Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях

Подождите немного. Документ загружается.

121

ваний. На практике преследуется достижение этой цели,

но, естественно, достигается она только приблизительно.

При использовании топлива

с одинаковым октановым числом

по изложенным выше причинам

Рис. 71. Влияние температуры

воздуха на впуске на темпе-

ратуру смеси при различном

составе смеси:

1 — обедненная; 2 — бедная;

3 — богатая; 4 — обогащенная

Рис. 72. Распределение топлива в смеси

в зависимости от положения дроссель-

ной заслонки:

А — богатая смесь; Б — бедная смесь:

1, 2, 3, 4 — номера цилиндров

показатели наиболее совершенных многоцилиндровых кар-

бюраторных двигателей на 10—20% ниже, чем одноцилин-

дровых двигателей или двигателей с впрыском топлива.

Рис. 73. Впускные каналы: а — неудачная конструкция; б — улуч-

шенная конструкция

217. Проблема карбюрации и конструирования трубо-

проводов здесь не рассматривается; будут изложены лишь

несколько примеров. Положение дроссельной заслонки

122

может вызвать неправильное распределение смеси, как

это проиллюстрировано на рис. 72. Объединенный впуск-

ной канал, предназначенный для подачи смеси в два

соседних цилиндра и часто применявшийся в ранних

конструкциях, ведет к плохому распределению и к раз-

личию в наполнении, особенно в четырехцилиндровом

двигателе, в котором процессы впуска двух смежных

цилиндров несколько перекрываются (см. рис. 73, а).

В настоящее время ответвления впускных трубопроводов

к отдельным цилиндрам делаются обычно одинаковой

длины (рис. 73, б).

СГОРАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ

(РАССЛОЕННОЙ) СМЕСИ;

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТОПЛИВНЫМ ФАКЕЛОМ

(впрыск вспомогательной поджигающей порции

топлива или двухтопливные двигатели)

218. Неоднократно делались попытки создать двига-

тели, в которых заряд был бы негомогенным в момент

воспламенения. В некоторых случаях это было резуль-

татом сознательного действия, т. е. таким способом хо-

тели достичь определенной цели, в то время как в других

случаях расслоение было вторичным, иногда даже неже-

лательным эффектом. Интересуясь расслоением заряда,

следует вообще рассмотреть двигатели, в которых топливо

впрыскивается внутрь цилиндров.

219. Если впрыск осуществляется прежде всего для

избежания определенных недостатков системы карбюра-

ции (предварительный подогрев и потеря давления во впуск-

ном трубопроводе, трудности дозировки, опасность обрат-

ных вспышек или даже пожара) и если твердо придержи-

ваться использования в качестве топлива легкоиспаряе-

мого бензина, то, как правило, применяется ранний

впрыск (в такте впуска), и смесь успевает стать достаточно

гомогенной к моменту воспламенения. При этом воспла-

менение не представляет особых проблем, и воздушный

заряд может быть использован полностью. Экономическая

регулировка возможна здесь, как и в обычных случаях;

сами проблемы регулирования в данной книге не обсуж-

даются.

123

220. Можно попытаться задержать впрыск до момента,

в какой-то мере следующего за окончанием такта впуска

с целью:

1) улучшения воспламенимости бедных смесей;

2) влияния на склонность к детонации, особенно при

богатых смесях.

Кроме того, поздний момент впрыска делает возможным

достаточно полную продувку камеры сгорания двигателя

воздухом в случае наддува. Такие попытки были осуще-

ствлены в авиационных двигателях, в результате чего

эти двигатели развивали высокие мощности при низких

антидетонационных качествах имевшихся топлив. Эти

двигатели имели плоские камеры сгорания с относительно

слабой турбулизацией. Топливо впрыскивалось форсун-

кой, расположенной между двумя свечами зажигания.

221. Примерно в 1930 г. шведский конструктор дизе-

лей Гессельман [20, 21] создал двигатель с искровым

зажиганием, работающий на легком дизельном топливе.

Представляется очевидным, что при разработке этого

двигателя он пытался путем выбора намного более низкой

степени сжатия и давления сгорания избавиться от тех

трудностей, с которыми сталкивались конструкторы пер-

вых быстроходных дизелей. Гессельман использовал вра-

щающийся вихрь, полученный с помощью запатентован-

ного им экранированного клапана, и защитил стенку

цилиндра от осаждения на ней топлива при помощи

высокого борта на поршне. Впрыск производился в конце

такта сжатия, и для различных нагрузок он был отрегу-

лирован так, что через небольшую выемку в борте поршня

вершина струи всегда достигала свечи зажигания.

222. При этом оказалось невозможным работать на

малых нагрузках без частичного дросселирования впускае-

мого воздуха, а также осуществлять пуск холодного

двигателя без использования летучего вспомогательного

топлива. В течение некоторого времени двигатель, раз-

работанный Гессельманом, успешно применялся для ра-

боты при постоянном числе оборотов, но не для транс-

порта.

223. Вследствие диффузионного горения только часть

подаваемого в этот двигатель воздуха может быть в прин-

ципе эффективно использована, так же как и в случае

дизеля. Из-за низкой степени сжатия мощность и эконо-

мичность отставали от соответствующих значений у быстро

124

прогрессировавших дизелей. Эти последние не имели све-

чей зажигания, которые являлись очень чувствительным

элементом в двигателях Гессельмана. После нескольких

лет изготовления от подобных двигателей с искровым

зажиганием практически отказались.

224. Примерно в 1950 г. Барбер [22], руководствовав-

шийся другими мотивами, опубликовал данные об ана-

логичном двигателе. Барберу удалось уменьшить склон-

ность к детонации, применяя поздний впрыск, вследствие

чего в двигателе не было конечной части заряда в обще-

принятом смысле этого понятия. Он столкнулся, однако,

с теми же трудностями, что и Гессельман, а именно:

с неэффективным использованием воздуха по сравнению

с двигателем с гомогенным зарядом. При высокой степени

сжатия в случае низкооктановых топлив имели место

аномальные явления, связанные с самопроизвольным

воспламенением. В целом двигатель этого типа также

не представил особых преимуществ в сравнении с дизе-

лями.

225. Другие попытки применения расслоения заряда

были сделаны с целью использования чисто качественного

регулирования (только изменением состава смеси), кото-

рое приводит к более экономичной работе на малых

нагрузках.

Вследствие изменяющейся теплоемкости продуктов

сгорания к. п. д. термодинамического цикла возрастает

при уменьшении температур горения и, кроме того, одно-

временно исключаются потери за счет дросселирования,

которые в виде затрат энергии на осуществление газо-

обмена поглощают значительную часть индикаторной

мощности бензинового двигателя на низкой нагрузке.

Двухтактный двигатель в особенности требует такого

способа регулирования, так как дросселирование подачи

воздуха здесь приводит к особенно резкому увеличению

количества остаточных газов. Из большого числа попыток

применения расслоения смеси следует упомянуть две.

226. Двухтактный двигатель, сконструированный Ри-

кардо и К° [23], с полуразделенной камерой сгорания

(рис. 74) предназначался для проведения первых экспе-

риментов по созданию авиационного двигателя с высокой

степенью наддува — Роллс Ройс Крэси.

Вследствие распространения в авиации газовых тур-

бин этот двигатель достиг лишь стадии эксперименталь-

125

ного образца. Топливо впрыскивалось в верхнюю часть

камеры, в которой осуществлялось зажигание. В этом

случае преимущественно диффузионное горение не явля-

лось серьезным недостатком, так как использование для

наддува комбинации газовой турбины и воздушного

компрессора требовало значительного избытка воздуха.

Рис. 74. Опытный двухтактный двигатель Рикардо с расслоением заряда

Однако вновь оказалось, что тот же результат мог быть

получен путем конструирования двигателя как дизеля

(Нэпир Номад), который также был создан, однако слиш-

ком поздно.

227. Двигатель с карбюрацией смеси и дополнитель-

ным впрыском, в котором карбюрация была правильно

выбрана в качестве средства, позволяющего использовать

весь воздух на полной нагрузке, был сконструирован

Шламаном [24]. В форкамере (рис. 75) смесь обогаща-

лась с помощью дополнительного впрыска для того, чтобы

126

обеспечить даже на низкой нагрузке воспламеняемость

без дросселирования воздуха. Подобное регулирование

было успешно осуществлено во многих конструкциях.

Для этого, однако, пришлось преодолеть много трудно-

стей. С одной стороны, иногда имело место очень медленное

горение в определенном диапазоне нагрузок, когда смесь

в основной камере оказывалась очень бедной, что не

только вредно отражалось на расходе топлива, но также

вызывало весьма нежелательное образование альдегидов.

С другой стороны, горение оказывалось чрезмерно жестким

на высоких нагрузках. Для преодоления этих двух не-

Рис. 75. Схема системы

горения, предложенная

Шламаном:

1—диффузор; 2—устрой-

ство для регулировки

подачи топлива; 3 —основ-

ная камера сгорания;

4 — свеча зажигания;

5 — форсунка; 6 — фор-

камера или камера для

воспламенения смеси;

7 — впускной клапан

достатков было выполнено много работ на эксперименталь-

ных стендах. Несмотря на эти основные и другие трудности,

с которыми столкнулись, например, при обеспечении

точной дозировки очень малой впрыскиваемой порции

топлива (первоначально надеялись, что эта дозировка

может быть постоянной при всех нагрузках), данный

двигатель явился важным шагом вперед в отношении

удельной мощности и расхода топлива при заданном низ-

ком октановом числе топлива (рис. 76).

228. Очень интересный класс двигателей предназначен

для использования попеременно дизельного топлива и газа

(преимущественно природного, иногда канализационного,

генераторного и др.). Такие двигатели, известные под

названием двухтопливных, в действительности являются

несколько модифицированными дизелями, в конструкции

которых особое внимание уделено впрыску очень малых

количеств топлива (5% на полной нагрузке и около 15%

при работе без нагрузки). Это топливо, распределяемое

обычно в виде ряда (от одной до пяти) струй, вполне

нормально воспламеняется, пройдя стадию предпламен-

127

ных реакций. Остальная часть заряда — воздух с под-

мешанным к нему газом — воспламеняется от горящих

струй в большом объеме.

229. При определенных условиях оказывается воз-

можным качественное регулирование изменением коли-

чества газа при свободном впуске воздуха. В случае тихо-

ходных двигателей и особенно когда применяются газы,

богатые водородом (коксовый газ, обогащенный генератор-

ный газ), при малых нагрузках может быть получено

достаточно полное горение. При высоких нагрузках эти

газы имеют тенденцию гореть слишком быстро, со стуком,

Рис. 76. Зависимость

удельного эффективно-

го расхода топлива от

среднего эффективного

давления двигателей:

1 — бензинового; 2 —

с расслоением заряда;

3 — дизеля

вследствие чего они не очень подходят для использования

в таком процессе. Газы, содержащие мало водорода,

особенно природный газ обычного состава, обладают

склонностью к замедленному горению на низких нагруз-

ках, как уже отмечено выше. В этом случае необходимо

использовать некоторую степень дросселирования в целях

обогащения смеси. При больших нагрузках, однако, эти

газы сгорают лучше. Применяя генераторный газ можно

добиться низкого содержания водорода, подавая в гене-

ратор меньше воды, чем это теоретически необходимо,

но при этом снизится к. п. д. генератора.

230. В быстроходных двухтопливных двигателях можно

встретиться с трудностями, связанными с затянутым

периодом задержки воспламенения впрыскиваемого топ-

лива вследствие разбавления воздуха газом. Это имеет

место особенно в случае использования низкокалорийного

генераторного газа, когда вследствие очень малых коли-

честв топлива диффузия топливных струй в окружающую

среду успевает завершиться до начала воспламенения,

что делает последнее невозможным (абзац 269). Это

128

затруднение удается преодолеть увеличением количества

впрыскиваемого дизельного топлива или коренным изме-

нением всей структуры факела с использованием, напри-

мер, одноструйного распылителя вместо многоструйного.

Но тогда двигатель перестает быть в полной мере двух-

топливным, так как резко ухудшается его характеристика

при работе на дизельном топливе.

Способы комбинированного регулирования количеств

подаваемого дизельного топлива и газа здесь не рассма-

триваются. Отметим лишь, что в большинстве случаев

обеспечивается возможность быстрого перехода от питания

газом на нефтяное топливо (иногда даже автоматически).

---------------

129

Сгорание в дизелях

ИДЕАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС

231. Двигатель этого типа, называемый также двига-

телем со сжатием воздуха или двигателем с воспламене-

нием от сжатия, характерен использованием диффузион-

ного горения, что осуществляется вводом топлива в сильно

сжатый воздух в момент, когда сгорание является желатель-

ным, а именно при положении поршня вблизи в. м. т.

Топливо начинает реагировать с воздухом, находящимся

в цилиндре, немедленно по поступлении в него. Однако

проходит определенный промежуток времени (период

индукции), после которого оно начинает гореть достаточно

быстро. Таким образом, первоначально процесс сгорания

не является чисто диффузионным [25].

232. Для идеализации процесс сгорания в дизеле

представляют чисто диффузионным, идущим с бесконечно

большой скоростью реакции, в то время как процесс

смешения считается идущим одновременно с поступлением

топлива, т. е. без каких-либо задержек, следовательно,

каждая из поступивших в любой момент времени частиц

топлива полностью сгорает в тот же самый момент. По-

вышение давления при идеальном процессе сгорания будет

постоянно опережать повышение давления в действитель-

ном процессе. Давления сгорания в идеальном процессе

будут выше и их изменения в функции времени или угла

поворота коленчатого вала целиком будут определяться

характеристикой впрыска топлива, так как в свете сде-

ланного предположения любое количество поданного

в объем камеры сгорания топлива эквивалентно подводу

вполне определенного количества тепла, которое может

быть вычислено по низшему тепловому эффекту реакции.

5 Д. Д. Брозе

130

Соответственно представляется возможным полностью кон-

тролировать величину давлений сгорания с помощью

характеристики впрыска, если, конечно, действительный

процесс достаточно близок к описанному идеализирован-

ному. В случае теперь уже не применяемого процесса

с компрессорным впрыском и распыливанием топлива

такой контроль достигался приданием кулачку, управ-

лявшему открытием иглы форсунки, надлежащей формы,

подобранной опытным путем.

233. В системах с механическим впрыском, которые

только и используются в настоящее время, особенно

в двигателях с высоким числом

оборотов, отклонения действи-

тельного процесса от идеального

таковы, что контроль давления

цикла отмеченным способом мо-

жет быть успешным только

в весьма ограниченных случаях,

причем приходится идти на ком-

промисс, исходя из приемле-

мого максимального давления

сгорания. В общем случае для.

контроля диаграммы давления

оказывается необходимым прибегать к весьма разнообраз-

ным средствам. Примером горения, в значительной мере

контролируемого процессом впрыска, может служить

цикл, реализуемый в тихоходном двигателе (судовом дизеле,

рис. 77). Из-за большого числа различным образом влияю-

щих факторов достижение мягкой работы быстроходного

дизеля возможно лишь в итоге очень трудоемкой доводки.

Поэтому на практике очень много двигателей работают

с неприятным шумом.

234. Несмотря на то, что практически едва ли возмо-

жен контроль динамики тепловыделения по аналогии

с идеальным процессом сгорания, последний все же

сохраняет свое значение, во-первых, потому, что в случае

не слишком больших отклонений от идеального процесса

изменения параметров термодинамического цикла, являю-

щиеся следствием применения различных характеристик

впрыска, отражаются на действительном цикле качест-

венно так же, как и на идеальном, и, во-вторых, потому,

что особенности действительного цикла могут быть легче

поняты при сравнении его с идеальным.

Рис. 77. Диаграмма действи

тельного цикла дизеля с пре-

обладающим диффузионным

горением:

/, II, III —фазы сгорания