Как работает камера сгорания на дизельном двигателе
Классификация камер сгорания дизельного двигателя
Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.
Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:
Неразделенные камеры сгорания
Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.
Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.
На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.
Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном
В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.
Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.
Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.
Разделенные камеры сгорания
Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.
Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.
Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке
Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.
Дизельный двигатель и его принцип действия
Рассмотрим историю создания, принцип работы дизельного двигателя, попытаемся разобраться в причинах популярности, его конструктивные особенности, преимущества, недостатки и область применения.
Немного истории
Рудольф Дизель собрал своё детище в 1897 году. Это был плавно работающий, предельно простой, удобный для эксплуатации механизм.
Техническая документация на изобретение поместилась на 13 страницах – Рудольф Дизель нарисовал и описал на них двигатель, названный затем его именем.
Так началась история, в результате которой теперь мы имеем миллионы грузовиков, легковых автомобилей и кораблей с дизельными моторами.
Принцип работы дизельного двигателя
И все-таки в чем принцип работы дизельного двигателя? Принцип работы дизеля состоит в компрессионном воспламенении топлива в камере сгорания при смешивании с разогретой воздушной смесью.
Подача смеси происходит раздельно ‒ сначала нагнетается воздух, затем поршень сжимает его и в верхней мертвой точке происходит впрыск топлива через форсунку
Этот процесс сопровождается вибрациями и шумом. То есть дизель ‒ более шумный по сравнению с бензиновым движком.
Принцип работы дизельного двигателя позволяет быть двигателям как двух, так и четырехтактными, но основная масса автомобилей, все-таки, оснащены четырехтактными движками.
В двухтактном дизеле, по сравнению с четырёхтактным, ввиду другого принципа работы, совмещения двух тактов, впуска и выпуска (продувки).
Двухтактный вариант мощнее аналогичного по объёму четырёхтактного примерно в полтора раза.
Конструкция дизельного двигателя
Дизельный мотор почти не отличается от бензинового ‒ в нем лишь нет системы зажигания, а принцип действия дизельного двигателя ‒ поджиг топливной смеси не от свечи зажигания, а от нагретого высоким давлением воздуха.
Правда, высокое давление (до 30 атм.) в камере сгорания предполагает повышенные требования к деталям.
По конструкции камер сгорания дизели делятся на 3 типа:
Разделенная камера сгорания
В таком устройстве топливная смесь подается не в основную, а в дополнительную вихревую камеру.
Она расположена в головке блока цилиндров и соединена с цилиндром через специальный канал. Воспламенение происходит в вихревой камере, а распространяется в основную камеру.
Неразделенная камера сгорания
При такой конструкции камера находится в поршне, а топливная смесь поступает в полость над поршнем.
Этот вариант камеры позволяет снизить расход топлива, но повышает уровень шума в процессе работы двигателя.
Разделенная форкамера
Дизельный мотор оснащен вставной форкамерой, она соединена с цилиндром каналами малого сечения.
Размер и форма каналов влияют на скорость движения газов во время сгорания топлива, при этом снижается уровень шума и токсичность, увеличивается ресурс.
Любой дизельный мотор имеет особую топливную систему. Система под большим давлением подает нужное количество топливной смеси в цилиндры. Рассмотрим её элементы.
Главные элементы топливной системы
Насос осуществляет подачу топлива в форсунки в количестве, которое зависит от оборотов, положения регуляторного рычага и показателей давления турбонаддува.
В современных дизелях применяются две системы топливных насосов – рядные (плунжерные) или распределительные. Подробно о насосах здесь.
Несколько другие насосы применяются в современной системе впрыска Common Rail, их называют магистральные.
В системе Common Rail ТНВД закачивает топливо в рампу, где поддерживается давление во всех каналах до форсунок.
Специальные форсунки же управляются электроникой и в нужный момент открываются для впрыска топлива в камеру сгорания. Про эту систему вы можете прочитать здесь.
Топливный фильтр
Фильтр устанавливается исходя из модели движка. Его функция – выделение и удаление воды из солярки и излишнего воздуха из системы.
Форсунки
Для подачи топливной смеси в камеры сгорания применяют два типа форсунок – с многодырчатыми и шрифтовыми распределителями.
Распределителем форсунок определяется форма факела, необходимая для более эффективного процесса воспламенения.
Предпусковой подогрев
Для холодного пуска дизеля используется предпусковой подогрев. Он обеспечивается свечами накаливания, установленными в камере сгорания.
При запуске свечи накаливания разогреваются до 900ºС, подогревая воздушную смесь, которая поступает в камеру.
Система подогрева даёт возможность безопасно осуществить запуск даже при самых низких температурах.
Турбонаддув
С помощью турбонаддува в дизельных двигателях повышается мощность и эффективность работы.
С увеличением подачи воздуха, обеспечивается повышенное давление в цилиндрах, соответственно улучшается сгорание смеси, тем самым повышая мощность двигателя.
Чтобы получить оптимальное давление наддува на всех рабочих режимах используется турбонагнетатель (турбина).
Преимущества и недостатки дизеля
Преимущества
Коэффициент полезного действия дизельного двигателя на средних оборотах доходит до 45 процентов, а с турбонаддувом и вовсе ‒ 50, для бензинового движка такие цифры вообще не реальны. К тому же дизель расходует меньше топлива.
Недостатки
Что касается недостатков, то один из самых существенных ‒ слабая морозоустойчивость. Летнее топливо становится густым при минус 5°С, зимнее ‒ при минус 35°С.
Ремонт дизеля и бензинового двигателя по стоимости примерно равноценны, если из строя не выйдет ТНВД. В таком случае владелец попадает на серьёзные деньги. А ломается ТНВД от отечественной солярки низкого качества. В свою очередь хорошее импортное горючее ‒ это уже несколько другая цена.
А ещё авто в дизельном варианте может стоить на треть дороже бензинового аналога.
Ну и на счёт запаха выхлопов у дизельного движка. Возможно для кого-то это не критично, но запах есть, и при этом достаточно неприятный.
Области применения
В настоящее время дизельные двигатели используют:
Ну вот вы и узнали что такое дизельный мотор, сколько у него больших плюсов и маленьких минусов.
Теперь, зная как работакт дизельный мотор, вы задумаетесь какой следующий автомобиль покупать: бензиновый или дизельный.
Как работает дизельный двигатель автомобиля
Согласно сложившимся представлениям, дизельные двигатели производят много шума, неприятно пахнут и не дают нужной мощности. Считается, что они пригодны лишь для грузовых автомобилей, фургонов и такси. Возможно, в 1980-х гг. все было так, однако с тех пор ситуация в корне поменялась. Дизельные двигатели и органы управления системами впрыска топлива стали гораздо более совершенными. В 1985г. в Великобритании было продано почти 65 000 автомобилей с дизельными двигателями (примерно 3,5% от общего количества проданных автомобилей). Для сравнения, в 1985г. было продано всего 5380. (данные, вероятно, для рынка США).
Основные части дизельного двигателя должны быть прочнее, чем части двигателя, работающего на бензине.
Зажигание. Для зажигания не требуются искры, т.к. смесь воспламеняется под действием компрессии.
Запальные свечи. Нагревают камеру сгорания при холодном старте.
Многие дизельные двигатели были созданы на основе бензиновых двигателей, однако их основные детали обладают повышенной прочностью и способны выдерживать высокое давление.
Топливо попадает в двигатель за счет нагнетательного насоса с дозатором, который обычно прикреплен к боку блока цилиндров. В системе не используется электрическое зажигание.
Основным преимуществом дизельных двигателей перед бензиновыми является снижение эксплуатационных расходов. Дизельные двигатели обладают большей эффективностью за счет сильной компрессии и низкой стоимости топлива. Разумеется, цены на дизель могут варьироваться, поэтому автомобиль с дизельным двигателем обойдется вам дорого, если вы живете в регионе с высокими ценами на дизельное топливо. Кроме того, таким автомобилям реже требуется техобслуживание, однако замена масла для них организуется чаще, чем для автомобилей, которые работают на бензине.
Повышение мощности
Основным недостатком дизельных двигателей является их малая мощность по сравнению с бензиновыми двигателями равного объема.
Эту проблему можно решить, просто увеличив объем двигателя, однако зачастую это приводит к значительному утяжелению автомобиля.
Некоторые производители снабжают свои двигатели турбонагнетателями, чтобы повысить их конкурентоспособность. К примеру, производством турбодизелей занимаются Rover, Mercedes, Audi и VW.
Как работают дизельные двигатели
Впуск
При движении поршня вниз по цилиндру открывается впускной клапан, впускающий воздух.
Компрессия
Когда поршень доходит до нижнего основания цилиндра, впускной клапан закрывается. Поршень поднимается, сжимая воздух.
Зажигание
Топливо впрыскивается в цилиндр, когда поршень доходит до верхнего основания. При этом топливо воспламеняется и снова приводит поршень в движение.
Выпуск
На обратном пути поршень открывает клапан выпуска, и отработанный газ выходит из цилиндра.
Четырехтактные дизельный и бензиновый двигатели работают по-разному, несмотря на то, что в их состав входят одинаковые компоненты. Основное отличие заключается в способе зажигания топлива и управления получаемой в результате энергией.
В двигателе, работающем на бензине, смесь воздуха и топлива зажигается от искры. В дизельном двигателе топливо воспламеняется под действием сжатого воздуха. В дизельных двигателях воздух сжимается в среднем в соотношении 1/20, в то время для бензиновых двигателей — это соотношение в среднем равно 1/9. Такое сжатие сильно нагревает воздух до температуры, достаточной для мгновенного воспламенения топлива, поэтому при использовании дизельного двигателя нет нужды в искрах или других способах зажигания.
Бензиновые двигатели поглощают очень много воздуха за один такт поршня (конкретный объем зависит от степени открытия отверстия дросселя). Дизельные двигатели всегда поглощают один и тот же объем, который зависит от скорости, при этом воздухопровод не оснащен дросселем. Его перекрывает один впускной клапан, а в двигателе отсутствует карбюратор и дисковый затвор.
Когда поршень достигает нижнего основания цилиндра, впускной клапан открывается. Под действием энергии от других поршней и импульса от махового колеса поршень отправляется к верхнему основанию цилиндра, сжимая воздух примерно в двадцать раз.
Как только поршень достигает верхнего основания, в камеру сгорания впрыскивается тщательно отмеренный объем дизельного топлива. Нагретый при сжатии воздух мгновенно воспламеняет топливо, которое расширяется при сгорании и снова отправляет поршень вниз, поворачивая коленчатый вал.
Когда поршень двигается вверх по цилиндру на такте выпуска, выпускной клапан открывается, позволяя отработанным и расширившимся газам выйти в выхлопную трубу. В конце такта выпуска цилиндр снова готов к новой порции свежего воздуха.
Конструкция дизельного двигателя
Дизельный и бензиновый двигатель состоят из одинаковых частей, которые выполняют одни и те же функции. Тем не менее, части дизельного двигателя обладают повышенной прочностью, т.к. они призваны выдерживать большую нагрузку.
Стенки блока дизельного двигателя обычно намного толще стенок блока бензинового двигателя. Они укреплены дополнительными решетками, которые блокируют импульсы. Помимо этого, блок дизельного двигателя эффективно поглощает шумы.
Поршни, шатуны, валы и крышки корпуса подшипников изготавливаются из самых прочных материалов. Головка цилиндра дизельного двигателя имеет особый вид, связанный с формой форсунок, а также формами камеры сгорания и вихрекамеры.
Впрыск
Для плавной и эффективной работы любого двигателя внутреннего сгорания требуется правильная смесь воздуха и топлива. Для дизельных двигателей эта проблема особенно актуальна, т.к. воздух и топливо подаются в разное время, смешиваясь внутри цилиндров.
Впрыск топлива в двигатель может быть прямым и непрямым. По сложившейся традиции чаще используется непрямой впрыск, т.к. он позволяет создавать вихревые потоки, которые смешивают топливо и сжатый воздух в камере сгорания.
Прямой впрыск
При прямом впрыске топливо опадает прямо в камеру сгорания, расположенную в головке поршня. Такая форма камеры не позволяет смешивать воздух с топливом и поджигать получившуюся смесь без жесткого стука, характерного для дизельных двигателей.
В двигателе с непрямым впрыском обычно присутствует небольшая спиральная вихрекамера (форкамера). Перед попаданием в камеру сгорания топливо проходит через вихрекамеру, и в нем образуются вихревые потоки, обеспечивающие лучшее смешивание с воздухом.
Недостатком такого подхода является то, что вихрекамера становится частью камеры сгорания, а значит, вся конструкция приобретает неправильную форму, вызывает проблемы при сгорании и негативно влияет на эффективность работы двигателя.
Непрямой впрыск
Двигатель с прямым впрыском не оборудован вихрекамерой, и топливо прямиком попадает в камеру сгорания. При проектировании камер сгорания в головке поршня инженеры должны уделять особое внимание их форме, чтобы обеспечить достаточную силу вихрей.
Запальные свечи
Чтобы разогреть головку блока цилиндров и блок цилиндров перед холодным стартом, в дизельных двигателях используются запальные свечи. Короткие и широкие свечи являются составной частью электросистемы автомобиля. При включении питания элементы в свечах очень быстро нагреваются.
Запальные свечи включаются при особом повороте колонки рулевого управления или с помощью отдельного переключателя. В последних моделях свечи выключаются автоматически, как только двигатель разогревается и разгоняется до скорости, превышающей скорость холостого хода.
Управление скоростью
В отличие от бензиновых двигателей, в дизельных двигателях отсутствует дроссель, поэтому объем потребляемого ими воздуха остается неизменным. Частота вращения двигателя определяется только объемами топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. Чем больше топлива, тем больше энергии выделяется при сгорании.
Педаль газа подключена к датчику в система зажигания, а не к дросселю, как в автомобилях, которые работают на бензине.
Как заводится дизельный двигатель
Дизельные двигатели, подобно бензиновым, заводятся при включении электромотора, запускающего цикл сжатия и воспламенения. Тем не менее, при низкой температуре дизельные двигатели заводятся с трудом, потому что сжатый воздух не разогревается до температуры, необходимой для воспламенения топлива.
Для решения этой проблемы производители изготавливают запальные свечи. Запальные свечи представляют собой питаемые от батареи электроотопители, которые включаются за несколько секунд до запуска двигателя.
Дизельное топливо
Топливо, используемое в дизельных двигателях, сильно отличается от бензина. Оно не проходит очистку, а потому представляет собой вязкую тяжелую жидкость, которая испаряется довольно медленно. Благодаря этим физическим свойствам дизельное топливо иногда называют дизельным маслом или мазутом. В сервисных центрах и на заправках автомобили, работающие на дизельном топливе, часто называют дервами (от diesel-engined road vehicles).
Лед или водяная пробка может заблокировать топливопроводы и форсунки, что делает невозможной работу двигателя. Именно поэтому в холодную погоду можно увидеть водителей, которые пытаются подогреть топливопровод с помощью паяльника.
Камеры сгорания дизелей
У дизелей требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.
Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.
В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами), которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Скорость потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания [2].
Число струй, однако, ограничено, и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее распыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот период, не было настолько большим, чтобы после воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.
Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25—0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4—5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.
Образование смеси с помощью второго способа — подвода топлива к воздуху — затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается.
Таким образом, по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошипный механизм и потерями на трение, а снизу — условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия ε лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.
У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия — от 20 до 24, но, несмотря на это, при холодном пуске двигателя воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.
Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой сгорания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.
Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.
Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях фирмы «МАН» с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.
Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое — меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не происходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.
В частности, в камере сгорания цилиндрической формы фирмы «Дойц» (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.
При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 3 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя»), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории фирмы «Рикардо» (Англия) этот процесс был зарегистрирован на кинопленку.
В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 1).
 |
| Рис. 1 |
|---|
| Вихревая камера сгорания дизеля «Фольксваген»: А — исходный вариант размещения свечи накаливания; Б — улучшенный вариант размещения свечи накаливания. |
 |
| Рис. 2 |
|---|
| Зависимость удельного расхода ge от среднего эффективного давления pe двигателей «Фольксваген»: 1 — вихрекамерный дизель; 2 — бензиновый двигатель. |
При среднем эффективном давлении pe = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.
Энергетический кризис [3] подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД. Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт при конвертировании бензиновых двигателей достиг экономии топлива до 20 %. В его дизелях «ЭЛКО» используется непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.
Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.
Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.
Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.
Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.
Водяные каналы в головке цилиндра дизеля «ЭЛКО» исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6—8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.
При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, однако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей «ЭЛКО» изображены на рис. 4, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см 3 мощностью 80 кВт (рис. 4, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13300 см 3 (рис. 4, б) [4]. Оба дизеля имеют газотурбинный наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.
Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения позволяет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.
 |
| Рис. 5 |
|---|
| Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля «ЭЛКО». |
При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больше диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя, о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля «ЭЛКО» показаны на рис. 5.
Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Однако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 6 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра 111А» (ЧССР).
 |
| Рис. 6 |
|---|
| Совершенствование камеры сгорания дизеля «Татра 111А»: а — исходный вариант; б — модернизированный вариант. |
В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в зоне седла выпускного клапана. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания днище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потерям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.
Уменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения поверхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла, и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, показанных на рис. 6, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.
Читайте также
Общим недостатком всех ступенчатых коробок передач являются потери времени при переключении отдельных ступеней, а без дифференциала на дороге с большим количеством поворотов автомобиль расходует больше топлива.
Сравнение механических потерь, измеренных в одинаковых условиях работы, бензинового двигателя со степенью сжатия 6 и дизеля со степенью сжатия 16.