Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

398

му периоду сгорания топлива соответствует промежуток времени

от начала воспламенения до момента достижения максимального

давления газов в надпоршневой полости. Для рассматриваемых,

например, режимов работы дизеля с полуразделенной камерой

сгорания (рис. 11.14) и вихревой камерой сгорания (рис. 11.15)

при работе на дизельном топливе продолжительность периода

быстрого сгорания составляет соответственно 1,2 мс (12,3 ПКВ)

и 0,33 мс (6 ПКВ) скорость нарастания давления





р =

= 0,33 и 0,22 ПКВМПа



. При использовании вместо дизельного

топлива бензина (ЦЧ  10) продолжительность периода быстрого

сгорания уменьшается в 2–3 раза, возрастает в несколько раз ско-

рость нарастания давления. Здесь р

– повышение давления га-

зов в надпоршневой полости в течение второго периода сгорания

и 

– продолжительность второго периода сгорания в ПКВ.

Высокие скорости нарастания давления газов в надпоршне-

вой полости в период быстрого сгорания обусловлены высокими

скоростями распространения фронта пламени ( 100 м/с) от оча-

гов сгорания, образующихся к началу периода быстрого сгора-

ния. Первоначально сгорает смесь паров испарившегося топлива

и воздуха. Чем больше испарится топлива в течение периода за-

держки воспламенения топлива, тем выше будет скорость нарас-

тания давления.

Реакции окисления перекисей, образовавшихся в течение

периода задержки воспламенения, и углеводородов испарившего-

ся топлива во фронте пламени, распространяющемся от очагов

воспламенения, как и в двигателе с искровым зажиганием (см.

подраздел 10.3) являются многостадийными, развивающимися по

схеме разветвленных цепных реакций. Более высокие температу-

ра и давления топливовоздушных смесей в дизелях, многоочаго-

вый характер их самовоспламенения, интенсивная турбулизация

топливовоздушных смесей предопределяют высокие скорости

реакций окисления топлива, высокие скорости распространения

фронта пламени от очагов воспламенения.

Скорость нарастания давления в период быстрого сгорания

определяет «жесткость» процесса сгорания, уровень динамичес-

ких нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, уро-

вень шума процесса сгорания. Жесткость процесса сгорания, а

399

соответственно и динамические нагрузки на детали кривошипно-

шатунного механизма, могут быть существенно снижены приме-

нением двухфазной подачи топлива 6. В начале подается на

такте сжатия (за 60–120 ПКВ до ВМТ) небольшая часть цикло-

вой подачи топлива (до 20 %), затем основная. К моменту начала

подачи основной части цикловой подачи топлива, ранее впрыс-

нутое на такте сжатия топливо практически полностью испарится

и в топливовоздушной смеси образуется значительное количест-

во продуктов распада молекул углеводородов, промежуточных

продуктов их окисления. Поэтому период задержки воспламене-

ния уменьшится в несколько раз и скорость нарастания давления

будет определяться в основном скоростью поступления топлива в

надпоршневую полость.

Периоду управляемого сгорания (участок III на рис. 11.15)

соответствует промежуток времени от момента достижения в

надпоршневой полости максимального давления газов до момен-

та посадки иглы распылителя (прекращения подачи топлива).

Скорость сгорания топлива в этот промежуток времени опреде-

ляется в значительной степени скоростью подачи топлива. Этим

и обусловлено название данного периода. На осциллограмме,

представленной на рис. 11.14, этот период практически отсутст-

вует, так как период быстрого сгорания продолжается почти до

момента посадки иглы форсунки на седло.

В течение третьего периода происходит догорание топлива,

поступившего в надпоршневую полость в течение I и II периода

сгорания и сгорание значительной части топлива, поступившего в

надпоршневую полость в третьем периоде процесса сгорания.

Поскольку в этот период реакции окисление углеводородов топ-

лива происходят при значительном избытке кислорода и высокой

температуре газов, процессы испарения топлива и интенсивность

турбулизации не лимитируют скорость реакций окисления угле-

водородов топлива. Процесс воспламенения поступающего топ-

лива происходит по одностадийной схеме, сопровождается

вследствие высокой температуры разрывом внутримолекулярных

связей, образованием активных радикалов со свободными ва-

лентными связями, которые могут взаимодействовать непо-

средственно с молекулами кислорода. Как и при сгорании гомо-

400

генных топливовоздушных смесей, процесс окисления углеводо-

родов топлива в гетерогенных топливовоздушных смесях дизелей

является многостадийным, сопровождается образованием раз-

ветвленных цепей, распространяющихся от начальных очагов ре-

акций окисления по всему объему надпоршневой полости.

В дизелях с пленочным смесеобразованием основная часть

топлива (80–95 % от цикловой подачи) поступает на поверхность

стенки камеры сгорания, образуя топливную пленку. Скорость

сгорания топлива в этом случае определяется не скоростью по-

ступления топлива в надпоршневую полость, а интенсивностью

испарения топлива с поверхности пленки топлива на стенках ка-

меры сгорания. Механизм воспламенения и сгорания паров топ-

лива, поступающего в камеру сгорания с поверхности топливной

пленки практически тот же, что и в случае объемного смесеобра-

зования.

Началу периода догорания (замедленного сгорания топлива)

соответствует момент посадки иглы распылителя форсунки на

седло корпуса распылителя (рис. 11.14, 11.15). К этому моменту

сгорает 70–85 % цикловой подачи топлива, значительно снижа-

ются средние и локальные значения концентрации кислорода в

газовой смеси. Скорости реакций окисления углеводородов топ-

лива снижаются и могут продолжаться при повышенных цикло-

вых подачах и относительно невысоких начальных значениях ко-

эффициента избытка воздуха (  1,5) до момента начала откры-

тия выпускных клапанов. Чем дольше длится догорание топлива

на такте расширения, тем ниже эффективность преобразования

теплоты в механическую работу, ниже экономичность двигателя.

Организация интенсивной турбулизации газов в надпоршневой

полости (разделенные и полуразделенные камеры сгорания) зна-

чительно сокращает период догорания топлива. Например, в ди-

зелях с предкамерой, обеспечивающей высокую турбулизацию

продуктов сгорания на такте расширения, полнота сгорания дос-

тигается и при значениях коэффициента избытка воздуха  =

= 1,1–1,2. Полнота сгорания топлива в дизелях с разделенными

камерами сгорания, более низкие максимальные значения темпе-

ратуры продуктов сгорания и предопределяют пониженные вы-

бросы токсичных веществ с отработавшими газами.

401

Процессы сгорания топлива в надпоршневой полости сопро-

вождаются интенсивной потерей теплоты в стенки. Значительная

доля потерь теплоты в стенки (до 25 %) обусловлена излучением

пламени. После завершения процесса сгорания сохраняется толь-

ко конвективный теплообмен между продуктами сгорания и

стенками надпоршневой полости, интенсивность которого зави-

сит от разности температуры между продуктами сгорания и по-

верхностью стенок надпоршневой полости, интенсивности тур-

булизации продуктов сгорания на такте расширения.

В отличие от двигателей с искровым зажиганием процессы

сгорания в дизелях характеризуются высокой стабильностью па-

раметров цикла (р

, р

, , L

, p

), что обусловлено, прежде всего,

высокой стабильностью процессов топливоподачи. Поэтому

оценка показателей процессов сгорания в дизелях по действи-

тельным индикаторным диаграммам, снятым электропневмати-

ческим индикатором, достаточно достоверна.

Процессы сгорания топлива в дизелях, как и в двигателях с

искровым зажиганием (см. подраздел 10.3), характеризуются

максимальным давлением сгорания р

, степенью повышения дав-

ления при сгорании , скоростью нарастания давления на участке

II индикаторной диаграммы (рис. 11.14, 11.15), индикаторным

коэффициентом выделения теплоты х

, коэффициентом выделе-

ния теплоты х (законом сгорания), коэффициентом эффективного

выделения теплоты 

с–z

Индикаторный коэффициент выделения теплоты х

опреде-

ляется по индикаторной диаграмме, снятой электропневматиче-

ским индикатором, или усредненной индикаторной диаграмме,

построенной по нескольким десяткам осциллограмм, и парамет-

рам цикла. При этом необходима корректировка индикаторных

диаграмм (корректировка положения линии ВМТ) по индикатор-

ной работе цикла L

и «сглаживание» кривой давления по кривой

изменения температуры в надпоршневой полости по углу пово-

рота кривошипа.

В дизелях различной размерности, с различными камерами

сгорания интенсивное выделение теплоты начинается за 0–10

ПКВ до ВМТ и продолжается 40–50 ПКВ (рис. 11.16, а). В те-

чение этого промежутка времени сгорает 70–85 % цикловой по-

402

дачи топлива. С увеличением частоты вращения коленчатого вала

возрастает интенсивность турбулизации рабочего тела в над-

поршневой полости, интенсивность процесса сгорания по време-

ни (рис. 11.16, б), что позволяет сохранить интенсивность сгора-

ния по углу поворота коленчатого вала (рис. 11.16, а), эффектив-

ность преобразования теплоты сгорания топлива в механическую

работу газов. Благодаря именно этому обстоятельству индика-

торный КПД дизелей с частотой вращения коленчатого вала от

500 до 5000 об/мин при соответствующей доводке рабочих про-

цессов поддерживается на уровне 0,47–0,53.

Разность (1– х

) к моменту открытия выпускных органов га-

зораспределения (точка е на рис.11.16, 11.17) характеризует долю

теплоты (от теплоты сгорания цикловой подачи топлива В

теряемую в стенки надпоршневой полости вследствие теплооб-

мена и неполноты сгорания. При значениях коэффициента из-

Рисунок 11.16 – Изменение индикаторного коэффициента выделения теплоты

по углу поворота коленчатого вала (а) и в функции времени (б):

○ – дизель 16ЧН24/27;  = 13; d

пл

= 18 мм; р

= 0,25 МПа; t

= 65С;  = 2,05;

= 1,35 МПа; n = 1000 об/мин;

● – дизель СМД-14Н с камерой сгорания ЦНИДИ; z = 4; S/D = 140/120;

 = 16,5; d

пл

= 8,5 мм;  = 1,5; р

= 0,65 МПа; n = 1700 об/мин;

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

360

380

400

420

440

460

480





ПКВ



, мс

403

бытка воздуха превышающих 1,5 потеря теплоты вследствие не-

полноты сгорания топлива не превышает 1–2 %, в зависимости от

уровня доводки процессов смесеобразования и сгорания.

Кривая закона сгорания топлива может быть построена, ес-

ли расчетом (см. подраздел 4.3) определить долю потерь теплоты

от газов в стенки 

т

вследствие теплообмена по углу поворота

коленчатого вала от момента начала сгорания:

х = х

i

+ 

т(н-)

где

нц

)н(т

QВ



 – относительные потери теплоты в стенки

надпоршневой полости вследствие теплообмена; Q

т(н-)

– потеря

теплоты в стенки вследствие теплообмена от точки н (рис.11.17)

до текущего угла поворота кривошипа.

Коэффициент эффектив-

ного выделения теплоты опре-

деляется, как и в двигателе с

искровым зажиганием (раздел

10.3), путем замены усреднен-

ной действительной индика-

торной диаграммы, откоррек-

тированной по индикаторной

работе цикла L

, расчетной [7,

8]. Так как в дизелях степень

предварительного расширения

 значительно больше ( > 1,2),

чем в двигателях с искровым

зажиганием ( = 1,05–1,15)

схема замены усредненной

действительной индикаторной

диаграммы расчетной несколь-

ко изменяется (рис. 11.17).

Предполагается, что часть про-

цесса сгорания в расчетной ин-

дикаторной диаграмме (участок

диаграммы с–z) происходит при постоянном объеме, а часть –

при постоянном давлении (участок диаграммы z–z). Догорание

Рисунок 11.17 – Схема замены

экспериментальной индикаторной

диаграммы дизеля расчетной



404

топлива (25–15 % от цикловой подачи топлива) осуществляется

после точки z. Параметры расчетного цикла (цикловая подача

топлива, состав, давление, масса и температура рабочего тела) в

узловых точках цикла (точки V, c, z, z, e) соответствуют действи-

тельному циклу.

Объем надпоршневой полости V

, соответствующий точке z

(рис. 11.17) определяется из условия равенства индикаторной ра-

боты газов по усредненной действительной индикаторной диа-

грамме и расчетной:



















 cabzzcрii

LLLLL

 

















VcV

VpVp

VVp

aacc

bbzz

czz

. (11.3)

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы  при данной

схеме замены усредненной действительной индикаторной диа-

граммы расчетной составляет 0,95–0,98.

В дизелях с неразделенными и полуразделенными камерами

сгорания при   1,5 коэффициент эффективного выделения теп-

лоты 

с–z

= 0,8–0,85, в дизелях с разделенными камерами сгора-

ния – 0,75–0,8.

§4. Методы расчета процессов сгорания и расширения

в двигателях с воспламенением топлива от сжатия

Конечной целью расчета процессов сгорания и расширения

в двигателях с воспламенением топлива от сжатия, как и в двига-

телях с воспламенением топливовоздушной смеси от искры, яв-

ляется построение индикаторной диаграммы на участке сгора-

ния-расширения [9]. Для приближенного определения парамет-

ров рабочего тела в узловых точках расчетной индикаторной диа-

граммы дизеля на участке сгорания-расширения (точки z, z, е)

также используется метод Гриневецкого-Мазинга. В качестве ис-

ходных данных расчета принимаются экспериментальные данные

для двигателя-прототипа: значение коэффициента эффективного

405

выделения теплоты 

с–z

и степень повышения давления при сго-

рании . В дизелях с разделенной камерой сгорания 

с–z

= 0,75–

0,80,  = 1,3–1,5; в дизелях с неразделенной и полуразделенной

камерами сгорания 

с–z

= 0,80–0,85,  = 1,5–2.

Значение температуры рабочего тела в точке z определяем

из уравнения теплового баланса для участка процесса сгорания от

точки с до точки z (рис. 11.17):





zzzсzzсzсzс

VVpUULUQВ



















 цц

. (11.4)

После преобразований уравнение (11.3) приводится к виду:

 

czcmczmz

zс

TRTRtсtс

VV 00













. (11.5)

Определив из уравнения (11.4) значение температуры рабочего

тела t

(в точке z), из уравнения состояния (10.23) находим объем

рабочего тела в точке z (V

Метод приближенного расчета процесса расширения, опре-

деление среднего показателя политропы расширения n

, давления

и температуры рабочего тела в точке е, соответствующей момен-

ту начала открытия выпускных органов (выпускных клапанов

или окон) тот же, что и при расчете процесса расширения в дви-

гателе с искровым зажиганием (см. подраздел 10.4).

При использовании приближенного метода расчета пара-

метров рабочего тела в узловых точках расчетной индикаторной

диаграммы дизеля на участке сгорания (точки z, z, е) необходимо

принять по данным экспериментальных исследований двигателя-

прототипа также 3 параметра: , 

с–z

и W

. Использование же

уточненного метода расчета изменения состава и параметров ра-

бочего тела в надпоршневой полости по углу поворота кривоши-

па на участке индикаторной диаграммы от момента воспламене-

ния топлива (точка н на рис. 11.17) до момента открытия выпуск-

ных органов (точка е на рис. 11.17) требует знания значительно

большего количества параметров, значения которых также при-

нимаются по экспериментальным данным двигателя-прототипа.

Применительно к двигателям с воспламенением топлива от сжа-

тия при расчете процессов в надпоршневой полости на участках

сгорания и расширения обычно используются зависимость для

406

закона сгорания (10.29), предложенная И.И. Вибе, и зависимость

для коэффициента теплоотдачи (4.43), предложенная Г. Вошни.

В качестве примера рассмотрим особенности уточненного

метода определения изменения параметров рабочего тела в над-

поршневой полости на участке от момента закрытия впускных

органов газораспределения до момента открытия выпускных ор-

ганов газораспределения в дизеле с неразделенной камерой сго-

рания. Применительно к двигателям с неразделенными и полу-

разделенными камерами сгорания будем исходить из однозонной

модели процессов в предположении равновесного состояния ра-

бочего тела на каждом расчетном участке, состоящего из воздуха

и продуктов сгорания, соотношения объемов которых изменяется

на каждом расчетном участке. В действительности же система

будет находиться не в равновесном состоянии. В зоне каждого

очага воспламенения и сгорания, у каждого элемента поверх-

ности стенок надпоршневой полости состав и параметры рабоче-

го тела будут различны. Образование очагов воспламенения и

сгорания топлива, их исчезновение в отдельных зонах надпорш-

невой полости в каждом цикле является случайным явлением.

Поэтому использование многозонных моделей расчета процессов

в надпоршневой полости многократно усложняет вычисления без

заметного повышения точности определения конечных показате-

лей цикла.

Как и при расчете процессов газообмена в надпоршневой

полости для вычисления изменения давления рабочего тела в

надпоршневой полости на участках индикаторной диаграммы,

соответствующих процессам сжатия, сгорания и расширения ис-

пользуем дифференциальное уравнение изменения давления для

открытой термодинамической системы (4.28). Если не учитывать

потери рабочего тела через поршневые кольца (в технически ис-

правном двигателе они незначительны), то для конечного значе-

ния продолжительности расчетного промежутка времени 

(уг-

ла поворота кривошипа 

) уравнение (4.28) для участка сжатия

(от точки V до точки н на рис. 11.17) примет вид:

















pк

; (11.6)

407

для участка сгорания-расширения (от точки н до точки е на

рис.11.17)

 



















iхi

хV

pк

1 . (11.7)

Условные обозначения параметров, исходные данные для

расчета представим в форме таблицы (табл. 11.2), приняв, в ос-

новном, те же условные обозначения, что и при расчете процес-

сов газообмена (табл. 6.2).

Таблица 11.2 – Условные обозначения параметров

№

п/п

Параметры и расчетные зависимости

Принятые

обозначения

1 2 3

1 Диаметр цилиндра D, м

2 Ход поршня S, м S

3 Длина шатуна L, м L

4 Рабочий объём цилиндра V

, м

Степень сжатия



6 Объём камеры сжатия V

, м

7 Частота вращения коленчатого вала n, мин

–

8 Средняя скорость поршня С

, м/с

9 Тангенциальная составляющая скорости рабочего

тела относительно поверхности стенок цилиндра

, м/с

СТ

Углы поворота коленчатого вала в



ПКВ, соответ-

ствующие:



закрытию впускных органов



FS2



открытию выпускных органов



FB1



началу сгорания





продолжительности сгорания





DFZ



концу процесса сгорания



11 Элементарный состав топлива:

С С

Н Н

О О