Для обеспечения наиболее полного и равномерного заполнения объёма камеры сгорания микрокаплями топлива, образовавшимися при распыливании, форма камеры сгорания должна быть согласованна с числом, диаметром и направлением сопловых каналов форсунки.
Чтобы обеспечивать качественное образование смеси топлива и воздуха в дизелях, работающих в разных условиях, на различных видах топлива, с разными диаметрами цилиндров применяют объёмный, пленочный, объёмно-плёночный, предкамерный и вихрекамерный способы смесеобразования.
Камеры сгорания по конструкции бывают неразделённые и разделённые. В неразделённых камерах применяются объёмный, плёночный и объёмно-плёночный способы смесеобразования.
В основе принципа объёмного смесеобразования – впрыскивание топлива через многоструйный распылитель форсунки непосредственно в камеру сгорания и равномерное распыление микрочастиц топлива по всему её объёму.
При полусферической форме камеры сгорания основная масса воздуха сосредоточена в районе форсунки, что позволяет уменьшить длину струи и увеличить угол его рассеивания. В данном случае угол распыливания βменьше, чем в остальных камерах сгорания. При полусферической форме камеры исключено попадание частичек топлива на охлаждаемые поверхности. Вместе с тем при такой форме камеры хуже условия для отвода теплоты от днища поршня: тепловой поток должен направляться в низ, тогда как края днища направлены в верх. существуют места, как, например, в центре камеры, не охватываемые струями топлива. В связи с указанным при полусферической формы камеры особенно необходимо вихревое движение воздуха.
В двухтактных двигателях форма днища поршня затрудняет продувку цилиндра. Поэтому более эффективную камеру сгорания создают в двухтактных двигателях в днище крышки цилиндра при плоском днище поршня.
Наиболее соответствует формам струй топлива камера сгорания Гессельмана. В отличие от рассмотренной камеры основная масса воздуха сосредотачивается в дали от форсунки. Чтобы частички топлива не падали на охлаждаемые стенки цилиндра, по краям поршня предусматривают высокие бурты. Условия для качественного смесеобразования при такой камере лучше. Однако бурты и выступающая средняя часть днища поршня перегреваются, из-за чего закоксовываются верхние уплотнительные кольца.
Вихревое движение воздуха в камере сгорания создаётся в процессе наполнения цилиндра: воздух в следствии того, что выпускной клапан смещён в сторону от оси цилиндра, завихряется. При ходе сжатия появятся вихревые потоки воздуха, обусловленные неплоской формой днища поршня или крышки цилиндра. В этом отношении камера более удачна, чем ранее рассмотренные камеры. При впрыскивании топлива вихревое движение воздуха возникает из-за поглощения им кинетической энергии струй топлива.
Однако все перечисленные вихри – слабы и не организованны. Сильный организованный вихрь в двухтактных двигателях можно создать, если соответствующим образом направить продувочные окна. В четырёхтактных двигателях, чтобы создать круговой вихрь в поступающем в цилиндр воздухе, иногда выполняют криволинейным канал крышки цилиндра, по которому поступает воздух к впускному клапану.
Объёмный способ смесеобразования в неразделённых камерах практически у всех типов двигателей с диаметром цилиндра более 150 мм. Основные достоинства этого способа – простая конструкция камер сгорания, высокая экономичность двигателя при умеренных степенях сжатия (ε=12÷17), хорошие пусковые качества, компактность элементов системы охлаждения. Его недостатки – необходимо обеспечивать высокие значения коэффициента избытка воздуха (α=1.8÷2.2) для достижения полного сгорания топлива и высокие давления впрыскивания топлива. В связи с этим требования к качеству топливной аппаратуры повышаются. Поэтому в двигателях с небольшим объёмом цилиндров (менее 150 мм) применяют другие способы смесеобразования.
Стремление улучшить процесс смесеобразования привело к созданию так называемых полуразделённых камер сгорания, расположенных в головке поршня.
Для плёночного смесеобразования необходимо значительную часть (90-95%) впрыскиваемой дозы топлива подавать на стенки камеры сгорания под небольшим углом, обеспечивающим растекание топлива тонким слоем, а около стенки организовать вихри путём перетекания воздуха из пространства над поршнем в камеру внутри самого поршня при ходе сжатия. Интенсивность вихрей будет увеличиваться при приближение поршня к в. м. т. Массивные не охлаждаемые стенки камеры способствуют быстрому воспламенению паров топлива.
Чисто плёночное смесеобразование явилось этапом на пути совершенствования способов образования горючих смесей. Из-за недостатков двигателя (сложность доводки рабочего процесса, низкие пусковые качества двигателя, дымность при работе на малых нагрузках) этот способ применяют ограниченно, но он вошёл как составная часть в объёмно-плёночный способ смесеобразования. Этот способ является одним из наиболее совершенных для высокооборотных дизелей с небольшими диаметрами цилиндров. Камера сгорания размещена так же, как и при плёночном способе, в поршне, но форсунка расположена в центре крышки цилиндра по его оси, а не под углом.
Топливные струи (40-60% всей дозы), направляемые на кромку горловины, растекаются тонким слоем по стенкам камеры и испаряются. Пары перемешиваются с воздухом благодаря интенсивному вихреобразованию вследствие вытеснения заряда из надпоршневого пространства при подходе поршня к в. м. т.
У дизелей с объёмно-плёночным смесеобразованием умеренные значения максимального давления цикла [p =(6÷7.5) МПа], сравнительно низкий удельный расход топлива [gₑ=(217÷245) г/(кВт·ч)]. Достигается почти полное сгорание топлива при небольшом значении коэффициента избытка воздуха (α≈1.5).
Объёмно-плёночный способ смесеобразования применяется в дизелях с диаметром цилиндров 70-300 мм.
Основной недостаток рассмотренных неразделённых камер – неполное сгорание форм камеры сгорания и размеров струй распылённого топлива. Кроме того, из-за влияния качества топлива на условия смесеобразования ограничено использование в таких двигателях топлив различных марок. В этом отношении зарекомендовали себя положительно так называемые разделённые камеры, состоящие из двух полостей: надпоршневой и соединённой с ней одним или несколькими каналами отделенной полости в крышке. На речном флоте широко распространены вихревые камеры – разновидность многокамерного смесеобразования. При этом способе в крышке цилиндра расположена вихревая камера сферической формы. Она соединена каналом с пространством над поршнем. К приходу поршня в в. м. т. В ней находится до70-80% всего объёма воздуха, остальные 20-30% в канале и в надпоршневом пространстве. При ходе сжатия воздух из цилиндра по каналу перетекает в вихревую камеру, где появляются закономерные круговые вихри.
Форсунка впрыскивает топливо внутрь вихревой камеры, где и сгорает его основная часть. В последующем, по мере перетекания газов из вихревой камеры в цилиндр, происходит догорание топлива за счёт участия воздуха, оставшегося в канале и надпоршневом пространстве.
Ввиду наличия интенсивных вихрей воздух, заключённый в вихревой камере, обладает значительным запасом кинетической энергии. Это позволяет получить хорошее смесеобразование при малых давлениях впрыскиваемого топлива (примерно 12-24 МПа) и при одноструйном распылителе форсунки.
Вихревые камеры часто изготавливают с вставной горловиной, являющейся тепловым аккумулятором: нагреваясь при горении, она отдаёт теплоту воздуху в процессе сжатия, благодаря чему уменьшается период задержки воспламенения, особенно при малых нагрузках.
Упрощение конструкции топливной аппаратуры, связанное с относительно низким давлением впрыскивания – большое преимущество вихрекамерных дизелей. Кроме того, вследствие хорошего перемешивания воздуха с топливом в них лучше используется воздух для сгорания, что позволяет при тех же размерах цилиндра получить мощность больше, чем в двигателях с однокамерным смесеобразованием. Двигатели с вихревыми камерами менее чувствительны к качеству топлива, но и менее экономичны:
̶ на перетекание воздуха в вихревую камеру и газов из неё затрачивается часть внутренней энергии газа, которая могла быть полезно использована;
̶ конструкция крышки цилиндра сложнее;
̶ вследствие разделения объёма камеры сгорания на две части увеличивается поверхность, приходящаяся на единица объёма воздуха. Из-за повышенного в связи с этим отвода теплоты через стенки снижается температура сжимаемого воздуха, в результате труднее запуск холодного двигателя. А поэтому в вихрекамерных двигателях предусматривают специальную запальную спираль, устанавливаемую под форсункой.
На ряде высокооборотных форсированных дизелей зарубежных фирм с диаметром цилиндра 160-185 мм достаточно эффективен предкамерный способ смесеобразования. Камера сгорания при таком способе состоит из предкамеры (форкамеры), расположенной в крышке цилиндра, и основной камеры, заключённой между днищами поршня, крышками и стенками цилиндровой втулки. С основной камерой предкамера соединено отверстиями, суммарное проходное сечение которых составляет 0.5-1% площади поршня. Объём предкамеры составляет 20-40% объёма камеры сжатия. Всё это обеспечивает максимальную разность давлений в конце сжатия в предкамере и надпоршневом пространстве (0.3-0.5 МПа).
При истечении из предкамеры пары топлива интенсивно перемешиваются с зарядом основной камеры сгорания, в результате чего обеспечивается наиболее полное сгорание. Дизели с предкамерами менее чувствительны к качеству топлива и условиям работы, чем вихрекамерные.
Основные недостатки предкамерных двигателей – повышенные потери теплоты из-за увеличенной поверхности камеры сгорания; энергетические потери на перемешивание паров топлива, воздуха, газов через отверстия; плохие пусковые качества (необходимо запальное устройство); низкая экономичность [удельный расход топлива 270 г/(кВт·ч)].
На речном флоте предкамерные двигатели не применяют, на морском – ограниченно в качестве вспомогательных.