Влияние конструктивных, эксплуатационных и режимных факторов на процесс сгорания, отдельные его фазы и показатели действительного цикла двигателей

От характера протекания процесса сгорания в большей степени зависят основные технико-экономические показатели работы двигателей.

Как уже было показано, большое влияние на процесс сгорания в целом оказывает продолжительность периода задержки саовоспламенения.

Различные факторы, влияющие на период задержки воспламенения и процесс сгорания, в целом можно разбить на химические, физические, конструктивные и эксплуатационные.

Химическими факторами могут быть: род топлива, концентрация кислорода, количество остаточных газов, катализаторы и присадки Наиболее сильное влияние на период задержки воспламенения оказывает род применяемого топлива.

Из физических факторов, существенно влияющих на процесс сгорания, можно выделить давление и температуру рабочего тела в конце процесса сжатия.

К основным конструктивным факторам относятся, степень сжатия, угол опережения впрыска топлива, материал камеры сгорания и тип применяемой топливной аппаратуры.

Из эксплуатационных факторов наибольшее влияние на процесс сгорания оказывает изменение режима работы двигателя.

Рассмотрим влияние различных факторов на процесс сгорания.

Свойства топлива. Рассмотрение процессов, протекающих в первой фазе сгорания, показывает, что продолжительность периода задержки воспламенения зависит от целого ряда конструк­тивных и эксплуатационных факторов. Поэтому принято склон­ность топлива к самовоспламенению оценивать цетановым числом, под которым понимается процентное (по объему) содержание цетана (С_1б-Н₃₄) в смеси с a-метилнафталином (С₁₀-Н₇-СН₃), кото­рая имеет такой же период задержки самовоспламенения, как и данное топливо.

В качестве топлива, имеющего наименьший период задержки самовоспламенения, выбран углеводород парафинового ряда — нормальный цетан, а в качестве топлива с наибольшим периодом задержки самовоспламенения выбран углеводород ароматического ряда а-металнафталин.

Цетановое число цетана принято за 100, а цетановое число а-метилнафталина — за 0. Если цетановое число топлива равно 40, то это топливо имеет период задержки самовоспламенения такой же, как и у смеси, содержащей по объему 40% цетана и 60% а-метилнафталина.

Дизельные топлива имеют цетановые числа, равные 40—50. Дальнейшее увеличение цетанового числа оказывает незначительное влияние на величину периода задержки самовоспламенения (Рисунок 7.16.).

Увеличение цетанового числа приводит к сокращению \ при практически неизменном t_ф, поэтому по мере уменьшения t_х его влияние на период задержки самовоспламенения t₁, уменьшается.

Большое влияние оказывает цетановое число на рабочий про­цесс дизеля при низкой температуре в конце сжатия, что харак­терно при запуске.

Эксперименты показывают, что время запуска существенно уменьшается при применении топлив с большим цетановым числом Если время запуска двигателя на топливе с цетановым чис­лом 54 составляло 3с, с цетановым числом 45—26 с, то при применеиий топлива с цетановым числом 38 время запуска будет равно 45—50 с.

Влияние сорта топлива на процесс самовоспламенения и сгорания в дизеле видно из развернутых индикаторных диаграмм (Рисунок 7.17.).

Кривые А, В и С показывают характер изменения давления в цилиндре двигателя при его работе на топливах с различными цетановыми числами (100, 0 и 50).

 

 

Рисунок 7.16. Зависимость периода задержки самовоспламенения от цетанового числа топлива

Рисунок 7.17.Изменение давления в цилиндре дизеля при работе на различных сортах топлив

Рисунок 7.18.Зависимость периода задержки самовоспламенения от температуры горючей смеси

Рис 7.19. Влияние степени сжатия на температуру в конце сжатия Т_с, температуру самовоспламенения Т_s и период задержки самовоспламенения t_i;

 

Цетановое число топлива, определяя характер процесса сгорания, существенно влияет на нагарообразование, износ и дымность выхлопа дизелей. Чем ниже цетановое число, тем выше дымность выхлопа, тем более интенсивно идет нагарообразование и износ дизеля. Однако увеличение цетанового числа выше 65 приводит также к увеличению дымности выхлопа. Это объясняется тем, что при слишком малом периоде задержки самовоспламенения топли­во не успевает перемешиваться с воздухом и в результате термического распада углеводородных молекул в продуктах сгорания появляется сажа и другие продукты неполного окисления.

Угол опережения впрыска топлива. Начало подачи топлива в цилиндр оказывает существенное влияние на развитие процесса сгорания, на мощность и экономичность двигателя. Наивыгоднейший угол опережения впрыска топлива, обеспечивающий наибольшую мощность и экономичность двигателя при допустимых значениях скорости нарастания давления и максимального давления сгорания, устанавливается опытным путем на заводе-изготовителе и зависит от быстроходности, способа смесеобразования, закона подачи топлива, степени сжатия идругихособенностей двигателя.

С уменьшением угла опережения впрыска топлива по сравнению с наивыгоднейшим углом опережения процесс сгорания сдвигается на линию расширения.

Период задержки самовоспламенения уменьшается, но сгорание начинается при быстром увеличении объема над поршнем. Скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания уменьшаются (Рисунок 7.23.,а). Индикаторная работа уменьшается, а

 

 

Рисунок 7.22. Индикаторные диаграммы дизеля при трех значениях угла опережения впрыска топлива:

1 - q =10°; 2— q =15°;

3— q =20°

 

 

экономичность работы двигателя ухудшается. При очень позднем впрыске топливо догорает в такте расширения, что приводит к увеличению содержания частиц несгоревшего топлива в составе выхлопных газов.

При очень большом опережении угла впрыска подача топлива начинается при относительно низких температуре и давлении воздуха в цилиндре, что приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения. При постоянном законе подачи топлива в течение периода задержки самовоспламенения впрыскивается большое количество топлива, быстрое сгорание которого в ходе сжатия приводит к резкому увеличению скорости нарастания давления и максимального давления сгорания.

Рисунок 7.22.Влияние угла опережения впрыска топлива на рабочий процесс дизеля:

а — поздний впрыск; б — ранний впрыск

 

Максимальное давление в цилиндре может развиваться до прихода поршня н в.м.т. При дальнейшем движении поршня в в.м.т. теплоотдача в стенку превышает тепловыделение за счет догорания топлива, что вызывает некоторое уменьшение давления, а в начале хода расширения из-за интенсивной теплоотдачи давление в, цилиндре становится меньше, чем в конце хода сжатия (Рисунок 7.22,6). На диаграмме действительного цикла в координатах р—V появляется петля, изображающая отрицательную работу. Индикаторнаяработа уменьшается, что ухудшает экономичность работы двигателя.

При правильной регулировке угла опережения подачи топли­ва удается обеспечить незначительное догорание на линии расширения, относительно невысокие тепловые потери и хорошую эко­номичность двигателя.

Закон подачи топлива. Закон подачи топлива, т. е. зависимость количества подаваемого топлива в цилиндр по углу пово­рота коленчатого вала, оказывает существенное влияние на уп­равляемость процессом сгорания.

Закон подачи топлива должен быть таким, чтобы была сведена к минимуму неуправляемая часть процесса. Чем больше период задержки самовоспламенения, тем большая часть цикловойподачи топлива поступает в цилиндр. Так как в течение второй фазы сгорает все топливо, впрыснутое за первую фазу, и часть топлива, впрыскиваемого во второй фазе, то сгорание большего количества топлива приводит к резкому нарастанию давления во второй фазе и к увеличению максимального давления сгорания.

Рисунок 7.23. Влияние закона подачи топлива на процесс сгорания

Рисунок 7.24. К определению температуры рабочего тела в конце видимого сгорания

 

На Рисунок 7.22.приведены индикаторные диаграммы для двух законов подачи топлива при одинаковом угле опережения впрыска. Закону подачи топлива, изображенному кривой 1, соответствует изменение давления в цилиндре по углу поворота коленчатого вала, изображенному кривой 2.

С увеличением продолжительности подачи топлива (кривая 3} уменьшаются скорости нарастания давления сгорания, а общая длительность процесса растет за счет увеличения продолжитель­ности третьей и четвертой фаз сгорания (кривая 4).