Экспериментальные исследования струйного смесеобразования, характерного для дизелей, в большинстве случаев проводятся в холодных статических бомбах (под холодной бомбой подразумевается герметичная емкость с закаченным в нее сжатым газом, предназначенная для проведения киносъемки распыленных струй жидкости) с применением оптических методов и скоростной кинорегистрации. Однако параметры воздуха в бомбе значительно отличаются от реальных условий в камере сгорания как по температурному, так и по газодинамическому режимам, что оставляет открытым вопрос о практической применимости результатов исследований. Несмотря на то, что в двигателестроении подобные работы проводятся достаточно продолжительное время, целенаправленных попыток выявить возможные различия развития струи в бомбе и камере сгорания не предпринималось. По этой причине была поставлена серия экспериментов с применением установки "двигатель с прозрачными окнами" (ДПО), позволивших получить данные о струе в реальном дизельном процессе, в процессе с пониженной температурой воздуха на такте сжатия без воспламенения и сгорания топлива, а также в холодной статической бомбе.

Сопоставление развития топливной струи возможно при соблюдении максимально равных условий во всех вариантах эксперимента. Поэтому в качестве базового был принят реальный дизельный процесс, в котором температура воздуха за период движения струи до стенки камеры менялась от 724 до 736 К, а плотность воздуха от 16,3 до 17,75 кг/м3, угол опережения 15°, скорость вращения коленчатого вала 600 мин-1. Система топливоподачи - аккумуляторная электрогидравлическая (АЭГСТ). С ее помощью задавались необходимая длительность впрыска, давление, цикловая подача и угол опережения. Форсунка - однодырчатая с диаметром отверстия 0,4 мм. Во всех случаях сохранялось объемное смесеобразование и выдерживался профиль камеры сгорания двигателей размерности 26/26, включая расположение соплового отверстия, ориентацию топливной струи и профиль головки поршня. Эксперименты проводились при двух значениях давления впрыска: 21,0 МПа и 17,5 МПа. Соответственно, продолжительность топливоподачи составляла 4,1 и 4,7 мс, что превышало время движения струи до стенки.

Процессы, протекающие в камере сгорания, регистрировались на черно-белую и цветную кинопленки с одновременной записью индикаторной диаграммы.

Моделировался процесс, в котором температура воздуха за период впрыска менялась от 474 до 480 К, что исключало воспламенение топлива.

В третьей группе экспериментов ДПО был переведен в режим холодной статической бомбы. Температура воздуха в среднем составляла 20 °С. При переналаживании ДПО в бомбу поршень фиксировался в том положении, в котором струя достигала его поверхности при моделировании дизельного процесса.

Сравнение данных по всем режимам показало, что на дистанции пробега струи до стенки камеры, составляющей 93 мм, наибольшее расхождение в перемещении вершины струи составляет 5...7 %, что укладывается в суммарную погрешность измерений.

На всех кинограммах дизельного процесса наблюдается излом оси горящей струи в трех местах. По визуальной оценке, значительного воздействия на процесс сгорания излом струи, очевидно, не оказывает. Это подтверждается при сравнении с другими кинограммами, на которых струя не касается поршня. По ним видно, что в точке касания незначительно понижается температура сгорания топлива и немного увеличивается выделение сажи. Количественные оценки этого явления визуальным способом дать сложно. На режимах "статика" и "динамика" наблюдается только второй излом струи, по величине совпадающий с наблюдаемым в режиме "горение".

Воспламенение и горение. Один или несколько первичных очагов воспламенения возникают в зоне, расположенной ближе к сопловому наконечнику, спустя примерно одинаковое время от начала впрыска. Струя при этом в большинстве случаев достигла стенки камеры или находится вблизи ее.

Наблюдается одноочаговое воспламенение. Многоочаговое воспламенение зафиксировано примерно на 10 % кинограмм. Наблюдаются до десяти точечных очагов, расположенных в одной зоне на небольшом расстоянии друг от друга. Первичные очаги фиксируются не на всех кинограммах. В ряде случаев в качестве первичного очага фиксируется значительный участок струи, уже охваченный пламенем и поглотивший один или несколько первичных очагов воспламенений. Отмечено также появление точечных очагов рядом с участком струи, уже охваченным пламенем.

Скорость распространения пламени от цикла к циклу меняется в широком диапазоне. Она зависит от направления распространения и неодинакова для разных значений давления. По мере приближения фронта пламени к вершине струи скорость его движения снижается. Величина снижения от цикла к циклу меняется в широких пределах. На некоторых кинограммах зафиксировано неоднократное ускорение и замедление распространения фронта пламени в процессе воспламенения одной струи.

В обратном направлении скорость распространения пламени значительно ниже. В процессе впрыска при приближении к сопловому наконечнику пламя останавливается, не доходя до него 5...10 мм и может возвращаться вспять, так как высокая скорость истечения топлива сносит его. Пламя охватывает корень струи лишь после посадки иглы. Движения охваченного сгоранием корня не отмечается. Сгорая, он распадается на несколько мелких очагов, которые выгорают, не перемещаясь. Шлейф выгорает за 2…2,5 мс, практически также не перемещаясь.

Головная часть струи после удара о стенку увеличивается в объеме. Верхняя ее часть, растекаясь по стенке, через 2...3 мс начинает проникать в торцевой зазор. Нижняя часть заполняет выемку поршня и медленно, на протяжении примерно 20° угла поворота коленчатого вала, движется по днищу поршня к его центральной части. После выгорания шлейфа сосредоточенный на периферии камеры очаг горения растекается от торцевого зазора по ее стенке и днищу поршня, разделяется на две части - одну в районе торцевого зазора, другую на конической части центрального выступа - и здесь догорает. Значительных различий в протекании этого процесса при разных давлениях не отмечено.

Появление продуктов сгорания отмечается почти сразу после полного воспламенения струи. Сначала это небольшие слабосветящиеся и слабо выраженные скопления, расположенные между крышкой и горящей струей. Спустя примерно 2 мс после воспламенения они увеличиваются в размерах, но полностью зазор между струей и крышкой не заполняют. В этот же момент продукты сгорания появляются между струей и поршнем в нижней ее части. После отсечки, по мере деформации струи, они заполняют близлежащее к сопловому наконечнику пространство и маскируют прохождение света от лампы. Их уже становится значительно больше, чем прежде. По мере растекания пламени по днищу поршня продукты сгорания "поглощаются" пламенем.

(Окончание в следующем номере)