Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях

Подождите немного. Документ загружается.

до такой степени, что при данном октановом числе ока-

жется возможным использование более высокой степени

сжатия, что, однако, будет сопровождаться большими

тепловыми потерями и затянутым процессом горения.

Кроме того, более высокая степень сжатия повлечет за

собой необходимость использования более массивного

коленчатого вала и, следовательно, вызовет повышение

механических потерь.

172. Смещение периода создания турбулентности

с такта впуска на конец сжатия имеет свои преимущества,

так как при этом оказывается возможным увеличить диа-

метр впускного канала и вследствие этого повысить

наполнение. Кроме того, на турбулизацию, созданную

в период сжатия, требуется меньшая затрата энергии,

так как меньше времени проходит между созданием

и использованием вихрей. Более сложная форма камеры

сгорания менее удачна с точки зрения тепловых потерь,

причем это может особенно проявиться при низком числе

оборотов. Однако одновременное с увеличением тепло-

вых потерь улучшение протекания горения столь велико,

что имеет преобладающее значение. Увеличенная конвек-

тивная теплоотдача от заряда к стенкам снижает предель-

ные значения удельной мощности, что является решающим

фактором, из-за которого подобные технические решения

не применяются в авиационных двигателях. Для авто-

мобильных двигателей это несущественно, так как на

режиме полной мощности можно в крайнем случае

прибегнуть к использованию богатой смеси в качестве

своеобразного внутреннего охлаждения (абзац 182).

173. Весь комплекс факторов, с помощью которых

осуществляется воздействие на процесс сгорания, требует

длительных экспериментов и опытной доводки (это осо-

бенно справедливо в части достижения мягкого горения).

Самуэльс, бывший конструктор фирмы Шевроле, ввел

метод гипсовых моделей, который стал широко известен

благодаря Таубу [18]. При использовании этого метода

изготовляется гипсовая модель конструируемой камеры

сгорания, которая устанавливается так, чтобы ее можно

было вращать. Центр вращения располагается в той точке,

где должна быть установлена свеча зажигания. С помощью

небольшого резца с модели последовательно снимаются

сферические сегменты, а остающаяся часть ее взвеши-

вается. Исходя из простейшего предположения, что

в период горения поршень находится в в. м. т. и что фронт

пламени всегда имеет сферическую форму, причем свеча

расположена в центре этой сферы, определяется объем

заряда, сгорающего на данном радиусе этого идеализи-

рованного фронта пламени, и строится график увеличе-

ния объема сгоревшего газа в зависимости от радиуса

фронта пламени. Этот радиус

является функцией видимой,

а соответственно также и дей-

ствительной скорости пла-

мени, так что в итоге опре-

деляется объем сгоревшего

заряда в функции времени.

В принципе, если пренебречь

сделанными упрощениями,

таким образом можно опре-

делить повышение давления

в функции времени. Опытным

путем было найдено, что для

получения мягкого горения

увеличение объема V

сг

сгорев-

шего заряда в функции ра-

диуса сферы должно удовлет-

ворять определенным требо-

ваниям (рис. 45). Это нередко

приводило к принятию свое-

образных форм головок ци-

линдров и поршней (рис. 46).

Конструктор, однако, должен

стремиться достичь цели наи-

более простыми средствами,

применив, в частности, порш-

ни, имеющие плоские днища.

174. Изучая многочисленные конструкции двигате-

лей, которые создавались на протяжении длительного

времени, довольно трудно выяснить, чем именно были

мотивированы в прошлом решения ряда конструкторов.

В более поздних конструкциях можно обнаружить общий

принцип, сводящийся к тому, чтобы сосредоточить воз-

можно больший объем вокруг свечи зажигания и напра-

вить фронт пламени в сторону более узких объемов,

таких как зазор между головкой цилиндра и поршнем.

Так как мягкость работы двигателя является весьма

Рис. 45. Анализ камер сгорания

по Самуэльсу:

1 — «жесткий» процесс; 2 — «мяг-

кий» процесс; 3 — идеальный про-

цесс

Рис. 46. Камеры сгорания

с концентрацией объема

у свечи зажигания и зо-

ной охлаждения последней

части заряда

субъективным фактором и, более того, внешнее ее прояв-

ление зависит также от конструкции деталей двигателя,

понятно, что в принятых различными конструкторами

решениях имеются большие различия. В настоящее время

наблюдается тенденция обеспечивать мягкую работу дви-

гателя даже при очень быстром горении за счет приме-

нения более жесткой конструкции коленчатого вала

с большим числом подшипников (дизели).

175. Из сказанного следует,

что, кроме собственно формы ка-

меры сгорания, очень важное зна-

чение имеет расположение свечи

зажигания, так как в целом форма

камеры как бы рассматривается

из этой точки. Расположение свечи

зажигания зависит от ряда допол-

нительных факторов. Помимо кон-

структивных соображений (доступ-

ность для обслуживания, условия

охлаждения), важно, чтобы конеч-

ная часть заряда располагалась

в месте, оптимальном в отношении

стойкости против детонации, а

следовательно, например, не там,

где расположен выпускной кла-

пан.

Наиболее желательное распре-

деление объема заряда, сводящееся

к сосредоточению части объема

в зазоре между поршнем и головкой, дает хорошее кон-

структивное решение одновременно с точки зрения тур-

булизации заряда и охлаждения последней его части

(абзац 171).

На рис. 47 показаны индикаторные диаграммы дви-

гателя с боковым расположением клапанов, на которых

хорошо обнаруживается закругление в конце повышения

давления.

Характер повышения давления, определенный при

различных интенсивностях детонации, выявляет нали-

чие длительного периода догорания, являющегося ха-

рактерным для рассматриваемой камеры со значительной

протяженностью зоны, в которой сосредоточена послед-

няя хорошо охлаждаемая часть заряда.

Рис. 47. Индикаторные

диаграммы при различной

интенсивности детонации:

1 — начало горения; 2— на-

чало детонации; 3 — конец

нормального Горения; 4 —

сильная детонация; δ —дето-

нации нет

176. Следует помнить, что в действительности взаимо-

связь конструкции и процессов намного сложнее описан-

ной выше связи, и на скорость превращения энергии

влияют непрерывно изменяющиеся условия турбулент-

ности и эффекты, связанные с локальными температу-

рами стенок. В этом последнем аспекте важное значение

имеет техника литья; смещенные стержни, ведущие к не-

нормально толстым сечениям металла, могут свести на

нет эффект охлаждения последней части заряда в зазоре.

Важно также обеспечить надлежащим образом направлен-

ное течение охлаждающей

жидкости и применять мяг-

кую воду, чтобы избежать

осаждения накипи в интен-

сивно охлаждаемых местах.

177. В отношении ранней

стадии горения Тауб указы-

вает на преимущества так

называемых «далеко достаю-

щих свечей» — свечей зажи-

гания с электродами, сильно

выступающими в камеру.

Помимо преимущества, со-

стоящего в том, что они вы-

ступают из неподвижного граничного слоя (абзац 159)

и поэтому обеспечивают сокращение периода задержки

повышения давления, подобные электроды также обеспе-

чивают возможность вовлечения больших масс заряда

в горение на ранней его стадии, так что благоприятным

образом изменяется зависимость объема сгорающего

заряда от времени. Практически, однако, возможности

применения таких свечей весьма ограничены из-за высо-

кой тепловой нагрузки, которой подвергаются свечи

зажигания.

178. При обеспечении меньшей продолжительности

горения максимальное давление, достигаемое при горе-

нии, все более приближается к теоретически возможному.

В большинстве случаев, однако, для получения оптимума,

отмеченного в абзаце 167, довольствуются более низкими

давлениями, достигаемыми за счет более или менее

позднего зажигания. Это запаздывание зажигания при

высокой термической нагрузке имеет другое важное

преимущество, а именно, снижение последней, так как

Рис. 48. Зависимость среднего

эффективного давления и темпе-

ратуры выпускного клапана от

угла опережения зажигания

уменьшается время контакта горячих газов при их мак-

симальной плотности со стенками камеры сгорания.

Даже выпускной клапан при этом оказывается в более

благоприятных условиях, так как его тепловая нагрузка

определяется тем, что он является частью стенки камеры

сгорания, и тем, что он служит в качестве выпускного

органа. Наинизшая температура t

выпускного клапана

поэтому наблюдается при угле Δφ

оп з

опережения зажи-

гания, более позднем, чем тот, при котором имеет место

максимум среднего давления цикла (рис. 48).

ПРАКТИЧЕСКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОСТАВЫ СМЕСИ

179. Имеются различные методы выражения соотно-

шения в смеси бензина и воздуха. Теоретически правиль-

ный (стехиометрический) состав смеси состоит из весо-

вого количества воздуха, примерно в 15 раз превыша-

ющего весовое количество топлива, причем соотношение

это зависит от содержания углерода и водорода в топливе.

В Англии и США обычно принято указывать отношение

воздуха к топливу или топлива к воздуху. Тогда шкала

соответственно меняется или от значения 20 для бедной

смеси до 10 для богатой, причем значение 15 выражает

теоретически правильный состав, или от 0,05 для бедной

смеси до 0,1 для богатой, причем значение 0,066 отве-

чает теоретически правильному составу. Но предпочти-

тельнее взять за основу теоретически правильный состав

и выражать состав смеси как отношение между теорети-

чески правильным и действительным соотношениями топ-

лива и воздуха в смеси. Тогда получается шкала от 0,7

для бедной смеси до 1,5 для богатой смеси, причем 1

отвечает теоретически правильной смеси. В ГДР и ФРГ

обычно используется обратная шкала, в которой боль-

шие значения выражают избыток воздуха.

180. Отношение количества воздуха к количеству

топлива 20 : 1 (коэффициент КС = 0,73) примерно выра-

жает предел воспламеняемости смеси. В случае много-

цилиндрового двигателя следует выбирать большие зна-

чения коэффициента КС ввиду неравномерного распре-

деления, из-за которого один цилиндр может получить

смесь с составом, отличным от того, который подается

А также в СССР. Прим. ред.

в другие цилиндры. Поэтому обычно используются смеси

с коэффициентом КС около 0,9, а в старых авиационных

двигателях коэффициент КС в случае так называемой

бедной смеси превышал единицу. С введением впрыска

бензина оказалось возможным использовать более бедные

топливом смеси.

АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

181. Мощность двигателя обычно регулируется коли-

чественно с помощью дроссельной заслонки. Изменения

в составе смеси создают возможность осуществления

частично качественного регулирования. Ясно, что при

уменьшении коэффициента КС ниже значения, соответ-

ствующего теоретически

правильному составу, мощ-

ность теоретически умень-

шается прямо пропорцио-

нально коэффициенту КС

(дизель регулируется имен-

но таким образом, так как

он может работать при

очень большом избытке

воздуха). При коэффи-

циенте КС выше единицы

мощность (среднее инди-

каторное давление при по-

стоянном числе оборотов)

теоретически не зависит

от состава смеси (рис. 49).

Из-за диссоциации и изменения температуры действи-

тельная зависимость будет иной. Удельный расход топ-

лива имеет минимум при составе смеси, несколько более

богатой, чем предельный состав, на котором двигатель

все еще работает без пропусков вспышек. Это связано

с тем, что вспышки становятся все более неравномер-

ными по мере приближения к предельно бедной регу-

лировке.

182. Как можно было ожидать, удельный расход

топлива резко растет при увеличении коэффициента КС.

Тем не менее на практике богатые смеси используются

в случаях, когда нужно получить дополнительную мощ-

ность, например, во время взлета, или в чрезвычайных

4 Д. Д. Брозе

Рис. 49. Влияние коэффициента

КС

на расход топлива и мощность при

постоянной плотности заряда на

впуске:

/ — экономичная регулировка; // —

мощностная регулировка; /// — зона

составов с охлаждающим эффектом

случаях. Это связано с температурами сгорания. Из-за

избытка топлива число молекул в сгоревших газах зна-

чительно возрастает, образуются СО и Н

(абзац 145),

так что то же повышение давления достигается при мень-

шем росте температуры. Стенки двигателя подвергаются

меньшей термической нагрузке при том же среднем инди-

каторном давлении (рис. 50), но, что еще более важно,

при этом заметно снижается склонность к детонации

(абзац 208), особенно если топливо содержит ароматиче-

ские соединения. Поэтому оказывается возможным ис-

пользовать более высокое:

давление впуска, что ведет

к получению более высо-

кого среднего индикатор-

ного давления. Может быть

также увеличено число

оборотов двигателя без уве-

личения термической на-

грузки.

183. Для еще большего

(кратковременного) увели-

чения мощности добав-

ляется смесь водного рас-

твора метанола с ТЭС

(абзац 210).

184. На наиболее длительных крейсерских режимах

полета с мощностью, равной 50—60% максимальной,

осуществляется регулировка на наиболее бедную, прак-

тически применяемую смесь. В принципе имеются три

изменяемых параметра: число оборотов (с соответству-

ющей установкой шага винта), давление на впуске и со-

став смеси, причем одна и та же мощность может быть

получена при различном сочетании. Наиболее экономич-

ными из них являются: низкое число оборотов, большой

шаг винта, высокое давление на впуске и минимально

возможное значение коэффициента КС. Степень реали-

зации сочетания этих параметров зависит от конструкции

двигателя, искусства управления им и качества обслу-

живания.

Автоматическая регулировка двигателя сильно

отличается от этого оптимального сочетания. Поэтому

оно должно определяться борт-инженером на месте с ис-

пользованием характеристик двигателя.

Рис 50. Зависимость температуры

головки цилиндра от коэффициента

КС, иллюстрирующая охлаждаю-

щий эффект богатых смесей:

/ — экономичная регулировка; // —

мощностная регулировка

185. Обычно на практике при холостом ходе двигателя

используется достаточно богатая смесь. Также обычным

является переход к богатым смесям при снижении само-

лета для посадки. Последнее делается для того, чтобы

избежать неравномерной работы двигателя после резкого

открытия дроссельной заслонки (для преодоления той

или иной критической ситуации) вследствие несколько

более позднего по сравнению с подачей воздуха роста

подачи топлива. Обычно имеется дополнительный насос

для подачи добавочной порции

топлива при внезапном откры-

тии дроссельной заслонки.

Регулировка на богатую

смесь при холостом ходе яв-

ляется просто мерой, способ-

ствующей стабилизации числа

оборотов двигателя. Характе-

ристика простого карбюратора

всегда обеспечивает обогащение

смеси при росте числа оборо-

тов, так как сопротивление тече-

нию топлива следует линейному

закону Пуазейля, а воздуха —

закону второй степени Бернул-

ли. Малое открытие дроссельной

заслонки обеспечивает в принципе стабильность холо-

стого хода, так как давление на впуске увеличивается

при уменьшении скорости, и наоборот. Этому можно

помочь, работая на смеси, более богатой, чем та, которая

соответствует при рассматриваемых плотностях заряда

максимуму среднего давления цикла, так как тогда

изменение плотности будет сопровождаться изменением

состава смеси, что окажет соответствующее влияние на

среднее давление цикла (рис. 51). В случае работы на

бедных смесях уменьшение числа оборотов сопровожда-

лось бы обеднением смеси, что могло бы привести к паде-

нию среднего давления цикла вместо его повышения;

следовательно, работа двигателя была бы нестабильной.

При регулировке на очень богатую смесь при холостом

ходе двигатель также может работать с сильно колеб-

лющейся скоростью, так как в нем могут наблюдаться

пропуски вспышек на максимальных числах оборотов,

на которых смесь будет особенно богатой. При этом вслед-

Рис. 51. Зависимость сред

него давления цикла от со-

става смеси при различных

плотностях смеси на впуске:

1 — нестабильная регулировка;

2—стабильная регулировка

100

ствие пропуска вспышек число оборотов двигателя будет

падать, а затем вновь расти из-за более благоприятного

состава смеси на малых числах оборотов. Хотя и перио-

дичная по характеру, такая работа двигателя может быть

весьма стабильной.

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

186. Автомобильный карбюратор, в принципе простой

по конструкции, должен подавать экономичную, следо-

вательно, бедную смесь для работы на нормальном экс-

плуатационном режиме, и богатую смесь для получения

максимальной мощности при работе с ускорением и

с полностью открытой дрос-

сельной заслонкой. Характе-

ристика карбюратора, отве-

чающая этим условиям, пред-

ставится в виде двойной кри-

вой в координатах: состав

смеси — расход воздуха, как

показано на рис. 52. Здесь

по оси абсцисс отложен рас-

ход воздуха, что отвечает

условиям испытания карбю-

ратора на стенде. При пол-

ностью открытой дроссель-

ной заслонке имеется опреде-

ленная связь между расходом

воздуха и числом оборотов

двигателя, в то время как

в случае «дорожной» характе-

ристики эта связь между расходом воздуха и числом

оборотов двигателя зависит также от таких свойств

автомобиля, как сопротивление качению, аэродинамиче-

ское сопротивление и т. д. Кривые состава смеси приме-

нимы к определенному двигателю. Каждому расходу

воздуха соответствует определенное значение коэффи-

циента КС, при котором расход топлива минимален.

При увеличении расхода воздуха этот минимум смещается .

в сторону меньших значений коэффициента КС. При

определенном расходе воздуха максимальная мощность

достигается всегда при более высоком значении коэф-

фициента КС, чем наилучшая экономичность. Расход

Рис. 52. Зависимость коэффи

циента КС от расхода воздуха

при различных эксплуатацион-

ных режимах работы автомо-

бильного двигателя:

1 — холостой ход; 2 — ускорение

при полном открытии дроссельной

заслонки; 3 — эксплуатационные

нагрузки