книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

Если отношение да2 < 0 ,1 , то сгорание может продолжаться при расширении, что ухудшает топливную экономичность двигателя.

Если же отношение - ^ - > 0 , 2 6 , то работа двигателя становится ДС&2

«жесткой», т. е. нарастание давления в цилиндре в этом случае происходит чрезмерно резко. Это увеличивает нагрузки, восприни­ маемые кривошипно-шатунным механизмом, и вызывает повышен­ ные износы, а иногда и поломки его деталей.

Опытным путем установлено, что наибольшая полезная площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и максимальная мощ­ ность двигателя получаются втом случае, когда наибольшее давле­ ние цикла соответствует углу, равному 10—15° угла поворота ко­ ленчатого вала после в. м. т.

Третью фазу называют догоранием смеси, которое совершается при расширении по линии 4—5. В карбюраторных двигателях про­ должительность третьей фазы невелика и определить ее окончание па индикаторной диаграмме весьма трудно, так как для этого не­ обходимо знать момент полного сгорания смеси. Продолжитель­ ность третьей фазы зависит от состава смеси, угла опережения за­ жигания и степени завихрения смеси.

Продолжительность сгорания (в с) смеси можно определить по формуле

где Да — угол поворота коленчатого вала в °; (йе — угловая скорость коленчатого вала в рад/с.

Для карбюраторных двигателей продолжительность сгорания смеси тс составляет 0,001—0,002 с.

Продолжительность сгорания смеси в цилиндре двигателя зависит главным образом от скорости распространения фронта пламени (скорости сгорания). Скорость сгорания в различные периоды процесса сгорания не остается постоянной, а изменяется в довольно широких пределах. В среднем ее значения при нормаль­ ном протекании процесса сгорания в карбюраторном двигателе находятся в пределах 20—30 м/с. Часто среднюю скорость сгорания условно определяют как отношение длины пути, проходимого пламенем от свечи зажигания до наиболее удаленной от нее точки камеры сгорания, ко времени, прошедшему от момента зажигания до момента, когда давление цикла достигает максимального зна­ чения.

Факторы, влияющие на процесс сгорания

Скорость сгорания зависит от состава и степени завихрения рабо­ чей смеси, степени сжатия, формы камеры сгорания, угла опереже­ ния зажигания, расположения свечи зажигания, нагрузки двига­ теля.

30

Состав рабочей смеси, который характеризуют коэффициентами избытка воздуха п остаточных газов, оказывает значительное влия­ ние как на протекание процесса сгораипя, так и на скорость рас­ пространения фронта пламени.

Существуют определенные соотношения между количеством топлива и воздуха в смеси, в пределах которых горючая смесь мо­ жет воспламеняться в цилиндрах карбюраторного двигателя. Ука­ занные границы носят название верхнего и нижнего пределов вос­ пламеняемости или пределов горючести.

Эти пределы для различных топлив не являются постоянными, а зависят от температуры, давления и степени завихрения смеси. Так, например, для бензина при нормаль­ ных условиях верхний предел ограничен коэффициентами избытка воздуха, равны-

им 0,3—0,5, а нижний — равными 1 ,2—1,3.

При повышении температуры горючей смеси пределы воспламеняемости несколь­ ко расширяются, а при увеличении давле­

Если значения коэффициента а находятся в пределах 0,8— 0,9, то время, прошедшее до начала резкого повышения давления, оказывается наименьшим, а видимое сгорание при правильно вы­ бранном угле опережения зажигания наблюдается вблизи в. м. т. В этом случае обеспечивается наибольшее давление сгорания, вследствие чего двигатель развивает максимальную мощность. Од­ нако топливная экономичность его при этом несколько ухудшается.

В случаях отклонения величины коэффициента а от указанных значений как в сторону обогащения, так и в сторону обеднения ско­ рость сгорания смеси уменьшается. Это объясняется главным обра­ зом снижением температуры реакции: при работе на богатой сме­ си — из-за химической неполноты сгорания, а на бедной — вслед­ ствие дополнительной затраты теплоты на нагревание избыточного воздуха.

31

Наилучшую топливную экономичность карбюраторного дви­ гателя обеспечивают смеси, коэффициент избытка воздуха которых находится в пределах 1,05—1,15.

Увеличение начальной температуры смеси сопровождается по­ вышением скорости сгорания, что связано с возрастанием скорости протекания химических реакции.

Повышение начального давления вызывает небольшое увели­ чение скорости сгорания смеси. Если же смесь значительно обога­ щена, то наблюдается обратная зависимость, т. е. с повышением начального давления эта скорость заметно уменьшается.

Зависимость скорости сгорания смеси от степени сжатия объясняется совместным влиянием начальной температуры, началь­ ного давления и наличием остаточных газов. Увеличение степени сжатия приводит к повышению температуры и давления в конце сжатия и уменьшению относительного содержания остаточных газов в рабочей смеси, что увеличивает скорость сгорания.

Форма камеры сгорания также оказывает влияние на скорость сгорания, так как от формы камеры зависят теплоотдача в охлаж­ дающую среду и путь, проходимый пламенем. Чем меньше отноше­ ние поверхности камеры сгорания к ее объему, тем меньше теплота, которая теряется в результате теплоотдачи в стенки камеры, что приводит к более интенсивному тепловыделению и увеличению ско­ рости сгорания.

Угол опережения зажигания рабочей смеси также оказывает значительное влияние на протекание процесса сгорания. Чтобы обеспечить окончание сгорания смеси вблизи в. м. т. и тем самым

т. е. в конце сжатия, до подхода поршня к в. м. т.

Если угол опережения зажигания установлен правильно, то видимое сгорание заканчивается на 10—15-м градусе угла поворота коленчатого вала после в. м. т. В этом случае процесс сгорания происходит при наименьшем объеме, а полезная работа цикла и его к. п. д. пмегот наибольшие значения.

Увеличение угловой скорости коленчатого вала двигателя спо­ собствует повышению скорости сгорания смеси вследствие более интенсивного ее завихрения. Вместе с тем увеличение угловой скорости уменьшает время, отводимое на сгорание. Опытным путем установлено, что при увеличении угловой скорости коленчатого вала, несмотря на повышение скорости сгорания, угол опережения зажигания следует увеличивать.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздей­ ствию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание в цилиндре двигателя при определенных условиях может перейти во взрывное (детонационное) сгорание или детонацию. .

Детонация сопровождается звонкими металлическими стуками, перегревом двигателя, хлопками черного дыма, выходящего из глушителя, а также неустойчивой работой двигателя. Работа дви­

32

гателя при детонационном сгоранип недопустима, так как вызы­ вает не только ускоренный износ, но и разрушение деталей крпво- шппио-шатупного механизма. Продолжительная работа при дето­ национном сгорании приводит к снижению мощности и ухудшению топливной экономичности двигателя, а также к прогоранию порш­ ней и выкрашиванию антифрикционного слоя вкладышей подшип­

ников коленчатого вала.

Причиной детонации является образование активных переки­ сей, которые представляют собой весьма нестойкие соединения, т. е. первичные продукты окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость сгорания смеси при детонации достигает скорости детонационной волны и находится в пределах

1500-2000 м/с.

Процесс сгорания в дизелях

Процесс воспламенения и сгорания топлива в дизелях значительно отличается от сгорания в двигателях с внешним смесеобразованием и происходит в более сложных условиях, так как в цилиндре нахо­ дится воздух, а не заранее подготовленная рабочая смесь.

Процесс сгорания можно разделить на четыре фазы (рис. 11), в течение которых происходит подготовка топлива к сгоранию, сгорание основной части смеси и догорание остав­ шихся горючих ее состав­ ляющих.

Первую фазу 1 назы­ вают периодом задержки воспламенения. Эта фаза занимает промежуток вре­ мени от момента начала впрыска топлива в ци­ линдр (от точки 1) до на­ чала резкого повышения давления (до точки 2). В течение первой фазы проис­ ходят физико-химические процессы подготовки то­ плива к сгоранию прак­

тически без повышения давления по сравнению с линией сжатия

{1- 2).

На продолжительность первой фазы оказывают влияние фи­ зико-химические свойства топлива, температура и давление сжа­ того воздуха и степень завихрения его в цилиндре.

Во второй фазе II происходит интенсивное тепловыделение и резкое повышение давления (участок 2—3). Интенсивное тепло-2

выделение является результатом сгорания подготовленного топ­ лива, поступившего в цилиндр в период задержки воспламенения, а также частичного сгорания поступающего топлива. Впрыск топ­ лива в цплштдр может продолжаться в течение всей второй фазы плп закончиться до ее окончания. Степень нарастания давления во второй фазе зависит не только от периода задержки воспламене­ ния, но и от скорости подачи, качества распьтливания и количе­ ства впрыскиваемого топлива.

Среднее значение степени нарастания давления на линии сго­ рания 2—3, как п в двигателе с принудительным воспламенением,

равно отношению ^£-. Опытным путем установлено, что средняя

велпчпна отношения ~ во второй фазе, при которой происходит

нормальная (нежесткая) работа дизеля, не должна превышать 0,3—0,5 МН/м2 на 1° поворота коленчатого вала. Жесткая работа

дизеля сопровождается высокими давлениями сгорания и стуками, вследствие чего она совершенно недопустима, так как приводит к усиленному износу и поломке деталей кривошипно-шатунного механизма.

Наплучшую топливную экономичность дизеля можно обеспе­

На протекание второй фазы сгорания оказывают влияние пе­ риод задержки воспламенения, распределение топлива по объему камеры сгорания, количество топлива, поступающего в течение первой фазы, а также скорость подачи и количество впрыскивае­ мого топлива во второй фазе.

Третья фаза (III) соответствует периоду незначительного плав­ ного изменения давления (участок 3—4). Оиа заканчивается при пово­ роте коленчатого вала на угол, при котором температура газа достигает наибольшего значения. Впрыск топлива к началу третьей фазы обычно заканчивается.

Процесс сгорания в третьей фазе происходит при пониженной скорости тепловыделения по сравнению со второй фазой, так как уменьшается концентрация кислорода, и, кроме того, горючая смесь перемешивается с продуктами сгорания. Температура же газа в этой фазе непрерывно увеличивается.

Продолжительность третьей фазы зависит от характеристика топлива, степени завихрения заряда и величины коэффициента избытка воздуха.

Если обеспечены оптимальные условия подачи топлива и про­ текания процесса сгорания, то температура в конце сгорания до­ стигает наибольшего значения при повороте коленчатого вала на 20—35° после в. м. т.

Четвертая фаза (/F) представляет собой период догорания топ­ лива и начинается, когда температура цикла достигает максималь-

34

ного значения. Догорание топлива происходит у всех дизелей. Однако у быстроходных дизелей период догорания больше, чем у тихоходных. Окончание четвертой фазы совпадает с началом процесса расширения.

Значительное догорание топлива при расширении вызывает повышение температуры отработавших газов и увеличение теплоты, отводимой в охлаждающую среду, что ухудшает топливную эко­ номичность дизеля. Для уменьшения тепловых потерь в четвертой фазе необходимо активизировать процесс сгорания путем усиления интенсивности завихрения свежего заряда. Более интенсивное за­ вихрение воздуха улучшает смесеобразование во всем объеме ка­ меры сгорания, что обеспечивает эффективное протекание про­ цесса сгорания. Одиако одним вихревым движением нельзя пол­ ностью обеспечить качественное смесеобразование, вследствие чего приходится увеличивать коэффициент избытка воздуха а. Для автомобильных четырехтактных дизелей коэффициент а находится в пределах 1,3—1.7.

Продолжительность впрыска топлива оказывает большое влияппе на процесс сгорания и показатели цикла. При постоянной цикловой подаче топлива и равных углах поворота коленчатого вала короткий впрыск обеспечивает выделение большего количе­ ства теплоты при сгорании и более высокую степень нарастания давления, чем длительный впрыск.

В случае большого угла опережения впрыска подача топлива происходит при сравнительно низкой температуре и малом давле­ нии, что увеличивает период задержки воспламенения. К началу второй фазы в цилиндре скапливается большое количество топ­ лива, вследствие чего процесс сгорания происходит при повышен­ ных значениях максимального давления цикла, т. е. чрезмерно жестко. При малом угле опережения впрыска большая часть топлива сгорает во время расширения, что вызывает перегрев двигателя, повышение температуры отработавших газов, сниже­ ние степени нарастания давления при сгорании, а также ухуд­ шает мощностные и экономические показатели работы двига­ теля.

Увеличение нагрузки дизеля вызывает уменьшение коэффи­ циента избытка воздуха, так как цикловая подача топлива при этом увеличивается, а количество воздуха, поступающего в ци­ линдр, практически остается постоянным или даже несколько уменьшается из-за его расширения при нагреве.

Уменьшение нагрузки приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха и, в отличие от работы карбюраторного двигателя при частично открытой дроссельной заслонке, улучшает топливную экономичность дизеля. Однако такое улучшение происходит при уменьшении нагрузки дизеля до определенного предела.

Для улучшения экономических показателей дизеля необхо­ димо при повышении угловой скорости коленчатого вала увели­ чивать угол опережения впрыска топлива.

Температура и давление в конце сгорания

Согласно первому закону термодинамики выделяющаяся в про­ цессе сгоранпя теплота расходуется на увеличение внутренней энергии газа и совершение механической работы, а также частично отводится в охлаждающую среду.

Общее количество теплоты, которое выделяется в цилиндре двигателя, меньше теплоты сгорания сгоревшего топлива, так как сгорание сопровождается неизбежными потерями вследствие хими­

Lz'z — работа газов на участке z'z в кДж/кг.

Внутренняя энергия продуктов сгорания (в точке z) и рабочей смеси (в точке с) определяется по формулам:

Uz = mcl(Mt + Mr) Tz-,

Uс — mc'v (Мг + Мг) Тс,

где mcl и mc'v — средние киломольные теплоемкости продуктов сгорания и рабочей смеси при постоянном объеме в кДж/(кмоль К).

36

Так как количество остаточных газов М г незначительно по сравнению с количеством горючей смеси М ъ то можно принять, что теплоемкость mc'D= mcv, где тси— средняя киломольная теплоемкость воздуха в кДж/(кмоль К).

Работа расширения газов на участке z z

L z’z = PzVz — Pz'Vz-.

Так как p zr = Крс и Vz>= Vc, то можно написать, что

L z ’ i = P z P Z h p ^ с V.

Напишем характеристические уравнения для состояния про­ дуктов сгорания в точках z и с:

Ру г = т ц м ъ + м г)тг

РсУ с = 8314 {М1 -\-М ,)Т с.

Подставляя значения работ в точках г н е в ф'ормулу для определения работы LZ’Z (в кДж), получим

Lz'z = 8314 (Мо + Мг) Тг - 8314А. {Мх+ Мт) Тс.

Разделив почленно это уравнение на сумму М х + М г, а также произведя приведение подобных членов и перенеся известные величины в левую часть уравнения, получим

Подставляя их значения, а также значение киломольной

Полученное уравнение позволяет определить максимальную температуру цикла двигателя с воспламенением от сжатия (ди­ зеля).

37

Так как для цикла со сгоранием жидкого топлива при V = const (карбюраторный двигатель) работа газов LZ'Z — 0, то уравнение сгорания упрощается, принимая при коэффициенте а ^ 1 сле­

дующий вид:

AMl+Yr)

У карбюраторных двигателей на некоторых режимах работы коэффициент а < 1 , и поэтому топливо не сгорает полностью

из-за недостатка кислорода. Потерю теплоты сгорания 1 кг то­ плива вследствие недостатка кислорода воздуха при а < 1 обоз­

начают через ДНи. Следовательно, в уравнение сгорания (23) вместо величины Ни должна быть подставлена разность IIи— ДЯи.

Величину ДНи (в кДж/кг) определяют по формуле

АНи —119 750 (1 — a) L0.

Таким образом, уравнение сгорания для цикла со сгора­

В уравнениях (22) — (24) все величины известны, кроме температуры конца сгорания Тг и средних кпломольных тепло­ емкостей воздуха и продуктов сгорания при V = const (гпс,]; тср) и при р = const (тср), которые определяют по справочнику.

Так как

тс'ц= а-\-ЬТ\

тС;= а ;+ ы т -,

тср = а"р-\- Ъ'рТ,

С численное значение всех известных величин в левой части уравнения, составим квадратное уравнение

АТ1 + ВТг - С = 0,

откуда

Таким же образом получим уравнение сгорания для карбю­

38

Обозначив буквой А член p.bt,, буквой В член |ха» и буквой С численное значение всех известных величин в левой части урав­ нения, получим аналогичное квадратное уравнение для определе­ ния температуры Т2 конца видимого сгорания.

Давление в конце сгорания для любого цикла можно опре­

Тогда давление (в МН/м2) в конце сгорания: для смешанного цикла

Коэффициент £ зависит от режима работы двигателя, способа смесеобразования, условий охлаждения камеры сгорания и дого­ рания на линии расширения.

Ниже приведены значения коэффициента £ при работе дви­ гателей с полной нагрузкой:

Малые значения коэффициента | указывают на увеличенную теплоотдачу в охлаждающую среду, а также на значительное догорание при расширении.

Для карбюраторных двигателей величину коэффициента | выбирают также с учетом диссоциации продуктов сгорания.

с повышением температуры и уменьшаясь с увеличением давления. Значительная диссоциация наблюдается при коэффициенте избытка воздуха, равном приблизительно 1 , а также при

39