Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях

Подождите немного. Документ загружается.

дует (кривая 2), что при температурах ниже Т

т. е. в результате реакции температура смеси будет расти

от начальной Т

до температуры Т

, при которой достигается

равновесие между выделением и потерями тепла. Поэтому

реакция не сможет более ускоряться, хотя и будет про-

должаться, т. е. настоящего взрыва не произойдет. Если

скорость выделения тепла при всех температурах больше

скорости потерь тепла (кривая 3), то реакции ускоряются,

и происходит взрыв. Кривая 1

представляет граничный слу-

чай, когда при температуре T

кривая тепловыделения и пря-

мая теплоотвода касаются —

имеет место нестабильное со-

стояние.

Из приведенного следует,

что для каждой определенной

реакции при данных условиях

теплообмена существует началь-

ная температура Т

, определя-

ющая границу воспламенения.

Она называется температурой самопроизвольного воспла-

менения (или температурой самовоспламенения). Для

возможности быстрого развития реакции начальная тем-

пература должна быть значительно выше этого гранич-

ного значения. При практическом определении минималь-

ной температуры самовоспламенения взрыв происхо-

дит спустя секунды и даже минуты после начала реак-

ции. Однако применительно к двигателям внутреннего

сгорания интересны только взрывы, происходящие за

время, равное 0,001—0,01 сек.

23. Вследствие того, что химические реакции, про-

исходящие в действительности, имеют очень сложный

механизм, как правило, нет четкого соответствия между

поведением вещества при граничных условиях, напри-

мер, при определении температуры самовоспламенения,

и поведением его в условиях двигателя. Поэтому для

оценки топлив для двигателей лучше испытывать их

на реальных двигателях (октановое число, цетановое

число).

24. Влияние давления, которое очень существенно для

явлений, происходящих в двигателях, может быть учтено

Рис. 11. Самопроизвольные

воспламенения при наличии

тепловых потерь

следующим образом. Выражение содержит в С

функцию , так как концентрация реагентов влияет

на скорость реакции. Если смесь состоит из двух компо-

нентов, то . Из этого следует, что Т

ρ взаимо-

связаны, и в простейшем случае для граничных условий

зависимость имеет вид кривой, показанной на рис. 12.

В действительности величина не является простой

функцией температуры Т, но также зависит от времени τ

и многих других факторов. Эта

более сложная зависимость объяс-

няется тем, что реакции идут

между постоянно меняющимися

реагентами. В случае углеводо-

родных топлив приведенная выше

зависимость очень усложняется.

Реакции только начинаются с угле-

водородами определенного состава,

но очень скоро образуются про-

межуточные продукты со специ-

фическими свойствами, оказываю-

щие существенное влияние на про-

цесс в целом.

25. Поясним сказанное, рассмотрев механизм реакции

сгорания. Уравнения реакции сгорания, такие как, на-

пример:

показывают не механизм реакции, а лишь ее конечный

результат, и то при определенных условиях. При очень

высоких температурах происходит частичная диссоциация

продуктов сгорания, вследствие чего образуются опре-

деленные количества СО и Н

. При низких температурах

реакции не идут совсем или протекают не до конца. При

составах смеси, не соответствующих составу, приведен-

ному в уравнениях, можно получить результат, отличный

от показанного выше, особенно при избытке топлива.

* Сумма Ο

+4Ν

представляет смесь, состав которой прибли-

женно соответствует составу воздуха.

Рис 12. Зависимость тем

пературы самовоспламене-

ния Т

от давления:

/ — область взрыва; // —

область отсутствия взрыва

26. Даже очень простое рассмотрение механизма реак-

ций приводит к необходимости ввести понятие о цепной

реакции. Наипростейшая реакция типа

не может произойти мгновенно. Вначале молекулы ре-

агируют с молекулами или частями молекул, так называе-

мыми радикалами (а также атомами), имеющими одну

или более свободные валентности (такими как

), причем и те и другие должны к тому же

обладать необходимой энергией. Энергия молекул, кото-

рую здесь необходимо принимать во внимание, это их

кинетическая энергия, включающая в себя энергию по-

ступательного, колебательного и вращательного движе-

ний. В случае полного равновесия энергия равномерно

распределена по всем степеням свободы. Энергия посту-

пательного движения в представляющем интерес диа-

пазоне температур до 3000° К может быть выражена через

«температуру» газа. Сопутствующее большее или меньшее

количество энергии вращательного и колебательного дви-

жений проявляется через теплоемкость вещества, которая

растет при увеличения сложности молекулы и при повы-

шении температуры.

Колебательное движение особенно важно с точки зре-

ния скорости реакций, так как при увеличении количества

атомов в молекуле число степеней свободы колебательного

движения начинает превосходить число степеней свободы

движений остальных видов, в связи с чем возрастает

вероятность разрушения какой-либо из внутримолеку-

лярных связей.

27. Энергия радикалов, имеющих свободные валент-

ности, принимается эквивалентной кинетической энергии

молекул, следовательно, радикал может быть носителем

энергии даже в состоянии покоя.

28. Опыт показывает, что сумма кинетических энер-

гий и энергий свободных валентностей двух сталкиваю-

щихся молекул, радикалов и атомов должна превосходить

упомянутую выше энергию активации Ε ожидаемой

реакции для того, чтобы эта реакция могла произойти.

Средняя энергия частицы газа обычно значительно

ниже энергии активации, но не все частицы обладают

энергией, равной среднему значению; очень важно, что

имеется определенная доля частиц, обладающих значи-

тельно большей энергией, в результате чего энергия со-

ударения таких частиц может превзойти энергию актива-

ции Е. Это так называемые активные частицы. Они могут

присутствовать в газе даже при низких температурах.

При более высоких температурах средняя энергия моле-

кул растет, и вероятность того, что отдельные частицы

будут обладать энергиями, достаточными для реакции,

значительно увеличивается.

Активными частицами являются практически все ра-

дикалы и очень быстро двигающиеся молекулы.

29. С ростом температуры число столкновений частиц

также растет. Оно зависит от средней длины свободного

пробега, количества, скорости и размеров молекул. Число

столкновений очень велико и достигает значений в пре-

делах от 10

до 10

в секунду при нормальных темпера-

туре и давлении. Поэтому даже в интервалы времени,

равные от 10

-3

до 10

-2

сек, число столкновений составляет

по меньшей мере от 10

до 10

. Именно этим объясняется

столь быстрое завершение таких сложных процессов,

какими являются процессы сгорания.

30. В случае столкновения частиц с достаточно высокой

энергией, в котором участвует, например, лишь одна

активная частица, нередко ничего существенного не про-

исходит, так как любая вновь образовавшаяся молекула

не может сама аккумулировать столь большую энергию

и быстро разрушается. Поэтому нужна третья молекула,

которая либо участвует в столкновении одновременно

с двумя упомянутыми выше, либо, спустя очень короткое

время (10

-13

сек), поглощает часть выделившейся энергии.

Только в случае тройного соударения (а оно происходит

порядка одного раза из тысячи) новая молекула после обра-

зования сможет существовать. Еще более сложное, на-

пример четвертное, соударение могло бы быть эффектив-

ным, но вероятность его ничтожна.

31. Продолжая разбирать случай реакции 2Н

+О

придется предположить участие в ней также по меньшей

мере радикала ОН и атомов О и Н. При использовании

в качестве окислителя воздуха в реакциях может также

участвовать Ν

*. При столкновениях происходят раз-

личные реакции, каждую из которых можно представить,

* Азот Ν

обладает химической стабильностью, и в определенном

интервале температур практически не образуются атомы азота. В то же

время в продуктах сгорания найдены в небольших количествах окислы

азота.

Последняя реакция представляет собой типичный при-

мер реакции тройного соударения, когда Н

О продолжает

существовать вследствие наличия случайной молекулы М,

поглотившей излишнюю энергию (такой молекулой может

быть N

32. Цепная реакция была открыта Кристиани, Полиани

и Херцфельдом в 1919 г. и изучена позднее Η. Η. Семе-

новым.

Сущность цепной реакции заключается в том, что

раз образовавшееся число активных центров неизменно

восстанавливается и поддерживается в ходе последующих

столкновений, вследствие чего реакция идет с неизменной

скоростью, даже если не происходит значительного тепло-

выделения и температура остается неизменной. Это поло-

жение было бы применимо в случае бесконечного про-

странства, так как если две активные частицы сталки-

ваются на стенке сосуда, то их избыточная энергия будет

потеряна, не будет образовано новой активной частицы,

и цепь реакции будет разорвана. Под термином «стенка»

следует понимать не только поверхности сосуда, в кото-

рый заключены реагенты, во и инертные молекулы, упо-

мянутые выше, которые воспринимают энергию при

тройном столкновении. Четвертая реакция, приведенная

в абзаце 31, и является примером такого обрыва цепи.

Несмотря, однако, на обрывы цепи, имеется множество

реакций, которые проходят на практике непрерывно и

даже с ускорением. Это происходит из-за:

1) тепловыделения, которое приводит к росту тем-

пературы и, как следствие, увеличению числа активных

частиц;

2) разветвления цепи.

как это сделано ниже, с учетом теплоты реакции, отнесен

ной к одному молю:

(эта реакция требует для осуществления большой энергии

активации);

Под разветвлением цепи понимается увеличение числа

активных частиц при определенных механизмах реакций

(см. реакции 2 и 3 в абзаце 31).

33. Ввиду высокой частоты столкновений реакция,

при которой происходит разветвление цепи, могла бы

очень быстро достигнуть почти бесконечно большой ско-

рости. Этого, однако, не происходит из-за наличия реак-

ций, ведущих к обрыву цепи. Тем не менее в принципе

именно реакции, сопровождающиеся разветвлением цепей,

имеют место при всевозможных взрывах (взрывах, свя-

занных с химическими реакциями, рассмотренными выше,

или при ядерных реакциях).

При большом процентном содержании азота N

в го-

рючей смеси в двигателях внутреннего сгорания доля

реакций на «стенке» и, следовательно, число обрывов

цепей велико. Но реакции, идущие в двигателях, в высо-

кой степени экзотермичны, и, как следствие, происходит

значительное увеличение температуры смеси и числа

активных частиц. Действительная скорость реакции,

однако, всегда на один или более порядков меньше тео-

ретически возможной (из-за эффекта «стенок»).

34. Самопроизвольная реакция в двигателях внутрен-

него сгорания принципиально возникает в двух случаях:

а) когда реагенты смешиваются при температуре, при

которой реакция еще не идет с ощутимой скоростью;

после этого температура смеси повышается (обычно сжа-

тием) до значения, при котором реакция может начаться

(это имеет место, например, в случае детонации или

в маленьких двигателях, предназначенных для авиамо-

делей; некоторое время мотовелосипеды снабжались ана-

логичными двигателями);

б) когда воздух нагревается до высокой температуры

сжатием и в него впрыскивается топливо (дизели). В этом

случае совершенной гомогенизации смеси не достигается.

35. В смеси всегда образуются активные частицы,

особенно из кислорода О

и горючих газов, таких как СО

и Н

; молекулы углеводородов также могут находиться

в активном состоянии или давать радикалы в результате

разрыва внутренних связей в процессе колебаний. При

температурах выше 250° С число образующихся активных

частиц увеличивается до такой степени, что для большого

числа горючих газов и паров происходящие из-за наличия

активных частиц реакции могут оказывать влияние на

процесс сгорания (даже при значительно более низких

температурах, например при 100° С, эти реакции влияют

на такие процессы, как старение масла, для развития

которых имеются более длительные интервалы времени).

36. Когда экзотермический характер реакции стано-

вится явным, развитие процесса (каким бы ни был слож-

ным механизм реакции) будет походить на настоящий

тепловой взрыв, рассмотренный выше. Однако в началь-

ный период, когда подъем температуры еще очень неве-

лик, возможны существенные отличия вследствие того,

Рис. 13. Зависимости температуры самовоспламенения Т

от давления:

/ — область взрыва; // — область отсутствия взрыва; /// — область

эффективного применения тетра-этилсвинца

что влияние температуры, концентрации реагентов, эф-

фекта стенки и прочих факторов на различные реакции

неодинаково. Это будет отражаться на зависимостях

—р, принимающих вид, показанный на рис. 13, а, б, в.

В то время как ветвь АВ (рис. 13, б) в достаточной мере

похожа на зависимость, наблюдающуюся при тепловом

взрыве, ветви ВС отвечают другой зависимости. Это

может быть связано, например, с возрастающим при

изменении давления влиянием обрыва некоторых цепей.

За подобным участком может последовать (рис. 13, б)

ветвь CD, снова ограничивающая зону чисто теплового

взрыва. Столь сложный характер поведения многих угле-

водородов может привести к наличию двух температур

самовоспламенения в области низких давлений.

37. Рассмотрим протекание процесса объемного само-

воспламенения исходя из зависимости количества выде-

лившегося тепла от времени. Для этой цели реакция

может в первом приближении рассматриваться проис-

ходящей адиабатно (в дальнейшем особо рассмотрим

влияние подвода и отвода тепла в начальной фазе про-

цесса). При больших упрощениях Тодес, принадлежащий

к школе, основанной Η. Η. Семеновым, подсчитал для

чисто теплового взрыва изменения температуры от вре-

мени и таким образом подошел к концепции типичного

развития подобных взрывов в двигателях внутреннего

сгорания.

Был рассчитан интервал времени, в течение которого

температура возрастает до

где

Этот интервал, называе-

мый периодом индукции τ

является очень важной

характеристикой процесса,

так как остальная часть

реакции происходит в тече-

ние очень короткого про-

межутка времени. Кривая

температура — время (t—τ)

имеет вид, показанный на

рис. 14, причем тепловы-

деление за период индук-

ции составляет от одного

до двух процентов всей

теплоты реакции.

Так как при взрыве газа повышение температуры

всегда вызывает рост давления, можно характеризовать

самовоспламенение периодом задержки, за которым сле-

дует быстрый рост давления с уже неконтролируемой

скоростью. Два наиболее важных случая возникновения

стука при сгорании — в начале сгорания в дизеле и при

детонации в бензиновом двигателе — объясняются рас-

смотренными выше характерными особенностями одно-

временного взрыва.

38. Также характерным для одновременного взрыва

является то, что влияние химического состава топлива

и других факторов на скорость реакции обычно прояв-

ляется через влияние их прежде всего на период ин-

дукции. Очень слабая степень превращения веществ

в течение периода индукции объясняет тот факт, что очень

малые концентрации некоторых специфических веществ

могут существенно сокращать или удлинять этот период.

Такие специфические добавки называются присадками.

Рис. 14. Иллюстрация

понятия

о периоде индукции τ

Одной из присадок является ТЭС (тетраэтилсвинец),

эффективно подавляющий детонацию, так как его добавка

увеличивает длительность индукционного периода одно-

временного взрыва (самовоспламенения) бензина. Таким

образом задерживается объемное самовоспламенение,

вследствие чего постепенный взрыв завершается без каких-

либо нарушений (см. абзац 18, рис. 10). Процесс может

быть понят при рассмотрении диаграмм давление — время

(рис. 15), где показан характер изменения давления

в двух случаях: при отсут-

ствии детонации (кривая А)

и в случае, когда непосред-

ственно перед концом нор-

мального завершения сго-

рания происходит само-

воспламенение конечной

части заряда (кривая В).

На рис. 15 τ

— момент

пробоя искрового проме-

жутка.

39. Следует иметь в ви-

ду, что конечная часть

заряда первоначально сжи-

мается за счет движения

поршня, а в дальнейшем

горящими и, как следствие, расширяющимися газами.

Поэтому она сжимается почти до максимального давле-

ния сгорания. Момент времени τ

, когда наступает само-

воспламенение, может быть установлен с удовлетвори-

тельной точностью, в то время как применение концепции

«период индукции» дает менее удовлетворительные резуль-

таты, так как нет начала отсчета, если только не выбрать

его как момент смешения топлива и воздуха в карбюра-

торе. В этот момент, однако, температура обоих компо-

нентов так низка, что в смеси не могут идти сколько-

нибудь заметные реакции. Реакции приобретают ощути-

мое значение только в сильно нагретом впускном трубо-

проводе или позднее, когда смесь приходит в сопри-

косновение с горячими деталями внутри цилиндра, или

же в результате последующего сжатия. Однако отсчет

начала периода индукции с момента соприкосновения

смеси с этими деталями также мало оправдан, так как

скорости реакций вначале (в период впуска и даже в пе-

Рис. 15.

—

диаграмма двигателя

с искровым зажиганием при дето-

нации

риод большей части процесса сжатия) очень низки. Типич-

ной характеристикой детонации является координация

момента ее начала τ

по отношению к периоду нормаль-

ного постепенного взрыва (распространения пламени).

Если τ

является тем моментом, когда сгорание

могло бы закончиться, если бы не было детонации, то

единственным требованием для получения нормального

процесса сгорания является условие, чтобы τ

не насту-

пало ранее τ

. Вовсе не требуется какими-либо мерами

подавить полностью возможность самовоспламенения.

Нужно только на какое-то мгновение оттянуть момент

его возникновения при данных конкретных условиях.

Это оказывается практически возможным вследствие соот-

ветствующего выбора углеводородов, добавки антидето-

национных присадок, таких как ТЭС, и других мер,

которые приводят к уменьшению температуры заряда

(использование богатой смеси, определенные конструк-

тивные мероприятия). Эти меры будут рассмотрены

ниже.

Расчет момента τ

в условиях двигателя возможен

при столь грубых упрощениях, что результат его не

имеет практического значения. Рассмотрим влияние не-

которых важных факторов на период индукции.

40. 1. Температура. По определению (абзац 22) τ

= ∞, если Τ < Т

. Начиная с Τ

и выше, τ

умень-

шается по экспоненте.

41. 2. Концентрация реагентов. В общем случае τ

уменьшается при увеличении концентрации реагентов,

в том числе и тогда, когда это происходит за счет уве-

личения плотности заряда в камере сгорания. В случае

сгорания в дизеле, где, как известно, топливо впрыски-

вается в воздух, находящийся при высокой температуре,

зависимость периода индукции от давления доказана

экспериментально (абзац 263). Что касается детонации

в бензиновом двигателе, то аналогичная зависимость

менее определенна, так как в этом случае в период пред-

варительных (так называемых предпламенных) реакций

различные углеводороды по-разному реагируют на из-

менение давления.

Очень важным фактором является соотношение топ-

лива и воздуха в смеси.

Состав смеси в данной книге оценивается коэффициентом «кре-

пости смеси» КС (или, что то же, коэффициентом использования