Сущность и параметры рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания

курсовая работа

8.4 Сгорание топлива и токсичность отработавших газов

На рис. 11 показана схема индикаторной диаграммы типичного четырехтактного ДВС без наддува с краткой иллюстрацией процессов, происходящих в цилиндре и соответствующих им характерных точек и участков. Процессы наполнения, сжатия рабочего тела и очистки цилиндров от остаточных газов важны для организации и проведения процесса сгорания - превращения располагаемой теплоты топлива, подаваемого в цилиндры, в индикаторную работу. Совершенство этого превращения предопределяется полнотой и своевременностью сгорания топлива у ВМТ. При осуществлении реального цикла двигателя необходимо стремиться к тому, чтобы максимально возможное количество топлива, подаваемого в цилиндр, полностью сгорало у ВМТ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Схема развернутой индикаторной диаграммы двигателя с искровой системой зажигания горючей смеси

Один из способов количественной оценки параметров сгорания топлива в ДВС состоит в снятии на работающем двигателе и анализе развернутых индикаторных диаграмм в р--координатах ( - угол поворота коленчатого вала) с помощью специальных приборов - индикаторов различного типа.

На рис. 11 в качестве примера приведена такая диаграмма типичного двигателя с искровой системой зажигания (сплошные линии). Там же пунктиром показана диаграмма сжатие - расширение рабочего тела при выключенном зажигании. Характерные точки и участки данной диаграммы работающего двигателя: с - момент подачи искры между электродами свечи зажигания, ссґ - период задержки воспламенения топлива (I участок, первая фаза сгорания топлива); сґz - период видимого сгорания топлива (интенсивное выделение теплоты, повышение температуры и давления в цилиндре), II участок, вторая фаза сгорания. Условно принято, что конец сгорания соответствует точке z. Фактически полное выгорание топлива часто завершается позже на линии расширения.

Точке z соответствует максимальное давление pz и максимальная температура Тz. Скорость нарастания давления на участке II ?p/? называется средней жесткостью сгорания, которая количественно характеризует динамичность процесса сгорания (тепловыделения) и соответственно силового нагружения поршня и деталей кривошипно-шатунного механизма. Чем больше величины pz и ?p/?, тем неблагоприятнее условия работы указанных деталей, в частности шатунных подшипников.

При нормальном протекании реакций сгорания топлива скорость распространения фронта пламени от электродов свечи к периферии КС достигает 30-40 м/с. Иногда эта скорость может аномально возрастать в десятки раз до 1500-2000 м/с. Такое явление называется детонацией. Ее сущность состоит в том, что часть горючей смеси в КС, удаленная от свечи, при неблагоприятных условиях (перегреве топливовоздушной смеси, недостаточной стойкости топлива против детонации и др.) самовоспламеняется с высокой скоростью сгорания до прихода основного фронта пламени от свечи. Детонационное сгорание в цилиндре недопустимо, т.к. ухудшает все эксплуатационные показатели двигателя, вызывает разрушение деталей, образующих КС: прогорание днища поршня, разрушение его колец и перемычек между ними и т.д.

Распространенные меры устранения детонации в цилиндрах: поддержание двигателя в исправном техническом состоянии; использование качественных топлив, соответствующих данному двигателю; уменьшение нагрузки на двигатель (например, путем прикрытия дроссельной заслонки системы питания) до выяснения причины детонации и ее устранения на всех рабочих режимах.

Другие возможные ненормальности сгорания топлива в КС двигателя с искровой системой зажигания и их проявления, обусловливающие ухудшение удельной топливной экономичности и экологических показателей ОГ: синее (голубое) дымление - из-за повышенного количества картерного масла, попадающего в КС, например через изношенные поршневые кольца (пониженная компрессия в цилиндрах); белое дымление - из-за попадания в ОГ несгоревшего топлива и его паров, в частности, на непрогретом двигателе или(и) при неработающей свече зажигания; так называемое преждевременное калильное воспламенение топлива не от искры, а от посторонних перегретых деталей КС, например, выхлопного клапана или свечи зажигания при интенсивном на них нагарообразовании.

Сгорание топлива в дизелях существенно отличается от рассмотренных процессов сгорания (тепловыделения) в двигателях с искровым зажиганием горючей смеси. Это обусловлено иным принципом воспламенения топлива в КС дизелей - его самовоспламенением от сжатия рабочего тела при высоких давлениях 3-5 МПа и температурах 600-700 оС. Топливо подается в КС с опережением до ВМТ с продолжительностью обычно не более 30о поворота коленчатого вала и высоким давлением впрыска форсункой до 100 МПа и более. При указанных относительно благоприятных условиях, а также вследствие организованного движения воздушных потоков в цилиндре топливо сравнительно тонко распыливается на мелкие капли, быстро испаряется, перемешивается с кислородом воздуха и окисляется - сгорает с выделением теплоты. Продолжительность смесеобразования в дизелях по углу примерно на порядок меньше, чем в двигателях с искровым зажиганием горючей смеси. Состав этой смеси по объему КС крайне неравномерен, например, по сечению капли топлива локальный (местный) коэффициент б изменяется от нуля (в жидкой фазе капли) до бесконечности на ее периферии. Поэтому средние значения б вынуждены принимать на полной нагрузке не менее 1,2. Эти величины существенно зависят от формы КС и других особенностей двигателя: в дизелях с разделенными на две части КС средняя величина б меньше, чем для неразделенных КС из-за более интенсивного перемешивания топливовоздушной смеси в первых из них.

На индикаторной диаграмме дизелей, аналогичной по виду диаграмме, показанной на рис. 11, выделяют четыре периода - фазы сгорания топлива.

Первый период - от момента начала поступления топлива в цилиндр в конце процесса сжатия до начала бурного сгорания. В этот период (i) задержки самовоспламенения топлива оно неравномерно распределяется по КС, перемешивается с воздухом, прогревается и частично испаряется. Наиболее прогретая его часть начинает относительно медленно реагировать с кислородом воздуха, что слабо влияет на приращение давления в цилиндре.

Второй период - с момента начала интенсивного нарастания давления в КС до сгорания основной массы поданного в цилиндр топлива характеризуется высокой скоростью сгорания по всему объему КС в зонах, где созданы условия для бурного окисления топлива. Средняя скорость нарастания давления - жесткость сгорания ?р/? - не должна превышать 0,6 МПа на 1о угла поворота коленчатого вала с целью ограничения силовых нагрузок на поршень, другие детали КШМ и снижения шумоизлучения двигателя. Величина ?р/? зависит от многих особенностей двигателя и свойств топлива, в частности, от формы КС, угла опережения впрыска топлива (?є) до ВМТ и цетанового числа топлива - его склонности к самовоспламенению. Один из простейших и эффективных способов снижения жесткости сгорания - уменьшение угла ?є. При этом топливо подается в сжатый воздух КС с повышенной температурой (до 700 єС), меньшее его количество накапливается в цилиндре в индукционный период i и, как следствие, более плавно протекает кривая р=f() во второй период. Однако снижение жесткости сгорания таким способом часто сопряжено с ухудшением топливной экономичности двигателя из-за менее своевременного тепловыделения в цилиндре относительно ВМТ.

Третий условный период начинается у ВМТ при движении поршня к НМТ и продолжается при р ? const, когда топливо, ранее поданное в КС, сгорело, а продолжает гореть топливо, подаваемое форсункой в конце впрыска в пламя при неблагоприятных условиях в цилиндре из-за образования большого количества инертных продуктов сгорания и уменьшении текущего значения б. В современных дизелях продолжительность третьего периода часто близка к нулю вследствие того, что к началу этого периода топливоподача в КС завершена.

Иногда по различным причинам, например из-за неисправностей системы топливоподачи (грубого распыливания топлива на крупные капли, закоксовывания сопловых отверстий форсунки и т.д.), сгорание топлива не завершается у ВМТ и продолжается на линии расширения. Этот период называется четвертой фазой сгорания - догоранием топлива. Естественно, чем продолжительнее эта фаза, тем хуже эксплуатационные показатели двигателя.

Возможные ненормальности сгорания топлива в дизеле и их признаки во многом аналогичны ненормальностям двигателей с искровой системой зажигания горючей смеси: жесткое сгорание топлива при величинах ?р/?>0,6 МПа на 1є угла , что проявляется резкими стуками в цилиндре, напоминающими детонационное сгорание; черное дымление ОГ из-за неисправностей систем питания топливом и воздухом (например, вследствие грубого распыливания топлива на крупные капли и чрезмерного загрязнения воздушного фильтра); белое дымление, чаще всего, на непрогретом двигателе, когда часть топлива, впрыснутого в КС, не воспламеняется, а лишь испаряется и выбрасывается с ОГ в виде белого топливного пара; синее дымление, аналогично двигателям с искровым зажиганием горючей смеси, из-за чрезмерного попадания в КС картерного масла, которое в ней не успевает сгореть и выбрасывается с ОГ, придавая им указанный цвет. При полном сгорании углеводородного топлива - нефтепродуктов - их ОГ почти бесцветны, слегка серого цвета. Различные интенсивные цвета ОГ косвенно отражают неисправности двигателя, его ухудшенные экономические и экологические показатели.

Токсичность отработавших газов. Наряду с индикаторными вели-чинами gi(i), важным показателем совершенства протекания рабочего процесса ДВС является токсичность ОГ, обусловленная выделениями вредных для окружающей среды веществ: СО, СnНm, NOx, C (сажи) и др. Относительное количество этих выделений, образующихся в цилиндре, предопределяется типом и другими особенностями двигателя.

К существенным особенностям двигателей с искровой системой зажигания относится использование на многих режимах работы богатых топливовоздушных смесей при коэффициенте б<1, т.е. неравенстве Lд<Lо.

Например, при запуске и холостом ходе двигателя этот коэффициент может составлять 0,9-0,7 и менее. Из-за относительного недостатка воздуха при б<1 неизбежно неполное сгорание топлива с повышенным образованием СО и СnНm. Количество этих выделений дополнительно возрастает при отрицательном влиянии на рабочий процесс различных конструктивных и эксплуатационных факторов: неравномерности распределения по цилиндрам и неоднородности горючей смеси, неисправностей систем питания топливом и зажигания, некачественного топлива и др.

Максимальная температура газов в камере сгорания может достигать 2000 оС и более. При таких высоких температурах образуется значительное количество окислов азота NO, NO2 и др., обозначаемых обычно в сумме как NOx. Относительная вредность для здоровья человека указанных веществ СО, СnНm и NOx выражается распространенным соотношением, соответственно, 1:0,67:20. В ОГ может находиться также множество других ядовитых веществ, токсичность которых в десятки и сотни раз выше, чем у перечисленных. Однако из-за большой сложности измерения особо опасных токсичных веществ, например бензапирена, в эксплуатационных условиях эти вещества обычно не контролируются.

Делись добром ;)