Частота вращения коленчатого вала. Нагрузка. Угол опережения зажигания. Состав горючей смеси.

Процесс сгорания

В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и инициированию вращения коленчатого вала.
После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).
Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания выражается формулой: НС + О2 = Н2 О + СО2
Другими словами: топливо + кислород = вода и двуокись углерода

Первая фаза сгорания (01) начинается в момент зажигания смеси. Она формирует фронт пламени. Заканчивается первая фаза, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания.

Для своевременного выделения теплоты при наивыгодных условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20—55° поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота коленчатого вала называется углом опережения зажигания (Фоз). Температура искры может составлять до 10 000 К. В течение первой фазы сгорает около 2—3 % топлива, поданного в цилиндр. Продолжительность первой фазы 0,5—1 мс, что соответствует 10—30° поворота коленчатого вала.

Вторая фаза сгорания (02) — основная, во время этой фазы происходит распространение пламени по объему камеры сгорания. Начинается данная фаза с окончанием первой фазы и заканчивается в момент достижения максимального давления в цикле. Продолжительность второй фазы 1 — 1,2 мс, т. е. 25-30° поворота коленчатого вала. За это время выделяется примерно 75-85 % теплоты. Температура рабочего тела в конце этой фазы повышается до 2300 К, а давление достигает 3,5—5 МПа. К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья фаза сгорания (03) — догорание смеси, начинается в момент достижения максимального давления никла. Эта фаза характеризуется замедлением горения, так как у стенок камеры сгорания усиливается теплоотвод, ослабляется турбулентность и догорание обычно происходит в условиях недостатка кислорода. Вследствие замедления конечных процессов горения третья фаза не имеет четко выраженного окончания. Ориентировочно можно считать, что ее продолжительность составляет 1 — 1,5 мс, т. е. 20—35° угла поворота коленчатого вала.

Факторы, влияющие на процесс сгорания -- Состав смеси; Вихревое движение заряда; Степень сжатия; Угол опережения зажигания; Частота вращения коленчатого вала; Нагрузка; Форма камеры сгорания; Степень сжатия; параметры искрового разряда; Расслоение смеси

Частицы распыленного топлива, впрыскиваемые в цилиндр в горячую среду сжатого воз­духа, воспламеняются не мгновенно; от начала впрыска до момента воспламенения проходит некоторый промежуток времени. Эта задер­жка начала горения называется периодом задержки воспламенения. При большом периоде задержки воспламенения работа дизеля сопровождается резким стуком («жесткая работа»). Продол­жительность периода задержки воспламенения зависит главным образом от температуры воспламенения, уменьшаясь с понижением ее. Чем выше степень сжатия, а следовательно, выше температура конца сжатия, тем быстрее нагреются частицы топлива и тем короче период задержки воспламенения. При хорошем перемешивании распы­ленного топлива с воздухом, чему способствует завихрение воздуха в цилиндре, также уменьшается период задержки воспламенения. Процесс сгорания впрыснутого топлива в дизеле можно разделить на три периода: 1) задержки самовоспламенения, 2) распространения пламени и 3) сгорания топлива при выходе из форсунки.

Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за два периода. В первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня до НМТ за счет того, что давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного.В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня от НМТ до закрытие выпускного клапана за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент закрытия выпускного клапана, т. е. через 10 – 20 после прихода поршня в ВМТ. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К.

Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. В начале расширения происходит догорание топлива. Процесс теплового расширения протекает аналогично процессу теплового расширения газов в карбюраторном двигателе Давление газов в цилиндре к конце расширения 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 К.

Для оценки степени совершенства рабочего цикла и работы двигателя, а также для сравнения двигателей по их экономичности и эффективности использования рабочего объема цилиндра используются различные показатели.

Оценка эффективности использования рабочего объема цилиндров двигателя и степени преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров осуществляется с помощью индикаторных показателей. Часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в процессе расширения при осуществлении рабочего цикла преобразуется в полезную работу газа внутри цилиндра двигателя. Такую работу называют индикаторной. Индикаторная работа соответствует площади индикаторной диаграммы, заключенной между линиями сжатия и расширения (сплошные линии).

Площадь индикаторной диаграммы, заключенная между линиями, соответствующими тактам впуска и выпуска, эквивалентна работе, затраченной на процесс газообмена («насосные» потери). Эти потери относятся к механическим.

При использовании уравнения для анализа влияния входящих в него показателей на среднее индикаторное давление р, следует учитывать, что характеризует количество теплоты, приходящееся на единицу массы свежего заряда. Это отношение определяется коэффициентом избытка воздуха а, так как отношение NJl0 для различных жидких топлив изменяется незначительно.

Уменьшение а вызывает увеличение количества теплоты, подводимой к единице массы воздушного заряда, а при прочих равных условиях повышение.

При рассмотрении в конкретных условиях влияния того или иного показателя на необходимо учитывать взаимосвязь данного показателя с другими. Так, уменьшение а, повышая отношение, одновременно приводит к снижению индикаторного КПД что объясняется ухудшением условий процесса сгорания топлива, а также увеличением потерь теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами. Анализируя влияние а на величину среднего индикаторного давления, необходимо учитывать не только прямое влияние а на и косвенное (через изменение зависимой от а величины щ).

Часть индикаторной мощности двигателя, расходуемая на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя и на привод вспомогательных агрегатов (водяного, масляного, топливного насосов и т. п.), называется мощностью механических потерь Рп\ другая часть индикаторной мощности, снимаемой с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью и расходуется на совершение внешней работы, т. е. по аналогии со средним индикаторным давлением эффективной мощности Ре и мощности механических потерь соответствуют средние удельные давления, определяемые из соотношений, где ре — среднее эффективное давление (в МПа); — среднее давление механических потерь (в МПа). В соответствии с формулой.

Мощность механических потерь состоит из следующих мощностей: мощности, затрачиваемой на преодоление трения в элементах кривошипно-шатунного механизма, на привод вспомогательных агрегатов, а также на преодоление аэродинамического сопротивления движению элементов двигателя; мощности, затрачиваемой на осуществление процессов газообмена; мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя (для двигателей с наддувом) или продувочного насоса (для двухтактных двигателей).

Из числа экспериментальных методов определения наиболее распространены индикаторный метод, метод прокручивания коленчатого вала двигателя и метод выключения цилиндров.

Первый метод определения механических потерь заключается в определении мощности Рм по разности индикаторной и эффективной мощностей. Индикаторная мощность вычисляется по результатам обработки индикаторной диаграммы, полученной при испытаниях двигателя.

Второй метод определения Рм основан на прокручивании коленчатого вала двигателя от постороннего источника при выключенном зажигании (или выключенной подаче топлива). Мощность механических потерь определяется затратами энергии на прокручивание коленчатого вала.

Третий метод определения Рм основан на последовательном выключении отдельных цилиндров. Мощность механических потерь определяется по изменению эффективной мощности двигателя при последовательном выключении отдельных его цилиндров.

При определении Рш обычно применяют второй и третий методы. При индикаторном методе определения Рм наблюдаются большие погрешности.

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива ge. Эффективная топливная экономичность двигателя в целом оценивается эффективным КПД или удельным эффективным расходом топлива ge.

Уравнение показывает, что литровая мощность, определяющая степень форсирования двигателя, может быть увеличена при повышении среднего эффективного давления ре, частоты вращения коленчатого вала.

В 7 приведены эффективные показатели дизелей и карбюраторных двигателей без наддува при работе на режиме максимальной нагрузки.

Тепловой баланс показывает, на что расходуется тепло, выделяющееся при сгорании топлива в двигателе.

Чем больше доля тепла, преобразованного в полезную работу на маховике двигателя, по отношению к теплу, выделяющемуся при сгорании топлива, тем выше экономичность двигателя. Экономичность двигателя зависит от конструкции и режима работы двигателя, регулировки приборов питания и зажигания и других приборов и механизмов.

На распределение теплоты в двигателе оказывают влияние такие факторы как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, состав смеси, угол опережения зажигания.

Частота вращения коленчатого вала. Нагрузка. Угол опережения зажигания. Состав горючей смеси.

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.

Простейший карбюратор состоит из двух функциональных элементов: поплавковой камеры (10) и смесительной камеры (8).

Топливо по трубке (1) поступает в поплавковую камеру (10), в которой плавает поплавок (3), на который опирается запорная игла (2) поплавкового клапана. При расходовании топлива его уровень в поплавковой камере понижается, поплавок опускается, игла открывает подачу топлива, при достижении заданного уровня клапан закрывается. Таким образом, поплавковый клапан поддерживает постоянный уровень топлива.

Из поплавковой камеры топливо поступает через жиклёр (9) в распылитель (7). Количество топлива, подающегося из распылителя (7), по закону Бернулли зависит при прочих равных условиях от проходного сечения жиклёра и степени вакуума в диффузоре, а также от сечения диффузора. Соотношение сечений диффузора и главного топливного жиклёра является одним из основополагающих параметров карбюратора.

При впуске давление в цилиндрах двигателя понижается. Наружный воздух засасывается в цилиндр, проходя через смесительную камеру (8) карбюратора, в которой находится диффузор (трубка Вентури) (6), и впускной трубопровод, распределяющий готовую смесь по цилиндрам. Распылитель помещается в самой узкой части диффузора, где, по закону Бернулли, скорость потока достигает максимума, а давление уменьшается до минимума.

Благодаря балансировочному отверстию (4) в поплавковой камере поддерживается атмосферное давление. В практически выпускаемых карбюраторах, работающих с воздушными фильтрами, вместо этого отверстия используется балансировочный канал поплавковой камеры, ведущий не в атмосферу, а в полость воздушного фильтра или в верхнюю часть смесительной камеры. В этом случае дросселирующее влияние фильтра сказывается равномерно на всей газодинамике карбюратора, который становится балансированным. Под влиянием разности давлений происходит истечение топлива из распылителя. Топливо, вытекающее из распылителя, дробится в струе воздуха, распыляется, частично испаряясь и, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. В реальных карбюраторах используется построение топливоподающей системы, при котором в распылитель подаётся не гомогенное жидкое топливо, а эмульсия из топлива и воздуха. Такие карбюраторы называют эмульсионными. Как правило, вместо одиночного диффузора используется двойной. Дополнительный диффузор имеет небольшие размеры и расположен в главном диффузоре концентрически. Через него проходит только часть общего потока воздуха. Вследствие высокой скорости в центральной части при небольшом сопротивлении основному потоку воздуха достигается более качественное распыление. Количество смеси, поступающей в цилиндры, а следовательно, и мощность двигателя регулируется дроссельной заслонкой (5), у многих карбюраторов, особенно горизонтальных, вместо поворотной заслонки используется шибер — золотник.

Характеристика идеального карбюратора совершенно не совпадает с характеристикой элементарного карбюратора. Если на основном режиме работы (средние положения дроссельной заслонки) смесь должна быть обедненной, то элементарный карбюратор ее обогащает, при пуске двигателя вместо обогащения смесь обедняется и т. д.

Для того чтобы скорректировать характеристику элементарного карбюратора и приспособить его к работе на всех режимах в конструкцию карбюратора вводится ряд специальных устройств, которые обеспечивают приготовление оптимального состава смеси для каждого из режимов работы двигателя. Такими устройствами являются:

• корректирующие устройства главных дозирующих систем;
• приспособления для облегчения пуска;
• системы холостого хода;
• экономайзеры (обогатители);
• ускорительные насосы (ускорители обогащения).

Для приготовления смеси состава, оптимального при любом режиме работы двигателя, карбюратор с постоянным сечением распылителя имеет разнообразные дозирующие устройства. Они вступают в работу или выключаются из работы в разное время или работают одновременно, обеспечивая наиболее выгодный (в отношении получения наибольшей мощности и экономичности) состав смеси на всех режимах двигателя.

Главная дозирующая система (ГДС); Система холостого хода (СХХ) с переходной системой и система вентиляции картера; Экономайзеры и эконостаты; Система рециркуляции отработанных газов; Насос-ускоритель; Пусковое устройство.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: