2.8.1. Назначение, схемы подачи топлива и способы приготовления горючей смеси
Система питания дизеля обеспечивает хранение топлива, очистку топлива и воздуха, подачу их в цилиндры двигателя, качественное образование и сгорание рабочей смеси, а также вывод в атмосферу продуктов сгорания.
Топливная аппаратура должна обеспечивать следующее: длительную работу без изменения ее начальных регулировок и заметного изнашивания деталей, влияющего на работу двигателя; удобство обслуживания и ремонта; высокое давление впрыска и равномерное распыливание топлива в камере сгорания; точную дозировку порции впрыскиваемого топлива и возможность изменения ее в зависимости от режима работы двигателя; одинаковые условия впрыска для всех цилиндров при разных режимах и последовательности в соответствии с порядком работы двигателя.
На современных дизелях применяются системы впрыска топлива, реализующие разные способы организации подачи топлива в цилиндры. По схеме подвода топлива они бывают разделенные и неразделенные.
В разделенной системе топливо от отдельного топливного насоса высокого давления (ТНВД) (рис. 2.43, а) подается по трубопроводам к форсункам или же от насоса к топливной рампе высокого давления с форсунками в топливной системе типа «коммон рейл» (рис. 2.43, б).
Рис. 2.43. Системы впрыска топлива на дизеле:
а — ТНВД; б — топливная система типа «коммон рейд» с топливной рампой высокого давления с форсунками; в — насос-форсунки; г — форсунки с индивидуальными топливными насосами
В неразделенной системе топливный насос высокого давления и форсунка конструктивно объединены в один узел — насос-форсунку (рис. 2.43, в), а трубопровод высокого давления отсутствует, или же устанавливаются форсунки с индивидуальными топливными насосами (рис. 2.43, г).
На отечественных машинах применяют в основном дизели, имеющие разделенную систему питания, состоящую из линий низкого и высокого давления. В линию высокого давления входят ТНВД 5 (рис. 2.44), трубопровод высокого давления 4 и форсунки 1. В линию низкого давления входят топливные баки 11 и 14, фильтры грубой 7 и тонкой 20 очистки топлива, топливоподкачивающий насос 17 и соединительные трубопроводы. Избыток топлива, подаваемый топливоподкачивающим насосом 17, вместе с попавшим в систему воздухом отводится в топливные баки 11 и 14 по трубопроводу 19 и 8. В бак 14 по трубопроводу 16 перепускается также топливо, просочившееся в полости пружин форсунок.
Рис. 2.44. Система питания двигателя ЯМЗ-238:
1 — форсунка; 2 — трубопровод подачи топлива к ТНВД; 3 — трубопровод отвода лишнего топлива от форсунок; 4 — трубопровод высокого давления (подача топлива к форсунке); 5 — ТНВД; 6 — трубопровод подачи топлива к подкачивающему насосу; 7 — фильтр грубой очистки топлива; 8 — трубопровод отвода лишнего топлива от фильтра тонкой очистки; 9 — трубопровод подачи топлива к фильтру грубой очистки; 10 — топливораспределительный кран; 11, 14 — топливные баки; 12 — трубопровод подачи топлива от левого бака к топливораспределительному крану; 13 — трубопровод слива топлива в левый бак; 15 — топливозаборник; 16 — трубопровод слива излишков топлива от форсунок; 17 — топливоподкачивающий насос; 18 — трубопровод подачи топлива к фильтру тонкой очистки; 19 — трубопровод отвода излишков топлива от ТНВД; 20 — фильтр тонкой очистки топлива; → — движение топлива
Процесс внутреннего смесеобразования в дизелях — это сложное явление, включающее в себя распыливание топлива и развитие топливного факела, прогрев, испарение, перегрев топливных паров и смешивание их с воздухом. При испарении и смешивании топлива в определенных пропорциях с воздухом обеспечивается быстрый и полный процесс сгорания топливной смеси. Практически начало смесеобразования совпадает с моментом начала впрыска топлива из распылителя форсунки, а окончание смесеобразования соответствует концу процесса его сгорания. Впрыскивание топлива происходит под действием перепада давлений в распыляющих отверстиях форсунок и камере сгорания.
Топливо должно быть раздроблено на мельчайшие капли, равномерно распределено в воздушной среде камеры сгорания и однородно распылено. Однако условия смесеобразования в дизелях менее благоприятны, чем в бензиновых двигателях. Основной причиной этого является то, что время распыливания, смесеобразования и сгорания в дизеле (0,001 …0,003 с) примерно в 10 раз меньше времени смесеобразования у бензиновых двигателей.
На качество распыливания оказывают влияние физические свойства газовой среды, которые к началу впрыскивания характеризуются высокими давлением (2,5…5,0 МПа), температурой (495…845 °С) и плотностью газа в камере сгорания. Исследованиями установлено, что распыливание улучшается при повышении давления впрыска, увеличении противодавления сжатого в камере сгорания воздуха, переходе к меньшим диаметрам сопловых отверстий форсунки. Однако с повышением плотности среды снижается дальнобойность струи из-за увеличения сил аэродинамического сопротивления, что ухудшает равномерность распределения топлива по камере сгорания. Значительное влияние на распыливание оказывает при пуске дизеля температура окружающей среды. При ее снижении вязкость топлива возрастает, что затрудняет подачу и ухудшает условия распыливания топлива.
Существенное влияние на распыливание топлива и его смешение с воздухом оказывают конструкция и техническое состояние топливной аппаратуры. Для улучшения процесса сгорания топлива в дизеле всегда работу ведут на бедных смесях (коэффициент избытка воздуха α >1,0), что приводит к понижению среднего эффективного давления и, следовательно, литровой мощности двигателя.
Качественное смесеобразование зависит во многом от конструкции камер сгорания. Форма их должна обеспечивать определенное направление и дальнобойность струи впрыскиваемого топлива, организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива при наименьшем количестве воздуха, плавное нарастание давления, умеренное максимальное давление при сгорании, минимальные тепловые потери. Различают неразделенные и разделенные камеры сгорания.
Неразделенные камеры сгорания имеют разные относительно простые формы (рис. 2.45) и выполняются в виде единого объема. Такие камеры обеспечивают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.
Рис. 2.45. Формы неразделенных камер сгорания:
а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — тороидальная (четырехтактные дизели ЯМ3 и АМЗ); в — сферическая (дизели типа MAN); г — коническая (типа ЦНИДИ); д — плоская (типа «Гессельман»); → — направление движения газа
При объемном смесеобразовании топливо распыляется в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания, приведенных на рис. 2.45, а, б, д.
Топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания из форсунки с рабочим давлением 15…20 МПа, имеющей многодырчатые распылители (пять —семь отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0,15…0,32 мм).
Камеры сгорания с непосредственным впрыском топлива имеют следующие основные достоинства: простую конструкцию головки цилиндра и компактную камеру сгорания; сравнительно низкие значения степени сжатия (ε = 13… 16); хорошие пусковые свойства вследствие меньших тепловых потерь.
К основным недостаткам таких камер следует отнести повышенные значения коэффициента избытка воздуха на номинальных режимах (α = 1,6…2,0); высокое давление, характерное для процесса сгорания (Pz = 8… 12 МПа); высокую жесткость работы двигателя; повышенную чувствительность к свойству топлива; большие давления впрыска, необходимые для качественного смесеобразования. Все это повышает требования к топливной аппаратуре.
Двигатели с камерами сгорания непосредственного впрыска, показанные на рис. 2.45, а, б, обладают интенсивным образованием вихрей в процессе сжатия, для них не требуются высокие давления впрыска (Pвпр = 12… 18 МПа), для них характерна умеренная скорость нарастания давления и высокая экономичность. На отечественных машинах непосредственный впрыск широко применяется в двигателях ЯМ3, КамАЗ, А-03МЛ и др.
При пленочном смесеобразовании почти все топливо (90…95%) при впрыске направляется в пристеночную зону и распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10… 15 мкм). При такой конструкции камеры сгорания форсунка смещена от оси цилиндра, и одна или две струи топлива направляются под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (рис. 2.45, в), чем достигается вращательное движение заряда. Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно движение заряда отсутствует и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой.
Такой двигатель в наибольшей степени приспособлен к работе на топливах различного фракционного состава, в том числе на бензине. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17…20 МПа.
Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, возможность использования более простой конструкции топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего на начальной стадии сгорания.
Комбинированное смесеобразование (объемно-пленочное смесеобразование) реализуется при уменьшенном диаметре камеры сгорания, когда одна часть распыленного топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое (рис. 2.45, г), а другая — в пограничном слое заряда. Струи распыленного топлива попадают на стенку под острым углом и совершают сравнительно малый путь. На конической поверхности камеры оседает примерно 50 % топлива. При впуске в камере вращательное движение заряда не создается, он приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, тогда движение заряда становится подобно вихрю, скорость которого может быть
40…45 м/с.
Отличительной особенностью пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, находящегося во взвешенном состоянии в объеме камеры сгорания. Именно это и приближает процесс к объемному смесеобразованию. Форсунки применяют с распылителями, имеющими три —пять сопловых отверстий.
Существенным недостатком таких камер является большая высота головки поршня из-за значительной глубины камеры сгорания и высокая тепловая напряженность поршня, цилиндра и горловины камеры сгорания.
Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные между собой каналом.
Основная полость камеры сгорания (50…60% общего объема камеры) образуется надпоршневым пространством головки блока двигателя и фасонной выемкой на днище поршня, а вспомогательная полость, расположенная в головке блока, имеет обтекаемую форму в виде шара или цилиндра. Теплота из области этой полости отводится охлаждающей жидкостью, циркулирующей в головке.
Разделенные (вихревые) камеры сгорания (рис. 2.46) получили наибольшее применение. Ось канала направлена по касательной к внутренней сферической поверхности, поэтому в ней создается направленное вихревое движение впрыснутого топлива. При сжатии воздух из основной полости движется в вспомогательную (вихревую) камеру. Проходя через канал со скоростью 100…200 м/с, воздух дополнительно нагревается за счет температуры горловины (600…650°С). Топливо впрыскивается через штифтовой распылитель и, увлекаемое вихревым воздушным потоком, интенсивно перемешивается с ним, самовоспламеняется и частично сгорает.
Рис. 2.46. Разделенная (вихревая) камера сгорания:
1 — головка блока; 2 — форсунка; 3 — клапан; 4 — поршень; 5 — блок-картер; →— направление движения газа
В результате воспламенения топлива давление в вихревой камере резко повышается, и горячий заряд начинает перетекать в основную полость камеры сгорания, где под воздействием вихревых потоков несгоревшая часть топлива перемешивается с недоиспользованным при горении воздухом и происходит быстрое его догорание. Процесс догорания в основной полости протекает в большой степени после ВМТ, что не вызывает резкого повышения давления над поршнем.
В дизелях с вихрекамерным смесеобразованием достигается бездымная работа при малых значениях коэффициента избытка воздуха (αmax= 1,15). Значительно снижаются требования к качеству распыливания топлива и применяются форсунки закрытого типа с одним сопловым отверстием большого диаметра (1…2 мм). Давление впрыска топлива составляет 12… 15 МПа и обеспечивается мягкая работа двигателя. Дизельные двигатели с вихрекамерным смесеобразованием являются наиболее быстроходными из всех дизелей.
Основные недостатки разделенных камер сгорания: низкие пусковые свойства в связи с интенсивным отводом теплоты; высокий удельный расход топлива из-за значительных затрат энергии на перетекание газов из одной полости в другую; сложная конструкция камеры сгорания и повышенные тепловые напряжения отдельных деталей.