Характеристики двигателей с искровым зажиганием

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»»

 

Д.В. Апелинский, К.С. Руновский, А.Р. Макаров

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

 

 

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания» для студентов, обучающихся по специальности 140501.65«Двигатели внутреннего сгорания»

 

Одобрено методической комиссией по специальности 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания», направлению подготовки бакалавров 140500.62 «Энергомашиностроение», направлению подготовки магистров 140500.68 специализация «Поршневые и комбинированные двигатели»

 

 

Москва

2011

Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО 2000 г. для специальности: 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания», на основе примерной (рабочей) программы дисциплины «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания»

 

 

Рецензенты: доцент кафедры «Транспортные газотурбинные двигатели» МГТУ «МАМИ», к.т.н., А.В. Костюков

Рецензенты: доцент кафедры «Транспортные газотурбинные двигатели» МГТУ «МАМИ» Кузнецов В.В.

 

Работа подготовлена на кафедре «Автомобильные и тракторные двигатели»

 

 

Характеристики двигателей с искровым зажиганием: методические указания / Д.В. Апелинский, К.С. Руновский, А.Р. Макаров – М.: МГТУ «МАМИ», 2011. – 56 с.

 

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания». Однако они могут использоваться и студентами, обучающимися в бакалавриате по направлению 140500.62 «Энергомашиностроение», а также студентами специальности 190201.65 «Автомобиле- и тракторостроение», для которых программы курса по теории двигателей имеют много общего. B зависимости от программы курса в объем лабораторных занятий могут включаться различные лабораторные работы, описанные в настоящем пособии.

Кроме собственно лабораторных работ методические указания содержат описание лаборатории двигателей и испытательной установки, предназначенной для определения их характеристик.

 

© МГТУ  «МАМИ», 2011

№

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение………………………………………………………………...	4
1.	Испытания двигателей внутреннего сгорания……………………	5
1.1.	Лаборатория для испытаний двигателей……………………………...	5
1.2.	Оборудование и приборы для испытаний двигателей……………….	10
1.3.	Испытуемый двигатель………………………………………………...	18
2.	Общие положения по организации проведения лабораторных работ....	19
2.1.	Правила выполнения работ…………………………………………….	19
2.2.	Вопросы технической безопасности при проведении лабораторных работ…………………………………………………….	20
2.3.	Содержание отчета по лабораторной работе……………….…………	22
2.4.	Условия и порядок проведения лабораторной работы…………….…	23
2.5.	Обработка результатов испытаний………………………...…………..	24
2.6.	Приведение параметров двигателя к стандартным атмосферным  условиям………………………………………………………………...	27
3.	Лабораторная работа №1. Регулировочная характеристика двигателя по составу смеси…………………………….....................	28
4.	Лабораторная работа №2. Регулировочная характеристика по углу опережения зажигания………………………………...….....	35
5.	Лабораторная работа №3. Нагрузочная характеристика двигателя...	42
6.	Лабораторная работа №4. Скоростная характеристика двигателя….	47
	Литература……….…………………………..……………………….....	55

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Лабораторные работы являются составной частью курса «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания».

 

Цель лабораторных занятий по этому курсу:

 

1. Ознакомить студентов с современными установками для испытаний автомобильных и тракторных двигателей, их оборудованием, устройством и работой, а так же применяемой измерительной и контрольной аппаратурой.

2. Привить студентам практические навыки работы с двигателями, установками и аппаратурой, снятия необходимых характеристик по заданной методике, обработки и анализа полученных результатов испытаний и построения графиков.

3. Проверить экспериментально основные теоретические положения, излагаемые в лекционном курсе, выявить взаимосвязь различных факторов, влияющих на мощность и экономичность автомобильных и тракторных двигателей.

 

 

Испытуемый двигатель

В лаборатории для учебных испытаний используется двигатель ЗМЗ-4062. Это четырехцилиндровый рядный бензиновый двигатель с рабочим объемом 2,3 л, с форсуночным распределенным впрыскиванием топлива. Двигатель имеет максимальную мощность 110,3 кВт при номинальной частоте вращения 5200 мин^-1; максимальный крутящий момент 206 Н·м при частоте вращения 4000 мин^-1; минимальный удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике 252 г/(кВт·ч). Степень сжатия двигателя 9,3, ход поршня 86 мм, диаметр цилиндра 92 мм.

Двигатель оснащен комплексной микропроцессорной системой управления. Главная часть системы — контроллер системы управления двигателем. Контроллер (от английского control – «управление») является коммуникационным и вычислительным центром системы: в зависимости от сигналов датчиков, по заранее определенным алгоритмам, он выдает управляющие сигналы на исполнительные устройства системы управления.

Конструктивно контроллер выполнен в виде печатной платы с электронными компонентами, размещённой внутри металлического корпуса. Жгут проводов от датчиков, исполнительных устройств и бортовой сети автомобиля подключается к контроллеру многополюсным штекерным разъемом. В качестве контроллера на стенде используется блок управления МИКАС 7.1.

2. Общие положения по организации проведения
лабораторных работ

Правила выполнения работ

Перед началом лабораторных работ студенты проходят обязательный инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится преподавателем на первом занятии и регистрируется в специальном журнале. Студенты, не прошедшие инструктаж по технике безопасности, к работе в лаборатории не допускаются.

Каждая лабораторная работа рассчитана на два академических часа и включает: а) проверку самостоятельной подготовки студентов к работе; б) изложение преподавателем целей и содержания работы; в) выполнение работы;
г) обработку результатов работы с оформлением протокола испытаний и построением схем и графиков.

К каждой лабораторной работе студенты должны предварительно самостоятельно изучить по настоящим методическим указаниям основные положения, описание и методику выполнения работы, приборы и оборудование, необходимые для её проведения, а также подготовить протоколы (таблицы) для регистрации результатов работы.

До начала проведения очередной работы преподавателем проводится индивидуальный, выборочный опрос студентов в объеме материала, изложенного в «Методических указаниях».

Для выполнения работы студенты делятся на отдельные подгруппы и распределяются по рабочим местам.

В процессе выполнения работы студенты проводят необходимые измерения с записью результатов в протоколе (таблицах), вникают в детали работы, закрепляя теоретические знания.

Результаты выполненной работы представляются преподавателю для проверки.

Каждый студент оформляет отчет по лабораторной работе.

 

Вопросы технической безопасности при проведении лабораторных работ

При испытании автомобильных двигателей необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Возможными источниками опасности при испытаниях двигателей могут быть:

1) вращающиеся детали двигателя и тормоза;

2) воспламенение горючих и смазочных материалов;

3) наличие горячих деталей выпускной системы двигателя и системы охлаждения;

4) высокое напряжение в системе зажигания двигателя и опасность поражения током в системе питания электротормоза;

5) токсичность продуктов сгорания в отработавших газах, наличие паров топлива.

Правила по технике безопасности:

- категорически запрещается курить и пользоваться открытым огнем в помещении лаборатории;

- запрещается включение приборов, кнопочных включателей, рубильников, вращение вентилей, передвижных рычагов управления и другие действия без указания преподавателя или учебного мастера;

- запрещается непосредственная работа на испытательной установке лицам, имеющим развевающиеся концы одежды (полы халата, платья, шарфы);

- запрещается проводить любые испытания одному;

- перед пуском двигателя необходимо включать устройство для приточной и вытяжной вентиляции помещения лаборатории;

- запрещается засасывание топлива ртом в шланг и продувка ртом трубопроводов;

- при пуске двигателя и во время его работы запрещается находиться в плоскостях вращения ротора тормоза и соединительных муфт даже при наличии ограждения, а также в плоскости вращения шкивов двигателя;

- запрещается прикасаться к вращающимся деталям двигателя, к выпускному коллектору и выпускному газопроводу установки;

- при появлении ненормальных стуков и шумов в двигателе, тормозной установке или соединительной муфте, а также при значительном падении давления масла двигатель необходимо перевести на режим холостого хода путем снижения подачи топлива с одновременным полным снятием нагрузки. После охлаждения двигатель следует остановить для выяснения причин и устранения возникших неисправностей;

- в аварийных ситуациях и при возникновении пожара двигатель должен быть немедленно остановлен, даже под нагрузкой;

- по окончании работы необходимо отключать топливные баки, рубильники силовой сети и закрывать краны водопроводной магистрали;

- заправку топливного бака производить только при неработающем двигателе;

- не допускается подтекание топлива в топливопроводах, баках и приборах системы питания двигателя, а также загрязнение последнего топливом и маслом;

- нельзя оставлять в лаборатории загрязненные обтирочные материалы и хранить топливо и тару из-под топлива;

- запрещается протирать двигатель или другие механизмы тормозной установки бензином, а также мыть бензином руки или чистить им одежду.

 

Содержание отчета по лабораторной работе

На титульном листе отчета указываются:

1. Наименование учебного заведения и кафедры, на которой выполняется лабораторная работа.

2. Номер учебной группы.

3. Название лабораторной работы.

4. Наименование курса (дисциплины), по которому выполняется работа.

5. Фамилии и инициалы исполнителя (студента) и руководителя (преподавателя).

 

На следующих страницах приводятся:

1. Цель работы и краткая методика ее выполнения.

2. Расчетные формулы.

3. Протокол испытаний.

4. Необходимые схемы и диаграммы.

5. Анализ результатов, вывод и заключение по работе.

6. Перечень использованных источников.

Диаграммы строят на миллиметровой бумаге формата А4 (размером 210 х 297 мм) с выполнением поля, рамки, штампа и заголовка диаграммы. Возможно построение диаграмм с использование программ компьютерной графики. На осях координат надо наносить равномерные масштабные шкалы и обозначать размерность для каждого параметра. Если на графике нанесено несколько кривых, каждая из них должна быть обозначена условным индексом. Экспериментальные точки на графиках, полученные в результате непосредственного измерения, необходимо выделять. По полученным данным в результате опытов строятся кривые с соблюдением правил графического осреднения экспериментальных данных. При подсчете производных величин в соответствующие формулы подставляются значения величин, взятые по координатам точек, лежащих на скорректированных кривых.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

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 l ₀, теоретически необходимому для полного сгорания 1 кг топлива:

Теоретически для полного сгорания 1 кг топлива необходимо около 15 кг воздуха (l ₀ =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.

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

Рис. 11. Регулировочная характеристика по составу

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.

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

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

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?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Теоретическая часть

Закон изменения давления по углу поворота коленчатого вала во время процесса сгорания во многом определяет развиваемую двигателем мощность и экономичность. Для получения наибольшей мощности и наилучшей топливной экономичности необходимо стремиться к такой организации процесса сгорания, при которой основная фаза сгорания будет протекать вблизи верхней мертвой точки (ВМТ).

Скорость распространения пламени при нормальном сгорании бензовоздушных смесей составляет 20-40 м/с. В результате при частоте вращения коленчатого вала около 5000 мин^-1 продолжительность основной фазы процесса сгорания получается равной 40 … 50 градусам поворота коленчатого вала (п.к.в.)

Рис. 14. Регулировочная характеристика по зажиганию

Осуществить протекание основной фазы сгорания вблизи ВМТ возможно только при условии соответствующей установки момента зажигания.

Угол опережения зажигания – число градусов по углу поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ) от момента начала проскакивания искры между электродами свечи зажигания.

На рис.14 приведена типичная характеристика по углу опережения зажигания. Кривая мощности имеет максимум при оптимальном угле опережения зажигания (θ_опт). Максимум мощности двигателя и минимум удельного расхода топлива достигаются при одном и том же значении УОЗ, поскольку часовой расход воздуха и, соответственно, часовой расход топлива при сохранении постоянными частоты вращения вала и положения дросселя практически не изменяются.

Оптимальным (наивыгоднейшим) углом опережения зажигания будет такой угол, при котором выгорание основной массы заряда происходит при положении поршня вблизи ВМТ. На индикаторной диаграмме это обычно соответствует достижению максимального давления сгорания P_z при 12…15°п.к.в. после ВМТ(рис. 15б). В этом случае быстрое горение заряда, высокая степень расширения продуктов сгорания в сочетании с минимальными потерями на сжатие заряда, а также на отвод теплоты в стенки камеры сгорания и с отработавшими газами обеспечивают наилучшие мощностные и экономические показатели.

С уменьшением угла опережения зажигания (позднее зажигание) сгорание значительной части смеси переносится на линию расширения (рис. 15в). Процесс сгорания происходит в увеличивающемся объеме, что приводит к падению давления в цилиндре и к значительной потере тепла в стенки, связанной с соответственно возрастающей поверхностью цилиндра, омываемой горящими газами. В результате наблюдается значительный перегрев двигателя, уменьшение его мощности, ухудшение экономичности.

При увеличении угла опережения зажигания (раннее зажигание) возрастает количество заряда, которое выгорает на такте сжатия до ВМТ при уменьшающемся объеме над поршнем, что увеличивает отрицательную работу сжатия. Максимальное давление и температура цикла возрастают, в результате чего увеличиваются тепловые потери в стенки цилиндра. Все это приводит к снижению мощности и экономичности двигателя. Высокие температуры, кроме того, являются причиной значительного роста количества оксидов азота в выпускных газах двигателя.

а)                                       б)                             в) Рис. 15. Влияние угла опережения зажигания на изменение давления в цилиндре  а) раннее зажигание; б) наивыгоднейшее зажигание; в) позднее зажигание.

При очень раннем зажигании сгорание может закончиться до прихода поршня в ВМТ; в этом случае на индикаторной диаграмме вблизи максимального давления появляется отрицательная петля (рис. 15а), площадь которой выражает дополнительные потери работы.

Достигнув определенных высоких значений, давление и температура конца такта сжатия провоцируют переход от нормального сгорания горючей смеси (скорость сгорания 20…40 м/с) к детонационному сгоранию (свыше 2000 м/с) (рис.16). Внешние признаки детонации – звонкий металлический стук, дымный выхлоп, перегрев двигателя. Металлические стуки являются результатом многократных периодических отражений от стенок камеры сгорания образующихся в газах детонационных и ударных волн. При этом в конце сгорания регистрируются колебания давления, наблюдаемые на индикаторной диаграмме в виде ряда постепенно затухающих пиков (рис. 16).

Рис. 16. Изменение давления в цилиндре при детонации

Детонация приводит к повышенной отдаче тепла от сгоревших газов (из-за увеличения как перепада температур между газом и стенками камеры сгорания, так и коэффициента теплопередачи), вызывает «сдирание» масляной пленки с поверхности цилиндра, повышая износ цилиндров и колец, разрушает антифрикционный слой шатунных подшипников. Интенсивная диссоциация продуктов сгорания с образованием сажи, характерная для детонации, является причиной дымного выхлопа двигателя и залегания поршневых колец.

Перегрев двигателя, вызванный детонацией, создает условия для самопроизвольного (калильного) зажигания рабочей смеси, которое происходит от сильно нагретых деталей в камере сгорания (электроды свечи, выпускной клапан, прокладка головки цилиндра). Будучи неуправляемым, калильное зажигание воспламеняет смесь до подачи искры, усугубляя тем самым негативные последствия детонации.

С изменением режима работы двигателя (нагрузка, частота вращения) меняются условия сгорания и, соответственно, наивыгоднейший угол опережения зажигания.

а)                                                           б)
Рис. 17. Зависимость оптимального угла опережения зажигания от нагрузки на двигатель (а) и от частоты вращения (б)

При дросселировании двигателя уменьшается количество свежей смеси, поступающей в цилиндры, вследствие этого возрастает относительное количество остаточных газов в рабочей смеси, ухудшается качество последней и замедляется процесс ее сгорания. В этих условиях угол опережения зажигания должен быть увеличен (рис. 17а).

Такая мера, естественно, не повышает скорость горения смеси и не сокращает продолжительность сгорания, но более раннее воспламенение смеси обеспечивает своевременное окончание процесса сгорания относительно ВМТ с наименьшими потерями тепла.

При повышении частоты вращения коленчатого вала скорость основной фазы сгорания увеличивается благодаря интенсификации в цилиндре вихревого движения смеси, однако скорость начальной фазы горения изменяется мало, т. к. зависит, главным образом, от состава смеси. В результате продолжительность процесса сгорания в градусах поворота коленчатого вала возрастает, и основная фаза горения смещается на такт расширения, что приводит к ухудшению показателей двигателя. Чтобы компенсировать увеличение длительности первой фазы и сжигать основную массу топлива вблизи ВМТ, надо увеличивать угол опережения зажигания (рис. 17б)

Из сказанного следует, что значение оптимального угла опережения зажигания необходимо корректировать в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки. В современном бензиновом двигателе это заложено в программу микропроцессора системы управления двигателем.

 

Экспериментальная часть

При снятии характеристики положение дросселя и частота вращения коленчатого вала поддерживаются постоянными, переменным является угол опережения зажигания. Испытательный стенд оборудован устройством для дистанционной установки угла опережения зажигания, для этого к диагностическому разъему двигателя подключен компьютер, с которого и осуществляется регулирование УОЗ.

После пуска и прогрева двигателя, постепенно открывая дроссельную заслонку, нагружают двигатель при помощи тормозного устройства. Закрепив дроссель в нужном положении и поддерживая определенную частоту вращения, устанавливают момент подачи искры с большим запаздыванием, например, в ВМТ. Откорректировав частоту вращения и угол опережения зажигания, производят замер первой опытной точки.

Далее устанавливают более ранний момент зажигания, с помощью тормоза восстанавливают принятую частоту вращения вала двигателя и производят следующий замер.

Изменяя таким образом через каждые 5 градусов момент зажигания, производят замер опытных точек до тех пор, пока не наступит детонация или пока не будет зафиксировано явное снижение показаний динамометра. Надежное определение этой части характеристики возможно при использовании бензина с более высоким октановым числом, чем тот, что рекомендован заводом-изготовителем испытуемого двигателя.

При проведении опыта измеряют:

1) угол опережения зажигания θ, град.; 2) показания весов тормозного устройства Р, Н; 3) время расхода топлива τ, с; 4) температуру отработавших газов t _вып, °С; 5) температуру охлаждающей воды t _в, °С;
  6) температуру масла t _м , °С.

Лабораторная работа рассчитана на снятие трех регулировочных характеристик по зажиганию.

Первые две характеристики снимают при полной нагрузке и двух различных значениях частоты вращения вала двигателя n ₁ и n ₂. Обе характеристики изображаются на одном общем координатном поле.

Третья характеристика снимается при частоте вращения n ₁, но при частично прикрытом дросселе. Она изображается на втором координатном поле вместе с первой характеристикой.

 

Контрольные вопросы

1. Какой угол опережения зажигания называется оптимальным?

2. Каковы условия снятия регулировочной характеристики по зажиганию?

3. Укажите порядок проведения опытов на стенде.

4. Объясните механизм влияния очень большого и очень маленького угла опережения зажигания на мощность двигателя, расход топлива и КПД цикла?

5. Что может стать причиной детонационного сгорания топлива?

6. Каковы признаки детонации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Теоретическая часть

Особенности работы двигателя на режимах холостого хода и малых
 нагрузок.

Работа двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок имеет ряд характерных особенностей. Так, например, к моменту открытия выпускного клапана давление в цилиндре может быть ниже давления в выпускной трубе. Тогда после открытия выпускного клапана происходит перетекание газа из выпускной трубы в цилиндр до выравнивания давлений и лишь затем начинается выталкивание газа из цилиндра в выпускную трубу (рис. 19).

В момент открытия впускного клапана давление газов в цилиндре превышает давление во впускной трубе. Поэтому происходит заброс продуктов сгорания из цилиндра во впускной трубопровод.

Рис. 18 Нагрузочная характеристика

Положение усугубляется в период перекрытия клапанов, когда может происходить достаточно интенсивное перетекание газов из выпускной трубы в полость цилиндра и из цилиндра во впускную трубу. Все это приводит к заметному увеличению коэффициента остаточных газов и значительно повышает вероятность пропуска воспламенения.

Отличие режимов холостого хода и малых нагрузок от режимов полной и средней нагрузок - это не только уже отмеченная в несколько раз большая доля остаточных газов, но и непосредственная зависимость состава заряда от полноты сгорания топлива в предшествующем цикле. Так, при пропуске воспламенения и неполном сгорании топлива остаточные газы содержат неокисленное топливо, свободный кислород и химически активные продукты неполного сгорания.

С этим связана характерная для режимов глубокого дросселирования двигателя цикловая неидентичность процесса сгорания смеси. Как правило, после циклов с более полным сгоранием в рабочем заряде последующего цикла увеличивается инертная составляющая, что приводит к ухудшению процесса сгорания в этом цикле.