Виды камер сгорания дизельных двигателей

Наиболее часто встречающиеся формы камеры сгорания в судовых дизелях

По типам камер сгорания дизельные ДВС делят на:

1. дизели с неразделенной камерой сгорания (или с непосредственным впрыском топлива);

2. дизели с разделенной камерой сгорания.

Рассмотрим некоторые типичные схемы неразделенных камер сгорания (рис. 1.5). Камеры этого типа получили наиболее широкое применение. Процесс смесеобразования здесь идет в едином объеме,, поэтому к качеству распыливания предъявляют очень высокие требования. Для более полного распыливания топлива применяют только многодырчатые форсунки 4. Хорошее распыливание обеспечивается при высоком давлении впрыска (200-2000 кГ/см2).

Рис. 5. Неразделенные камеры сгорания:

а – днище сложной формы с выступающей центральной частью, б – днище поршня с выступающим краем, в – днище с полусферической выемкой, г – камера в поршне с объемно-пленочным смесеобразованием; / – поршень, 2 – днище поршня, 3 – головка цилиндра, 4 – форсунка

В неразделенных камерах с объемным смесеобразованием стремятся все топливо равномерно распределить в воздушном заряде камеры. Камера сгорания должна иметь такую конфигурацию, чтобы каждая частица топлива успела загореться раньше, чем достигнет стенок цилиндра. У некоторых дизелей для более полного перемешивания топлива используют принудительное завихрение воздуха. У четырехтактных дизелей применяют впускные клапаны со специальным козырьком для завихрения, а у двухтактных – тангенциально направленные продувочные окна. Наиболее часто применяют форму камеры, показанную на рис. 5, а, которая напоминает горящие факелы топлива. Реже используют сковородообразную форму (рис. 5, б) и полусферическую (рис. 5, в). Главные достоинства объемного смесеобразования- простая и симметричная форма камеры, небольшие тепловые потери и хорошие пусковые качества.

В неразделенных камерах с пленочным смесеобразованием камера имеет шарообразную форму и располагается в поршне. Форсунка установлена под очень малым углом к внутренней сферической поверхности камеры и примерно 95% топлива под давлением около 150 кГ/см2 подается в виде тонкой пленки на эту поверхность. Поджигание топлива, испарившегося с поверхности камеры, осуществляется вследствие воспламенения 5% топлива, направленного в центральную часть воздушного заряда. Дизели с пленочным смесеобразованием являются многотопливными, т. е. могут работать на дизельном топливе, газойле-и др.

На рис. 5, г показана неразделенная камера со смешанным (объемно-пленочным) смесеобразованием. Здесь количество топлива, направляемого на стенки, зависит от формы камеры сгорания, расположения форсунок и др. Камеры с объемно-пленочным смесеобразованием характеризуются невысоким давлением сгорания, плавной и мягкой работой.

Разделенную камеру сгорания имеют предкамерные дизели. У этих дизелей камера сгорания состоит из основной камеры и предкамеры, сообщающееся с основной камерой одним или несколькими каналами. Предкамера чаще всего имеет цилиндрическую форму, а форсунка располагается по оси камеры и имеет однодырчатый распылитель. Процесс смесеобразования происходит следующим образом. При ходе сжатия давление в цилиндре возрастает и воздух с большой скоростью через соединительные каналы входит в предкамеру, где. происходит интенсивное вихреобразование. Благодаря этому топливо, впрыскиваемое за 10-20° до в.м.т. в предкамеру, хорошо перемешивается с воздухом и воспламеняется.

В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка кислорода. Остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании выбрасывается с большой скоростью через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыливается, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

Неразделенные камеры (рис. 6) ограничены днищем поршня 1 и поверхностями стенок и головки 5 цилиндра 2. В этот объем форсункой 4 впрыскивается топливо, чаще всего в виде нескольких струй, через отверстия достаточно малого диаметра (0,2–0,4 мм). Форму камеры приспосабливают в известной мере к форме струи топлива, чтобы лучше использовать воздушный заряд в цилиндре.

В большинстве дизелей с неразделенными камерами сгорания конструкция впускной системы обеспечивает создание вращательного движения воздуха в цилиндре, которое в некоторой степени сохраняется до конца сжатия, способствуя качественному смесеобразованию и сгоранию. В рассматриваемых дизелях скорость движения воздуха у стенки камеры не превышает 30–35 м/с.

Рис. 6. Неразделенная камера сгорания дизеля:

1 — поршень, 2 — цилиндр, 3 — камера сгорания, 4 — форсунка, 5 — головка цилиндра

Недостаток дизелей с неразделенными камерами — необходимость в высоком давлении впрыска — до 20 МПа, что предъявляет повышенные требования к топливной аппаратуре. Кроме того, дизель весьма чувствителен к сорту топлива: использование тяжелого топлива оказывается невозможным. Качество смесеобразования ухудшается при понижении нагрузок и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух частей: основной камеры, расположенной над поршнем, и дополнительной, помещенной чаще всего в головке цилиндра. Основная и дополнительная камеры соединены между собой одним или несколькими каналами. Наибольшее распространение получили следующие два типа разделенных камер сгорания: вихревые камеры и предкамеры.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Communities › Diesel Power (Дизельные ДВС) › Blog › Разрушители легенд. Смесеобразование и сгорание в дизельном двигателе. Часть №2. Турбулизация.

В первой части мы закончили тем, что из-за врождённых проблем со смесеобразованием литровая МАКСИМАЛЬНАЯ мощность дизеля заметно уступает бензинке. Естественно разработчики не хотели с этим мириться и, пытаясь улучшить смесеобразование, нарожали довольно большое количество разнообразных вариантов типов дизельных двигателей. Не знаю как так получается, но 100 лет назад в гараже на коленке средней руки инженер мог выпилить напильником двигатель с нуля, да не один, а с десяток разных конструкций, проверить мощность, расход, ресурс, тепловыделение… а сегодня целые корпорации выдают за свои чужие идеи столетней давности…
Ну не будем о грустном.

Я не буду делать экскурс в историю и описывать все конструкции дизельных двигателей — их было слишком много.
На сегодняшний день в строю осталась только версия дизеля с объёмным смесеобразованием и с камерой сгорания в поршне. Но даже такой конструкции реализаций слишком много:

Реально же наиболее массово производится вариант б).

Почему же все остальные варианты медленно отмирают?

Потому что конструкция б) обеспечивает МАКСИМАЛЬНУЮ ТУРБУЛИЗАЦИЮ(перемешивание) воздушного заряда при МИНИМУМЕ ЗАТРАТ на этот процесс, обеспечивая в итоге МАКСИМАЛЬНО возможную литровую мощность для дизеля:

Форму камеры сгорания в поршне оптимизируют для формирования МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ тороидального вихря, который образуется в поршне при сжатии воздуха в ходе подъёма поршня в ВМТ. Непосредственно в ВМТ практически ВЕСЬ воздух вращается в камере сгорания:

На подходе к ВМТ и начинается впрыск топлива. Направление воздушного потока противоположно направлению факела топлива — потому скорость топлива относительно воздуха максимальна и топливные капли ускоренно прогреваются и испаряются.

Но тороидальный вихрь гоняет воздух по кругу. Если время впрыска топлива больше времени оборота воздушного вихря — то часть топлива будет впрыскиваться в зону с уже выработанным кислородом, а это очень плохо.

Угол конусности при цилиндрической форме соплового отверстия распылителя составляет 15—20°.
Топливо, впрыснутое в камеру сгорания в виде факелов, распределяется в воздушном заряде неравномерно, так как число факелов, определяемое конструкцией распылителя, ограничено.

Даже если у распылителя 6 отверстий — то 6*20=120градусов.
360-120=240градусов
ДВЕ ТРЕТИ воздуха в камере сгорания располагается вне зоны доступности топливных факелов.
Пусть даже половина. Это очень большой недостаток.
Опять натыкаемся на родовое проклятие дизеля. При наличии В СРЕДНЕМ большого количества избыточного кислорода в камере сгорания — непосредственно в ФАКЕЛЕ сгорающего топлива кислорода катастрофически не хватает.
Разработать эффективный распылитель с сектором равномерного распыла в 360 градусов так и не получилось.
И потому проблему попытались уменьшать следующей хитростью:

Впускной клапан выполнили такой конструкции, что воздух при его прохождении отбрасывается в одну сторону и потому начинает вращаться в цилиндре:

Хотя осевое вращение воздуха в цилиндре замедляется и в процессе наполнения цилиндра и в процессе сжатия — но даже после упихивания всего воздуха в камеру сгорания получившийся тороидальный вихрь вращается и в осевой плоскости тоже. Потому воздух в нём движется по спирали. Потому и топливный факел будет напоминать спираль — впрыск можно продлить в два-три раза прежде чем отработанный воздух одного факела начнёт поступать в зону впрыска соседнего факела:

Правда при такой конструкции впускного клапана заметно снижается наполнение цилиндра. Потому появились варианты закручивания воздуха в цилиндре за счёт формы впускных каналов:

Посмотреть как происходит осевое завихрение можно в этом ролике после 70-ой секунды:

К сожалению, в этом ролике тороидального завихрения практически не наблюдается. А ведь именно оно намного сильнее и важнее для двигателя, чем осевое. Очередная полуправда-полуложь.
Если мне попадётся видеоролик, показывающий как на самом деле завихряется воздух в цилиндре прямовпрыскового дизеля — обязательно выложу именно его.
.
.
.
.
Ну и напоследок пара слов про аналогичную систему на нашем любимом ZD30. Чтобы, так сказать, от теории перейти к практике. Кусок из букваря по ZD30DDTI:

Вот читаю я все эти умные современные книжки и не сходится у меня в голове “дебет и кредит”.
Либо их специально пишут так, “чтоб никто не догадался” как оно на самом деле фунциклирует, либо пишущий сам мало понимает в том, чего он описывает…

На холостом ходу и малых нагрузках цикловая подача топлива настолько мала, что никакие осевые завихрители нафиг не нужны — воздуха полно, а топлива впрыскивается мизер — потому всё топливо замечательно сгорит и так.
Единственно что приходит в голову — при перекрытии одного канала в цилиндр будет поступать намного меньший объём свежего воздуха. Если ещё и горячих выхлопных газов на впуск через ЕГР набурындить побольше — то и совсем замечательно будет. Воздух горячий — его плотность мала. Топливо-воздушная смесь загораться будет быстрее, а сгорать медленнее… Окислов азота образуется меньше, а сажи больше. Но именно на холостом ходу заслонка тангенциального канала и не закрывается никогда, судя по документации… Короче тёмный лес. На тех оборотах, на которых заслонка завихрителя реально закрывается, двигатель ZD30 практически и не работает никогда. Особенно если авто с АКПП. На фактические характеристики двигателя влияние заслонки настолько мало, что никто из заглушивших ЕГР и ампутировавших заслонку тангенциального канала никакой разницы так и не заметил.

Завихрители нужны при больших цикловых, когда кислород воздуха почти весь выгорает и только повышенная турбулентность помогает соединить топливо с окислителем! Потому на нормально спроектированных дизелях заслонка тангециального канала ЗАКРЫТА на ХХ и ОТКРЫВАЕТСЯ шаговым двигателем — постепенно по мере повышения нагрузки и оборотов двигателя — вплоть до 2700 оборотов. При том, что завихрение нужно именно на высоких нагрузках — более важно обеспечить максимальное наполнение цилиндра свежим воздухом. Вот здесь хорошо описано как на самом деле должна работать вихревая заслонка — dieselok.md/about/articles/inlet-flaps-off/
ZD30 и в этом вопросе — упрощенная дешевка. Вопрос у меня лично только один — нахрена вообще делать узел, если нормальное его функционирование и не планируется?!

Забавно, но на самых последних разработках CR-дизельных двигателей нет ни всех этих завихрителей, ни облегчённых поршней, ни 4 клапанов на цилиндр… Смешно, но преподносится это как очередной прогресс и инновации.

Дурят нашего брата по полной.

Я же для демонстрации откровенного отсутствия осевого завихрения на ZD30 приведу фотографии разрушенного поршня от ZD30:

Вот ещё более наглядное “пособие” по РЕАЛЬНОМУ впрыску на дизелях:

На этом поршне замечательно видны следы побежалости(перегрева) от форсуночных факелов.
Эти следы абсолютно симметричны и буквально вопиют о двух явных фактах:
1). Никакого выраженного осевого вихря при работе прямовпрыскового дизеля с нагрузкой нет и в помине.
2). Впрыск топлива в современных дизелях затянут настолько, что значительная часть топлива фигачит не в камеру сгорания в поршне(как это должно быть и и как утверждается везде), а и на кромку камеры сгорания в поршне(перегревая некоторые её участки), а и на огневое днище поршня, а и на стенки цилиндра… Всё это безобразие никак не освещено литературой, но именно из-за этого и происходит перегрев и разрушение поршневой прямовпрысковых дизелей при мало-мальски серьёзных нагрузках. Но это тема следующих статей.

Атмосферный дизельный двигатель

История создания атмосферного дизельного двигателя

Первые двигатели с воспламенением от сжатия, фамилия изобретателя которых и дала название этому семейству силовых агрегатов, увидели свет в 1897 году. Воздух для образования топливно-воздушной смеси подавался традиционным компрессором в те времена, так же происходит и в современных «атмосферниках».

Устройство и принцип работы атмосферного дизельного двигателя

По конструкции атмосферный дизельный двигатель мало отличается от бензинового. Та же система цилиндр-поршень-шатун-коленвал, трансформирующая расширение сгорающей топливно-воздушной смеси (ТВС) в крутящий момент. Основное отличие дизеля – в принципе воспламенения ТВС. Если в бензиновых моторах топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндры и поджигается принудительно электрической искрой, то в дизелях топливо и воздух поступают в цилиндры раздельно. Фазу сжатия проходит только воздух, при уплотнении нагревающийся до 700-900 градусов. В точке максимального сжатия в цилиндр под большим давлением через специальные форсунки впрыскивается топливо. Из-за высокой температуры происходит его самовозгорание, после чего следует цикл процессов, идентичных для всех двигателей внутреннего сгорания – расширение и выхлоп.

Виды камер сгорания дизельных двигателей

Абсолютное большинство атмосферных дизельных моторов различаются только конструкцией камеры сгорания. В классических дизелях применена неразделенная камера сгорания – топливо подается в надпоршневое пространство. До последнего времени такой тип камеры сгорания применялся, в основном, на низкооборотных двигателях большого объема для грузовых машин, так как именно эти дизели отличаются высоким уровнем шума и вибрации. Однако в наше время, при появлении топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и стабилизации процесса сгорания топливно-воздушной смеси эти проблемы на автомобильных дизелях практически удалось изжить.

Самыми распространенными в легковых автомобилях сегодня стали дизели с раздельной камерой сгорания – вихрекамерные и форкамерные. В них впрыск топлива осуществляется не напрямую в цилиндр, а в соединенную с ним дополнительную камеру в головке блока цилиндров. Вихревая камера соединяется с цилиндром одним каналом с таким расчетом, чтобы при попадании в нее воздух интенсивно закручивался. Это улучшает процесс смесеобразования и самовоспламенения. Топливно-воздушная смесь в этом случае воспламеняется в два этапа – процесс начинается в вихревой камере и переходит в камеру сгорания. Таким образом давление в цилиндре нарастает более плавно, что дает снижение шумности и повышение максимальных оборотов. Вихрекамерные двигатели в настоящее время составляют около 90% силовых агрегатов этого типа на легковых авто и внедорожниках. Более сложными, и от того менее распространенными являются форкамерные дизели. Возгорание топливно-воздушной смеси происходит в специальной вставной форкамере, соединенной с цилиндром несколькими каналами малого сечения. Их форма и диаметр подбираются так, чтобы между цилиндром и форкамерой возникал перепад давления, увеличивающий скорость течения газов. Эта технология позволяет обеспечить большой ресурс, дополнительное снижение уровня шума и токсичности, а также максимально плавную динамику крутящего момента.