Камеры сгорания
В современных бензиновых двигателях с верхним расположением клапанов преимущественно используются
камеры сгорания следующих типов: полусферические,
полисферические, клиновые, плоскоовальные, грушевид-
ные, цилиндрические. Существуют смешанные варианты
камер сгорания. Форма камеры сгорания определяется
расположением клапанов, формой днища поршня, расположением свечи, а иногда и двух свечей зажигания, наличием вытеснителей. При проектировании двигателя с
учетом применяемого топлива и заданной степени сжатия к камерам сгорания предъявляются следующие требования:
обеспечение высоких скоростей сгорания, снижения требований к октановому числу топлива, минимальных потерь с охлаждающей жидкостью, низкой
токсичности, технологичности производства. Это определяется
следующими условиями:
—компактностью камеры сгорания;
—эффективной турбулизацией смеси во время сгорания;
—минимальным отношением площади поверхности
камеры сгорания к рабочему объему цилиндров.
Как уже отмечалось, одним из способов повышения
эффективного КПД двигателя является увеличение степени сжатия. Основной причиной ограничения степени сжатия является опасность появления аномальных
процессов сгорания (детонации, калильного зажигания, грохота и др.). У современных серийных двигателей, имеющих достаточно высокие степени сжатия,
дальнейшее их увеличение даст сравнительно небольшой эффект и связано с необходимостью решения ряда
проблем. Прежде всего — это возникновение детонации. Именно она определяет требования к величине
степени сжатия и форме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени
распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50...70 бар и
2000...2500 С, в наиболее удаленной от свечи части рабочей смеси происходят предпламенные химические
реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром
цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается
достаточным, чтобы остаточная часть заряда сгорала с
высокими скоростями (до 2000 м/с).
Детонационное
сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью,
вызывая металлические стуки, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая
пристеночный слой газов с пониженной температурой,
способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и увеличивая тепловые потери в двигателе. Работа с сильной детонацией
приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению
мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинается
эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры
поршня, повышенный износ верхней части цилиндра
из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки головки цилиндров.
К числу факторов, влияющих на требования к октановому числу топлива, относится компактность камеры сгорания, характеризуемая степенью нарастания объема сгоревшей
части смеси (в % к полному объему камеры сгорания)
по мере удаления условного фронта пламени от свечи. Наиболее компактными являются полусферические, шатровые камеры сгорания, имеющие пониженные требования к
октановому числу. Однако для повышения степени сжатия до 9,5... 10,5 в полусферических
или полисферических камерах иногда приходится днище
поршня делать выпуклым, что существенно ухудшает степень компактности и соответственно повышает требования к октановому числу, которые возрастают на 3...5
единиц. В современных двигателях с 4 клапанами в одном цилиндре свеча располагается в центре камеры сгорания. Это обеспечивает максимальную степень нарастания объема.
Другим параметром, характеризующим антидетонационные качества, является степень турбулизации смеси в
процессе сгорания. Интенсивность турбулизации зависит
от скорости и направления потока смеси на входе в камеру сгорания. Одним из способов создания интенсивной
турбулизации является увеличение площади вытеснителя
(объема расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда
для увеличения скорости сгорания. Вытеснители имеют
клиновые, овальные, грушевидные камеры сгорания. При
замене плоскоовальной камеры сгорания на грушевидную, увеличении за счет этого площади вытеснителя при
одновременном уменьшении его высоты на двигателях
автомобилей УАЗ удалось без изменения требований к ОЧ
топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5...7%, а мощность увеличилась на 4... 5%. У двигателей УЗАМ 331 и у некоторых
двигателей грузовых автомобилей (ЗИЛ-508.10) для создания
вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких
скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей
УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом.
Полусферические, полисферических цилиндрические камеры сгорания практически не имеют вытеснителя, поэтому их антидетонационные качества (по индексу детонации)
уступают камерам с вытеснителями. При
массовом производстве двигателей за счет отклонения
размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и
объема камеры сгорания фактическая степень сжатия
двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому
для автомобиля одной и той же модели часто требуются
бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.
а — полусферическая; б — полусферическая с вытеснителем; в — сферическая; г — шатровая; д — плоскоовальная; е -клиновая;
з — цилиндрическая камера сгорания в поршне;
ж — полуклиновая с частью камеры в поршне;
