Применение форкамерно-факельного воспламенения в дизельных двигателях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Шевченко П. Л., Ширлин И. И., Шевченко С. И.
Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания и предкамерным смесеобразованием имеют существенный недостаток повышенный удельный расход топлива, связанный со значительными потерями энергии на гидравлическое сопротивление в соединительном канале предкамеры и полости цилиндра. Применение форкамерно-факельного воспламенения позволит устранить этот недостаток и объединить достоинства разделенных и не разделенных камер сгорания .
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Шевченко П. Л., Ширлин И. И., Шевченко С. И.
Влияние разделённых и полуразделённых камер сгорания на рабочий процесс дизеля при использовании альтернативных видов топлива
Пути совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания
Способы организации рабочего процесса газодизельного двигателя
Исследование по выбору неразделенной камеры сгорания дизеля ваз-341
Теоретическое определение оптимальных конструктивных параметров камеры сгорания судового малоразмерного дизеля
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Применение форкамерно-факельного воспламенения в дизельных двигателях»
ПРИМЕНЕНИЕ ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В
П.Л. Шевченко, канд. техн. наук., проф.,
И.И. Ширлин, канд. техн. наук., С.И. Шевченко, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Аннотация. Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания и предкамер-ным смесеобразованием имеют существенный недостаток — повышенный удельный расход топлива, связанный со значительными потерями энергии на гидравлическое сопротивление в соединительном канале предкамеры и полости цилиндра. Применение форкамерно-факельного воспламенения позволит устранить этот недостаток и объединить достоинства разделенных и не разделенных камер сгорания.
Ключевые слова: двигатели, дизели, воспламенение, камера сгорания
Среди достоинств дизельных двигателей особенно важным является высокий эффективный коэффициент полезного действия, что выражается в высокой экономичности, пониженной токсичности отработавших газов в сравнении с бензиновыми двигателями. Из недостатков следует отметить повышенную жесткость работы двигателя, особенно при снижении температуры окружающего воздуха и снижении цетанового числа топлива, что вызывает повышенные нагрузки в деталях кривошипно-шатунного механизма двигателя и негативно сказывается на надежности и долговечности двигателя в целом. Причиной этого является увеличение периода задержки воспламенения в рабочем процессе. Описание и постановка задачи Продолжительность периода задержки воспламенения в основном зависит от температуры воздушного заряда в зоне впрыска топлива. Зависимость периода задержки воспламенения от температуры воздушного заряда можно выразить следующим образом [1]:
где А — постоянный коэффициент; е — основание натурального логарифма; Е — энергия активации; Т — температура воздушного заряда.
На основе представленного выражения можно утверждать, что повышение температуры воздушного заряда на 10% вызывает сокращение задержки воспламенение на 12-15%.
Однако, повышение температуры свежего заряда возможно до определенного уровня, который определяется наполнением цилин-
рабочий процесс, форкамерно-факельное
дра. В этой связи подогревать воздушный заряд на впуске в цилиндр выше 35-40 К нецелесообразно, так как это ведет к снижению коэффициента наполнения цилиндра [2].
Поэтому необходимо подогревать заряд непосредственно в цилиндре двигателя. В этом случае удается сократить период задержки воспламенения и сохранить наполнение цилиндра двигателя, не снижая эффективной мощности и не увеличивая расхода топлива.
Повышения температуры воздушного заряда в камере сгорания для сокращения периода задержки воспламенения добиваются обычно следующими способами:
— модернизация конструкции камеры сгорания (применение предкамерного и вихрекамерного смесеобразования);
— использование свечей накаливания, жаропрочных вставок, различных экранов и т.п.
Однако, указанные способы имеют недостатки, связанные со сложностями конструктивных решений и низкой эффективностью для решения поставленных задач.
Другим способом снижения периода задержки воспламенения, за счет создания благоприятных условий для воспламенения топливовоздушной смеси, является форкамерно-факельное воспламенение.
Такой способ позволяет значительно увеличить температуру рабочей смеси в самой форкамере, а, стало быть, снизить период задержки воспламенения.
С этой целью на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» Сибирской автомобильнодорожной академии была разработана система
форкамерно-факельного воспламенения для дизелей с неразделенной камерой сгорания. Эти двигатели, обладая высокой экономичностью, большой литровой мощностью и хорошими пусковыми качествами, характеризуются высокой жесткостью работы. Применение форкамерно-факельного воспламенения позволит снизить отрицательное влияние повышенной жесткости работы двигателя за счет снижения периода задержки воспламенения.
Для реализации данной идеи была разработана конструкция форкамеры. Устройство располагается в днище поршня, ее объем не превышает 7-8% объема основной камеры сгорания и в нее подается только около 10% топлива.
В результате предполагается значительно сократить задержку воспламенения непосредственно в форкамере, и реализовать ступенчатое воспламенение всего заряда, поскольку воспламенение смеси в форкамере инициирует воспламенение смеси по всему объему камеры сгорания.
При работе двигателя температура стенок форкамеры, а, следовательно, и внутри ее, будет значительно выше температуры в основной камере, так как теплопроводность жаропрочной стали гораздо ниже теплопроводности материала поршня, и, кроме того, возможна теплоизоляция форкамеры [3].
В конце такта сжатия воздух с большой скоростью поступает в форкамеру и увлекает за собой топливо, поступающее из отверстия распылителя, расположенного против соединительного канала форкамеры.
Благодаря высокой температуре в форкамере топливо воспламеняется с очень малым периодом задержки воспламенения. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру, вырываются в основную камеру сгорания через четыре отверстия, расположенные по окружности фор-камеры и через соединительный канал против распылителя. Это способствует быстрому воспламенению основной порции топлива и равномерному его распределению по объему основной камеры сгорания. При такой организации рабочего процесса обеспечивается снижение периода задержки воспламенения основной порции топлива и мягкая работа двигателя.
Благодаря равномерному распределению топлива по объему камеры сгорания, улучшается полнота сгорания топлива, более полно будет использован избыток воздуха. Это позволит осуществить нормальную работу двигателя при пониженном значении коэффициента избытка воздуха и даст возможность увеличить мощность двигателя.
Более полное сгорание топлива будет способствовать снижению токсичности отработавших газов. Кроме того, будут понижены требования к цетановому числу топлива.
Сокращение периода задержки воспламенения дает возможность форсировать двигатель по частоте вращения коленчатого вала без повышения степени сжатия, что позволит относительно просто увеличить литровую мощность двигателя, а стало быть, снизить удельную массу и габариты дизеля.
Эффективный коэффициент полезного действия будет больше, чем у предкамерных и вихрекамерных двигателей, так как поверхность камеры сгорания меньше, а поэтому тепловые потери в охлаждающую жидкость меньше.
Кроме того, гидравлические потери при перетекании рабочего тела практически отсутствуют. Благодаря более полному сгоранию топлива и минимальному увеличению тепловых и гидравлических потерь экономичность двигателя будет выше.
Пусковые качества двигателя при низких температурах будут такими же, как у однокамерных двигателей.
1. Семенов В.И. Исследование индикаторного периода задержки воспламенения быстроходного многотопливного дизеля с камерой в поршне. Изв. вузов. — М.: «Машиностроение», № 1, МВТУ, 1970.
2. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. — 223 с.
3. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. — М.: Машиностроение, 1977. — 216 с.
Applying a pre-combustion pilot-flame ignition in diesel engines
P.L. Shevchenko, I.I. Shirlin,
Diesel engines equipped with divided combustion chambers and prechamber carburetion have advantages, as well as one considerable disadvantage -high fuel rate in comparison with diesel engines equipped with nondivided combustion chambers. This drawback is bound up with sufficient loss of energy due to flow resistance inthe connecting port between prechamber and chamber space. The mentioned loss is also related with the fact that the entire amount of fuel involved the in carburetion and combustion process is forwarded into the prechamber. Applying a pre-combustion pilot-flame ignition to get rid of described drawback and will combine advantages of divided and nondivided combustion chambers.
Статья поступила 21.04.2008г
Принцип действия форкамерного дизельного двигателя
Как вы знаете, сегодня многие производители ищут варианты того, как увеличить экономичность двигателей внутреннего сгорания. Они нашли один из возможных выходов из этого затруднительного положения. Метод заключается в том, чтобы мотор работал на топливных смесях, содержащих меньший процент горючего. При таком подходе не только удастся увеличить топливную экономичность, но и, более того, сократить выброс вредных отходов. Но в этом способе есть изъян: когда смесь содержит небольшое количество горючего, она хуже воспламеняется. Поэтому разработчики пришли к выводу, что для стабильной работы мотора нужен начальный очаг горения, от которого распространение огня произойдёт быстро по всему пространству топливно-воздушного заряда.
По итогу сейчас существуют два варианта получения подобного очага: искра повышенной энергии и послойное распределение смеси (к тому времени, как производится искра образуется легковоспламеняющаяся смесь). Второй путь включает в себя несколько вариантов. Мы же сегодня рассмотрим подробнее вариант под названием форкамерно-факельное зажигание.
Полость, находящаяся в голове цилиндров двигателя внутреннего сгорания, именуется форкамерой, или же предкамерой. Она, используя один или несколько каналов, соединяется с главной камерой сгорания горючего. Этот тип мотора выступает как в формате дизельного, так и бензинового. Вообще промежуточная камера может носить и другое название: вихрекамера. Исходя из названия, нам становится ясным то, что топливо в такой камере закручивается. Этот эффект содействует лучшему перемешиванию горючего с воздухом. Но, описывая работу ДВС с форкамерой, важно отметить, что изначально горючее, попадая в предварительную полость, сталкивается с её стеночками и перемешивается с воздухом, в этом этот вид мотора уступает своему подобию.
Воспламеняясь, топливо быстро направляется в ключевую камеру, используя уже известные нам каналы соединения. Отличным фактором, которым обладают такие каналы, в сравнении со своими аналогами, выступает то, что сечения в них согласованы так, чтобы между форкамерой и ключевым цилиндром создавалась существенная разница давлений. Топливо разливается по всей площади предкамеры и сгорает там почти полностью. Заключительная фаза — это сгорание горючего в главной камере, точнее сказать его остатков.
Читайте также: Зарядные устройства Вымпел — характеристики и особенности зарядки АКБ
Из-за того, что в главном отсеке солярка уже догорает и ей уже не нужно продолжать свой путь, параметры углублений в поршнях небольшие.
Для чего нужна форкамера в двигателе
Теперь разберемся в самом главном вопросе: для чего же нужна форкамера в двигателе?
Первостепенно такая система была создана с той целью, чтобы убрать, пусть и частично, нагрузку на поршни. Это же, в свою очередь, положительно сказалось на общей работе мотора. Более того, выбирая форкамерный двигатель, вы сокращаете количество токсичных отходов, так как, говоря конкретно о нашем случае, солярка полностью сгорает. Делаем из этого вывод — ваши расходы на горючее уменьшатся.
Система форкамерно-факельного зажигания
Основными элементами, составляющими дизельный двигатель с форкамерой, являются:
Примечание: мы будем проходить путь вместе с топливом для того, чтобы полностью понять принцип работы форкамерного двигателя.
- Канал ведёт солярку в предкамеру.
- Затем проходит секция, предназначенная для переобогащённой смеси.
- Клапан самой форкамеры.
- Свеча зажигания выполняет свою основную роль (поджог топлива, когда форсунки его впрыскивают).
- Одновременно с тем, как от искры загорелось горючее, распредел ГРМ впускает в главную камеру топливо, посредством того, что открывает клапан.
- Теперь горючее на финишной прямой — в центральной камере ДВС.
Сейчас, мы надеемся, вам стало ясно, как работает форкамерный дизель и из чего состоит устройство форкамеры.
Плюсы и минусы предкамерных двигателей
Упоминая о двигателях внутреннего сгорания, работающих на бензине, можно с уверенностью заявить об их неэффективности, так как устройство было несовершенным и в движении показало себя с самых худших сторон. Поэтому никто из производителей не захотел полагаться на такой выбор, и в итоге подобные конструкции сейчас не используются. Конечно, изначально люди отдавали предпочтение таким аналогам из-за экономичности в расходе топлива и, одновременно с этим, уменьшением токсичности выбрасываемых отходов. Но пользователи поменяли своё мнение, испытав агрегаты на прочность в езде.
Читайте также: Что собой представляет SWAP двигателя
Ситуация совершенно иная, если это касается дизельных моторов, которые и являются нашим основным объектом изучения. Плюсами в движке с предкамерным двигателем выступают незначительная дымность силовой установки, не зависимо от способа езды и, что тоже весомо, такие установки не нуждаются в отборном топливе.
Вернёмся к отрицательным сторонам, куда уж без них. Непрогретый мотор плохо запускается. Из-за чего же так происходит? Суть в том, что для стабильного пуска требуется изначально хороший прогрев предкамеры, но, по причине того, что в этой системе устанавливаются электрические калильные свечи, воздух прогревается не в полной мере.
В заключении можно отметить, что принцип работы подобных двигателей имеет мало недостатков, поэтому вы можете смело отдавать ему предпочтение. Приятных поездок и не забывайте оставлять свои комментарии ниже.
Замена форкамер. Вставки вихревой камеры
Правильное обращение с головками блоков цилиндров
старых моделей
Ситуация
Дизельные двигатели с непрямым впрыском широко применяются по сей день. Часто используются двигатели, работающие по принципу вихревой камеры.
Монтажное положение
В двигателях с вихревой камерой изготовленные из стали вставки вихревой камеры установлены в головке блока цилиндров (рис. 1) со стороны сгорания. Вставки не вдавлены в головку блока цилиндров. Они установлены в головке блока цилиндров с соблюдением точности посадки. В сравнении с торцевой поверхностью головки блока цилиндров вставки имеют выступ 0,02 – 0,07 мм (размер выступа «X» в зависимости от изготовителя). Благодаря выступу камера
вдавливается уплотнением головки блока цилиндров в положение посадки и остается неподвижной во время эксплуатации.
Рис. 1: головка блока цилиндров с установленными вставками вихревой камеры
При использовании головок блоков цилиндров с вихревыми камерами проблемы зачастую возникают в результате перегрева двигателя, некомпетентного ремонта или неверного обращения с головками блоков цилиндров. Ниже приводятся ответы на некоторые часто задаваемые вопросы.
Коммерческое предложение по данной услуге с ценой находится на этой странице: Замена форкамер.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Могут ли незакрепленные вставки вихревой камеры привести к потере охлаждающего средства?
Ответ: Нет! Вихревые камеры не связаны с охлаждающим средством. Потери охлаждающего средства головки блока цилиндров всегда возникают в результате перегрева двигателя (анормальное сгорание). Подобный перегрев приводит к перекосам в головке блока цилиндров, повреждению уплотнений головки блока цилиндров и образованию трещин. В этом случае незакре- пленные вставки вихревой камеры являются последствием.
Вопрос: По какой причине вихревая камера вызывает утечки газа на уплотнении головки блока цилиндров?
Ответ: Это происходит по двум разным прчинам.
1. Вихревая камера была установлена без требуемого выступа относительно торцевой поверхности головки блока цилиндров.
2. В результате перегрева двигателя вихревая камера осела в головке блока цилиндров.
В обоих случаях утрата выступа вихревых камер приводит к потере давления на поверхность уплотнения головки блока цилиндров в данной области. Это неизбежно вызывает утечки.
Вопрос: Возможна ли чистовая обработка уплотнительной поверхности головок блоков цилиндров, оснащенных вставками вихревой камеры?
Ответ: Несмотря на то что многие изготовители двигателей отклоняют возможность подгонки торцевой поверхности головки блока цилиндров, на практике это вполне возможно и часто применяется.
Вопрос: В каком случае вставки вихревой камеры могут вызвать появление механических шумов в двигателе?
Ответ: Причин может быть несколько.
1. Вихревая камера осела или была установлена без требуемого выступа. Вставка вихревой камеры шатается в месте посадки и сталкивается с поршнем. Давление сгорания и перегрев камеры (плохой отвод тепла) усиливают шатание (рис. 3).
Рис. 3
2. При перегреве двигателя, вызванном, например, сбоями процесса сгорания, детали сильно расширяются. В результате этого cвободный ход поршня утрачивается, и поршень ударяется о вихревую камеру, клапаны и головку блока цилиндров. На рисунке 4 с изображением поршня видны следы от ударов на вставке вихревой камеры (стрелка) и впускном клапане. Этот дефект возник в результате перегрева двигателя.
3. Во время монтажа головки блока цилиндров не был учтен правильный выступ поршня и было установлено уплотнение головки блока цилиндров неверной толщины. Поэтому во время эксплуатации поршень ударяется о вставку вихревой камеры.
Рис. 4: следы от ударов, возникшие в результате перегрева двигателя
Информация
Контактная информация
Частное предприятие «Головки Блоки — Сервис»
�� г. Минск, ул. Козлова, 22 (бывший автобусный парк)
�� Время работы: Пн-Пт 9:00-18:00, Сб-Вс 9:00-15:00
+375 (29) 770-36-00
+375 (44) 778-36-00
- E-mail: support@avtopro.by
Форкамера
Форкамера — это специальная полость в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Полость форкамеры сообщается с основной полостью камеры сгорания через один или более каналов. Бензиновый и дизельный двигатель могут быть форкамерными, то есть предкамерными.
Форкамера
Как мы уже описали выше, форкамерный двигатель имеет следующий принцип действия в работе:
- в предкамерную полость подается топливно-воздушная смесь;
- смесь частично воспламеняется;
- по мере сгорания смеси, давление в форкамере увеличивается;
- из-за создающегося давления, пары и газы сгоревшей смесь выталкиваются в рабочую полость цилиндров над поршнями. Форкамера имеет объем 30% от основного объема рабочей полости камеры сгорания. Смысл применения данной конструкции в ДВС в том, чтобы улучшить наполнение цилиндров и улучшить качество образования смеси.
Главный плюс двигателя с форкамерой — это низкие ударные нагрузки деталей цилиндро-поршневой группы во время работы ДВС. Это обеспечивается, как раз таки, за счет плавного нарастания давления, а не скачками.
К тому же, форкамерные двигатели качественно сжигают топливо, уменьшают количество выброса вредных веществ, уменьшают расход топлива и повышают КПД силового агрегата.
Что такое и как работает система форкамерно-факельного зажигания
Если есть форкамера в моторе, значит уже понятно, что есть основная камера сгорания топлива, а есть еще дополнительная.
Во впускном коллекторе и головке блока цилиндров есть специальный канал. Такой двигатель с форкамерой устанавливают, например, на не некоторые модели автомобилей Газа «Волга». В предкамеру подается переобогащенная смесь, которая создается в отдельной камере карбюратора. В форкамере есть еще впускной клапан. Далее свеча зажигания вырабатывает искру и происходит поджиг топливно-воздушной смеси в предкамере. После этого распределительный вал открывает впускной клапан основной камеры, после чего в основную камеру поступает уже обедненная смесь.
Полости форкамеры и основной камеры сгорания сообщаются специальными соплами — каналами. Через них в основную камеру попадает пламя, пары и газы уже успевшей сгореть части воздушно-топливной смеси. В результате этого обедненная смесь в основной камере воспламеняется.
Таким образом, форкамера — это подвпрыск, который по принципу действия похож на принцип двухступенчатой работы новых дизельных инжекторных форсунок.
Плюсы и минусы предкамерных агрегатов
С одной стороны, изменение конструкции двигателя с внедрением форкамеры не нашли широкого применения из-за значительного усложнения конструкции двигателя.
Хотя экологичность таких двигателей была выше, да и расход топлива меньше, они имели меньший ресурс эксплуатации, чем обычные ДВС.
Для дизельного двигателя форкамера подходит лучше. Она снижаем сильную задымленность из выхлопной трубы. К тому же форкамерные дизели способны работать на некачественном дизельном топливе.
Основной минус форкамерных двигателей — это трудный запуск мотора на холодную. Если нагревать предкамеру, то такой двигатель заводится без проблем.
Видео
ГБЦ форкамерных двигателей.
Форкамера Мерседес ОМ 601-603.
Как заменить форкамеры.