Детонационная стойкость и воспламеняемость топлива

Автомобильный бензин применяется в двигателях с искровым зажиганием. В этих двигателях скорость горения топливовоздушной смеси не должна превосходить некоторых пределов. В случае чрезмерно высокой скорости сгорания в последней его фазе процесс протекает ненормально (детонационное сгорание), с резкими стуками, перегревом и даже разрушением основных деталей. Кроме условий работы, возникновение детонации зависит от склонности топлива к детонационному сгоранию, которая у разных бензинов различна и зависит от их группового состава. Детонационная стойкость бензинов оценивается октановым числом (ОЧ), которое численно равно процентному содержанию (по объему) трудно детонирующего изооктана (2-2-4 – триметанцетан) в смеси с легко детонирующим Н-гептаном эквивалентной по детонационным свойствам данному бензину при испытании в стандартных условиях на специальном одноцилиндровом двигателе.

В дизелях топливо впрыскивается в нагретый вследствие сжатия воздух. Основным требованием к дизельному топливу является легкость его воспламенения при соприкосновении с нагретым воздухом. Она оценивается минимально возможным интервалом времени от момента начала подачи топлива до его воспламенения. Этот интервал, называемый периодом задержки воспламенения, зависит не только от условий работы, но и в значительной мере и от физико-химических свойств топлива. Воспламеняемость топлива оценивается цетановым числом (ЦЧ). Для одних и тех же условий в конце процесса сжатия цетановое число определяется периодом задержки воспламенения. Чем оно выше, тем меньше период задержки воспламенения.

Определение ЦЧ производят различными методами на специальных стандартизированных одноцилиндровых двигателях, где сравнивают испытуемое топливо с эталонной смесью двух химически чистых углеводородов – цетана С₁₆Н₃₄, который легко воспламеняется (ЦЧ = 100), и – метилинафталина С₁₀Н₇СН₃, который трудно воспламеняется (ЦЧ=0). ЦЧ данного топлива характеризуется процентным содержанием цетана в смеси с – метилнафталином, имеющей тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо в тех же условиях.

В нашей стране автомобильное дизельное топливо вырабатываются в соответствии с требованиями двух ГОСТов. По ГОСТ 305-73 изготовляют дизельные топлива из сернистых нефтей, а по ГОСТ 4749 – 73 – из малосернистых.

ГЛАВА 2

Процесс впуска

Для осуществления рабочего цикла в поршневом двигателе внутреннего сгорания необходимо удалить из цилиндра образовавшиеся в предыдущем цикле продукты сгорания и ввести в него свежий заряд воздуха или топливовоздушной смеси. Эти оба процесса (впуск и выпуск) взаимосвязаны и в зависимости от тактности двигателя и способа впуска в большей или меньшей степени протекают одновременно. Количество поступившего свежего заряда зависит от качества очистки цилиндра двигателя. Вследствие этого процесс впуска следует анализировать с учетом параметров, характеризующих протекание процесса выпуска, рассматривая весь комплекс явлений, относящихся к процессу газообмена в целом.

На рис. 7-8 схематически показаны протекание процессов газообменов, индикаторные диаграммы и фазы газораспределения четырех- и двухтактных двигателей. На диаграммах фаз газораспределения и индикаторных диаграммах одноименные точки определяют соответственно моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов по углу поворота коленчатого вала и по ходу поршня. Точками 1 и 3 (рис.7 и 8) отмечены соответственно моменты начала открытия выпускного и впускного клапанов, а точками 2 и 4 – моменты их закрытия.

Снижение давления во впускной системе и цилиндре зависят от скоростного режима двигателя, гидравлических сопротивлений во всех элементах системы, площади проходных сечений, через которые движется свежий заряд, и его плотности. После открытия впускного клапана, когда давление в цилиндре станет меньше давления окружающей среды на величину , начинается впуск в цилиндр свежего заряда.

На рис. 7, г показаны кривые подъема впускного и выпускного клапанов и индикаторная диаграмма процесса газообмена в зависимости от угла . В начале и конце подъема скорость движения клапанов небольшая. В результате подъем клапана и посадка его головки на седло производятся медленно, и возникающие при этом силы инерции невелики, чем обеспечивается надежная работа деталей клапанного механизма. Проходные сечения между головкой и седлом клапана в эти моменты малы.

Для более полного открытия проходного сечения клапанов в период, когда скорость движения поршня наибольшая и когда создаются условия для повышения скорости втекания или вытекания газа, а также для максимального использования влияния инерционных процессов в системах впуска и выпуска на очистку и наполнение цилиндров фазы газораспределения расширяют.

Рис. 7. Характеристика процесса газообмена в четырехтактном карбюраторном двигателе: а – система впуска и эпюра давления по длине впускной системы; б – индикаторная диаграмма и фазы газораспределения; в – система выпуска с глушителем шума; г – кривые подъемов клапанов и давления в цилиндре в зависимости от угла ; сплошные линии – дроссельная заслонка полностью открыта; штриховые линии – прикрыта; – потери в воздухоочистителе; – потери в диффузоре; – потери в клапане; – потери в сечении впускного трубопровода около дроссельной заслонки; – угол перекрытия клапанов

Процесс выпуска начинается за 40-60% до н.м.т. (точка 1, рис.7, б). С этого момента и до н.м.т. происходят свободный выпуск отработавших газов вследствие разности давлений в цилиндре и на выпуске . Последующую очистку цилиндра производят выталкиванием газов, движущимся к в.м.т. поршнем.

Выпускной клапан закрывается через 15-30^о после в.м.т. (точка 2), впускной клапан открывается за 10-20^о до в.м.т. (точка 3), т.е. в течение некоторого времени одновременно открыты оба клапана. Это называется перекрытием клапанов. При движении отработавших газов через выпускной клапан за счет их эжектирующего действия в зоне цилиндра под впускным клапаном образуется разрежение. Вследствие этого в случае перекрытия клапанов в цилиндр поступает свежий заряд при одновременном удалении отработавших газов.

Рис.8. Характеристика процесса газообмена в четырехтактном дизеле с газотурбинным наддувом: а – схема двигателя с газотурбинным наддувом; б – индикаторная диаграмма процесса газообмена и фазы газораспределения; 1 – газокомпрессор; 11 – газовая турбина

При наддуве воздух (или топливовоздушную смесь в двигателях с внешним смесеобразованием) вводят в цилиндр после предварительного сжатия его в компрессоре. Схема газотурбинного наддува показана на рис. 8. Отработавшие газы при открытии выпускного клапана подводятся к газовой турбине, приводящей в действие компрессор. При работе двигателя с наддувом, когда давление выше чем , б, перекрытие клапанов используют для продувки цилиндра воздухом, что улучшает его очистку от остаточных газов, а также снижает тепловую напряженность поверхностей, образующих камеру сгорания (днище поршня, стенки цилиндра, головки клапанов и головка блока цилиндров).

При газотурбинном наддуве и постоянном давлении газа перед турбиной отработавшие газы удаляются из цилиндров в ресивер, где устанавливается давление

Свежий заряд в цилиндр поступает при давлении . Температура воздуха после сжатия в компрессоре будет выше . При использовании высокой степени наддува когда это отношение больше 2,0-2,5 в магистрали после компрессора (перед вводом воздуха в цилиндр двигателя) устанавливают холодильник для снижения температуры Это при том же увеличивает количество поступающего в цилиндр свежего заряда. Наличие потерь в системе впуска, как и при работе двигателя без наддува, приводит к тому, что давление будет меньше давления воздуха после компрессора на величину гидравлических потерь

Втекание свежего заряда в цилиндр продолжается также и при возвратном движении поршня к в.м.т. Дозарядка происходит частично вследствие того, что при движении поршня от н.м.т. или Во время работы двигателя без наддува возможно также втекание заряда при движении поршня от н.м.т. (точка а) до закрытия впускного клапана (точка 4) под действием образующего в системе впуска скоростного напора, при котором давление перед впускным клапаном будет выше атмосферного (динамический наддув). Закрывает впускной клапан в современных быстроходных двигателях через 50-70^о после н.м.т.

Вследствие инерционных и волновых явлений, характерных для систем впуска и выпуска в быстроходных двигателях, и нестационарности процесса изменение давления в цилиндре в период газообмена имеет сложный характер, а поэтому аналитический расчет процесса с учетом указанных явлений затруднителен, и его можно вести только с использованием ЭВМ. По этой же причине окончательно фазы распределения в современных двигателях выбирают экспериментально.

 

Параметры процесса впуска

 

Количество свежего заряда, поступившего в процессе впуска, т.е. наполнение цилиндра зависит от следующих факторов:

1) гидравлического сопротивления впускной системы, снижающего давление подаваемого заряда на величину ;

2) наличия в цилиндре некоторого количества продуктов сгорания (остаточные газы), занимающих часть его объема;

3) подогрева заряда от поверхности стенок системы впуска и внутрицилиндрового пространства на величину , вследствие чего уменьшается плотность подаваемого заряда.

Влияние каждого из указанных факторов можно выяснить при раздельном их рассмотрении. Для упрощения задачи в дальнейшем предполагается, что процесс впуска заканчивается в точке а (см. рис. 7). Все явления, связанные с дозарядкой цилиндра и его продувкой оцениваются опытными коэффициентами.

Сопротивление впускной системы состоит из местных сопротивлений и сопротивлений по длине. К местным сопротивлениям относятся: сопротивления воздушного фильтра, сопротивление диффузора (при наличии карбюратора) или сопротивление форсунки при наличии впрыскивания бензина во впускной трубопровод, сопротивление при обтекании дроссельной заслонки (в двигателях от постороннего источника воспламенения), сопротивление в проходном сечении впускного клапана, сопротивление, обусловленное изменением направления потока. Сопротивление по длине зависит от качества (шероховатости) поверхности.

Понижение давления при движении заряда во впускной системе пропорционально квадрату частоты вращения и обратно пропорционально квадрату площади проходного сечения, .

Увеличение площади является способом уменьшения потерь давления. В современных четырехтактных автомобильных двигателях с верхним расположением клапанов проходная площадь увеличивается путем увеличения числа клапанов. Однако их количество ограничивается условиями размещения в головке блока цилиндров.

По опытным данным в автомобильных двигателях при полном открытии клапана на номинальном режиме давление в цилиндре в конце впуска

для двигателей без наддува,

для двигателей с наддувом,

где – атмосферное давление при нормальных условиях,

– давление после компрессора.

 

 

Количество остаточных газов

В процессе выпуска не удается полностью удалить из цилиндра продукты сгорания, занимающие некоторый объем при соответствующих давлении и температуре . В процессе впуска остаточные газы расширяются и, смешиваясь с поступающим свежим зарядом, уменьшают наполнение цилиндра. Количество остаточных газов принято определять относительной величиной, называемой коэффициентом остаточных газов

(13)

где - количество остаточных газов; - количество свежего заряда.

Величина давления определяется давлением среды, в которую происходит выпуск, т.е. давлением при выпуске в атмосферу или при установке на выпуске глушителя или сборника при газотурбинном наддуве.

Температура зависит от состава смеси, степени расширения и теплообмена при расширении и выпуске. В бензиновых двигателях, в которых состав смеси изменяется в сравнительно небольших пределах, с уменьшением нагрузки понижается незначительно. В дизелях, где регулирование нагрузки производится изменением состава смеси, температура заметно снижается с уменьшением нагрузки. Вследствие более высоких степеней сжатия и соответственно расширения и более низких температур в процессе расширения величина в дизелях значительно ниже (на 200-300 ), чем в бензиновых двигателях.

Объем , однозначно зависит от степени сжатия , убывая с ее увеличением. Следовательно, при прочих равных условиях увеличение в четырехтактных двигателях всегда сопровождается уменьшением .

При полной нагрузке у бензиновых и газовых двигателей без наддува у дизелей без наддува , а температура для бензиновых двигателей, для дизелей.