Здавалка
Главная | Обратная связь

Тема 5. Дійсні цикли автомобільних двигунів. Процес стиску і згоряння.

1. Роль і місце процесу стиску в робочому циклі ДВЗ.

2. Вплив показників процесу стиску на роботу двигуна.

3. Теплообмін в процесі стиску.

4. Сумішоутворення в газових , карбюраторних і дизельних двигунах.

5. Основи згоряння паливоповітряних сумішей.

6. Процес згоряння в бензинових і дизельних двигунах.

 

Самостійно:

Параметри процесу згоряння в бензинових і дизельних двигунах

Джерела:

1. Ф.І. Абрамчук. Автомобільні двигуни-К.: Арістей. 2006.-476с. – С.38.

2. М.С. Ховах, Г.С. Маслов Автомобільні двигуни. –М.: Машиностроение. 1971.- С.72

3. В.М.Архангельский. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение. 1977. - С.29

4. Ю.А.Коржавін Конспект лекцій з дисципліни Автомобільні двигуни. Дніпродзержинськ. -2010

 

Мета заняття:

Ознайомитись з роллю і особливостями протікання процесів стиску і згоряння в ДВЗ .

 

Роль і місце процесу стиску в робочому циклі.

Процес стиску у ДВЗ служить:

для збільшення температурного перепаду у циклі і ступеню розширення продуктів згоряння, що сприяє підвищенню термічного ККД двигуна;

для створення умов для стійкого запалювання і ефективного згоряння робочої суміші, що необхідно для якісного перетворення теплоти в корисну роботу.

У дизелях і газодизелях процес стиску—спосіб запалювання робочої суміші, тобто для цих двигунів він принципово необхідний. Отже, в кінці стискутемпература в циліндрі повинна бути достатньою для самозаймання вприснутого палива.

У двигунах з примусовим запалюванням процес стиску не є принципово необхідним, але без застосування його, як було сказано раніше, не можна одержати високі показники циклу і двигуна.

Обмежувальною умовою для підвищення стиску у двигунах з примусовим запалюванням є забезпечення бездетонаційного згоряння, яке в значній мірі визначається якістю палива, що оцінюється октановим числом бензину.

Приблизні раціональні межі ε для автомобільних двигунів: карбюраторні двигуни 6,5...11,0; газові двигуни 7,0...12,0; дизелі без наддуву15...21; дизелі з наддувом 11...16.

Теплообмін у процесі стиску.

У дійсному циклі процес стиску супроводжується такими факторами: відбувається теплообмін між газами і стінками циліндра; гази просочуються крізь нещільності між поршнем і циліндром.

Тому дійсний процес стиску не адіабатний, а політропний і описується рівняннями політропи:

де n1, — показник політропи стиску.

Рис. 1. Теплообмін при стиску

 

У дійсному циклі показник n1 змінний.

 

Річ у тому, що на початку стиску

(рис. 1, а, ділянка 1), поки газ холодний, температура стінок камери згоряння

Тст вища, ніж температура газу в циліндрі, тому теплообмін іде від стінок цилі-

ндра до газу (+Q), і n1>k (k — показник адіабати) (рис. 4.9, б). В процесі стиску-

вання наступає мить, коли n1 = k (точка d). Після цього (ділянка 2) теплообмін

іде від газу до стінок циліндра (- Q) і n1<k. Тому політропа стиску проходить,

як показано на рис. 1, а, і перетинається з адіабатою у точці d.

Для спрощення розрахунків беруть середнє за процес стале значення показника n1, яке для автомобільних двигунів лежить у межах n1 = 1,34...1,38.

При наддуві n1 більший, оскільки густина свіжого заряду зростає і відповідно зменшується поверхня охолодження, що припадає на одиницю його

маси.

Рис. 2. Вплив показника політропи стиску n1 на її крутість

 

Розрахунок процесу стиску.

Після встановлення значення показника n1

тиск Рс і температура Тс наприкінці стиску,

тобто в точці с індикаторної діаграми; обчислюються за рівняннями політропи стиску:

 

(4.17)

Звідки:

(4.18)

Значення параметрів процесу стиску для автомобільних двигунів наведені

в табл. 1

4.2. Параметри процесу стиску

Двигуни n1 Рс, МПа Тс, К

3 примусовим запалюванням: 1,34...1,37 0,9...1,5 550...750

газові 1,36...1,38 1.2...2.0 650...750

Дизелі: без наддуву 1,35...1,38 2,9...6,0 700...900

з наддувом 1,35...1,38 до 8,0 до 1000

 

Процеси сумішеутворення і згоряння.

У ДВЗ процесу згоряння передує процес приготування паливо-повітряної

суміші необхідного складу. Повнота і швидкість згоряння визначаються не

тільки загальним співвідношенням кількості палива і повітря в суміші, яке

характеризується коефіцієнтом надлишку повітря (а), але й однорідністю суміші,

швидкістю, місцем і часом її утворення. В карбюраторних і газових двигунах

сумішеутворення переважно зовнішнє, в дизелях — внутрішнє, в газодизелях

— комбіноване.

Сумішоутворення в газових і карбюраторних двигунах

Сумішеутворення у цих двигунах включає в себе комплекс взаємопов'язаних процесів:

дозування палива і повітря, розпилювання, випаровування палива (в карбюраторних двигунах) і перемішування його з повітрям.

У газових двигунах процес змішування газу з повітрям відбувається переважно під час їх руху по впускному тракту від змішувача до циліндра двигуна.

У карбюраторних двигунах утворенню однорідної горючої паливноповітряної суміші заважає різний агрегатний стан компонентів. Тому дифузійним процесам змішування парів палива з повітрям повинні передувати процеси розпилювання і випаровування рідкого палива.

Розпилювання палива.

Паливо або паливна емульсія під дією розрідження витікає із розпилювача в дифузор карбюратора, в якому з великою швидкістю рухається повітряний потік. Струмина палива роздрібнюється на каплі різних діаметрів, які підчас руху по впускному тракту розпадаються на більш дрібні утворення. Внаслідок цього поверхня палива збільшується в десятки і сотні разів, що значно прискорює швидкість нагрівання і випаровування його.

Випаровування і сумішоутворення.

Ці процеси починаються відразу ж після витікання палива у дифузор карбюратора. Умови для випаровування капель палива і плівки різні. В початковий період, коли відносна швидкість капель палива і повітря значна (100 м/с і більша), випаровування йде, головним чином, за рахунок теплоти, яка міститься у самих каплях. Після розгону капель потоком повітря інтенсивність випаровування їх визначається швидкістю теплообміну між паливом і повітрям. Для прискорення випаровування плівки вживається підігрівання впускних трубопроводів рідиною, нагрітою в двигуні, або відпрацювавши ми газами двигуна.

Сумішеутворення в дизелях

Сумішеутворення у дизелях починається з початком вприскування палива

і закінчується майже одночасно з кінцем його згоряння. На характер процесу в

порівнянні з карбюраторним двигуном впливають такі особливості: гірша випарність дизельного палива в порівнянні з бензинами; протікання процесу сумішеутворення протягом значної його частини разом з процесами вприскування палива і згоряння; більша нерівномірність у часі розподілу палива в об'ємі камери згоряння.

Процеси сумішеутворення в дизелях включають в себе вприскування і розпилювання палива, розподіл його в об'ємі камери згоряння, нагрівання,

випаровування палива, змішування парів палива з повітрям.

Процеси вприскування і розпилювання палива.

Вприскування палива в камеру згоряння починає здійснюватись системою живлення дизеля паливом в кінці такту стиску ще до приходу поршня у в. м. т..

Розпилювання палива—це процес роздроблення струмини палива на

окремі дрібні каплі, завдяки чому значно збільшується поверхня рідкого палива, прискорюється його прогрівання і випаровування. Роздроблення паливних

струмин починається з появи в них початкових збурень під час їх руху в соплових отворах. Розмір цих збурень залежить від конструкції розпилювача, швидкості руху струмини, гостроти вхідних і вихідних кромок соплових отворів то-

що. Під дією початкових збурень і сил аеродинамічного опору струмина рідкого палива роздрібнюється на частки, нитки, краплини різного діаметра, які після повторних деформацій і розпаду складають факел розпиленого палива сукупність капель різного діаметра.

У сучасних автомобільних дизелях застосовуються три типи камер зго-

ряння: нерозділені (однопорожнинні), які складаються з простору над поршнем

і неглибокої порожнини в поршні значного діаметра; напіврозділені, в яких значна частина об'єму камери згоряння (до 70...90%) міститься у поршні;

розділені (двопорожнинні), в яких камера згоряння складається з простору над

поршнем і додаткового об'єму, розташованого у головці циліндра (так звані ви-

хрові камери і передкамери).

 

Основи згоряння паливоповітряних сумішей

Згоряння палива протікає в газовій фазі. Сам процес згоряння являє со-

бою швидкоминучу хімічну реакцію між компонентами горючої суміші, під

час якої виділяється теплота, з'являється світіння і утворюється рух у газовому

середовищі. В горінні беруть участь молекули палива, в яких є вуглець, водень,

а в деяких паливах і кисень, та молекули кисню повітря.

Значну роль у вивченні процесів згоряння вуглеводневих палив відіграла

ланцюгова теорія процесу згоряння, розроблена школою академіка М. М. Се-

менова. За цією теорією процес згоряння здійснюється у вигляді ланцюга по-

слідовних простих реакцій з утворенням проміжних хімічно активних речовин.

Такими речовинами є атоми водню та кисню і вільні радикали ОН, СН, СН2.

Вони мають вільну валентність і стають активними центрами реакції. При зітк-

ненні активний центр вступає в реакцію, внаслідок якої відтворюється один або

декілька нових активних центрів

 

Рис. 3. Схеми ланцюгових реакцій окислення:

а — нерозгалужених; б —розгалужених

 

У першому випадку має місце нерозгалужена ланцюгова реакція (рис.

3, а), а в другому — розгалужена (рис. 3, б). Швидкість згоряння при роз-

галуженій ланцюговій реакції лавиноподібне зростає до максимального значення, а потім починає зменшуватися в зв'язку з витраченням горючої суміші і обривом частини розгалужень при досягненні стінок камери згоряння.

Запалювання.

За теорією, розробленою академіком А. С. Соколиком , розрізняються високотемпературне одностадійне та низькотемпературне багатостадійне запалювання.

У двигунах з примусовим запалюванням має місце високотемпературне

запалювання. В іскровому проміжку свічки запалювання створюється темпера-

тура більше 10 000 К. Внаслідок цього виникають початкові ланцюгові проце-

си, які відбуваються дуже швидко і приводять до саморозігріву суміші і тепло-

вого вибуху. Розмежувати ланцюгову і теплову стадії неможливо, таке запалю-

вання називають високотемпературним одностадійним, тому що воно відбува-

ється в обмеженій зоні з максимальною температурою.

У двигунах з самозайманням, дизелях має місце низькотемпературне ба-

гатостадійне запалювання, яке виникає внаслідок нагрівання всієї гарячої сумі-

ші до порівняно невисокої температури (450...800К) шляхом стиснення її в ци-

ліндрі двигуна. На початку такого запалювання розвиваються передпломеневі

ланцюгові окислювальні процеси, які точаться відносно повільно. Виникає так зване холодне полум'я у вигляді блакитного світіння. Тиск і температура в камері згоряння в цей період практично не збільшуються. Далі настає другий період запалювання, температура холодного полум'я підвищується і тиск зростає.

З'являється більш інтенсивне вторинне світіння і в кінці періоду відбувається

тепловий вибух, внаслідок якого утворюється осередок згоряння. Низькотемпе-

ратурне запалювання відбувається в багатьох точках об'єму горючої суміші, в

зв'язку з чим його називають об'ємним самозайманням.

Увесь інтервал часу від початку вприскування палива до виникнення по-

лум'я називається періодом затримки самозаймання.

Розповсюдження полум'я.

Після запалювання полум'я розповсюджується по всьому об'єму горючої суміші. В однорідній (гомогенній) суміші це відбувається внаслідок послідовного примусового запалювання шарів свіжої горючої суміші. Запалювання та згоряння кожного такого шару відбувається у вузькій зоні, яка розділяє незгорілу суміш від продуктів згоряння. Ця зона називається фронтом полум'я. У нерухомій горючій суміші, або в такій, що ламінарно переміщується, товщина фронту полум'я становить від кількох десятих міліметра до кількох міліметрів. Шлях, який долає фронт полум'я по нормалі до своєї поверхні за одиницю часу,

називається нормальною швидкістю розповсюдження полум'я. При атмосфер-

ному тиску його швидкість становить 0,35...0,55 м/с.

Швидкість розповсюдження полум'я в бензоповітряній суміші

залежить від її складу, який характеризується коефіцієнтом надлишку повітря (а).

Найбільше її значення досягається при а=0,85...0,95 При збідненні та збагаченні горючої суміші швидкість фронту полум'я зменшується до деякої

(приблизно 0,10 м/с) межі, при досягненні якої полум'я гасне; в першому випадку внаслідок витрати частки теплоти на нагрівання надлишку повітря, а в другому—через нестачу кисню.

Розповсюдження полум'я після самозаймання палива в двофазних сумішах, коли частина палива знаходиться в паровій фазі, а частина в капельнорідинному стані, що характерно для дизелів, відбувається інакше. Запалювання

виникає в зонах, що насичені парою палива, а від цих вогнищ запалювання полум'я розповсюджується всередину зон з капельками рідкого палива. Розповсюдження полум'я визначається дифузійними процесами переносу теплоти, випаровуванням палива та перемішуванням його з киснем із зовнішніх зон, що справляє вирішальний вплив на швидкість згоряння.

У неоднорідних сумішах завжди утворюються численні зони, де

а=0,85...0,95, які і стають центрами запалювання більш збідненої суміші. Тому

дизелі можуть працювати на малих навантаженнях при дуже бідній суміші з

а>4. Але при а<(1,4...1,5) з'являються зони із значними місцевими перезбага-

ченнями суміші з а<(0,3...0,4). У цих зонах відбувається крекінг вуглеводневих

молекул без достатнього доступу повітря і утворення найменших часток твер-

дого вуглецю у вигляді сажі й диму. Саме це є причиною димності дизелів при

збільшенні навантаження понад деякої межі.

 

Процес згоряння в ДВЗ з іскровим запалюванням.

Запалювання в цих двигунах починається в таких умовах: циліндр двигуна наповнений робочою сумішшю, яка складається з пари палива, повітря й деякої кількості залишкових газів від попереднього циклу; суміш стиснута до тиску 0,9...1,5МПа, її температура становить 600...750 К; суміш запалюється від

 

високотемпературного розряду між електродами свічки.

Процес згоряння відбувається поблизу в.м.т. за короткий відрізок часу,

десь 0,001с. За цей час колінчастий вал повертається на 15...20° і поршень тро-

хи переміщується від в.м.т.

Кут повороту колінчастого вала до в.м.т., який відповідає проскакуванню іскри, називається кутом випередження запалювання Θ3. Він становить 20...55° п.к.в. Після подачі електричної іскри видиме полум'я з'являється не миттю, тому що для його утворення та підготовки суміші до згоряння потрібен деякий проміжок часу.

На індикаторній діаграмі можна виділити три фази згоряння.

Перша фаза (I), або період скритого горіння—від моменту проскакування електричної іскри до початку різкого збільшення тиску на індикаторній діаграмі. В цей період виникає невеликий осередок горіння в зоні розряду між електродами свічки і згоряє 6...8 % горючої суміші. Тиск газів в циліндрі підвищується в основному за рахунок стиснення поршнем. Тривалість першої фази становить 10...30° п.к.в. (0,0005...0,001с).

Друга фаза (II) — період швидкого або видимого горіння. Починається з

моменту відриву лінії згоряння від лінії стиснення на індикаторній діаграмі і

закінчується в момент досягнення максимального тиску в циліндрі. В цей період відбувається швидке розповсюдження фронту полум'я по всьому об'єму камери згоряння. Тривалість другої фази становить 25...30° п.к.в. (0,001...0,002 с). За цей час згоряє 70...80 % робочої суміші.

Температура продуктів згоряння підвищується до 2200... 2500 К, а тиск досягає

максимального значення 3,5...5,5МПа.

Третя фаза (III) називається періодом догоряння. Вона починається від

точки максимального тиску газів у циліндрі, яке в третій фазі циклу знижується

з-за збільшення об'єму робочої поржнини при розширенні, а також внаслідок

збільшення віддачі теплоти від газів до стінок циліндра та його головки, до кінця згоряння. Ця фаза не має чітко визнаного закінчення. На початку цієї фази

процес згоряння ще точиться інтенсивно, тому температура продуктів згоряння

продовжує підвищуватися до максимального значення, а далі знижується. Приблизна її тривалість становить 20...35° п.к.в. (0,001...0,0015с). У цій фазі виділяється 10...15% теплоти, внесеної з паливом, і вона остаточно формує економічність циклу.

Загальне корисне використання теплоти під час процесу згоряння становить

80...90 % від теплоти, що введена в циліндр з паливом. Решта 10...20% те-

плоти втрачається через неповноту згоряння, а також із-за інтенсивної тепловіддачі в стінки робочої порожнини циліндра.

Фактори, що впливають на процес згоряння в двигунах з іскровим

запалюванням

На процес згоряння в двигунах впливають експлуатаційні і конструкційні

фактори.

Експлуатаційні фактори

Склад робочої суміші значно впливає на процес згоряння. Він може ха-

рактеризуватися коефіцієнтом надлишку повітря (а). Як було показано, найбіль-

шу швидкість розповсюдження фронту полум'я маємо при а = 0,85...0,95. При

таких значеннях а забезпечується найбільше значення максимального тиску

згоряння та найбільша робота циклу. Тому при повній потужності двигуни з

іскровим запалюванням працюють при а=0,85...0,95, незважаючи на погіршен-

ня економічності. Найкраща економічність виходить при роботі на збідненій

робочій суміші з коефіцієнтом надлишку повітря а=1,05...1,15. У цьому випадку

за рахунок надлишку повітря паливо згоряє практично повністю, але процес

згоряння протікає повільніше і робота циклу зменшується, що приводить до

зниження потужності двигуна.

Кут випередження запалювання. Для того щоб основна маса робочої

суміші згоріла при перебуванні поршня поблизу в.м.т. і тепловиділення в осно-

вному закінчилось, коли колінчастий вал повернеться не більше, ніж на 15...20°

п.к.в. після в.м.т., необхідно подавати електричну іскру з випередженням, яке

на сучасних двигунах становить 25...40° п.к.в. до в.м.т.

При надто ранньому куті випередження запалювання своєчасність тепловиділення поліпшується, але тиск різко збільшується і навіть може досягнути

максимального значення до завершення ходу стиску. Внаслідок цього зростає

негативна робота в кінці стиску, знижується потужність і погіршується еконо-

мічність двигуна..

При надто пізньому куті випередження запалювання значна частина тепловиділення відбувається під час розширення, коли поршень переміщується

далеко від в.м.т.: Максимальний тиск і робота розширення знижуються, потуж-

ність падає, а температура газу в кінці розширення підвищується і двигун пере-

грівається

Частота обертання. З підвищенням частоти обертання вихровий рух

свіжого заряду в циліндрі підсилюється. Процес згоряння в цілому прискорюється. Однак час, що відводиться на процес згоряння, скорочується.

Тому з підвищенням частоти обертання кут випередження запалювання потрібно збільшувати.

Навантаження.

Потужність двигуна з іскровим запалюванням регулюється в основному змінюванням кількості свіжого заряду, що поступає в його циліндри, за допомогою дросельної (в карбюраторних двигунах) або повітряної (в двигунах з вприскуванням легкого палива) заслінки. Внаслідок дроселюван-

ня зменшується коефіцієнт наповнення (ηv). Кількість залишкових газів при цьо-

му залишається незмінною, тому в міру зменшення кількості свіжого заряду

відносний вміст залишкових газів у робочій суміші стає більшим, коефіцієнт

залишкових газів (γ ) виростає.. Все це приводить до зменшення швидкості виникнення полум'я в першій фазі згоряння і уповільнення розповсюдження фронту полум'я в другій і третій фазах. Щоб поліпшити процес згоряння при дроселюванні, робочу суміш збагачують. Збагачення суміші приводить до неповного згоряння з утворенням горючих газів CO та Н2 і витрата палива різко зростає. Незадовільна економічність роботи карбюраторних двигунів на часткових режимах роботи—їх головний недолік. Одночасно з цим зростає вміст оксиду вуглецю та вуглеводню в відпрацювавши газах.

Конструкційні фактори

Ступінь стиску. Із збільшенням ступеню стиску підвищується термічний

ККД циклу. Зростають тиск і температура в кінці стиску, що сприяє прискорен-

ню підготовки палива до згоряння, збільшенню швидкості розповсюдження

фронту полум'я і скороченню загальної довготривалості процесу згоряння. Це

сприяє поліпшенню показників роботи двигуна. Підвищення ступеню стиску. обмежується виникненням детонаційного згоряння.

Форма камери згоряння і розміщення свічки. Основна вимога до камери згоряння двигуна з іскровим запалюванням—забезпечення процесу згоряння без детонації при якомога більшому ступеню стиску. Для цього відношення

площі поверхні камери згоряння до її об'єму повинно бути мінімальним; повинно забезпечуватись достатнє завихрення свіжого заряду; свічка запалювання повинна розміщуватись близько до найбільш нагрітих ділянок камери

і близько до її центру, щоб шлях фронту полум'я був якомога коротшим. Форма

камери згоряння істотно залежить від розташування клапанів: нижнього чи

верхнього, в 1, 2 ряди, по осі, чи ні.

Найкращою формою камери згоряння є напівсферична (рис. 4, б). Вона

має найменше відношення (Fк.з /Vк.з) і найкоротший шлях фронту полум'я до

будьякої віддаленої частини камери.

Завдяки простоті виготовлення широке застосування набули такі камери

згоряння: плоскоовальна (рис. 4,г), клинова (рис. 4,д), напівклинова (рис.

4,е). клапани розташовані в один ряд.

 

Рис. 4.- Основні форми камер згоряння сучасних

карбюраторних і газових двигунів

 

Енергія іскрового розряду. Збільшення енергії іскрового розряду підви-

щує надійність запалювання і скорочує першу фазу згоряння. Однак цей пози

тивний ефект можна спостерігати тільки до певного моменту, після якого на-

ступне збільшення енергії розряду не дає значного результату.

Основні порушення нормального згоряння в двигунах з іскровим запалюванням.

1. Детонаційне згоряння. Детонаційним згорянням, або детонацією, на-

зивається особливий вид вибухового згоряння, що супроводжується різкими і

дзвінкими металевими звуками. Виникає воно після початку нормального зго-

ряння внаслідок самозапалювання робочої суміші у віддалених від свічки діля-

нках камери згоряння з гарячими стінками до приходу туди фронту полум'я.

Різке підвищення тиску, що виникає у фронті ударних хвиль, не є небез-

печним для міцності деталей двигуна, тому що піки тиску тривають менше

0,0001 с. Однак багаторазово повторювані хвилі тиску руйнують масляну плів-

ку на стінках циліндра, що приводить до прискорення зносу циліндрів та порш-

невих кілець.

2. Конструктивні фактори

Ступінь стиску. Чим вищий ступінь стиску, тим вищий тиск і вища температура робочої суміші в кінці стиску і тим сприятливіші умови для виникнення детонації. Тому межею підвищення ступеню стиску є виникнення детонації. Але ця межа суттєво залежить від октанового числа уживаного палива, розмірів та форми камери згоряння, матеріалу поршня та головки циліндра, а також швидкохідності двигуна та способу його охолодження.

Розмір та число циліндрів. Із збільшенням діаметру циліндра збільшується шлях фронту полум'я, що сприяє виникненню детонації. Тому в двигунах з циліндрами більшого діаметру встановлюють по дві свічки запалювання на протилежних боках камери згоряння. З цієї ж причини двигуни з іскровим запалюванням з циліндрами великого діаметру (D>100 мм) не одержали розповсюдження на автомобілях. Підвищення потужності забезпечується збільшенням кількості циліндрів.

Форма камери згоряння і розміщення свічки запалювання. Для зменшення схильності до детонаційного згоряння потрібно, щоб камера згоряння

була компактною, щоб було забезпечене достатнє завихрення свіжого заряду, а

свічка розміщувалась так, щоб шлях фронту полум'я у всіх напрямках був при-

близно однаковим. Краще всього ці умови виконуються в камерах згоряння,

розміщених у днищі поршня. Задовільні показники у напівсферичних камер, в

яких забезпечений найкоротший шлях розповсюдження фронту полум'я. Інтен-

сивна турбулентність робочої суміші забезпечується в клинових та плоскоова-

льних камерах згоряння.

Матеріал поршня і головки циліндра. Схильність до детонації залежить від інтенсивності відводу теплоти від деталей, що утворюють камеру згоряння. Тому використання алюмінієвих сплавів для виготовлення поршнів та головок циліндрів дозволяє на тому ж двигуні дещо підвищити ступінь стиску.

Експлуатаційні фактори

Сорт уживаного палива суттєво впливає на виникнення детонації. Стійкість палива до детонації оцінюється октановим числом. При експлуатації автомобіля треба використовувати той бензин, який рекомендовано в Інструкції щодо його експлуатації.

Склад робочої суміші. Найбільшу схильність до детонації має робоча

суміш з коефіцієнтом надлишку повітря а=0,85...0,95, при якому забезпечують-

ся найбільші температура і тиск у циліндрі, що сприяє виникненню детонації.

При роботі на більш збагачених або збіднених сумішах схильність до детонації

зменшується з-за різкого зниження температури й тиску в основній фазі зго-

ряння.

Кут випередження запалювання. Виникненню детонації сприяє ранній кут випередження запалювання, тому що у цьому випадку частка теплоти виділяється в кінці стискання до приходу поршня в в.м.т., внаслідок чого різко підвищується тиск у другій фазі згоряння і виникають вогнища самозапалювання

перед фронтом полум'я Пізніше запалювання переборює детонаційне згоряння.

Навантаження двигуна. При зменшенні потужності двигуна шляхом прикривання дросельної заслінки збільшується коефіцієнт залишкових газів, а тиск і температура в кінці стискання знижуються в зв'язку із зменшенням кількості палива, що вводиться. Тому можливість виникнення детонаційного згоряння різко зменшується. З підвищенням навантаження схильність двигуна до детонації зростає.

Частота обертання колінчастого валу. При збільшенні частоти обертання, підсилюється турбулізація свіжого заряду та з-за підвищення опору у

впускній системі зростає коефіцієнт залишкових газів. Внаслідок цього темпе-

ратура та тиск у процесі згоряння зменшуються. Крім того, скорочується час

для хімічної підготовки палива до самозапалювання. У зв'язку з цим імовірність

появи детонації при збільшенні частоти обертання знижується.

Тепловий стан двигуна. З підвищенням температури деталей камери згоряння двигуна зростає схильність до детонації. Особливо впливає температура найбільш нагрітих деталей у камері, до яких в першу чергу можна віднести випускний клапан. Тому застосовування натрієвого охолодження випускних клапанів не тільки підвищує строк їх служби, але й помітно покращує антидетонаційні властивості двигуна.

Нагароутворення. При відкладенні нагару на стінках камери згоряння

погіршується відведення теплоти від них, а також дещо збільшується ступінь стиску. Це приводить до підвищення температури і тиску робочої суміші,

що сприяє появі детонації. В цьому випадку треба зменшити кут випередження

запалювання та очистити камеру згоряння від нагару.

Стан навколишнього середовища. Стан атмосферного повітря характе-

ризується трьома параметрами: тиском, температурою, вологістю. Змінення цих

параметрів впливає на виникнення детонації. Чим вищі тиск та температура по-

вітря, тим більша схильність двигуна до детонації. Підвищення вологості повітря, навпаки, знижує схильність до детонації, тому що на випарювання вологи в

циліндрах двигуна витрачається частка теплоти і температура в них зменшується.

Рис. 5. Індикаторні діаграма Рис. 6. Індикаторна діаграми

двигуна, який працює з детонацією двигуна, який працює

з передчасним запалюванням

Передчасне запалювання.

При передчасному запалюванні робоча суміш запалюється від нагрітих

ділянок камери згоряння до появи електричного розряду між електродами свіч-

ки. Таке запалювання називають жаровим. Джерелами жарового запалювання

можуть бути нагріті до температури вище 950... 1000 К центральні електроди та

ізолятори свічок, тарілки випускних клапанів, великі розжарені (жевріючі) час-

тки нагару. Жарове запалювання відбувається в процесі стиску, тиск різко під-

вищується і може досягти максимального значення до завершення такту стиску.

Внаслідок цього затрачується додаткова робота на стиск газів, що вже загорілись, а

на індикаторній діаграмі утворюється петля, корисна площа діаграми зменшу-

ється (рис. 6).

 

Процес згоряння в дизелях

На такті стиску в циліндрах дизеля стискується повітря. Незадовго до

приходу поршня в в.м.т. починається вприскування палива. В момент початку

вприскування тиск в циліндрі досягає 3,0...5,0 МПа, а температура повітря ста-

новить 700...900 К, що приблизно на 150...250К вище температури самозайман-

ня дизельного палива. При цьому густина повітря в камері згоряння в 12...15

разів і більше перевищує густину навколишнього повітря. При наявності над-

дуву тиск може бути значно вищий. Вприскування палива починається до в.м.т.

і може закінчуватися як до в.м.т., так і після неї. На весь період сумішоутворен-

ня в дизелі відводиться дуже мало часу—20...40° п.к.в., або тисячні частки се-

кунди, що в 10 разів менше, ніж у карбюраторному двигуні. За цей проміжок

часу каплі вприснутого палива повинні встигнути нагрітися та випаритися.

Займання палива відбувається в пароподібному стані. Однак за короткий

проміжок часу між початком вприскування та займанням не все паливо встигає

випаритись і частка його перебуває до початку згоряння в капельно-рідинному

стані. З-за нерівномірного розподілу палива по об'єму камери згоряння суміш випаруваного палива з повітрям досягає межі самозаймання в різних ділянках камери згоряння не водночас, тому самозаймання відбувається спочатку в тих зонах, де ця межа досягнута. Завдяки цьому в дизелях можна використовувати якісне регулювання потужності, при якому для змінювання потужності двигуна кількість повітря, що надходить до циліндрів, не регулюють, а тільки змінюють кількість палива, що подається. Хоча при зменшенні потужності дизеля загальний коефіцієнт надлишку повітря збільшується і на холостому ході досягає а=5...6, в окремих зонах камери згоряння створюється склад суміші, необхідний для

самозаймання.

Весь процес згоряння в дизелях можна умовно поділити на чотири фази.

Перша фаза (1)—період затримки самозаймання палива. У цей період ві-

дбувається вприскування, розпилювання, нагрівання та випаровування капель

палива і розгортаються передполуменеві реакції. Виділення енергії в цей період

незначне, тому тиск в циліндрі підвищується тільки за рахунок стиску, що про-

довжується. Середня температура в циліндрі може навіть знизитися, тому що

частка теплоти йде на підігрівання та випаровування палива.. Період затримки самозаймання становить 12...25° п.к.в. (0,001...0,0003с).

Друга фаза (II)—період швидкого горіння.

У другій фазі згоряє більша частина палива, що вприснуте за час затримки самозаймання, а також частина палива, яке продовжує вприскуватись у дру-

гій фазі. Вприскування палива звичайно закінчується в другій фазі.

Середня температура робочого тіла підвищується до 1600...1700К, а тиск до 6 ...

8,5МПа. При наддуві тиск може перевищувати 10 МПа. Довготривалість другої

фази становить 10...20° п.к.в. (0,0008...0,0015с), впродовж цього часу виділя-

ється 30...45 % теплоти палива.

Третя фаза (III)—згоряння при майже постійному тиску, або такому, що

трохи понижується. Довготривалість третьої фази при повному

навантаженні становить 15...25°п.к.в. (0,001...0,002с). За цей час виділяється ще

25...30% теплоти і температура підвищується до 1800...2200К, досягаючи мак-

симального значення. Однак внаслідок збільшення об'єму робочої порожнини в

зв'язку з переміщенням поршня тиск у третій фазі звичайно плавно знижується.

Четверта фаза (IV—догоряння палива та продуктів його окислення. Починається при максимальній температурі і не має чіткого моменту завершення, який залежить від багатьох факторів..

Довготривалість четвертої фази становить 50...65° п.к.в. (0,0035...0,0055

с). За цей час виділяється 15...25% теплоти, що введена з паливом. Ця фаза зна-

чно впливає на економічність роботи двигуна.

У цілому ж за весь процес згоряння тепловиділення з палива досягає 90...

95 %. Решта 5...10% не використовується внаслідок хімічної та фізичної непов-

ноти згоряння.

При несприятливих умовах у відпрацювавших газах дизеля містяться сажа, оксид вуглецю та деяка кількість продуктів розкладу рідкого палива.

Фактори, що впливають на процес згоряння в дизелях

Період затримки самозаймання має значний вплив на процес згоряння в

дизелях. Від нього залежить жорсткість роботи дизеля. Чим більший цей пері-

од, тим більше палива накопичується в циліндрі перед самозайманням і тим

більш різко підвищується тиск у другому періоді. При значних затримках само-

займання паливо-повітряна суміш стає більш однорідною. В таких умовах са-

мозаймання може прийняти вибуховий характер, аналогічний детонації в дви-

гунах з іскровим запалюванням.

Фізико-хімічні властивості палива. Основними вимогами до палива для

дизелів є хороше самозаймання та здатність до якісного розпилювання та сумі-

шеутворення. Чим вище цетанове число палива, тим менше період затримки

самозаймання.

Частота обертання колінчастого вала. З ростом частоти обертання підси-

люється турбулентність свіжого заряду, прискорюються теплообмін та випаро-

вування капель палива, а також передполуменеві реакції. Однак кут повороту колінчастого вала за час згоряння все одно збільшується. Тому, щоб процес згоряння проходив ближче до в.м.т. і тепловикористання було вищим, необхідно в міру збільшення частоти обертання збільшувати кут випередження вприскування. Для цього на паливному насосі встановлюють спеціальну муфту випередження

вприскування.

Завихрювання повітря в камері згоряння. В дизелі сумішеутворення від-

бувається майже водночас із згорянням, тому для ефективного згоряння необ-

хідно створити достатньо інтенсивне направлене завихрення повітря, при якому

буде забезпечено задовільне сумішеутворення по всьому об'єму камери згорян-

ня.

Ступінь стиску. З підвищенням ступеню стиску збільшуються тиск і температура повітря до моменту вприскування палива, і період затримки самозаймання палива скорочується. Але при цьому значно зростає максимальний тиск

згоряння. З точки зору найкращого тепловикористання оптимальною є ступінь

стиску ε=13...14. Однак для забезпечення надійності пуску та стійкої роботи

при малих навантаженнях і частотах обертання застосовують ε=14...17. А в де-

яких двигунах ступінь стиску підвищують до ε=22...26.

Якість розпилювання палива. За період затримки самозаймання встигають повністю випаритись каплі діаметром 12...15 мкм; каплі більшого діаметра

випаровуються частково. Навколо них утворюється оболонка з пари, в центрі

якої залишається рідке ядро. Якщо діаметр капель дорівнює 15...50 мкм, то такі

рідкі ядра встигають в процесі згоряння повністю випаритись і окислитись. Але

якщо діаметр капель перевищує 50...100мкм, тоді в грубих каплях відбувається

термічний крекінг з утворенням твердого вуглецю.

Тим часом надто дрібне та однорідне розпилювання палива призводить

до збільшення затримки самозапалювання. Це пояснюється тим, що дрібні кап-

лі встигають випаритись і дифундувати в повітря до того, як буде досягнута те-

мпература самозаймання. Коли ж така ділянка буде прогріта до достатньої тем-

ператури, суміш виявляється надто бідною і самозаймання не відбувається, ди-

зель може навіть зупинитись.

Закон та тривалість вприскування палива. Для найкращого викорис-

тання теплоти тривалість вприскування повинна бути якомога коротшою. В

усякому разі вприск необхідно скінчити у другій фазі згоряння. Але при корот-

кому вприскуванні збільшується кількість палива, що накопичується в циліндрі

за період затримки самозаймання і збільшується жорсткість роботи і максима-

льний тиск згоряння (рис. 4.27). Тому процес вприскування доводиться дещо

розтягувати. При повному поданні він відбувається протягом 25...30° п.к.в. У

звичайній паливній апаратурі швидкість подачі палива приблизно однакова під

час всього періоду вприскування. Але більш раціонально для обмеження жорс-

ткості згоряння так його організувати, щоб на початку вприскування подача па-

лива була менш інтенсивною для зменшення кількості палива, що потрапляє до

циліндра за час затримки самозаймання. В кінці, коли горіння почалось, швид-

кість вприскування повинна різко збільшитись.

Таке вприскування називають ступінчастим.

Кут випередження вприскування. При надто ранньому куті випере-

дження вприскування паливо потрапляє в камеру згоряння при невеликому ти-

скові і низькій температурі, що приводить до збільшення періоду затримки са-

мозапалювання, підвищенню жорсткості роботи та зростанню максимального

тиску згоряння. При пізньому куті випередження вприскування зна-

чна частина процесу згоряння переходить на лінію розширення і велика частка

палива згоряє в фазі догоряння. Дизель працює при цьому м'яко, але корисна

робота циклу зменшується, поршень, головка блоку циліндрів та циліндри пе-

регріваються, підвищується температура відпрацювавших газів.

Навантаження і склад робочої суміші. У дизелях потужність регулюється зміненням подачі палива при практично постійній витраті повітря, при

цьому середній коефіцієнт надлишку повітря збільшується від а=1,3...1,6 при

повному навантаженні до а=8...10 на холостому ходу (рис. 4.29). На часткових

навантаженнях зменшується кількість теплоти, що вводиться в дизель з пали-

вом, тому зменшується температура продуктів згоряння та теплові навантажен-

ня на деталі камери згоряння.. Збільшення надлишку повітря на малих навантаженнях сприяє більш повному згорянню та поліпшенню тепловикористання на цих режимах, які переважають в експлуатації. Але це поліпшення має місце до а=3...3,5. При подальшому збільшенні а збільшується кількість зон з бідними сумішами і згоряння уповільнюється

 

Визначення температури і тиску в кінці видимого згоряння.

Дійсний коефіцієнт молекулярних змін:

Кількість невикористаної теплоти під час згоряння:

в кДж /кг,

Або в ккал /кг.

Постійна величина С:

в кДж

Або

в ккал.

Температуру згоряння визначаємо з рівняння:

_________________________________________

Tz = [(18,422+2,5958α) + √ (18,422+2,5958α)² + 4 · (1,549+1,376α) 10 ־³ · С ] /

/ 2 · (1,549+1,376α) 10 ־³, градус Кельвіна;

 

Розрахунковий тиск в кінці згоряння:

, бар;

Ступінь підвищення тиску:

;

Дійсна величина найбільшого тиску:

Контрольні запитання:

1. Для чого служить процес стиску?

2. Як відбувається сумішоутворення в газових і карбюраторних двигунах?

3. Як відбувається сумішоутворення в дизельних двигунах?

4. Як протікає процес згоряння?

5. Які види запалювання використовуються в ДВЗ?

6. Як протікає процес згоряння в ДВЗ з іскровим запалюванням?

7. Як протікає процес згоряння в ДВЗ з запалюванням від стиску?

 

 





©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.