Внутреннее смесеобразование. Смесеобразование в дизелях (внутреннее смесеобразование)

Бензиновые двигатели –
одна из разновидностей ДВС
(двигателей внутреннего
сгорания) в которых поджег
смеси из воздуха и топлива,
осуществляется в
цилиндрах, посредством
искр от свечей зажигания.
Роль регулятора мощности
выполняет дроссельная
заслонка, которая регулирует
поток поступающего
воздуха.

По способу осуществления рабочего цикла двигатели делятся на
двухтактные и четырехтактные.
Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу
объема, однако проигрывают в КПД. Поэтому они нашли свое применение
там, где важна компактность, а не экономичность (мотоциклы, моторные
лодки, бензопилы и другие моторизованные инструменты).
Четырехтактные двигатели доминируют в остальных средствах
передвижения.

Топливно-воздушная система
Главной задачей топливно-воздушной системы является бесперебойная
доставка в двигатель смеси топлива и воздуха. Система топливоподачи
еще называется топливной системой или системой питания топливом.
Такая система предназначена для питания двигателя, хранения и очистки
топлива.
Конструктивное строение
топливный бак
топливный насос
топливный фильтр
система впрыска
топливопроводы

Принцип работы топливно-воздушной системы

Вся схема работы системы топливоподачи выглядит следующим
образом:
Водитель включает зажигание;
Топливный насос закачивает топливо в систему и создает рабочее
давление;
Топливо поступает в систему впрыска;
Происходит распыление и образование топливно-воздушной
смеси;

Смесеобразование

Под смесеобразованием в двигателях с искровым зажиганием подразумевают
комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих дозирование
топлива и воздуха, распыливание и испарение топлива и перемешивание его
с воздухом. Качественное смесеобразование является необходимым условием
получения высоких мощностных, экономических и экологических
показателей двигателя.

Смесеобразование инжекторного ДВС

Обеспечивает хранение
топлива, необходимого
для питания двигателя
автомашины. Указанный
бак в легковых авто
зачастую расположен в
задней части и закреплен
на днище кузова.
Ответственен за очистку
топлива.
Отвечает за подачу топлива в систему впрыска и
поддерживает необходимое рабочее давление в
топливной системе.

Принцип работы форсунки заключается в том, что ЭБУ
(электронный блок управления) подает на нее
электрический импульса. Под воздействием импульса
форсунка открывается и впрыскивает бензин во
впускной коллектор. Полученная топливно-воздушная
смесь всасывается через впускные клапаны поршнем
на такте впуска. Момент времени и длительность
впрыска для форсунки определяет ЭБУ.

Смесеобразование карбюраторного ДВС

Образование смеси бензина с
воздухом происходит в
карбюраторе, где бензин
смешивается с засасываемым
в двигатель воздухом в
нужном количестве,
распыляется и частично
испаряется. Дальнейшее
испарение и перемешивание
происходят во впускном
трубопроводе и в самих
цилиндрах двигателей.

10.

Способ образования горючей смеси в простейшем
карбюраторе (фиг. 71)
Топливо из бачка под напором поступает по каналу,
перекрытому игольчатым клапаном 4, в поплавковую камеру
2. Поплавком 3 измеряется уровень топлива в поплавковой
камере, а следовательно, и напор топлива поддерживается
почти постоянным, с тем чтобы этот уровень был несколько
ниже отверстия форсунки 7; таким образом, при
неработающем двигателе утечка топлива не происходит. При
всасывающем ходе поршня 10, т. е. при движении его вниз
воздух через патрубок 8 проходит диффузор 6, в котором его
скорость значительно повышается, а следовательно, давление
понижается. Благодаря разрежению топливо из поплавковой
камеры через калиброванное проходное отверстие 1,
называемое жиклером, и форсунку 7 фонтанирует в
диффузор, распадаясь при этом на мелкие капли,
испаряющиеся в воздушном потоке. Количество смеси,
всасываемой через впускной клапан 9, регулируется дроссельной заслонкой 5.

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/см 2 , у быстроходных 600- 1000 кГ/см 2 . При применении насоса-форсунки давление впрыска достигает 2000 кГ/см 2 .

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/см 2 ; количество впрыскиваемого топлива?V = 75 мм 3 за ход. Скорость вращения вала насоса 1000 об/мин. Дальнобойность факела при р б = 26 кГ/см 2 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.

В карбюраторных двигателях горючая смесь приготовляется в специальном устройстве, называемом карбюратором.

Схема элементарного карбюратора с падающим потоком показана на рис. 16.9.

В поплавковой камере 2 с помощью поплавка 4 и игольчатого клапана 3 поддерживается постоянный уровень топлива.

При работе двигателя вследствие всасывающего действия поршня в диффузоре 6 создается разрежение. Топливо из поплавковой камеры 2 через калиброванное отверстие 1, называемое жиклером, подсасывается к распылителю 5, который распыливает его.

Чтобы предотвратить вытекание топлива из распылителя 5 при неработающем двигателе, его верхняя кромка расположена на 2-3 мм выше уровня топлива в поплавковой камере 2. Последняя бывает балансированной и небалансированной. В первом случае поплавковая камера сообщается с ат-

Рис. 16.9.

1 - жиклер; 2 - поплавковая камера; 3 - игольчатый клапан; 4 - поплавок; 5 - распылитель; 6 - диффузор; 7 - дроссельная заслонка; 8 - трубопровод мосферным воздухом через воздухоочиститель, во втором - непосредственно с атмосферным воздухом, как показано на рис. 16.9.

К преимуществам балансированных поплавковых камер относится то, что в них, независимо от сопротивления воздушного фильтра, лучше сбалансирован расход воздуха и бензина и меньше загрязняется камера.

Образовавшаяся в диффузоре 6 горючая смесь по впускному трубопроводу 8 через впускные клапаны направляется в цилиндры двигателя. Испарение топлива и смесеобразование начинаются в диффузоре 6 карбюратора, продолжаются при движении горючей смеси по всасывающему трубопроводу 8 и заканчиваются при сжатии ее в цилиндре. В четырехтактных двигателях этот процесс происходит на протяжении двух ходов поршня, что соответствует 330-340° поворота коленчатого вала. При всасывании и сжатии образуются завихрения, вследствие чего испарившееся топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Для лучшего испарения топлива при смесеобразовании горючую смесь иногда подогревают во всасывающем трубопроводе, что обеспечивает экономичное сжигание топлива при небольших коэффициентах избытка воздуха и высокой частоте вращения коленчатого вала.

Количество горючей смеси, поступающей в двигатель, а следовательно, и его мощность регулируют дроссельной заслонкой 7. При большем ее открытии возрастает скорость воздуха в диффузоре 6, увеличиваются разрежение и интенсивность истечения топлива из распылителя 5, а также количество горючей смеси, поступающей в цилиндр.

В зависимости от конструкции двигателя и его нагрузки скорость воздуха в диффузоре колеблется от 50 до 150 м/с. Состав горючей смеси, приготовленной в карбюраторе, характеризуется коэффициентом избытка воздуха а. Горючая смесь при а = 1 называется нормальной , при а = 1-=-1,15 - обедненной , при а > 1,15 - бедной. Работа двигателя от средней до полной нагрузки на обедненной смеси обеспечивает наименьший удельный расход топлива. При а > 1,3 горючая смесь не воспламеняется из-за недостатка топлива. Горючая смесь с избыточным количеством топлива при а = 1,00-ИД 5 называется обогащенной , а при а богатой. При а

При работе на обогащенной смеси обеспечивается наибольшая мощность двигателя вследствие увеличения теплоты сгорания заряда и большей скорости распространения пламени. Однако при работе на этой смеси топливо сгорает не полностью, что приводит к его повышенному удельному расходу.

На обогащенной смеси двигатель должен работать в период пуска, холостого хода и при максимальной мощности.

При работе двигателя с элементарным карбюратором в период пуска, вследствие малого разрежения в диффузоре и расположения уровня топлива в распылителе на 2-3 мм ниже его устья, истечения топлива из распылителя не происходит, и в двигатель поступает чистый воздух (а -? °°). Таким образом, запуск двигателя с элементарным карбюратором невозможен.

Элементарный карбюратор не может обеспечить запуск двигателя и устойчивую работу его на холостом ходу, а также требуемый состав смеси при переходе с одного режима работы на другой. Поэтому его оборудуют устройствами, обеспечивающими получение наивыгоднейшего состава смеси при различных режимах работы двигателя. К таким устройствам относятся компенсационные жиклеры, экономайзеры, ускорительные насосы и т.д.

Смесеобразованием называется приготовление рабочей смеси топлива и воздуха для сжигания в цилиндрах двигателя. Процесс смесеобразования происходит почти мгновенно: от 0,03 до 0,06 с в тихоходных ДВС и от 0,003 до 0,006 с —в быстроходных. Для достижения полного сгорания топлива в цилиндрах необходимо обеспечить получение рабочей смеси требуемого состава и качества. При неудовлетворительном смесеобразовании (из-за плохого перемешивания топлива с воздухом) при недостатке кислорода в рабочей смеси происходит неполное сгорание, которое ведет к снижению экономичности работы ДВС. Экономичная работа двигателя достигается в первую очередь за счет обеспечения наиболее полного и быстрого сгорания топлива в цилиндрах вблизи в. м. т. Очень важное значение при этом имеет распыливание топлива на мельчайшие по возможности однородные частицы и равномерное распределение их по всему объему камеры сгорания.
В настоящее время в судовых ДВС применяют в основном однокамерный, предкамерный и вихрекамерный способы смесеобразования.
При однокамерном смесеобразовании топливо в мелкодисперсном состоянии под высоким давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, образованную днищами поршня, крышки и стенками цилиндра. При непосредственном впрыскивании топливным насосом создается давление 20— 50 МПа, а в отдельных типах двигателей 100—150 МПа. Качество смесеобразования зависит главным образом от согласования конфигурации камеры сгорания с формой и распределением факелов горения топлива. Для этого сопла форсунок имеют; 5— 10 отверстий диаметром 0,15—1 мм. Топливо во время впрыскивания, проходя через малые отверстия в сопле, приобретает скорость более 200 м/с, что обеспечивает его глубокое проникновение в воздух, сжатый в камере сгорания.
Камера сгорания типа Гессельмана:

Качество перемешивания частиц топлива с воздухом зависит прежде всего от формы камеры сгорания. Очень хорошее смесеобразование достигается в камере, показанной на рисунке выше и впервые предложенной Гессельманом. Она широко используется в четырех- и двухтактных ДВС. Бортики 1 у краев поршня предотвращают попадание частиц топлива на стенки втулки 2 цилиндра, имеющей сравнительно низкую температуру.
ДВС большой мощности часто имеют поршни с вогнутым днищем. Камера сгорания, образованная крышкой цилиндра и поршнем такой конструкции, позволяет добиться хорошего смесеобразования.
При смесеобразовании с непосредственным впрыскиванием топлива в неразделенную камеру последняя может иметь простую форму с относительно малой поверхностью охлаждения. Поэтому ДВС с однокамерным способом смесеобразования просты по конструкции и наиболее экономичны.
Недостатки однокамерного способа смесеобразования следующие: необходимость повышенных коэффициентов избытка воздуха для обеспечения качественного сгорания топлива; чувствительность к изменению скоростного режима (из-за ухудшения качества распыливания при понижении частоты вращения коленчатого вала двигателя); очень высокое давление впрыскиваемого топлива, усложняющее и удорожающее топливную аппаратуру. Кроме того, из-за малых отверстий сопел форсунок необходимо применять тщательно очищенное топливо. По этой же причине очень трудно осуществить однокамерное смесеобразование в быстроходных ДВС малой мощности, так как при незначительном расходе топлива диаметры отверстий сопел форсунок должны быть значительно уменьшены. Изготовить многодырчатые форсунки с очень малым диаметром сопловых отверстий очень трудно, кроме того такие отверстия во время работы быстро засоряются и форсунка выходит из строя. Поэтому в быстроходных ДВС малой мощности более эффективно смесеобразование с раздельными камерами сгорания (предкамерное и вихрекамерное), осуществляемое с однодырчатой форсункой.

На рисунке показан цилиндр ДВС с предкамерным смесеобразованием . Камера сгорания состоит из предкамеры 2 , расположенной в крышке, и главной камеры 1 в надпоршневом пространстве, соединенных между собой. Объем предкамеры составляет 25—40 % общего объема камеры сгорания. При сжатии воздух, находящийся в цилиндре, с большой скоростью входит через соединительные каналы 4 в предкамеру, создавая в ней интенсивное вихреобразование. Топливо под давлением 8—12 МПа впрыскивается в предкамеру однодырчатой форсункой 3 , хорошо перемешивается с воздухом, воспламеняется, но сгорает лишь частично из-за недостатка воздуха. Оставшаяся (несгоревшая) часть топлива вместе с продуктами сгорания под давлением 5—6 МПа выбрасывается в основную камеру сгорания. При этом топливо интенсивно распыливается, перемешивается с воздухом и сгорает. К преимуществам ДВС с предка-мерным смесеобразованием относится то, что они не требуют наличия топливной аппаратуры, работающей под очень высоким давлением и не нуждаются в топливе высокой степени очистки.
Основными недостатками этих ДВС являются: более сложная конструкция цилиндровых крышек, создающая опасность образования трещин из-за тепловых напряжений; трудность пуска холодного двигателя; повышенный расход топлива из-за несовершенного смесеобразования. Относительно большая поверхность стенок предкамеры вызывает сильное охлаждение воздуха при его сжатии во время пуска двигателя, что затрудняет получение температуры, необходимой для самовоспламенения топлива. Поэтому в двигателях с предкамерным способом смесеобразования допускают более высокое сжатие (степень сжатия достигает 17—18), а также применяют электрические запальные свечи и подогрев засасываемого воздуха в период пуска.

Вихрекамерный способ смесеобразования также применяется в быстроходных ДВС небольшой мощности. В этих двигателях камера сгорания также разделена на две части. Вихревая камера, имеющая шаровую или цилиндрическую форму, помещается в крышке цилиндра или цилиндровом блоке и сообщается с основной камерой сгорания соединительным каналом, направленным по касательной к стенке вихревой камеры. Благодаря этому сжатый воздух, перетекающий в вихревую камеру через соединительный канал 1 , получает в ней вращательное движение, способствующее хорошему перемешиванию топлива с воздухом. Объем вихревой камеры составляет 50—80 % общего объема камеры сгорания. Топливо подается в вихревую камеру однодырчатой форсункой 2 под давлением 10—12 МПа. Диаметр отверстия сопла форсунки составляет 1—4 мм.
Применение вихрекамерного способа распыливания топлива обеспечивает достаточно полное сгорание топлива в быстроходных ДВС. Недостатками таких двигателей является повышенный расход топлива и трудность его пуска. Для облегчения пуска ДВС в ход используется электрическая запальная свеча 3 , расположенная рядом с форсункой.
Удельный расход топлива у двигателей с предкамерным и вихрекамерным способом смесеобразования на 10—15 % выше, чем у двигателей с однокамерным смесеобразованием.

Сгорание топлива может протекать только в присутствии окислителя, в качестве которого используется кислород, находящийся в воздухе. Следовательно, для полного сгорания определенного количества топлива необходимо иметь определенное количество воздуха, соотношение которых в смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха.

Так как воздух является газом, а нефтяные топлива - жидкостью, то для полного окисления жидкое топливо необходимо превратить в газ, т. е. испарить. Поэтому кроме рассмотренных четырех процессов, соответствующих названиям тактов работы двигателя, всегда присутствует еще один - процесс смесеобразования.

Смесеобразование - это процесс приготовления смеси топлива с воздухом для сжигания ее в цилиндрах двигателя.

По способу смесеобразования ДВС разделяются на:

• двигатели с внешним смесеобразованием
• двигатели с внутренним смесеобразованием

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление смеси воздуха с топливом начинается за пределами цилиндра в специальном приборе - карбюраторе. Такие ДВС называются карбюраторными. В двигателях с внутренним смесеобразованием смесь приготавливается непосредственно в цилиндре. К таким ДВС относятся дизели.