8.4. Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя

Зависимость степени сжатия на границе детонации от соотношения воздуха и топлива в смеси показана на рис. 54. Наименьшая степень сжатия без возникновения детонации характерна для стехиометрической или слабо обедненной 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.

Рис. 54. 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 см³/Дм³; 5 - метан

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 жестким ограничением содержания в отработавших газах вредных для здоровья человека веществ. В первую очередь контролируется содержание окиси углерода СО, углеводородов СН_х и окислов азота NO_x. 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.

Влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление показано на рис. 55. 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 СО и СН_х в выхлопных газах.

Рис. 55. Влияние состава смеси на индикаторный КПД η1 и среднее индикаторное давление р₁

Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси изображено на рис. 56. Больше всего окислов азота NO_x образуется в случае использования стехиометрической смеси α = 1, соответствующей массовому соотношению воздух/топливо, равному 15. При максимальном значении среднего эффективного давления ре это соотношение равно 13, а при максимальном значении индикаторного КПД - 17. В обоих последних случаях NО_х 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 NО_х до минимума.

Рис. 56. Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси

Химические процессы при сгорании топлива в цилиндре сложны, и их подробное описание имеется в специальной литературе [10]. На рис. 56 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 NO_x, возникающие в большом количестве при тех соотношениях топливовоздушной смеси, когда содержание СО и СН_х минимально. NО_х 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 - охлажденные отработавшие газы, которые вновь направляются во впускную трубу двигателя (так называемая рециркуляция отработавших газов).

Обеднение смеси, как уже говорилось выше, ограничено возможностью ее воспламенения. Преодолеть этот барьер можно с помощью образования смеси, расслоенной таким образом, чтобы в зоне свечи находился некоторый объем 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 неразделенной 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 ее 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.