Двухкамерное смесеобразование осу­ществляется в двигателях с разделенными камерами сгорания. К числу двух­камерного смесеобразования относятся: предкамерное, вихрекамерное и воздушнокамерное смесеобразование.

В двигателях с предкамерным смесеобразованием камера сгорания со­стоит из двух камер. Одна — объемом около 30% от объема V_с, расположенная в крышке цилиндра, и называется предкамерной; вторая — «глав­ная камера» представляет собой надпоршневое пространство, ограниченное днищем крышки цилиндра, донышком поршня и стенками цилиндра. Пред­камера соединяется с главной камерой одним или несколькими каналами, суммарная площадь которых составляет от площади поршня if_c= (0,01 ?0,04) F_n.

Наиболее эффективным расположением предкамеры является располо­жение ее вдоль оси цилиндра (рис. 45). Для избежания уменьшения проход­ного сечения клапанов в четырехтактных двигателях и предохранения порш­ня от воздействия горячих газов камеру иногда располагают наклонно и смещают ее в сторону от оси цилиндра.

Смесеобразование в предкамерном двигателе осуществляется за счет использования энергии, выделяемой при частичном сгорании топлива в пред­камере. Это происходит следующим образом. При движении поршня от НМТ к ВМТ (во время такта сжатия) давление воздуха в пред­камере нарастает медленнее, чем в главной камере, вследствие гидравлического сопротивления, возникающего в соединительных каналах между камерами. Пе­репад давления между камера­ми в период сжатия достигает 3—8 кГ/см². Выравнивается дав­ление в камерах при подходе поршня к ВМТ, когда скорость его приближается к нулю. На­личие такого перепада давлений вызывает перетекание воздуха из главной камеры в предкаме­ру и образует в ней вихревое движение. Топливо, впрыснутое с углом опережения 10—20° до ВМТ в предкамеру, хорошо перемешивается с движущимся там воздухом, на­гревается, и часть его в соответствии с количеством имеющегося там воз­духа самовоспламеняется и сгорает. Давление в предкамере возрастает и становится значительно выше, чем в главной камере; перепад давле­ний достигает 15—20 кГ/см². Благодаря образовавшемуся перепаду давле­ний несгоревшее топливо и горячие продукты сгорания выбрасываются из предкамеры в главную камеру, где (при наличии вихревого движения час­тиц основной массы топлива) хорошо перемешиваются с воздухом и сгорают. Таким образом, процесс сгорания топлива, начавшийся в предкамере, про­должается и заканчивается в главной камере.

Высокая температура воздуха в предкамере и у стенок соединительных каналов, а также перемешивание частиц топлива с горячими продуктами сгорания способствуют быстрому испарению и перемешиванию топлива с воздухом. Хорошее смесеобразование позволяет в предкамерных двига­телях осуществлять процесс сгорания с коэффициентом избытка воздуха, равным ? = 1,6?1,8. Давление нагнетания топлива при таком смесеобразо­вании может быть значительно снижено. Обычно оно составляет р_ф = 80 ? 150 кГ/см². Форсунки, применяемые при таком способе, могут быть с одним центральным соплом или штифтового типа.

Предкамерное смесеобразование мало чувствительно к сорту топлива, режиму работы двигателя и пригодно для сжигания вязких топлив. Наря­ду с этим предкамерное смесеобразование имеет и серьезные недо­статки.

Тепловые потери в предкамере, потери при перетекании из цилиндра в предкамеру и обратно и потери на вихреобразование повышают удельный расход топлива двигателя.

Вследствие большого отношения охлаждаемой поверхности предкамеры к ее объему F_к/V_к предкамерные двигатели имеют плохие пусковые качества.

В связи с этим в предкамерных двигателях применяют высокие степени сжа­тия (? = 16?18) и спирали накаливания, которые помещают в предкаме­рах; они подогревают воздух перед пуском двигателя в ход.

На рис. 46 показана индикаторная диаграмма дизеля с предкамерным смесеобразованием, снятая при 1790 об/мин и угле опережения подачи топ­лива 17° до ВМТ. Как видно из диаграммы, максимальное давление в пред­камере превышает давление в цилиндре на 20 кГ/см² и скорость нарастания давления в цилиндре ?p/?? значительно меньше, чем в предкамере. Величина перепада давлений между камерами главным образом зависит от сечения соединительных каналов. На основании исследований процессов, проис­ходящих в цилиндре предкамерного двига­теля, Н. В. Иноземцев предложил следую­щую формулу для определения сечения соединительных каналов:

Б. Г. Либрович, на основании выпол­ненных им исследований, установил следующую связь между параметра ми, характеризующими перетекание в предкамерном двигателе:

Здесь выражение 30f/V_sn является «время-сечением» соединительных каналов за период сжатия, отнесенным к 1 м³ рабочего объема цилиндра. Наи­выгоднейшие условия работы двигателя соответствуют Z = 70?80.

Вихрекамерное смесеобразование. Использование вихревого движе­ния воздуха для получения качественной рабочей смеси, как это было видно из рассмотрения предкамерного смесеобразования, позволяет значительно снизить давление впрыска топлива и коэффициент избытка воздуха в смеси.

Вихревое движение воздуха создается при его впуске в цилиндр дви­гателя или в период его сжатия. Вихрекамерное смесеобразование — это такое двухкамерное смесеобразование, в котором вихревое движение возду­ха создается в период его сжатия.

Вихревая камера цилиндрической или шаровой формы располагается в крышке цилиндра (рис. 47) или сбоку цилиндра (рис. 48) и соединяется с главной камерой одним или несколькими каналами относительно большо­го сечения. Объем вихревой камеры составляет 50—80% от суммарного объема камер.

Соединительный канал тангенциально подходит к вихревой камере, и ось его располагается под некоторым углом к днищу поршня. Струя топ­лива (давление порядка 90—120 кГ/см²) подается форсункой обычно (с од­ним соплом) и поступает непосредственно в вихревую камеру, при этом на­правление струи топлива не должно совпадать с осью соединительного канала. В период процесса сжатия воздух, вытесняемый поршнем, перете­кает в вихревую камеру и, благодаря тангенциальному направлению сое­динительного канала, получает там интенсивное вращательное движение (см. рис. 47). Вследствие этого впрыснутое топливо хорошо перемешивается с воздухом и обеспечивает качественное протекание процесса сгорания с коэффициентом избытка воздуха ? = 1,4 ? 1,5. При сгорании топлива дав­ление в вихревой камере повышается и продукты сгорания, воздух и несго­ревшая часть топлива устремляются снова в главную камеру, и там топливо догорает. Вставка, в которой нахо­дится соединительный канал при ра­боте двигателя, нагревается до свет­ло-красного каления, и потому темпе­ратура воздуха в конце сжатия повы­шается (среднее значение показателя политропы сжатия в вихрекамерных двигателях достигает величины /г* = 1,42). Повышение температуры воз­духа в конце сжатия улучшает процесс сгорания топлива, делает его устой­чивым при разных нагрузках двигателя и мало чувствительным к качест­ву топлива.

Наличие дополнительных тепловых потерь в вихревой камере и гидрав­лических потерь при перетекании газов определяет повышенный расход топлива двигателей с вихрекамерным смесеобразованием по сравнению с двигателями однокамерного смесеобразования. Расход топлива у вихре­камерных двигателей примерно на 10% больше, чем у двигателей однока­мерных.

Большое отношение F_к/V_к так же, как и в предкамериых двигателях, затрудняет пуск двигателя в ход. Размещение вихревой камеры в крыш­ке цилиндра усложняет ее конструкцию.

В дизелях с непосредственным впрыском (с однокамерным смесеобразо­ванием) первые капли топливного факела попадают в среду, температура которой ниже, чем у вихрекамерных двигателей, поэтому подготовка к про­цессу сгорания занимает больше времени, что отражается на характере дальнейшего протекания процесса сгорания.

На рис. 49 представлены типичные индикаторные диаграммы, снятые с одного двигателя при одинаковых числах оборотов и среднем индикатор­ном давлении: А — при работе двигателя с вихревой камерой и В — с не­посредственным впрыском топлива и воздушным вихрем, образующимся при впуске. Как видно из приведенных индикаторных диаграмм, при одно­камерном смесеобразовании скорость нарастания давления ?p/?? и максималь­ное давление цикла достигают больших значений, чем при вихрекамерном смесеобразовании.

Интенсивность вихря в вихрекамерном смесеобразовании зависит от площади поперечного сечения и формы соединительного канала и доходит до таких больших значений, что качество смесеобразования достигается и при грубом распыливании топлива форсункой. Гидравлические потери, воз­никающие при перетекании через соединительный канал, компенси­руются турбулизацией, которая при этом возникает и потом спо­собствует перемешиванию топлива и воздуха. Для уменьшения тепло­вых потерь в соединительном ка­нале его делают в отдельной встав­ке, изолированной от крышки ци­линдра незначительным воздуш­ным промежутком. Изолированная вставка при всех режимах работы двигателя, кроме пускового, имеет температуру выше, чем температу­ра воздуха в конце сжатия. Таким образом, вставка является аккумулятором теплоты, поглощая ее в период сгорания топлива и возвращая воздуху в процессе сжатия.

На рис. 50, по данным Г. Рикардо, приведены результаты измерений температуры вставки вихревой камеры при работе двигателя на различных режимах. Место замера тем­ператур термопарой отме­чено на рисунке крести­ком. Кривая 1 показывает изменение температуры при работе двигателя с посто­янным средним индика­торным давлением p_i = 8,8 кГ/см² и переменным числом оборотов. Кривая 2 получена при постоянном п = 1500 об/мин и пере­менном среднем эффектив­ном давлении. Данные ре­зультаты были получены при испытании двигателя с вихревой камерой типа «Вирлпул», у которого диа­метр цилиндра D = 121 мм, ход поршня S = 140 мм и ? =17. Как видно из приведенных кривых, температура вставки выше тем­пературы воздуха даже в конце сжатия, т. е. она отдает тепло воздуху в пе­риод всего процесса сжатия. Кроме этого, следует заметить, что нагрев воздуха вставкой происходит в период сжатия, а потому на величину коэф­фициента наполнения не влияет. Высокая температура вставки предотвра­щает прилипание и отложение на ней нагара.

Направление струи топлива, вытекающей из форсунки, влияет как на пусковые качества двигателя, так и на качество процесса сгорания. При впрыске струи топлива против направления вращения вихря, вследствие более высокой относительной скорости и, следовательно, более интенсив­ного теплообмена между каплями топлива и воздуха, процесс сгорания наступает раньше, и пусковые качества двигателя при этом улучшаются; но качество процесса сгорания в целом ухудшается.

Последнее объясняется тем, что при встречном направлении потоков воздуха и топлива продукты сгорания переносятся навстречу движению факелу топлива и затрудняют сгорание частиц топлива, поступающих в ци­линдр в последнюю очередь. Таким образом, впрыск топлива против движе­ния вихря воздуха обеспечивает надежный пуск в ход холодного двигателя и мягкую работу его при малых нагрузках, но при более высоких нагрузках выпуск становится дымным (неполное сгорание) и экономичность двигателя снижается. При впрыске топлива с направлением струи через центр сферы вихревой камеры результаты получаются почти те же.

Лучшие результаты получаются при впрыске струи топлива по направ­лению движения вихря воздуха; ось струи при этом должна проходить приб­лизительно через середину радиуса сферы вихревой камеры и быть направ­лена в верхнюю точку входа соединительного канала.

Для улучшения вихрекамерного смесеобразования были созданы фор­сунки с различными направлениями топливных струй. Одна струя, опреде­ляющая главный впрыск, направляется в сторону движения вихря, а дру­гая — вспомогательная (боковая) направляется в центр сферы, или против движения вихря.

На рис. 51 показаны схема форсунки «Пинтейкс» с двумя струями топ­лива и график ее испытаний. Форсунка «Пинтейкс» имеет штифтовой распы­литель и боковое сопловое отверстие, которое направляется к центру сферы вихревой камеры. При начальном подъеме иглы форсунки главное сопло остается закрытым штифтом, а боковое сопловое отверстие открывается, и потому истечение топлива в этот период будет происходить только по на­правлению к центру камеры.

При пусковых минимальных числах оборотов двигателя подъем иглы форсунки происходит не полностью, и потому через боковое сопловое отвер­стие подается значительная часть топлива, направленная против движения вихря воздуха. При всех других числах оборотов, соответствующих экс­плуатационным режимам работы двигателя, игла форсунки поднимается полностью, и через боковое сопло подается незначительная часть топлива. Результаты испытаний этой форсунки при различных числах оборотов вала двигателя п и соответственно числах оборотов вала топливного насоса п_п показывают распределение расхода топлива сопловыми отверстиями.

Кривая 1 характеризует суммарную подачу топлива (в мм³) за цикл при максимальной мощности двигателя; кривая 2 — подачу топлива через главное штифтовое сопло и кривая 3 — подачу топлива через боковое сопло.

Форсунка «Пинтейкс» обеспечивает хороший пуск в ход холодного дви­гателя и бездымное сгорание топлива нагруженного двигателя. Малый раз­мер ее бокового сопла требует тщательной очистки топлива.

Исследования работы вихрекамерных двигателей показали, что нали­чие воздуха в надпоршневом пространстве благоприятно, сказывается на процессе смесеобразования и сгорания топлива, тем более, что по конструк­тивным соображениям объем надпоршневого пространства выполнить меньше 20% от общего объема камеры сгорания не представляется возможным.

В связи с этим в вихревых камерах сгорания типа «Комета III» около 50% воздушного заряда размещается в чашеобразных углублениях в днище поршня (рис. 52), а остальной воздух нагнетается в вихревую камеру. Поток продуктов сгорания и части несгоревшего топлива, вытекающий из вихревой камеры, встречает на своем пути выступ, разделяющий впадины в поршне, и вследствие этого де­лится на два, образуя в каждом вихревое движение.

Воздух, имевшийся в этих впадинах, будет двигаться по кругу впереди горячей смеси и проникать внутрь, осуществляя тем самым однородное смесеоб­разование.

Таким образом, в камере «Комета III» смесеобразование в подпоршневом пространстве, так же как и в предкамерном дви­гателе, осуществляется за счет энергии выбрасываемой смеси из вихревой камеры. Как показы­вают сравнительные опыты Г. Ри­кардо, двигатели с такой каме­рой сгорания имеют меньший удельный расход топлива, чем двигатели с камерой без специ­альных углублений в поршне.

На рис. 53 показаны кри­вые расхода топлива: кривая А — двигателя с вихревой ка­мерой, но без углубления в пор­шне; кривая В — двигателя с вихревой камерой «Комета III» и кривая С — двигателя с одно­камерным смесеобразованием (с непосредственным впрыском). Указанные кривые расхода топлива полу­чены при среднем эффективном давлении, равном 5,6 кГ/см², шестицилин­дрового четырехтактного двигателя с D = 121 мм и S = 140 мм.

В лаборатории Г. Ри­кардо была разработана разновидность вихревой ка­меры (двигатель получил название типа «Вирлпул»).

Вихревая камера (рис. 54) в этом двигателе имеет форму сплюснутой сферы и соединена с надпоршневым пространством двумя каналами. Струя топ­лива, вытекающая из форсунки, направляется к первому из них по ходу вихря воздуха.

Образовавшиеся продукты сгорания, во избежание перемешивания с топливом, уносятся потоком воздуха, поступающим из второго канала по­зади струи топлива. Двигатели с камерой «Вирлпул» имеют хорошие пуско­вые качества и мягкую работу, так как обеспечивают качественное смесе­образование, а значит, и имеют процесс сгорания топлива с малой продол­жительностью периода подготовки.

На основании своих исследований Г. Рикардо наряду с рассмотренным вихрекамерным смесеобразованием рекомендует для быстроходных четырех­тактных дизелей однокамер­ное смесеобразование с гиль­зовым газораспределением.

Воздух в таком двигателе входит в цилиндр через окна, расположен­ные по окружности гильзы (рис. 55), и создает вихрь, благодаря которо­му топливо, вспрыснутое однодырчатой форсункой, расположенной в крышке цилиндра, хорошо перемешивается с воздухом. Расположение -камеры сгорания в крышке цилиндра благо­приятно сказывается на состоянии поршня и его работе, так как в этом случае он меньше подвержен воздей­ствию газов, чем при расположении камеры в поршне.

На рис. 56 приведены результа­ты испытаний четырехтактного дизеля с вихреобразованием на впуске и с гильзовым газораспределением; пока­зано влияние вихревого отношения (отношение скорости вращения воздушного заряда к скорости вращения коленчатого вала двигателя) ? на среднее эффективное давление р_е, удельный эффективный расход топ­лива g_e, температуру отработавших газов t_р, максимальное давление цикла р_z и скорость нарастания давления ?p/?? при постоянном расходе топлива 4,55 л/ч.

На рис. 57 приведены индикаторные диаграммы, снятые при этих испы­таниях: диаграмма 1 — вихревое отношение 3,9; диаграмма 2 — вихревое отношение 7,65; диаграмма 3 — вихревое отношение 10,65 и диаграмма 4 — вихревое отношение 12,5.

Оптимальным является вихревое отношение порядка 10,5., при котором удельный расход топлива достигает минимальной величины.

Вихревая камера типа «Геркулес» (см. рис. 48) имеет то преимущество, что расположение ее в цилиндровом блоке не влияет на размеры клапанов. Соединительный канал прямоугольного сечения при подходе поршня к ВМТ частично им перекрывается, и поэтому в момент впрыска топлива скорость воздушного вихря значительно возрастает.

Выполненные многочисленные исследования двигателей с различными вихревыми камерами позволяют сделать некоторые обобщения.

1. Оптимальное вихревое отношение зависит от конструкции и размеров вихревой камеры и колеблется от 25 до 35.

2. Отношение объема вихревой камеры к объему пространства сжатия V_k/ V_c = 0,50?0,75.

3. Степень сжатия у вихрекамерных двигателей обычно принимается равной ? = 16?18.

4. Наивыгоднейшее отношение площади соединительного канала f_к к площади поршня F_п зависит от типа и размеров самой камеры и составляет f_к/F_п = 0,011?0,031, а для камер типа «Геркулес» f_к/F_п = 0,0725.

5. Падение давления при перетекании через соединительный канал составляет ?р = 0,10?0,15 кГ/см².

6. Максимальное давление цикла р_z и скорость нарастания давления ?p/?? у всех вихрекамерных двигателей составляют довольно умеренные зна­чения: р_z = 55?65 кГ/см² и ?p/?? = 2?5 кГ/см²/град.

7. Достигаемые высокие значения среднего эффективного давления р_е = 6,0?7,5 кГ/см² при малых коэффициентах избытка воздуха ? = 1,3?1,4 подтверждают совершенство процессов смесеобразования и сгорания в вихрекамерных двигателях.

8. Наличие дополнительных тепловых потерь вихревой камерой вызы­вает повышенный удельный расход топлива вихрекамерными двигателями, который примерно на 10% больше расхода однокамерных двигателей с не­посредственным впрыском топлива.