8.3. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя

Среднее индикаторное давление р_i отражает работу ДВС наиболее обстоятельно, поэтому преобразуем уравнения (8.20) и (8.21) в виде:

; (8.26)

. (8.27)

Увеличение степени сжатия ε, учитывая формулы (8.3) и (8.4), способствует улучшению η_t и p_t любого термодинамического цикла, а, следовательно, η_i и p_i. Тем не менее, при увеличении ε увеличиваются утечки рабочего тела, отвод теплоты в стенки цилиндра, механические потери и нагрузка на детали ДВС, а также нарушение процесса сгорания, особенно в ДВС с искровым зажиганием.

Увеличение диаметра цилиндра D приводит к увеличению отвода тепла в систему охлаждения, возможность возникновения детонации на ДВС с искровым зажиганием и усложняет с определенного момента топливоподачу, поскольку требует повышения дальнобойности факела, увеличения числа отверстий в распылителе форсунки и интенсивности вихревого движения заряда в камере сгорания.

Увеличение интенсивности охлаждения увеличивает η_v в ДВС с искровым зажиганием, способствует использованию более высоких ε, поэтому увеличивает p_i и η_i, несмотря на некоторое замедление процессов смесеобразования и сгорания.

В дизелях интенсивное охлаждение не столь желательно, поскольку приводит к замедлению испарения впрыснутого топлива, а, следовательно, увеличивает процессы смесеобразования и сгорания, что может привести к снижению η_i и увеличению жесткости сгорания. Кроме того, при использовании системы наддува увеличение интенсивности охлаждения может снизить работу турбины, а, следовательно, и компрессора в турбокомпрессорах.

Увеличение коэффициента наполнения η_v согласно формулам (8.20) и (8.21) должно уменьшить η_i, но увеличивает количество заряда и количество теплоты, получаемой в процессе сгорания за цикл, что всегда увеличивает p_i согласно формулам (8.26) и (8.27) и практически никогда не вызывает снижения η_i.

Форма камеры сгорания влияет на качество смесеобразования и сгорания, поскольку изменяется поверхность теплообмена. В ДВС с принудительным зажиганием p_i и η_i в компактных камерах сгорания будут большими, поскольку можно использовать большие ε и снизить теплоотвод в процессах сжатия, сгорания и расширения. Использование форкамер, завихрителей и вытеснителей позволяет увеличить η_i при работе на частичных нагрузках, но, как правило, увеличивает гидравлическое сопротивление при работе на полной нагрузке при снижении значений p_i и η_i.

В дизелях форма и тип камеры сгорания определяют средние величины коэффициента избытка воздуха α и потери теплоты в стенки камеры сгорания, поэтому форму камеры сгорания выбирают по возможности с малым отношением поверхности к объему, добиваясь и снижения объема, заключенного между поршнем и головкой цилиндра.

Закон подачи топлива в ДВС с принудительным зажиганием практически не влияет на p_i и η_i при условии, что все топливо испарилось к моменту зажигания.

В дизелях смесеобразование и сгорание происходит во время впрыскивания топлива, поэтому законом подачи топлива можно влиять на λ, ρ и δ, а, следовательно, на p_i и η_i. При увеличении скорости подачи топлива увеличивается η_i, скорость нарастания давления и р_z. При увеличении цикловой подачи топлива сочетанием λ и ρ можно увеличить p_i и η_i.

Состав смеси значительно влияет на процесс сгорания как в ДВС с искровым зажиганием, так и в дизеле. В уравнения (8.26) и (8.27) входит количество горючей смеси М₁, которое зависит, согласно (1.6), (1.7) и (1.8), от коэффициента избытка воздуха α и с его увеличением должно возрастать η_i. В действительности в ДВС с искровым зажиганием нормальная скорость сгорания u_н увеличивается от верхнего предела горения (α_пр1 ≈ 0,3) только до значений α_мощ = 0,85 – 0,9, названных мощностным составом смеси, на котором ДВС развивает наибольшую мощность. До значений α = 1,0 – 1,02 u_н плавно снижается, при которых температура сгорания Т_z достигает максимальных значений. Плавное снижение u_н и Т_z продолжается до значений α_эк = 1,1 – 1,15, названных пределом эффективного или экономического обеднения (при максимальных значений коэффициента наполнения η_v). При дальнейшем увеличении α скорость сгорания резко снижается и заканчивается на такте расширения (в обычных ДВС нижний предел горения α_пр2 ≈ 1,3). Отвод тепла в стенки камеры сгорания и цилиндра увеличивается и происходит ухудшение индикаторных показателей p_i и η_i (рис. 8.5 и рис. 8.6).

Рис. 8.5. Изменение u_н и Т_z в зависимости от α

Рис. 8.6. Изменение η_i и p_i в зависимости от α:

1 – ДВС с принудительным зажиганием; 2 – дизель

В дизелях скорость сгорания возрастает до значений α_max = 2,8 – 3,5 (неразделенные камеры сгорания) и α_max = 5,0 – 6,0 (разделенные камеры сгорания). Максимальные значения р_i ограничены пределом дымления, лежащим в пределах α_дым = 1,1 – 1,5 для разных типов дизелей.

Указанные пределы изменения α изменяются в зависимости от наличия в камере сгорания остаточных газов от предыдущего цикла (γ), которые не участвуют в горении и ухудшают процесс сгорания.

Угол опережения зажигания или впрыскивания топлива θ влияет на изменение p_i, η_i и g_i (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Изменение p_i, η_i и g_i в зависимости от θ

При оптимальном θ_опт значения p_i и η_i будут иметь максимальные значения, которые будут изменяться в зависимости от режима работы ДВС.

Изменение нагрузки в ДВС с искровым зажиганием осуществляется изменением коэффициента наполнения цилиндра η_v, поскольку изменение состава смеси α ограничено пределами воспламенения однородных смесей (см. рис. 8.5). В соответствие с этим в этих ДВС применяют количественное изменение заряда цилиндра, осуществляемое дроссельной заслонкой, установленной в системе впуска. При работе на малых нагрузках дроссельная заслонка прикрыта и в цилиндр поступает малое количество свежего заряда, что приводит к малым η_v и увеличению коэффициента остаточных газов γ в цилиндре. Поскольку остаточные газы инертны и не участвуют в процессе сгорания, занимая определенный объем камеры сгорания, они тормозят процесс горения и снижают его эффективность. Таким образом, при работе на малых нагрузках в ДВС с искровым зажиганием требуется обогащение поступающей в цилиндр горючей смеси (уменьшение α). При увеличении нагрузки происходит увеличение η_v и снижение γ в цилиндре, поэтому эффективность сгорания улучшается (p_i и η_i увеличиваются) и в цилиндр можно подавать более бедную смесь (увеличить α). При работе ДВС с искровым зажиганием на полной нагрузке необходимо получение максимальной мощности, поэтому смесь, поступающая в цилиндр, должна иметь мощностной состав (α = 0,85 – 0,9), т.е. снова быть обогащена топливом, что ухудшает экономичность и снижает η_i (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Изменение индикаторных показателей

ДВС с искровым зажиганием от нагрузки

В дизелях увеличение нагрузки осуществляют путем увеличения расхода впрыснутого топлива, т.е. увеличением α, влияние которого на p_i и η_i уже рассматривалось (см. рис. 8.6). Однако, увеличение цикловой подачи топлива до определенного момента улучшает смесеобразование, p_i и η_i, но при больших расходах топлива происходит наложение факелов топлива один на другой, что приводит к переобогащению горючей смеси в локальных зонах камеры сгорания, ухудшению процесса горения, снижению индикаторных показателей и сажеобразованию.

Частота вращения коленчатого вала n в ДВС с искровым зажиганием влияет на индикаторные показатели. При увеличении n улучшаются p_i и η_i до достижения максимальных значений η_v, поскольку улучшается смесеобразование и уменьшаются потери теплоты в систему охлаждения, т.к. увеличивается α. Затем p_i и η_i начинают снижаться, поскольку время на сгорание с увеличением n > 0,6 n_ном уменьшается и увеличиваются утечки заряда в связи с «зависанием» клапанов (рис. 8.9).

Все перечисленные факторы также влияют на изменение p_i и η_i при увеличении n. Особенностью является изменение состава смеси α, поскольку при увеличении n увеличиваются утечки топлива через зазоры в прецизионных парах топливного насоса и форсунок, что вызывает замедление роста η_i (и даже снижение), если не корректировать цикловую подачу топлива.

Рис. 8.9. Изменение индикаторных показателей

в зависимости от частоты вращения n:

─── – ДВС с искровым зажиганием; ─ ─ ─ – дизель

В зависимости от n изменение η_v происходит по более пологим кривым, чем в ДВС с искровым зажиганием, поскольку дизель обычно работает при меньших частотах вращения n и соответственно с меньшими утечками заряда цилиндра.