В В Е Д Е Н И Е 3 страница

Рис. 3.4. Сравнение скоростных характеристик изменения среднего индикаторного давления (р_i) дизеля и двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ).

Сравнение составов смеси и индикаторных показателей дизеля и ДсИЗ приведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Зависимость (скоростные характеристики) составов смеси и индикаторных показателей от частоты вращения при постоянном положении регулирующего органа: 1 – дизель, 2 – ДсИЗ.

Итак, в ДсИЗ η_i возрастает с увеличением n до 0,6 – 0,8 от номинальной при полностью открытой дроссельной заслонке вследствие улучшения смесеобразования, уменьшения потерь теплоты в стенки и утечек, увеличения α. Затем индикаторный КПД начинает снижаться вследствие недостатка времени на сгорание, когда влияние положительных факторов на сгорание перестаёт превалировать над уменьшением времени на сгорание. Среднее индикаторное давление возрастает вследствие увеличения η_i и η_v до значений n, несколько больших величин, соответствующих максимуму η_v.

В дизелях с увеличением n все перечисленные факторы влияют так же, как и в ДсИЗ. Особенность – изменение α=f(n). В области повышенных частот вращения α может существенно снижаться, так как цикловые подачи топлива растут, вследствие уменьшения потерь через утечки в прецизионных парах (при h_p=const). В результате, если не проводить корректирование цикловых подач, то η_i может даже снижаться.

В зависимости от n η_v изменяется по более пологой характеристике.

Такое протекание характеристик в конечном итоге через механический КПД определит эффективные показатели, а форма характеристики - показатели устойчивости режимов. Причём, ДсИЗ обладает высокой устойчивостью режимов работы с потребителем как при полных, так и при частичных нагрузках (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Объяснение высокой устойчивости режимов работы двигателя с искровым зажиганием (М_е.) с потребителем (М_с.).

Видно, что благодаря крутому возрастанию М_е со снижением n фактор устойчивости, как отношение остаётся величиной, существенно большей нуля (F_д >>0).

Итак, при постоянстве положения регулирующего органа и при постоянной частоте вращения коэффициент наполнения практически остаётся постоянным у дизеля, а у ДсИЗ аналогичная характеристика имеет более выраженный максимум. Регулировочные характеристики по составу смеси имеют вид, показанный на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Регулировочная характеристика по составу смеси при постоянном положении ДЗ (η_v=const, n=2000 мин^-1).

Для получения такой характеристики меняют состав смеси при постоянном положении дроссельной заслонки. Состав смеси меняют, изменяя, например, жиклёры в карбюраторе, или подачу топлива при впрыскивании его в коллектор или в цилиндр (в зависимости от конструкции двигателя). При этом конечно меняется развиваемая двигателем мощность. Тогда для поддержания постоянства частоты вращения меняют и момент сопротивления. Угол опережения зажигания выбран для обеспечения максимальной мощности при α=0,85, а при обеднении смеси (до α=1,3) для повышения экономичности он увеличивается. (Подобранная экспериментально характеристика затем реализуется с помощью соответствующих конструктивных особенностей системы топливоподачи). Некоторое возрастание η_v при постоянстве положения дроссельной заслонки и постоянстве n получено, возможно, из-за того, что со снижением мощности происходит понижение теплового состояния двигателя и уменьшение подогрева заряда на всасывании, что увеличивает плотность свежего заряда и массовое наполнение цилиндров.

Итак, для данного двигателя диапазон желательно изменения состава смеси равен 0,85 – 1,3. Изменение состава смеси в этом диапазоне сопровождается скажем, при росте мощности падением экономичности и наоборот. Выход из этого диапазона как в сторону обогащения, так и в сторону обеднения смеси нецелесообразен, так как приводит к потере как мощности, так и экономичности. В то же время снижение нагрузочного режима, т.е. прикрытие дроссельной заслонки, создаёт в цилиндре повышенное разрежение в начале сжатия, а при данном составе смеси – пониженную концентрацию топлива в объёме цилиндра. Это ухудшает условия воспламенения горючей смеси и условия для распространения фронта пламени. В результате, для обеспечения нормальной работы двигателя на пониженных нагрузках приходится идти на обогащение горючей смеси и для обеспечения мощности, и для обеспечения экономичности.

Построение регулировочной характеристики по составу смеси при постоянной мощности может быть необходимым для определения желательных режимов с наименьшей токсичностью выбросов (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Регулировочная характеристика по составу смеси при постоянной мощности (N_e=15,7 кВт, n=2000 мин^-1).

Итак, при некотором, не полном открытии дроссельной заслонки установили состав смеси 0,9. Получили мощность 15,7 кВт при n=2000 мин^-1. Какими-то техническим средствами, например, заменой жиклёров, обедняем смесь. Мощность двигателя снижается. Тогда начинаем приоткрывать дроссельную заслонку. Коэффициент наполнения возрастает, количество горючей смеси в цилиндре возрастает, мощность растёт, восстанавливаем её исходный уровень. И т. д. Конечно, при этом желательно на каждом новом режиме подбирать угол опережения зажигания, оптимальный для данного режима.

Видно, что максимум выбросов СО₂ практически совпадает со стехиометрическим составом смеси. Обогащение или обеднение смеси снижает его концентрации. Обеднение смеси приводит к уменьшению концентрации СО, так как повышается полнота сгорания, режим смещается к наиболее экономичному. Существенное изменение коэффициента наполнения связано с необходимостью поддержания постоянной мощности изменением положения дроссельной заслонки (рис.3.9).

Рис. 3.9. Регулировочные характеристики по составу смеси при различных положениях дроссельной заслонки: 1 – φ_др.. =100%; 2 - φ_др.. =40%.

На рис. показано, что если на режимах полных нагрузок, соответственно повышенных наполнений, максимум экономичности достигается при составе смеси 1,15, то прикрытие дросселя, снижение наполнения, появление повышенного разрежения на впуске приводят к необходимости обогащения смеси (0,98). Конечно, экономичность при этом ухудшается.

Важным регулировочным параметром для ДсИЗ является угол опережения зажигания (φ_о.з.), а для дизелей – угол опережении впрыскивания топлива (φ_о.вп.).

3. 2. Р Е Г У Л И Р О В О Ч Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

П О У Г Л У О П Е Р Е Ж Е Н И Я З А Ж И Г А Н И Я И Л И

В П Р Ы С К И В А Н И Я Т О П Л И В А.

Итак, одним из важнейших регулировочных параметров для двигателя с искровым зажиганием является угол опережения зажигания (). Для дизелей параметром такой же важности является угол опережения впрыскивания топлива.

На рис. 3.10 показано, что при наивыгоднейшем угле опережения (обозначены через θ_н) значения р_i и η_i максимальны.

Рис. 3.10. Зависимость индикаторных показателей от угла опережения (зажигания и впрыска топлива) θ при одинаковых прочих условиях.

При изменении θ могут незначительно изменяться только Т_к и η_v (в результате изменении подогрева заряда). Поэтому в соответствии с уравнениями (для двигателей на жидком топливе) и (для газовых двигателей) р_i и η_i изменяются по эквидистантным законам. (Здесь R_μ = 8,314 кДж/(кмоль·К) - молярная (универсальная) газовая постоянная, низшая теплота сгорания Н_u.г и количество свежей смеси М₁ для газовых топлив относятся к 1 м³ газа). Для двигателей с внешним смесеобразованием и жидким топливом , где m_m – молярная масса топлива; для газовых двигателей [кмоль/кмоль или м³/м³]; для дизелей . Угол θ_н будет различным для разных режимов работы. С увеличением нагрузки сокращается период задержки воспламенения смеси и возрастает скорость распространения фронта пламени благодаря повышенному подогреву смеси или рабочего заряда и снижению содержания остаточных газов (в ДсИЗ). Поэтому θ_н также уменьшается (рис. 3.11).

При увеличении n растёт температура заряда, т.к. возрастает показатель политропы сжатия n₁, температура остаточных газов и интенсивность вихря в КС. Это способствует уменьшению задержки воспламенения и скорости сгорания топлива. Однако общее уменьшение времени, располагаемого для эффективного сгорания топлива, приводит к необходимости увеличения θ_н с возрастанием частоты вращения n.

Рис. 3.11. Зависимость наивыгоднейших углов опережения зажигания и впрыска топлива от частоты вращения n и нагрузки N_e.

На рис. 3.12 приведён пример регулировочных характеристик ДсИЗ, где виден порядок числовых (количественных) значений индикаторных показателей при изменении углов опережения зажигания (обозначены через φ_{о.з .}) относительно наивыгоднейшего, оптимального (опт.).

Рис. 3.12. Регулировочные характеристики двигателя с искровым зажиганием.

ДсИЗ не имеют недостатка, связанного с повышенным дымлением, как это характерно для дизелей. Поэтому для дизелей угол опережения впрыска топлива (на рис. 3.13 обозначен φ_{о.вп .}) часто выбирается с учётом этого не только экологического, но и технического показателя. (Завод – изготовитель дизеля ограничивает допустимую дымность из соображений сохранения высокого моторесурса двигателя, его топливной аппаратуры и проч.).

Рис. 3.13. Влияние угла опережения впрыскивания топлива φ_{о.вп .} на дымность К отработавших газов дизеля с неразделённой камерой сгорания: 1 – двигатель без наддува; 2 – двигатель с наддувом; ∆V_i – доля топлива, впрыснутого до начала сгорания (определяет фактор динамичности цикла: ); θ₁ – период задержки воспламенения.

Итак, регулировочной характеристикой дизеля по углу опережения впрыскивания (УОВ) (рис. 3.14) называется зависимость основных показателей дизеля от величины УОВ (φ_о.вп.) при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n=const) и постоянной цикловой подаче топлива (G_т.ц. = const).

Эти условия предопределяют постоянство η_v и α. Эта характеристика используется для нахождения оптимальных значений УОВ на различных скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля. В целом характеристика по УОВ дизеля аналогична характеристике по УОЗ двигателя с искровым зажиганием. Вследствие постоянства расхода топлива зависимости р_e и g_e от φ_о.вп имеют обратный характер, максимум р_e и минимум g_eдостигаются при одном и том же значении которое называется оптимальным. Впрыскивание считается поздним, если φ_о.вп. < φ_{о.вп.опт.} и ранним,если φ_о.вп. > φ_{о.вп.опт}.

При раннем начале впрыскивания увеличивается период задержки воспламенения и количество теплоты, выделившейся в фазе быстрого сгорания.

Рис. 3.14. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыска (УОВ) топлива.

Поэтому возрастают р_z и ()_max. Возрастание УОВ приводит к увеличению содержания NО_x в ОГ при одновременном уменьшении содержания сажи. В дизелях обычно устанавливают величину φ_о.вп. несколько меньше φ_{о.вп.опт}. При незначительном увеличении g_e это приводит к уменьшению тепловых и механических нагрузок и к снижению содержания NO_x.

4. Н А Г Р У З О Ч Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Нагрузочные характеристики (НХ) - зависимости показателей работы ДВС от одного из параметров, характеризующих его нагрузку (N_e, M_e, p_e). НХ снимаются при постоянстве частоты вращения путём изменения положений регулирующих органов ДВС. При этом постоянство n обеспечивается изменением нагрузки тормоза. ДВС, служащие для привода электрических генераторов, компрессоров, насосов и т.п., должны работать так, чтобы частота вращения вала при изменении нагрузки менялась возможно меньше.

Основным параметром, оценивающим экономичность работы двигателя, является удельный эффективный расход топлива g_e. Характеристика последнего строится в частности, графически в поле нагрузочных характеристик (рис. 4.1). Если из точки 0 провести серию линий под углами ψ, то тангенсы этих углов численно равны удельным эффективным расходам топлива.

Дополнительно на графиках могут быть нанесены кривые индикаторного удельного расхода, индикаторного и эффективного КПД, механического КПД и часового расхода топлива. Для двигателей с наддувом часто наносят также кривую расхода воздуха и кривые, характеризующие работу агрегатов наддува: КПД турбины, компрессора и турбокомпрессора, частоты вращения ротора, параметров газа на входе в турбину и выходе из нее, параметров воздуха или смеси на входе в компрессор и выходе из него и т. д.

Рис. 4.1. Схема графического построения характеристики g_e = f(N_e) при известности экспериментальной зависимости G_т. = f(N_e): (нагрузочные характеристики, т.е. n=const); N_{e АВХ.} – максимально достижимая мощность – точка на абсолютной внешней характеристике.

Если характеристику снимают без строгого соблюдения постоянства частоты вращения, т. е. каждую точку получают при частоте вращения, устанавливаемой регулятором, то на график наносят кривую зависимости частоты вращения от нагрузки.

При работе двигателя по нагрузочной характеристике фактором внешнего воздействия на его рабочий процесс является только количество топлива или смеси, поступающих в цилиндр за цикл. В дизелях это осуществляют изменением продолжительности подачи и в большинстве случаев давления впрыска. В двигателях с газотурбинным наддувом изменяется также количество и состояние поступающего в дизель воздуха или смеси, а также газа, идущего в турбину, в результате чего меняются коэффициент избытка воздуха и условия смесеобразования. В результате этого изменяется рабочий процесс дизеля, турбины и компрессора (если последний объединен с турбиной в турбокомпрессоре), что обусловливает изменение мощности и удельного расхода топлива.

В двигателе с искровым зажиганием при работе по нагрузочной характеристике увеличивается или уменьшается количество смеси, поступающей в цилиндр. Коэффициент остаточных газов с прикрытием дроссельной заслонки возрастает. Таким образом, изменяются условия протекания рабочего процесса, а следовательно, мощность и экономичность двигателя. Изменение удельного эффективного расхода топлива при работе по нагрузочной характеристике выражается следующей зависимостью:

При холостом ходе N_e=0 и η_м=0, поэтому . С увеличением нагрузки при n=const механический КПД растет как у ДсИЗ, так и у дизелей. Вследствие этого g_e снижается. Однако у дизелей он уменьшается быстрее, чем у карбюраторных двигателей, так как η_i дизелей понижается значительно медленнее, чем растет η_м. Эффективный удельный расход топлива имеет минимум при нагрузке, соответствующей максимальному значению η_е. В ДсИЗ и газовых двигателях, у которых системы топливоподачи (например, смесители) отрегулированы так, что на всех нагрузочных режимах поддерживается состав смеси, соответствующий наибольшей экономичности, индикаторный КПД, как правило, повышается с увеличением нагрузки. Это объясняется ростом α и улучшением протекания сгорания. Поэтому удельный эффективный расход топлива имеет наименьшее значение при наибольшей нагрузке двигателя. В случае применения экономайзера в карбюраторных двигателях или обогащения смеси в газовых двигателях при приближении дроссельной заслонки к полному открытию смесь обогащается. В результате этого после включения в работу экономайзера рост мощности сопровождается ухудшением экономичности, т. е. увеличением удельного расхода топлива.

В качестве примера на рис. 4.2 показаны нагрузочные характеристики карбюраторного двигателя автомобиля «Москвич412». Удельный расход топлива имеет минимальное значение при N_e≈0,9·N_e.ном.. В это время коэффициент избытка воздуха составляет около 1,1. Дальнейшее повышение мощности происходит благодаря обогащению горючей смеси до уровня порядка 0,9.

Рис. 4.2 Нагрузочные характеристики двигателя АЗЛК.

Перепад давления на впуске () снижается с ростом мощности, так как происходит открытие дроссельной заслонки вплоть до 100%.

Точки каждой нагрузочной характеристики двигателя ЗИЛ-1З0, отмеченные на рисунке 4.3 кружками, соответствуют условиям работы двигателя по внешней характеристике. Наименьший удельный расход топлива при работе с любой частотой вращения получается при максимальном коэффициенте избытка воздуха α.

Штриховая линия, проведенная через точки минимальных удельных эффективных расходов топлива, представляет собой изменение g_eпри работе по внешней характеристике двигателя с регулировкой карбюратора, вообще системы топливоподачи, на наилучшую экономичность.

Состав смеси на режимах нагрузочной характеристики (НХ) теоретически должен оставаться экономическим (α=α_эк.) при каждом значении N_e, за исключением режима полной нагрузки, когда возможности количественного регулирования будут исчерпаны.

Рис. 4.3. Нагрузочные характеристики двигателя ЗИЛ-130: 1 – n=800 об/мин; 2-1200 об/мин; 3-1600 об/мин; 4-2000 об/мин; 5-2400 об/мин; 6-2800 об/мин; 7-3200 об/мин.

В этом случае обеспечение режима максимальной мощности возможно только при обогащении смеси до мощностного состава.

В современных ДсИЗ с впрыскиванием бензина алгоритм обогащения заложен в память электронного блока управления: обогащение происходит в зависимости от расхода воздуха (или от уровня разрежения во впускном трубопроводе) с учётом положения ДЗ и скоростного режима двигателя. Необходимое обогащение смеси в карбюраторных двигателях реализуется при помощи экономайзера, эконостата или включением вторичной камеры карбюратора (в двухкамерных карбюраторах с последовательным включением камер). Совместное изменение наполнения цилиндров и обеспечиваемых штатными системами реальных значений α и φ_{о.з .}оказывает сложное воздействие на рабочий процесс и показатели двигателя. Характер изменения основных показателей двигателя определяется совместным влиянием изменения η_i и η_м. (рис. 4.4).

Величина η_i по НХ определяется составом смеси, коэффициентом наполнения (η_v) и значением угла опережения зажигания, а величина η_м практически зависит только от нагрузки двигателя, изменяясь от нуля на режиме ХХ до максимального значения на режиме N_e.max.. При полном открытии дроссельной заслонки из-за химической неполноты сгорания при α<1,0 уменьшается η_i и увеличивается g_e, несмотря на максимальное значение η_м.

Рис. 4.4. Изменение показателей двигателя с искровым зажиганием по нагрузочной характеристике: ε=7,0; iV_h=6,0 л.; n=2000 об/мин.

Прикрытие ДЗ переводит работу системы топливоподачи на обеспечение близкого к экономичному составу смеси (α = 1,1 – 1,2), что повышает η_i. Минимальный удельный эффективный расход топлива определяется максимальной величиной произведения η_е = η_iη_м. и соответствует как правило, значению N_e = (0,8 – 0,9)N_e.max.. Однако прикрытие ДЗ по ряду причин приводит к ухудшению условий воспламенения и сгорания горючей смеси. В результате этого α необходимо несколько уменьшать, что особенно важно на режимах малых нагрузок и ХХ, где для обеспечения хорошей экономичности необходимо обогатить смесь до α = 0,9 – 0,95. По этой же причине необходимо увеличивать угол опережения зажигания, чтобы компенсировать увеличение длительности первой фазы сгорания.

Ухудшение условий сгорания и обогащение смеси по мере прикрытия ДЗ приводят к некоторому уменьшению η_i, что увеличивает g_e. Но более сильное влияние на зависимость g_e=f(N_e)оказывает изменение η_м.. Мощность механических потерь незначительно изменяется с уменьшением N_e. Но вследствие уменьшения индикаторной мощности быстро снижается η_м, достигая нулевого значения на режиме холостого хода. Это приводит к интенсивному увеличению g_e с уменьшением нагрузки, так как все большая часть теплоты расходуется не на полезную работу, а на преодоление внутренних (механических) потерь, что указывает на нецелесообразность использования двигателя на режимах очень малых нагрузок.

В широком диапазоне нагрузок, в котором η_i и α изменяются в сравнительно узких диапазонах, G_в., η_v, давление во впускном трубопроводе р_к., а также G_т. практически линейно связаны с N_e. Лишь в зоне вблизи полной нагрузки, когда фактически начинается качественное регулирование, линейный характер нарастания этих параметров с ростом N_eнарушается: темп нарастания G_т. увеличивается, а интенсивность роста G_в. и η_v, напротив, замедляется.

Характер изменения температуры ОГ (t_r) определяется количеством сжигаемой смеси и ее составом. С увеличением нагрузки возрастает масса заряда, приходящаяся на единицу площади поверхности цилиндра, что приводит к повышению t_r,. При больших нагрузках (в зоне включения экономайзерных устройств) решающим фактором может оказаться обогащение смеси, что может привести к снижению t_r.

Содержание токсичных компонентов ОГ по нагрузочной характеристике определяется совместным влиянием α, η_v и φ_о.з.. Содержание СО в отработавших по нагрузочной характеристике газах определяется составом смеси: его содержание увеличивается как на полной нагрузке, так и на режимах малых нагрузок (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Нагрузочные характеристики ДсИЗ: ε=9; iV_h=1,5 л;

n=2000 мин^-1.

Аналогичным образом изменяется содержание СН: на режиме полной нагрузки определяющим фактором является состав смеси, а на режимах малых нагрузок и ХХ — состав смеси и низкая скорость сгорания. Максимальное содержание NO_x, в ОГ, как правило, имеет место на режимах максимальной экономичности, предшествующих переходу на мощностной состав смеси. На режиме полной нагрузки содержание NO_x уменьшается из-за отсутствия избыточного кислорода, а на режимах малых нагрузок — из-за снижения максимальной температуры цикла вследствие разбавления смеси остаточными газами и снижения скорости сгорания. Но даже в том случае, если содержание СО и СН в отработавших газах на режиме холостого хода и полной нагрузки будет примерно одинаковым, в последнем случае их массовый выброс будет выше из-за больших расходов смеси.

В дизелях с ростом нагрузки при увеличении цикловой подачи топлива коэффициент α уменьшается. В качестве примера на рис. 4.6 показана нагрузочная характеристика автомобильного четырехтактного дизеля 6Ч 13/14 (ЯМЗ-236) при n = 1600 об/мин. Минимальный расход топлива соответствует мощности, равной примерно 0,85 N_{e. ном.}. В отличие от ДсИЗ (карбюраторного и т.д.) индикаторный КПД увеличивается с уменьшением нагрузки, что обусловлено ростом коэффициента α. Поэтому разница в величинах эффективного КПД и удельного расхода топлива ДсИЗ и дизеля по мере снижения нагрузки возрастает.

Уменьшение α с ростом нагрузки приводит к понижению индикаторного КПД, небольшому при малых нагрузках и значительному при приближении к максимально достижимой мощности, соответствующей абсолютной внешней характеристике.

Рис. 4.6. Нагрузочная характеристика дизеля 6Ч 13/14 (ЯМЗ-236) при n=1600 об/мин.

Поэтому удельный расход топлива после достижения минимальной величины при нагрузке, соответствующей максимуму произведения , возрастает. Вследствие этого дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива ограничивают.

Рассмотрим подробнее нагрузочные характеристики тепловозных дизелей. (Очевидно, что большинство закономерностей их протекания характерны для дизелей любого назначения). Для нагрузочных характеристик, как отмечалось выше, постоянной сохраняется частота вращения коленчатого вала. Изменение основных параметров работы двигателя по нагрузочной характеристике (рис. 4.7) изображается графически следующим образом: по оси абсцисс откладывается эффективная мощность двигателя или среднее эффективное давление, по оси ординат — основные параметры его работы, например удельный эффективный расход топлива g_е..

Часто по оси абсцисс вместо абсолютного значения мощности вводят относительную в долях (или процентах) от полной нагрузки, что более удобно для анализа характеристик различных дизелей. Основными параметрами, определяемыми в зависимости от мощности, являются эффективный к.п.д. η_е. = η_i·η_м., а также индикаторный и механический к.п.д., от которых он зависит.

Рис. 4.7. Изменение КПД дизеля по нагрузочной характеристике.

Индикаторный к.п.д. двигателя определяется прежде всего коэффициентом избытка воздуха α. Увеличение α вначале повышает индикаторный к.п.д., затем приводит к его снижению. Коэффициент избытка воздуха по мере уменьшения мощности по нагрузочной характеристике, как правило, возрастает. На коэффициент наполнения η_v влияют в противоположном направлении два фактора: при уменьшении нагрузки снижаются температура стенок и подогрев заряда от стенок — это влияет в сторону увеличения η_v; с другой стороны, при уменьшении нагрузки понижается температура отработавших газов, увеличивается их плотность и газодинамическое сопротивление в выпускном клапане, что вызывает уменьшение η_v. Поскольку влияние этих факторов противоположно и незначительно по абсолютному значению, можно считать коэффициент наполнения не изменяющимся по нагрузочной характеристике.

Дата добавления: 2014-12-26