Несмотря на то что двигатели с воспламенением от сжатия появились позже двигателей с воспламенением от постороннего источника, давайте проследим сначала логику развития дизелей. Для того чтобы впрыснутое в цилиндр топливо самовоспламенилось, в двигателе Хэргривса использовался подогрев воздуха от раскаленных керамических стенок газообменного канала и цилиндра при весьма малой степени сжатия. Конструкция и, наверняка, технология изготовления такого двигателя оказалась слишком сложной для того времени. Дизель решил задачу самовоспламенения более простым путем - за счет нагрева воздуха при сжатии до высокого давления. Но даже в этих условиях для нормального развития процесса сгорания топливо должно быть тщательно распылено, чтобы обеспечить его интенсивное испарение и перемешивание с воздухом.
Мы уже отмечали, что в первых двигателях Дизеля в цилиндры через форсунку подавалась топливовоздушная смесь при давлении, лишь немного превышающем давление конца сжатия. Перемешивание топлива с воздухом в форсунке (рис. 111, в) осуществлялось с помощью распыливающих шайб и каналов, а формирование струи топливовоздушной смеси в цилиндре с помощью распыливающих конуссв (рис. 111, б, в), в ряде случаев снабженных винтовыми канавками на поверхности. Клапан форсунки открывался не под действием давления топлива, а принудительно. Топливо заполняло полость в зоне распыливающих шайб в промежутке между рабочими ходами, а в процессе впрыскивания "выдувалось" сжатым воздухом. Для подачи топлива использовались плунжерные насосы (рис. 112), дозирование топлива в которых регулировалось периодом открытия впускного клапана с помощью эксцентриково-рычажного механизма, а для подачи воздуха - двухступенчатые поршневые компрессоры, приводимые от коленчатого вала двигателя (см. рис. 57). Пока частота вращения вала была невысокой и начальная фаза процесса сгорания проходила с небольшим превышением по сравнению с давлением сжатия, такой способ смесеобразования был вполне приемлемым.
Рис. 111. Форсунка дизеля с пневматическим распиливанием топлива: а - форсунка; б, в - распиливающие конусы с канавками и лысками соответственно; 1 - распиливающие шайбы; 2 - распиливающий конус
Рис. 112. Топливный насос судового дизеля AEG: 1 - плунжер; 2 - нагнетательные клапаны; 3 - впускной клапан; 4 - эксцентриково-рычажный механизм открытия клапана
Однако использование в качестве топлива для дизелей более вязкой сырой нефти и форсирование по частоте вращения вала вынудило вскоре перейти от воздушного распыливания к прямому впрыскиванию топлива через форсунку под давлением, в несколько раз превышающем давление сжатого в цилиндре воздуха. Кроме того, существенно упростилась топливная аппаратура двигателя и уменьшились энергетические затраты на ее привод (эффективный КПД двигателя благодаря этому увеличился на 3...4%). Конструкция топливного насоса оставалась достаточно сложной (рис. 113, а). Дозирование топлива осуществлялось, как правило, с помощью регулируемого эксцентриком перепускного клапана. А вот принцип действия форсунки с начала 30-х гг. не изменился и до наших дней (рис. 113,6). Конечно, было разработано множество вариантов распиливающих наконечников, которые создавали струю впрыскиваемого топлива, соответствующую форме камеры сгорания, форсунки стали миниатюрнее.
Рис. 113. ТНВД с перепускным клапаном и форсунка для распиливания тяжелого едкого топлива: а - насос; б - форсунка; 1 - кулачок; 2 - толкатель; 3 - плунжерная пара; 4 - нагнетательный клапан; 5 - перепускной клапан; 6 - эксцентриково-рычажный механизм открытия перепускного клапана
Следующим значительным шагом в развитии топливной аппаратуры дизелей было создание топливного насоса, в котором дозирование осуществлялось с помощью винтовой поверхности плунжера (рис. 114). В зависимости от формы поверхности можно регулировать не только цикловую подачу топлива, но и момент начала и окончания подачи. Подача топлива начинается в момент, когда верхняя грань винтовой поверхности 1 перекрывает перепускной канал 2 и заканчивается, когда нижняя грань винтовой поверхности открывает его.
Рис. 114. Плунжер ТНВД с винтовой канавкой и регулирование цикловой подачи: а - по концу впрыскивания; б - по началу впрыскивания; в - по началу и концу впрыскивания; I, II - положения плунжера соответственно в начале и в конце подачи
При повороте плунжера вокруг оси грани поверхности меняют положение относительно перепускного канала, благодаря чему увеличивается цикловая подача. Дозирование с помощью канавки на плунжере позволило упростить конструкцию ТНВД и объединить в один агрегат секцию топливного насоса и форсунку, т.е. получилась насос-форсунка. Насос-форсунки (рис. 115) имеют достоинства и недостатки, в 50-е гг. они широко применялись как на судовых, так и на автомобильных дизелях.
Рис. 115. Насос-форсунка: 1 - толкатель; 2 - плунжер; 3 - канавка регулирования цикловой подачи; 4 - отсечной клапан; 5 - распылитель
Плунжеры насос-форсунок перемещались рычажными механизмами от кулачков, расположенных на общем с кулачками механизма газораспределения валу. И при росте частоты вращения вала двигателей начинались колебания, увеличивались динамические нагрузки в системе привода. Насос-форсунки были заменены на компактные плунжерные ТНВД с достаточно прочными и жесткими элементами передаточного механизма коленчатого вала. Форсунки стали конструктивно проще и дешевле по сравнению с насос-форсунками, так как узел можно заменить в эксплуатации.
Плунжерную пару ТНВД необходимо тщательно обрабатывать, поскольку она должна обеспечить требуемую точность дозирования топлива, исключить перетечки в зазоре между плунжером и гильзой при очень высоких давлениях. И, естественно, возникла идея - нельзя ли обойтись одной прецизионной парой плунжер - гильза, последовательно распределяя дозы топлива по отдельным форсункам? Можно!
В 60-е гг. появились ТНВД распределительного типа (рис. 116). При каждом ходе плунжера он поворачивается отверстием к соответствующему каналу в гильзе. Число ходов плунжера увеличилось пропорционально числу цилиндров, а следовательно, увеличились и скорости его перемещения, и динамические нагрузки. Более того, при высокой частоте вращения вала конструкторов начали беспокоить колебания столба топлива в трубопроводах высокого давления, которые существенно нарушали равномерность цикловой подачи. В настоящее время встал вопрос: что же лучше более дорогой ТНВД с отдельными плунжерными парами для каждой из форсунок или насос распределительного типа? Конструкторы пока не пришли к единому мнению.
Рис. 116. ТНВД распределительного типа: а - конструкция ТНВД; б - схема действия плунжера-распределителя; 1 - кулачковый вал; 2 - роликовый толкатель; 3 - механизм вращения плунжера; 4 - плунжер; 5 - гильза
И еще один не менее важный вопрос: ТНВД и форсунка или насос-форсунка? Дело в том, что давление начала подачи топлива, т.е. давление, при котором игла форсунки отрывается от седла, тоже менялось по мере совершенствования камер сгорания и топливной аппаратуры.
В неразделенных плоских камерах сгорания, аналогичных показанной на рис. 19, а форсунка должна обеспечить подачу струи топлива на достаточно большое расстояние и тонкое распыливание его. Для этого требовалось давление впрыскивания около 50 МПа и более. Затем появились более компактные камеры сгорания (рис. 19, б), где периферийная плоскость днища поршня играет роль вытеснителя и обеспечивает достаточно интенсивное вихревое движение заряда в камере сгорания и перемешивание впрыскиваемого топлива с воздухом. Такая конструкция камеры позволила снизить давление начала подачи до 12...15 МПа. Энергетические затраты на привод ТНВД существенно уменьшились.
Но стремление повысить экономичность двигателя, его удельную литровую мощность в результате увеличения среднего эффективного давления и частоты вращения вала неизбежно требует повышения качества распиливания топлива (гомогенизации топливовоздушной смеси), сокращения периода впрыскивания Дозы топлива по углу поворота коленчатого вала и по времени. Необходимы высокое давление и исключение задержек между началом хода плунжера и подъемом иглы форсунки, которые возникают при достаточно длинном трубопроводе высокого давления. Так может быть вернуться к насос-форсункам? Конструкторы серьезно задумываются над этим вариантом.
При верхнем расположении кулачкового вала и достаточно жестком приводном механизме многие заботы с колебаниями в механизме газораспределения отпадают. Тем более есть конструкция системы топливоподачи фирмы Камине. Особенностью этой системы является то, что заполнение топливом полости под иглой форсунки (рис. 117) происходит в перерыве между рабочими ходами при сравнительно низком давлении и регулируется (рис. 118) золотниковым дозатором (принцип регулируемого наполнения полости форсунки очень напоминает старые конструкции систем топливопо-дачи с воздушным распыливанием). Более того, в полости под иглой в любом случае остается некоторое количество воздуха, поэтому при рабочем ходе иглы форсунки в цилиндр выдавливается топливовоздушная эмульсия, да еще при давлении около 140 МПа.
Рис. 117. Форсунка фирмы Каминс
Рис. 118. Схема регулирования подачи топлива дизеля фирмы Камине: 1 - топливный насос; 2 - центробежный регулятор; 3 - золотник; 4 —перепускной клапан; 5 - дроссельный кран
Наверное подобная система была бы выгодна для "вихрекамерных дизелей" с неразделенными камерами, в которых интенсивная турбулизация заряда может быть достигнута с помощью ступенчатого поршня.
Самовоспламенение топлива можно обеспечить не только в результате высокой степени сжатия, но и в результате нагрева воздуха и топлива на какой-либо раскаленной поверхности камеры сгорания 1 - в этом суть работы двигателей с калильной головкой 2. Конструкция такого двигателя показана на рис. 119. Двигатели работали на тяжелом жидком топливе при малых степенях сжатия 10...14 единиц. Топливо впрыскивалось форсункой при давлении около 5 МПа на поверхность калильной головки, испарялось на ней и воспламенялось.
Рис. 119. Двигатель с калильной головкой
Конечно, пуск такого двигателя очень трудоемок. Головку предварительно необходимо было раскалить, для чего встраивались специальные газовые горелки или использовались паяльные лампы. Да, и экономичность их была весьма невысокой - 320...350 г/(кВт·ч). Но конструкция была проста, особенно в двухтактном варианте.
Хотя такие двигатели в дальнейшем не применялись, идея вспомогательного калильного устройства для облегчения воспламенения топлива или раскаленной поверхности для организации смесеобразования осталась. Пример - калильные свечи и теплоизолированные головки камер сгорания вихрекамерных дизелей, теплоизолированные вставки в камеры сгорания дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием.
На смену первым испарительным карбюраторам с пробулькиванием всасываемого воздуха через слой топлива или разбрызгиванием топлива вращающейся щеткой довольно быстро пришли пульверизационные карбюраторы. Один из ранних карбюраторов показан на рис. 120. Для того чтобы обеднить смесь при больших нагрузках в конструкции карбюратора использованы шариковые воздушные клапаны. В первом десятилетии XX в. появились карбюраторы (рис. 121) с пневматической системой компенсации состава смеси и, более того, с эмульгированием (предварительным перемешиванием с воздухом) топлива перед выходом к распылителю для более качественного распыливания. Такая схема как один из основных элементов главной дозирующей системы сохранилась и до наших дней.
Рис. 120. Карбюратор Куделля с золотниковым регулированием: 1 - золотник; 2 - шариковые клапаны компенсации состава смеси; 3 - диффузор с распылителем; 4 - поплавок; 5 - запорная игла
Рис. 121. Карбюратор "3енит" с компенсационным колодцем: 1 - распылитель; 2 - диффузор; 3 - эмульсионный колодец; 4 - поплавок
Карбюраторы имели и систему холостого хода с выходом топливного канала в узкую щель между дроссельной заслонкой и корпусом (сохранившийся до наших дней элемент, но несколько усовершенствованный). В дальнейшем в карбюраторах появился экономайзер, позволяющий обогащать смесь на мощностной состав при выходе на режим полных нагрузок, сначала с механическим (от положения дроссельной заслонки), а затем и с пневматическим (от давления в задроссельном пространстве) управлением. Для того чтобы исключить переобеднение смеси при резком открытии дроссельной заслонки (при интенсивном разгоне автомобиля), появились насосы ускорения. По мере роста нагрузки с помощью эконостата подают в смесительную камеру дополнительное количество топлива. В многокамерных карбюраторах дополнительная доза топлива впрыскивается в момент открытия заслонки вторичной камеры. Появились устройства, регулировавшие состав смеси в зависимости от температуры, предотвращавшие ее переобогащение при принудительном холостом ходе и прочие устройства, позволявшие добиться оптимального состава смеси практически на любом эксплуатационном режиме. Карбюратор стал устройством сложным и дорогим (рис. 122).
Рис. 122. Двухкамерный карбюратор ДААЗ-2105: 1 - главная дозирующая система; 2 - система холостого хода; 3 - насос ускорения; 4 - переходная система; 5 - пневматический механизм открытия дроссельной заслонки вторичной камеры; 6 - каналы
Качественное распыливание топлива в смесительной камере карбюратора достигается повышением скорости воздуха в зоне смесеобразования. Для того чтобы обеспечить хорошее смесеобразование на частичных нагрузках (при уменьшении частоты вращения вала, прикрытии дроссельной заслонки), выполняются карбюраторы с диффузором переменного сечения. Это позволяет поддерживать скорость распыливания почти постоянной на любом режиме. Появились конструкции с диффузором-золотником (карбюратор Бинг, рис. 123), с диффузором, перекрывающимся поршнем-шибером (карбюратор "Зенит-Стромберг"), с подвижным золотником-распылителем (карбюратор Ивана Яковлевича Райкова). Всем данным конструкциям присущ один недостаток - наличие подвижных элементов, существенно снижающих надежность изделия и точность дозирования.
Рис. 123. Пример карбюратора с переменным сечением диффузора: 1 - канал холостого хода; 2 - эмульсионный колодец системы холостого хода; 3 - воздушный винт; 4 - золотник; 5 - распылитель; 6 - воздушный жиклер главной дозирующей системы; 7 - игольчатый клапан; 8 - поплавок; 9 - эмульсионный колодец главной дозирующей системы; 10 - винт количества
Компромиссное решение - двухкамерный карбюратор. На малых нагрузках работает первичная камера малого диаметра, обеспечивающая высокие скорости распиливающего воздуха, а на больших, когда нужно обеспечить хорошее наполнение, - включается вторая - большего диаметра. Такие карбюраторы стали массово применяться на двигателях легковых автомобилей с 60-х гг. Недостаток заключался в том, что после первичной камеры карбюратора малого сечения поток смеси попадает в приемную камеру впускного трубопровода и патрубки большого диаметра, рассчитанные на максимальный расход смеси. Скорость потока резко падает, капельки топлива оседают на днище камеры и стенки трубопроводов, равномерность распределения смеси по цилиндрам ухудшается. Делалось много ухищрений для того, чтобы исключить неприятные последствия этого явления, - подогреваемое донышко приемной камеры, различные хитроумные канавки для распределения топливной пленки, впускные каналы с переменной чистотой поверхности по периметру - гладкой сверху и зернистой - снизу (см. рис. 129)** и т. п.
Еще в 30-х гг. зародилась идея бензинового двигателя с так называемый форкамерно-факельным воспламенением (рис. 124). Автором ее является видный советский ученый в области процесса сгорания Александр Соломонович Соколик. Суть идеи достаточно проста. В маленькую камеру, отделенную от основной сравнительно узким каналом, подается обогащенная смесь, а в основную - обедненная, так что суммарный коэффициент избытка воздуха в цилиндре составляет 1,3...1,4 и более. В конце такта сжатия обогащенная смесь в форкамере воспламеняется искрой, но, поскольку слишком велик избыток топлива, образуются в основном продукты частичного окисления -очень активные радикалы, которые выбрасываются через сопло форкамеры в виде факела в основной объем обедненной смеси. Процесс йемного напоминает смесеобразование в дизеле. Благодаря значительному избытку воздуха и турбулизации смесь догорает практически полностью, выброс токсичных компонентов как углеродосодержащей группы, так и оксидов азота - минимальный, экономичность лучше, чем при стандартном смесеобразовании. Однако состав смеси в обеих камерах в зависимости от нагрузки нужно менять по-разному; большое значение имеет выбор оптимального расположения свечи зажигания, так как в процессе сжатия смесь в форкамере разбавляется обедненной топливовоздушной смесью; более того, в зависимости от нагрузки целесообразно менять и фазы открытия клапана форкамеры, иначе значительная доля заряда может попадать в основной объем.
Рис. 124. Распределение топливовоздушной смеси при форкамерно-факельном зажигании в процессах: а - впуска; б - сжатия
Адиабатные двигатели - это не только дизели. Для адиабатного бензинового двигателя необходимо постепенное развитие процесса сгорания в высокотемпературной среде. И одним из способов его реализации, несомненно, является форкамерный.
Карбюрация, конечно же, не единственный способ смесеобразования в бензиновых двигателях. Уже на многих моделях первых двигателей, работающих на жидком легком топливе, использовались системы для его впрыскивания.
Однако системы впрыскивания были почти полностью вытеснены более простыми (по тем временам) карбюраторами.
Текст первоисточника на этом сайте (renaultbook.ru)
Возрождение интереса к системам впрыскивания на автомобильных двигателях приходится на 50-е гг., когда стало возможным управлять дозированием топлива с помощью электроники. Но электроника в систему впрыскивания пришла далеко не сразу. Сначала были разработаны системы с электромагнитными форсунками и электромеханическими дозаторами, которые способны были регистрировать частоту вращения вала двигателя, угол открытия дроссельной заслонки или вакуум в задроссельном пространстве. Создавались такие экспериментальные системы в конце 50-х - начале 60-х гг.
Первые системы впрыскивания (рис. 125, а) делались таким образом, что в каждый цилиндр 1 топливо впрыскивалось самостоятельной форсункой 2 в поток засасываемого воздуха при открытии клапана 3, Конечно, равномерность распределения смеси теоретически представлялась наилучшей, если не считать, что каждая форсунка имела свои допуски размеров по проточной части. Но впрыскивание топлива в непосредственной близости от клапанной щели при всех его выгодах имеет один существенный недостаток - на коротком отрезке впускного канала и в цилиндре топливо не успевает полностью испариться и перемешаться с воздухом. Увеличивается выброс углеводородов, в том числе высокотоксичных канцерогенных.
Рис. 125. Варианты расположения форсунок впрыскивания легкого топлива: а - индивидуально на каждый цилиндр; б - на два смежных цилиндра; в - при центральном впрыскивании
Тогда форсунку разместили от клапана на некоторое расстояние, позволяющее лучше организовать смесеобразование - но даже при тщательном регулировании начала впрыскивания по частоте вращения вала система приобрела определенную инерционность: капельки топлива всегда отстают от потока воздуха, да и колебания потока в трубопроводе накладывают свой отпечаток. Вполне логично оказалось отказаться от строгой синхронизации впрыскивания по частоте вращения вала. Это несколько упростило систему управления. Но если не обязательно впрыскивать топливо строго в момент открытия клапанов, а достаточно дозировать его по какому-то осредненному значению нагрузки двигателя, по-видимому, не обязательно иметь в каждом цилиндре форсунку. Одна форсунка вполне может справиться с обслуживанием пары соседних цилиндров (рис. 125, б), а для двигателей трех- или четырехцилиндровых вполне можно обойтись и одной форсункой (рис. 125, в). Такие упрощенные системы впрыскивания появились в начале 80-х гг. Число форсунок сократилось до минимума, совершенствование электронной части позволило осуществлять дозирование топлива в зависимости от множества внешних и режимных факторов: от температуры окружающего воздуха и температуры двигателя, расхода воздуха, фиксировавшегося термоанемометром, склонности к детонации, степени повышения давления при наддуве, наконец, от качества самого процесса сгорания, фиксировавшегося с помощью датчиков содержания кислорода в отработавших газах (λ-зондов). При упрощении системы топливоподачи жесткая дозирующая система была заменена адаптивной системой управления. Отрадно отметить, что в создание и исследование таких систем огромный вклад внесли советские ученые.
Широкое внедрение электроники и микропроцессоров в системе дозирования топлива отнюдь не означало, что механическое впрыскивание полностью ушло в прошлое.
Оригинальную пневмомеханическую систему разработали специалисты фирмы Бош в конце 70-х гг. под названием "К-Джетроник". В этой системе дозирование топлива осуществляется с помощью золотника, перемещение которого управляется тарельчатым воздушным клапаном, положение которого, в свою очередь, зависит от расхода воздуха через впускной патрубок. Конечно, как и в любой другой системе, здесь имеется и пусковая форсунка, обогащающая смесь до необходимого предела, и термокорректор, регулирующий состав смеси в зависимости от теплового состояния двигателя при пуске, и другие необходимые для точного дозирования топлива элементы.
Обзор, посвященный топливной аппаратуре, можно было бы и закончить, но остается открытым один вопрос. Дизельное топливо впрыскивается под высоким давлением непосредственно в цилиндр двигателя. Для легких топлив характерно внешнее смесеобразование и регулирование мощности. Нельзя ли и легкие топлива впрыскивать в цилиндр, как и в дизеле? Простым плунжерным насосом можно, но невыгодно. Бензин имеет очень малую вязкость и потребуется суперточное изготовление плунжерной пары, чтобы исключить перетечки. Можно построить плунжерный насос с разделенными мембраной камерами (рис. 126), в которых над плунжером находится вязкое дизельное топливо Б, перемещающее мембрану, а над ней - легкое топливо А, впрыскиваемое под высоким давлением в цилиндр. Только надежность мембраны вызывает некоторые сомнения.
Рис. 126. Впрыскивание легкого топлива непосредственно в цилиндр с помощью плунжерного насоса: 1 - плунжер; 2 - отсечной клапан; 3 - мембрана; 4 - обратный клапан
В настоящее время разрабатывается идея электродинамической форсунки (рис. 127), впрыскивающей топливо под действием микровзрыва, возникающего в объеме топлива при искровом разряде, энергию и длительность которого, а соответственно и дозирование топлива, можно регулировать в широких пределах.
Рис. 127. Впрыскивание легкого топлива непосредственно в цилиндр с помощью электродинамической форсунки: 1 - обратный клапан; 2 - электроразрядник