|
Период задержки воспламенения
За этот период в камеру сгорания поступает незначительная часть впрыскиваемого за цикл топлива. На индикаторной диаграмме в течение этого периода не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не поступает в него. При увеличении Qi в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается много топлива. Это повышает жесткость работы дизеля. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от следующих основных факторов: качества топлива, угла опережения впрыска топлива, давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска топлива, давления начала впрыска, нагрузки на дизель и частоты вращения коленчатого вала.
Рассмотрим влияние каждого фактора на величину Qi.
Химический состав дизельного топлива сильно влияет на продолжительность Qi. Лучшими дизельными топливами являются топлива парафинового ряда, обладающие более высоким цетановым числом и обеспечивающие наименьшую продолжительность Qi и мягкую работу дизеля.
Для каждой конструкции дизеля принят свой угол опережения впрыска топлива фвп. Оптимальное его значение зависит от нагрузки, теплового режима, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха. При увеличении фвп топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, попадает в холодную среду с низким давлением, т. е. меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается. В цилиндре накапливается топливо, которое сгорает до прихода поршня в в.м.т. Это вызывает повышение жесткости работы дизеля и давления Pz. При малой величине фвп топливо сгорает не полностью, ббльшая его часть сгорает в процессе расширения (в третьей фазе), увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, мощность дизеля снижается.
Увеличение давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска способствуют более раннему самовоспламенению топлива, сокращению периода задержки воспламенения, более мягкой работе двигателя.
Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска, сокращается продолжительность впрыска. При уменьшении давления начала впрыска ухудшается качество распыливания топлива и смесеобразования, что приводит к ухудшению рабочего процесса.
Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл, улучшаются условия подготовки рабочей смеси к сгоранию. Следовательно, продолжительность Qi с увеличением нагрузки сокращается.
Частота вращения коленчатого вала n влияет следующим образом на величину Qi. При изменении n изменяются фвп, давление и продолжительность впрыска топлива, качество его распыливания. Давление и температура воздуха в камере сжатия к моменту начала впрыска также изменяются. На быстроходных дизелях, предназначенных для работы с часто меняющимися скоростными режимами, устанавливают устройства, обеспечивающие автоматическое изменение величины фвп при изменении n.
Из сказанного видно, что момент начала впрыска и период задержки воспламенения оказывают большое влияние на процесс сгорания, на мощность и экономичность дизелей. Поэтому при их эксплуатации эти показатели надо поддерживать в заданных пределах.
Средняя скорость нарастания давления на участке 2…3 определяет жесткость работы дизеля. Ее считают нежесткой, если средняя скорость нарастания давления дельта_Р/дельта_ф не превышает 0,5 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала.
Чем больше поступает топлива в цилиндр в течение периода Qi задержки воспламенения, тем жестче работа двигателя и тем большей величины достигает максимальное давление сгорания Рz.
Характер поступления топлива определяется профилем кулачка, диаметром и величиной хода плунжера топливного насоса, конструкцией дизеля и качеством топлива. Так, например, применение бензина вместо дизельного топлива вызывает появление ударных волн и вибрацию давления в цилиндре дизеля.
| Топлива и способы смесеобразования, применяемые в двигателях внутреннего сгорания
|
| Техническая информация
|
В двигателях внутреннего сгорания используются различные: газообразные, жидкие и даже твердые топлива, хотя практическое значение имеют только некоторые из них. Непосредственное сжигание, например, пылевидного твердого топлива в цилиндрах двигателя технически вполне осуществимо, и такие попытки имели место. Однако золообразование в цилиндрах, чрезмерно высокий износ двигателя и другие связанные с этим трудности до сих пор не преодолены. Поэтому твердые топлива предварительно газифицируются в специальных установках — газогенераторах или же используются как сырье для получения жидких топлив, например бензола. Таким образом, для приготовления рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания используются, как правило, жидкие или газообразные топлива.
Смесеобразование в поршневых двигателях во многом зависит от вида применяемого топлива.
Газообразное топливо смешивается с воздухом на входе в двигатель в специальном смесителе, поэтому в его цилиндры поступает уже готовая горючая смесь.
Топливовоздушную смесь из жидкого топлива и воздуха готовят Двумя способами:
1) чистый воздух и жидкое топливо подаются в цилиндры двигателя раздельно и перемешиваются непосредственно в цилиндрах, образуя с остаточными газами рабочую смесь;
2) жидкое топливо перемешивается с воздухом перед поступлением в цилиндры, куда поступает готовая горючая смесь.
Следовательно, возможны два способа приготовления топливо-воздушной смеси: вне цилиндров и непосредственно в цилиндрах. В зависимости от этого двигатели внутреннего сгорания принято разделять на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
В двигателях с внешним смесеобразованием и зажиганием рабочей смеси от электрической искры, работающих на жидком топливе, горючая смесь чаще всего подготавливается в карбюраторах. Такие двигатели принято называть карбюраторными. Внутреннее смесеобразование преимущественно используется в двигателях с воспламенением рабочей смеси от тепла, накапливаемого в процессе сжатия. Такие двигатели называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями (по имени изобретателя Рудольфа Дизеля).
В практике применяются и другие сочетания методов приготовления и воспламенения рабочей смеси в поршневых двигателях, но они не изменяют основу рассмотренных методов смесеобразования.
Моторные топлива независимо от того, из какого исходного сырья и каким методом они получены, должны обладать определенными физико-химическими свойствами, обеспечивающими надежную работу двигателей, хорошую их топливную экономичность и возможно меньшие износы деталей. Экономичность двигателей, а следовательно, и общий расход горючего в известной мере зависят от теплоты сгорания топлива. Особенно большое значение это имеет для транспортных двигателей, так как радиус действия транспортных средств зависит от запаса топлива, а емкости их баков ограничены.
Газообразные и жидкие топлива нефтяного происхождения представляют собой смеси различных углеводородов широкого фракционного состава. В практике используются топлива с фракционным составом от легких газообразных до тяжелых, трудно испаряемых.
Физико-химические свойства моторных топлив, как правило, регламентируются государственными стандартами, которые обязательно учитываются при проектировании новых двигателей.
Твердые топлива — антрацит, различные угли, древесина, торф, горючие сланцы и другие — используются для получения таких газообразных топлив, как светильный, коксовый, доменный и газогенераторный газы, а также жидких топлив в виде сланцевых, угольных и других бензинов и бензолов, пригодных для сжигания в двигателях внутреннего сгорания.
Жидкие моторные топлива по роду исходного сырья подразделяются на две группы: нефтяные и ненефтяные, получаемые, например, при соответствующей переработке твердого топлива. В двигателях внутреннего сгорания в основном применяются жидкие топлива, получаемые в больших количествах путем переработки нефти. Это бензин, керосин, газойлевые и соляровые фракции и даже мазут, который используется иногда в качестве тяжелого нефтяного топлива.
Бензин представляет собой наиболее летучую жидкую часть нефти, состоящую в основном из группы индивидуальных углеводородных соединений от пентана С5Н12 до октана C8H18. Температура кипения бензиновых компонентов нефти не превышает 185-205°С.
Керосин состоит из более тяжелых углеводородов, выкипающих при температуре 290-300°С. Еще более тяжелыми фракциями являются газойль и соляровое масло. Температура выкипания углеводородов газойлевой фракции достигает 380°С, а солярового масла — 500°С.
Для карбюраторных двигателей основным топливом служит бензин, а в двигателях с воспламенением от сжатия используется дизельное топливо, основанное на смеси фракций нефти, температура кипения которых не выходит за пределы 350°С. В крупных стационарных дизелях находят применение тяжелые моторные топлива, состоящие из смеси солярового масла и мазута. Газотурбинные двигатели работают на керосине.
Нефтяное топливо в основном состоит из химических элементов: углерода С и водорода Н. Содержание углерода колеблется в пределах 85 ÷ 87%, а водорода — 13 ÷ 15%. В небольших количествах они содержат кислород О, азот N, серу S и следы воды. Эти элементы входят в нефтепродукты в виде химических соединений, главными из которых являются углеводороды, составляющие следующие группы (ряды): алканы, цикланы и ароматические углеводороды бензольного ряда.
Перечисленные группы углеводородных соединений различаются структурой молекул. Молекулы алканов, например, имеют цепное строение (незамкнутые цепи), в молекулы цикланов входят замкнутые кольца (циклы) атомов углерода с простой валентной связью, а молекулы ароматического ряда характеризуются наличием шести -членного циклического ядра с более сложной валентной связью между атомами углерода.
Групповой состав углеводородных соединений оказывает большое влияние на физико-химические свойства топлив, предопределяя возможности их использования в определенных типах двигателей.
Для топлив карбюраторных двигателей важнейшим качеством является, например, детонационная стойкость. Если детонационная стойкость топлива не соответствует выбранной (завышенной) степени сжатия, то нормальное протекание процесса сгорания нарушается. Сгорание приобретает взрывной характер, порождающий ударную волну давления, которая распространяется в цилиндре со сверхзвуковой скоростью. Удары детонационной волны о стенки цилиндра и поршень при многократном отражении вызывают вибрацию стенок, воспринимаемую как характерный резкий детонационный стук. Работа двигателя с детонационным сгоранием недопустима, так как ухудшает его показатели и приводит к разрушению некоторых ответственных деталей кривошипно-шатунного механизма.
Детонационная стойкость топлив зависит от группового состава углеводородных соединений. Чем больше в топливе ароматических соединений, тем выше его детонационная стойкость.
Антидетонационные свойства топлив оцениваются октановым числом путем сравнения топлив с эталонами. В качестве эталонов приняты изооктан (и—C8H18), обладающий хорошими антидетонационными свойствами, и нормальный гептан (н — С7Н16) с низкими антидетонационными свойствами. Октановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая оказывается равноценной данному топливу по детонационной стойкости при испытаниях в стандартных условиях. Октановые числа (о. ч.) современных бензинов находятся в пределах 70 ÷ 100 единиц.
Для топлив, применяемых в дизелях, важнейшим качеством является самовоспламеняемость, определяющая степень жесткости работы двигателя, о которой можно судить, например, по резкости характерного стука, возникающего при работе дизеля. Самовоспламеняемость дизельных топлив оценивается цетановым числом, которое определяют путем сравнения работы стандартного двигателя на испытуемом топливе и па смеси эталонных топлив. В качестве эталонов используются цетан (С16Н34) из группы алканов с хорошей воспламеняемостью и альфа-метилнафталин (С10Н7СН3), являющийся ароматическим углеводородом, стойким против самовоспламенения. Цетановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию цетана в такой смеси с альфа-метил нафталином, которая по самовоспламеняемости оказывается равноценной испытуемому топливу.
Чем выше содержание алканов в дизельном топливе, тем выше его склонность к самовоспламенению и тем мягче, без сильных стуков работают дизели. Цетановое число (ц. ч.) дизельных топлив составляет примерно 45—50 единиц.
Основные физико-химические параметры жидких топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания автомобильного и тракторного типов, обусловленные государственными стандартами, приведены в таблице.
Таблица 1.1
| Наименование показателей
| Бензины автомобильные с учетом требований ГОСТ 2084-67 *
| | А-66
| А-72
| А-76
| АИ-93
| АИ-98
| | Фракционный состав:
10% перегоняется при температуре
°С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
|
79
125
|
70
115
|
70
115
|
70
115
|
70
-
115
| | 50% перегоняется при температуре
°С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
|
| -
| | Конец перегонки °С, не выше . . . .
| 205
| 195
| 195
| 195
| 195
-
| | Температура застывания °С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| -
| -
| -
| -
| -
| | Октановое число . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
|
|
| | Цетановое число . . . . . . . . . . . . . . .
| -
| -
| -
| -
| -
| | Содержание серы %, не более . . . .
| 0,15
| 0,12
| 0,10
| 0,10
| 0,10
| | Содержание смол в мг на 100 мл топлива, не более . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
|
|
| | Плотность при +20°С, г/см3 . . . . . .
| 0,712 – 0,760
| | Вязкость при +20°С, в сст *** . . . .
| 0,65 – 0,85
| | Теплота сгорания низшая в ккал/кг, не менее . . . . . . . . . . . . . . .
| 10400 - 10500
|
Таблица 1.2
| Наименование показателей
| Топливо дизельное автотракторное **
| | А
| З
| Л
| | Фракционный состав:
10% перегоняется при температуре
°С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| _
| _
| _
| | 50% перегоняется при температуре
°С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
| | Конец перегонки °С, не выше . . . .
|
|
|
| | Температура застывания °С, не выше . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| -55
| -35
| -10
| | Октановое число . . . . . . . . . . . . . . .
| -
| -
| -
| | Цетановое число . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
| | Содержание серы %, не более . . . .
| 0,4
| 0,6
| 1,0
| | Содержание смол в мг на 100 мл топлива, не более . . . . . . . . . . . . . . .
|
|
|
| | Плотность при +20°С, г/см3 . . . . . .
| 0,825 – 0,830
| | Вязкость при +20°С, в сст *** . . . .
| 1,5-2,5
| 2,2-3,2
| 3,0-6,0
| | Теплота сгорания низшая в ккал/кг, не менее . . . . . . . . . . . . . . .
|
| * В числителе - требования для бензина летнего вида, в знаменателе - зимнего вида,
** А - арктическое, З - зимнее, Л - летнее,
*** 1 сСт = 1 мм²/с.
Газообразные моторные топлива широко используются для питания как транспортных, так и стационарных силовых установок.
Топлива, предназначенные для транспортных газовых двигателей, должны обладать высокой теплотой сгорания, так как иначе трудно обеспечить достаточный запас топлива при ограниченных габаритах и весе транспортных средств и их силовых устройств. Для стационарных силовых установок это требование не является существенным, поскольку они могут питаться непосредственно от источников получения газа.
В качестве газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания используют природные, промышленные и газогенераторные газы. Природные газы получают из скважин подземных газовых месторождений и на промыслах добычи нефти (промысловые или нефтяные газы); промышленные газы представляют собой продукты переработки нефти, твердых горючих ископаемых (например, при выжиге кокса в доменном производстве, в ряде химических производств и т. д.); газогенераторные газы получают путем газификации различных твердых топлив в газогенераторных установках.
Природные и промышленные газы в зависимости от их агрегатного состояния при использовании в качестве топлива подразделяют на два класса или группы: сжимаемые (или сжатые) и сжижаемые (или сжиженные). Эти названия групп носят условный характер, так как при глубоком охлаждении сжиженными могут быть и газы первого класса, имеющие низкую критическую температуру.
К сжимаемым относятся следующие газы: метан СН4, водород Н2, окись углерода СО и их смеси. Эти газы при нормальной температуре остаются в газообразном состоянии при сжатии их до любого высокого давления. Они хранятся в специальных баллонах под давлением в 200 кГ/см2 (≈ 20 Мн/м2). По теплоте сгорания их подразделяют на высококалорийные, среднекалорийные и низкокалорийные.
Высококалорийные газы состоят в основном из метана и имеют низшую теплоту сгорания 5500 ÷ 9000 ккал/м3 (≈ 22—36 Мдж/м3). В эту группу входят газы природные, нефтяные (промысловые) и канализационные, получающиеся при переработке сточных вод городских канализационных систем. Сюда же относится метановая фракция коксового газа.
Среднекалорийные газы содержат много водорода и окиси углерода; низшая теплота сгорания их составляет 3500 ÷ 5500 ккал/м3 (≈ 14,2—22 Мдж/м3). В основном это коксовый газ, получаемый в больших количествах при выжиге кокса.
Низкокалорийные газы характеризуются небольшим содержанием горючих компонентов, состоящих в основном из окиси углерода— 20 ÷ 30%. На инертные компоненты (балластную часть) этих газов приходится до 65%, поэтому низшая теплота сгорания их находится в пределах 1000 ÷ 3500 ккал/м3 (≈ 4—14,2 Мдж/м3). В эту группу входят доменный и различные силовые (генераторные) газы. Используются они без предварительного сжатия в основном в стационарных силовых установках.
К сжижаемым газам относятся: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Ню. этилен С2Н4, пропилен С3НС, бутилен С4Н8 и другие компоненты нефтяных (промысловых) и промышленных газов. Низшая теплота сгорания этих газов находится в пределах 14000 ÷ 26000 ккал/м3 (56—104 Мдж/м3) — сжижаются они при обычных температурах и относительно невысоких давлениях. Это выгодно отличает их даже от высококалорийных сжимаемых газов, так как позволяет обходиться более тонкостенными баллонами, рассчитанными на рабочее давление, не превышающее 16 ÷ 20 кГ/см2 (≈ 1,6—2,0 Мдж/м2).
В качестве топлива для транспортных двигателей применяются в основном пропано-бутановые смеси.
Газообразные топлива по сравнению с бензином обладают более высокими октановыми числами, составляющими 90 ÷ 120 единиц, что позволяет повышать степень сжатия в двигателях без опасения вызвать детонационное сгорание. При работе на газообразном топливе в поршневых двигателях заметно уменьшается также износ стенок цилиндров, меньше накапливается отложений, улучшается смесеобразование, вследствие чего облегчается пуск и обеспечивается более полное сгорание топлива в цилиндрах. Поэтому газообразное топливо целесообразно использовать в автомобильных двигателях.
В поршневых двигателях с внешним смесеобразованием можно использовать только некоторые из перечисленных видов моторных топлив — газообразные и жидкие, обладающие сравнительно хорошей испаряемостью, например бензин. При использовании топлив с недостаточной испаряемостью нельзя получить на входе в цилиндры горючую смесь с нужным паросодержанием, что нарушает смесеобразование и расстраивает нормальное протекание рабочего цикла в двигателе. С точки зрения ассортимента потребляемых топлив более предпочтителен поэтому способ внутреннего смесеобразования. Двигатели с внутренним смесеобразованием при соответствующей организации процессов могут практически работать на любых жидких моторных топливах, начиная от легких, высокооктановых бензинов до тяжелых погонов нефти. Такие многотопливные двигатели получают все большее распространение.
|
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
