Лекция 10 Анализ влияния конструктивных и режимных факторов на эффективность работы энергетических установок
Основной задачей анализа является определение мероприятий, которые необходимо обеспечить, чтобы получить максимальную мощность на всех режимах изменения частоты вращения коленчатого вала и условий, при обеспечении которых будет обеспечиваться наименьший расход топлива.
Анализ влияния факторов для двигателей с искровым зажиганием.
Конструкция формы камеры сгорания должна обеспечивать высокую степень очистки от отработавших газов и максимальное наполнение. Усиление степени турбулизации заряда в камере сгорания на участке видимого сгорания. Возможность повышения степени сжатия. Сокращение длительности видимого сгорания с учетом геометрии размеров, при этом будет обеспечиваться повышение антидетонационной стойкости.
Повышение степени сжатия обеспечивает существенное повышение индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла. Однако, при использовании завышенных значений степени сжатия 
>10, существенно изменяются параметры протекания рабочего цикла (давление, температура, увеличение толщины пристеночных слоев, повышенные нагрузки на элементы КШМ, повышение требований к топливу), эффективность становится менее значительной.
Существенного повышения индикаторных и эффективных показателей можно добиться при оптимальном регулировании состава смеси. Максимальная мощность достигается при использовании обогащенных топливом составов смеси α=0,85…0,9. Это объясняется максимальным использованием кислородной составляющей воздуха, поступающего в объем цилиндра в качестве рабочего тела и определенная степень компенсации присутствия в составе смеси остаточных газов. Однако передозировка смеси топлива отрицательно сказывается на топливную экономичность.
Переход к работе на стехиометрические смеси и обедненные позволяют обеспечивать более полное выгорание составляющих топлива. При этом энергетический потенциал рабочего заряда снижается, но топливная экономичность существенно возрастает.
Такая зависимость повышения топливной экономичности сохраняется до определенного предела обеднения смеси. Дальнейшее обеднение α>1,2 в большинстве сказывается отрицательно, как на мощностные показатели так и топливную экономичность. Предельное значение обеднения состава смеси, при котором сохраняется высокая топливная экономичность, называется пределом эффективного обеднения смеси.
Предел эффективного обеднения смеси можно существенно увеличить в сторону использования бедных смесей при использовании одного или совокупности мероприятий, обеспечивающая стабильность надежность воспламенения смеси и достаточную эффективность протекания процесса выгорания при формировании первичного очага горения. Например, установка двух источников воспламенения смеси, обогащение смеси в зоне дожигания, использование форкамерно-факельного зажигания, параллельное повышение степени сжатия.
Необходимо отметить, что при переходе к использованию бедных смесей α=1.2…1.6, даже при стабильном протекании процесса существенно снижаются мощностные показатели двигателя.
Повышение или снижение нагрузки для двигателя с искровым зажиганием в основном достигается путем ограничения или увеличения количества поступающей в цилиндр свежей смеси. Низкая наполняемость цилиндра при малых нагрузках существенно ухудшает физико-химические условия для воспламенения и сгорания смеси. Это низкое давление, пониженная температура смеси к моменту воспламенения, высокая степень разбавления смеси остаточными газами.
Такие условия требуют, в качестве компенсации, дополнительного обогащения смеси топливом, что и сопровождается, соответственно, ухудшением индикаторных и существенным снижением эффективных показателей.
При повышении скоростного режима работы двигателя с увеличением скорости вращения коленчатого вала возрастает скорость перемещения поршня, скорость смеси на впуске, степень турбулизации рабочего заряда и сокращается абсолютное время отводимое на рабочий цикл. Время компенсируется пропорциональным возрастанием скорости сгорания и увеличением угла опережения зажигания. Сокращением времени отводимого на рабочие процессы сжатия и расширения, тепловые потери через стенки цилиндра сокращаются. Складывающиеся условия обеспечивают заметное повышение индикаторных показателей. Эффективные показатели в большей степени изменяются с учетом возрастания мощности механических потерь и коэффициента наполнения.
Анализ влияния факторов для дизельных двигателей.
Основными факторами, которые определяют характер протекания процесса сгорания и эффективность использования тепловой энергии в составе реализации рабочего цикла дизельного двигателя являются:
- качество смесеобразования
- угол опережения начала впрыска
- скорость и направленность движения воздушного заряда
- изменение нагрузки и скоростного режима работы двигателя
- состав и качество топлива.
Качество смесеобразования во многом зависит от оптимального согласования параметров топливоподающей аппаратуры впрыска (длительность подачи, качество распыливания, направление, глубина и форма факела впрыска), типа камеры сгорания, газодинамических параметров направленного движения воздушного заряда на участке впрыска и типа (вида) смесеобразования. Тип смесеобразования и тип камеры сгорания в целом определяют присутствие необходимых условий и характер протекания процесса сгорания.
Для неразделенных конструкций камеры сгорания существуют три основных вида смесеобразования: объемное, пленочное и объемно-пленочное.
Для разделенных конструкций камеры сгорания тип смесеобразования определяется самой конструкцией камеры: вихревое смесеобразование и смесеобразование в предкамере.
При объемном смесеобразовании топливо впрыскивается через многодырчатые распылители в мелкораспыленном виде, при высоком давлении впрыска. Число факелов соответствует числу отверстий в распылителе (до шести). Глубина факела небольшая и не достигает противоположных стенок камеры сгорания. Таким образом, поступившее мелкораспыленное топливо зависает в пространстве камеры сгорания. Камера сгорания плоская открытая.
При пленочном смесеобразовании, основная камера сгорания располагается в поршне, с максимально приемлемым смещением от оси форсунки. Впрыск выполняется при заниженных значениях (15…20 Мпа) в виде одного или двух факелов, с большой глубиной. Топливо подается в виде струи на нагретую поверхность и растекается в виде пленки. По мере испарения топлива с поверхности пленки, образуется топливно-воздушная смесь и переносится движение воздуха в зону горения.
При объемно-пленочном смесеобразовании, часть топлива часть топлива через распылитель в объем камеры сгорания, вторая часть (большая или меньшая) в виде струи поступает на поверхность и растекается в виде пленки.
При всех сочетающихся видах и типах смесеобразования и конструкциях камеры сгорания путем доводки можно добиться удовлетворительного протекания процесса подвода теплоты и эффективности ее использования. И все же каждый из перечисленных способов имеет свои недостатки и преимущества. Они могут использоваться или исключаться с учетом особенностей эксплуатационного назначения транспортной и стационарной технической установки.
Более высокие топливно-экономические показатели достигаются на двигателях с объемным смесеобразованием. Однако, такие двигатели имеют высокую токсичность отработавших газов по окислам азота, повышенную жесткость рабочего процесса. Особые требования предъявляются к топливоподающей аппаратуре и качеству топлива.
Двигатели с пленочным смесеобразованием имеют более низкие индикаторные показатели. Вместе с тем обладают более низкой токсичностью, пониженной шумностью и более мягкой работой двигателя.
Высоких индикаторных и эффективных показателей можно добиться только при определении, установке и регулировании оптимального угла опережения начала впрыска с учетом периода задержки воспламенения топлива, способа смесеобразования, степени сжатия, скоростного и
нагрузочного режима. Любые отклонения в сторону увеличения или уменьшения угла опережения начала впрыска от оптимального приводят только к дополнительным отклонениям процесса подвода теплоты и теплоиспользования с понижением мощностных топливно-экономических показателей. Необходимо отметить, что при допустимом уменьшении угла опережения начала впрыска можно добиться существенных результатов по снижению концентрации токсичных компонентов в составе отработавших газов.
Изменение степени сжатия в диапазоне применяемых значений ε=17…20 не оказывает существенного влияния на индикаторные показатели. Использование более высоких значений ε=20…22 приводит к резкому повышению максимального давления с предельными нагрузками на элементы КШМ.
В дизельных двигателях степень загрузки двигателя регулируется составом смеси. Следовательно, при снижении нагрузки, при α>6, обеспечивается более полное выгорание небольшого количества топлива, сокращается длительность подвода теплоты и повышается коэффициент ее использования на участке около ВМТ. Эти преимущества присущи только дизельным двигателям с учетом организации подвода теплоты и тем самым обеспечивают неуклонное повышение индикаторных показателей при уменьшении нагрузки. Только на режимах минимальной подачи топлива индикаторный КПД и экономичность несколько снижаются. Это объясняется некоторым ухудшением мелкости распыливания топлива при впрыске при малых значениях цикловой подачи.
С повышением скоростного режима индикаторные показатели улучшаются. Этому способствует улучшение качества распыливания, увеличение скоростного движения воздушного заряда, повышение параметров состояния воздуха к моменту начал впрыска. Повышение показателей ограничивается надежностью срабатывания топливоподающей аппаратуры.
Повышение индикаторных и эффективных показателей также можно получить путем повышения качества топлива, в том числе и при снижении периода задержки воспламенения смеси путем внедрения специальных присадок.
