Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»»

Кафедра «Автомобильные и тракторные двигатели»

Характеристики двигателей с искровым зажиганием

Лабораторным работам по дисциплине

«Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания»

Студент: Чорап А.В.

Группа: 7АС-6

Преподаватель: Зуев Н.С.

Москва 2011

Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»»

Кафедра «Автомобильные и тракторные двигатели»

Лабораторная работа № 1 Регулировочная характеристика двигателя по составу смеси

Студент: Чорап А.В.

Группа: 7АС-6

Преподаватель: Зуев Н.С.

Москва 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Регулировочная характеристика двигателя по составу смеси

Представляет собой зависимость эффективной мощности N_e, часового G_m и удельного эффективного g_е расходов топлива от состава смеси, т.e. от коэффициента избытка воздуха горючей смеси (рис.11).

Условия снятия характеристики

Характеристика снимается при нормальном тепловом состоянии двигателя, постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя и фиксированном положении дроссельной заслонки. Угол опережения зажигания должен устанавливаться оптимальный для каждого режима работы, т.е. для каждой новой регулировки часового расхода топлива. В учебных опытах для упрощения снятия характеристики угол опережения зажигания допускается сохранять постоянным. Изменение α осуществляют изменяя расход топлива: в двигателях с впрыскиванием бензина и электронным управлением для этого регулируют 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 в горючей смеси, приходящегося на 1 кг топлива в ней, к количеству воздуха l₀, теоретически необходимому для полного сгорания 1 кг топлива:

Теоретически для полного сгорания 1 кг топлива необходимо около 15кг воздуха (l₀=14,9…15 кг). Если фактическое количество воздуха в смеси равно теоретически необходимому, то α = 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 процесс окисления молекул топлива при сгорании сопровождается обратным процессом диссоциации, которая приводит к некоторой потере теплоты. В результате максимальную топливную экономичность двигатель имеет на бедных смесях.

При обеднении смеси быстро уменьшается доля диссоциирующих молекул. К тому же происходит общее снижение температур рабочего цикла, поэтому уменьшаются потери теплоты как в систему охлаждения, так и с отработавшими газами. Кроме того, при обеднении смеси в продуктах сгорания возрастает концентрация двухатомных молекул кислорода, имеющих по сравнению с трехатомными CO₂ и H₂O меньшую теплоемкость. Снижение теплоемкости так же уменьшает потери теплоты с отработавшими газами. Снижение тепловых потерь повышает эффективность использования теплоты топлива, что характеризуется ростом КПД и уменьшением удельного расхода топлива. Состав смеси, обеспечивающий минимальный удельный эффективный расход топлива, называется экономичным составом смеси для данного режима работы двигателя и характеризуется значениями α= α_эк=1,10…1,15.

При чрезмерном обеднении (α>α_эк) смеси ухудшаются условия воспламенения и сгорания заряда, и скорость распространения пламени значительно уменьшается. Вследствие этого возрастают тепловые потери в стенки камеры сгорания и с отработавшими газами, что вызывает падение индикаторного

и эффективного КПД (рис. 10) и, соответственно, возрастание удельных расходов 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, здесь лишь очень небольшая доля молекул продуктов сгорания участвует в диссоциации, что при относительно небольшой химической неполноте сгорания обусловливает максимальное количество теплоты, выделяющейся вблизи ВМТ, т.е. в самый благоприятный момент. Во-вторых, здесь 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, характеризующий увеличение числа молей рабочего тела при сгорании, которое приводит к увеличению давления в цилиндре, а, следовательно, и к росту мощности двигателя.

При дальнейшем обогащении смеси (α< α_м) мощность снижается, т.к. увеличивается химическая неполнота сгорания топлива из-за недостатка воздуха. В свою очередь, большая химическая неполнота сгорания приводит к уменьшению скоростей горения. При значительном уменьшении скоростей горения большая доля топлива выгорает на такте расширения, что вызывает снижение степени расширения продуктов сгорания и, соответственно, возможности превращения выделившейся теплоты топлива в механическую работу. В результате возрастают потери теплоты в систему охлаждения за счет большей температуры газов на такте расширения и увеличиваются потери теплоты с отработавшими газами за счет повышения их температуры.

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, определяемом положением дроссельной заслонки и частотой вращения коленчатого вала. При мощностном составе смеси удельный расход топлива повышается на 10…15 %, а часовой – на 25…35 %. Состава смеси, одновременно обеспечивающего максимальную мощность двигателя и минимальный удельный расход топлива, не существует.

Пределы воспламеняемости бензо-воздушной смеси характеризуются обычно α=0,6-1,3. 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 процесс сгорания оказывают положение дроссельной заслонки и частота вращения коленчатого вала, поэтому при изменении режима работы двигателя состав смеси должен корректироваться.

По мере прикрытия дросселя (рис. 12) в цилиндры поступает меньшее количество топливовоздушной смеси, поэтому возрастает относительное количество остаточных газов. Это приводит к уменьшению скорости сгорания, что отрицательно отражается на использовании тепла, так как увеличивается теплоотдача в стенки. Для получения при дросселировании достаточно быстрого сгорания оказывается выгодным несколько обогатить горючую смесь, так как при этом, хотя и увеличивается часовой расход топлива, но одновременно снижается удельный эффективный расход его вследствие более полного использования теплоты.

С уменьшением частоты вращения коленчатого вала (рис.13) ухудшается смесеобразование во впускном трубопроводе и турбулизация заряда в цилиндре. Это приводит к замедлению процесса сгорания и, соответственно, к увеличению теплоотдачи в стенки. Для получения на низких частотах достаточно быстрого сгорания целесообразно, как и при прикрытии дросселя, обогащать горючую смесь.

Нормы на выброс токсичных веществ обусловливают дополнительные ограничения при выборе регулировок системы питания. Из всех вариантов решения проблемы снижения вредных выбросов самым эффективным оказалось использование каталитического нейтрализатора, в котором в результате химических реакций в присутствии катализатора окислы азота NО_x превращаются в азот N₂; освободившийся при этом кислород окисляет оксид углерода СО в двуокись углерода СО₂, а углеводороды СН – в СО₂ и пары воды Н₂О. Особенность нейтрализатора заключается в том, что эффективно бороться со всеми тремя вредными компонентами он может только при работе двигателя 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.

Экспериментальная часть

Как указывалось, регулировочная характеристика по составу смеси снимается при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянном положении дроссельной заслонки. Искусственно изменяется количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя.

В двигателях с впрыскиванием бензина и электронным управлением это достигается изменением длительности управляющего импульса форсунки (т.е.длительности впрыска).

Снятие регулировочной характеристики начинают с переобогащенной смеси, т. к. в этом случае легко обеспечить устойчивую работу двигателя. Установив нужную частоту вращения коленчатого вала при заданном положении дроссельной заслонки, увеличивают подачу топлива с помощью компьютера, подключенного к диагностическому разъему электронной системы управления двигателем. Скорректировав частоту вращения вала и установив (посредством того же компьютера) оптимальный угол опережения зажигания, производят замер опытной точки характеристики. Затем смесь обедняют, снова производят корректировку частоты вращения, теплового состояния двигателя и угла опережения зажигания и производят замер второй опытной точки. Аналогичным образом - последовательно обедняя смесь – выполняют замеры остальных опытных точек. При этом определяются: 1) показания динамометра; 2) время расхода топлива; 3) число оборотов ротора расходомера воздуха; 4) температура охлаждающей воды; 5) температура масла; 6) разрежение во впускном трубопроводе; 7) угол опережения зажигания.

При снятии характеристики необходимо проводить расчеты по определению коэффициента избытка воздуха в опытных точках, что бы иметь уверенность в достаточности этих точек для построения полноценной характеристики. В частности, следует выявить максимум мощности в зоне богатых смесей, но избежать чрезмерного обогащения, вызывающего повышенное нагарообразование в камерах сгорания двигателя.

Контрольные вопросы

1.При каких условиях проводятся испытания для определения регулировочной характеристики двигателя?

2. Объясните порядок выполнения работы.

3. Какая горючая смесь называется бедной, богатой, стехиометрической?

4. Как влияет состав смеси на топливную экономичность двигателя?

5. Почему максимальный индикаторный КПД достигается на бедной смеси?

6. С какой целью на двигателях с впрыскиванием бензина поддерживается стехиометрический состав смеси?

Рис. 10. Влияние состава смеси на КПД двигателя ( - механический КПД; - индикаторный КПД; - эффективный КПД).

Рис. 11. Регулировочная характеристика по составу

Рис. 12. Зависимость коэффициента избытка воздуха от положения дроссельной заслонки

Рис. 13. Зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленчатого вала

Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»»

Кафедра «Автомобильные и тракторные двигатели»