книги из ГПНТБ / Петренко, Е. Я. Некоторые особенности работы автотракторных дизелей в высокогорных условиях

Попытки создания двигателей с переменной, автома­ тически изменяющейся степенью сжатия известны давно, однако из-за сложности и ненадежности в работе меха­ низма изменения степени сжатия такие конструкции не получили распространения.

Неавтоматическое изменение степени сжатия двигате­ лей внутреннего сгорания можно осуществить путем применения специальных «высотных головок» или «вы­ сотных поршней», чтобы использовать возможность час­ тичной компенсации вредного влияния высоты на мощ­ ность и экономичность двигателей.

Однако данный метод улучшения процесса смесеоб­ разования не может найти широкого применения для дизелей, так как это связано со значительными передел­ ками дизелей. К тому же, двигатели с одними высотными головками или высотными поршнями не могут исполь­ зоваться в -диапазоне высот свыше 1000 м. При измене­ нии высотного диапазона степень сжатия также должна изменяться.

Из таблицы 2 видно, что высотные условия не оказы­ вают заметного влияния на коэффициент наполнения. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными на кафедре «Тракторы, автомобили и теп­ лотехника» Киргизского сельскохозяйственного институ­ та. Экспериментами, проведенными в реальных высоко­

в пределах 0,82—0,83. Поэтому при рассмотрении влия­ ний высокогорных условий на основные показатели дви­ гателей внутреннего сгорания изменением коэффициента наполнения можно пренебречь.

Для выяснения влияний высокогорных условий на мощностные и экономические показатели, а также на

20

теплонапряженность и сроки службы обычных двигате­ лей рассмотрим влияние этих условий на параметры ди­ зелей, существенно изменяющиеся с высотой.

Если в уравнении эффективной мощности параметры, не изменяющиеся с высотой в значительных пределах, обозначить постоянным коэффициентом К, то это урав­ нение можно представить в следующем виде:

Из этого уравнения видно, что эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания зависит от удельного веса воздушного заряда у' и фактора совершенства ра­

бочего цикла ~ , который представляет собой отношение

индикаторного кпд двигателя к коэффициенту избытка воздуха.

Индикаторным кпд двигателя называется отношение теплоты, которая преобразуется в полезную работу цик­ ла, ко всей затраченной теплоте. С помощью этого кпд оценивают степень использования теплоты в цилиндре двигателя с учетом всех тепловых потерь, включая и от­ вод теплоты в систему охлаждения.

У существующих четырехтактных дизелей индика­ торный кпд находится в пределах г]!= 0,43—-0,50.

Соотношение воздуха и топлива, участвующих в ра­ бочем процессе двигателей внутреннего сгорания, оце­ нивается коэффициентом избытка воздуха. Этот коэффи­ циент характеризует состав рабочей смеси и оказывает заметное влияние на индикаторный кпд двигателя. Ха­ рактер изменения индикаторного кпд и фактора совер­ шенства рабочего цикла дизеля в зависимости от коэф­ фициента избытка воздуха при постоянном скоростном режиме работы дизеля показан на рис. 1.

21

Индикаторный кпд дизеля гц возрастает с увеличени­ ем коэффициента избытка воздуха и резко падает при а< 1. Начало недогорания топлива наступает при коэф­ фициенте избытка воздуха а>1 (точка А). Минимальное значение коэффициента избытка воздуха, при котором возможно полное сгорание, больше значения а, при ко­

тором фактор совершенства рабочего цикла ~ имеет

максимальное значение. Это происходит потому, что в дизеле топливо распределяется по объему камеры сгора­ ния неравномерно, поэтому имеются зоны с различной концентрацией топлива в воздухе, т. е. с различными зна­ чениями а, в том числе а< 1 .

22

Для оценки влияний коэффициента избытка воздуха на индикаторный кпд дизеля в высокогорных условиях профессор В. Ю. Гиттис рекомендует использовать та­ кую зависимость:

Так как механический кпд дизеля с высотой изменя­ ется незначительно и этим изменением можно пренеб­ речь, то уменьшение гр приводит к увеличению удельного расхода топлива, а следовательно, к ухудшению эконо­ мичности дизеля. Поэтому при работе дизелей в высоко­ горных условиях с ростом высоты увеличивается их удельный расход топлива.

Коэффициент избытка воздуха является основным показателем, характеризующим состав рабочей смеси. Он представляет собой отношение действительно посту­ пившего в цилиндры двигателя количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания опре­ деленного количества топлива. Каждый тип двигателей имеет свое оптимальное значение коэффициента избытка воздуха. Для автотракторных дизелей в зависимости от способа смесеобразования, размерности и быстроход­ ности при работе в обычных условиях оптимальная ве­ личина этого коэффициента находится в пределах а = 1,40—1,80.

Уравнение коэффицента избытка воздуха двигателей

внутреннего сгорания можно представить в следующем виде:

где в — весовой расход воздуха в кг/час; От — весовой расход топлива в кг/час;

Ь0 — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива в кг/кг.

Из этого уравнения видно, что коэффицент избытка воздуха зависит от расхода воздуха и топлива. Если изменится один из этих показателей, то это повлечет за собой изменение и.

В процессе эксплуатации может уменьшиться количе­ ство воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в ре­ зультате чего изменится требуемое соотношение топлива и воздуха, участвующих в рабочем процессе, а следова­ тельно, уменьшится значение коэффицента избытка воз­ духа. При исправной работе механизмов и систем двига­ теля это может произойти при изменении давления и температуры окружающего воздуха, в результате чего изменится его удельный вес, что имеет место при работе в высокогорных условиях. При этом соответственно уменьшится удельный вес воздушного заряда, а посколь­ ку рабочий объем цилиндров не изменяется с высотой, то при постоянном скоростном режиме работы двига­ теля это приводит к уменьшению весового расхода воз­ духа.

Таким образом, при работе двигателей внутреннего сгорания в высокогорных условиях, вследствие измене­ ния параметров окружающего воздуха, с изменением высоты изменяется весовой расход воздуха, что приводит к изменению коэффициента избытка воздуха.

24

Для выяснения влияния высокогорных условий па коэффициент избытка воздуха двигателей внутреннего сгорания составим отношение уравнений коэффициента избытка воздуха в высотных условиях ан к коэффициен­ ту избытка воздуха на уровне моря а0. Решив это выра­ жение относительно коэффицента избытка воздуха в вы­ сотных условиях, принимая при этом, что действитель­ ный весовой расход воздуха двигателем изменяется прямо пропорционально удельному весу воздушного за­ ряда, получим уравнение такого вида:

Из этого уравнения видно, что коэффициент избытка воздуха в высокогорных условиях зависит от часового расхода топлива GTH и удельного веса воздушного заря­ да цилиндров двигателя у'н в этих же условиях.

Для выяснения влияния коэффициента избытка воз­ духа на мощностные и экономические показатели авто­ тракторных дизелей в высокогорных условиях рассмот­ рим три возможных случая работы дизеля в этих усло­

Ранее было показано, что при прочих равных усло­ виях весовой расход воздуха двигателем изменяется прямо пропорционально удельному весу воздушного за­ ряда. Поэтому уменьшение удельного веса этого заряда приводит к соответственному уменьшению весового рас­

хода воздуха. При постоянном часовом расходе топлива с ростом высоты это приводит к уменьшению коэффи­ циента избытка воздуха.

При снижении коэффициента избытка воздуха ухуд­ шаются процессы смесеобразования и горения, и за счет неполного сгорания топлива понижается эффективная мощность двигателя.

Поскольку индикаторный кпд двигателя зависит от коэффициента избытка воздуха, то с уменьшением а снижается индикаторный кпд, в результате чего ухуд­ шается экономичность двигателя, так как при прочих равных условиях удельный расход топлива зависит от

•1,(19)-

В качестве примера в таблице 3 представлены зна­ чения показателей работы дизеля СМД-14 с неизмен­ ными (заводскими) регулировками топливной аппара­ туры, полученные автором при стендовых испытаниях этого дизеля в реальных высотных условиях.

Из этой таблицы видно, что при увеличении высоты на каждые 500 д эффективная мощность дизеля с по­ стоянной цикловой подачей топлива снижалась в среднсхМ на 3,8%, а удельный расход топлива увеличивался на 4,7%. '

По мере увеличения высоты снижался коэффициент избытка воздуха. На высоте 2000 м он составил 83,1% номинального значения, т. е. уменьшение этого показа­ теля работы дизеля составило 16,9%. Возрастала при этом и температура выхлопных газов, и на отметке 3000 м она достигла 642°С, что соответствует повышению примерно на 26% по сравнению с работой на нулевой высоте.

На высотах свыше 1000 м работа дизеля сопровожда­ лась дымным выхлопом, причем степень дымления уве­ личивалась с высотой.

26

Таблица 3

Результаты испытаний дизеля СМД-14 с заводскими регулировками топливной аппаратуры в высокогорных условиях

Аналогичные результаты получены кафедрой «Трак­ торы, автомобили и теплотехника» Киргизского СХИ при стендовых испытаниях дизелей Д-50 и Д-37М в реальных высотных условиях.

Ухудшение основных показателей дизелей в высоко­ горных условиях объясняется тем, что при работе с низ­ кими значениями коэффициента избытка воздуха не все частицы топлива обеспечиваются требуемым количест­ вом кислорода, в результате чего часть горючих фракций топлива превращается в продукты неполного окисления. Поэтому работа дизелей с низкими значениями коэф­ фициента избытка воздуха сопровождается дымным вы­ хлопом, что свидетельствует об ухудшении процесса го­ рения. При этом увеличиваются нагароотложения в ци­

1 Параметры, полученные расчетом.

27

линдрах и выпускных каналах двигателя, а также уве­ личивается коксование поршневых колец, впускных и вы­ пускных клапанов, распылителей форсунок. Кроме того, частицы нагара, откалываясь от деталей цилиндро-порш­ невой группы, попадают па стенки цилиндров и увели­ чивают степень износа деталей этой группы.

За счет ухудшения процессов смесеобразования и го­ рения увеличивается продолжительность горения и тем­ пература выхлопных газов, что свидетельствует об уве­ личении теплонапряженности двигателей. Поэтому при эксплуатации автотракторных двигателей с постоянной цикловой подачей топлива (с заводскими регулировками топливной аппаратуры) на высотах свыше 1500 м над уровнем моря часты случаи преждевременного выхода из строя головок и прокладок блока, вставок камеры сгорания, впускных и выпускных клапанов, поршней, поршневых колец и распылителей форсунок. Снижается при этом и срок службы картерного масла, так как с по­ вышением температурного режима работы двигателей из масла выгорают легкие фракции и увеличивается выде­ ление смол.

Работа дизелей в области дымления не может быть допущена, так как при этом показатели рабочего цикла значительно отличаются от номинальных, а также резко снижается экономичность двигателей. При работе дизе­ лей за пределами дымления увеличиваются затраты на техническое обслуживание, снижается надежность рабо­ ты и сроки службы двигателей. При этом увеличивается потребление дефицитных запасных частей (детали ци­ линдро-поршневой группы, прокладки и головки блока, вставки камеры сгорания, впускные и выпускные клапа­ ны, распылители форсунок и т. д.) и моторного масла, что создает определенные затруднения в снабжении кол­ хозов и совхозов этими материалами.

28

Второй случай, когда с увеличением высоты, путем соответственного уменьшения цикловой подачи топлива, коэффициент избытка воздуха сохраняется постоянным (а= со«5^). В этом случае часовой расход топлива дви­ гателем в высокогорных условиях изменяется по закону:

ты для обеспечения постоянных значений коэффициента избытка воздуха необходимо уменьшать часовой расход топлива бтн, пропорционально удельному весу воздуш­

ного заряда у'н- В качестве примера в таблице 4 представлены значе­

ния показателей работы дизеля СМД-14 в высокогорных условиях с постоянным значением коэффициента избытка

29