Смесеобразование в дизелях происходит внутри цилиндра и по времени совпадает с вводом топлива в цилиндр и частично с процессом сгорания.

Время, отводимое на процессы смесеобразования и сгорания топлива весьма ограниченно и составляет 0,05—0,005 сек. В связи с этим требования к процессу смесеобразования прежде всего сводятся к обеспечению полного сгорания топлива (бездымного).

Процесс смесеобразования в судовых дизелях особенно затруднен, так как режим работы дизеля на гребной винт с наибольшим числом оборо­тов, т. е. режим с наименьшим интервалом времени на процессе смесеобра­зования, соответствует наименьшему коэффициенту избытка воздуха в ра­бочей смеси (полной нагрузке двигателя).

Качество процесса смесеобразования в дизеле определяется тонкостью распыла топлива, подаваемого в цилиндр, и распределением там капель топлива по пространству сгорания.

Поэтому рассмотрим вначале процесс распыливания топлива. Струя топлива, вытекающая из сопла форсунки в пространство сжатия в цилиндре, находится под воздействием: внешних сил аэродинамического сопротивле­ния сжатого воздуха, сил поверхностного натяжения и сил сцепления топ­лива, а также возмущений, возникающих при истечении топлива.

Силы аэродинамического сопротивления препятствуют движению струи, и под воздействием их струя разбивается на отдельные капли. При увели­чении скорости истечения и плотности среды, куда происходит истечение, аэродинамические силы возрастают. Чем больше эти силы, тем раньше струя теряет свою форму, распадаясь на отдельные капли. Силы поверхностного натяжения и силы сцепления топлива, наоборот, своим действием стремятся сохранить форму струи, т. е. удлинить сплошную часть струи.

Начальные возмущения струи возникают вследствие: турбулентного движения топлива внутри сопла форсунки, влияния кромок соплового отверстия, шероховатости стенок его, сжимаемости топлива и пр. Начальные возмущения ускоряют распад струи.

Опыты показывают, что струя на некотором расстоянии от сопла рас­падается на отдельные капли, причем длина сплошной части струи (рис. 32) может быть различной. При этом наб­людаются следующие формы распада струи: распад струи без воздействия сил аэродинамического сопротивления воз­духа (рис. 32, а) происходит при малых скоростях истечения под действием сил поверхностного натяжения и начальных возмущений; распад струи при наличии некоторого воздействия сил аэроди­намического сопротивления воздуха (рис. 32, б); распад струи, который воз­никает при дальнейшем увеличении скорости истечения и возникновения начальных поперечных возмущений (рис. 32, в)] распад струи на отдельные капли сразу по выходе струи из соплового отверстия форсунки.

Последняя форма распада струи и должна быть для получения качест­венного процесса смесеобразования. На распад струи главным образом влия­ет скорость истечения топлива и плотность среды, куда происходит истече­ние; в меньшей степени влияет турбулентность струи топлива.

Схема распада струи показана на рис. 33. Струя по выходе из сопла рас­падается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на от­дельные капли. Сечение струи условно разбито на четыре кольцевых сече­ния; скорости истечения в этих кольцевых сечениях выражены ординатами 1;2;3 и 4. Наружное кольцевое сечение, вследствие наибольшего сопротивле­ния воздуха, будет иметь наименьшую скорость, а внутреннее (ядро) имеет наибольшую скорость истечения.

Вследствие различия скоростей в сечении струи возникает движение от ядра к наружной поверхности струи. В результате распада топливной струи образуются капли различного диаметра, величина которого колеблется от нескольких микрон до 60—65 мк. По опытным данным, средний диаметр капли у тихоходных дизелей составляет 20—25 мк, а у быстроходных около 6 мк. На тонкость распыла в основном влияет скорость истечения топлива из сопла форсунки, которая приближенно определяется так:

Для получения распыла топлива, удовлетворяющего требованиям сме­сеобразования, скорость истечения должна быть в пределах 250—400 м/сек. Коэффициент истечения ф зависит от состояния поверхности сопла; для ци­линдрических гладких сопловых отверстий с закругленными входными кромками (r?0,1.—0,2 мм) равен 0,7—0,8.

Для оценки совершенства распыливания топлива применяют характеристики распыливания, которые учитывают тон­кость и однородность распыливания.

На рис. 34 приведены характеристики распыливания. По оси ординат отложено процентное количество капель данного диа­метра от всего количества капель, распо­ложенного на определенной площади, а по оси абсцисс отложены диаметры капель в мк. Чем ближе вершина кривой характе­ристики к оси ординат, тем больше тон­кость распыливания, а однородность распыливания будет тем больше, чем круче подъем и падение кривой. На рис. 34 характеристика а имеет наибо­лее тонкое и однородное распыливание, а характеристика в — наиболее грубое, но однородное и характеристика 6 — средней тонкости, но неодно­родное распыливание.

Размеры капель определяют опытным путем, как наиболее достоверным, так как теоретический путь представляет значительные трудности. Мето­дика определения числа и размера капель может быть различна. Наиболь­шее применение получила методика, основанная на улавливании на пластин­ку, покрытую какой-либо жидкостью (глицерином, жидким стеклом, сме­сью воды с дубильным экстрактом), капель распыленной струи топлива. Изготовленная микрофотография с пластины позволяет измерить диаметр капель и подсчитать их число.

Необходимая величина давления впрыскивания, с увеличением кото­рого увеличивается скорость истечения топлива, окончательно устанавли­вается в период регулировочных испытаний двигателя. Обычно у тихоход­ных дизелей она составляет около 500 кГ/см², у быстроходных 600— 1000 кГ/см². При применении насоса-форсунки давление впрыска достигает 2000 кГ/см².

Из конструктивных элементов топливоподающей системы наибольшее влияние на тонкость распыла оказывает размер диаметра соплового от­верстия форсунки.

При уменьшении диаметра соплового отверстия тонкость и равномер­ность распыливания возрастают. В быстроходных двигателях с однокамер­ным смесеобразованием диаметр сопловых отверстий обычно 0,15—0,3 мм,2 в тихоходных доходит до 0,8 мм, находясь в зависимости от цилиндровой мощности двигателя.

Отношение длины соплового отверстия к диаметру, в пределах, при­меняемых в двигателях, почти не влияет на качество распыливания топлива. Гладкое цилиндрическое сопловое отверстие форсунки оказывает наимень­шее сопротивление истечению топлива, а потому истечение из такого сопла происходит с большей скоростью, чем из сопел другой формы. А поэтому гладкое цилиндрическое сопло обеспечивает более тонкое распыливание. Так, например, сопло с винтовыми канавками имеет коэффициент истечения порядка 0,37, тогда как гладкое цилиндри­ческое сопло имеет коэффициент истечения 0,7—0,8.

Увеличения числа оборотов вала дви­гателя, а соответственно и числа оборотов вала топливного насоса, повышает скорость плунжера топливного насоса и, следова­тельно, повышает давление нагнетания и скорость истечения топлива.

Рассмотрение процесса распада выте­кающей струи топлива позволяет сделать заключение, что вязкость топлива также влияет на тонкость распыла. Чем больше вязкость топлива, тем менее совершенным будет процесс распыливания. Опытные дан­ные показывают, что чем больше вязкость топлива, тем больше размеры капель рас­пыленного топлива.

Струя топлива по выходе из сопла форсунки, как это было изложено ранее, разбивается на отдельные нити, которые в свою очередь распадаются на отдельные капли. Вся масса капель образует так называемый факел топ­лива. Факел топлива по мере удаления от сопла расширяется, а следова­тельно, плотность его уменьшается. Плотность факела в пределах одного сечения также неодинакова.

Форма факела топлива показана на рис. 35, где изображено ядро факе­ла 1 (более плотное) и оболочка 2 (менее плотная). Кривая 3 показывает количественное распределение капель, а кривая 4 — распределение их скоростей. Ядро факела имеет наибольшую плотность и скорость. Такое рас­пределение капель можно объяснить следующим. Первые капли, поступив­шие в пространство сжатого воздуха, быстро теряют свою кинетическую энергию, но создают более благоприятные условия для движения последую­щих капель. Вследствие этого задние капли нагоняют передние и оттесняют их в стороны, сами продолжая двигаться вперед, пока не будут отстранены сзади двигающимися каплями, и. т. д. Такой процесс оттеснения одних ка­пель другими идет непрерывно до тех пор, пока не наступит равновесие меж­ду энергией струи в выходном сечении сопла и энергией, затрачиваемой на преодоление трения между частицами топлива, на проталкивание впереди идущих капель струи топлива, на преодоление трения струи о воздух, на увлечение воздуха и на создание вихревых движений воздуха в цилиндре.

Глубина проникновения факела топлива, или его дальнобойность, игра­ет весьма существенную роль в процессе смесеобразования. Под глубиной проникновения топливного факела понимают глубину проникновения вер­шины факела за определенный промежуток времени. Глубина проникнове­ния факела должна соответствовать форме и размерам пространства сгора­ния в цилиндре двигателя. При малой дальнобойности факела воздух, на­ходящийся около стенок цилиндра, не будет вовлечен в процесс сгорания, и тем самым ухудшатся условия для сгорания топлива. При большой дально­бойности частицы топлива, попадая на стенки цилиндра или поршня, обра­зуют нагар вследствие неполного сгорания. Таким образом, правильное определение дальнобойности факела имеет решающее значение в формиро­вании процесса смесеобразования.

К сожалению, решение этого вопроса теоретическим путем встречает огромные трудности, заключающиеся в учете влияния на дальнобойность эффекта облегчения движений одних капель другими и движения воздуха в направлении струи.

Все полученные формулы для определения дальнобойности факела L_ф не учитывают указанных факторов и по существу справедливы для отдельных капель. Ниже приводим формулу для определения Ьф, которая получе­на из эмпирической закономерности:

Здесь ? — скорость движения струи топлива;

? ₀ — скорость движения в канале сопла форсунки;

k — коэффициент, который зависит от давления впрыскивания, от противодавления, от диаметра сопла, от рода топлива и др.;

t — время дальнобойности.

При выводе формулы (26) было принято, что k = const, и потому она не отражает действительности и, кроме того, не учитывает влияния ранее указанных факторов. Эта формула скорее справедлива для определения полета отдельной капли, а не для струи в целом.

Более достоверными являются результаты опытов по определению дальнобойности. На рис. 36 приведены результаты опытов по определению дальнобойности L_ф, наибольшей ширины факела В_ф и скорости перемеще­ния вершины факела ? в зависимости от угла поворота валика топливного насоса ? при различных противодавлениях в бомбе р_б.

Диаметр сопла форсунки 0,6 мм. Давление впрыскивания р_ф =150 кГ/см²; количество впрыскиваемого топлива ?V = 75 мм³ за ход. Скорость вращения вала насоса 1000 об/мин. Дальнобойность факела при р_б = 26 кГ/см² достигает L_ф = 120 см, а скорость порядка 125 м/сек и быстро падает до 25 м/сек.

Кривые ? = f(?) и L_ф = f(?) показывают, что с увеличением противо­давления дальнобойность и скорость истечения факела падают. Ширина факела В_ф изменяется от 12 см при 5° до 25 см при 25° поворота вала насоса.

Сокращение периода подачи топлива, увеличение скорости истечения способствуют увеличению начальной скорости фронта факела и глубине его проникновения. Однако, вследствие более мелкого распыла, скорость факе­ла при этом быстрее падает. При увеличении диаметра сопла, с сохранением неизменной скорости истечения, дальнобойность факела возрастает. Проис­ходит это вследствие возрастания плотности ядра факела.

При уменьшении диаметра сопла, при неизменной суммарной площади сопел, угол конуса факела возрастает, а потому возрастает и лобовое сопро­тивление, дальнобойность же факела уменьшается. С увеличением суммар­ной площади сопловых отверстий форсунки давление распыливания умень­шается, уменьшается скорость исте­чения и уменьшается дальнобойность топливного факела.

Опыты В. Ф. Ермакова показы­вают, что предварительный подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр существенно влияет на размеры факе­ла и тонкость распыла.

На рис. 37 представлена зависи­мость длины факела L_ф от темпера­туры впрыскиваемого топлива.

Зависимость длины факела от тем­пературы топлива через 0,008 сек от начала впрыска приведена на рис. 38. При этом было установлено, что с по­вышением температуры ширина факе­ла возрастает, а длина уменьшается.

Указанное изменение формы факела с повышением температуры топлива сви­детельствует о более тонком и однородном распыле топлива. С повышением температуры топлива от 50 до 200° С длина факела уменьшилась на 22%. Средний диаметр капли уменьшился от 44,5 мк при температуре топлива 35° С до 22,6 мк при температуре топлива 200° С. Указанные результаты опытов позволяют сделать вывод, что подогрев топлива перед впрыском его в цилиндр значительно улучшает процесс смесеобразования в дизеле.

Многочисленные исследования показывают, что процессу самовоспла­менения топлива предшествует испарение его. При этом количество испа­ряющегося топлива до момента самовоспламенения зависит от размера ка­пель, от давления и температуры воздуха в цилиндре и от физико-химиче­ских свойств самого топлива. Увеличение испаряемости топлива способст­вует повышению качества процесса смесеобразования. Метод расчета про­цесса испаряемости факела топлива, разработанный проф. Д. Н. Выру­бовым, позволяет оценить влияние различных факторов на течение этого процесса, а особенно важным является количественная оценка полей кон­центрации паров топлива в смеси с воздухом.

Допуская, что среда, окружающая каплю на достаточном удалении от нее, имеет повсюду одинаковую температуру и давление, с концентрацией.

При выводе формулы (27) было принято, что капля имеет шарообраз­ную форму и неподвижна по отношению к окружающей среде. паров равной нулю (в то же время среда непосредственно у поверхности капли насыщена парами, парциальное давление которых соответствует тем­пературе капли) может быть получена формула, определяющая время пол­ного испарения капли:

Наибольшее влияние на скорость испарения топлива оказывает тем­пература воздуха в цилиндре. С повышением степени сжатия скорость испарения капли возрастает вследствие увеличения температуры воздуха. Повышение давления при этом несколько замедляет скорость испарения.

Равномерное распределение частиц топлива по пространству сгорания в основном определяется формой камеры сгорания. В судовых дизелях получили применение неразделенные камеры (смесеобразование в этом слу­чае называется однокамерным) и разделенные камеры (с предкамерным, вихрекамерным и воздушно-камерным смесеобразованием). Наибольшее применение имеет однокамерное смесеобразование.

Однокамерное смесеобразование характеризуется тем, что объем про­странства сжатия ограничен днищем крышки цилиндра, стенками цилиндра и днищем поршня. Топливо впрыскивается непосредственно в это простран­ство, и потому факел распыла по возможности должен обеспечить равно­мерность распределения частиц топлива по пространству сгорания. Дости­гается это согласованием форм камеры сгорания и факела распыла топлива, соблюдая при этом требования о дальнобойности и тонкости распыла топлив­ного факела.

На рис. 39 представлены схемы различных неразделенных камер сгора­ния. Все эти камеры сгорания имеют простую конфигурацию, не требуют усложнения конструкции цилиндровой крышки и имеют малую величину относительной поверхности охлаждения F_охл / V_c. Однако они обладают серь­езными недостатками, к числу которых следует отнести: неравномерное рас­пределение топлива по пространству камеры сгорания, вследствие чего для осуществления полного сгорания топлива необходимо иметь значительный коэффициент избытка воздуха (? = 1,8?2,1); требуемая тонкость распыла достигается высоким давлением нагнетания топлива, в связи с чем возрас­тают требования к топливной аппаратуре и процесс смесеобразования будет чувствителен к сорту топлива и к изменению режима работы двигателя.

Камеры сгорания могут быть разбиты на следующие группы: камеры в поршне (схемы 1—5); камеры в крышке цилиндра (схемы 6—8); между поршнем и крышкой (схемы 11—15); между двумя поршнями в двигателях с ПДП (схемы 9—10).

Из камер в поршне в среднеоборотных и многооборотных дизелях наи­большее применение имеет камера формы 2, в которой углубления в поршне воспроизводят форму факелов распыла и тем самым достигается повышение равномерности распределения частиц топлива. В целях улучшения смесеоб­разования в неразделенных камерах воздушному заряду цилиндра придают вихревое движение.

В четырехтактных дизелях вихревое движение достигается простановкой экранов на впускных клапанах или соответствующим направлением впускных каналов в крышке цилиндра (рис. 40). Наличие экранов на впуск­ном клапане уменьшает проходное сечение клапана, вследствие чего воз­растают гидравлические сопротивления, а потому целесообразнее применять для образования вихревого движения воздуха искривление впускных кана­лов. В двухтактных дизелях завихрение воздуха достигается тангенциаль­ным расположением продувочных окон. Весьма равномерное смесеобразова­ние достигается в камерах, большая часть которых расположена в поршне (см. рис. 39, схемы 4 и 5). В них при перетекании воздуха из подпоршневого пространства (в период такта сжатия) в камеру в поршне создаются радиаль­но направленные вихри, способствующие лучшему смесеобразованию. Камеры данного типа также называют «полуразделенными».

Камеры, расположенные в крышке цилиндра (см. рис. 39, схема 6—8), применяют в двухтактных двигателях. Камеры между поршнем и крышкой цилиндра (рис. 39, схемы 11—15) получаются наивыгоднейшей формы без больших углублений в поршне или в крышке цилиндра. Применяются та­кие камеры главным образом в двухтактных дизелях.

В камерах сгорания между двумя поршнями (см. рис. 39, схемы 9 и 10) ось форсунок направлена перпендикулярно оси цилиндра, с расположением сопловых отверстий в одной плоскости. При этом форсунки имеют диамет­рально противоположное расположение, чем достигается равномерное рас­пределение частиц топлива по пространству камеры сгорания.