2553

в) размеры цилиндра; г) форма камеры сгорания;

д) расположение свечи зажигания; е) нагрузка на двигатель; ж) число оборотов; з) угол зажигания;

и) температурный режим двигателя.

4.12.2. Преждевременное воспламенение

Возникает вследствие появления в камере сгорания сильно нагретых участков (электроды электросвечи, выпускные клапаны, тлеющие частицы нагара и т.д.). От нагретых деталей начинает распространяться нормальный фронт пламени, но момент воспламенения смеси становится неуправляемым. Преждевременное воспламенение является очень опасным видом нарушения сгорания. Кривошипношатунный механизм испытывает огромные нагрузки, что в конечном итоге может привести к поломке шатуна или коленчатого вала (рис. 27).

Рис. 27. Диаграмма преждевременного воспламенения

71

Появление преждевременного воспламенения сопровождается глухими стуками, которые не всегда можно услышать в общем шуме двигателя. Исключением преждевременного воспламенения является устранение перегретых зон в камере сгорания, подбор свечей зажигания по калильному числу.

4.12.3.Последующее воспламенение

Всовременных форсированных двигателях с высокими степенями сжатия возникают очаги воспламенения уже после того, как началось нормальное распространение фронта пламени от свечи зажигания. Источником такого воспламенения являются оторвавшиеся от стенок камеры сгорания частицы нагара, от которых начинается дополнительное распространение фронтов пламени.

Рис. 28. Диаграмма последующего воспламенения

В связи с этим скорость сгорания рабочей смеси может увеличиваться в несколько раз, сопровождаясь резким повышением давления. Индикаторная диаграмма приобретает характер изображения повышенного давления в виде второго пика (рис. 28).

Резко повышается максимальное давление и жесткость работы двигателя. Подобное явление, получившее название «грохот», сопро-

72

вождается интенсивной теплоотдачей в стенки камеры сгорания, прогоранием поршней двигателя и т.д.

Мероприятием, понижающим явление «грохота», является добавление к топливу присадок, которые уменьшают образование нагара и понижают степень сжатия.

5.ФАЗЫ ГОРЕНИЯ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Вдизельных двигателях топливо впрыскивается в воздух, имеющий температуру 550‒650 °С и давление 3,5‒4МПа. Подача топлива начинается до ВМТ и может заканчиваться до и после нее.

После начала впрыска горение не наступает. Давление изменяется за счет сжатия. Причем в начале впрыска давление и температура снижаются за счет испарения топлива. В течение указанного периода развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги горения и давление начинает возрастать за счет теплоты, выделенной при сгорании топлива.

Период от начала впрыска топлива (точка 1) и до момента отрыва линии сжатия от линии сгорания называют периодом задержки воспламенения (рис.29).

Второй период (точки 2, 3) называют фазой быстрого сгорания топлива. Начало периода ‒ точка 2, конец – точка 3, т.е. точка максимального давления цикла. Скорость тепловыделения во втором периоде в начале резко возрастает, а затем резко уменьшается. Второй период оценивается степенью нарастания давления на градус поворота коленчатого вала, т.е. жесткостью работы двигателя. Работа двигателя считается нормальной, если среднее значение жесткости лежит в пределах 0,4‒0,5 МПа, а максимальное не превышает 1,0 МПа. При более высоком значении работа двигателя будет жесткой.

При хорошо организованном рабочем процессе к концу второго периода количество выделенной теплоты составляет около 1/3 (т.е. 30 %) от располагаемой.

Третий период от максимального давления (точка 3) до максимальной температуры (точка 4) называют периодом замедленного сгорания. К концу третьего периода сгорает до 70‒80 % топлива, коэффициент тепловыделения достигает значения 0,7‒0,8. Сгорание в третьем периоде характеризуется постепенным замедлением скорости, т.к. уменьшается давление рабочего тела и рабочая смесь разбавляется продуктами сгорания.

73

теплоты. К концу четвертой фазы выделяется 95‒97 % располагаемой теплоты.

Большое влияние на процесс сгорания оказывают период задержки воспламенения и организация смешения топлива с воздухом. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива вводится к началу воспламенения и тем больше жесткость работы двигателя. Уменьшение задержки воспламенения способствует плавному нарастанию давления, но чрезмерное уменьшение периода задержки воспламенения может привести к ухудшению полноты сгорания топлива, так как часть топлива будет впрыскиваться не в воздух, а в продукты сгорания.

На продолжительность задержки воспламенения оказывают влияние:

а) химические свойства топлива; б) характер вихревого движения заряда;

в) наличие в камере сгорания нагретых поверхностей; г) скоростной режим работы двигателя; е) способ организации процессов смесеобразования и т.д.

Способы организации смесеобразования зависят в основном от формы камеры сгорания, от тангенциального входа впускного трубопровода, от наличия в камере сгорания вытеснителей и т.д. Смесеобразование должно быть организовано так, чтобы поступающее топливо встречалось не с продуктами сгорания, а с воздухом.

В дизельных двигателях возможно возникновение ударных волн, но при этом отсутствует тенденция к их усилению. У дизелей отсутствует возможность преждевременного воспламенения топлива. Дизели позволяют неограниченно обеднять смесь. Это приводит к изменению мощности только за счет изменения количества подаваемого топлива, что способствует значительному повышению экономичности. Полнота сгорания топлива улучшается вплоть до =3‒3,5, при дальнейшем увеличении обеднения смеси полнота сгорания топлива несколько ухудшается.

При >3‒3,5 увеличивается период задержки воспламенения, при этом часть топлива успевает испариться и образовать переобедненную однородную смесь, скорость сгорания которой замедлена, а в отдельных случаях равна нулю.

С другой стороны, из-за наличия в цилиндре двигателя неоднородной смеси, при =1,35-1,5 работа двигателя сопровождается значительным недогоранием топлива, а при меньших значениях ста-

75

новится затруднительной. В связи с этим не представляется возможным использовать весь объем воздушного заряда, что приводит к снижению литровой мощности.

Элементарный состав топлива в сильной степени влияет на период задержки воспламенения, который оценивается цетановым числом. Чем больше содержание парафиновых углеводородов, тем выше его цетановое число, тем мягче работа двигателя. В настоящее время ведутся работы по расширению фракционногосоставадизельноготоплива.

Использование более легкого топлива при неизменном цетановом числе сокращает период задержки воспламенения при одновременном возрастании жесткости работы (dp/dα). Повышение цетанового числа и уменьшение периода задержки воспламенения не гарантирует повышение индикаторного КПД и снижение дымности.

В последнее время находят применение многофункциональные присадки, действующие положительно даже на последнюю стадию сгорания. Применение таких присадок улучшает индикаторные показатели двигателя и снижает дымность выпуска.

5.1. Скоростной режим

Сувеличением скоростного режима качество распыливания топлива улучшается, скорость движения воздушного заряда увеличивается, температура и давление к концу сжатия становятся выше. На основании экспериментальных данных показано, что с увеличением n совокупное действие указанных факторов повышает индикаторный КПД. При этом увеличивается Рz и скорость нарастания давления.

Повышение индикаторного КПД с ростом скоростного режима увеличивается до тех пор, пока надежно работает топливная аппаратура и коэффициент наполнения остается достаточно высоким.

5.2.Угол опережения впрыска

Угол опережения впрыска должен изменяться так, чтобы развитие процесса сгорания топлива происходило вблизи ВМТ. При раннем впрыске период задержки воспламенения увеличивается. Процесс сгорания смещается до ВМТ. При позднем впрыске процесс сгорания переносится на линию расширения.

76

5.3. Особенности расчета двухтактных двигателей

Двухтактные двигатели впервые были применены на судовых установках. Это диктовалось требованием иметь большие литровые мощности, т.к. увеличение общей мощности не могло идти только за счет увеличения литража двигателя. Одним из способов повышения литровой мощности является переход на двухтактный процесс.

Развитию двигателей в судостроении значительно способствовала их тихоходность, коленчатый вал которых соединен непосредственно с винтом и делает 80‒100 оборотов в минуту. Уменьшение частоты вращения коленчатого вала для двухтактных двигателей целесообразно, ибо продолжительность впуска и выпуска значительно увеличивается. Все это и послужило широкому развитию двухтактных двигателей в судостроении.

Для карбюраторных двигателей двухтактный процесс особого развития не получил, т.к. необходимо продувать двигатель свежей смесью, что приводит к ухудшению экономичности.

5.4. Достоинства и недостатки двухтактных двигателей

Основные достоинства:

1.Увеличение литровой мощности двигателей; для судовых на 65‒75 %, что уменьшает их удельную массу на 45 % по сравнению с четырехтактными.

2.Двигатели имеют большую равномерность хода, что позволяет установить более легкий маховик.

3.Упрощается система газораспределения. Это объясняется отсутствием клапанов для некоторых двигателей, одинаковой частотой вращения коленчатого и кулачковоговаловдвигателяитопливногонасоса.

4.Упрощение конструкции головки цилиндров.

5.Более благоприятные условия работы коленчатого вала. Т.е. коленчатые валы менее подвержены знакопеременным нагрузкам, при всасывании – отрицательным, а при сжатии – положительным. Болты шатунов почти не испытывают нагрузки.

Основные недостатки:

1.Для продувки цилиндров требуется продувочный насос, производительность которого должна быть больше на 30‒50 % расхода воздуха двигателем.

77

2.Тепловая напряженность деталей (в особенности поршней) значительно выше, чем у четырехтактных двигателей.

3.Возникают трудности по конструированию цилиндров двигателя, в связи с наличием продувочных щелей в нижней части.

4.Величина коэффициента остаточных газов больше, чем у четырехтактных двигателей. Это объясняется меньшим временем на продувку цилиндра за один оборот.

5.Расход топливаисмазкибольше,чемчетырехтактныхдвигателей. Несмотря на эти недостатки, двухтактные двигатели имеют

большую литровую мощность и в ряде случаев конкурируют с четырехтактными двигателями.

5.5. Схемы продувки двухтактных двигателей

Существует большое количество различных схем продувок двухтактных двигателей. Газораспределение чаще всего осуществляется при помощи окон, расположенных в стенках цилиндра, и в некоторых случаях используют клапаны, золотники и т.д. Расположение органов распределения относительно оси цилиндра определяет схему продувки.

Все продувки можно разделить на две группы: а) прямоточные; б) контурные.

Кроме того, существуют двигатели с продувочным насосом и с кривошипно-камерной продувкой.

5.6. Прямоточные продувки

Прямоточные продувки могут быть двух типов, т.е. с восходящим и с падающим потоками. Прямоточные продувки с падающим потоком применяют крайне редко, т.к. они требуют повышенного давления продувочного воздуха для очистки цилиндра (рис. 30).

b1 – открытие выпускного клапана;

b2 – закрытие выпускного клапана;

S1 – открытие продувочных окон;

S2 – закрытие продувочных окон.

Продувка с восходящим потоком дает хорошие результаты. Достоинствами данной продувки являются:

78