Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания. Камеры сгорания двигателя


Камеры сгорания бензиновых двигателей - Теория ДВС - Каталог статей

Если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому стремятся создать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня – образовать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся раннее зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции – обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней.

Г. Р. Рикардо определил важность турбулизации заряда уже на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания. Камера сгорания «Рикардо», примененная в двигателях с боковыми клапанами, значительно улучшила их параметры. Компактная, расположенная над клапанами, она имела небольшую поверхность отвода теплоты к охлаждающей жидкости, а турбулентность, создаваемая вытеснителем, ускоряла сгорание. Завихривание горячего газа около стенок камеры сгорания, хотя и увеличивает отдачу теплоты в них, но при этом позволяет повысить степень сжатия, что с избытком компенсирует некоторый рост тепловых потерь в стенки.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания выполняются с клапанами, расположенными в головке цилиндров, и распределительными валами, размещенными в блоке цилиндров (схема OHV) или в его головке (схема OHC). Камера сгорания при этом образована над днищем поршня. Для упрощения механизма газораспределения клапаны чаще всего располагают на продольной оси двигателя и камера сгорания под ними обычно выполнена ваннообразной. Для облегчения доступа к свече зажигания иногда она расположена сбоку камеры сгорания, а на противоположной свече стороне между поршнем головкой блока цилиндров образован вытеснитель. Заряд, вытесняемый из него в конце сжатия, направлен к свече зажигания и обогащает смесь вблизи нее. Такие ваннообразные (плоскоовальные) камеры сгорания с небольшими изменениями применяют практически у всех современных двигателей.

Так называемая клиновая камера сгорания, полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов, показана на рис. 1. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на Решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.

Рис. 1 Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания

Широко применявшаяся ранее полусферическая камера сгорания также претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД. На рис. 2 приведен пример классического исполнения полусферической камеры сгорания.

Рис. 2 Полусферическая камера сгорания

У современных гоночных автомобилей эта камера сгорания значительно изменена. Для уменьшения сил инерции в клапанном механизме применяют четыре клапана в одном цилиндре, что приводит к образованию камеры сгорания так называемой шатровой формы. В ней можно разместить одну свечу зажигания непосредственно на оси цилиндра. Для получения в таких камерах высоких степеней сжатия днище поршня имеет выпуклую форму, и в нем делаются выемки для клапанов. В связи с этим поршень становится достаточно массивным, что при четырехклапанном варианте вызвало переход к шатровой камере сгорания с малым углом – около 20° между рядами клапанов. Использование такой камеры сгорания обеспечивает большое проходное сечение седел клапанов, малую массу деталей механизма газораспределения, пригодного для высоких частот вращения – до 12000 мин-1, малую поверхность камеры сгорания без больших выемок под клапаны и малую массу поршня. Если при такой конструкции клапан не закроется, то поршень ударит по нему, но не изогнет и, следовательно, не вызовет серьезного повреждения дорогостоящей головки цилиндра.

Для двигателей гоночных автомобилей важным является быстрый процесс сгорания, также обеспечиваемый сильной турбулизацией заряда. При этом ось вращения заряда должна быть параллельна оси коленчатого вала, а ось впускной трубы – максимально возможно приближена к оси впускного клапана. На рис. 3 изображена подобная камера сгорания.

Рис. 3 Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанами

Если применяется полусферическая камера сгорания в двухклапанном исполнении, то оси клапанов не должны пересекаться с осью цилиндра. Чаще всего клапаны слегка отклонены от оси цилиндра, расположены в сферической части камеры и их углубление в поршень в этом случае невелико. Под выпускным клапаном в днище поршня делается небольшая выемка и зазор между поршнем и головкой обеспечивает завихривание заряда, необходимое для мягкой работы двигателя. Классическая же полусферическая камера сгорания характеризуется жесткой работой двигателя.

Для сжигания сильно обедненных смесей было разработано несколько новых видов камер сгорания. Большей частью они характеризуются стремлением достичь в объеме камеры послойного распределения заряда с образованием вблизи свечи зажигания богатой смеси. Часто эти камеры имеют форму тел вращения и располагаются в днище поршня. Пример подобной камеры приведен на рис. 4. Тангенциальное расположение впускного канала относительно цилиндра обеспечивает вращение заряда вокруг оси цилиндра, усиливающегося еще больше в ВМТ после вытеснения заряда с периферии цилиндра в камеру, диаметр которой меньше диаметра цилиндра. Свеча зажигания располагается в зоне камеры, где смесь обогащена. Головка цилиндра выполнена плоской, и выход потока из клапанной щели не тормозится ни стенкой цилиндра, ни стенкой камеры сгорания. Сразу же после открывания клапана его сечение открыто для прохода газового потока, за исключением зоны вблизи стенки цилиндра, однако это не имеет принципиального значения, так как поворот впускного канала не направлен в эту сторону.

Рис. 4 Бензиновый двигатель с цилиндрической камерой сгорания в днище поршня

Поршень с расположенной в днище камерой сгорания имеет большую массу и его температура выше, чем температура стенки камеры сгорания, размещенной в головке цилиндра. Последнее вызывает ухудшение теплоотдачи от газа к головке цилиндра и уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения.

Размер клапана в головке цилиндра обусловлен диаметром цилиндра. Тарелка клапана не должна выступать за окружность цилиндра, так как при этом растет площадь охлаждения и ухудшается очистка цилиндра. Большие размеры клапана, кроме того, непрактичны, так как значительная часть его периметра заслоняется стенкой камеры сгорания.

Увеличения диаметра впускного клапана можно достичь за счет уменьшения диаметра выпускного клапана, который может быть на 15 % меньше, чем впускной. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно высокое, и хорошая очистка цилиндра может быть обеспечена и при уменьшенном сечении клапана. Кроме того, у выпускного клапана меньшего размера также меньше и деформация седла, и он быстрее охлаждается.

Клапаны наибольших размеров можно получить в полусферической камере сгорания, у которой диаметр впускного клапана может достичь 0,64, а выпускного – 0,54 диаметра цилиндра. При меньшем развале осей клапанов, а также при наличии седел клапанов у алюминиевых головок диаметры клапанов на 10 % меньше приведенных выше величин.

ldsto.ru

Камера сгорания форсированного двигателя | Двигатель автомобиля

Конструктивно, по своей конфигурации, камера сгорания при применении наддува может и не изменяться. Однако газоплотность пространства цилиндра, в котором идёт процесс сгорания, существенно определяется работой уплотнительных (компрессионных) колец. Изменение положения камеры в поршне относительно факелов топлива из форсунки (что происходит при снижении положения поршня при снижении степени сжатия, а значит, и смещении кромок его камеры относительно положения распылителя форсунки) может существенно изменить параметры процесса сгорания. В процессе модернизации двигателя и проверочных разборок его узлов следует обратить внимание на качество процесса сгорания в цилиндре, которое отражается на появлении зон интенсивного нагарообразования, покрытия сажей участков крышки цилиндра и торца поршня. При нормальном сгорании все поверхности камеры сгорания покрываются равномерным слоем сажи. Наличие участков со значительным утолщением слоя сажи свидетельствуют о ненормальном смесеобразовании — сгорании в цилиндре, наличии зон переобогащения смеси. Зоны белого (светлого) тона говорят о полноте сгорания, о повышенном коэффициенте избытка воздуха. На эти зоны следует обращать внимание, так как именно в них возможна термическая перегрузка, окисление металла, оплавление. Следовательно, нужно принять меры к снижению интенсивности сгорания в этих зонах. Часто эти зоны располагаются вблизи выпускного клапана, что приводит к его термическим перегрузкам. Иногда они свидетельствуют о попадании факела топлива на стенку камеры сгорания. Зоны, покрытые большим количеством сажи, т. е. зоны сгорания богатых смесей, имеют пониженные температуры из-за недостатка воздуха. В результате по поверхности камеры сгорания возникает градиент температур, а значит, термические напряжения. Недогоревшее топливо в виде сажи, лаковых образований может попадать в пространства кольцевых канавок, вызывая залегание колец и последующий выход двигателя из строя.

Задача такого исследования и анализа — выявить пути воздействия на процессы смесеобразования — сгорания (изменить топливную аппаратуру, изменить что-то в системе охлаждения двигателя в целом и элементов его камеры сгорания и т.д.).

Одним из важнейших элементов здесь является применение компрессионных колец трапецеидальных (для первого, «огневого» кольца), использование покрытия колец хромом или молибденом (для уменьшения износов) или покрытия антифрикционным сплавом (фосфористо-оловянистой бронзой), применение прогрессивных торсионных колец. Применением антифрикционного сплава не только ускоряется приработка колец, но зеркало цилиндра покрывается плёнкой антифрикционного металла, который снижает потери на трение, а также увеличивает теплопроводность в зоне контакта кольца с зеркалом цилиндра.

Одной из причин вынужденного изменения конфигурации камеры сгорания является необходимость размещения в ней клапанов в момент их открытого состояния. Причём необходимые для этого полости оказываются больше, чем в двигателе без наддува, так как изменяются фазы газообмена, увеличивается время-сечение открытия клапанов, то есть величина подъёма клапана и т.д. На рисунке показано влияние изменения фаз газообмена на возможность столкновения поршня с клапаном, а следовательно, на необходимость иметь в поршне соответствующие углубления (полости) под открытый клапан. В двигателе без наддува при опережении открытия клапана фвп=5′ до ВМТ клапан в ВМТ открывается на 7 мм.

В результате лишь 2 мм утапливания клапана в поршень нужно для исключения столкновения поршня с клапаном.

Рис. Влияние изменения фазы газообмена на необходимость углубления клапана в поршне

В двигателе с наддувом клапан открывается за 15° до ВМТ. Полный ход, равный 10 мм, должен быть обеспечен соответствующей полостью в поршне. На рисунке показан объём, который должен быть обеспечен полостью в поршне для размещения в нём клапана. Очевидно, что этот дополнительно освобождаемый объём должен учитываться при пересчёте степени сжатия при модернизации двигателя наддувом.

Рис. Заштрихованная зона показывает зону взаимодействия клапана с поршнем, а значит, необходимость создания полости для клапана

Схема взаимодействия между поршнем и клапаном приведена на рисунке. Видно, что по мере приближения поршня к ВМТ в процессе выпуска, расстояние между его верхней плоскостью и днищем крышки цилиндра уменьшается, и поршень приближается к тарелке клапана даже при его закрытом положении. За 5° до ВМТ клапан начинает открываться (опускаться по приведённой схеме), и в точке 1, за 3,5° до ВМТ, возможно столкновение тарелки клапана с поршнем.

Рис. Схема взаимодействия между поршнем и клапанами: 1 — точка начала взаимодействия.

Это происходит несмотря на наличие повышенного зазора «е» между крышкой цилиндра и днищем поршня (для снижения Е). Следовательно на участке 1-m далее полость в поршне размером i должна обеспечивать отсутствие удара поршня о клапан.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в производстве двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: камера сгорания образована дном поршня 1, головкой 2 цилиндра 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на которой нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой 5 высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, имеющего рифленную рабочую поверхность, покрытую слоем 6 из высокотемпературопроводного металла, другая поверхность слоя 5 снабжена теплоотражателем 7. Изобретение обеспечивает: повышение топливной экономичности, переход на нетрадиционные виды топлива, например воду, снижение и исключение выбросов в атмосферу вредных газов. 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к камерам сгорания с теплоизоляцией.

Известна камера сгорания, у которой поверхность и дно поршня снабжены теплоизолирующим керамическим покрытием с нанесенным на ее поверхность слоем металла, обладающим высокой теплоемкостью [1]. Такое техническое решение несколько снижает количество тепловой энергии, получаемой деталями двигателя: цилиндром, головкой цилиндра, поршнем, а тепловая передача, запасенная слоем металла с высокой теплоемкостью, передается порцией свежего заряда, несколько повышая топливную экономичность, однако сколько-нибудь значительной топливной экономичности такое решение не позволяет обеспечить, т.к. интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материала стенок, интенсивностью теплообмена на границе рабочие газы - стенка, а материалы, обладающие высокими значениями теплоемкости, имеют низкие значения температуропроводности, следовательно, и низкой отдачи тепла свежему заряду. Наиболее близким техническим решением является камера сгорания [2], ограниченная дном поршня, цилиндром, его головкой и снабженная теплоизолирующим керамическим покрытием, на которое нанесен наружный контактирующий с рабочими газами теплопередающий слой из высокотемпературопроводного металла. Такое техническое решение не позволяет существенным образом повысить температуру камеры сгорания и максимальным значением отдать тепло свежему заряду, ведь интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материалов стенки, интенсивностью теплообмена на границе поверхность стенок - газ. В техническом решении, принятом за прототип, рабочие газы контактируют со слоем металла, обладающего высокой температуропроводностью, нагрев камеры сгорания осуществляется за счет теплового излучения горящих газов и поверхностью контактирования рабочих газов со стенками камеры сгорания. Покрытая высокотемпературопроводным материалом камеры быстро нагревается, но также быстро отдает тепло газам на такте выхлопа и не позволяет аккумулировать тепло для увеличения температуры, а поверхность такой камеры не способствует увеличению съема тепла и его отдачи свежему заряду. В целом такая камера хоть и повышает температуру, но недостаточна для существенного улучшения тепловой экономичности и не создает температурных условий для перехода на нетрадиционные виды топлива. Новым техническим результатом является максимальное увеличение температуры стенок камеры сгорания, эффективный съем тепла свежим зарядом и возможностью использования нетрадиционных видов топлива, например воды. Результат достигается тем, что камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная дном поршня, головкой цилиндра и снабженная теплоизолирующим керамическим слоем, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой, выполненный из высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, одна поверхность которого, контактирующая с рабочими газами, выполнена с глубоким рифлением и покрыта слоем высокотемпературопроводным металлом, другая, контактирующая с теплоизолирующим керамическим слоем, снабжена теплоотражателем. Такое выполнение позволяет значительно улучшить топливную экономичность за счет аккумулирования тепловой энергии. Эффект объясняется тем, что, по-первых, при горении топливной смеси осуществляется максимальный отбор тепловой энергии за счет интенсивного нагрева поверхностного слоя с высокой теплопроводностью и увеличенной рифленой поверхностью; во-вторых, теплоотражатель не только ограничивает теплоблок в стенки двигателя, но и аккумулирует тепловую энергию в высокотемпературном с высокой теплоемкостью слое металла, а за счет рифленой поверхности камера сгорания вследствие более интенсивного теплообмена на границе поверхность стенок - газ отдача тепловой энергии свежему заряду значительно возрастает; в-третьих, значительное повышение температуры стенок камеры сгорания позволяет перейти на нетрадиционные виды топлива; в-четвертых, слабый теплосток в стенке двигателя снижает его температуру. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом камеры сгорания в продольном разрезе. Камера сгорания ДВС образована дном поршня 1, головкой 2 цилиндра 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой 5 высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, имеющего рифленую рабочую поверхность, покрытую слоем 6 из высокотемпературопроводного металла, другая поверхность слоя 5 снабжена теплоотражателем 7. При работе двигателя с предлагаемой камерой сгорания при нахождении поршня 1 вблизи мертвой точки на конечной стадии сжатия свежего заряда, его воспламенения и начального максимального тепловыделения высокотемпературопроводный слой 6, имея глубокорифленую поверхность, будет интенсивно нагреваться, следуя за температурой рабочего газа, и интенсивно передавать тепло в слой 5, высокотемпературный и с высокой теплоемкостью, а теплоотражатель 7 возвращает тепловую энергию в слой 5, существенным образом уменьшая тепловой сток в стенки двигателя. Тепловая энергия, таким образом, накапливается камерой сгорания за каждый цикл работы двигателя. Естественно, что с каждым циклом будет повышаться температура камеры сгорания. Свежий заряд, попадая в камеру сгорания, интенсивно нагревается как за счет увеличенной (минимум в 1,5-2 раза) рифленой поверхности слоя 6, так и за счет высокого уровня температуры этого же слоя с высокой температуропроводностью. При достижении камерой сгорания наивысшей температуры (порядка 950oC) может осуществляться впрыск воды. При высокой температуре вода разлагается на кислород и водород, и этим обеспечивается наивысшая топливная экономичность и экологичность двигателя. Наконец, в работе двигателя наступает тепловой баланс, при котором уравнивается теплоотдача горящих газов и отвод тепла стенками двигателя, ротор тепла свежим зарядом и отвод тепла газами на выхлопе. Форма рифленой поверхности может быть пирамидальной, как наиболее технологичной в изготовлении, а камера сгорания может иметь датчик температуры (термопару) для управления и регулирования режима работы двигателя. Использование предлагаемой камеры сгорания ДВС обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: максимальное увеличение температуры камеры сгорания за счет аккумулирования тепловой энергии и уменьшения теплостока в стенки двигателя, интенсивный объем тепловой энергии в момент тепловыделения и возврат стенками камеры сгорания предельно возможной тепловой энергии свежему заряду, переход на нетрадиционные виды топлива, например воду, снижение тепловых динамических нагрузок на двигатель. Отмеченные преимущества позволяют в значительной степени экономить топливо, снизить и исключить выброс в атмосферу вредных газов. К недостаткам можно отнести то, что некоторые существующие сегодня двигатели с расположенными клапанами в головке занимают в ней достаточную площадь, снижая эффективность применения предложенной камеры.

Формула изобретения

Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная дном поршня, головкой цилиндра и снабженная теплоизолирующим керамическим слоем, отличающаяся тем, что на керамическое покрытие нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой, выполненный из высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, одна поверхность которого, контактирующая с рабочими газами, выполнена с глубоким рифлением и покрыта слоем высокотемпературопроводного металла, другая, контактирующая с теплоизолирующим керамическим слоем, снабжена теплоотражателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Конструкция камеры сгорания дизельного двигателя

Камера сгорания должна:

  • создать необходимую степень сжатия;
  • обеспечить необходимую турбулентность;
  • правильно расположить и оптимально скоординировать действие клапанов и инжектора.

Эти требования взаимозависимы. Турбулентность обычно получается за счет факторов объема. Конструктивно сложные утопленные впускные клапаны или касательно направленные воздушные каналы создают препятствия воздушной струе к поэтому мало пригодны для применения на быстродействующих двигателях.

Чтобы помочь в вентилировании камеры, могут использоваться четыре или даже шесть клапанов на цилиндр. Преимущество такой конструкции состоит в сохранении центрального положения инжектора — желательной цели для двигателей прямого впрыска. Напротив, увеличение размеров клапана и связанный с этим его высокий подъем, помимо механических проблем, обычно требуют специальных пазов на поршне для создания воздушных потоков.

Полусферическая камера сгорания помогает увеличить область, доступную для клапанов, за счет использования бокового инжектора. Камеры предварительного сгорания, будь то воздушный элемент или камера «вихревою сгорания», имеют общий недостаток. Температурные нагрузки в этой области чрезвычайно высоки, и камеры склонны к отказу из-за нарушения свойств металла — по крайней мере, находятся в состоянии риска с того момента, как они обязаны создавать «горячую точку», чтобы помочь сгоранию. Не существует никакого уникального решения, и получающаяся в итоге камера сгорания — всегда компромисс.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Камера сгорания - это... Что такое Камера сгорания?

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Камера сгорания — объём, образованный совокупностью деталей двигателя или печи (в последнем случае камера сгорания называется топкой) в котором происходит сжигание горючей смеси или твердого топлива. Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма/печи в целом; как правило используются жаропрочные материалы. Камера сгорания - устройство предназначеное для организации процеса горения ТВС.

Камеры сгорания ГТД

Типичная схема

Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создается дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идет на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.

Стехиометрическая камера

Форсажная камера

Для увеличения тяги в турбореактивном двигателе за турбиной можно поместить вторую, т.н. форсажную камеру сгорания, в которой газ может нагреваться до такой же температуры, как и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Форсажная камера представляет собой цилиндрическую трубу с соплом регулируемого сечения на выходе.

Требования к камере сгорания ГТД

Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:

  1. Высокое значение коэффициента полноты сгорания η, равного отношению энергии, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива к теплотворной способности топлива. Типичные значения η — 0,98..0,99.
  2. Малые потери полного давления , так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6% (прямоточные), 8% (двухконтурные двигатели).
  3. Малые габариты камеры для облегчения веса. При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.
  4. Обеспечение широкого диапазона изменения параметров (расхода воздуха, топлива) — обеспечение возможности работать на разных режимах: , где L0 — стехиометрический коэффициент (количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, принимается ≈0,1488).
  5. Обеспечение заданной эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат).
  6. Надёжный запуск камеры при температурах до -60 °С, в том числе полетный запуск на высоте 7 км.
  7. Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).
  8. Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, CnHm, NOx.
  9. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
  10. Определенный срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Литература

Михайлов А.И. и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей: Труды Московского ордена Ленина авиационного института имени Серго Орджоникидзе, вып.106. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959.

dic.academic.ru

камера сгорания поршневого двигателя - патент РФ 2299337

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к разработке и проектированию камер сгорания топлива поршневых двигателей, преимущественно с искровым зажиганием. В предлагаемой камере длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении: l0=((s/(C 0-1)-s0)*d2 )(1/3), а максимально допустимая степень сжатия С0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением 1,118((s/(C0-1)-s 0)*d2)1/3-a+b*С 0=0, где l0 - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, s - величина хода поршня. С 0 - допустимая степень сжатия, s0 - размер надпоршневого зазора, d - диаметр поршневого цилиндра; а и b - эмпирические коэффициенты, определяемые из анализа двигателей-аналогов, например, типа 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм. Применение предлагаемой камеры сгорания в карбюраторном двигателе 44 7,8/7,8 увеличивает эффективный КПД его на 9,3%, мощность и крутящий момент двигателя на 10,2%, снижает удельный расхода топлива на 8,5%. Изобретение обеспечивает минимальную поверхность охлаждения объема камеры сгорания, достижение максимальных значений коэффициента использования тепла камер и бездетонационную степень сжатия. 2 ил., 2 табл.

Рисунки к патенту РФ 2299337

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а конкретно - к камерам сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания преимущественно с искровым зажиганием, и может быть использовано для бензиновых двигателей при впрыске топлива.

Известны плоскоовальные и грушевидные камеры сгорания [1]. Камеры сгорания такой конструкции характеризуются достаточной площадью поверхностей вытеснителя, составляющей (20...25)% от площади торца поршня. Дальнейшее увеличение площади вытеснителя приводит к уменьшению зазоров между тарелкой клапана и стенкой камеры сгорания, а также к уменьшению размеров клапанов. Такие конструктивные особенности ухудшают наполнение поршневого цилиндра, что совершенно не допустимо для современных высокооборотных двигателей [2. С.4].

Известна клиновая камера сгорания, которая может выполняться с повышенными зазорами между тарелкой клапана и стенкой камеры без ухудшения ее компактности, что обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление при входе рабочей смеси в поршневой цилиндр [2. С.5]. Ряд важных преимуществ клиновой камеры определил широкое ее применение на автомобильных двигателях. При такой камере бездетонационная работа двигателя зависит от большого количества взаимосвязанных параметров, среди которых наиболее важным является максимальное расстояние, проходимое фронтом пламени [3. С.257]. Данное расстояние немного меньше диаметра поршневого цилиндра для значений степени сжатия до 10:1 и примерно равно половине диаметра при больших значениях степени сжатия [3. С.266]. В частности, в клиновой камере двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:

где hк - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания; Ск - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 1).

Клиновая камера характеризуется следующими недостатками.

1. Несмотря на эффекты пульсации и образование турбулентностей, при сжатии в такой несимметричной камере, для обеспечения достаточно быстрого сгорания топлива, которое позволило бы исключить детонацию при высоких степенях сжатия смеси, требуются дополнительные меры по увеличению интенсивности турбулентности [3. С.300].

2. Потери тепла в клиновой камере сгорания приближаются к максимальным, так как отношение площади поверхности стенок к ее объему слишком велико, что недопустимо для современных двигателей с компактными камерами сгорания [4. С.62]. Увеличение отношения площади поверхности охлаждения камеры к ее объему приводит к возрастанию тепловых потерь, снижению температуры смеси на такте сжатия, ухудшению экономичности, а также вызывает большую чувствительность к вязкости масла и температуре охлаждающей воды [9. С.16].

3. Завышенная несимметричность клиновой камеры исключает минимальную удаленность точек наружной поверхности камеры от свечи зажигания [5. С.112], что не допустимо для современных двигателей с высокой степенью сжатия, для которых достижение минимального расстояния, проходимого фронтом пламени, является наиважнейшим требованием [3. С.266].

Известна камера сгорания с лучшими показателями, например, шатровая [5. С.120]. В такой камере размещаются клапаны увеличенного размера, а отношение площади поверхности камеры к ее объему не велико. Камера отличается малым расстоянием продвижения фронта пламени и обеспечивает хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, так как этому не препятствуют стенки цилиндра и камеры сгорания. Шатровая камера имеет меньший путь фронта пламени даже при рабочем объеме цилиндра, превышающем рабочий объем клиновой камеры.

В шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10 [7] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:

где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере, Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 2).

Шатровая камера не подходит для двигателей с повышенной степенью сжатия, так как зона горения становится узкой, пламя рано гасится, сильно увеличивается выделение углеводородов. Данная конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9:1. [3. С.298].

Значения максимального пути фронта пламени и степени сжатия по уравнениям (1, 2) позволяют приближенно оценить взаимосвязь между ними в виде

где б и Сб - длина пути условного фронта пламени и бездетонационная степень сжатия; а и b - эмпирические коэфициенты, определяемые из анализа двигателей - аналогов, например, 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм.

За прототип принимается камера сгорания поршневого двигателя с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную полость цилиндрической формы, продольная ось которой перпендикулярна к оси цилиндра [8]. Площадь поверхности такой полости, ее диаметр и длина пути пламени определяются формулами:

где Fц, Vц , dц, hц - соответственно, площадь охлаждения, объем, диаметр и длина пути фронта пламени. При hц=lб, С ц=Сб, Vц=(s/(С ц-1)-s0)* *d2/4 [6] из выражений (3, 5) следует трансцендентное уравнение для определения степени сжатия прототипа

где s - ход поршня, Сц - бездетонационная степень сжатия прототипа, s 0 - надпоршневой зазор, d - диаметр поршневого цилиндра.

Значения площадей наружных поверхностей сравниваемых камер позволяет определить коэффициент использования тепла для цилиндрической камеры прототипа. Из работы [10] и принципа подобия [5. С.187] следует:

где ц, к - коэффициенты использования тепла камер прототипа и клиновой, Fk - площадь наружной поверхности клиновой камеры (Приложение 1). Для цилиндрической камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] при ориентировочной длине l ц=78 мм результаты расчетов по уравнениям (4, 5, 6, 7) приведены в табл.1. Видно, что камера по прототипу имеет лучшие возможности для увеличения степени сжатия и коэффициента использования тепла по сравнению с клиновой и шатровой камерами.

Камера сгорания по прототипу характеризуется следующими недостатками.

1. Торцевая поверхность поршня, обращенная к камере сгорания, снабжена выступающим вытеснителем, который увеличивает массу поршня, а следовательно, и силы инерции, что ухудшает массогабаритные показатели двигателя. Размещение камеры сгорания на данном выступе и примыкающей к нему выемке поршня повышает отдачу тепла в область расположения поршневых колец, что способствует высокооборотной детонации и последующего калильного зажигания [3. С.299]. Производство фигурных поршней сложнее и дороже производства поршней с плоским днищем. При таких поршнях возникает опасность неравномерного прогрева поршней, что уменьшает их надежность и долговечность. Фигурные поршни усложняют стыковку блока цилиндров и его головки [11. C.14].

2. Из выражения (4), определяющего площадь Fц, видно, что при изменении длины l ц от нуля до размера диаметра поршневого цилиндра площадь Fц может принимать минимальное значение, например, при lц=l0 . Однако длина l0 не определена, ее связь с величиной степени сжатия не установлена, поэтому определить максимально допустимую бездетонационную степень сжатия по уравнению (6) и максимальный коэффициент по уравнению (7) не представляется возможным, что исключает повышение мощностных и экономических показателей путем увеличения степени сжатия топливовоздушной смеси.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальной поверхности охлаждения заданного объема камеры сгорания и минимального пути в ней условного фронта пламени, что обеспечивает достижение максимальных значений коэффициента , и бездетонационной степени сжатия по уравнениям (6, 7).

Для достижения указанного технического результата в камере сгорания, содержащей образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическю полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении:

а максимально допустимая степень сжатия С 0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением

где lo - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, d - диаметр поршневого цилиндра, s - величина хода поршня. С0 - допустимая степень сжатия. s0 - размер надпоршневого зазора. Для камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6], отличающейся равенством диаметра и длины ее цилиндрической полости, результаты расчета по уравнениям (4, 5, 7) с учетом выражений (8, 9) приведены в табл.1.

Табл.1
Камераlц/l 0, ммdц/d 0, ммhц/h 0, ммFц/F 0, мм2С ц/С0ц/0
По прототипу7824,4341 46,02206925,24 9,70,9354
Предлагаемая34,1930 34,193038,22895509,54 10,90,9486

Из табл.1 видно, что отличительный признак, выраженный равенством длины 0 цилиндрической полости камеры и ее диаметра d0, обеспечивает положительный эффект в виде уменьшения поверхности F0 охлаждения цилиндрической полости и сокращения пути в ней условного фронта пламени, что повышает коэффициент 0 использования тепла на 1,4%, а бездетонационную степень сжатия С0 на 12,4%.

На фиг.1 изображена предлагаемая цилиндрическая камера в разрезе по плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической полости камеры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 при размещении поршня в верхней мертвой точке.

Камера сгорания содержит основную цилиндрическую полость 1, образованную выемками в головке блока 2 и в поршне 3, причем продольная ось цилиндрической полости расположена перпендикулярно к продольной оси 4 поршневого цилиндра 5. К основной полости 1 примыкает надпоршневой зазор 6, образованный сводом 7 головки блока 2 и торцом 8 поршня 3. В цилиндрической полости 1 установлена свеча зажигания 9 для воспламенения топливовоздушной смеси, а рядом с ней - клапана 10, например, разноименные. Цилиндрическая полость 1 (фиг.2) ограничивается длиной l0 , равной величине диаметра d0, а площадь F0 наружной поверхности полости и максимальная длина h0 пути в ней условного фронта пламени, ее коэффициент 0 использования тепла определяются выражениями:

Оптимальная длина l0 предлагаемой камеры определяется путем дифференцирования функции F ц (4) при условии lц=l 0, приравнивания нулю производной от функции F ц и решения полученного алгебраического уравнения вида V/l02=( *V/l0)(1/2) /2, из которого при V=(s/(С0-1)-S 0)* *d2/4 [6] следует

где l0 - оптимальная длина цилиндрической полости. С0 - оптимальная степень сжатия топливовоздушной смеси. Подставляя значение h 0 из (10) в эмпирическое уравнение (3) с применением замены lб=h0 получаем трансцендентное уравнение для определения бездетонационной степени сжатия С 0 предлагаемой камеры

Уравнения (10, 11, 12) позволяют по аналогу и исходным параметрам: диаметру поршня, величине его хода, надпоршневому зазору; выполнить камеру с минимальной длиной пути фронта пламени, с максимально допустимой бездетонационной степенью сжатия, с повышенным коэффициентом использования тепла.

При работе двигателя на такте сжатия топливовоздушная смесь перетекает из надпоршневого объема в объем цилиндрической полости 1. Вследствие радиальной поверхности полости 1 и тангенциального входа смеси в полости 1 образуется интенсивное ее вращение относительно продольной оси полости. Скорость вращения значительно усиливается при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке, что снижает газодинамические потери и способствует улучшению смесеобразования и увеличению скорости распространения пламени. После зажигания от свечи топливовоздушной смеси и последующего ее сгорания продукты горения топлива тангенциально выбрасываются под возросшим давлением в надпоршневой зазор 6, где они совершают полезную работу в форме преоделения сопротивления поршня своему перемещению.

Сокращение периода видимого сгорания топлива приводит к повышению антидетонационных качеств, что позволяет при заданном октановом числе топлива увеличить степень сжатия и, таким образом, повысить мощностные и экономические показатели двигателя. В табл.2 приводится сравнение аналога и двигателя с предлагаемой камерой, где эффективные показатели сравниваемых двигателей и их основные параметры определены по методике работы [6]. Из табл.1 видно, что использование предлагаемой камеры в карбюраторном двигателе [6], отличающейся минимальной площадью наружной поверхности и минимальной длиной пути фронта пламени, повышает мощность двигателя на 11,2%, снижает удельный расхода топлива на 9,2%, а эффективный КПД увеличивает на 10,2%.

Табл.2
ХарактеристикаОбозначение Двигатель
1Марка двигателя  4Ч 7,8/7,84Ч 7,8/7,8
2Номинальные обороты коленвала, об/минn 56005600
3Сорт бензина  АИ-93АИ-93
4Конструкция камеры в головке цилиндра Клиновая Предлагаем
5 Размер надпоршневого зазора, мм s01,3 1,3
6Бездетонационная степень сжатия 8,510,9
7Максимальный путь фронта пламени, мм h53,98 38,23
8Объем клиновой и цилиндрической полости, куб. мм V4348331398
9Площадь клиновой и цилиндрической полости, кв. ммF 96555509
10Коэффициент использования тепла 0,910,9486
11Механические потери, МПаpm 0,19850,1985
12Среднее эффективное давление, МПа 0,8690,9662
13Эффективный КПД е0,272 0,2998
14 Эффективный расход топлива, г/(квт*час) ge301 273
15Мощность двигателя, кВтNe 60,4267,22
16Литровая мощность, кВт/л 40,5545,09
17Крутящий момент, Н*м Me103,1 114,63

Источники информации

1. Сухарева Л.С. Влияние формы камеры сгорания на склонность карбюраторного двигателя к детонации. // Автомобильная промышленность. №10, 1964, с5.

2. Дмитриевский А.В. Камеры сгорания бензиновых двигателей. НИИНавтопром. Серия: "Автомобилестроение". М., 1967, 34 с.

3. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера. Пер. с английского. М.: Машиностроение, 1988, 509 с.

4. Дмитриевский А.В. Автомобильные двигатели. М.: Астрель. А.С.Т. 2003, 127 с.

5. Мацкерле Ю. Современный экономичный двигатель. Пер. с чешского В.Б.Иванова. М.: Машиностроение, 1987, 318 с.

6. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2003, 496 с.

7. Баклушин А.Ф. и др. Двигатели ЗМЗ для автомобилей "ГАЗель" и "Соболь". М.: ООО "Атласы автомобилей", 2000, 224 с.

8. Описание изобретения к авт. св. №337547, кл. F02b 23/08, оп 05.05.72. Бюл. №15.

9. Семенов Б.Н., Павлов Е.П., Копцев В.П.. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Л.: Машиностроение, 1990, 240 с.

10. Исследование влияния различных форм камер сгорания на параметры рабочего процесса дизеля. Отчет №61. НАМИ. М., 1949, с.

11. Сухарева Л.С. Камеры сгорания автомобильных карбюраторных двигателей. НИИНАВТОсельхозмаш. Серия "Автомобилестроение". М., 1965, 30 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Камера сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическую полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, отличающаяся тем, что длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем отношении:

l0=((s/(C 0-1)-s0)·d2 )1/3,

а степень сжатия С 0 установлена по эмпирическому трансцендентному уравнению

1,118·((s/(C0-1)-s 0)·d2)(1/3) -a+b·C0=0,

где l 0 - длина основной цилиндрической полости камеры сгорания;

s - величина хода поршня;

С0 - максимально допустимая бездетонационная степень сжатия;

s0 - размер надпоршневого зазора;

d - диаметр поршневого цилиндра;

а=hk +b·Ck - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,

где hk - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания;

Ck - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси для двигателя ч4 7,8/7,8;

b=(h k-hш)/(Сш-C k) - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,

где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10;

Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10.

www.freepatent.ru

Камеры сгорания дизельных двигателей

Для хорошего смесеобразования одновременно необходимо правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.

Форма камеры сгорания должна:

· соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;

· обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;

· плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;

· создавать условия для облегченного запуска двигателя.

По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделенными и разделенными камерами сгорания. Неразделенные камеры имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделенные камеры разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.

По способу различают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.

При объемном смесеобразовании топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. 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, упрощает конструкцию топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.

Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с. Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий.

Камеры сгорания с непосредственным впрыском. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.

На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объемное смесеобразование.

а б

Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:

а – полусферическая, б – тороидальная

Рис. 6.5. Использование завихрителей Для улучшения смесеобразования здесь предусмотрено вихревое движение воздуха вокруг оси цилиндра за счет завихрителей, установленных во впускном коллекторе (рис. 6.5). Камера сгорания с непосредственным впрыском при пленочном смесеобразовании располагается соосно с цилиндром. Смещенная форсунка направляет струю топлива под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (рис. 6.6а). Заряд приводится в интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50–60 м/с), и топливные капли распространяются на стенке камеры сгорания.

а б

Рис. 6.6. Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования:

а – типа дизелей МАН, б – типа “Гессельман”

Кроме указанной выше, при пленочном смесеобразовании камеру сгорания выполняют тарелкообразной (рис. 6.6б). Струя топлива из форсунки, ввиду малого расстояния, достигает дна камеры и оседает в виде пленки.

Рис. 6.7. Неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования Камеры сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт) относят к комбинированным камерам с объемно-пленочным смесеобразованием. Камера сгорания выполняется в поршне, имеет форму усеченного конуса с основанием меньшего диаметра у входной горловины, диаметр которой составляет 0.35–0.37 диаметра цилиндра, и со скругленными стенками у нижнего основания (рис. 6.7).

Струи топлива попадают на стенку под острым углом и совершают сравнительно малый путь. На конической поверхности камеры оседает примерно 50% топлива.

Основное достоинство камер сгорания с непосредственным впрыском по сравнению с камерами других разновидностей заключается в следующем.

1. Простая и компактная форма камеры сгорания обеспечивает меньшие тепловые потери в процессе сгорания и более высокий эффективный КПД.

2. Менее интенсивное охлаждение воздуха в период сжатия (компактность камеры и сравнительно небольшое вихревое движение воздуха) создает условия для облегчения пуска. Время для пуска двигателя с непосредственным впрыском в 1.8–3.6 раза меньше, чем для пуска двигателей с другими камерами сгорания.

3. Конструкция головки цилиндра упрощается.

Недостатки камер сгорания с непосредственным впрыском состоят в следующем.

1. Смесеобразование происходит при больших давлениях впрыска (до 30 МПа). Это повышает требования к топливоподающей аппаратуре.

2. Процесс сгорания характеризуется значительными давлениями. Скорость нарастания давления при этом высокая. В связи с увеличением нагрузки на кривошипно-шатунный механизм приходится увеличивать запас прочности узлов двигателя.

3. Малые сопловые отверстия распылителя форсунки (0.1–0.25 мм) требуют точного исполнения и при недостаточно очищенном топливе могут засоряться. Поэтому топливо должно очищаться с большой тщательностью. Незначительные отклонения в качестве топлива от нормы ухудшают работу двигателя.

Предкамеры. Предкамерные дизельные двигатели имеют камеру сгорания, разделенную на две части (рис. 6.8). Основная камера размещается непосредственно над поршнем. Ее объем составляет 0.75–0.60отвсего объема камеры сгорания. Предкамера выполняется в головке цилиндра. Она занимает по объему 0.25–0.40 всего объема камеры. Предкамера соединяется с основной камерой одним или несколькими каналами.

Рис. 6.8. Предкамера Смесеобразование у предкамерного двигателя протекает в такой последовательности. При сжатии часть сжатого воздуха поступает из цилиндра в предкамеру. В конце такта сжатия в предкамеру через форсунку впрыскивается топливо под давлением 8–12.5 МПа. Распыленное топливо, попадая в среду сжатого воздуха предкамеры, самовоспламеняется.

При этом сгорает от 20 до 30% впрыскиваемого топлива, что соответствует количеству кислорода воздуха, содержащегося в предкамере.

При сгорании части топлива температура и давление в предкамере повышаются. Горящие газы и несгоревшее топливо устремляются из предкамеры в основную камеру. Здесь сгорание топлива продолжается и заканчивается в процессе расширения.

В предкамерных двигателях интенсивное смесеобразование достигается главным образом за счет энергии топлива, частично сгоревшего в предкамере. Эта энергия вызывает перепад давления между предкамерой и основной камерой (обычно 1.5 МПа), что создает условия для интенсивного смесеобразования и более тонкого распыления топлива, предварительно распыленного в предкамере.

Смесеобразованию способствует образование вихревых движений воздуха при перемещении его в процессе сжатия из основной камеры в предкамеру. Форсунка таких двигателей обычно выполняется с одним отверстием.

Вихревые камеры. Двигатели с вихревыми камерами, как и предкамерные двигатели, имеют камеру, разделенную на две части (рис. 6.9). Основная камера расположена непосредственно над поршнем и имеет сравнительно небольшой объем. Вихревая камера выполнена в головке цилиндра, имеет обтекаемую форму (шара или сплющенного шара) и охлаждается водой. Ее объем составляет от 50 до 75% всего объема камеры сгорания. Такой объем позволяет вовлечь в вихревое движение большое количество воздуха. Вихревая камера сообщается с основной посредством горловины.

Рис. 6.9. Вихревая камера В период сжатия воздух вытесняется из основной камеры в вихревую. Взаиморасположение камер способствует смесеобразованию. Топливо впрыскивается форсункой в вихревую камеру. Здесь струя топлива увлекается воздушным потоком, интенсивно перемешивается с ним, самовоспламеняется и частично сгорает.

В период сгорания в вихревой камере резко повышается давление. При этом продукты сгорания и несгоревшая часть топлива устремляются в основную камеру. Здесь процесс сгорания продолжается, заканчиваясь при расширении.

В двигателях с вихревыми камерами для смесеобразования используются главным образом вихревые потоки воздуха, создаваемые в процессе сжатия в вихревой камере. Перепад давлений между камерами сравнительно небольшой (обычно 0.6 МПа). Форсунки у таких двигателей применяются обычно с одним отверстием. Давление начала подачи составляет 8–10 МПа.

В дизельных двигателях с разделенными камерами сгорания достигается бездымная работа при малых значениях коэффициента избытка воздуха. 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. Эти дизельные двигатели являются наиболее быстроходными из всех дизелей.

Основные недостатки раздельных камер сгорания:

· низкие пусковые свойства в связи с интенсивным отводом тепла;

· высокий удельный расход топлива, большие потери тепла и значительные затраты энергии на перетекание газов из одной полости камеры сгорания в другую;

· сложная конструкция камеры сгорания и повышенные тепловые напряжения отдельных деталей.

pdnr.ru