книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

сжатия е (поршни с плоским днищем). У двигателя с камерой сго­ рания в днище поршня содержание N0* выше, чем у поршня с плоским днищем. Снижение содержания СО в отработавших газах при обеднении смеси получено также при испытаниях двигателя 383CJD [15; 65].

С увеличением угла опережения зажигания (рис. 44, б) со­

(при увеличении 0В от 15 до 35°).

Характеристика токсичности отработавших газов в зависимости от режима работы двигателя приведена на рис. 45. Относительно большое содержание СО на малых оборотах (до 8 %) объясняется ухудшением процессов наполнения и смесеобразования. Умень­ шение содержания N0 * на этих же режимах связано с понижением максимальной температуры цикла (окислы азота образуются при температурах свыше 2000° С).

16. Влияние системы топливоподачи на токсичность отработавших газов на неустановившихся режимах

Режимы разгона, связанные с обогащением смеси, приводят к значительному повышению токсичности отработавших газов (особенно к повышению содержания окиси углерода). Поэтому разработка мер, уменьшающих ток­ сичность газов на этих режимах, имеет важное значение. Большую роль играет правильный выбор си­ стемы топливоподачи, применение в карбюраторе различных дополни­ тельных устройств, обеспечивающих снижение токсичности отработавших газов. Одним из таких устройств является разработанный в НАМИ регулятор разрежения и связанный

70

томобиля с обычным карбюратором (кривые 2) и с карбюра­ тором, оборудованным системой «регулятора разрежения — экономайзер холостого хода» (кривые /). На рисунке представ­ лены три режима: I — торможение со 120 до 30 км/ч; II — разгон с 30 до 120 км/ч; II I — снова торможение до 30 км/ч. У автомо­ биля с обычным карбюратором в режимах торможения содержание окиси углерода снижается с 6,5 до 2%, а при разгоне резко воз­ растает, достигая 10%. У автомобиля с карбюратором, оборудо­ ванным регулятором разрежения, содержание окиси углерода в отработавших газах в среднем за период разгона значительно меньше, хотя в начальный момент разгона максимальное содер­ жание СО достигает 8 %. Если сравнить на указанных режимах

со,%

пл,оЗ/мин

средние планиметрические величины содержания СО в отработав­ ших газах, то у автомобиля с обычным карбюратором оно будет 4,9%, а у автомобиля с регулятором разрежения— 1,8%, т. е. применение регулятора позволяет снизить содержание СО в 2,7 раза. Еще в большей степени применением этой системы удается снизить содержание в отработавших газах углеводородов. Так, средняя планиметрическая величина содержания Ст Н„ на указанных выше режимах составляет 1,8 %, а при применении ре­ гулятора разрежения—всего 0 ,2 %, т. е. уменьшается в девять раз.

В последнее время широкое распространение получают много­ камерные карбюраторы. Для улучшения экономичности работы двигателя с таким карбюратором и снижения токсичности отра­ ботавших газов в неустановившихся режимах предложен пневма­ тический привод дроссельной заслонки вторичной камеры к кар­ бюратору К-126. Сравнительные испытания такого карбюратора и обычного, имеющего механический привод дроссельной заслонки вторичной камеры, были проведены Н. В. Вишневским [10; 11]. Оба карбюратора испытывались без ускорительного насоса и эко­ номайзера, а также с ускорительным насосом уменьшенной производительности. Испытания на неустановившихся режимах проводились как на стенде, так и в дорожных условиях. Разгоны двигателя «Москвич-408» на стенде осуществлялись в диапазоне 950—4200 об/мин. При этом производилась автоматическая запись во времени частоты вращения, углов открытия дроссельных засло­ нок, моментов отбора проб отработавших газов и др. Отбор проб отработавших газов на режимах разгона производился автомати­

71

Г л а в а V

РАБОТА ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

17. Особенности процессов наполнения и смесеобразования дизеля

В настоящей главе рассматриваются вопросы работы на неустановившихся режимах дизелей как с серийной (с обычным завод­ ским топливным насосом), так и со ступенчатой подачей топлива [18]. Ступенчатый закон подачи топлива достигался применением топливного насоса с упругим толкателем. Экспериментальные исследования выполнены на двигателе ЯМЗ-236.

Протекание процесса наполнения в дизельном двигателе на режимах разгона существенно отличается от такового на устано­ вившихся режимах. Эти отличия вызываются ускоренным движе­ нием потока воздуха, изменением частоты и характера пульсаций во впускном трубопроводе, несоответствием теплового состояния двигателя режиму его работы и рядом других факторов. Влияние этих факторов на процесс наполнения различно в разных стадиях разгона.

Основным фактором, определяющим процесс наполнения в на­ чальной стадии разгона, является инерционность воздушного столба во всасывающем трубопроводе. В конечной стадии основ­ ную роль играют инерционность наддува и тепловая инерция деталей двигателя.

Изменение коэффициента наполнения r\v в режимах разгона (индекс р) по сравнению с его значением на установившемся режиме (индекс у) будет определяться выражением

^6У ерР-рР

rit ~ Sp e p l- p j ’

где б — коэффициент подогрева заряда; е — степень сжатия; ра— давление в начале впуска; рг ■— давление в начале выпуска.

новившихся режимах и режимах разгона.

Как показали экспериментальные исследования двигателя ЯМЗ-236, особенно значительно понижение ра и, следовательно, уменьшение r\v наблюдается в начальный период разгона дизеля, когда угловое ускорение коленчатого вала возрастает. На основа­ нии уравнения Бернулли и при допущении, что в начальный

73

период разгона вращение коленчатого вала является равноуско­ ренным, Д. С. Гришиным получена приближенная формула для оценки отклонения давления в конце впуска при разгоне относи­ тельно его величины в установившемся режиме. Применительно к условиям двигателя ЯМЗ-236 понижение давления определяется выражением

ЛРа — 0,32£ ^ / в.тек (Хк - 1),

/В. Т

где £ — приведенный к скорости поршня суммарный коэффициент потерь системы впуска (учитывает потери в клапанной щели, при поворотах и на трение); Vh — рабочий объем цилиндра; /в т и /в т — площадь сечения и приведенная длина впускного трубо­ провода; ек — угловое ускорение коленчатого вала; Я,к — отно­ шение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Отклонение Дра, подсчитанное по этой формуле, и соответ­ ствующее уменьшение коэффициента наполнения Дг^ в начальный период разгона для дизеля ЯМЗ-236 при различных угловых уско­

На рис. 48 показано изменение мгновенных значений часового расхода воздуха GB, коэффициента наполнения т^, температуры свежего заряда iBво впускном трубопроводе, хода рейки топлив­ ного насоса hp и угловых ускорений ек коленчатого вала в зави­ симости от частоты вращения двигателя пд на режимах разгона (двигатель с серийным насосом). В начальной фазе разгона (при возрастании углового ускорения коленчатого вала) наблюдается понижение мгновенных значений GB и \ по сравнению с их зна­ чениями на тех же оборотах, но на установившемся режиме. Как видно из рисунка, максимальное снижение коэффициента наполне­ ния приблизительно соответствует области наибольших угловых ускорений коленчатого вала. Это подтверждает влияние углового ускорения на наполнение цилиндров и согласуется с расчетными данными, приведенными в табл. 6 . Уменьшение коэффициента наполнения зависит от нагрузки на исходном режиме рея (перед разгоном). Так, если при разгоне рек — 0,35рен (где реп— номи­ нальное среднее эффективное давление) уменьшение г|г составляет

74

i2,5 % по сравнению с его величиной на установившемся режиме, то при разгоне с реш = 0 ,6 рен это уменьшение будет всего 6 %. Экспериментальные исследования показали, что изменение коэф­ фициента наполнения при разгоне в случае ступенчатой подачи топлива аналогично изменению при серийной подаче топлива.

Следует отметить, что с возрастанием углового ускорения При разгонах уменьшается давление сжатия по сравнению с его зна­

шихся режимах (рис. 48). Это явление можно объяснить инерцион­ ным наддувом (угловое ускорение коленчатого вала в этот момент разгона уменьшается) и тепловой инерцией деталей двигателя.

Процесс смесеобразования у дизельных двигателей с непосред­ ственным впрыском топлива в значительной степени определяется характеристикой подачи топлива: углом опережения впрыска топлива, продолжительностью впрыска, цикловой подачей, ве­ личиной максимального давления впрыска и др. На рис. 49 пока­

75

зано изменение угла опережения впрыска топлива 0 Впри разгоне в зависимости от частоты вращения двигателя с серийной и сту­ пенчатой топливоподачей [18]. В период разгона во всем диапазоне частоты вращения угол опережения впрыска топлива у двигателя с серийным насосом превышает соответствующие значения на установившихся режимах. Особенно резко он возрастает в на­ чальной фазе разгона, что объясняется инерционным действием центробежной муфты опережения впрыска, у которой ведомые подвижные детали имеют большой вес, а пружина не обладает достаточной упругостью. У двигателя с топливным насосом, обеспечивающим ступенчатую топливоподачу, мгновенные зна­ чения 0Впри разгоне вначале несколько ниже по сравнению с уста­ новившимся режимом, а затем, как и при серийной топливоподаче, превышают значения 0Вустановившегося режима. Но это превы­ шение по величине меньше, чем при серийной топливоподаче.

Заметное влияние режимы разгона оказывают на изменение максимального давления впрыска, которое при разгоне выше со­ ответствующих значений на установившихся режимах как при серийной, так и при ступенчатой топливоподаче. Так, превышение действительных максимальных давлений над статическими зна­ чениями при пд = 950 об/мин при серийной топливоподаче со­ ставляет 30—50 кгс/см2, а при ступенчатой— 10— 15 кгс/см2, что связано с характером волновых явлений. Возрастание макси­ мальных давлений впрыска при разгоне влечет за собой повышение напряжений рабочих деталей впрыскивающей системы.

На неустановившихся режимах наблюдается увеличение общей продолжительности подачи топлива. У насоса с жестким толка­ телем период впрыска увеличивается за счет начальной и конечной фаз подачи, а у насоса с упругим толкателем — только по причине удлинения конечной стадии. Сдвиг влево (в сторону опережения) момента начала впрыска при серийной топливоподаче объясняется увеличением дросселирования во впускном окне гильзы плун­ жера. В некоторой степени сказывается также влияние остаточ­ ного давления в нагнетательном трубопроводе, возрастающего с увеличением скорости движения плунжера. Увеличение общей продолжительности подачи топлива как при серийном, так и при ступенчатом впрыске зависит от величины максимального ускоре­ ния коленчатого вала при разгоне.

При работе двигателя на режимах разгона имеет место повыше­ ние цикловой подачи топлива, которое в зависимости от величины максимального ускорения коленчатого вала составляет при серий­ ном впрыске 4,5—6,4%, а при ступенчатом — 4,2—6%.

Таким образом, характер топливоподачи на режимах разгона дизеля претерпевает заметные изменения как при серийном насосе, так и при насосе с упругим толкателем. Это приводит к изменению условий протекания процесса смесеобразования и сгорания в ци­ линдре и к отклонению мощностных и топливных показателей дви­ гателя от их значений на установившемся режиме.

76

На рис. 50 представлены экспериментальные зависимости коэф­ фициента избытка воздуха при разгоне и в установившихся режи­ мах дизеля ЯМЗ-236 от частоты вращения. Начиная с пя = = 850 об/мин (с момента выхода рейки на полную цикловую подачу топлива) значения а становятся меньше соответствующих значений

воздуха меньшем, чем на установившихся режимах, при этом минимальное значение получено

в момент 1100 об/мин и составляет

ар = 1,11. Для той же частоты вращения и одинакового положе-

п

800 1200 1600 пд,о5/мин

= 1,34. При повышении исходной нагрузки и соответственно уменьшении ускорений разгона наблюдается уменьшение диапа­ зона оборотов, в котором а? < ау , и уменьшение отклонения а р от аУ для одного и того же числа оборотов. Аналогичные явления наблюдаются и при разгонах со ступенчатой топливоподачей. Снижение а р в рассматриваемой фазе разгона связано с уменьше­ нием наполнения цилиндров дизеля и некоторым возрастанием цикловой подачи топлива.

Отмеченные выше особенности топливоподачи и смесеобразова­ ния являются основной причиной дымления дизеля и повышения

77

На рис. 51 показано изменение максимального углового ускоре­ ния коленчатого вала при разгоне двигателя ЯМЗ-236 в зави­ симости от отношения исходного (перед разгоном) среднего эффек­ тивного давления рен к его номинальному значению рен. Здесь же приведены максимальные относительные отклонения бтах величин rfo, а и 0В на режимах разгона при серийной и ступенчатой топливоподаче по сравнению с установившимися режимами. Для т]0 и а показаны максимальные относительные уменьшения значений

18. Индикаторные показатели дизеля

Рассмотрим особенности изменения периода задержки воспла­ менения, индикаторного к. п. д. и среднего индикаторного давле­ ния при разгоне применительно к дизелю ЯМЗ-236.

Длительность индикаторного периода запаздывания воспламе­ нения зависит от ряда физических (распыливания, нагревания и испарения топлива, перемешивания топлива и воздуха) и хими­ ческих факторов, связанных с химическими свойствами топлива и смеси его с кислородом при различных парциальных концен­ трациях кислорода. На неустановившихся режимах работы усло­ вия процесса смесеобразования, как было сказано выше, нару­ шаются. Очевидно, период задержки воспламенения tpf на этих режимах будет отличаться от значений <pt. на установившихся режимах.

На основании формулы А. С. Лышевского [37 ] для данного двигателя и данного топлива отношение периодов задержки на режиме разгона и соответствующем установившемся режиме будет равно

Логарифмируя это выражение, получим

Как уже указывалось, угол опережения впрыска топлива на режимах разгона выше соответствующих значений на установив­

78

Следовательно, общая сумма членов в правой части логарифми­ ческого выражения будет положительна, т. е.

In ф? — In > 0 ; 1п ф ? > 1пф^; фГ > ф 7.

Анализ индикаторных диаграмм дизеля на режимах разгона подтвердил этот вывод и показал, что период задержки воспла­ менения как при серийной, так и при ступенчатой подаче во всем интервале частот вращения больше соответствующих значений на установившихся режимах (рис. 52). Период задержки воспламене-

режиме заметно превышает по абсолютной величине период за держки при ступенчатой характеристике впрыска, что объясняется большим изменением угла опережения впрыска на разгонах. Кроме того, разность значений фгна режимах разгона и на уста­ новившихся режимах для каждой частоты вращения растет с уве­ личением максимального ускорения коленчатого вала. Так, макси­ мальные отклонения периода задержки при серийном впрыске возрастают от 18 до 35%, при ступенчатом — от И до 18,3%, при увеличении максимального ускорения — от 12 до 23 рад/с2. Рост запаздывания воспламенения в режиме разгона обусловли­ вается совместным действием прежде всего таких факторов, как увеличение угла опережения впрыска, понижение начальной тем­ пературы среды вследствие тепловой инерции, понижение давле­ ния в конце впуска и уменьшение свежего заряда и связанное с этим изменение общей энергии его в камере сжатия перед впры­ ском топлива.

Различие условий смесеобразования при серийной и ступен­ чатой топливоподаче приводит к неодинаковому отклонению

79