Воспламенение и сгорание топлива в инжекторных двигателях
Индикаторный коэффициент полезного действия (КПД) двигателя ηi зависит от полноты, скорости и своевременности сгорания топлива. Чем однороднее и сильнее турбулизирована смесь, тем быстрее она горит. В соответствии с индикаторной диаграммой в процессе сгорания можно выделить три фазы.
Первая фаза θI, начинающаяся в момент проскакивания электрической искры и заканчивающаяся, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше, чем при сжатии смеси до верхней мертвой точки (ВМТ) без сгорания, называется начальной фазой сгорания или фазой формирования фронта пламени. В этот период времени очаг горения, формирующийся в зоне высоких температур между электродами свечи, постепенно превращается в развитый фронт турбулентного пламени. Развитие сгорания в течение этой фазы в основном определяют закономерности мелкомасштабного турбулентного горения. Доля топлива, сгорающего в период θI меньше 2...3%, поэтому индикатор не регистрирует увеличение давления относительно давления сжатия. На длительность θI в градусах ПКВ влияют следующие факторы:
Состав смеси. Наименьшее значение θI соответствует составу смеси, при котором скорость сгорания имеет наибольшее значение (α = 0,8...0,9). При сильном обеднении смеси не только заметно увеличивается θI,но и резко ухудшается стабильность воспламенения, вплоть до появления пропусков в отдельных циклах.
|
|
|
Вихревое движение заряда. Применение винтовых или тангенциальных впускных каналов позволяет создать интенсивное вихревое движение заряда в цилиндре, что способствует увеличению мелкомасштабной турбулентности, а это в свою очередь приводит к сокращению длительности θI.
Степень сжатия. С ростом степени сжатия ε увеличиваются температура и давление рабочей смеси, а это способствует повышению нормальной скорости сгорания и соответствующему сокращению длительности θ1. По этим же причинам уменьшение угла опережения зажигания приводит к некоторому уменьшению θI.
Частота вращения. Опыты показывают, что θI ~ nm, где m = 0,5...1,0. Чем сильнее возрастают мелкомасштабные пульсации при увеличении частоты вращения п, тем меньше значение показателя т.
Нагрузка двигателя. По мере закрытия дроссельной заслонки увеличивается относительное количество отработавших газов (ОГ) и уменьшается давление рабочей смеси. Все это приводит к увеличению длительности θI , а также к ухудшению стабильности воспламенения.
Характеристики искрового разряда. Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность разряда, тем меньше θI,поэтому электронные (транзисторные) системы зажигания несколько улучшают по сравнению с классическими контактными системами воспламенение и сгорание, особенно на режимах разгона или при значительном обеднений смеси.
|
|
|
Вторая фаза θII называется основной фазой сгорания, ее длительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления в цикле. Длительность θII определяется закономерностями крупномасштабного турбулентного горения. Максимальная скорость распространения пламени в этой фазе сгорания может достигать 60...80 м/с, а доля сгоревшего топлива 80...85%. Как показывают эксперименты, θII слабо зависит от физико-химических свойств рабочей смеси и только при очень сильном дросселировании наблюдается некоторое увеличение θII. Интенсивность турбулентности заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения, поэтому с ростом и длительность второй фазы во времени уменьшается пропорционально изменению длительности всего цикла, т. е. фаза θII в градусах поворота коленчатого вала (ПКВ) практически не изменяется. Уменьшению длительности θII способствует расположение свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усиление турбулизации заряда.
|
|
|
К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает возрастать, достигая максимума.
Третья фаза θIII, или фаза догорания, начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где масштабы турбулентных пульсаций заметно меньше, чем в основном объеме камеры сгорания. Отдельные объемы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона турбулентного горения имеет большую глубину. Идет выделение теплоты и от рекомбинации молекул. Скорость тепловыделения в этой фазе уменьшается, а расширение газов из-за движения поршня к нижней мертвой точке (НМТ) увеличивается, что одновременно с увеличением теплоотдачи в стенки определяет падение давления в цилиндре. На длительность θIII влияют те же факторы, которые воздействуют на θI, т. е. от которых зависит скорость мелкомасштабного турбулентного горения. С ростом ε увеличивается доля смеси, догорающей в пристеночных слоях и в зазорах между головкой и днищем поршня (в вытеснителях), что оказывает решающее влияние на затягивание третьей фазы. Определить момент окончания этой фазы, характеризующийся концом тепловыделения, без специальных расчетов и обработки индикаторной диаграммы нельзя.
|
|
|
Опытные показатели показывают, что двигатель с искровым зажиганием работает с максимальным ηс, когда вторая фаза сгорания располагается примерно симметрично относительно верхней мертвой точки (ВМТ). При работе на полном дросселе ηс max достигается, когда основная фаза сгорания заканчивается через 12...15° после ВМТ, при этом θ2 = 25...30°.
Основным средством изменения расположения фаз процесса сгорания в цикле является управление углом опережения зажигания φоз.
Скорость тепловыделения в основной фазе определяет интенсивность нарастания давления dp/dφ, от которой зависит так называемая жесткость работы двигателя.
Выгорание топлива по времени характеризует показанная на рис. 2.1.1 кривая ϗх = Qx/Qтц .
Рис. 2.1.1 Индикаторная диаграмма двигателя с принудительным воспламенением
(φоз. – угол опережения зажигания, θI, θII, θIII – фазы процесса сгорания, χх - коэффициент выделения теплоты)
Коэффициент выделения теплоты χх равен отношению количества теплоты, выделившейся к текущему моменту (Qx), к теплоте, введенной в цикл с топливом (Qтц). Часть теплоты Qx путем теплопередачи отдается окружающей среде, а основная часть Qа (активное тепловыделение) расходуется на совершение рабочим телом работы (L = 
)и увеличение его внутренней энергии (ΔU c-φ).
Коэффициент активного тепловыделения
(2.1.2)
Таким образом, функция ξa = f(φ) характеризует связь между процессом сгорания и использованием в цикле выделившейся теплоты. Коэффициент ξa определяют путем термодинамических расчетов по индикаторной диаграмме.
На рис. 2.1.2 показаны результаты определения ΔU, L и ξa.
| Рис. 2.1.2. Изменение р, Т, ζa,ΔU и L в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ε = 9,0; n = 3000 мин-1; α = 1,0; полный дроссель) |
К моменту окончания второй фазы сгорания (точка z) выделилось 75% активной теплоты (ξa = 0,75). Максимальная средняя температура (точка Tтах) достигается через 12° после точки z и к этому моменту ξa = ξa max = 0,915, остальные 8,5% теплоты Qцт теряются на теплопередачу через стенки и на неполноту сгорания. По мере уменьшения нагрузки ξa max снижается и достигается дальше от ВМТ.
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 327; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!