Сгорание топлива и преобразование выделившейся тепловой энергии в механическую являются основной частью рабочего процесса двигателя, от которой в значительной степени зависят показатели его работы. Чтобы добиться наибольшей мощности и экономичности двигателя, необходимо обеспечить полное, достаточно быстрое и своевременное сгорание топлива.
Протекание процесса сгорания зависит главным образом от того, как подготовлена горючая смесь. Подготовка горючей смеси, или смесеобразование, у дизельных двигателей происходит внутри цилиндра. Смесеобразование заключается в механическом распыливании струи топлива на капельки диаметром от 0,005 до 0,1 мм и в распределении этих капелек в массе сжатого воздуха.
Сгорание может произойти полно и достаточно быстро только в том случае, если горючая смесь имеет нужный состав и частицы топлива достаточно мелко распылены и равномерно перемешаны с воздухом. Состав смеси характеризуется соотношением в ней топлива и воздуха. Для полного сгорания 1 кг дизельного топлива требуется по расчету около 15 кг воздуха.
Условия смесеобразования в дизельных двигателях чрезвычайно сложны, так как этот процесс протекает очень короткое время — 0,003—0,005 секунды (25—30° поворота коленчатого вала). За это время трудно равномерно распределить топливо в сжатом воздухе, поэтому состав смеси в разных частях камеры сгорания получается неодинаковый. В продолжение процесса сгорания состав смеси непрерывно изменяется, так как почти до конца сгорания продолжается впрыск топлива. Чем ближе к концу впрыска, тем меньше остается в камере неиспользованного воздуха, и часть топлива может не сгореть, если в камере сгорания не будет некоторого избытка воздуха. Поэтому горючая смесь у дизельных двигателей должна содержать воздуха па 20—50% больше, чем нужно по расчету для полного сгорания топлива (бедная смесь).
Необходимость сжигать в цилиндре дизельного двигателя бедную смесь приводит к тому, что объем цилиндра используется неполностью: с нагретым воздухом из цилиндра выбрасывается большое количество тепла, снижается мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема, увеличивается вес двигателя. Это несколько снижает те преимущества, которые дизельные двигатели имеют перед карбюраторными.
От начала впрыска топлива до начала самовоспламенения проходит некоторый промежуток времени (0,001—0,002 секунды), который называется периодом задержки воспламенения. Если задержка воспламенения является продолжительной, то в камере сгорания скапливается много топлива, что вызывает резкое нарастание давления при вспышке. Детали кривошипно-шатунного механизма подвергаются при этом ударной нагрузке, и двигатель стучит. Такая работа называется жесткой.
Однако задержка воспламенения не должна быть слишком короткой, так как при этом необходимо будет начинать впрыск топлива при положении поршня, более близком к ВМТ. В результате большое количество топлива будет сгорать после ВМТ при возрастающем объеме, а это увеличит потери тепла через стенки камеры в охлаждающую воду, и экономичность двигателя снизится.
Для каждого двигателя в соответствии с условиями смесеобразования находят оптимальный период задержки, обеспечивающий сравнительно мягкую работу при достаточно высокой экономичности.
- Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от нескольких факторов.
- От степени сжатия двигателя. Чем выше степень сжатия, тем выше температура сжатого воздуха и меньше время прогрева топлива.
- От формы камеры сгорания. Чем лучше она обеспечивает завихрение смеси и перемешивание топлива с воздухом, тем скорее завершается прогрев.
- От числа оборотов коленчатого вала. Увеличение числа оборотов до определенных пределов способствует сокращению задержки воспламенения, так как улучшаются условия смесеобразования: повышается температура сжатого воздуха, усиливается его завихрение. Однако по мере возрастания оборотов сокращается продолжительность впрыска, вследствие чего в камеру одновременно попадает много холодных частиц топлива, что замедляет их прогрев. У быстроходных дизелей период задержки воспламенения по времени приближается к периоду впрыска, и топливо сгорает почти одновременно с резким нарастанием давления. Это является одной из причин, ограничивающих увеличение числа оборотов у дизельных двигателей.
- Продолжительность периода задержки зависит также и от эксплуатационных условий.
Топливо будет дольше прогреваться, если оно плохо распылено, если форсунка раньше времени впрыскивает топливо и оно попадает в недостаточно прогретый воздух, если топливо имеет высокую температуру самовоспламенения, если двигатель работает с малой нагрузкой, на холостом ходу и недостаточно прогрет.
На характер протекания процесса сгорания в значительной степени влияет момент впрыска топлива в цилиндр. Положение коленчатого вала, при котором должен начинаться впрыск, характеризуется величиной угла опережения впрыска. Последний зависит от степени сжатия двигателя, сорта применяемого топлива, формы камеры сгорания и некоторых других факторов. Для каждого типа двигателя наивыгоднейший угол опережения впрыска находится при испытании в лабораторных условиях.
При раннем впрыске, когда угол опережения больше наивыгоднейшего, работа становится жесткой. Кроме того, топливо может воспламениться преждевременно, и в этом случае сила давления газов будет действовать некоторое время навстречу движущемуся поршню, мощность двигателя снизится.
Частицы топлива, не успевая загореться в не прогретом воздухе, будут ударяться о стенки камеры, образуя жидкостную пленку, которая полностью не сгорит. Вследствие этого выхлоп получится дымный.
При позднем впрыске, когда угол опережения меньше наивыгоднейшего, горение будет протекать при значительно увеличивающемся объеме, снизится давление газов, увеличится теплоотдача стенкам цилиндра, а следовательно, снизятся мощность и экономичность двигателя.
Чтобы обеспечить нормальное протекание процессов смесеобразования и сгорания топлива в дизельном двигателе, необходимо: периодически проверять и регулировать форсунки и топливный насос, более полно загружать двигатель, избегая работы на холостом ходу, и применять только тот сорт топлива, который предусмотрен для данного двигателя.
Тонкое распыливание топлива и его равномерное перемешивание с воздухом при минимальном избытке последнего обеспечиваются как работой топливоподающей системы, так и соответствующей формой камеры сгорания.
- В зависимости от формы камеры сгорания тракторные дизели подразделяют на два типа:
- дизели с разделенными камерами (вихрекамерные и предкамерные);
- дизели с неразделенными камерами (однокамерные).
Разделенную камеру сгорания имеют дизели Д-36 и Д24. На рисунке а, показан разрез такой камеры.
а — разделенная камера (вихревая); б — неразделенная камера; в — камера в поршне; 1 — сферическое углубление в головке; 2 — вставка; 3 — штифт; 4 — центральный диффузор; 5 — пространство над поршнем; 6 — углубление в днище поршня.
Одну часть ее, около 30% полного объема, составляет пространство между днищем поршня и головкой цилиндров. Вторая часть, большая по объему, образована сферическим углублением 1 в головке и вставкой 2 из жаростойкой стали, закрепленной в определенном положении штифтом 3. Эта часть называется вихревой камерой, а двигатели с такой камерой — вихрекамерными. Вставка имеет сферическую форму внутренней поверхности и три наклонных канала — диффузора, соединяющих полость вихревой камеры с надпоршневой ее частью.
Смесеобразование в камерах такого типа происходит следующим образом:при такте сжатия воздух поступает через диффузоры с большой скоростью и благодаря расположению диффузоров по касательной к поверхности каморы интенсивно в ней завихряется. В этот вращающийся воздушный поток в конце такта сжатия форсунка начинает впрыскивать топливо, которое хорошо перемешивается с воздухом и быстро воспламеняется. Когда давление в вихревой камере становится выше, чем в надпоршневой части, воздух и продукты горения начинают перетекать в надноршневую часть камеры. Частицы топлива, не сгоревшие из-за недостатка воздуха в вихревой камере, догорают в этой части камеры.
- Вихрекамерные дизели имеют ряд положительных качеств.
- Сравнительная мягкость работы. Это объясняется тем, что давление газов при перетекании через диффузоры снижается и, кроме того, вследствие сильных вихревых движений уменьшается продолжительность задержки воспламенения. Максимальное давление газов над поршнем около 50 кг/см ² (Д-36).
- Интенсивное перемешивание топлива с воздухом позволяет сжигать в цилиндрах вихрекамерных дизелей менее бедные смеси, за счет чего увеличивается литровая мощность двигателей.
- Смесеобразование происходит при сравнительно невысоком давлении впрыска (125 кг/см²), что облегчает работу топливной аппаратуры.
- Двигатель хорошо приспосабливается к переменным режимам работы, так как даже при пониженном число оборотов смесеобразование происходит удовлетворительно.
В дизелях с неразделенными камерами сгорания топливо впрыскивается форсункой в пространство 5 над поршнем (рис. б). Смесеобразование обеспечивается главным образом за счет высокого давления впрыска и большой скорости частиц топлива.
Преимуществом таких двигателей является компактность камеры, вследствие чего меньше ее охлаждаемая поверхность, а следовательно, и потери тепла. Это повышает экономичность двигателя и облегчает процесс пуска. Недостатки однокамерных дизелей в том, что у них менее совершенное смесеобразование, вследствие чего приходится применять более бедные смеси, их работа более жесткая, кроме того, у двигателей этого типа к работе форсунок и всей топливоподающей системы предъявляются повышенные требования.
На рисунке в, изображена камера сгорания дизеля Д-14; 70% объема всей камеры составляет углубление эллипсоидной формы в днище поршня, остальную часть образует пространство между поршнем и головкой блока. В следствие большого диаметра горловины эту камеру считают неразделенной. Хотя такая камера и не является компактной, все же потери тепла в ней невелики, так как основная часть камеры расположена в поршне и не омывается охлаждающей водой. Температура в конце сжатия у двигателя Д-14 выше, чем у двигателей с разделенными камерами, что улучшает его пусковые качества. Максимальное давление газов над поршнем достигает 70 кг/см². [Дизельные колесные тракторы. Гельман Б.М. и др. 1959г.]