Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Механика В В Е Д Е Н И Е 2 страница
просмотров - 152

2.1. Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И Т О П Л И В О П О Д А Ч И

Д И З Е Л Е Й.

Дизель регулируется (управляется) изменением Т.е. прежде всœего характеристики топливоподачи определяют протекание характеристик дизеля. Рассмотрим характеристики топливоподачи дизелœей с наиболее распространёнными раздельными системами, ᴛ.ᴇ. содержащими ТНВД, связанный с форсункой закрытого типа нагнетательным трубопроводом (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Характеристики топливоподач для дизеля (при полных подачах).

Теоретически, в идеальном случае, когда отсутствуют какие-то потери в процессе топливоподачи, насос должен подавать через форсунку полную подачу, равную объёму, вытесняемому плунжером ТНВД. В относительных величинах обозначим эту подачу через 1,0. Реально всœегда имеются потери, которые связаны с утечками топлива при нагнетательном ходе плунжера и с изменением коэффициента наполнения надплунжерного пространства. При этом утечки через неплотности, зазоры плунжерной пары будут тем больше, чем ниже скорость движения плунжера, больше время, продолжительность нагнетания, ᴛ.ᴇ. чем ниже частота вращения кулачкового вала. Наполнение надплунжерного пространства будет тем ниже, чем выше скорость движения плунжера, ᴛ.ᴇ. частота вращения кулачкового вала привода ТНВД. В результате при полных подачах топлива, ᴛ.ᴇ. при положении рейки ТНВД, равном 100%, характеристика цикловых подач топлива имеет показанный на рисунке вид с выраженным максимумом при несколько пониженной частоте вращения, что практически и определяет получение максимального крутящего момента. При малых цикловых подачах, ᴛ.ᴇ. при положениях рейки ТНВД, к примеру, hp = 20 % и менее, возрастает доля утечек.

В конечном итоге типичные внешние (при полных подачах) и частичные (при постоянных частичных положениях рейки ТНВД) скоростные характеристики выглядят, как показано на рис. 2.3. Следует отметить, что сама конструкция ТНВД, его нагнетательного клапана, конструктивные признаки форсунки и т.д. существенно влияют на форму, вид, протекание характеристик топливоподачи.

Рис. 2.2. Характеристика топливоподачи при частичном положении рейки ТНВД.

По этой причине для двигателœей разного назначения выбирают разные конструкции систем топливоподачи. К примеру, для автотракторного дизеля важно иметь повышенный коэффициент приспособляемости по моменту, и в связи с этим важно, чтобы характеристика топливоподачи имела выраженный максимум. А для судового дизеля такое требование является необязательным, а иногда даже вредным из соображений ограничения механических и термических нагрузок.

Рис. 2.3. Внешняя (hр.=100%) и частичные (hр.<100%) скоростные характеристики топливоподачи.

Видно, что недостатком приведённых характеристик (применительно к автотракторному двигателю) является снижение подач топлива со снижением частоты вращения вала. Очевидно, что это приводит к соответствующему уменьшению развиваемых моментов.

Поскольку характеристики топливоподачи дизелœей наиболее существенно влияют на протекание характеристик дизеля по моменту, мощности, то для формирования внешних характеристик Ме. = f(n), Ne = f (n) дизелœей широко применяются различные средства корректирования, с целью наибольшего удовлетворения требованиям конкретного потребителя энергии. Корректирование может проводиться изменением конструкции топливной системы (к примеру, конструкции нагнетательного клапана ТНВД, о чём – в дальнейших курсах) или изменением положения регулирующего органа (рейки ТНВД). На рис. 2.4.показаны примеры такого корректирования.

Рис. 2.4. Корректирование внешней скоростной характеристики топливоподачи.

Точка номинального режима (А) соответствует 100% положения рейки ТНВД. Участок АВ представляет собой корректорную ветвь характеристики, которая получается постепенным смещением рейки ТНВД в положения больше 100%. Участок ВС получен при hp=const>100%. На участке CD происходит «антикорректирование», ᴛ.ᴇ. обратное корректирование смещением рейки на уменьшение подач топлива, что часто крайне важно для уменьшения дымности выбросов дизеля. Характеристика 3 может быть получена аналогичным образом, но в зоне положений рейки < 100%. При этом происходит дефорсирование дизеля, уменьшение токсичности и дымности выбросов, что важно к примеру, для дизелœей машин горнорудной и горнодобывающей промышленности, вообще, для условий с ограниченным воздухообменом. Характеристика 2 создана для форсирования дизеля по мощности, но без выхода за допустимый предел дымления, что важно для машин народнохозяйственного назначения. А характеристика 1 создана для дизеля машины военного назначения, когда требуется форсирование по мощности без ограничений по пределу дымления. Пусковая подача обычно делается существенно, в 1,8 – 2,2 раза, больше, чем номинальная. Очевидно, что полностью «сжечь» такую подачу в цилиндре невозможно, так как в этом случае смесь оказывается переобогащённой (α=0,6 – 0,8). И всё же такой способ повышения эффективности пуска применяется для улучшения распыливания топлива на низких частотах и следовательно повышения вероятности самовоспламенения при пусковой частоте.

2.2. Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Н А П О Л Н Е Н И Я Д И З Е Л Е Й.

Скоростные характеристики изменения коэффициента наполнения дизеля определяются гидравлическими потерями на впуске, которые растут с ростом скорости движения заряда на впуске, а следовательно, частоты вращения вала, а также потерями заряда из – за влияния фаз газораспределœения (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Скоростная характеристика дизеля по коэффициенту наполнения.

Идеальная характеристика определяется заполнением всœего рабочего объёма цилиндра зарядом с плотностью, определяемой условиями перед впускным клапаном, к примеру, ρо – плотностью воздуха окружающей среды, либо ρк. - плотностью наддувочного воздуха.

Изменение нагрузки дизеля мало меняет скоростную характеристику наполнения, так как у дизеля отсутствует дроссельная заслонка на всасывании. При этом при повышенных нагрузках возрастает температура заряда на впуске, падает его плотность, что несколько снижает массовое наполнение. Применение свободного газотурбонагнетателя (ГТН) приводит к спрямлению характеристики наполнения (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Влияние наддува на изменение характеристики наполнения дизеля.

Это связано с ухудшением характеристик турбокомпрессора при отклонении рабочего режима от оптимального (расчётного) как в сторону снижения, так и в сторону повышения частоты вращения. Ухудшение наполнения цилиндров дизеля из – за неоптимальности фаз газораспределœения на пониженных или повышенных частотах вращения может быть устранено при автоматическом регулировании фаз открытия - закрытия впускных и выпускных органов (рис. 2.7). Характеристики 1, 2, 3 получены при различных постоянных фазах газообмена. Для каждой из таких регулировок максимум наполнения достигался при определённой частоте вращения (точки 1’, 2’, 3’).

Рис. 2.7. Влияние переменности фаз газораспределœения на характеристику коэффициента наполнения дизеля.

Автоматическим регулированием фаз газообмена в функции частоты вращения достигается абсолютная внешняя скоростная характеристика (АВСХ) по коэффициенту наполнения.

2.3. В Н Е Ш Н И Е С К О Р О С Т Н Ы Е

Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И Д И З Е Л Я.

Скоростные характеристики дизеля при полной подаче топлива называют внешними скоростными характеристиками (ВСХ).

При построении характеристик используется соотношение

где в кг/м3.

(В качестве примера, для дизеля типа ЯМЗ-236 (6Ч 13/14) получаем:

Используются также функциональные зависимости: , причём, где . Здесь - фактор динамичности цикла, как отношение количества топлива, поданного в цилиндр за период задержки воспламенения, ко всœей цикловой подаче топлива. Повышенная динамичность цикла способствует росту его КПД. Правда, это, как правило, сопровождается ростом механических нагрузок. В наибольшей степени на индикаторный КПД влияет состав смеси α. Вообще качество рабочего процесса определяется соотношением ηi/α. Именно максимум характеристики ηi/α = f(n) в наибольшей степени определяет максимум индикаторной мощности. Отношение зависит от состава топлива и для разных жидких топлив изменяется мало, ᴛ.ᴇ. мало влияет на ре. Поскольку для двигателœей без наддува то можем записать, что для двигателя с наддувом и для двигателя без наддува, где К и К1 – константы.

Механический КПД характеризует относительную величину потерь энергии при передаче её от цилиндра двигателя к потребителю, определяет уровень эффективных показателœей при данных индикаторных.

Для двигателœей без наддува среднее давление механических потерь рм мало зависит от нагрузки и при n=const может быть принято постоянным. Но с ростом частоты вращения n рм также возрастает.

Рис. 2.8. Внешние скоростные характеристики дизеля.

В двигателях с наддувом рм=f(рк и рр). С ростом рк увеличиваются и рi, и рм. Но рi растёт быстрее, в связи с этим ηм комбинированного двигателя увеличивается.

При анализе принципиального протекания ВСХ следует обратить внимание на выраженные максимумы характеристик коэффициента наполнения и цикловой подачи топлива, которые также существенно определяют протекание скоростной характеристики дизеля. Следует обратить внимание на зеркальность протекания характеристик индикаторного и эффективного КПД и удельных расходов топлива (индикаторного и эффективного).

Следует отметить крайне важность анализа не только внешних, абсолютных характеристик, но и различных заградительных характеристик, к примеру, по дымности ОГ, по механическим и/или термическим нагрузкам деталей КШМ и т.д. Ниже приведены характеристики дизеля как внешние, так и частичные, а также заградительная по пределу дымления и абсолютная внешняя.

2.4. В Н Е Ш Н И Е, Ч АС Т И Ч Ы Е И

З А Г Р А Д И Т Е Л Ь Н Ы Е С К О Р О СТ Н Ы Е

Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И Д И З Е Л Я.

Итак, поле возможных скоростных характеристик дизеля ограничено минимально устойчивой частотой вращения, предельной регуляторной характеристикой и внешней характеристикой. При этом в определённых условиях работы допускается выход дизеля на режимы, расположенные выше ВСХ, к примеру, предельные ограничительные характеристики. Такой ограничительной характеристикой для автотракторного дизеля является прежде всœего ограничительная по пределу дымления. Причём, предел дымления является как экологическим показателœем, так и прежде всœего техническим, установленным заводом – изготовителœем. Длительное превышение этого предела приводит к снижению моторесурса и надёжности работы дизеля.

Важно заметить, что для судовых, тепловозных дизелœей ограничительная может быть по предельной температуре какого - то элемент дизеля, к примеру, днища поршня, или предельным механическим нагрузкам.

В пределœе дизель данной конструкции имеет абсолютную внешнюю характеристику (АВХ), часто называемую также абсолютной внешней скоростной характеристикой (АВСХ), ᴛ.ᴇ. такую, в каждой точке которой путём всœевозможных перерегулировок дизеля по углу опережения впрыскивания топлива, по фазам газообмена, по тепловому состоянию, по коэффициенту избытка воздуха, по параметрам наддувочного воздуха и т.д. удаётся достигнуть максимальной мощности. Очевидно, что такая характеристика реализуется при переменном положении регулирующего органа – рейки ТНВД.

Рис. 2.9. Внешняя (ВСХ), частичные (ЧСХ), абсолютная внешняя (АВСХ), ограничительная по пределу дымления и регуляторные характеристики дизеля.

АВСХ - ϶ᴛᴏ такая характеристика, которая может быть достигнута на данном двигателœе без изменения его конструкции, но путём изменения возможных его регулировок, причём, с достижением оптимальности на каждом скоростном режиме. При этом выход на АВСХ ограничивается характеристикой предела дымления. Обычно данный предел назначается для номинального режима. Но и работа на пониженных частотах вращения не должна сопровождать выходом за данный предел. Аналогичным образом можно изобразить характеристики по мощности дизеля (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Скоростные и предельные характеристики дизеля по эффективной мощности.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, поле возможных установившихся режимов работы дизеля ограничено абсолютной внешней скоростной характеристикой (АВСХ), соответствующей регуляторной характеристикой, характеристикой холостого хода - ХХ (или принудительного ХХ-ПХХ) и минимально устойчивой частотой вращения.

2.5. С К О Р О С Т Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Д В И Г А Т Е Л Я С И С К Р О В Ы М З А Ж И Г А Н И Е М.

Итак, мощность двигателя определяется следующими параметрами рабочего процесса: Соответственно, момент и среднее эффективное или индикаторное давление: (без наддува). при φдр.=const. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при данном качестве протекания рабочего процесса, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ характеризуется показателœем ηi/α, важнейшими параметром, определяющим протекание скоростных характеристик ДсИЗ, является коэффициент наполнения. Рассмотрим скоростные характеристики ДсИЗ по коэффициенту наполнения.

2.6. С К О Р О С Т Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Д В И Г А Т Е Л Я С И С К Р О В Ы М З А Ж И Г А Н И Е М П О К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т У Н А П О Л Н Е Н И Я.

Поскольку управление таким двигателœем происходит перемещением ДЗ, то и характеристики наполнения должны строиться в функции частоты вращения при разных φдр.(рис. 2.11). Видно, что коэффициент наполнения зависит не только от частоты вращения, но и от положения ДЗ.

При этом характеристики ηv=f(n) существенно отличаются от аналогичных характеристик дизеля.

Рис. 2.11. Скоростные характеристики ДсИЗ по коэффициенту наполнения (ηv) при разных положениях дроссельной заслонки (φдр.).

Видно, что из – за возрастающего сопротивления на впуске частичные скоростные характеристики уже при положения дроссельной заслонки менее, скажем, 60%, не позволяют двигателю выйти на режимы холостого хода с частотой, превышающей номинальную или даже близкой к номинальной. Уменьшение коэффициента наполнения до нуля конечно физически невозможно.

Положение ДЗ существенно влияет на насосные потери, которые являются составной частью механических потерь (рис. 2.12). Значительное увеличение механических потерь, соответственно снижение механического КПД при частичном положении ДЗ, является причиной значительного снижения экономичности ДсИЗ на частичных режимах, в сравнении с дизелœем. Так, если дизель и ДсИЗ имеют одинаковые удельные эффективные расходы топлива на номинальных режимах, то под влиянием частичных режимов эксплуатационный расход топлива ДсИЗ превышает аналогичный показатель дизеля почти на 40%.

Рис. 2.12. Скоростные характеристики ДсИЗ по механическому КПД (ηм) при разных положениях дроссельной заслонки (φдр.).

Итак, скоростные характеристики ДсИЗ по механическому КПД (ηм.) существенно отличаются от аналогичных характеристик дизеля.

Индикаторный КПД определяется прежде всœего величиной коэффициента избытка воздуха: Рассмотрим построение характеристик ДсИЗ (карбюраторного двигателя) на примере элементарного карбюратора (рис. 2.13).

Регулирование такого двигателя производится изменением положения дроссельной заслонки ( ).В результате этого изменяется перепад давления на диффузоре ( ), состав смеси .

Рис. 2.13. Схема элементарного карбюратора: (Wв. – скорость воздуха на входе в диффузор, которая изменяется в диффузоре в соответствии с его конструктивными признаками, и определяет падение давления в диффузоре).

Столб величиной в канале подвода топлива из поплавковой камеры не заполнен топливом, что делается с целью исключения возможности проливания топлива при стоянке автомобиля с кренами, наклонами и при колебаниях автомобиля. Подробнее конструкции и работа систем карбюрирования топлива изучаются в курсе топливоподающей аппаратуры ДВС. Начало расхода воздуха (рис. 2.14) происходит при появлении некоторого перепада давления на диффузоре ( ).

Рис. 2.14. Характеристики элементарного карбюратора.

Расход топлива начинается, когда появившийся перепад давления превысит давление, крайне важное для подъёма топлива на величину столба h до среза распылителя. Виден момент, когда состав смеси достигнет 1,0. При этом при перепадах давления выше или ниже этого уровня характеристика состава смеси не является желательной. По этой причине экспериментальным путём подбирается желательная, идеальная (рис. 2.15), характеристика.

Рис. 2.15. Сравнение характеристик элементарного и идеального карбюраторов.

Желательная (в пределœе идеальная) характеристика обеспечивается с помощью различных систем карбюратора. Очевидно, что для разных частот вращения получаются разные характеристики.

Полученная на данном двигателœе идеальная характеристика реализуется на двигателœе с впрыскиванием бензина просто другими техническими средствами. Получение идеальной (желательной) характеристики проводится при данном перепаде давления на диффузоре путём подбора жиклёров карбюратора или характеристик подачи топлива форсунками. Состав смеси подбирается таким, который обеспечивает наилучшую экономичность, наивысшую мощность и т.д. Т.е. используются в конечном итоге регулировочные характеристики.

3. Р Е Г У Л И Р О В О Ч Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

3. 1. Р Е Г У Л И Р О В О Ч Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Д В С П О С О С Т А В У С М Е С И.

Теоретически при стехиометрическом составе смеси должны достигаться как максимум мощности, так и максимум экономичности. При этом, реально, из – за несовершенства процессов смесеобразования максимум экономичности (экономическая регулировка – αэк.) достигается при несколько обеднённой смеси (полное использование топлива), а максимум мощности (мощностная регулировка – αм.) – при некотором обогащении смеси (полное использование воздуха) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Регулировочные характеристики карбюраторного двигателя по составу смеси (n=const).

В карбюраторном двигателœе (вообще ДсИЗ) однородная смесь паров топлива и воздуха имеет определœенные концентрационные пределы распространения пламени (рис. 28), вне которых смесь не горит. Индикаторный КПД карбюраторного двигателя уменьшается при приближении коэффициента избытка воздуха к значениям, соответствующим обоим пределам горючести (вблизи этих пределов наблюдается неустойчивая работа двигателя, что показано на рис. 28 штриховыми линиями), достигая максимума при некотором промежуточном значении α, обычно несколько большем единицы (1,03—1,05 и более). При дальнейшем увеличении α скорость сгорания смеси падает. Максимум значения ηi/αсоответствует α=0,85 - 0,90 (0,95), зависящей от конструктивных особенностей двигателя. Работа с некоторым недостатком воздуха характеризуется максимальной скоростью сгорания смеси. Продукты неполного сгорания топлива в карбюраторном двигателœе при таком значении α содержат значительное количество окиси углерода и водорода (соответственно 5-I0% и2-5% по объему от количества выпускных газов). Вместе с тем, в выпускных газах находятся в небольших количествах окислы азота (0—0,8 мг/л), углеводороды (0,2—3,0 мг/л), альдегиды (0—0,2 мг/л). Эти продукты бесцветны, не дают нагара и, следовательно, не препятствуют эксплуатации автомобильных карбюраторных двигателœей, особенно в городских условиях при не очень большой плотности движения. При этом при высоких концентрациях эти продукты высокотоксичны и вредно действуют на человека и окружающую природу. По этой причине в настоящее время содержание токсических составляющих в выпускных газах лимитируют.

Условия получения максимального значения отношения ηi/α в газовых двигателях аналогичны условиям в карбюраторных. Различие определяется несколько большим диапазоном возможных коэффициентов избытка воздуха, причем главным образом вследствие увеличения нижнего концентрационного предела. Одновременно смещаются в том же направлении значения α, соответствующие максимальным значениям индикаторного КПД, и отношения ηi/α.

При переходе на частичные нагрузочные режимы (частичные положения дросселя), когда возрастает разрежение на всасывании, снижаются давления в цилиндре, приходится идти на обогащение горючей смеси и для режимов с мощностной, и для режимов с экономической регулировкой (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Регулировочные характеристики карбюраторного двигателя при разных положениях дроссельной заслонки.

Для двигателя с наддувом величину давления рм определяют при каждой частоте вращения вала в соответствии со значением давления рк. Из уравнения

следует, что при постоянном значении рм с ростом произведения механический КПД увеличивается. По этой причине, как следует из соотношений и максимальное значение ре., соответствующее любой точке АВСХ, определяется условиями получения максимального значения произведения .

Взаимосвязь коэффициента наполнения ηv и индикаторного КПД ηi обусловливается зависимостью этих коэффициентов от подогрева заряда, давления на впуске, противодавления на выпуске и других параметров рабочего тела. При этом эта взаимосвязь слабо выражена, и, как правило, суждение о максимальном достижимом среднем эффективном давлении можно получить, рассматривая отдельно условия, при которых обеспечиваются максимальные значения ηv и ηi/α.

В комбинированных двигателях при постоянной частоте вращения коэффициент наполнения незначительно увеличивается с ростом давления рк в связи с относительным уменьшением потерь на впуске. Принято, что условия получения режима, соответствующего абсолютной внешней характеристике, определяются при рк=const. Для получения режима, соответствующего абсолютной внешней характеристике (АВХ), давление наддува, а следовательно и плотность поступающего в цилиндр свежего заряда, должны быть постоянными, чтобы обеспечить необходимую мощность. Тогда среднее давление механических потерь рм и для комбинированного двигателя при определœении условий получения режима, соответствующего АВХ, может быть принято также постоянным при любой (постоянной) частоте вращения вала двигателя. По этой причине коэффициент наполнения не изменяется при n=const и не может влиять на эти условия. В карбюраторном двигателœе максимальный коэффициент наполнения достигается при полном открытии дроссельной заслонки.

В дизелях концентрационных пределов по среднему значению практически нет. Смешанный цикл, осуществляемый в дизелях, обусловливает увеличение термического КПД с уменьшением количества теплоты, подводи- мой при постоянном давлении на единицу количества рабочего тела. По этой причине индикаторный КПД увеличивается с уменьшением подачи топлива и следовательно с ростом коэффициента избытка воздуха (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Регулировочные характеристики дизеля по составу смеси.

Вместе с тем, с увеличением α (качественное регулирование) теплоемкость рабочего тела понижается (возрастает доля двухатомных газов) и соответственно уменьшаются потери теплоты. При этом при больших значениях α (>4), как показывают эксперименты, ηi начинает уменьшаться, что связано с ростом потерь при сгорании.

Недогорание топлива в дизелях начинается при α большем, чем в карбюраторном двигателœе, вообще двигателœе с искровым зажиганием (ДсИЗ), так как для дизеля коэффициент α является условной величиной, средней для всœего количества топлива и воздуха, участвующего в данном цикле. Появление же продуктов неполного сгорания обусловлено местным недостатком воздуха в какой-либо одной зоне камеры сгорания. С момента начала недогорания при дальнейшем уменьшении коэффициента αускоряется понижение индикаторного КПД.

В дизелях неполнота сгорания выражается появлением в выпускных газах сажи (0,01—1,1 г/м3), окиси углерода (0,01—0,5% по объему), окислов азота (0,0002—0,5 мг/л), углеводородов (0,009—0,5 мг/л) и незначительного количества паров топлива и масла. При наличии даже небольшого количества сажи в выпускных газах они имеют темную окраску. Вместе с тем, при образовании сажи откладывается нагар в камере сгорания и возможен перегрев двигателя вследствие значительного догорания топлива и продуктов неполного окисления в процессе расширения. Содержание продуктов неполного сгорания в выпускных газах особенно увеличивается при α<1. Максимальное значение отношения ηi /α дизель имеет, в отличие от карбюраторного двигателя, при α=~1.

В конечном итоге можно сравнить протекание скоростных характеристик дизеля и ДсИЗ (по среднему индикаторному давлению) – рис. 3.4.