Как влияет состав смеси на мощность двигателя

Горючая смесь и ее влияние на мощностные и экономические показатели работы двигателя

Приготовленная в карбюраторе смесь из топлива и воздуха называется горючей. В дальнейшем при поступлении горючей смеси в цилиндр двигателя к ней подмешиваются отработавшие газы, которые не до конца были удалены из цилиндра в предыдущем цикле. В этом случае смесь называется рабочей, так как именно она подвергается вос­пламенению.

Соотношение топлива и воздуха в горючей смеси оказывает существенное влияние не только на мощность двигателя, но и на его экономичность.

Чтобы оценить тот или иной состав горючей смеси, приготовляемой карбюратором для различных режимов работы двигателя, пользуются таким параметром, как коэффициент избытка воздуха а — отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр, к необходимому количеству воздуха для полного сгорания поступившего в цилиндр топлива.

Известно, что для полного сгорания 1 кг бензина требуется примерно 15 кг воздуха. Если соотношение воздуха и бензина в горючей смеси действительно такое, то горючая смесь нормальная и ее коэффициент избытка воздуха α = 1.

Если на 1 кг бензина в смеси приходится более 15 кг воздуха, но не более 17 кг, то такая горючая смесь считается обедненной, 1,05

Любой из составов горючей смеси должен отвечать двум требованиям, которые обеспечивают качество горючей смеси:

• мелкое распыление топлива в слоях воздуха;

• однородность, т. е. равномерное распределение топлива в воздухе
по всему объему смеси.

В зависимости от места и способа приготовления горючей смеси автомобильные двигатели могут иметь различные системы питания (рис. 7.2).

Двигатели называются карбюраторными, если горючая смесь готовится в карбюраторах. При этом используется пульверизационный способ, когда бензин из распылителя попадает в поток воздуха и при разнице скоростей движения бензина (5—7 м/с) и воздуха (50—150 м/с) капли бензина размельчаются, испаряются и хорошо перемешиваются с воздухом. Образованная горючая смесь поступает по впускному трубопроводу в цилиндры двигателя.

Горючая смесь может быть приготовлена и непосредственно во впускном трубопроводе путем впрыска топлива под давлением и специальных форсунок в слои воздуха в зоне впускных клапанов. Такие двигатели называются инжекторными.

Рис.7.2. Различные системы питания по способу приготовления горючей смеси

Система питания с приготовлением горючей смеси непосредственно в цилиндрах двигателя чаще применяется в дизелях, реже в бензиновых двигателях. Приготовление горючей смеси происходит внутри цилиндров двигателя путем впрыска под давлением из форсунки мелко распыленного топлива в сжимаемый в цилиндрах воздух. При этом в дизелях происходит самовоспламенение образовавшейся рабочей смеси, а в бензиновых двигателях она воспламеняется принудительно от искрового разряда свечей зажигания.

Простейший карбюратор

Карбюратор должен осуществлять следующее:

• точное дозирование топлива;

• распыление топлива, его испарение и перемешивание с воздухом;

• дозирование подаваемой в цилиндры двигателя горючей смеси в
соответствии с режимами его работы.

Принципиальная схема простейшего карбюратора показана на рис. 7.3. Основными его элементами являются поплавковая камера 7, топливный жиклер 5, дроссельная заслонка 3 и воздушный канал /.

Поплавковая камера 7 с поплавком 6 и игольчатым клапаном 8 служит для поддержания постоянного уровня топлива на входе в топливный жиклер 5. Если уровень топлива выше заданного, то игольчатый клапан 8 поплавка 6 запирает канал для поступления бензина. Уровень бензина поддерживается ниже края распылителя на 2—3 мм. Свободный от топлива край камеры сообщается с окружающей средой или с началом воздушного канала карбюратора. В последнем случае поплав­ковая камера называется сбалансированн

Рис. 7.3. Схема простейшего карбюратора: Pq — атмосферное давление; АРп — разрежение в диффузоре; 5 — превышение среза распылителя над уровнем в поплавковой камере; / — воз­душный канал; 2 — диффузор; 3 — дроссельная заслонка; 4— смесительная камера; 5— топлив­ный жиклер; 6 — поплавок; 7— поплавковая камера; 8— игольчатый клапан; 9 — распылитель

Топливный жиклер 5 дозирует количество топлива, поступающее через распылитель 9 в воздушный канал карбюратора. Дроссельной заслонкой 3 регулируется количество горючей смеси, подаваемой из карбюратора во впускной трубопровод и далее в цилиндры двигателя. В воздушном канале топливо распыляется и перемешивается с воздухом.

Читайте также:  Сколько масла заливать в двигатель хендай матрикс

Карбюратор работает следующим образом.

При проворачивании коленчатого вала на такте всасывания в цилиндре двигателя образуется разрежение, которое передается в воздушный канал карбюратора (ΔPД), в результате чего воздух из окружающей среды поступает в этот канал и движется по нему. В диффузоре 2 сечение воздушного потока уменьшается, в связи с чем значительно повышается его скорость и создается местное разрежение в зоне распылителя 9. Вследствие разрежения из распылителя в воздушный канал фонтанирует топливо. При выходе из сопла распылителя топливо подхватывается воздушным потоком и, перемещаясь по воздушному каналу со значительно меньшей скоростью, чем воздух, мелко распыляется. Затем в смесительной камере распыленное топливо перемешивается с воздухом и частично испаряется, образуя горючую смесь, которая из смесительной камеры поступает во впускной трубопровод, а оттуда в цилиндры двигателя.

Во время движения горючей смеси по впускному тракту процесс смесеобразования продолжается. При этом часть неиспарившегося топлива испаряется и перемешивается с воздухом, а часть его может выпадать в виде осадка на стенки карбюратора и впускного трубопровода, образуя так называемую топливную пленку.

Источник

Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя

Рис. 1
Допустимая степень сжатия на границе детонации для различных типов топлива и составов смеси: 1 — циклогексан; 2 — водород; 3 — изооктан; 4 — изооктан с добавкой тетраэтилсвинца 1,06 см 3 /дм 3 ; 5 — метан.

Зависимость степени сжатия на границе детонации от соотношения воздуха и топлива в смеси показана на рис. 1. Наименьшая степень сжатия без возникновения детонации характерна для стехиометрической или слабо обеднённой смеси. При обогащении смеси ее стойкость к детонации возрастает. Это обусловлено главным образом внутренним охлаждением при испарении большего количества топлива в сравнении с бедной смесью. Аналогичный эффект достигается добавлением в топливовоздушную смесь воды или спирта. Такой способ применяют для кратковременного увеличения мощности поршневых авиационных двигателей при взлете самолета. Однако длительная эксплуатация двигателя с добавлением в смесь воды неблагоприятно сказывается на сроках службы свечей зажигания и седел клапанов. У автомобильных двигателей с наддувом для подавления детонации также применяется впрыск воды.

Увеличение детонационной стойкости у бедных смесей вызвано меньшей скоростью их горения. Однако широкое использование бедных смесей ограничено пределом их воспламеняемости.

В последнее время к автомобильным двигателям предъявляются также требования, связанные с жёстким ограничением содержания в отработавших газах вредных для здоровья человека веществ. В первую очередь контролируется содержание окиси углерода CO, углеводородов CHx и окислов азота NOx. Первые два углеродосодержащих соединения возникают при неполном сгорании топлива в условиях недостатка воздуха. Эти продукты неполного сгорания можно сжечь, добавляя в отработавшие газы свежий воздух и воспламеняя образовавшуюся смесь. Окисление можно провести при помощи катализатора или на горячей поверхности. Это дополнительное сгорание в термическом реакторе очищает отработавшие газы, однако с энергетической точки зрения является потерей, увеличивающей удельный расход топлива.

i и среднее индикаторное давление pi .

Влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление показано на рис. 2. Максимальное среднее индикаторное давление достигается при использовании богатой смеси. Этим обеспечивается хорошее использование всего количества поступившего воздуха, но в отработавших газах остается часть неиспользованного топлива. При бедных смесях полностью сгорает все топливо, но отработавшие газы содержат неиспользованный воздух. В этом случае достигается наилучшее значение индикаторного КПД, что одновременно способствует снижению содержания CO и CHx в выхлопных газах.

Рис. 3
Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси α .

Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси изображено на рис. 3. Больше всего окислов азота NOx образуется в случае использования стехиометрической смеси α = 1 , соответствующей массовому соотношению воздух/топливо, равному 15. При максимальном значении среднего эффективного давления pe это соотношение равно 13, а при максимальном значении индикаторного КПД – 17. В обоих последних случаях NOx образуется меньше, чем при использовании стехиометрической смеси. Поэтому в зоне вблизи свечи зажигания выгодно создать смесь с соотношением воздух/топливо, равным 13, а в цилиндре – более бедную смесь с соотношением, меньшим 17, и воспрепятствовать перемешиванию этих смесей в процессе сгорания с тем, чтобы снизить образование NOx до минимума.

Читайте также:  При работе двигателя загорается чек

Химические процессы при сгорании топлива в цилиндре сложны, и их подробное описание имеется в специальной литературе. На рис. 3 показан практически лишь результат их протекания. Если ранее для обеспечения максимальной мощности двигателя всегда использовалась богатая смесь, то в настоящее время из-за ограничений содержания вредных веществ в отработавших газах используются смеси стехиометрического состава. В будущем в так называемых «чистых» двигателях перейдут на использование бедных смесей.

Наибольшие проблемы создают окислы азота NOx, возникающие в большом количестве при тех соотношениях топливовоздушной смеси, когда содержание CO и CHx минимально. NOx образуются при высокой температуре сгорания. Снизить эту температуру можно добавлением во всасываемый воздух инертного газа. В качестве последнего можно использовать, например, водяной пар. Однако возить и хранить емкость с водой для этих целей неудобно и непрактично, так как зимой вода замерзает. Поэтому используют газ, имеющийся в распоряжении при любых условиях, а именно – охлаждённые отработавшие газы, которые вновь направляются во впускную трубу двигателя (так называемая рециркуляция отработавших газов).

Обеднение смеси, как уже говорилось выше, ограничено возможностью её воспламенения. Преодолеть этот барьер можно с помощью образования смеси, расслоённой таким образом, чтобы в зоне свечи находился некоторый объём богатой смеси, способной к легкому воспламенению, который при сгорании затем беспрепятственно воспламенит оставшуюся часть бедной смеси в цилиндре.

Расслоение заряда может быть создано как в неразделённой камере сгорания, так и путем создания отдельной дополнительной камеры сгорания с богатым составом смеси. В первом случае используется большая масса неиспарившихся капель топлива и за счет сил инерции при движении двухфазного потока смеси эти капли обогащают топливом определенную часть камеры сгорания. В частности, при вращении топливовоздушного заряда вокруг оси цилиндра богатая смесь образуется на его стенках.

Кроме вращения смеси и центробежной силы инерции жидких капель можно использовать также и поступательное движение потока смеси. Этот случай характерен при вытеснении заряда из зазора между поршнем и головкой цилиндра (так называемой зоны вытеснителя, служащей для улучшения антидетонационных свойств камеры сгорания) в конце хода сжатия. Капли топлива в последнем случае ускоряются потоком, выходящим из зазора, и по инерции движутся в предназначенную зону вблизи свечи зажигания. Определенное расслоение происходит также в течение такта сжатия и в условиях камер сгорания без вытеснителей за счет того, что в первой половине хода сжатия капли ускоряются потоком от перемещающегося днища поршня, а во второй половине хода по инерции попадают на стенки камеры сгорания в головке цилиндра.

Смесь бедного состава выгодна как с точки зрения достижения высокого индикаторного КПД, так и для снижения образования вредных углеродосодержащих соединений, хотя её использование приводит к уменьшению удельной мощности двигателя. В настоящее время, однако, наиболее важными факторами являются экономичность эксплуатации и снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, и поэтому наряду с работой на бедных составах смеси для компенсации снижения мощности используют более высокие степени сжатия.

Возникновение детонации предупреждается при этом соответствующим опережением зажигания, что обеспечивает также более мягкое сгорание в двигателе.

Источник

Как влияет состав смеси на мощность двигателя

Горючие смеси, необходимые для работы карбюраторного двигателя, приготавливаются в смесеобразующем устройстве карбюратора и впускном трубопроводе двигателя. Время, отводимое на приготовление смесей, определяется рабочим процессом двигателя. Для современных двигателей это время чрезвычайно мало и составляет 0,007—0,015 с.

Количество испаряющегося топлива в заданном объеме воздуха зависит от его фракционного состава и давления насыщенных паров.

Другим непременным условием образования горючих смесей является необходимость подвода тепла к испаряющемуся топливу. Практически это осуществляется подогревом впускного трубопровода, связывающего карбюратор с цилиндром двигателя.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Температура подогрева смеси, обеспечивающая наилучшее смесеобразование, составляет 40—60 °С.

Очень большое значение для смесеобразования имеет степень распиливания топлива в смесеобразующем устройстве карбюратора. Чем мельче распыливается топливо, тем скорее и лучше оно испаряется. При этом значительное влияние на испарение топлива оказывает также скорость движения воздуха в смесительной камере. При малой скорости воздух вступает в контакт с капельками испаряющегося топлива, быстро насыщается его парами, и испарение замедляется. При большой скорости воздуха условия испарения топлива улучшаются, так как поток воздуха увлекает за собой пары испарившегося топлива, и процесс испарения ускоряется.

Читайте также:  Запуск двигателя зимой мерседес

Высокая скорость воздуха создает во впускном трубопроводе завихрение смеси, что также способствует лучшему перемешиванию паров топлива и воздуха и повышает однородность смеси.

Содержание топлива и воздуха в горючей смеси характеризует ее состав. Состав смеси наиболее просто можно оценить количеством воздуха, приходящегося на 1 кг топлива.

Различные виды жидких топлив требуют для полного сгорания неодинаковое количество воздуха. Так, для полного сгорания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С. В этом случае смесь называется нормальной, а количество воздуха 15 кг — теоретически необходимым.

Горючие смеси воспламеняются только в определенных пределах изменения их состава. Эти пределы могут быть выражены коэффициентом избытка воздуха и называются пределами воспламеняемости смесей, которые для бензиновых горючих

На пределы воспламеняемости смесей влияет также количество отработавших газов, оставшихся в цилиндре двигателя после завершения такта выпуска. Остаточные газы сужают пределы воспламеняемости смесей.

Состав горючих смесей оказывает непосредственное влияние на мощность и экономичность двигателя. При работе двигателя на нормальной смеси (а=1) расход топлива и развиваемая двигателем мощность будут иметь определенные значения.

Таким образом, наиболее предпочтительными смесями для длительных режимов работы двигателя со средней нагрузкой являются обедненные. Богатые и бедные горючие смеси для практического применения недопустимы, так как увеличивают в значительной степени расход топлива, снижают мощность двигателя и вызывают другие нежелательные явления в его работе.

Чтобы определить состав горючих смесей для различных режимов работы двигателя, его подвергают регулировочным испытаниям. Испытания двигателя проводят на тормозном стенде, который позволяет замерить мощность двигателя. Дополнительные приборы, установленные на двигателе, позволяют определить расход топлива и количество поступающего в смесительную камеру воздуха и подсчитать коэффициент избытка воздуха. В результате испытаний получают регулировочные характеристики (рис. 19) двигателя, которые представляют зависимости изменения мощности и расхода бензина при разных значениях а, снятых при постоянной заданной частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 19. Регулировочные характеристики двигателя:
1, 2, 3, — зависимости мощности, 1’, 2’ 3’ — зависимости удельного расхода топлива, 4 — зависимость изменения состава смеси при максимальной мощности, 5— зависимость изменения состава смеси при минимальном расходе топлива

На характеристике по оси ординат отложена мощность Ne двигателя, выраженная в процентах от максимальной мощности, и расход топлива в единицах удельного расхода, который также взят в процентном отношении к минимальному его значению. По оси абсцисс отложен коэффициент избытка воздуха а.

Кривая соответствует работе двигателя при полном открытии дроссельной заслонки, а кривые — при промежуточных положениях. Из характеристик видно, что они имеют общий характер. При любом положении дроссельной заслонки с увеличением а мощность двигателя вначале увеличивается, затем достигает максимального значения и дальше падает.

Удельный расход топлива имеет обратный характер; вначале он падает, достигает минимального значения и затем увеличивается. Для каждого положения дроссельной заслонки точки максимальной мощности на кривых не совпадают по величине а с точками минимальных удельных расходов топлива на кривых.

Если точки максимальной мощности на разных кривых соединить плавной линией, получим кривую, выражающую зависимость изменения состава смеси при максимальной мощности. Сделав то же самое для точек минимальных удельных расходов топлива, получим кривую, выражающую изменение состава смеси при минимальном удельном расходе.

При рассмотрении кривых видно, что получить максимальную мощность двигателя и минимальный расход топлива при этой мощности нельзя. Если отрегулировать карбюратор на получение минимального расхода топлива, мощность двигателя упадет, так как смесь будет обедняться (а>1) и скорость ее сгорания падать. Наоборот, при регулировке карбюратора на получение максимальной мощности добиться минимального расхода не удастся, так как топливо в смеси будет сгорать не полностью из-за малого коэффициента избытка воздуха. Воздуха в смеси (а К атегория: — Ремонт топливной аппаратуры автомобилей

Источник

Adblock
detector