Условия снятия характеристики.

Характеристика снимается при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя и фиксированном положении дроссельной заслонки. Угол опережения зажигания должен устанавливаться для каждого режима работы, т.е. для каждой новой регулировки часового расхода топлива. Однако в учебных опытах для упрощения снятия характеристики угол опережения зажигания может сохраняться постоянным. Изменение α осуществляется путем изменения расхода топлива: в двигателях с впрыскиванием бензина и электронным управлением для этого изменяют длительность управляющего импульса форсунки (т.е. длительность впрыска).

Регулировочная характеристика двигателя по составу смеси позволяет:

1. Определить предельные мощностные, экономические и токсические показатели двигателя на исследуемых режимах;

2. Выбрать регулировки топливоподающей аппаратуры или оценить ее качество.

Теоретическая часть

Коэффициент избытка воздуха характеризующий состав, или качество, горючей смеси, представляет собой отношение фактического количества воздуха, приходящегося в смеси на 1 кг топлива к количеству воздуха теоретически необходимому для полного сгорания 1 кг топлива.

Α=G_{в факт}/ G_{в теор.}

Теоретически для полного сгорания 1 кг топлива необходимо приблизительно 14,7 кг воздуха (G_{в теор}=14,7 кг). Если фактическое количество воздуха в смеси равно теоретически необходимому, то а = 1, и такую смесь называют стехиометрической. При стехиометрическом составе можно ожидать, что сгорание топлива будет полным, а это необходимо для достижения максимальных значений мощности и экономичности двигателя.

На практике из-за некачественного смесеобразования полное сгорание смеси происходит на слегка обедненных смесях: α_эк=1,1-1,2. Данный состав называется экономичным. Именно на этих составах смеси двигатель имеет максимальную топливную экономичность.

При работе на α_эк вследствие уменьшения концентрации топлива улучшается полнота его сгорания. Происходит общее уменьшение температур рабочего цикла, поэтому уменьшаются потери теплоты, как в систему охлаждения, так и с отработавшими газами. Кроме того, при обеднении смеси за счет увеличения доли кислорода, не участвовавшего в сгорании, возрастает концентрация двухатомных молекул O₂, имеющих по сравнению с трехатомным CO₂ и H₂O меньшую теплоемкость. Снижение теплоемкости также уменьшает потери теплоты с отработавшими газами. Улучшение полноты сгорания топлива и снижение тепловых потерь повышает эффективность использования теплоты топлива, что характеризуется ростом индикаторного КПД и уменьшением удельного расхода топлива.

Р ис. 11. Влияние состава смеси на КПД двигателя.

При чрезмерном обеднении (α>α_эк) и очень малой концентрации топлива в смеси скорость распространения пламени значительно уменьшается. Ухудшаются условия воспламенения и сгорания заряда, возрастают тепловые потери в стенки камеры сгорания и с отработавшими газами. Использование теплоты топлива в цикле ухудшается, что характеризуется падением эффективного КПД и возрастанием удельного расхода топлива.

Максимальная мощность так же наблюдается не при α = 1,0, а при более богатой смеси α_м = 0,8…0,9. (мощностной состав). Это объясняется рядом причин. Во-первых, максимальное количество теплоты выделяется при некотором обогащении смеси, так как из-за несовершенства смесеобразования, неравномерного распределения топлива в воздушном заряде полное использование воздуха возможно только при некотором избытке топлива. Во- вторых, при некотором обогащении смеси наблюдаются максимальные скорости сгорания. Быстрое сгорание способствует более полному превращению теплоты в работу (сгорание в минимальном объеме). В-третьих, с обогащением смеси увеличивается коэффициент молекулярного изменения, показывающий увеличение числа молей рабочей смеси. Все это приводит к увеличению давления в цилиндре, а, следовательно, и к росту мощности двигателя.

Р ис. 12. Регулировочная характеристика по составу

При дальнейшем обогащении смеси (α< α_м) мощность уменьшается вследствие уменьшения количества топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, увеличивается химическая неполнота сгорания топлива из-за недостатка воздуха. Кроме того, в обоих случаях падение мощности связано с уменьшением скоростей горения. При значительном уменьшении скоростей горения большая доля топлива выгорает на такте Расширения, поэтому снижается степень расширения продуктов сгорания и возможность превращения выделившейся теплоты топлива в механическую работу. Возрастают потери теплоты с отработавшими газами за счет повышения их температуры. Увеличиваются потери теплоты и в систему охлаждения за счет большей температуры газов, на такте расширения.

Таким образом, рациональная регулировка топливоподающей аппаратуры должна находиться в зоне между α_м и α_эк, так как за ее пределами одновременно ухудшается и мощность и топливная экономичность. При регулировании состава смеси на наилучшую экономичность мощность двигателя уменьшается примерно на 10…15 % по сравнению с максимально возможной на данном режиме работы. При мощностном составе смеси удельный расход топлива повышается на 10…15 %, а часовой – на 25…35 %. То есть регулировки состава смеси, одновременно обеспечивающей максимальную мощность и минимальный удельный расход топлива, не существует.

Пределы воспламенения топливно-воздушной смеси α=0,6-1,4. Вблизи границ этой зоны работа двигателя неустойчива, поэтому при снятии регулировочной характеристики обычно ограничиваются диапазоном изменения коэффициента избытка воздуха 0,7…1,2.

Значительное влияние на качество процесс сгорания оказывают положение дроссельной заслонки и частота вращения коленчатого вала. Поэтому на этих режимах состав смеси должен корректироваться.

Р ис. 13. Зависимость коэффициента избытка воздуха от положения дроссельной заслонки

По мере прикрытия дросселя, условия протекания рабочих циклов изменяются. С каждым впуском в цилиндры поступает меньшее количество топливовоздушной смеси, т.е. возрастает количество остаточных газов. Это приводит к уменьшению скорости сгорания, что отрицательно отражается на использовании тепла, так как увеличивается теплоотдача в стенки. Следовательно, для получения при дросселировании достаточно быстрого сгорания необходимо несколько обогатить горючую смесь. При этом увеличиваются часовые расходы топлива, но одновременно с этим возрастает мощность, развиваемая двигателем.

С уменьшением частоты вращения коленчатого вала ухудшается смесеобразование во впускном трубопроводе и турбулизация заряда в цилиндре. Это приводит к замедлению процесса сгорания, увеличивается теплоотдача в стенки. Для получения на низких частотах достаточно быстрого сгорания необходимо несколько обогатить горючую смесь.

Р ис. 14. Зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленчатого вала

Нормы на выброс токсичных веществ являются дополнительными ограничениями при выборе регулировок системы питания. Механический двигатель не в состоянии обеспечивать удовлетворение современным нормам на выброс вредных веществ. Из всех вариантов решения проблемы снижения вредных выбросов самым эффективным оказалось использование каталитического нейтрализатора, в котором в результате химической реакции с кислородом в присутствии катализатора углеводороды СН, оксид углерода СО и окислы азота Nox превращаются в воду H₂О, двуокись углерода СО₂ и азот N₂. Особенность нейтрализатора заключается в том, что для эффективной борьбы со всеми тремя вредными компонентами топливо должно подаваться в цилиндр в строгой пропорции с воздухом. Это достигается работой на стехиометрическом составе смеси. В результате двигатель теряет как в экономичности, так и в мощности, но при этом удовлетворяет современным нормам на выброс вредных веществ.