Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

• Название: Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
• Анкор: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.99 Mb.
• Имя файла: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Тип: Лекции; #2019
• страница: 5 из 20

Значения параметров процесса сжатия

Параметр	Бензиновый двигатель	Дизель без наддува	Дизель с наддувом
Степень сжатия ε Давление в конце сжатия рc , МПа Температура в конце сжатия Тc ,К	7,5... 10 1,2...2,2 600... 900	15...23 2,9...6,0 700... 900	12... 15 до 8,0 1000

Лекция 4: ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ.
1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

2. Воспламенение и сгорание топлива.

3. Нарушения сгорания.

4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.
Процессы смесеобразования и сгорания в двигателе с искро­вым зажиганием определяются физико-химическими свойствами топлива, способом его подачи (для бензина впрыскивание или карбюрация) или смесителем газового двигателя, а также режи­мом его работы.
1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.

Комплекс взаимосвязанных процессов дози­рования топлива и воздуха, распыливания и испарения топлива, а также перемешивания топлива с воздухом называется смесеоб­разованием. От состава и качества топливовоздушной смеси, полу­ченной при смесеобразовании, зависит эффективность процесса сгорания.

В четырехтактных двигателях обычно организуют внешнее сме­сеобразование, которое начинается дозированием топлива и воз­духа в форсунке, карбюраторе или в смесителе (газовый двига­тель), продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре двигателя.

Различают два типа впрыскивания топлива: центральное — впрыс­кивание топлива во впускной трубопровод и распределенное — впрыскивание во впускные каналы головки цилиндров.
Распыливание топлива при центральном впрыскивании и в кар­бюраторах начинается в период, когда струя топлива после ее выхода из отверстия форсунки или распылителя под воздействи­ем сил аэродинамического сопротивления и за счет высокой ки­нетической энергии воздуха распадается на пленки и капли раз­личных диаметров. По мере движения капли дробятся на более мелкие. С повышением мелкости распыливания растет суммарная поверхность капель, что приводит к более быстрому превраще­нию топлива в пар.

С увеличением скорости воздуха мелкость и однородность рас­пыливания улучшаются, а при большой вязкости и поверхност­ном натяжении топлива — ухудшаются. Так, при пуске карбюра­торного двигателя распыливания топлива практически нет.

При впрыскивании бензина качество распыливания зависит от давления впрыскивания, формы распыливающих отверстий фор­сунки и скорости течения топлива в них.

В системах впрыскивания наибольшее применение получили электромагнитные форсунки, к которым топливо подводится под давлением 0,15...0,4 МПа для получения капель требуемого раз­мера.

Распыливание пленки и капель топлива продолжается при дви­жении топливовоздушной смеси через сечения между впускным клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках — в щели, обра­зуемой прикрытой дроссельной заслонкой.

Образование и движение пленки топлива возникает в каналах и трубопроводах впускной системы. При движении топлива из-за взаимодействия с потоком воздуха и гравитации оно частично оседает на стенках впускного трубопровода и образует топливную пленку. Из-за действия сил поверхностного натяжения, сцепле­ния со стенкой, тяжести и других сил скорость движения пленки топлива в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси. С пленки потоком воздуха могут срываться капельки топлива (вто­ричное распыливание).

При впрыскивании бензина обычно в пленку попадает 60...80 % топлива. Ее количество зависит от места установки форсунки, даль­нобойности струи, мелкости распыливания, а в случае распреде­ленного впрыскивания в каждый цилиндр — и от момента его начала.

В карбюраторных двигателях на режимах полных нагрузок и малой частоты вращения до 25% от общего расхода топлива по­падает в пленку на выходе из впускного трубопровода. Это связа­но с небольшой скоростью потока воздуха и недостаточной мел­костью распыливания топлива. При прикрытии дроссельной зас­лонки количество пленки во впускном трубопроводе меньше из-за вторичного распыливания топлива около заслонки.
Испарение топлива необходимо для получения однородной смеси топлива с воздухом и организации эффективного процесса сгорания. Во впускном канале, до поступления в цилиндр, смесь является двух­фазной. Топливо в смеси находится в газовой и жидкой фазах.

При центральном впрыскивании и карбюрации для испарения пленки впускной трубопровод специально подогревают жидко­стью из системы охлаждения или отработавшими газами. В зависи­мости от конструкции впускного тракта и режима работы на вы­ходе из впускного трубопровода в горючей смеси топливо на 60...95 % находится в виде паров.

Процесс испарения топлива продолжается и в цилиндре во время тактов впуска и сжатия, а к началу сгорания топливо испа­ряется практически полностью.

При распределенном впрыскивании топлива на тарелку впускно­го клапана и работе двигателя на полной нагрузке испаряется 30...50 % цикловой дозы топлива до поступления в цилиндр. При впрыскивании топлива на стенки впускного канала доля испа­рившегося топлива возрастает до 50...70 % благодаря увеличению времени на его испарение. Подогрев впускного трубопровода в этом случае не нужен.

Условия для испарения бензина на режимах холодного пуска ухудшаются, а доля испарившегося топлива перед поступлением в цилиндр при этом составляет лишь 5... 10%.

Неравномерность состава смеси, поступающей в разные цилиндры двигателя, при центральном впрыскивании и карбюрации опреде­ляется разной геометрией и длиной каналов (неодинаковым сопро­тивлением ветвей впускного тракта), разницей скоростей движения воздуха и паров, капель и, главным образом, пленки топлива.

При неудачной конструкции впускного тракта степень равно­мерности состава смеси может достигать ±20%, что существенно снижает экономичность и мощность двигателя.

Неравномерность состава смеси зависит также от режима ра­боты двигателя. При центральном впрыскивании и в карбюратор­ном двигателе с ростом частоты вращения улучшаются распыли­вание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении нагрузки двигателя.

При распределенном впрыскивании неравномерность состава смеси по цилиндрам зависит от идентичности работы форсунок. Наибольшая неравномерность возможна на режиме холостого хода при малых цикловых дозах.

Организация внешнего смесеобразования газовых автомобиль­ных двигателей подобна карбюраторным двигателям. Топливо в воздушный поток вводится в газообразном состоянии. Качество топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании зави­сит от температуры кипения и коэффициента диффузии газа. При этом обеспечивается формирование практически однородной сме­си, а ее распределение по цилиндрам равномернее, чем в карбю­раторных двигателях.
2. Воспламенение и сгорание топлива.
Для получения высокого индикаторного КПД двигателя необходимо полностью и своевре­менно сжечь топливо и выделить топливо при нахождении порш­ня вблизи ВМТ. Скорость сгорания смеси зависит от ее однород­ности и турбулизации в камере сгорания. О качестве сгорания можно судить по индикаторной диаграмме (рис. 4.1), на которой условно выделяют три фазы.


Рис. 4.1. Индикаторная диаграмм двигателя с искровым зажиганием.

Первая фаза θ_I, называется начальной фазой сгорания или фазой формирования фронта пламени. Она начинается в момент подачи электрической искры и заканчивается, когда давление в резуль­тате выделения теплоты в цилиндре будет выше, чем при сжатии смеси без сгорания. В этой фазе очаг горения формируется в зоне между электродами свечи при высоких температурах, а затем пре­вращается во фронт пламени. В этот период сгорает 2... 3 % топли­ва. На длительность θ_I влияют следующие факторы.

Состав смеси: максимальная скорость сгорания и, следователь­но, наименьшее значение и_I соответствует составу смеси при α = 0,8... 0,9; значительное обеднение смеси резко ухудшает стабиль­ность воспламенения вплоть до появления пропусков в отдельных цилиндрах.

Вихревое движение заряда: сокращению длительности θ_I, спо­собствует интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре при применении винтовых или тангенциальных впускных каналов.

Степень сжатия: высокие значения ε увеличивают температуру и давление рабочей смеси; при этом растет скорость сгорания и уменьшается длительность θ_I.

Частота вращения: длитель­ность θ_I в градусах ПКВ возрас­тает с увеличением частоты вра­щения.

Нагрузка двигателя: при при­крытии дроссельной заслонки растет доля отработавших газов в рабочей смеси, снижается ее давление и ухудшается стабиль­ность воспламенения, что уве­личивает длительности θ_I.

Характеристики искрового раз­ряда: с ростом пробивного напря­жения, длительности и стабиль­ности разряда θ_I уменьшается.
Вторая фаза θ_II называется основной фазой сгорания. Она длится до момента достижения максимального давления цикла р_Z. Дли­тельность θ_II определяется турбулентным горением, при котором максимальная скорость распространения пламени может соста­вить 60 ...80 м/с. В ней сгорает 80...85 % топлива. Обычно эффек­тивный КПД η_e достигает максимального значения, если вторая фаза сгорания располагается симметрично относительно ВМТ; при полной нагрузке θ_II = 25...30°.

При повышении частоты вращения длительность второй фазы по времени уменьшается пропорционально изменению длитель­ности всего цикла, а в градусах ПКВ она практически не изменя­ется из-за турбулизации заряда и повышения скорости фронта пламени.

При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания значение θ_II уменьшается.

Сгорание в конце фазы θ_II не заканчивается, поэтому средняя температура цикла возрастает и достигает максимального значе­ния после максимума давления (p_{z max}).
Третья фаза θ_III называется фазой догорания. Она начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе остатки смеси догорают в пристеночных слоях, а отдельные объе­мы рабочей смеси догорают за фронтом пламени. Момент оконча­ния этой фазы определяется концом тепловыделения и на диаг­рамме не виден.

3. Нарушения сгорания.
Детонационное сгорание в цилиндре дви­гателя представляет собой сгорание последних частей заряда в результате его объемного самовоспламенения. Оно сопровождает­ся возникновением ударных волн, скорость которых может в де­сятки раз превышать скорость распространения фронта турбулен­тного пламени и достигать 1500 м/с.

В процессе сгорания часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, в результате увеличения давления от сгорания нагревается до температуры, превышаю­щей температуру самовоспламенения. В ней могут возникать очаги воспламенения. При достаточном времени в камере сгорания воз­можно образование и распространение ударных волн, которые также способствуют самовоспламенению рабочей смеси.

На индикаторных диаграммах детонация проявляется в виде пиковых колебаний давления (рис. 4.2, а, б). Внешним признаком детонационного сгорания является звонкий металлический стук, возникающий вследствие отражения ударных волн от стенок ка­меры сгорания. С увеличением детонации стуки становятся гром­че, мощность двигателя падает, а в отработавших газах наблюда­ется черный дым. При детонации растут тепловые и механические нагрузки на детали КШМ, а в результате продолжительной дето­нации оплавляются кромки поршней, обгорают прокладки головок цилиндров и электроды све­чи, разрушаются подшипники коленчатого вала.


Рис. 4.2. Виды индикаторных диаг­рамм при нарушениях процесса сго­рания в двигателе с искровым зажи­ганием: а — слабая детонация; б — сильная де­тонация; в — преждевременное воспла­менение
Мероприятия по подавлению детонации:

• использование топлив с окта­новым числом, соответствующим требованиям завода-изготовите­ля. У легких фракций бензина октановое число меньше, чем у средних и тяжелых. При быст­ром открытии дроссельной зас­лонки тяжелые фракции бензи­на поступают в цилиндр с не­которым опозданием, поэтому в начале разгона из-за времен­ного снижения октанового чис­ла топлива возможно появление детонации;

• уменьшение угла опережения зажигания для снижения макси­мального давления и скорости нарастания давления цикла;

• увеличение частоты вращения приводит к интенсификации про­цесса сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени. При этом также растет концентрация отработав­ших газов в рабочей смеси, что снижает вероятность возникнове­ния детонации;

• уменьшение нагрузки двигателя прикрытием дроссельной зас­лонки приводит к снижению давления и температуры процесса сгорания и увеличению доли отработавших газов в рабочей смеси;

• конструктивные мероприятия по снижению вероятности появ­ления детонации сводятся к усилению турбулизации заряда, улуч­шению охлаждения последних порций заряда, уменьшению пути, проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных частей камеры сгорания, уменьшению диаметра цилиндра, сни­жению степени сжатия.
Преждевременное воспламенение возникает во время процесса сжатия (до момента появления искры) от накаленных (выше 700...800 °С) зон центрального электрода свечи, головки выпуск­ного клапана, тлеющих частиц нагара. При этом возрастают тем­пература и давление цикла, происходит перегрев двигателя и уменьшение его мощности (рис. 4.2, в). Длительная работа в таком режиме может привести к прогоранию поршня. Для устранения преждевременного воспламенения необходимо быстро закрыть дроссельную заслонку. В эксплуатации следует использовать свечи с требуемым высоким калильным числом.
Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании возни­кает в двигателе с ε > 8,5, когда в конце сжатия при невысокой частоте вращения (n = 300...400 мин^-1) температура рабочей сме­си достаточна для ее самовоспламенения. Для остановки двигате­ля в этом случае необходимо одновременно с выключением за­жигания прекращать подачу топлива.
4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.
Угол опере­жения зажигания φ_о.з. на каждом режиме должен обеспечивать наи­лучшие показатели двигателя. Такой угол называется оптималь­ным φ_{о.з. опт} . При этом основная фаза процесса сгорания θ_II распо­лагается одинаково по обе стороны от ВМТ. Система зажигания обеспечивает автоматическое изменение фаз в зависимости от ре­жима его работы и температурного состояния.

Угол опережения зажигания φ_о.з. зависит от длительности фаз процесса сгорания. Чем больше θ_I , тем раньше необходимо поджигать смесь. Однако при увеличении φ_о.з. ухудшаются на­чальные условия воспламенения рабочей смеси из-за уменьше­ния ее температуры и давления, что в итоге приводит к возра­станию θ_I
Состав смеси влияет на количество теплоты и скорость ее вы­деления при сгорании топлива, а также на токсичность отрабо­тавших газов. Минимальные значения и θ_I и θ_{I I} , максимальные р_z и p_i и наибольшее тепловыделение достигаются при мощностном составе смеси α_м = 0,85...0,95.

В цилиндре выделяется наибольшее количество теплоты при достаточно высокой скорости сгорания топлива. Обеднение смеси до α_эк = 1,1...1,3 увеличивает индика­торный КПД η_i и повышает экономичность. При дальнейшем обед­нении смеси резко ухудшаются процессы воспламенения и сгора­ния, растет неравномерность последовательных циклов, что при­водит к снижению η_i .

Для газовых топлив характерны более широкие пределы вос­пламеняемости. Это позволяет эффективно сжигать сильно обед­ненные смеси. Например, для водорода р_{i mах} достигается при α ≈ 1,0, а η_{i mах} при α ≈ 2,5.

Изменение α для каждого режима работы ДВС обеспечивается автоматически системой топливоподачи для получения максималь­ных р_i или η_i и требуемой токсичности отработавших газов.
Нагрузка в двигателе с искровым зажиганием уменьшается пу­тем прикрытия дроссельной заслонки. При этом снижается коли­чество свежего заряда и растет доля остаточных газов. В результате ухудшаются условия воспламенения и растет продолжительность θ_I. По мере прикрытия заслонки повышается неравномерность по­следовательных циклов, что требует обогащения смеси для улуч­шения ее воспламенения искрой. Ухудшение условий сгорания при этом вызывает дополнительный расход топлива и рост токсичных компонентов СО и СН в отработавших газах.
Увеличение частоты вращения вызывает рост турбулизации за­ряда и улучшает смесеобразование. Так как при этом θ_II ≈ соnst, а θ_I возрастает, то для обеспечения тепловыделения у ВМТ необхо­димо увеличить φ_о.з..