Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные
реклама
ЛЕКЦИЯ 9 Факторы, 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. 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. Камеры сгорания оценивают по,отношению поверхности камеры сгорания Fкс к ее объему Vкс , 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. Отношение Fкс / Vкс для заданного типа камеры сгорания зависит от отношения S / D , рабочего объема цилиндра Vh 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 сгорания уменьшается; 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. 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. 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 t 1 1/ n1 1 в предположении, что при увеличении по сравнению с исходной (5,6), для которой было экспериментально найдено значение i ,характер процесса сгорания, потери теплоты и показатель степени остаются неизменными. Разница в значениях i , 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 0,6 N e и экономичном составе смеси. При построении кривой 6 относительного роста индикаторного КПД было принято i = 1 для = 7,0. Рассматривая зависимость i f ( ) , видим, что для всех камер сгорания ее характер примерно одинаковый. Рис. 9.1. Изменение iв зависимости от для различных камер сгорания. 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 Рис. 9.2. Зависимость содержания C x ;H y и NOx газах карбюраторного двигателя о 3 =2о; при различных и 3 1 0,81 и 3=38 ; 2 0,81ои 3 1,0 и 3 =20о; 4 1,16 и 3 =38о; 5 1,16 и 3 =2 ;6 6,7 7 9,5 ; 8 12 : Размеры цилиндра. Увеличение объема цилиндра пропорционально кубу, а тепло передающей поверхности FT — квадрату линейных размеров. Поэтому при увеличении объема цилиндра уменьшается отношение и снижается FT / V 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 i . При неизменном индикаторный КПД будет выше при большем диаметре цилиндра. Состав смеси. Для термодинамического цикла с подводом теплоты V const при и реальным рабочим телом изменение термического КПД t в зависимости от коэффициента избытка воздуха показано на pис. 9.3. В области богатых смесей ( 1 ) t 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 ( 1 ) выделившаяся за цикл теплота всегда практически равна внесенной. При дальнейшем обеднении смеси ( 1 ) количество внесенной теплоты, отнесенной к смеси топлива с воздухом, уменьшается и соответственно понижаются максимальные температура цикла и температура расширения, а также относительное содержание CO2и H 2 Oв продуктах сгорания. Оба эти фактора уменьшают теплоемкость рабочего тела и повышают средний показатель адиабаты расширения k , следствием чего является постепенное возрастание t в области 1 . 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) i 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. 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). в Рис. 9.3. Зависимость индикаторного i и термического КПД от карбюраторном двигателе: 1 – при частичной нагрузке ( V 0,32 ); 2 – при полностью открытой дроссельной заслонке; 3 – при установке двух свечей зажигания в каждом цилиндре; 4 – при применении расслоенного заряда; 5 – при форкамерно- факельном Зажигании. 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 .Это (1,5 объясняется 1,7) смеси до 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 i 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%) 0,8 при 0,9 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. Однако только количественным регулированием ( const) 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 i . На рис. 9.4 показано изменение состава смеси, i и 3 в зависимости от нагрузки при дросселировании двигателей с различными и типами камер сгорания. Рис. 9.4. Зависимость изменения состава смеси i и 3от изменения нагрузки ( pi в %) дросселированием для различных камер сгорания, и n: 1 – полуклиновая камера, =6,5, n =1200 об/мин; 2 – то же, =7, n =2000 об/мин; 3 – то же, =6,7, n =2600 об/мин; 4 – камера в поршне, об/мин; 5 то же, =8,9, =3000 об/мин; 6 – то же, =10,95, n =8,9, n =2000 – n n=2000 об/мин; 7 – то же, =10,95, =3000 об/мин Приведенные характеристики показывают, что по мере повышения до определенного предела частоты вращения i 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 i 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 i , тем большему, чем сильнее обогащается смесь при уменьшении нагрузки. При дросселировании содержание углеводородов увеличивается, а при обогащенной смеси ( 1 ) в продуктах сгорания содержится СО тем больше, чем богаче смесь. Исследования показывают, что при минимальной частоте вращения холостого хода наблюдаются пропуски 1 воспламенения. В результате, несмотря на то, что , в продуктах сгорания, наряду с СО имеются свободный кислород и углеводороды. Угол опережения зажигания. Угол опережения зажигания 3 определяет протекание процесса сгорания относительно в. м. т. и в соответствии с этим полноту теплоиспользования, характеризуемую индикаторным КПД. При изменении угла 3 меняются температура, давление и условия турбулизации заряда в период развития процесса сгорания. Опыты показали, что изменение угла опережения зажигания не влияет на содержание в продуктах сгорания СО. По мере снижения 3 до определенного предела, при котором качество сгорания еще не ухудшается, количество углеводородов снижается. При дальнейшем уменьшении , приводящем к 3 позднему зажиганию и ухудшению процесса сгорания, может увеличиваться концентрация в продуктах сгорания. Cx H y Уменьшение при значениях из-за 1,05 понижающегосямаксимального значения 3 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 NOx 3 содержания от при разных значениях 3 NO9.5. показан на рис. x Рис. 9.5. Зависимость содержания NOx в отработавших газах от угла 3 при различных значениях Частота вращения. С повышением скоростного режима рост угла поворота коленчатого вала , соответствующего начальной I и основной II и фазам сгорания, компенсируется увеличением угла 3 так, что эффективность процесса сгорания в этих фазах не ухудшается. В то же время при росте частоты вращения n уменьшаются потери тепла за цикл из-за сокращения времени на теплообмен между газом и стенками. При повышении n несколько увеличивается фаза догорания III , но при оптимально выбранном для каждого скоростного режима угле индикаторный 3 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 от частоты вращения n при оптимальном угле 3 и =1 Из рис. 9.6 видно, что с повышением частоты вращения необходимо увеличивать угол 3 примерно настолько, насколько растет I . Длительность основной фазы сгорания II меняется незначительно. Максимальное давление цикла p z повышается по мере возрастания частоты вращения, что свидетельствует о примерно одинаковом протекании процесса сгорания в основной фазе. С увеличением частоты вращения (до = n 3000 об/мин) индикаторный КПД этого двигателя заметно возрастает. В зоне более высокой частоты вращения i растет менее интенсивно, что объясняется большим влиянием длительности фазы догорания. Рис. 9.7. Индикаторные диаграммы двигателя ЗИЛ130 (дроссельная заслонка полностью открыта) На рис. 9.7 приведены индикаторные диаграммы двигателя ЗИЛ-130 при его работе с полностью открытой дроссельной заслонкой в диапазоне изменения n от 800 до 2400 об/мин. Обработка индикаторных диаграмм показала, что скорость нарастания давления dp / d в фазе основного сгорания не превышает 0,132 МПа/°. Проведенные в Центральном научноисследовательском 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 NOx уменьшается. С ростом n в результате улучшения качества смесеобразования содержание углеводородов в продуктах сгорания понижается.
