- непосредственное впрыскивание топлива в камеру сгорания;
- впрыскивание топлива во впускной коллектор.
Непосредственное впрыскивание топлива в камеру сгорания
Камера сгорания у дизельных двигателей имеет вид выемки в поршне (рис. 7.39). Многоструйная форсунка с более чем 12 отверстиями впрыскивает топливо по диагонали вниз в желобообразную часть камеры сгорания. Игла распылителя форсунки поднимается при давлении около 200 бар, а давление впрыскивания может вырасти до 2000 бар и более. Подача воздуха производится через впускной канал или расположенное под наклоном впускное окно, обеспечивающие вихревое движение потока воздуха, а затем и смеси. Вихревой поток смеси обеспечивает распределение топлива по всей камере сгорания.
Рис. 7.39. Непосредственное впрыскивание дизельного топлива и его распределение по всей камере сгорания
К преимуществам непосредственного впрыскивания топлива относятся:
- небольшой удельный расход топлива, так как тепловые и гидравлические потери при смене заряда смеси незначительны;
- равномерная и относительно незначительная тепловая нагрузка на поверхность камеры сгорания;
- отсутствие вспомогательного устройства для пуска двигателя.
Недостатками непосредственного впрыскивания топлива считаются высокая механическая нагрузка вследствие резкого повышения давления в камере сгорания и высокого давления впрыскивания, а также шумная работа двигателя. Все это можно частично устранить с помощью предварительного (контрольного) впрыскивания небольшого количества топлива, в которое после воспламенения смеси подается основная порция топлива. Кроме того, двигатель чувствителен к качеству топлива, поэтому задержка воспламенения должна быть небольшой. Вдобавок впускной канал должен иметь такую форму, чтобы уже при низкой частоте вращения коленчатого вала обеспечивалось сильное вихревое движение потока воздуха, что, в свою очередь, может затруднять наполнение цилиндра рабочей смесью при высокой частоте вращения коленчатого вала.
Все эти недостатки редко проявляются на низкооборотных двигателях, которые большей частью оснащены системами непосредственного впрыска топлива и используются на грузовых и легковых автомобилях вследствие своей большой экономичности.
Двигатель с системой непосредственного впрыска топлива запускается при температуре окружающей среды до -15°C без вспомогательных устройств. При более низких температурах воспламенение смеси происходит с запаздыванием, о чем свидетельствует появление белого дыма из системы выпуска отработавших газов.
Белый дым возникает, если температура в цилиндрах двигателя опускается ниже 250°C, в связи с чем происходят перебои в воспламенении смеси или воспламенение полностью прекращается. В этом случае отработавшие газы содержат небольшие капли (диаметром около 1 мкм) конденсированных углеводородов. При температуре в цилиндрах свыше 250°C дым становится голубым, так как капли конденсата углеводородов в данном температурном диапазоне становятся еще меньше.
Концерном «Klockner-Humboldt-Deutz» был разработан метод непосредственного впрыскивания дизельного топлива для высокооборотных двигателей легковых автомобилей, который устранил большинство прежних недостатков этого метода подачи топлива. Как показано на рис. 7.40, топливо впрыскивается двумя струями в граничную зону потока воздуха, который вихреобразно перемещается по камере сгорания в поршне. Частицы топлива из-за своей большой плотности задерживаются в граничной зоне, образуя там богатую рабочую смесь. Задержка воспламенения данной смеси настолько велика, что смесь не воспламеняется мгновенно и целиком при впрыскивании, а сгорает относительно медленно. При этом сначала воспламеняются частицы смеси, попавшие в середину камеры сгорания, а потом — смесь в граничной зоне. Поэтому горение начинается с внутреннего края вихревого потока смеси, так как там благодаря большому коэффициенту избытка воздуха задержка воспламенения значительно меньше. Горячие отработавшие газы имеют меньшую плотность, чем воздух в середине камеры сгорания, поэтому постоянно происходит газообмен между свежим воздухом и отработавшими газами.
Рис. 7.40. Схема метода непосредственного впрыскивания дизельного топлива для высокооборотных двигателей и распределения топлива в граничной зоне вихревого потока смеси (разработка концерна «Klockner-Humboldt-Deutz»)
Впрыскивание топлива во впускной коллектор (разделенная камера сгорания)
В отличие от бензинового двигателя, когда речь заходит о впрыскивании во впускной коллектор дизельного топлива, имеется в виду конструкция с разделенной камерой сгорания. Различают два типа дизельных двигателей с разделенной камерой — предкамерный (форкамерный) и вихрекамерный. В обоих случая топливо из форсунки впрыскивается не в основную камеру сгорания, а в некую предварительную камеру, соединенную с основной специальным каналом. На рис. 7.41 представлены предварительная камера и вихревая камера, объем которых составляет 25-60% общего объема разделенной камеры сгорания. Остальной объем приходится на основную камеру в поршне. Форсунка в этой конструкции расположена в предварительной или вихревой камере, куда и подает топливо под меньшим давлением, чем форсунка двигателя с непосредственным впрыском топлива в единую камеру сгорания.
[Источник можно увидеть на: PeugeotBook.ru]
Рис. 7.41. Впрыскивание топлива во впускной коллектор
В предварительной камере (форкамере) интенсивность движения потока воздуха достаточно велика. Чтобы топливо после начала горения в предкамере быстро попадало в основную камеру сгорания, оно должно впрыскиваться как можно ниже, ближе к горловине предкамеры.
В вихревой камере распределение топлива поддерживается вихревым потоком воздуха, возникающим во время сжатия, когда воздух нагнетается в вихревую камеру через тангенциальный канал (расположенный тангенциально относительно поверхности вихревой камеры), соединяющий вихревую камеру сгорания с надпоршневым пространством цилиндра.
В разделенных камерах сгорания обеих видов создаются высокие температуры, которые сильно сокращают задержку воспламенения. Вследствие высокой температуры и недостатка кислорода протекают многочисленные реакции крекинга. Крекинг и недостаточное количество кислорода приводят к медленному предварительному сгоранию смеси. Посредством повышения давления в предварительной или вихревой камере все ее содержимое нагнетается с высокой скоростью в основную камеру сгорания. Там происходит сгорание остатков. В основной камере сгорания возникает сильный вихревой поток смеси, и топливо сгорает без образования сажи.
Впрыскивание в разделенную камеру сгорания имеет следующие преимущества:
- высокая температура в предварительной или вихревой камере даже при сильно различающихся видах топлива содействует небольшой задержке воспламенения. Двигатель чувствителен к топливу. Интенсивность повышения давления в камере сгорания и давление впрыскивания топлива остаются незначительными, так как вследствие крекинга и недостатка кислорода происходит медленное сгорание смеси;
- работа такого двигателя менее шумная, чем двигателя с системой непосредственного впрыска топлива в единую камеру сгорания;
- давление впрыскивания ниже, чем при непосредственном впрыскивании, поэтому топливный насос высокого давления и форсунки не подвергаются сильным механическим нагрузкам;
- наполнение цилиндра, особенно в двигателях, которые работают в диапазоне высокой частоты вращения коленчатого вала, гораздо лучше, чем в системах непосредственного впрыска топлива.
Недостатками впрыскивания в разделенную камеру сгорания являются:
- больший удельный расход топлива из-за гидравлических потерь при перетекании заряда смеси в основную камеру сгорания и тепловых потерь вследствие большей площади поверхности камеры сгорания (рис. 7.42);
- термическая нагрузка на поверхность основной камеры сгорания и днище поршня выше, поскольку они дополнительно нагреваются потоком раскаленных газов из предварительной или вихревой камеры;
- для пуска двигателя необходимо вспомогательное устройство (свеча накаливания).
Рис. 7.42. Сравнение объемов разделенной и обычной камер сгорания дизельных двигателей
Двигатель с разделенной камерой сгорания можно модернизировать для многотопливного режима работы. В этом случае могут использоваться все углеводороды с диапазоном кипения от 40 до 450°C, а также растительные масла и, если потребуется, спирт.
Для многотопливного режима работы необходимо выполнить следующие изменения:
- впускаемый воздух должен при необходимости подогреваться, вследствие чего повышается температура в камере сгорания, а задержка воспламенения для всех видов топлива уменьшается. Количество реакций крекинга возрастает, а давление сгорания остается в допустимых пределах;
- для изготовления поверхности камеры сгорания должен использоваться жаростойкий материал;
- форма диффузора в предкамере должна меняться в зависимости от режима работы двигателя (рис. 7.43).
Рис. 7.43. Форма диффузора многотопливного дизельного двигателя производства фирмы «Motorenwerke Mannheim» (MWM)