Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные

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
понижающегосямаксимального
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.