Восьмицилиндровый дизельный двигатель ЯМЗ-238 в моторном отделении тягача МТ-ЛБ.
Смесь воздуха и топлива в цилиндрах дизельных двигателей образуется при условиях высокого давления, период смесеобразования при этом ограничен малым промежутком времени от момента начала впрыска топлива в камеру сгорания до момента начала его воспламенения (0,003–0,005 секунд).
Способы смесеобразования в дизелях
Различают два основных типа дизельных двигателей в зависимости от устройства камеры сгорания, которое определяет способ смесеобразования:
1) с неразделенными камерами сгорания, которые называются также дизельными двигателями с непосредственным впрыском топлива;
2) с разделенными камерами сгорания, подразделяющиеся, в свою очередь, на несколько разновидностей, из которых наиболее распространены вихрекамерные и предкамерные дизельные двигатели.
Смесеобразование в дизелях с непосредственным впрыском
У дизельных двигателей с непосредственным впрыском (рис. 1, а) топливо подается через форсунку 2 в расположенную под поршнем камеру сгорания 1, чья форма соответствует форме факела топлива, распиливаемого форсункой. Камера сгорания у дизелей этого типа обычно образуется углублением в днище поршня. Тонкое распыливание, хорошее смешивание с воздухом и из-за этого дальнейшее испарение и полное сгорание топлива у дизельных двигателей с непосредственным впрыском достигаются в основном за счет того, что топливо в цилиндр впрыскивается под большим давлением (у двухтактных двигателей ЯАЗ при максимальном числе оборотов — до 1 400 кг/см2) и при впрыске ему сообщается большое количество кинетической энергии.
Рис. 1. Устройство камер сгорания дизельных двигателей: в — вихрекамерного; б — предкамерного; а — с непосредственным впрыском топлива; 1 — камера сгорания неразделенная; 2 — форсунка; 3 — предкамера; 4 — основная камера сгорания; 5 — камера вихревая.
Смесеобразование в предкамерных дизелях
У предкамерных дизельных двигателей (рис. 1, б) в устройство камеры сгорания входят основная камера 4, находящаяся непосредственно над поршнем, и предкамера 3, сообщенная с основной камерой каналом небольшого сечения. Объем предкамеры составляет 25–40% всей камеры сгорания.
В полость предкамеры через форсунку 2 в конце такта сжатия впрыскивается топливо, которое загорается. Сгорает только 20–30% топлива из-за недостатка в предкамере воздуха. Давление при этом в предкамере увеличивается, газы с частицами не сгоревшего топлива перемещаются в основную камеру, где происходит смешивание с заполняющим ее воздухом и догорание.
В предкамерных дизельных двигателях хорошее распиливание и перемешивание с воздухом топлива достигается в основном за счет перетекания с большой скоростью газов по каналу, который соединяет с основной камерой сгорания предкамеру.
Смесеобразование в вихрекамерных дизелях
В устройство камеры сгорания у вихрекамерных дизельных двигателей (см. рисунок 1, в), как и у предкамерных дизелей, входят основная камера и вихревая камера 5, которая соединена с основной камерой широким каналом, который расположен тангенциально по отношению к полости вихревой камеры. У вихревой камеры объем достигает 70% от суммарного объема камеры сгорания цилиндра дизельного двигателя.
Интенсивное перемешивание с воздухом топлива, впрыскиваемого в вихревую камеру, у данных вихрекамерных дизельных двигателей достигается за счет вращательного движения воздуха, создаваемого во время такта сжатия в вихревой камере при перетекании из основной камеры сгорания 4 воздуха в нее. Частицы несгоревшего топлива и газообразные продукты сгорания после того как топливо загорается в вихревой камере перетекают в основную камеру. Там топливо догорает.
Недостатки и преимущества дизелей с разными способами смесеобразования
Недостатки и преимущества дизельных двигателей с разными способами смесеобразования состоят в следующем.
Благодаря тому, что у дизельных двигателей с непосредственным впрыском наименьшая по сравнению с другими типами дизелей поверхность стенок камеры сгорания и меньшие потери тепла через ее стенки при тактах сжатия и расширения, коэффициент полезного действия у них выше, а следовательно, расход топлива меньше. По этой же причине они в ход пускаются легче.
Процесс образования смеси в неразделенной камере сгорания дизельного двигателя и сгорание топлива происходит относительно быстро, в связи с этим дизели с непосредственным впрыском имеют возможность развивать большие мощность и количество оборотов в минуту, чем вихрекамерные и предкамерные дизельные двигатели равного литража. Из-за этих преимуществ дизельные двигатели с непосредственным впрыском более распространены на автомобилях (у дизельных двигателей ЯМЗ-238, ЯМЗ-236, ЯАЗ-206, ЯАЗ-204 непосредственный впрыск топлива).
У дизельных двигателей с непосредственным впрыском недостатками являются жесткость работы — достаточно быстрое нарастание давления, происходящее после начала впрыска топлива, которое вызывает резкий рост нагрузок на элементы кривошипно-шатунного механизма, сопровождаемое типичным шумом, а также высокие требования к топливной аппаратуре, которые связаны с необходимостью получения при впрыске топлива высоких давлений.
У дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания преимуществами являются мягкая работа, обусловленная более плавным нарастанием в цилиндрах давления во время сгорания топлива, по сравнению с дизельными двигателями с непосредственным впрыском, и возможность снизить требования, предъявляемые к топливной аппаратуре, так как хорошее перемешивание с воздухом топлива в разделенных камерах сгорания двигателя дает возможность осуществлять впрыск топлива при несколько меньшем давлении (около 75–130 кг/см2).
Одновременно с этим у дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания есть такие недостатки: мощность и коэффициент полезного действия меньше, чем у дизелей с непосредственным впрыском, запуск двигателя более трудный.
Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания часто используют для тракторов и намного реже для автомобилей. Для примера можно вспомнить про венгерские автобусы «Икарус» и самосвалы-думперы «Чепель», где установлены предкамерные дизельные двигатели.
