). Продолжительность подъема иглы фор-

сунки (h

игл

= 0,8 мм) составляет примерно 18,5 ПКВ, выстоя –

27 ПКВ, посадки иглы – 8,5 ПКВ. В течение этого промежутка

времени (54 ПКВ или 1,8 мс) в камеру сгорания поступает

Рисунок 11.3 – Форсунки:

а – с многодырчатым распылителем;

б – со штифтовым распылителем

1 – корпус форсунки; 2 – пружина; 3 – ка-

нал подвода топлива к распылителю; 4 –

корпус распылителя; 5 – игла распылите

ля;

6 – накидная гайка

382

28,4 мм

топлива. Максимальное давление топлива перед фор-

сункой не превышает 19,5 МПа. В зависимости от частоты вра-

щения коленчатого вала, величины цикловой подачи топлива эти

параметры процесса топливоподачи будут изменяться.

§2. Процессы смесеобразования

Эффективность процесса сгорания топлива в дизелях в зна-

чительной степени зависит от тонкости и однородности распыла

топлива, распределения топлива по объему камеры сгорания,

взаимодействия факелов впрыснутого топлива со стенками каме-

ры сгорания и потоками воздуха (продуктов сгорания) в камере

сгорания. При повышенных цикловых подачах топлива подача

топлива в камеру сгорания продолжается и после начала сгора-

ния, то есть процессы смесеобразования и сгорания в дизелях

протекают в течение некоторого времени одновременно.

 = 2 мс



= 1



впр

игл

р,

МПа

впр

ост

Рисунок 11.4 – Осциллограмма изменения параметров топливоподачи в

вихрекамерном дизеле ВАЗ-341 (S/D = 80/76) при частоте вращения

коленчатого вала 5000 об/мин и цикловой подаче В

= 28,4 мм

/цикл:

1 – давление топлива перед форсункой; 2 – подъем иглы форсунки

игл

= 0,8 мм); 3 – закон подачи топлива  = В



/В

(В



–количество

топлива, поступающего в камеру сгорания к углу поворота криво-

шипа ); 4 – отметка ВМТ поршня; 5 – отметка времени ( = 2 мс)

383

Качество распыливания топлива определяется тонкостью и

однородностью распыла топлива, дальнобойностью факела,

структурой факела распыленного топлива. Тонкость распылива-

ния топлива характеризуется величиной среднего диаметра ка-

пель топлива, а однородность распыливания топлива – предель-

ными отклонениями диаметра капель топлива от среднего зна-

чения. Эти показатели качества распыливания топлива, как и

дальнобойность факела, угол конуса факела, зависят от особен-

ностей конструкции распылителей, давления топлива у отверстий

распылителя (под иглой распылителя) и характера его изменения

в течение впрыскивания, давления (плотности) среды (воздуха,

продуктов сгорания), в которую осуществляется впрыскивание,

интенсивности турбулизации среды.

Впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля в зависи-

мости от особенностей организации рабочих процессов, частоты

вращения коленчатого вала начинается за 10–40 ПКВ до ВМТ и

продолжается в зависимости от величины цикловой подачи топ-

лива 10–60 ПКВ. Давление воздуха в камере сгорания к началу

впрыскивания в дизелях без наддува достигает в зависимости от

степени сжатия 3–6 МПа, в дизелях с наддувом – до 10 МПа,

температура воздуха – 900–1100 К. В течение подачи топлива в

камеру сгорания изменяется давление топлива перед сопловыми

каналами распылителя, давление, температура и плотность воз-

духа (продуктов сгорания) в камере сгорания, а соответственно и

перепад давления на сопловом канале распылителя. Перепад дав-

ления на сопловом канале распылителя зависит также и от мест-

ных сопротивлений канала (остроты кромок канала, шерохова-

тости поверхности стенок канала).

Действительная скорость истечения топлива из соплового

канала, м/с:





прт







рр

, (11.1)

где  = 0,7–0,8 – скоростной коэффициент; р

, р

пр

– давление

топлива перед сопловым каналом (под иглой) и воздуха в камере

сгорания в Па; 

– плотность топлива перед сопловым каналом в

кг/м

384

Для примера (табл. 11.1) определим скорость истечения топ-

лива из соплового канала при плотности топлива 

= 850 кг/м

скоростном коэффициенте  = 0,7, учитывающем уменьшение

скорости истечения вследствие трения потока топлива о стенки и

внутреннего трения, давлении воздуха в камере сгорания р

пр

= 4 МПа.

Таблица 11.1 – Изменение скорости истечения топлива из

соплового канала в зависимости от перепада

давления на сопловом канале

(р

– р

пр

)



–

, Па

60 160 260 460 960 1460

, м/с 83 136 173 230 333 410

Распад струи топлива на выходе из отверстия распылителя,

образование факела распыленного топлива зависит от конструк-

ции распылителя, скорости истечения топлива, давления и плот-

ности газовой среды, определяющих аэродинамическое сопро-

тивление среды, в которую осуществляется впрыскивание. На

распад струи значительное влияние оказывают также начальные

возмущения в сопловом канале, которые зависят от кромок от-

верстий соплового канала, отношения длины соплового канала к

его диаметру, шероховатости стенок соплового канала, пузырь-

ков паров топлива и воздуха в струе топлива, сжимаемости топ-

лива. Центральная часть факела состоит из более крупных частиц

топлива и отходящих от нее тонких нитей топлива, которые затем

разрушаются под воздействием сил аэродинамического сопро-

тивления газовой среды, образуя оболочку факела из мелких ка-

пель. Скорость капель топлива в оболочке факела вследствие аэ-

родинамического сопротивления газовой среды по мере удаления

от оси факела резко уменьшается.

При впрыскивании топлива в вакуум распад струи на вы-

ходе из соплового отверстия зависит только от начального воз-

мущения в сопловом канале. Если начальное возмущение в со-

пловом канале незначительно, на выходе из отверстия соплового

канала образуется плотная струя (рис. 11.5, а) или рыхлая струя

топлива (рис. 11.5, б, в) [2]. Замена цилиндрического штифта в

385

распылителе (рис. 11.5, а) на штифт с обратным конусом (рис.

11.5, г) увеличила начальное возмущение в канале распылителя

[2]. На выходе из соплового отверстия струя топлива распадается

на тонкие нити, которые затем разрываются, образуя отдельные

капли. С повышением противодавления газовой среды (воздуха)

в бомбе, в которую осуществляется впрыскивание топлива, с 30–

40 мм рт.ст. до атмосферного (760 мм рт.ст.) аэродинамическое

сопротивление среды возросло примерно пропорционально уве-

личению плотности газовой среды и квадрату скорости частиц

топлива, что увеличило скорость распада струи, дробление час-

тиц топлива непосредственно на выходе из соплового канала

(рис. 11.6, а). Образующиеся при этом вихри воздуха переносят

мельчайшие частицы топлива на периферию факела, образуя его

оболочку в форме конуса. Если начальное возмущение в сопло-

вом канале незначительно (штифтовой распылитель с цилиндри-

ческим штифтом – рис. 11.5, а), то при увеличении противодей-

ствия газовой среды до 1,6 МПа на выходе из соплового канала

формируется плотная струя топлива, которая распадается на за-

метном удалении от отверстия канала распылителя (рис. 11.6, б).

Рисунок 11.5 – Впрыскивание топлива в вакуум (абсолютное давление

газовой среды в бомбе, в которую осуществлялся впрыск,

составляет 30 – 40 мм рт.ст.)

386

При впрыскивании топ-

лива через сопловой распы-

литель (рис. 11.7, а) при по-

стоянном давлении топлива в

аккумуляторе, а соответст-

венно и перед отверстием ка-

нала распылителя, и проти-

водавлении 0,1 МПа по оси

факела образуется более

плотное ядро, состоящее из

более крупных капель. Вер-

шина этого ядра несколько

отстает от переднего фронта

факела. В ядре факела нахо-

дится основная масса впрыс-

киваемого топлива [3]. Мель-

чайшие частицы топлива, об-

разующиеся на поверхности ядра, вихрями воздуха выносятся из

этой зоны на периферию факела. С повышением противодавления

газовой среды до 1,4 МПа возрастает интенсивность образования

мельчайших капель топлива в зоне ядра факела, интенсивность

их переноса вихрями воздуха на периферию факела, увеличивает-

ся угол конуса факела, однородность распыливания топлива

(рис. 11.7, б).

Противодавление (плотность газовой среды, в которую осу-

ществляется впрыскивания топлива) влияет и на дальнобойность

и на угол 

конуса

факела (рис. 11.8) [2].

С увеличением про-

тиводавления газовой

среды дальнобойность

факела уменьшается,

увеличивается угол ко-

нуса факела. На каче-

ство распыла топлива и

дальнобойность факе-

ла оказывает заметное

Рисунок 11.7 – Впрыскивание топлива в газовую

среду при постоянном давлении топлива в

аккумуляторе р

ак

= 56 МПа и противодавле-

нием р

пр

= 0,1 МПа (а) и р

пр

= 1,4 МПа (б):

распылитель дырчатый – рис. 11.5, б; d

= 0,56 мм

Рисунок 11.6 – Впрыскивание топлива в

газовую среду с противодавлением:

– р

пр

= 0,1 МПа, распылитель штифтовой

с обратным конусом – рис. 11.5, г;

б – р

пр

= 1,6 МПа, распылитель штифтовой

с цилиндрическим штифтом – рис. 11.5, а

387

влияние диаметр сопловых ка-

налов дырчатого распылителя

(рис. 11.9, 11.10) [2]. С умень-

шением диаметра соплового ка-

нала улучшается тонкость и од-

нородность распыливания топли-

ва – увеличивается относитель-

ный суммарный объем капель

с меньшим диаметром

d и

уменьшаются предельные значе-

ния диаметра капель (рис. 11.9).

Дальнобойность факела с умень-

шением диаметра соплового ка-

нала также уменьшается (рис.

11.10). На дальнобойность факе-

ла, угол конуса факела и мелкость

распыливания топлива оказывает

влияние не столько диаметр со-

плового канала, сколько соотно-

шение между диаметром и дли-

ной соплового канала. Чем мень-

ше отношение длины соплового

канала дырчатого распылителя

(толщины стенки распылителя) к

его диаметру, тем тоньше распы-

ливание топлива, больше угол ко-

нуса факела. Дальнобойность фа-

кела при этом уменьшается. Ми-

нимальная толщина стенки дырчатого распылителя в зоне сопло-

вых каналов обычно определяется механической прочностью

стенки колодца под иглой распылителя.

Скорость частиц топлива и их размер в факеле за фронтом

факела изменяются незначительно, поскольку они перемещаются

по трасам с пониженным сопротивлением за фронтальными час-

тицами топлива. С потерей скорости каплями топлива во

фронте факела следующие за ними капли топлива нагоняют их,

сливаются с ними, сообщая им дополнительный импульс для

Рисунок 11.8 – Влияние противодав-

ления газовой среды на дально-

бойность факела L

и на угол

конуса факела 

распылитель многодырчатый с

= 0,8 мм; давление начала подъе-

ма иглы форсунки – 20 МПа; часто-

та вращения кулачкового вала

= 800 об/мин;

1 – р

пр

= 0,1 МПа; 2 – р

пр

= 1 МПа;

3 – р

пр

= 2,1 МПа; А – р

пр

= 0,7 МПа;

– р

пр

= 1,73 МПа

мм



100

120

140

160

, мс