- •Четырехтактный цикл карбюраторного двиг
- •§ 1. Уравновешивание двигателей
- •Сгорание в двигателях с искровым зажиганием, (карб. Двиг)
- •Двухтактный цикл
- •Смесеобразование в дизеле
- •3. Индикаторный к. П. Д. И удельный индикаторный расход топлива
- •Сгорание в дизелях
- •Влияние отдельных факторов на процесс сгорания в дизеле
- •§ 3. Нагрузочная характеристика
3. Индикаторный к. П. Д. И удельный индикаторный расход топлива
Если известна индикаторная работа, совершаемая двигателем. Для этого при испытании необходимо получить индикаторную диаграмму. При индицировании быстроходного двигателя обычно получают давление в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Если известна теплота сгорания топлива, то индикаторный к.п.д. .Эффективная мощность и механические потери
Мощность двигателя, передаваемую от коленчатого вала потребителю, называют эффективной и обозначают Nе. Она меньше индикаторной Ni на величи-ну мощности механических потерь Мм, Мощность механических потерь, а также эффективную мощность аналогично индикаторной принято относить к
единице рабочего объема цилиндра и выражать в
где Р\ и /^—положительная и отрицатель-пая площади диаграммы.
Ввиду того что при .построении диаграммы крутящего момента двигателя не учитывались трение 'и затраты на приведение в движение вспомогательных механизмов, действительный эффективный крутящий момент Ме, снимаемый с вала, меньше полученного среднего суммарного крутящего момента
где г\м — механический к.пд.
Момент (Мкр)ср представляет собой средний индикаторный момент двигателя;
он изменяется пропорционально работе газов за цикл, так как работа сил инерции за каждый оборот двигателя равна нулю.
При прочностном расчете коленчатого вала необходимо знать изменения момента. вызывающего скручивание той или иной коренной шейки- Для этого надо найти сумму крутящих моментов отдельных цилиндров, начиная с первого колена и кончая коленом, предшествующим рассматриваемой шейке. Эта сумма называется набегающим моментом на данную коренную шейку.
Суммирование моментов необходимо производить с учетом порядка' работы цилиндров и 'с соблюдением угловых смещений слагаемых в соответствии с углами, под которыми расположены колена.
Закон изменения набегающего момента по углу поворота вала для каждой коренной шейки характеризуется кривой, которую можно получить графическим суммированием кривых крутящих моментов соответствующих цилиндров .с выполнением указанных выше условий.
В двухрядных двигателях для нахождения набсгаюших моментов на шейки следует предварительно построить кривые результирующих моментов, действующих на каждое колено от двух цилиндров.
Сгорание в дизелях
В дизелях топливо впрыскивается в нагретый сжатием воздух, имеющий температуру 450—550° С и давление 3- 4 Мн/м2 (30— 40 кГ/см2}. Подача топлива начинается до в.м.т. и может заканчиваться как до в.м.т., так и после нее. Подача топлива начинается в точке1. Угол между началом впрыскивания топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыска.
В течение некоторого времени после начала впрыска горение еще отсутствует; давление в этот период изменяется из-за продолжающегося сжатия, причем вначале происходит некоторое снижение температуры, а соответственно и давления сжимаемого воздуха вследствие затраты теплоты на нагревание испарение поданного топлива. В течение указанного периода развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги самовоспламенения и давление начинает повышаться в результате выделяющейся теплоты сгорания.
Точку 2, в которой линия повышения давления вследствие сгорания отрывается от линии сжатия чистого воздуха, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени Qi (в градусах поворота коленчатого вала) между точками 1 и 2 — за период задержки воспламенения или период индукции. К моменту окончания периода задержки в цилиндр успевает поступить некоторое количество топлива. В результате сгорания в цилиндре этого топлива, значительная часть которого успела испариться и образовать с воздухом горючую смесь, а также вследствие частичного сгорания топлива, продолжающего поступать через форсунку, давление на участке 2—3 быстро повышается. Период Q1 так называемого быстрого сгорания является первой фазой процесса сгорания в дизелях, следующей за периодом задержки, являющимся как бы подготовительной фазой.
После фазы быстрого сгорания наступает фаза замедленного горения, в течение которой давление изменяется незначительно. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется скоростями смешения паров топлива с воздухом. Объем камеры сгорания в течение второй фазы непрерывно увеличивается из-за движения поршня, в связи с чем точка 4, соответствующая максимуму средней температуры цикла,. лежит правее точки 3 максимума давления. Тепловыделение продолжается и после достижения максимума температуры вследствие наличия догорания. Скорость догорания определяется скоростью диффузии и турбулентного смешения с воздухом остатков находящегося в цилиндре несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси.
За момент окончания первой фазы процесса сгорания Q1 условно принимают точку максимума давления на индикаторной диаграмме, а за момент окончания второй фазы замедленного сгорания Q2 и начало третьей фазы догорания Q3—точку максимума температуры цикла. Фаза догорания захватывает значительную часть такта расширения. При неблагоприятных условиях организации процесса сгорания полного тепловыделения вообще не происходит, и в отработавших газах содержатся сажа, окись углерода и небольшие количества продуктов разложения жидкого топлива. Сгорание в третьей фазе характеризуется постепенным замедлением скорости тепловыделения вплоть до нуля, так как условия догорания топлива делаются все менее благоприятными уменьшается количество неизрасходованного кислорода, заряд все более разбавляется продуктами сгорания, процесс протекает при увеличении объема и уменьшении температуры и давления. Продолжительность фазы догорания может соответствовать 70—80° угла поворота коленчатого вала от в.м.т., причем общее тепловыделение обычно не превышает 95—97%. При переносе значительной доли тепловыделения в такт расширения сильно снижается эффективность использования выделяющейся теплоты, уменьшается экономичность двигателя и повышаются температуры на выпуске.
На продолжительность задержек воспламенения влияет ряд факторов, а именно: а) химические свойства топлива—его воспламеняемость, оцениваемая цетановым числом; б) температура и давление сжатого воздуха в цилиндре в момент впрыска топлива; в) мелкость распыливания топлива; г) характер вихревого движения заряда; д) наличие в камере сгорания нагретых поверхностей.
Топливо, поступающее в камеру после того, как уже началось горение (в течение первой и в начале второй фаз), в основном воспламеняется в результате его смешения с горячими продуктами сгорания и еще горящими газами, при этом необходимо, чтобы одновременно пары топлива смешивались также с достаточным количеством воздуха. Это достигается соответствующим сочетанием вихревого движения воздушного заряда с направлениями струй впрыскиваемого топлива. Например, в однополостной камере сгорания создается вращательное (тангенциальное) движение воздуха, в то время как топливные струи направлены радиально, Очаги самовоспламенения возникают в наружных оболочках топливных струй со стороны, противоположной набегающему воздушному потоку, где концентрация паров топлива выше. Затем пламя распространяется по поверхности топливных факелов также преимущественно с задней их стороны. При этом продукты сгорания сносятся воздушным потоком, так что последующие капли впрыскиваемого топлива снова встречают на своем пути чистый нагретый воздух.
Процесс сгорания в дизелях наряду с некоторыми недостатками имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом сгорания в карбюраторных двигателях, чем и объясняется высокая топливная. экономичность дизелей.
В связи с подачей топлива в "цилиндр лишь в самом конце такта сжатия полностью отпадает возможность преждевременного воспламенения и практически исключается опасность детонации. В некоторых случаях процесс воспламенения в дизелях также может быть взрывным и сопровождаться «стуком», который является результатом возникновения ударных волн, но при этом отсутствует тенденция их усиления. В отличие от двигателей с искровым зажиганием повышенный разогрев камеры сгорания дизеля, связанный с увеличенной теплоотдачей от горячих газов в стенки при наличии ударных волн, приводит к сокращению задержек воспламенения и ослаблению «стука».
Другое весьма важное преимущество дизелей заключается в возможности практически неограниченного обеднения смеси (если условно рассматривать эту смесь как состоящую из всего количества поступающего в цилиндры воздуха и топлива). Это позволяет изменять мощность двигателя только за счет уменьшения количества топлива, впрыскиваемого за один цикл, без изменения количества воздуха, т. е. применять чисто качественное регулирование мощности вплоть до холостого хода. При этом в отличие от двигателей с искровым зажиганием скорость и полнота сгорания в дизелях по мере уменьшения количества подаваемого за цикл топлива до некоторых пределов, отвечающих аобщ= 3—3,5, не только не уменьшаются, а наоборот, возрастают. Это связано с тем, что впрыскиваемое жидкое топливо не успевает равномерно смешаться с находящимся в камере сгорания воздухом, и в действительности смесь в зонах горения оказывается значительно более обогащенной по сравнению с аобщ
С другой стороны, наличие неоднородной смеси является причиной одного из основных недостатков дизелей—невозможности получения достаточно полного и бездымного сгорания при уменьшении общего коэффициента избытка воздуха ниже некоторых пределов (а< 1,35—1,5), зависящих от конструктивных особенностей двигателя и применяемой топливной аппаратуры; полнота сгорания уменьшается и в отработавших газах появляется дым (сажа). Дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива приводит к тому, что мощность двигателя не только перестает увеличиваться, но начинает падать, причем дымление резко усиливается, так как при низком общем коэффициенте избытка воздуха догорание образующейся сажи сильно затрудняется.
При значительном обеднении смеси (а >3), соответствующем весьма малым нагрузкам двигателя, полнота сгорания также обычно несколько ухудшается. Это связано с понижением температурного режима двигателя, приводящим к возрастанию задержек воспламенения и соответственно к нарушению условий смесеобразования. При больших задержках значительная часть капель топлива успевает испариться и образовать зоны однородной переобедненной смеси, в которых горение сильно замедлено или вообще невозможно.