8.5. Характеристики поршневых двигателей

Одним из важнейших параметров поршневого двигателя является угол θ опережения зажигания (в ДВС с искровым зажиганием) или опережения впрыскивания топлива (дизель).

Регулировочная характеристика по углу θ определяет зависимости основных показателей двигателя от его изменения при постоянных значениях n, η_v и α (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Регулировочная характеристика по углу θ

На регулировочных характеристиках оптимальному значению угла опережения зажигания θ_опт соответствуют минимальные значения g_e и максимальные значения N_e.

При увеличении нагрузки снижается период задержки воспламенения горючей смеси, возрастает скорость распространения фронта пламени и происходит уменьшение и θ_опт, поскольку горючая смесь больше прогревается и снижается содержание остаточных газов (в ДВС с искровым зажиганием) (рис. 8.13).

Рис 8.13. Изменение θ_опт от N_e и n

При увеличении частоты вращения коленчатого вала n происходит увеличение температуры заряда в цилиндре, поскольку увеличивается показатель политропы сжатия n₁, температура остаточных газов T_r и турбулентность в камере сгорания, что способствует снижению задержки воспламенения и скорости сгорания. При этом снижается время на протекание эффективного сгорания, поэтому при увеличении n будет увеличиваться и θ_опт.

Минимальный θ_опт соответствует сгоранию смесей близких к стехиометрическим (α = 1,0), поскольку температура сгорания больше, а скорость сгорания меньше, чем у сгорания смесей мощностного состава (α = 0,85 – 0,9), поэтому возможность появления детонации увеличивается (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Изменение θ_опт от α

При обеднении смеси (увеличение α), требуется большее время на процесс горения, поскольку ухудшаются условия воспламенения и увеличивается длительность начальной фазы горения, в тоже время богатые смеси сгорают быстро, но для полноты сгорания этих смесей требуется определенное время.

Внешняя скоростная характеристика определяет макимальные значения мощности двигателя, которые можно получить при работе двигателя на различных скоростных режимах.

Внешнюю скоростную характеристику получают при максимальных расходах воздуха, поступающих в двигатель на данном скоростном режиме, мощностном составе смеси в цилиндре и при оптимальных углах θ_опт опережения зажигания в ДВС с искровым зажиганием или углах φ_опт впрыскивания топлива (дизель).

В двигателях с искровым зажиганием работа по внешней скоростной характеристике осуществляется с полностью открытой дроссельной заслонкой на мощностном составе смеси (α = 0,85 – 0,90) и на оптимальных углах опережения зажигания θ_опт, причем при увеличении n состав смеси несколько обедняется, а θ_опт увеличивается (рис. 8.15).

После достижения максимального значения η_v происходит его снижение при увеличении n, что объясняется запаздываниеем закрытия клапанов на такт сжатия (впускной клапан) и на такт впуска (выпускной клапан), приводящее к снижению количества заряда в цилиндре.

Рис. 8.15. Внешняя скоростная характеристика четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (iV_h = 2,445 л, ε = 8,5)

Характеристика удельного эффективного расхода топлива g_e, как величины обратной η_е при n = const., имеет минимальные значения при значениях эффективного давления р_е, на которых получены максимальные значения η_v. Уменьшение р_е приводит к увеличению g_e и при р_е = 0 значения g_e стремятся к бесконечности. При работе двигателя с искровым зажиганием по внешней скоростной характеристике содержание вредных веществ в отработавших газах (с отбором проб по «горячей линии») следующее: СО – на уровне 2 – 3 %, СН – на уровне 1000 – 1500 млн^-1 и NO_x – на уровне 900 – 1000 млн^-1.

Работа двигателя с наилучшей экономичностью (как правило, и с наименьшим содержанием вредных веществ в отработавших газах) происходит на пределе эффективного (экономичного) обеднения α_э, который в обычных бензиновых двигателях лежит в пределах 1,1 – 1,2, а в двигателях с расслоением заряда в цилиндре α_э достигает 1,4 и более.

Характеристики α_э получают из регулировочных характеристик по составу смеси при оптимальных θ_опт и различных постоянных расходах воздуха G_в (η_v), поступающего в двигатель (различных положениях дроссельной заслонки). Если при этом поддерживать n = const., то получают характеристики изменения различных показателей двигателя от N_e (нагрузочную характеристику) при оптимальном сочетании α, η_v и θ_опт (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Нагрузочная характеристика двигателя ЗМЗ-4022.10 (ε=8,4) с расслоением заряда в цилиндре при n = 2000 мин^-1:

- - - - изменение параметров при регулировании по α_э ;

--- ∙ --- - пределы эффективного обеднения при различных η_v

Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах поршневых двигателей обычно используют трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который увеличивает противодавление в системе выпуска ДВС, ухудшая очистку цилиндров от остаточных газов (увеличивается γ) и уменьшая η_v.

Сравнительные регулировочные характеристики по составу смеси ДВС ЗМЗ-4022.10 (ε = 8,4) с расслоением заряда в цилиндре на режиме n = 2000 мин^-1 и η_v = 0,43 показывают влияние трехкомпонентного каталитического нейтрализатора на мощностные, экономическте и экологические показатели двигателя (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Сравнительные регулировочные характеристики по составу смеси форкамерного ДВС с расслоением заряда в цилиндре:

- - - - - без нейтрализатора; ------ - с нейтрализатором;

----- ∙ ----- - пределы эффективного обеднения

Характеристики показывают, что нейтрализатор снижает максимальную мощность при α = 0,85 – 0,9 на 3 %, а при работе на стехиометрической смеси максимальная мощность снижается на 5 % по сравнению с работой ДВС без нейтрализатора. Кроме того, нейтрализатор снижает пределы эффективного обеднения, что ухудшает топливную экономичность двигателя на 7 %. При работе ДВС как с нейтрализатором, так и без него на пределе эффективного обеднения содержание в отработавших газах NO_x практически одинаково и находится на уровне 400 млн^-1.

При работе на смеси α = 1,0 нейтрализатор снижает в отработавших газах содержание NO_x более чем на 98 %, но ухудшает топливную экономичность более чем на 30 % по сравнению с работой ДВС без нейтрализатора на пределе эффективного обеднения. При работе ДВС с нейтрализатором на смесях с α > 1,0 содержание в отработавших газах СО и СН снижается более чем на 95 % по сравнению с двигателем без нейтрализатора.

На работу дизеля большое влияние оказывает угол опережения впрыскивания топлива φ.

Регулировочной характеристикой дизеля по углу опережения впрыскивания топлива называется зависимость основных показателей от φ при постоянной частоте вращения коленчатого вала n, постоянных составе смеси α и коэффициенте η_v (рис. 8.18).

Рис. 8.18. Регулировочные характеристики дизеля по φ

По этой характеристике определяют оптимальный угол φ_опт, при котором получают минимальные значения g_e или максимальные значения р_е (N_e), анологично регулировочной характеристики по углу θ опережения зажигания в ДВС с искровым зажиганием.

При φ < φ_опт снижается париод задержки воспламенения и количество теплоты, выделившейся в фазе быстрого сгорания, поэтому значения максимального давления сгорания р_z и скорости нарастания давления минимальны, которые увеличиваются по мере увеличения угла φ.

Увеличение угла φ увеличивает также содержание в отработавших газах NO_x, но снижает содержание сажи (К), что является эффективным средством регулирования дизеля по токсичности.

Дизели на номинальном режиме в основном работают на смесях с α 1,5 (без наддува) и α 2,0 (с наддувом при π_к > 2,0), и, исходя из этого, минимальные значения удельного эффективного расхода топлива могут лежать в пределах g_e = 200 – 250 г/(кВт∙ч).

Нагрузочные характеристики дизеля ЯМЗ-236 при n = 1600 мин^-1 показывает изменение N_e, η_м, η_е, η_i, К, α, g_i и g_е в зависимости от среднего эффективного давления р_е (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Нагрузочные характеристики дизеля ЯМЗ-236

при n = 1600 мин^-1

С увеличением нагрузки (р_е или N_e) увеличивается механический КПД η_м, а минимальный удельный расход топлива g_е соответствует мощности 0,85 N_{e ном} и затем увеличивается, поскольку ухудшается сгорание в локальных, переобогащенных зонах камеры сгорания.

В отличии от ДВС с искровым зажиганием при снижении р_е в дизеле индикаторный КПД η_i увеличивается, а удельный индикаторный расход топлива g_i снижается, что объясняется увеличением коэфициента избытка воздуха α. Поэтому разница в величинах эффективного КПД η_е и g_е между ДВС с искровым зажиганием и дизелем возрастает по мере снижения нагрузки (р_е или N_e). При увеличении нагрузки увеличивается дымность (К) в отработавших газах, поскольку ухудшается распределение топлива по камере сгорания.

Сравнительные внешние скоростные характеристики шестицилиндрового дизеля «Пегасо» (V_h = 12 л) с наддувом и без наддува показаны на рис. 8.20.

Рис. 8.20. Внешние скоростные характеристики ДВС «Пегасо»:

─ ─ ─ ─ – ДВС без наддува; ──── – ДВС с наддувом

Установка турбокомпрессора сопровождалась изменением выпускного коллектора, системы впуска и угла опережения впрыскивания топлива, а также небольших изменений в системах охлаждения и смазки.

Характеристики показывают, что использование наддува позволио увеличить мощность N_e на 24 % и крутящий момент М_е на 16 %, а его максимальное значение сместить в область с более высокой частой вращения коленчатого вала (n).

Кроме того, в ДВС с наддувом улучшился удельный эффективный расход топлива на 15 %, благодаря работе на смесях с более бедными коэффициентами избытка воздуха α 1,7 - 1,8, вместо α = 1,5 в дизеле без наддува.