- •Актюбинский государственный университет
- •Содержание
- •Введение
- •Лекция 1: вводные сведения.
- •1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники
- •2. Принципы работы различных энергетических установок.
- •3. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок.
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 2: топлива и продукты сгорания.
- •1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.
- •2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.
- •3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.
- •Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 3: рабочий процесс поршневой энергетической установки транспортной техники
- •1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых двс. Индикаторные диаграммы.
- •2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.
- •3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.
- •4. Процесс сжатия
- •Значения параметров процесса сжатия
- •Лекция 4: процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием.
- •1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.
- •2. Воспламенение и сгорание топлива.
- •3. Нарушения сгорания.
- •4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.
- •1. Впрыскивание и распыливание топлива.
- •2. Смесеобразование в дизеле.
- •3. Процессы сгорания и тепловыделения.
- •4. Процесс расширения
- •Значения параметров процесса расширения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 6: индикаторные и эффективные показатели
- •1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.
- •Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием.
- •Pис. 6.1. Зависимости индикаторного кпд от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)
- •Влияние различных факторов на индикаторные показатели дизеля.
- •2. Механические потери в двигателе
- •3. Эффективные показатели двигателя
- •Значения индикаторных и эффективных показателей
- •4. Тепловой баланс двигателя
- •Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок.
- •1. Характеристики энергетических установок.
- •2. Виды характеристик поршневых двс.
- •3. Способы повышения мощности двигателя
- •Контрольные вопросы
- •1. Кинематические характеристики движения.
- •2. Динамика кривошипно-шатунного механизма
- •3. Влияние конструктивных соотношений кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 9: испытание энергетических установок.
- •1. Цели и виды испытаний.
- •2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.
- •3. Техника безопасности при испытаниях.
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 10: кривошипно-шатунный механизм.
- •1. Классификация и назначение, компоновочные и кинематические схемы, конструкция элементов корпусной и цилиндровой группы.
- •2. Конструкция элементов поршневой группы.
- •3. Конструкция элементов шатунной группы.
- •4. Конструкция коленчатого вала
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 11: механизм газораспределения
- •1. Назначение, основные конструкционные решения и схемы грм.
- •2. Конструкция элементы механизма газораспределения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция №12. Смазочная система и система охлаждения
- •1. Основные функции и работа смазочной системы.
- •2. Основные агрегаты смазочной системы
- •3. Назначение и основные требования системе охлаждения
- •4. Агрегаты системы охлаждения и регулирование температуры охлаждающей жидкости
- •12.2. Схема системы охлаждения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 13. Система питания топливом и воздухом. Система питания двигателя
- •1. Назначение, основные требования и конструктивные особенности системы питания двигателей с искровым зажиганием
- •2. Назначение, основные требования и конструктивные особенности приборов системы питания дизелей
- •3. Требования, предъявляемые к системам очистки воздуха, конструктивные особенности приборов подачи воздуха.
- •Контрольные вопросы
- •Лекция №14. Системы пуска энергетических установок.
- •1. Способы пуска двигателя
- •2. Средства, облегчающие пуск двигателя
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации
- •1. Работа энергетических установок в эксплуатации на неустановившихся режимах.
- •2. Технико-экономические показатели работы энергетических установок в эксплуатации.
- •Литература
2. Смесеобразование в дизеле.
В дизелях смесеобразование происходит внутри цилиндра. Оно начинается в момент начала впрыскивания топлива и заканчивается в конце его сгорания. Качество смесеобразования определяется характеристиками впрыскивания и распыливания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и температурами поверхностей камеры сгорания, взаимным направлением и интенсивностью движения топливных струй и заряда в камере сгорания.
Объемное смесеобразование предполагает распыливание большей части топлива в объеме камеры сгорания и лишь небольшая его часть попадает в ее пристеночный слой. Оно реализуется в однополостной (неразделенной) камере сгорания, которая располагается в поршне; ее ось и ось форсунки совпадают. Камера сгорания имеет малую глубину и большой диаметр, отношение ее диаметра к диаметру цилиндра составляет dк.с./D = 0,8...0,83 (рис. 5.4, е). Прогрев и испарение топлива в этой камере происходят в основном от сжатого и нагретого заряда воздуха.
Угол рассеивания струй топлива обычно не превышает 20°, поэтому для полного охвата струями всего объема камеры сгорания и полного использования заряда воздуха в форсунке необходимо иметь не менее 18 распыливающих отверстий небольшого диаметра, что достаточно сложно для изготовления. В процессе эксплуатации дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр сопловых отверстий, проходные сечения уменьшаются из-за отложения на их поверхности кокса.
Для полного сгорания впрыснутого топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше количество распыливающих отверстий. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла. Однако повышение интенсивности вращательного движения заряда при впуске приводит к снижению коэффициента наполнения ηV.
Поэтому при объемном смесеобразовании используют 6...10 распыливающих отверстий при небольшом значении скорости движения заряда (12... 15 м/с), чтобы избежать значительного падения наполнения свежим зарядом.
Развеивание струй топлива вращающимся зарядом существенно влияет на объем и поверхность струи и их изменение во времени.
Теплообмен между зарядом и топливом происходит преимущественно в объеме факела и пары топлива перемещаются в направлении поверхности струй. Движение заряда сносит продукты сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним кислорода воздуха. При чрезмерной скорости движения заряда мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания из одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, что приведет к ухудшению смесеобразования. Такое явление называют перезавихриванием. Поэтому в дизелях с объемным смесеобразованием частота вращения ограничена и не превышает 3000 мин-1.
При этом виде смесеобразования для проникновения капель топлива на периферию камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая часть воздуха, необходимо повышать давление впрыскивания, иногда до 200 МПа. Такое давление могут создавать насос-форсунки.
Однако их применение связано с усложнением конструкции и необходимостью в эксплуатации обеспечивать равномерную подачу топлива по отдельным цилиндрам. При использовании разделенных систем подачи топлива давление впрыскивания обычно не превышает 100 МПа, что связано с повышением сил, действующих на детали топливной аппаратуры, искажением объемов топлива в системе, а также с подвпрыскиваниями топлива из-за колебательных процессов в топливопроводах высокого давления.
Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования заключается в том, что часть топлива подается на стенку камеры сгорания и концентрируется в пристеночном слое, а другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Низкая температура стенок камеры сгорания (200...300 °С) и малая турбулентность заряда в этой зоне уменьшают скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В итоге снижается скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают.
При таком виде смесеобразования относительный диаметр камеры сгорания несколько меньше (dк.с./D= 0,5...0,6), а ее глубина больше (рис. 5.4, а, б, ж).
Тангенциальная составляющая скорости движения заряда воздуха достигает 25...30 м/с. Интенсивное вращение заряда при его перетекании в камеру сгорания позволяет применять 3...5 распыливающих отверстий большего диаметра. Снижаются требования к топливоподающей аппаратуре, которая должна обеспечить давление впрыскивания не более 80 МПа. При этом существенно снижаются нагрузки в топливной аппаратуре, повышаются ее износостойкость и надежность.
г е ж
Рис. 5.4. Типы камер сгорания дизеля в поршне:
а - полусферическая (дизель ВТЗ); б - ЯМЗ и АМЗ; в - ЦНИДИ; г - «МАН»; д - «Дойц»; е — «Гессельман»; ж — «Даймлер-Бенц»; δн.з. — надпоршневой зазор
Данное смесеобразование позволяет смещать ось распылителя относительно оси цилиндра и располагать форсунку наклонно, что облегчает ее установку и снятие в эксплуатации. Оси отдельных распыливающих отверстий располагают под разными углами к оси распылителя. Поэтому необходимо обеспечивать строгую фиксацию распылителя относительно корпуса форсунки, а корпуса форсунки — относительно камеры сгорания.
В рассматриваемых камерах перетекающий заряд из объема над поршнем в камеру сгорания захватывает пары, мелкие капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры сгорания.
При малых dк.с./D большее количество воздуха сосредоточивается в зазоре между поршнем и головкой цилиндра. Это приводит к менее полному использованию воздуха для сгорания топлива и снижает мощность дизеля. Аналогично влияют зазоры между головкой поршня и гильзой и расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца. Также важным при изготовлении и ремонте дизеля является стабилизация зазоров между поршнем и головкой цилиндра, поршнем и цилиндром.
Пристеночное смесеобразование предусматривает подачу почти всего топлива в пристеночную зону камеры сгорания. Она обычно расположена соосно с цилиндром, а форсунка смешена к ее периферии. Распылитель форсунки направляет одну-две струи топлива под острым углом на стенку камеры сгорания сферической формы (рис. 5.4, г), или вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (рис. 5.4, д). При этом интенсивное вращательное движение заряда, тангенциальная скорость которого достигает 50...60 м/с, распределяет топливные капли вдоль стенки камеры сгорания. В объем горячего заряда в центральной части камеры сгорания попадает 5... 10% топлива, которое воспламеняется в первую очередь. По мере испарения и смешения топлива с воздухом сгорание распространяется на основную часть топлива в пристеночном слое.
В заряде происходит сепарация рабочей смеси: менее плотные продукты сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а более плотный воздух из центральной части камеры сгорания перемещается к периферии, где находится топливо. Это обеспечивает его постепенное и полное сгорание. Относительно малая скорость нарастания давления при начальном воспламенении небольшого количества топлива обусловливает сравнительно мягкую работу и снижение шума дизеля. Такой процесс в большей степени приспособлен к работе на топливах различного фракционного состава и даже на бензине.
Использование одного-двух распыливающих отверстий большого диаметра не требует тонкого распыления топлива, а максимальное значение давления впрыскивания не превышает 45 МПа. Основной недостаток двигателей с пристеночным процессом заключается в трудности пуска непрогретого дизеля, так как топливо впрыскивается в пристеночный слой и непосредственно на холодную стенку. К числу достоинств процесса относятся высокие экономические показатели и сравнительно низкие требования к топливной аппаратуре.
Камеры сгорания с пристеночным смесеобразованием имеют большую глубину, что приводит к росту высоты головки поршня и высокой тепловой напряженности горловины камеры сгорания. Все это приводит к увеличению массы поршня и усложняет его охлаждение.
Смесеобразование в разделенных камерах сгорания основано на использовании двухполостных разделенных камер сгорания: вспомогательной и основной, соединенных горловиной. С учетом характера движения заряда в дополнительной камере различают вихревые камеры сгорания и предкамеры.
а
Рис. 5.5. Разделенные камеры сгорания в головке цилиндров:
а — вихревая камера; б — предкамера
Вихревая камера сгорания (рис. 5.5, а) выполнена в головке цилиндра в форме сферы или цилиндра. Ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности вихревой камеры сгорания для создания направленного вихревого движения заряда. Объем вихревой камеры составляет 50...60% общего объема камеры сгорания. Скорость перетекания заряда через горловину достигает 100... 200 м/с. Топливо в вихревую камеру впрыскивается штифтовым распылителем. Оно отжимается движущимся зарядом к стенке камеры. Нижняя часть вихревой камеры с горловиной обычно является съемной и теплоизолированной. Температура горловины может достигать 600...650° С, что способствует интенсивному смесеобразованию.
В вихревой камере создается обогащенная смесь. После воспламенения топлива давление в вихревой камере повышается и горящий заряд перетекает в основную полость камеры сгорания, выполненную в днище поршня. Здесь сосредоточена значительная часть еще не использованного для сгорания воздуха, которая под воздействием вихревых потоков перемешивается с топливом и обеспечивает его полное сгорание.
Предкамера (рис. 5.5, б) имеет объем и сечение горловины обычно меньше, чем вихревая камера сгорания. С основной камерой сгорания предкамера соединяется каналами небольшого сечения.
Направление и число каналов выбирают таким образом, чтобы на такте сжатия при перетекании заряда в предкамере создавалось беспорядочное движение заряда при скоростях 300 м/с и более. Впрыскивание топлива происходит навстречу потоку заряда воздуха, поступающего из цилиндра. В результате интенсивной турбулизации заряда в предкамере топливо хорошо перемешивается с воздухом.
При быстром и неполном сгорании обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Это вызывает обратное перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где он быстро и достаточно полно догорает даже при малом избытке воздуха (при α= 1,15... 1,2).
При использовании разделенных камер сгорания значения максимального давления и скорости нарастания давления относительно невелики и приближаются к соответствующим значениям показателей двигателей с искровым зажиганием. Поэтому дизель работает мягче и менее шумно. Требования к топливной аппаратуре для организации смесеобразования такого вида невелики.
Разделенные камеры сгорания имеют ряд недостатков:
• малое проходное сечение горловины приводит к повышенным потерям при перетекании заряда между обеими полостями камеры сгорания, а это ухудшает экономичность дизеля;
• при пуске непрогретого дизеля топливо впрыскивается на холодную стенку, имеющую большую поверхность, что затрудняет пуск. Для повышения надежности пуска повышают степень сжатия до 23 и в камере сгорания устанавливают свечу накаливания.
Смесеобразование при наддуве предполагает увеличение цикловой подачи топлива практически за то же время, что и в дизеле без наддува. Ее можно повысить путем увеличения эффективною проходного сечения распыливающих отверстий или увеличением давлений впрыскивания.
При наддуве плотность заряда в цилиндре увеличивается. Поэтому, чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, необходимо более резко повысить давление впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем в дизеле без наддува.
При высоких степенях наддува применяют насос-форсунки или топливные системы аккумуляторного типа.