Меню
Дизель генераторы камаз.
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Общие сведения

Автомобильные двигатели в условиях эксплуатации работают в широком диапазоне изменения скоростного режима. Частота вращения коленчатого вала на рабочем режиме зависит от типа двигателя. Например, для дизеля грузового автомобиля она находится в пределах 8003000 об/мин и более, для дизеля легкового автомобиля до 45005000 об/мин и для двигателя с искровым зажиганием 8006000 об/мин. При указанных частотах вращения на один цикл в четырехтактных двигателях приходится 0,150,02 с, а в двухтактных в 2 раза меньше.

За этот промежуток времени должны быть осуществлены следующие процессы: ввод в цилиндр топлива и воздуха, сжатие, испарение топлива и его перемешивание с воздухом, воспламенение топливовоздушной смеси и ее сгорание, приводящее к повышению температуры и давления газов, расширение (рабочий ход) и выброс отработавших газов. Для всех рассматриваемых процессов характерным является изменение в течение их протекания термо- и газодинамических параметров. Время, отводимое на осуществление каждого из указанных процессов, неодинаково. Наибольшее время, особенно в четырехтактном двигателе, отводится на процессы впуска и выпуска отработавших газов, наименьшее время занимает процесс сгорания.

Для обеспечения высокой эффективности цикла особое внимание необходимо уделить процессам образования топливовоздушной смеси и ее сгоранию.

В двигателях с искровым зажиганием процесс образования топливовоздушной смеси начинается заблаговременно в процессе впуска (см. гл. XIII). В случае применения жидкого топлива (бензина) в движущийся воздушный поток поступают капли топлива, образующиеся в результате распада вытекающей из распылителя струи. Качество распыливания зависит от отношения между скоростями движения воздуха и топлива, а также от возникающей турбулиза-ции при двгокении топливовоздушной смеси по впускному тракту, впускному каналу в головке двигателя и через клапан. В карбюраторном двигателе чем больше скорость движения воздуха в диффузоре карбюратора, тем лучше распыливание. Уменьшение капель, т. е. более тонкое распыливание в двигателях с внешним смесеобразованием, имеет большое значение, так как оно ускоряет процесс испарения топлива. Одновременно уменьшается количество топлива, оседающего на стенках впускной системы и образующего перемещающуюся и менее интенсивно испаряющуюся пленку.

Процесс сгорания протекает только в газовой фазе. Следовательно, для его осуществления необходимо, чтобы топливо предварительно испарялось. Испарение топлива в двигателях с внешним смесеобразованием происходит сравнительно длительное время в процессе впуска и сжатия и заканчивается к моменту образования электрической искры (вблизи положения поршня в в. м. т.). Очевидно, что чем меньше диаметр капель, тем больше их общая поверхность и тем существенно выше скорость испарения. Необходимая теплота на испарение топлива во впускном трубопроводе передается от воздушного заряда. Для более полного испарения топлива во впускной системе обогревают впускной трубопровод выходящей из двигателя горячей водой или отработавшими газами. При этих условиях и ускоренном движении воздуха скорость испарения увеличивается.

Для обеспечения своевременного протекания сгорания в двигателе с внешним смесеобразованием необходимо, чтобы к концу сжатия по Есему объему камеры сгорания образовалась гомогенная топливовоздушная смесь.

В газовых двигателях процесс смешения топлива с воздухом происходит проще. Даже при использовании сжиженного газа после выхода из теплообменника-испарителя газ переходит в газообразное состояние и, перемешиваясь в смесителе с воздухом, образует гомогенную смесь уже в процессе впуска. Более быстрое смешение газового топлива с воздухом объясняется также и тем, что соотношение паров газа и воздуха при стехиометрическом составе смеси для природного газа составляет примерно 1 : 9 (для смеси паров бензина с воздухом это соотношение равно примерно 1 : 50).

В дизеле топливовоздушная смесь образуется в короткий промежуток времени. Продолжительность этого процесса в 2030 раз меньше, чем в карбюраторном двигателе. Топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце сжатия при положении поршня примерно за 2025° до в. м. т. и незадолго до воспламенения топливовоздуш-ной смеси и ее сгорания. Общая продолжительность впрыска составляет 2035° угла поворота коленчатого вала. За период задержки воспламенения (см. ниже) происходит нагрев, испарение части впрыснутого топлива и перегрев паров топлива до температуры, при которой оно воспламеняется.

Для быстрого испарения топлива в воздушной среде, имеющей в конце процесса сжатия (даже если наддув отсутствует) сравнительно высокую температуру (примерно 750800 К) и давление (примерно 3,23,8 МПа), необходимо топливо впрыскивать в камеру сгорания под высоким давлением. Его среднее значение в зависимости от типа камеры сгорания и скоростного режима двигателя составляет 20 80 МПа.

Высокое давление впрыска обеспечивает развитие факела топлива, образованного из большого количества мельчайших капель. Движущийся воздушный поток не только улучшает условия испарения капель, но и способствует распространению факела топлива по камере сгорания. При испарении капель топлива не достигается его равномерное распределение по всему объему камеры сгорания. В ней образуются зоны, где состав смеси такой, что при высокой температуре конца сжатия происходит воспламенение. В то же время в других зонах паров топлива нет (а = оо) и, наоборот, существуют зоны, где полностью отсутствует воздух и в них находится только топливо (а = 0).

За период задержки воспламенения в камере сгорания испаряются лишь наиболее мелкие капли топлива, которые в смеси с воздухом при соответствующей концентрации образуют начальные очаги воспламенения. Происходящее при этом быстрое сгорание всего испарившегося за указанный период топлива приводит к быстрому повышению температуры и давления, при которых растет скорость испарения капель топлива. Чтобы это топливо участвовало в сгорании, необходимо удалить из зон, где происходил процесс сгорания, образовавшиеся продукты сгорания и обеспечить подвод к испарившемуся топливу кислорода. Для этого в данный период процесса смесеобразования необходимо обеспечить, так же как и в предыдущих его стадиях, организованное движение воздушного заряда.

Воспламенение топливовоздушной смеси и развитие процесса сгорания происходят по-разному, в зависимости от типа смесеобразования. В двигателе с внешним смесеобразованием, при котором в камере сгорания образуется практически однородная топливо-воздушная смесь, она воспламеняется в одной зоне камеры от электрической искры. При образовании искры небольшой объем газа, находящийся в зоне искрового промежутка, нагревается до высокой температуры, превышающей 10 ООО К. В результате вблизи этой зоны смесь прогревается до такой температуры, при которой появляется пламя, распространяющееся от очага воспламенения с большой скоростью (3050 м/с) по всему объему камеры сгорания. Ускорению распространения фронта пламени способствует движение смеси в камере. Опыт и расчеты показывают, что продолжительность процесса сгорания составляет 3040° угла поворота коленчатого вала. Чтобы при этих условиях наиболее эффективно использовалась выделяющаяся при сгорании теплота, необходимо осуществлять процесс вблизи в. м. т. Так как с момента образования искры в камеру сгорания до видимого развития процесса сгорания, при котором резко повышаются температура и давление (см. диаграмму на рис. 21), проходит некоторый промежуток времени, то для выполнения указанных выше условий искра образуется за несколько градусов до в. м. т. (точка 3, рис. 21). В зависимости от скоростного режима этот угол различен и он увеличивается с повышением частоты вращения коленчатого вала.

Одной из особенностей воспламенения и сгорания однородной топливовоздушной смеси является предел ее возможного обеднения, при котором смесь воспламеняется. Как было показано (см. рис. 18), наибольшее обеднение смеси в зависимости от нагрузки карбюра-

торного двигателя достигается при мощности, равной примерно 70 75% максимальной, которую можно получить при полностью открытой дроссельной заслонке. При увеличении нагрузки от указанного значения, а также при ее уменьшении смесь приходится обогащать, что значительно увеличивает расход топлива и содержание СО в продуктах сгорания. Ниже рассмотрены применяемые в настоящее время методы организации процесса сгорания при использовании обедненной смеси.

Процесс сгорания в дизеле, где не образуется однородная смесь, существенно отличается от рассмотренного. В зонах, где смесь

имеет такой состав, что при высоких температурах возможно ее воспламенение, после некоторого времени от начала впрыска происходит самовоспламенение смеси. Для обеспечения протекания сгорания вблизи в. м. т. необходимо начать впрыск топлива в камеру сгорания дизеля за 1020° до в. м. т.

После того как начальные очаги воспламенения возникли, пламя быстро распространяется в те зоны, где уже имеется подготовленная к сгоранию топливовоздушная смесь. По мере проникновения пламени в эти зоны происходит дальнейшее испарение и перемешивание паров топлива с воздухом. Это приводит к последующему сгоранию всего топлива, которое в конце процесса осуществляется путем диффузии неиспользованного еще кислорода, имеющегося в воздушном заряде, в зоны, где смесь переобогащена.

Протекание всех стадий смесеобразования и сгорания в двигателях с внешним и внутренним смесеобразованием значительно зависит от метода ввода топлива в камеру сгорания и параметров топливоподающей аппаратуры и от метода организации процесса смешения топлива с воздухом.

В двигателях с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры при выборе способа ввода топлива карбюраторный, впрыск топлива, применение форкамерно-факельного зажигания и расслое ния заряда и его последующего воспламенения и сгорания в настоящее время особое внимание наряду с улучшением теплоиспользования и повышением надежности двигателя уделяют снижению токсичности продуктов сгорания.

При этом большое значение имеет не только совершенствование методов смесеобразования, но и выбор типа камеры сгорания, обеспечивающей в сочетании с принятым методом смесеобразования оптимальные условия протекания рабочего цикла.

Для двигателей с внутренним смесеобразованием также большое значение придается сочетанию параметров топливоподающей аппаратуры с принятым методом смесеобразования и типом камеры сгорания. Принимаются меры для достижения хорошего теплоиспользования при сравнительно нерезком нарастании давления в процессе сгорания топлива. За последний период времени и для этих двигателей разрабатываются мероприятия по снижению токсических составляющих и дымности продуктов сгорания.

Процесс ввода в цилиндр свежего заряда, независимо от способа смесеобразования и методов воспламенения, требует соответствующей затраты работы. После сгорания и рабочего хода из цилиндров должны быть удалены отработавшие газы, на выталкивание которых также необходимо затратить работу.

Сжатие в действительном цикле из-за разности температур между сжимаемым воздухом или топливовоздушной смесью и стенками цилиндра сопровождается теплообменом, вследствие которого давление и температура в конце сжатия получаются иными, чем при адиабатном сжатии. Кроме того, при сжатии, особенно в период пуска двигателя или во время работы его с малой частотой вращения, возможны утечки газов через неплотности в поршневых кольцах и через клапаны, что также влияет на параметры конца процесса.

-ч- 2500 К дальнейший ее рост ограничивается диссоциацией молекул водяного пара и углекислого газа, сопровождающейся поглощением некоторого количества теплоты. В дальнейшем вследствие снижения температуры при расширении происходит реакция образования конечных продуктов с выделением теплоты, но ее использование менее эффективно.

и количествах подведенной теплоты указанные выше потери будут наименьшими.

Аналитически определить работу, совершаемую в действительном цикле, затруднительно, так как невозможно заранее для заданного двигателя определить потери при осуществлении каждого процесса в отдельности. Такие расчеты ведутся с учетом опытных коэффициентов, полученных в результате большого количества исследований.

В последний период разработаны методы расчета действительного цикла во времени с использованием ЭВМ. Выполнение расчетов с целью оптимизации показателей цикла возможно при наличии достоверных опытных коэффициентов, которые вводятся в расчет отдельных стадий цикла.

В современных быстроходных автотракторпых 1 двигателях для снятия индикаторной диаграммы применяют регистрирующие приборы с малой инерционностью (шлейфные или катодные осциллографы с пьезокварцевыми или другими датчиками и усилителями токов, возникающих при записи давлений в цилиндре, либо пневмоэлектри-ческие индикаторы давления).

, показана на рис. 21.

Штриховая часть диаграммы относится к случаю, когда нет процесса сгорания.

(рис. 22).

(где L длина шатуна).

" индикаторную работу Lu совершенную двигателем за цикл.

ко всей теплоте Qx, внесенной в двигатель с топливом:

Если отнести полезную работу цикла к 1 кг топлива, то

Сопоставление действительного цикла с теоретическим и установление относительной величины потерь в действительном цикле производятся по относительному КПД

который всегда меньше единицы.

Реклама