Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях

В.А. Марков, С.Н. Девянин, 
В.И. Мальчук 
 
 
 
 
 
 
 
 
Впрыскивание 
и распыливание 
топлива 
в дизелях 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2007 

УДК 621.436 
ББК 31.365 
М25 
 
 
 
Рецензент  проф. И.В. Леонов 
  
Марков В.А., Девянин С.Н., Мальчук В.И. 
Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. – 
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 360 с., ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3052-9 
 
Рассмотрены особенности процессов впрыскивания и распыливания топлива в современных транспортных и автотракторных 
дизелях. Показана зависимость экономических и экологических 
показателей дизелей от конструкции системы топливоподачи, характеристик впрыскивания и распыливания топлива, режима работы топливоподающей аппаратуры, свойств применяемого топлива. Представлены результаты экспериментальных исследований 
систем топливоподачи, методики расчета топливной аппаратуры и 
результаты расчетов, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для инженерно-технических работников предприятий и организаций сельскохозяйственного и транспортного машиностроения, научных организаций, занимающихся созданием и совершенствованием дизелей. Может быть полезна студентам вузов. 
 
 

УДК 621.436 
ББК 31.365 
 
 
 
 
 
© В.А. Марков,  С.Н. Девянин, 
В.И. Мальчук,  2007 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 
 
© Оформление.  Издательство 
ISBN 978-5-7038-3052-9 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

М2

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В последние десятилетия отмечается быстрый рост парка автомобилей, расширение сферы их применения, повышение мощностей двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых на транспортные средства. При этом доля дизельных двигателей на 
транспорте постоянно увеличивается и достигла 25...30 %. Такими 
двигателями традиционно оснащаются большегрузные автомобили, 
городские автобусы; в настоящее время их используют на легковых 
автомобилях. В качестве силовых установок сельскохозяйственных 
машин также применяются главным образом дизельные двигатели. 
Преимуществами дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями являются высокая топливная экономичность, работа на сравнительно дешевом дизельном топливе, возможность применения облегченных нефтяных и альтернативных топлив. 
Вместе с тем реализация этих преимуществ дизелей возможна 
только при обеспечении высокого качества впрыскивания и распыливания топлива, предопределяющих его эффективное сгорание. 
При этом протекание рабочих процессов в дизелях зависит от конструкции и характеристик топливоподающей аппаратуры, в первую 
очередь форсунок. В технической литературе недостаточно полно 
освещены вопросы влияния конструктивных особенностей форсунок на показатели топливной экономичности и токсичности 
отработавших газов дизельных двигателей. В данной монографии 
представлены результаты исследований топливоподающих систем 
и проведен анализ влияния их конструкции на экономические и 
экологические показатели дизелей. 
Монография написана на основе материалов исследований, 
проведенных авторами в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, Московском автомобильнодорожном институте, на заводе им. Лихачева, Ногинском заводе 
топливной аппаратуры, в научно-производственном предприятии 
«Агродизель» и ряде других организаций. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Эффективность использования транспортных средств и сельскохозяйственных машин определяется характеристиками установленных на них двигателей внутреннего сгорания. Дизельные 
двигатели, работающие с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, более чем другие отвечают современным тенденциям развития транспортного и автотракторного 
двигателестроения – повышению агрегатной мощности, снижению удельного расхода топлива и токсичности отработавших газов. Эти показатели в значительной степени определяются конструкцией системы топливоподачи. Важнейшим элементом этой 
системы является форсунка, от конструкции которой зависят характеристики впрыскивания и распыливания топлива: геометрические характеристики струй распыливаемого топлива, структура 
топливного факела, мелкость распыливания топлива, ряд других 
параметров процесса топливоподачи. 
При разработке топливоподающей аппаратуры для транспортных и автотракторных дизелей необходима оптимизация названных параметров и характеристик на каждом эксплуатационном 
режиме двигателя. Это вызвано тем, что в режимах работы двигателя с пониженной частотой вращения и неполной подачей топлива показатели впрыскивания и распыливания, как правило, 
ухудшаются. В частности, отмечается уменьшение длины и ширины топливного факела, ухудшение качества распыливания, увеличение неравномерности распределения капель топлива по объему камеры сгорания. Это приводит к снижению эффективности 
процесса сгорания топлива и ухудшению экономических и экологических показателей работы дизеля. 
Рабочие процессы дизелей оказывают определяющее влияние 
на показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов, причем последние в настоящее время становятся 
основными показателями работы дизелей. Это обусловлено непрерывным ужесточением норм на токсичность отработавших 
газов. В процессе проведения расчетно-экспериментальных исследований и подготовки рукописи данной монографии Европейские нормы на токсичность отработавших газов дизелей EURO-2 
были перспективными. В 2006 г. эти нормы были введены и  

на территории Российской Федерации и стали действующими.  
В 2008 г. в России планируется введение в действие еще более 
жестких норм EURO-3. Тем не менее предложенные в монографии мероприятия по совершенствованию процессов впрыскивания 
и распыливания топлива в дизелях не теряют своей актуальности 
и могут рассматриваться как составная часть комплекса мероприятий, позволяющих удовлетворить требования норм EURO-3, 
а также еще более жестких норм EURO-4 и EURO-5, введение 
которых в РФ планируется в более отдаленной перспективе. 
Проверка соответствия двигателей упомянутым нормам проводится с использованием специально разработанных для этой 
цели испытательных циклов, отражающих реальное распределение режимов работы транспортных и автотракторных двигателей 
в условиях их реальной эксплуатации. Указанные испытательные 
циклы характеризуются включением в них режимов с различными 
частотами вращения вала двигателя и нагрузками, причем каждый 
режим вносит свой вклад в интегральные показатели токсичности 
отработавших газов. Поэтому при совершенствовании рабочих 
процессов транспортных и автотракторных двигателей необходимо учитывать частую смену режимов работы двигателя, а также 
условий его эксплуатации – изменение параметров окружающего 
воздуха, свойств применяемого топлива, ряд других факторов. 
Это относится и к процессу топливоподачи. Для достижения требуемых экономических и экологических показателей характеристики и параметры процесса топливоподачи целесообразно корректировать в соответствии с режимом работы двигателя и 
условиями его эксплуатации. Это позволит осуществлять целенаправленное изменение указанных характеристик и параметров, 
обеспечивая тем самым требуемый характер протекания процессов подачи топлива, его распыливания, смесеобразования и сгорания на каждом эксплуатационном режиме. 
Таким образом, при разработке и совершенствовании систем 
топливоподачи возникает проблема выбора их конструкции и 
оценки влияния конструктивных особенностей топливной аппаратуры на показатели работы дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы.  
В представленной монографии рассмотрены основные типы и 
конструктивные разновидности систем топливоподачи, применяемых в транспортных и автотракторных дизелях, показана зависимость экономических и экологических показателей дизелей от 

характеристик системы топливоподачи, режима ее работы, 
свойств применяемого топлива; приведены результаты экспериментальных исследований топливной аппаратуры, методики ее 
расчета и результаты расчетных исследований процессов впрыскивания и распыливания топлива. Использование материалов 
монографии позволит более целенаправленно и обоснованно подойти к разработке систем топливоподачи, выбору конструкции и 
параметров топливоподающей аппаратуры и оценить эффективность ее использования в современных и перспективных отечественных дизелях. 

1. ВПРЫСКИВАНИЕ И РАСПЫЛИВАНИЕ 
ТОПЛИВА В ТРАНСПОРТНЫХ 
И АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЯХ 

1.1. Организация смесеобразования в дизелях 

История дизелестроения неразрывно связана с развитием теории смесеобразования – от появления первых систем топливоподачи с компрессорным распыливанием топлива, распыливанием при 
низком давлении топливоподачи и калильном воспламенении смеси до предкамерного и вихрекамерного смесеобразования, объемно-пленочного смесеобразования с интенсивным вихревым движением воздушного заряда, объемного смесеобразования при высоком 
давлении впрыскивания и управляемого смесеобразования. Переход от одного способа смесеобразования к другому обычно осуществлялся с целью обеспечения новых требований, предъявляемых к 
двигателям внутреннего сгорания, и позволял повысить энергетические, экономические и экологические показатели дизельных двигателей. 
Особенности смесеобразования на каждом этапе развития дизелестроения были связаны с уровнем развития технологии производства на данном этапе. Особенно ярко это проявляется для дизелей 
массового производства, когда эффективность применяемых мероприятий связана со стоимостью производимой продукции и вытеснением устоявшихся и отлаженных конструкций новыми техническими решениями. 
Реализуемый способ смесеобразования определяет тип камеры сгорания (КС), применяемой в дизельном двигателе (рис. 1.1) 
[128, 141, 150]. Выбор типа КС осуществляется с учетом тактности двигателя и его рабочего объема, преимущественных режимов 
и условий эксплуатации, свойств применяемого топлива, требований к топливной экономичности дизелей, токсичности их отработавших газов (ОГ), шумности работы двигателя. В настоящее 
время в транспортных и автотракторных дизелях применяют разделенные (на предкамеру или вихрекамеру и основную камеру), 

неразделенные и полуразделенные КС. Разделенные КС используют в основном в дизелях малой мощности (для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков), а неразделенные КС – в 
дизелях средней и большой мощности (для грузовых автомобилей, автобусов и т. д.) [148, 150]. 
Предкамерное смесеобразование применяется в дизелях с 
диаметром цилиндров от 9 до 20 см. Оно осуществляется главным образом благодаря интенсивному движению воздуха со 
скоростью до 230...320 м/с, поступающего на такте сжатия из 
цилиндра двигателя в предкамеру, в которую через форсунку и 

Рис. 1.1. Типы КС двигателей: 

а, б, ж, з, и – полуразделенные; в, г, к – неразделенные; д, е – разделенные 

впрыскивается топливо. Затем смесь перетекает из предкамеры в 
основную камеру (рис. 1.1, д). При этом предкамера объемом 
25...35 % общего объема КС соединена с основной КС одним 
или несколькими каналами, обеспечивающими сильное дросселирование потока топливовоздушной смеси. Такое дросселирование топливовоздушной смеси, ее последующее расширение и 
значительное вихреобразование, а также высокая температура 
поверхностей предкамеры, соединительного канала и днища поршня способствуют интенсификации смесеобразования. 
Вихрекамерное смесеобразование используется в дизелях с 
диаметром цилиндров 7...13 см. При этом вихревая камера объемом 20...35 % общего объема КС соединена с основной КС тангенциальным каналом, обеспечивающим сильное вихревое движение заряда (рис. 1.1, е). Топливо, впрыскиваемое в вихревую 
КС через распылитель форсунки, распределяется по объему камеры потоком вращающегося воздуха и полученная топливовоздушная смесь поступает в основную камеру. У вихрекамерных 
двигателей температуры стенок КС несколько ниже, а дросселирование при перетекании газов из вспомогательной в основную 
КС несколько меньше, чем у предкамерных двигателей. 
Организация интенсивного движения воздушного заряда в 
КС, действие горячих поверхностей на рабочую смесь и истечение горячих газов из дополнительной в основную камеру при 
предкамерном и вихрекамерном смесеобразовании в двигателях с 
разделенными КС позволяют применять топливоподающую аппаратуру с небольшими давлениями впрыскивания, не превышающими 20...35 МПа (давление начала подъема иглы форсунки 
рф0 = 11...13 МПа). Особенно это важно для дизелей с малым рабочим объемом, в которых небольшие цикловые подачи топлива 
не позволяют получить высокое качество распыливания. При этом 
применяют форсунки со штифтовыми распылителями, образующими только один факел. Параметры струи распыливаемого топлива подбирают с учетом конструктивных размеров камеры и 
скоростей движущегося в ней воздуха. Двигатели с данными КС 
обеспечивают достаточно полное сгорание топлива при сравнительно низком коэффициенте избытка воздуха (α = 1,2 – 1,3). Отличительными особенностями разделенных КС являются обеспечение в основной камере более мягкого сгорания топлива с 
небольшими скоростями нарастания давления при сгорании и 
низком максимальном давлении сгорания, меньшая шумность 

работы и повышенный расход топлива по сравнению с дизелями с 
непосредственным впрыскиванием, т. е. с неразделенными КС. 
Недостатки разделенных КС: повышенные потери при перетекании топливовоздушной смеси из основной КС в дополнительную 
и обратно, а также значительная поверхность КС, граничащая с 
головкой цилиндра. Последнее увеличивает тепловые потери в 
процессе рабочего цикла. 
В двигателях с неразделенными КС (рис. 1.1, в, г, к) осуществляется объемное смесеобразование, при котором топливо впрыскивается непосредственно в камеру. Форма КС согласуется с 
геометрическими параметрами топливных струй и количеством 
распыливающих отверстий форсунки. В таких двигателях организация вихревого движения воздуха в камере затруднена, и равномерное распределение топлива по объему КС достигается в основном благодаря повышенным давлениям впрыскивания топлива, 
обычно превышающим 70...100 МПа (давление начала подъема 
иглы форсунки рф0 = 20 МПа и выше) и обеспечиваемым многоструйными форсунками (число распыливающих отверстий iр = 4–6 
и более). При этом подача топлива характеризуется интенсивным впрыскиванием с высоким максимальным и средним давлениями и малой продолжительностью. Эффективное сгорание топлива в этих двигателях обеспечивается при диаметре цилиндров 
dц > 12...14 см и коэффициенте избытка воздуха α > 1,6. Небольшая поверхность КС способствует низким потерям теплоты в 
стенки камеры. Дизели с неразделенными КС имеют лучшую топливную экономичность, но отличаются от других типов КС более 
жестким сгоранием топлива с большими скоростями нарастания 
давления в камере и высокими максимальными давлениями сгорания. Применение этих КС для быстроходных дизелей с небольшими размерами цилиндров (dц  < 10 см) затруднено вследствие 
сложности согласования длины и формы струй топлива с геометрическими размерами и конфигурацией КС. 
Компромиссным конструктивным решением между разделенными и неразделенными КС являются полуразделенные КС. 
В этих камерах (рис. 1.1, а, б, ж, з, и) может быть организовано как 
объемное, так и объемно-пленочное смесеобразование [24, 103]. 
Дизели с такими КС отличаются наличием радиального движения 
воздуха, которое формируется на такте сжатия в результате перетекания части воздушного заряда из объема цилиндра в камеру. 
На такте расширения происходит обратный процесс перетекания