ЛЕКЦИЯ 9 Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные показатели двигателя и на токсичность

1. ЛЕКЦИЯ 9Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные показатели двигателя и на токсичность В эксплуатационных условиях автомобильный двигатель работает преимущественно на режимах неполной нагрузки. Для этих режимов анализ производится с целью определения условий, при которых достигается устойчивая работа двигателя при наибольшей экономичности на каждом скоростном режиме с наименьшей токсичностью.

2. На показатели двигателя влияют: 1. Форма камеры сгорания. От нее зависит характер развития процесса сгорания и теплоотдача в стенки, обеспечение высокого наполнения цилиндра, эффективность протекания процесса сгорания и высокое использования выделившейся теплоты. Особое внимание уделяется технологии изготовления камер сгорания, методу обработки их поверхностей и получению одинаковых объемов камер во всех цилиндрах.

3. Камеры сгорания оценивают по,отношению поверхности камеры сгорания к ее объему , увеличение которого увеличивает тепловые потери в стенки, а также потери, связанные с замедленным сгоранием у стенок и в узких зазорах, образуемых в различных зонах камеры. Последнее, а также возможность полного прекращения реакций в пристеночной зоне увеличивает содержание несгоревших углеводов CxHy в продуктах сгорания.

4. Отношение для заданного типа камеры сгорания зависит от отношения , рабочего объема цилиндра и степени сжатия . Существенное влияние на концентрацию несгоревших углеводородов в продуктах сгорания оказывает высота зазора между днищем поршня и головкой в зоне вытеснителя. При большем зазоре вследствие более полного протекания реакции содержание несгоревших углеводородов в продуктах сгоранияуменьшается;

5. Для эффективного протекания процесса сгорания необходимо усиливать до некоторого предела турбулизация заряда, но при высокой степени турбулизации возникают дополнительные тепловые и гидродинамические потери. На величину максимальных давлений цикла и скорости нарастания давления на участке сгорания зависят от формы камеры сгорания, и места расположения свечи влияет изменение во времени поверхности фронта пламени, а соответственно и объем рабочей смеси, участвующей в процессе сгорания. При одинаковой скорости распространения пламени изменение поверхности фронта пламени зависит от формы камеры сгорания и места расположения свечи.

6. Камеры сгорания оценивает по возможности повышения степени сжатия при одновременном снижении склонности к детонационному сгоранию и соответственно требований к октановому числу топлива, а также к токсичности двигателя; Длительность сгорания, расстояние между свечой и наиболее удаленной зоной камеры. Чем меньше длительность сгорания, тем выше антидетонационные качества камеры сгорания.

7. 2. Степень сжатия. На рис. 9.1 приведены зависимости индикаторного КПД от степени сжатия, полученные для двигателей с различными камерами сгорания. Кривая 5 характеризует изменение КПД, подсчитанного для камеры I по эмпирической формуле в предположении, что при увеличении по сравнению с исходной (5,6), для которой было экспериментально найдено значение ,характер процесса сгорания, потери теплоты и показатель степени остаются неизменными. Разница в значениях , определенных по кривым 1 (камера I), 2 (камера II), 3 (камера III) и 4 (камера IV), является результатом влияния конструкции камеры сгорания на эффективность теплоиспользования. Кривые 3 и 7 относятся к камере III, причем кривая 3 – для случая установки ширмы на впускном клапане, усиливающей турбулизацию заряда. Характеристика для камеры IV снималась при нагрузке, равной и экономичном составе смеси.

8. При построении кривой 6 относительного роста индикаторного КПД было принято = 1 для = 7,0. Рассматривая зависимость , видим, что для всех камер сгорания ее характер примерно одинаковый. в зависимости от Рис. 9.1. Изменение для различных камер сгорания.

9. и На рис. 9.2 показано повышение токсичности отработанных газов, с повышением степени сжатия. Повышение токсичности отработавших газов, а также требований к октановому числу при­меняемого топлива ограничивают величину в двигателях с искровым зажиганием до 10. и газах карбюраторного двигателя Рис. 9.2. Зависимость содержания ; и при различных и =38о; =2о; и =2о; =38о; и и =20о; и ;

10. Размеры цилиндра. Увеличение объема цилиндра пропорцио­нально кубу, а тепло передающей поверхности — квадрату ли­нейных размеров. Поэтому при увеличении объема цилиндра умень­шается отношение и снижается доля теплоты, отдаваемой в стенки, вследствие чего улучшается теплоиспользование цикла. Вместе с тем, при этом в результате более высокой температуры несгоревшей части заряда может появиться детонация. Детонация в двигателях с большим диаметром цилиндра, если не применять до­полнительных мер (например, установки двух свечей), может также возникнуть из-за увеличения длительности процесса сгорания. Анализ совокупного влияния указанных факторов показывает, что антидетонационные качества камеры сгорания являются решаю­щими при выборе размеров рабочего объема цилиндра. В камерах сгорания одинаковых форм при уменьшении диаметра цилиндра можно повысить и соответственно . При неизменном индикаторный КПД будет выше при большем диаметре цилиндра.

11. Состав смеси. Для термодинамического цикла с подводом теплоты при и реальным рабочим телом изменение термического КПД в зависимости от коэффициента избытка воздуха показано на pис. 9.3. В области богатых смесей ( ) резко падает, что объясняется понижением количества подведенной теплоты, так как при уменьшении увеличивается разность между количеством вне­сенной и выделившейся в цикле теплоты. При стехиометрическом составе смеси ( ) выделившаяся за цикл теплота всегда практически равна внесенной. При дальнейшем обеднении смеси ( ) количество внесенной теплоты, отнесенной к смеси топлива с возду­хом, уменьшается и соответственно понижаются максимальные тем­пература цикла и температура расширения, а также относительное содержание и в продуктах сгорания. Оба эти фактора умень­шают теплоемкость рабочего тела и повышают средний показатель адиабаты расширения , следствием чего является постепенное возрастание в области .

12. В действительном цикле индикаторный КПД по мере обеднения смеси увеличивается, но только до определенного предела, при котором процесс сгорания будет протекать нормально. При дальнейшем обеднении смеси вследствие резкого увеличения нестабильности сгорания в последовательных циклах (вплоть до пропусков зажигания) уменьшается. Величину , при которой достигается наилучшее теплоиспользование, называют пределом эффективного обеднения смеси. Предел эффективного обеднения зависит от температуры и давления, при которых происходит воспламенение, концентрации топлива в зоне у свечи, распределения состава смеси в объеме камеры сгорания, интенсивности источника воспламенения, типа камеры сгорания и режима работы двигателя.

13. На рис. 9.3 показано изменение предела эффективного обеднения смеси в случае одновременного зажигания от нескольких (две свечи) источников (кривая 3), обогащения состава смеси в зоне свечи (расслоенный заряд), когда часть топлива подводится к впускному кла­пану по специальной трубке так, чтобы струя его была направлена в зону свечи (кривая 4), и форкамерно-факельного зажигания (кри­вая 5). Рис. 9.3. Зависимость индикаторного и термического КПД от в карбюраторном ); 2 – при полностью 1 – при частичной нагрузке двигателе: ( открытой дроссельной заслонке; 3 – зажигания в каждом цилиндре; при установке двух свечей факельном при применении расслоенного заряда; 5 – при 4 – форкамерно- Зажигании.

14. Во всех этих случаях предел эффективного обеднения сме­щается в сторону более бедных смесей, при которых обеспечивается надежное воспламенение. Даже при наиболее благоприятных усло­виях воспламенения смеси, например при форкамерно-факельном зажигании, не удается расширить предел эффективного обеднения смеси до . Это объясняется тем, что при очень бедной смеси затрудняется распространение пламени в ее объеме и сгорает лишь часть смеси, непосредственно соприкасающаяся с поступаю­щим из форкамеры горящим факелом топлива. При высокой степени сжатия возможна устойчивая работа двигателя на более обедненных смесях. В результате этого повышается более интенсивно с ростом , чем при сгорании обо­гащенной смеси. Дросселирование. Предел эффек­тивного обеднения в карбюраторных двигателях меняется незначительно, что не позволяет при уменьшении нагрузки от полной до холостого хода применять качественное регули­рование. При обычной системе за­жигания, если учесть, что макси­мальная нагрузка достигается в случае , а предел эффективного обеднения равен 1,1 - 1,3, снижение нагрузки (на 10—20%) при качественном регулировании возможно только в ука­занном диапазоне изменения . Дальнейшее уменьшение нагрузки возможно путем снижения количества поступающей в цилиндр смеси. Такое количественное регулирование достигается прикрытием дроссельной заслонки.

15. Однако только количественным регулированием ( ) не удается осуществить хорошего протекания про­цесса сгорания. При уменьшении нагрузки дросселированием изме­няют условия воспламенения смеси, и предел эффек­тивного обеднения смещается в сторону более богатой смеси (кривая 2 на рис. 9.3), а также ухудшается эффективность использования теплоты в цикле из-за усиливающегося догорания в процессе расширения, что приводит к снижению . На рис. 9.4 показано изменение состава смеси, и в зависимости от нагрузки при дросселировании двигателей с различными и типами камер сгорания.

16. Рис. 9.4. Зависимость изменения состава смеси и от изменения нагрузки ( в %) дросселированием для различных камер сгорания, и : 1 – полуклиновая камера, =6,5, =1200 об/мин; 2 – то же, =2000 об/мин; 3 – то же, =6,7, =2600 об/мин; 4 – камера в поршне, =7, =8,9, то же, =8,9, =3000 об/мин; 6 – то же, =10,95, =2000 об/мин; 5 – =2000 об/мин; 7 – то же, =10,95, =3000 об/мин

17. Приведенные характеристики показывают, что по мере повышения до определенного предела частоты вращения возрастает практически при всех нагрузках. Точка а характеризует режим, при котором в случае полного открытия дроссельной заслонки и соответствующего обо­гащения смеси достигается наибольшая нагрузка. Участки а — b соответствуют качественному регулированию состава смеси. На этих участках растет вследствие обеднения смеси до значения , соответствующего пределу эффективного обеднения при практически незна­чительно меняющемся положении дроссельной заслонки. При дальнейшем уменьшении нагрузки дроссельную заслонку прикрывают. Необходимость обогащения смеси приводит к снижению , тем боль­шему, чем сильнее обогащается смесь при уменьшении нагрузки. При дросселировании содержание углеводородов увеличивается, а при обогащенной смеси ( ) в продуктах сгорания содержится СО тем больше, чем богаче смесь. Исследования показывают, что при минимальной частоте вращения холостого хода наблюдаются пропус­ки воспламенения. В результате, несмотря на то, что , в продуктах сгорания, наряду с СО имеются свободный кислород и углеводороды.

18. Угол опережения зажигания. Угол опережения зажигания определяет протекание процесса сгорания относительно в. м. т. и в соответствии с этим полноту теплоиспользования, характеризуемую индикаторным КПД. При изменении угла меняются температура, давление и условия турбулизации заряда в период развития процесса сгорания.

19. Опыты показали, что измене­ние угла опережения зажигания не влияет на содержание в продуктах сгорания СО. По мере снижения до определенного предела, при котором качество сгорания еще не ухудшается, количество углеводородов снижается. При дальнейшем уменьшении , приводящем к позднему зажиганию и ухудшению процесса сгорания, может увеличиваться концентрация в продуктах сгорания. Уменьшение при значениях из-за понижающегося максимального значения температуры в цикле в результате продолжения процесса сгорания при расширении существенно снижается содержание в продуктах сгорания окислов азота. Во время работы двигателя на обогащенной смеси из-за отсутствия свободного кислорода величина мало влияет на содержание в продуктах сгорания. Характер зависимости содержания от при разных значениях показан на рис. 9.5.

20. Рис. 9.5. Зависимость содержания в отработавших газах от угла при различных значениях

21. Частота вращения. С повышением скоростного режима рост угла поворота коленчатого вала , соответствующего начальной и основной и фазам сгорания, компенсируется увеличением угла так, что эффективность процесса сгорания в этих фазах не ухуд­шается. В то же время при росте частоты вращения уменьшаются потери тепла за цикл из-за сокращения времени на теплообмен между газом и стенками. При повышении несколько увеличивается фаза догорания , но при оптимально выбранном для каждого скоростного режима угле индикаторный КПД растет. На рис. 9.6 Показана зависимость некоторых индикаторных пара­метров от скоростного режима двигателя АЗЛК-412. Рис. 9.6. Зависимость индикаторных показателей двигателя АЗЛК-412 =1 и от частоты вращения при оптимальном угле

22. Из рис. 9.6 видно, что с повышением частоты вращения необходимо увеличивать угол примерно настолько, насколько растет . Длительность основной фазы сгорания меняется незначительно. Максимальное давление цикла повышается по мере возрастания частоты вращения, что свидетельствует о примерно одинаковом протекании процесса сгора­ния в основной фазе. С увеличением частоты вращения (до = 3000 об/мин) индикаторный КПД этого двигателя заметно возрастает. В зоне более высокой частоты вращения растет менее интенсивно, что объясняется большим влиянием длительности фазы догорания.

23. Рис. 9.7. Индикаторные диаграммы двигателя ЗИЛ-130 (дроссельная заслонка полностью открыта)

24. На рис. 9.7 приведены индикаторные диаграммы двигателя ЗИЛ-130 при его работе с полностью открытой дроссельной заслонкой в диапазоне изменения от 800 до 2400 об/мин. Обработка индика­торных диаграмм показала, что скорость нарастания давления в фазе основного сгорания не превышает 0,132 МПа/°. Проведенные в Центральном научно-исследовательском автомо­бильном и автомоторном институте (НАМИ) исследования карбюра­торных двигателей показали, что содержание СО увеличивается при малой частоте вращения в результате ухудшения качества смесеобра­зования и повышения неравномерности распределения топлива по цилиндрам. При этом количество уменьшается. С ростом в результате улучшения качества смесеобразования содержание углеводородов в продуктах сгорания понижается.