На индикаторные показатели дизеля

ГЛАВА 10

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

НА ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ

● Топливо. Вид топлива может оказывать влияние на индикаторные показатели дизеля вследствие изменения параметров впрыскивания и распыливания, различий в испаряемости и воспламеняемости. При изменении фракционного состава топлива (присадка легких фракций) и сохранении значения 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 значений давления впрыскивания из-за большей сжимаемости легкого топлива, а также уменьшения размера капель и увеличения угла рассеивания топливных струй из-за меньших значений вязкости и поверхностного натяжения).

Улучшение индикаторных показателей может иметь место в дизелях с пристеночным смесеобразованием вследствие уменьшения догорания и неполноты сгорания топлива. Облегчение фракционного состава приводит к снижению температуры испаряющихся капель. Это уменьшает различия в скорости испарения топлив, обладающих при одинаковой температуре разной упругостью паров. Сближение скоростей испарения особенно велико при высокой температуре среды, в которую осуществляется впрыскивание топлива, т.е. на рабочих режимах дизеля. На режимах пуска различия в скоростях испарения значительны и присадка легких фракций может облегчить запуск дизеля. На рабочих режимах влияние облегчения фракционного состава топлив на процессы воспламенения и горения связано в основном с уменьшением цетанового числа, увеличением периода задержки воспламенения (в пределе воспламенение может и вовсе не происходить) и скорости тепловыделения в фазе быстрого сгорания. Соответственно возрастают скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания, особенно при объемном смесеобразовании. Важно не только достижение высокого совершенства преобразования теплоты в работу, оцениваемого , но и обеспечение как можно большего отношения , т.к. при этом высокой оказывается удельная работа цикла ().

Рис. 25. Зависимости и от коэффициента воздуха для дизеля (а) и двигателя с искровым зажиганием (б)

● Состав смеси (нагрузка дизеля). Для дизеля ()_max имеет место при несколько обедненной, а при сильно обедненной смеси (рис. 25). Большое значение для дизеля объясняется использованием в нем неоднородной смеси.

Затруднение воспламенения может иметь место лишь при подаче в цилиндры мелкодисперсного низкоцетанового топлива, т.к. при этом смесь успевает за длительный период задержки воспламенения стать однородной.

Причинами увеличения с ростом до являются уменьшение потерь, связанных с неполнотой и несвоевременностью сгорания, и увеличение термического КПД из-за увеличения степени последующего расширения и доли двухатомных газов в заряде. Следует иметь в виду, что при падении нагрузки (увеличении ) уменьшается продолжительность впрыскивания и тепловыделения. Уменьшение при > связано с ухудшением распыливания топлива и повышением относительного количества теплоты, теряемой в охлаждающую среду. На при изменении нагрузки, естественно, влияет угол опережения впрыскивания. Наилучшие результаты получаются в том случае, если опережение впрыскивания несколько снижается при уменьшении нагрузки. Помимо повышения экономичности в зоне малых нагрузок это обеспечивает также снижение давлений сгорания, скоростей их нарастания и токсичности ОГ.

Несмотря на то, что при ()_max получается максимум , дизель никогда не регулируется на соответствующий режим работы. Связано это не только со стремлением обеспечить более высокий , но также и с тем, что при регулировке на ()_max чрезмерными оказываются дымность ОГ и тепловая напряженность деталей.

● 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 если при новых условиях удастся избежать снижения качества смесеобразования и тепловыделения.

● Степень сжатия. Увеличение в ряде случае благоприятно влияет на работу дизеля при использовании низкоцетановых топлив, так как с ростом температуры скорость предпламенных реакций увеличивается в большей степени, чем скорость испарения. Как следствие, сокращается и уменьшается количество горючей смеси, образующейся за этот период. Возрастает стабильность воспламенения топлива, уменьшается скорость нарастания давления при сгорании. Сближаются между собой характеристики работы двигателя на топливах различного фракционного состава. Однако в многотопливных двигателях с высокой 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 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. В зоне больших значений степени сжатия увеличение её не дает заметного повышения , так как невелик прирост термического КПД, а одновременно повышаются потери теплоты в охлаждающую среду и увеличивается доля воздуха, заключенного в «мертвых» зонах камеры сгорания. Могут при высокой также нарушиться оптимальные условия смесеобразования.

● Тип камеры сгорания. В случае разделенных камер сгорания повышенными оказываются тепловые и газодинамические потери, а несколько меньше. В то же время применение таких камер сгорания облегчает форсирование двигателя по частоте вращения. Это связано с большей интенсификацией смесеобразования и предпламенных реакций при увеличении n.

В дизелях с разделенными камерами сгорания продолжительность периода задержки воспламенения в нормально прогретом дизеле меньше и выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала в меньшей степени растет при увеличении n. Это обеспечивает возможность благоприятного тепловыделения при умеренных нагрузках на детали в широком диапазоне частот вращения. Дизели с разделенными камерами сгорания могут работать бездымно и с допустимой токсичностью ОГ при меньших , чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на меньшую величину , среднее давление цикла обычно не уступает дизелей с неразделенной камерой сгорания.

● Характеристики впрыскивания и распыливания. Для достижения высокого характеристики впрыскивания и распыливания должны быть подобраны так, чтобы тепловыделение в основном завершалось уже через 35...40^о после ВМТ. Вытекающие из этого требования к особенностям впрыскивания и распыливания топлива зависят от способа смесеобразования. Здесь подчеркнем лишь недопустимость подвпрыскивания и растянутого спада скорости в конце процесса, приводящих к снижению , сильному дымлению и закоксовыванию распыливающих отверстий, а также необходимость обеспечения достаточно мелкого и однородного распыливания топлива и оптимальной для каждой камеры сгорания длины топливных струй. Если нет опасности недостаточного проникновения струй топлива в объем камеры сгорания, целесообразна малая скорость нарастания давлений впрыскивания в начале процесса, так как это обеспечит более «мягкую» работу дизеля.

Рис. 26. Характеристики по углу опережения: а – впрыскивания (дизель); б – зажигания (бензиновый двигатель)

● Начало впрыскивания. С повышением увеличиваются максимальное давление сгорания скорость нарастания давления , потери теплоты в охлаждающую среду и температуры головки и цилиндра (рис. 26). Одновременно температура отработавших газов и количество теплоты, теряемой с ними, снижаются. Существует оптимальный для каждого сочетания частоты вращения и цикловой подачи топлива, при котором достигаются наиболее высокие значения и . Обычно за оптимальный принимают значение меньше того, при котором достигаются и . Связано это с тем, что уменьшение до определенных пределов от оптимального значения обеспечивает существенное снижение , и содержания оксидов азота при сравнительно небольшом ухудшении индикаторных показателей и повышении дымлении.

● Наполнение цилиндров. При неизменной цикловой подаче топлива увеличение и ведет к пропорциональному росту . Это сопровождается увеличением и .

В случае изменения цикловой подачи топлива пропорционально росту произведения () неизменным останется . Если избежать существенного удлинения впрыскивания и нарушения оптимальных условий смесеобразования, то ухудшается незначительно и растет почти пропорционально (). Для дизелей с однополостной камерой сгорания и большим количеством распыливающих отверстий увеличения можно добиться, если использовать два впускных клапана на цилиндр и уменьшить S/D. Оба эти мероприятия способствуют увеличению проходных сечений впускных клапанов. В дизелях с камерой в поршне и малым количеством распыливающих отверстий минимальное сечение системы впуска располагается нередко во впускном канале, а не в клапане. Последнее связано с необходимостью обеспечения высокой исходной скорости вращения заряда, зависящей от скорости воздуха в канале. Поэтому увеличение проходного сечения во впускных клапанах не приводит к заметному росту . Следует также иметь в виду, что при уменьшении S/D в дизелях с камерами сгорания в поршне, имеющими малое , заметно возрастает объем «мертвых» зон, что неблагоприятно влияет на развитие тепловыделения.

● Параметры окружающей среды. При увеличении температуры атмосферного воздуха и снижении его давления уменьшается массовое наполнение. В случае неизменной предельной подачи топлива это сопровождается пропорциональным снижением , что, в свою очередь, ведет к уменьшению и . Следует отметить, что каждому дизелю свойственна своя зависимость , поэтому степень влияния атмосферных условий на мощностные и экономические показатели различных дизелей неодинакова.

Изучение влияния атмосферных условий на показатели различных дизелей позволило предложить приближенные формулы для приведения показателей к стандартным условиям.

Параметры дизелей с газотурбинным наддувом в меньшей степени зависят от атмосферных условий. Это связано с повышением энтальпии ОГ при снижении из-за уменьшения давления или повышения температуры окружающей среды. В результате увеличивается частота вращения турбокомпрессора, что в некоторой мере компенсирует снижение .

● Частота вращения. Если при изменении частоты вращения не изменяется, то , как правило, несколько увеличивается с ростом n в связи с уменьшением неполноты сгорания и снижением потерь теплоты в охлаждающую среду. С ростом n улучшается распыливание топлива, обычно благоприятно изменяется сочетание скоростей подачи топлива и движения заряда, что положительно влияет на развитие сгорания. Поэтому, несмотря на увеличение выраженной в градусах продолжительности впрыскивания, возрастает. Из графиков, приведенных на рис. 27 видно, что увеличивается с ростом n, несмотря на некоторое снижение . На характер изменения и в функции частоты вращения заметное влияние оказывает регулировка угла опережения впрыскивания.

При увеличении n возрастают выраженные в градусах продолжительность впрыскивания, запаздывание его начала 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 должен увеличиваться. В большинстве используемых вариантов системы топливоподачи , напротив, снижается при увеличении n.

Рис. 27. Зависимости , и от частоты вращения

Для обеспечения наиболее благоприятного характера изменения индикаторных показателей во всем диапазоне n в дизелях, имеющих широкий диапазон частот вращения, целесообразно применять автоматические устройства для изменения .