оза / Analiz indic

Анализ факторов, влияющих на индикаторные показатели двигателей

Топливо (для дизелей). Сорт топли­ва может оказывать влияние на индикаторные показатели дизеля вследствие изменения параметров впрыскивания и распиыливания, различий в испаряемости и воспламеняемости. При облегче­нии фракционного состава топлива и сохранении неизменным избытка воздуха путем увеличения объемной подачи топлива в зависимости от способа смесеобразования индикаторные показатели могут как ухуд­шаться, так и улучшаться.

Ухудшение индикаторных показателей наиболее вероятно в случае объемного смесеобразования. Связано это с увеличением продолжитель­ности впрыскивания и уменьшением длины топливных струй (вследст­вие уменьшения давлений впрыскивания из-за большей сжимаемости легкого топлива, а также уменьшения размера капель и увеличения угла конуса топливных струй из-за меньших вязкости и поверхностно­го натяжения).

Улучшение индикаторных показателей может иметь место в дизе­лях с пристеночным (пленочным) смесеобразованием вследствие уменьшения дого­рания и неполноты сгорания топлива. Облегчение фракционного соста­ва топлива приводит к снижению температуры испаряющихся капель. Это уменьшает различия в скоростях испарения топлив, обладающих при одинаковой температуре разной упругостью паров.

Для совершенствования показателей двигателя важно не только достижение высокого теплоиспользования, оцениваемого η_i, но и обес­печение как можно большего отношения η_i/α, так как при этом высокой оказывается удельная работа цикла. Значения η_i и η_i/α помимо свойств топлива зависят от состава смеси, условий охлаждения, степе­ни сжатия, параметров впрыскивания и распыливания топлива, регу­лировок, типа камеры сгорания, характера и интенсивности движения заряда, наполнения цилиндров, параметров окружающей среды, час­тоты вращения и других факторов.

Состав смеси. На рис. 1 приведены зависимости η_i и η_i/α от состава смеси α. Для дизеля (η_i/α)_max имеет место при несколько обедненной, а η_{i max} — при сильно обедненной смеси. Значение коэффициента избытка воздуха, при кото­ром достигается наилучшая экономичность, называют пределом эффективного обеднения смеси (α_пр). Высокий предел эффективного обед­нения смеси для дизеля (α_пр =4) объясняется использованием в нем неоднород­ной смеси.

Рис. 1. Зависимости от коэффициента из­бытка воздуха: а — для дизеля, б — для карбюраторного двигателя

Увеличение α сопровождается снижением всех характерных температур цикла, так как к несколько уве­личивающемуся количеству за­ряда подводится все меньшее количество теплоты. Средняя тепловая нагрузка на детали существенно уменьшается с ростом α в результате снижения температур заряда и как следствие снижается температура деталей. Весьма существенно уменьшается потеря теплоты в среду охлажде­ния. Однако, так как количество вводимой теплоты уменьша­ется в большей степени, то относительные потери теплоты увели­чиваются с ростом α (уменьшением внешней нагрузки).

Причинами увеличения η_i с ростом α до α_пр являются уменьшение потерь, связанных с неполнотой и несвоевременностью сгорания, увеличение η_t из-за увеличения степени последую­щего (после окончания тепловыделения) расширения и снижение теплоемкости заряда (в результате уве­личения доли в заряде двухатомных газов и понижения температу­ры заряда), положительное влияние которых оказывается существенно большим, чем отрицательное увеличения относительных потерь теп­лоты в среду охлаждения.

Уменьшение η_i при α > α_пр связано с ухудшением распыливания топлива (в случае топливных систем без гибкого управления) и повы­шением относительного количества теплоты, теряемой в охлаждающую среду.

Среднее давление цикла изменяется пропорционально произведению (η_i/α) и η_i в результате чего и обеспечивается качественное регулирование двигателя в связи с изменением внешней нагрузки.

По мере обеднения смеси существенно снижаются также механи­ческие нагрузки на детали (Р_zmax, dp/dφ)

Состав смеси сильно влияет на протекание процесса сгорания и соответственно на индикаторные показатели цикла бензинового двигателя (см. рис. 1,б). Существенно, что максимум величины η_i достигается при более бедных смесях по сравнению с теми, которые соответствуют максимуму η_i/α и p_i. Это объясняется тем, что с обеднением смеси до определенных пределов улучшается полнота сгорания и доля в продуктах сгорания двухатомных газов. Однако при слишком сильном обеднении смеси скорость ее сгорания значительно падает, и могут даже появляться циклы с пропуском воспламенения, сгорание заканчивается все позднее, а теплоотвод в стенки увеличивается. Предел эффективного обеднения смеси α_пр зависит от Р и Т, при которых происходит воспламенение, концентрации топлива в зоне свечи, распределение состава смеси в объеме камеры сгорания, интенсивности источника воспламенения, типа камеры сгорания и режима работы ДВС. Наибольшей величине η_i соответствует такой состав смеси, при котором имеет место оптимальное сочетаниe полноты и скорости сгорания смеси с теплоотводом в стенки.

Максимальное значение η_i/α достигают на несколько обогащенных сме­сях, при сгорании которых имеют место наибольшие значения коли­чества выделяющейся теплоты и скорости сгорания. Значения α, кото­рые соответствуют величинам η_{i max} и (η_i/α)_max, зависят от протекания процесса сгорания, т. е. от конструкции двигателя, а также определя­ются положением дроссельной заслонки и частотой вращения. На ре­жимах полной нагрузки максимум η_i имеет мес­то при α= 1,05…1,15, а максимум η_i/α и p_i — при α= 0,85…0,95.

Рис. 2. Зависимости η_i η_i/α, и α от частоты вращения (а) и η_i от нагрузки (б): 1—дизель; 2 — карбюраторный двигатель

Нагрузка двигателя. Рассмотренный характер зависимости η_i=f(α) определяет изменение теплоиспользования с нагрузкой дизеля. Следует при этом иметь в виду, что при падении нагрузки уменьшаются продолжитель­ность впрыскивания и тепловыделения. На η_i при изменении нагрузки, естественно, влияет угол опережения впрыскива­ния. Наилучшие результаты получаются в случае, если начало впрыс­кивания несколько запаздывает при уменьшении нагрузки. Помимо по­вышения экономичности в зоне малых нагрузок это обеспечивает также снижение давлений сгорания, скоростей их нарастания и токсичности отработавших газов. Требуемый характер изменения момента начала впрыскивания обеспечивается выбором конструкции плунжерной пары.

При больших значениях α, соответствующим нагрузкам, близким к холостому ходу наблюдается некоторое снижение η_i и возрастание g_i, что является результатом ухудшения условий сгорания топлива вследствие уменьшения мелкости распыливания малых порций топлива и увеличения периода индукции.

Хотя при (η_i/α)_max получается максимум р_i дизель никогда не регу­лируется на соответствующий режим работы. Связано это не только со стремлением обеспечить более высокий η_i (рис. 1,а), но также и с тем, что при регулировке на (η_i/α)_max чрезмерными оказываются дымность отработавших газов и тепловая напряженность деталей.

С уменьшением нагрузки условия воспламенения и сгорания в бензиновом двигателе ухудшаются, при этом относительные тепловые потери в систему охлаждения и с от­работавшими газами возрастают. Уменьшение скорости сгорания при неизменной частоте вращения может быть несколько компенсировано увеличением угла опережения зажигания, что достигается в результате работы вакуум-регулятора или управления микропроцессорной системой.

На изменение η_i в зависимости от нагрузки двигателя при постоян­ной частоте вращения (рис. 2,б) оказывает еще влияние и изменение состава смеси. Наибольшего значения η_i достигает на средних нагрузках при α= 1,05… 1,2, что же касается величины Р_i, то она, естест­венно, имеет максимум при полностью открытой дроссельной заслонке и снижается по мере ее прикрытия. Это является следствием главным образом уменьшения количества свежей смеси, подаваемой в ци­линдры.

При расслоение заряда в двигателях с непосредственным впрыском бензина характер изменения η_i от нагрузки такой же, как и дизеля.

Условия охлаждения деталей. Специальной кон­струкцией деталей, применением для их изготовления материалов с низкой теплопроводностью, использованием теплозащитных покрытий можно уменьшить потери теплоты в систему охлаждения и повысить η_i двигателя.

Степень сжатия. Увеличение степени сжатия в ряде слу­чаев благоприятно влияет на работу дизеля при использовании низкоцетановых топлив. Связано это с тем, что с ростом температуры ско­рость предпламенных реакций увеличивается в большей степени, чем скорость испарения. Как следствие, сокращается период задержки вос­пламенения и уменьшается количество горючей смеси, образующейся за этот период. Возрастает стабильность воспламенения топлива, уменьшается скорость нарастания давления при сгорании. Однако в многотопливных двигателях с вы­сокой степенью сжатия при работе их на топливах с высоким цетановым числом по сравнению с обычным дизелем существенно завышенны­ми оказываются механические нагрузки на детали и больше затраты мощности на прокручивание дизеля при пуске. В целом для обычных дизелей повышение степени сжатия нельзя рассматривать как средство улучшения индикаторных показателей. Связано это с тем, что мини­мально допустимая степень сжатия, выбираемая из условия надежного пуска из холодного состояния, достаточно высока. Поэтому на выбор степени сжатия влияют те факторы, от которых зависят Р и Т в конце сжатия (условия теплообмена, размеры двигателя и тип камеры сгорания). У современных дизелей она лежит в пределах 15…23.

В зоне больших значений степени сжатия увеличение ее не дает заметного повышения теплоиспользования, так как невелик прирост η_t, а одновременно повышаются потери теплоты в охлаждающую среду и увеличивается доля воздуха, заключенного в «мертвых» зонах камеры сгорания, например в зазорах между поршнем, головкой цилиндра и цилиндром. Могут при высокой степени сжатия также нарушиться оп­тимальные условия смесеобразования, т.к. при повышении ε возрастает плотность заряда в цилиндре, что влияет на характер распыливания, особенно на динамику развития топливных струй..

У бензиновых двигателей степень сжатия ε = 6,5…12. Меньшие значения ε имеют двигатели грузовых автомобилей и с наддувом, а наибольшие – с впрыском бензина. В указанном диапазоне значений ее влияние на индикатор­ные показатели весьма существенно. Увеличение ε заметно повышает теплоиспользование, что привадит к росту η_i и p_i. Кроме того, с ростом ε несколько улучшаются условия воспламенения, что дает возможность расширить пределы эффективного обеднения смеси и получить допол­нительное увеличение η_i, при работе на частичных нагрузках. Чем больше ε, тем меньше объем и поверхность камеры сгорания, а с другой стороны несколько возрастает температура газов, поэтому теплообмен между газом и стенками, образующими камеру, может увеличиться.

Увеличение степени сжатия является основным способом улучше­ния индикаторного процесса и повышения η_м двигате­ля, однако чем больше ε, тем выше требования к октановому числу бензина. Следует также иметь в виду, что с повышением ε увеличива­ются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, а также выброс NO_x и СН.

Тип камеры сгорания (для дизелей). В случае разделенных камер сго­рания повышенными оказываются тепловые и газодинамические поте­ри. Поэтому теплоиспользование в дизелях с разделенными камерами сгорания хуже. В то же время применение таких камер сгорания об­легчает форсирование двигателя по частоте вращения. Это связано с интенсификацией смесеобразования и предпламенных реакций при увеличении п.

В дизелях с разделенными камерами сгорания продолжительность периода задержки воспламенения меньше и выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала в меньшей степени растет при увели­чении п. Это обеспечивает возможность достижения благоприятного тепловыделения при умеренных нагрузках на детали в широком диапа­зоне частот вращения Дизели с разделенными камерами сгорания мо­гут работать бездымно и с допустимой токсичностью отработавших га­зов при меньших избытках воздуха, чем дизели с однополостными ка­мерами сгорания. Поэтому, несмотря на худшее теплоиспользование, эффективность их цикла обычно не уступает эффективности цикла ди­зелей с неразделенной камерой сгорания.

Угол опережения впрыскивания. На рис. 3 при­ведена регулировочная ха­рактеристика по углу опере­жения впрыскивания.

По мере увеличения угла опережения впрыскивания несколько возрастает скорость продвижения топливных струй и уменьшает­ся угол конуса струй. Конечно, оказывает влияние и изменение по углу поворота коленчатого вала характера движения заряда в ци­линдре. Скорость вытеснения заряда из надпоршневого зазора до­стигает, согласно измерениям, максимума за 6... 10 град до ВМТ. Тангенциальная составляющая скорости стремится к максимуму в ВМТ. Перетекание заряда из надпоршневой полости в глубину объема камеры сгорания происходит вдоль стенки камеры сгорания при большой относительно тангенциальной составляющей скоро­сти и с некоторым отрывом от стенки под кромкой камеры сгора­ния (с образовнием вторичных вихрей, вращение которых проис­ходит вокруг оси в виде окружности, расположенной в горизонталь­ной плоскости). Сочетание скорости, с которой подходят вершины струй к зоне наибольших скоростей вблизи стенки камеры сгорания, может оказывать влия­ние на снос капель топлива как в тангенциальном направлении, так и вглубь камеры сгорания.

Эти эффекты могут некоторым образом влиять на P_i, η_i при изменении начала впрыскивания.

Рис. 4.1. Характеристика по углу опе­режения впрыскивания

По мере запаздывания начала впрыскивиания и, как следствие, начала воспламенения, уменьшается отрицательная работа сжатия, но увеличивается до определенного значения угол опережения воспламенения Θ_воспл , работа расшире­ния — последнее связано с совместным действием следующих фак­торов: уменьшаются потери теплоты в среду охлаждения (рис. 3), снижаются потери, связанные с несвоевременностью выделения те­плоты; уменьшаются потери работы цикла, связанные с влиянием зависимости теплоемкости от температуры (так как снижаются значения максимальной температуры заряда). Совместное действие факторов, различным образом влияющих на η_i, и р_i и определяет наличие оптимального угла опережения воспламенения.

С по­вышением Θ._впр увеличивают­ся максимальное давление сгорания р_z, скорость нарас­тания давления dp/dφ, потери теплоты в охлаждаю­щую среду и температуры головки t_г и цилиндра t_ц. Одновременно температура отработавших газов t_r,. и ко­личество теплоты, теряемой с ними, снижаются. Естест­венно, что существует вполне определенный для каждого сочетания частоты вращения и цикловой подачи топлива угол опережения впрыскива­ния Θ._впр, при котором до­стигаются наиболее высокие значения среднего индикатор­ного давления и минимальные значения удельного индика­торного расхода топлива. Обычно за оптимальный угол опережения впрыскивания принимают значение меньше того, при котором достигают­ся P_imax и g_imin.Объясняется это тем, что уменьшение до определенных пределов Θ._впр от оптимального значения обеспечивает существенное снижение p_z (dp/dφ)_max и содержания оксидов азота при сравнительно небольшом ухудшении индикаторных показателей и повышении дымления.

Рис. 3.2. Характеристики по углу опережения

Угол опережения зажигания. Если при прочих неизменных условиях варьировать величиной угла опережения зажи­гания φ_оз, то таким путем можно приближать или отдалять сгорание топлива относительно ВМТ. Каждому сочетанию открытия дроссель­ной заслонки α и n соответствует свое значение угла φ_{оз опт}, при кото­ром величины η_i и P_i одновременно достигают максимума. При позднем зажигании (см. рис.) сгорание переносится на линию расши­рения и выделившаяся теплота превращается в работу в течение мень­шей части хода поршня, а тепловые потери в систему охлаждения и с отработавшими газами возрастают, что приводит к снижению η_i и P_i. С другой стороны, при раннем зажигании, когда φ_оз > φ_{оз опт} , сильно увеличиваются максимальная температура Т_z и давление цикла P_z, что обусловливает повышенные тепловые потери в систему охлаждения, а также увеличивает утечку газов через поршневые кольца.

Все факторы, которые увеличивают скорость сгорания, т. е. со­кращают длительность первых двух фаз сгорания, одновре­менно способствуют уменьшению φ_{оз опт}, и наоборот.

Частота вращения. Если при изменении частоты враще­ния в дизелях α не изменяется, то η_i как правило, несколько увеличивается с ростом п (рис. 2, а) в связи с уменьшением неполноты сгорания, увеличением длительности тепловыделения (выраженной в градусах) и сущест­венного снижения абсолютных и относительных потерь в среду охлаждения. Последнее имеет место, несмотря на увеличение интен­сивности теплопереноса и средних тепловых нагрузок на детали, в связи с уменьшением времени теплообмена. Возрастание η_i имеет место только при оптимальной настройке про­цессов смесеобразования и тепловыделения. Увеличение длитель­ности тепловыделения и уменьшение потерь в среду охлаждения сопровождаются существенным опережением оптимального момен­та воспламенения.

Уменьшение потерь теплоты в среду охлаждения и более раннее начало тепловыделения приводят к существенному росту механи­ческих нагрузок на детали, так как больше теплоты выделяется при уменьшающемся объеме заряда. На изменение (dP/dφ)_max оказывает влияние также большая скорость уменьшения объема при более раннем воспламенении.

С ростом частоты вращения улучшается распыливание топлива, благоприятно изменя­ется сочетание скоростей подачи топлива и движения заряда, что поло­жительно влияет на развитие горения. Поэтому, несмотря на увеличе­ние выраженной в градусах продолжительности впрыскивания, тепло-использование улучшается. Из графиков видно, что теплоиспользование улучшается с ростом n, несмотря на некоторое снижение избытка воздуха.

На характер изме­нения η_i и η_i/α заметное влияние оказы­вает регулировка угла опережения впрыскивания топлива. При уве­личении частоты вращения возрастают выраженные в градусах про­должительность впрыскивания и период задержки воспламенения. Последнее приводит к запаздыванию начала воспламенения. Тепловы­деление в большей мере переносится на такт расширения. Для получе­ния наилучших индикаторных показателей при увеличении частоты вращения угол опережения впрыскивания должен увеличиваться. В большинстве используемых вариантов системы топливоподачи угол опережения впрыскивания, напротив, снижается при увеличении час­тоты вращения. Для обеспечения наиболее благоприятного характера изменения индикаторных показателей во всем диапазоне п в дизелях, имеющих широкий диапазон частот вращения, целесообразно приме­нять автоматические устройства для изменения угла опережения впрыскивания.

Характер изменения α= f(п) зависит от скоростных характерис­тик топливоподачи, характера изменения коэффициента наполнения, а для дизелей с наддувом — также от изменения плотности заряда пе­ред впускными органами. Наилучшие результаты обеспечивают регу­лируемые системы наддува, при которых можно добиться постоянства или даже роста α с уменьшением частоты вращения, несмотря на уве­личивающуюся одновременно цикловую подачу. Это обеспечит сущест­венный прирост P_i с уменьшением п при бездымном сгорании и доста­точно высоком теплоиспользовании во всем диапазоне частот вращения.

Увеличение частоты вращения в двигателях с искровым зажиганием интен­сифицирует движение заряда и его сгорание в цилиндре. Однако в свя­зи с сокращением времени, в течение которого совершается весь цикл, продолжительность сгорания в градусах ПКВ (Θ₁+ Θ₂) несколько увеличивается, а это требует соответствующего увеличения φ_оз, которого и достигают микропроцессорной системой управления или центробежным регулятором опережения зажигания.

С ростом n сокращается время теплоотдачи от газов в систему ох­лаждения через стенки цилиндра, но, с другой стороны, растущая турбулизация заряда интенсифицирует процесс теплоотдачи. Утечки га­зов через кольца снижаются по мере увеличения n. В результате сов­местного действия указанных факторов с ростом n величины η_i и η_i/α мало изменяются, имея тенденцию к некоторому возрастанию.

Наполнение цилиндров. При неизменной цикловой подаче топлива в дизелях увеличение коэффициента наполнения η_v и плотности заряда перед впускными органами ρ_к ведет к пропорциональному росту α. Это сопровождается увеличением η_i пропорциональным повышени­ем p_i.

Для дизелей с однополостной камерой сгора­ния и большим числом со­пловых отверстий увеличе­ния коэффициента напол­нения можно добиться, ес­ли использовать два впуск­ных клапана на цилиндр и уменьшить отношение хода поршня к диаметру ци­линдра (S/D). Оба эти ме­роприятия способствуют увеличению проходных се­чений впускных клапанов.

В дизелях с камерой в поршне и малым числом сопловых отверстий мини­мальное сечение системы впуска располагается не­редко во впускном канале, а не в проходном сечении клапана. Последнее связано с необходимостью обеспечения высокой ис­ходной скорости вращения заряда, зависящей от ско­рости воздуха в канале. Поэтому увеличение проходного сечения в клапанах не приводит к заметному росту коэффициента наполнения. Следует также иметь в виду, что при уменьшении S/D в дизелях с камерами сгорания в поршне, имеющими малое d_кc/D, заметно возрастает объем воздуха в надпоршневом зазоре, что неблагоприят­но влияет на развитие тепловыделения.

Эффективное средство увеличения наполнения цилиндров — над­дув. Наиболее широкое распространение получил газотурбинный над­дув. Осуществление наддува связано с повышением тепловой напряженности, что ограничивает также степень форсирования наддувом дизелей с разделенными камерами сгорания, которые вследствие осо­бенностей процессов смесеобразования и сгорания имеют большую неравномерность температурных полей деталей.

Неизменности теплоиспользования при введении наддува способ­ствует уменьшение относительных потерь теплоты в охлаждающую среду из-за уменьшения поверхности теплообмена, приходящейся на единицу количества заряда. При оптимальных углах опережения впрыскивания и коротком энергичном впрыскивании максимальные давления сгорания при наддуве дизеля могут оказаться чрезмерно вы­сокими. Чтобы избежать этого, можно прибегнуть к снижению степени сжатия, установке заведомо несколько более позднего, чем оптималь­ный по теплоиспользованию, угла опережения впрыскивания. Сле­дует также иметь в виду, что снижение степени сжатия, особенно при газотурбинном наддуве, может привести к ухудшению пусковых ка­честв дизеля, так как на пусковых режимах давление наддува мало от­личается от атмосферного давления.

На практике при наддуве обычно обеспечивают увеличение избытка воздуха на номинальном режиме, чтобы избежать чрезмерного увели­чения тепловой напряженности деталей, передающих тепловые пото­ки от заряда в охлаждающую среду.

При большом избытке воздуха теплоиспользование может быть даже лучшим, чем на соответствующем режиме работы дизеля без наддува. Однако прирост p_i будет меньше. Также целесообразно снижение номинальной частоты вращения при введении высокого наддува дизеля.

Рас­пространению газотурбинного наддува препятствует неблагоприятный характер зависимости давления наддува от частоты вращения. Давле­ние наддува достигает максимума при максимальной частоте вращения, в то время как желательно иметь максимум при пониженных частотах. Последнее может быть достигнуто при регулируемых системах наддува, но это дополнительно усложняет дизель.

С увели­чением давления наддува при α=idem все характерные температуры цикла возрастают, причем более интенсивно при от­сутствии охладителя. Связано это с увеличением началь­ной температуры цикла (в конце наполнения и начале сжатия).

Максимальное давление цикла повышается с ростом p_к в основ­ном из-за увеличения начального давления. При наличии охлади­теля максимальное давление цикла выше и в большей степени изменяется с ростом давления.

Аналогичные соотношения справедливы и в отношении мак­симальной скорости нарастания давления. На отличия в Р_max и (dP/dφ)_max при наличии и отсутствии охладителя влияют и различия в теплообмене между зарядом и окружающими его деталями. При этом интенсивность теплоотдачи снижает­ся при увеличении температуры газа и возрастает с повышением давления. При отсутствии охладителя ниже абсолютные значения потерь теплоты от заряда в среду охлаждения. Однако относитель­ные потери теплоты заметно выше и несколько увеличиваются с ростом давления наддува. При наличии охладителя относитель­ные потери теплоты в среду охлаждения ниже и, напротив, заметно снижаются с ростом давления наддува.

На различия в величинах и характере изменения η_i с давлением наддува и введением охлаждения воздуха влияют значения теплоемкостей заряда, которые выше при отсутствии охладителя, и отмеченные выше различия в относитель­ных потерях теплоты в среду охлаждения. В итоге, с охладителем η_i, выше и незначительно растет с давлением наддува, а в случае отсутствия промежуточного охлаждения воздуха, η_i ниже и, напро­тив, снижается с ростом Р_к.