Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях

Подождите немного. Документ загружается.

191

а также в случае неправильных характеристик впрыска,

например, когда впрыск заканчивается вяло, а не резко

(рис. 145). В этом случае горение в конце процесса пере-

мещается ближе к распылителю, и маленькое пламя,

возникающее из-за подтекания топлива в конце впрыска,

продолжает гореть в течение некоторого периода времени.

Это явление иногда обнаруживается по воспламенению

топлива с ненормально коротким периодом индукции,

как показано на рис. 146. Степень коксования может

варьировать от маленькой коксовой кромки вокруг от-

верстий распылителя или частиц нагара, покрывающих

Рис. 145. Характеристика дви-

жения иглы:

1 — с медленной посадкой и вто-

ричным впрыском; 2 — улучшенная

характеристика

Рис. 146. Сравнение индикатор-

ных диаграмм в координатах

ρ—τ, снятых:

1 — с закоксованным распылителем;

2 — при нормальной работе фор-

сунки

носик (рис. 147), до более или менее длинных раструбов

нагара, отходящих от всех распыливающих отверстий

и заключенных в твердый коксовый «пирог» (рис. 148).

Необходимо учесть, что при этом ухудшается распылива-

ние, растет расход топлива, выпуск становится дымным

и грязным. На рис. 149 показано изменение температуры

отработавших газов и расхода топлива в двигателе,

в котором наблюдалось коксование распылителя, ана-

логичное показанному на рис. 148. Через более или менее

регулярные промежутки времени раструбы нагара от-

рываются, что можно определить по внезапному умень-

шению температуры отработавших газов и уменьшению

расхода топлива. На рис. 150 показаны индикаторные

диаграммы, полученные при работе двигателя на топливе

из нефтяных остатков при закоксованном и чистом распы-

лителях. Здесь можно видеть, как нарушение совершен-

ного смешения ведет к уменьшению давления сгорания

и повышенному догоранию.

192

Рис. 147. Коксова-

ние распылителя

Рис. 149. Влияние коксо-

вания распылителя на

температуру отработав-

ших газов и расход топ-

лива

Рис. 148. Отложения кокса на кончике,

распылителя после 6 ч работы на тяжелом

топливе

Рис. 150. Улучшение горения с соответствующим повышением макси-

мального давления сгорания при применении охлаждения форсунки

319. Температурный градиент в распылителе иногда

может быть очень большим, особенно в условиях, спо-

собствующих коксованию при образовании у распыли-

193

теля небольшого пламени. В случае стационарного дви-

гателя с весьма умеренной общей теплонапряженностью

у носика распылителя температура в определенном слу-

чае достигала 250° С, хотя и применялась охлаждаемая

снаружи форсунка (рис. 151). Именно в этих опытах ока-

залось возможном получить дополнительное свидетель-

ство наличия догорания около распылителя — уменьше-

ние температуры распылителя при разрушении корки

кокса. Следовательно, корка кокса не является в данном

случае теплоизолятором, но, напротив, вследствие реак-

ций, происходящих на ее поверхности, она способствует

повышению теплоподвода к метал-

лическим частям. Иначе невоз-

можно было бы объяснить наличие

температурного градиента порядка

100° С см

-1

при средней тепло-

напряженности пространства горе-

ния около 50 000 ккал/(ч м

° С).

Таким образом, очень важно пре-

дотвращать возможность медлен-

ного догорания топлива у рас-

пылителя путем резкой отсечки

впрыска, устранения подтекания,

а также за счет интенсивного

охлаждения распылителя.

320. Охлаждение это должно быть локализовано так,

чтобы полностью избежать горения топлива у распыли-

теля, для чего охлаждающая жидкость должна проходить

как можно ближе к его носику или, если это возможно,

непосредственно через распылитель. Кроме воды, в ка-

честве охлаждающей жидкости может использоваться

топливо или смазочное масло. Последние имеют то пре-

имущество, что могут применяться без опасности корро-

зии стальных деталей форсунки, но их охлаждающее

действие меньше, а конструкция и обслуживание форсу-

нок с охлаждением топливом или маслом сложнее. На

рис. 152 показаны некоторые конструктивные решения

в порядке получаемого увеличения эффективности

охлаждения. Распылитель варианта, показанного на

рис. 152, а, обладает, безусловно, еще недостаточной

охлаждающей способностью с точки зрения предотвраще-

ния коксования (хотя он уже очень эффективен с других

точек зрения, например, в отношении заедания иглы).

7 Д. Д. Брозе

Рис 151. Охлаждаемая

форсунка старого типа

194

Распылитель варианта, показанного на рис. 152, б, можно

считать весьма хорошим.

321. В настоящее время некоторые фирмы выпускают

форсунки с охлаждением в виде очень компактных кон-

струкций, полностью взаимозаменяемых с неохлаждае-

мыми моделями. При этом обычно вокруг распылителя

Рис. 152. Распылители форсунок различных типов

медью припаивается стальная втулка. На рис. 153 пока-

заны такие конструкции, причем видно, что установка

распылителя может быть осуществлена так, что его кон-

чик выступает на некоторое расстояние в камеру сгора-

ния. Это очень важно с точки зрения избежания отложе-

ний, образующихся из-за попадания распыленного топ-

лива в щель между распылителем и стенками камеры сго-

рания, где эти отложения, высохнув, образуют корки,

что также может приводить к формированию уже упомя-

нутых выше раструбов из нагара. Более того, в результате

этого может стать затруднительной разборка форсунки,

195

322. В случае использования топлив более легкого

фракционного состава, вязкость которых меньше, охла-

ждение форсунки, хотя и излишнее с точки зрения коксо-

вания, может улучшить расход топлива за счет увеличе-

ния вязкости и уменьшения давления паров, что повышает

дальнобойность струй. В больших тихоходных двигателях

Рис. 153. Конструкции распылителей охлаждаемых фор-

сунок Бош

это приводит к изменению процесса в лучшую сторону.

При использовании очень вязких топлив температура

охлаждающей жидкости может быть поднята до 80° С

и даже выше, если, конечно, выбранная конструкция

позволяет это сделать. В случае достаточного охлаждения

распылителя отложения на распылителе имеют блестящую

гладкую поверхность, так как состоят из остатков масла

с сажей, причем они не препятствуют развитию струй.

ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯДА

323. В абзаце 74 и последующих, а также в абзаце 269

уже приводились некоторые сведения о различных влия-

ниях движения заряда на процесс. Подробное изучение

влияния движения заряда на распределение (дисперс-

ность) топливных струй было выполнено NACA до 1940 г.

и проиллюстрировано соответствующими фотографиями.

196

При малых скоростях движения воздушного заряда его

движение оказывает влияние только на оболочку фа-

кела, состоящую из мелких капель, уже потерявших

свою скорость. Такое взаимодействие особенно полезно,

когда поток воздуха сталкивается со струей под прямым

углом и увлекает часть топлива, заключенного в факеле,

в сторону от его оси (рис. 154, а). Этот процесс можно

назвать развеиванием струи.

Так как имеет место непрерывное изменение концен-

траций и относительных скоростей движения топливных

Рис. 154. Движение заряда:

а — развеивающий эффект движения заряда на факел топлива; б —

отклонение ядра струи сильным поперечным потоком

частиц в направлении от оболочки факела к его оси, то

развеивающий эффект усиливается постепенно с ростом

скорости воздуха. При скоростях воздуха того же порядка,

что и скорость движения ядра факела (100 м/сек и более),

уже и само ядро факела в большой мере отклоняется воз-

душным потоком (рис. 154, б). Однако для получения хо-

рошего распределения топлива нет необходимости в до-

стижении столь высоких скоростей движения заряда.

324. Более значительно влияют на струю быстродви-

жущиеся горящие газы потому, что помимо аэродинами-

ческого они оказывают также тепловое воздействие.

При этом осуществляется быстрое горение и частичное

химическое превращение смеси и легко достигается раз-

рушение ядра факела. В тех случаях, когда этот эффект

сочетается с эффектом горячих стенок, как это имеет место

в предкамерных или им подобных дизелях, пламена,

197

переходящие из дополнительной камеры в основную,

почти целиком приобретают характер чисто газовых

пламен.

325. В соответствии с абзацем 302 можно классифи-

цировать движения заряда по методу их создания следу-

ющим образом:

а) созданные в период впуска (абзац 326 и последу-

ющие);

б) созданные в период сжатия (абзац 336 и последу-

ющие);

в) созданные во время горения (абзац 343 и после-

дующие).

326.

Движение заряда, созданное в период впуска.

Прежде всего в период впуска создается общая турбули-

зация заряда, упоминавшаяся выше (абзац 64), которая,

если все еще продолжает существовать, может локально

способствовать смесеобразованию в конце такта сжатия

(в зонах с диаметром максимум 0,1D). Если заряд не имеет

направленного движения, то распределение топлива

(форма и размеры струй) должно быть выбрано так, чтобы

струи попадали в достаточное число таких зон (рис. 155).

Так можно достигнуть достаточно удовлетворительного

результата, особенно в случае, если имеется большой

избыток воздуха (тихоходный судовой двигатель), причем

одновременно простой оказывается конструкция дизеля

и достаточно малым теплоотвод в стенки. Скорость этого

теплоотвода зависит в большой мере от скорости воздуха

на входе в цилиндр, следовательно, при тех же давлениях

и температурах теплоотдача в двухтактном двигателе

выше, чем в четырехтактном [35]. Во всех случаях ско-

рость теплоотвода увеличивается примерно в степени

от скорости поршня, что соответствует изменению скорости

воздуха на входе в цилиндр.

327. Если к процессу смешения предъявляются более

высокие требования, то очень важное значение имеет

правильно выбранное движение воздуха вокруг оси ци-

линдра. Как следует из опыта и ряда лабораторных из-

мерений [36], трение при таком движении сравнительно

мало, поэтому вихрь продолжает существовать достаточно

длительное время и соответственно затраты энергии на

его создание незначительны (следовательно, невелико

и сопротивление на впуске и потери наполнения). В дви-

гателях с двухтактным циклом, а также в двигателях

2239

198

с гильзовым газораспределением вращательное движение

воздуха может быть создано соответствующим располо-

жением входных отверстий; в этом случае заряд может

вращаться весьма интенсивно. Процесс можно мысленно

представить следующим образом: зная среднюю скорость

потока в продувочных или впускных окнах и приняв,

что оси отверстий являются касательными к окружности

диаметром около

диаметра

цилиндра (рис. 156), можно

вычислить воображаемую уг-

ловую скорость потока, отне-

Рис. 155. Факел распы-

ленного топлива в дви-

гателе без турбулент-

ного движения заряда

Рис. 156. Схема образова-

ния вихря наклонными про-

дувочными отверстиями

сенную к упомянутой окружности. Таким образом, можно

получить величину интервала в градусах угла поворота

коленчатого вала, в продолжении которого масса заряда

делает один оборот

Путем выбора главного размера камеры сгорания,

равного полному диаметру цилиндра или только части

его, можно влиять на время поворота заряда. Следует

стремиться к тому, чтобы это время было равно продол-

жительности впрыска на полной нагрузке, умноженной

на число радиальных струй или умноженной на число

При подобном расчете уменьшение диаметра окружности, к ко-

торой касательны оси продувочных окон, до значений, близких к

диа-

метра цилиндра, приводило бы к увеличению скорости вращения массы

воздуха. На самом деле из-за взаимодействия отдельных входящих

струй при этом возрастает не энергия направленного вихря, а энергия

турбулентных пульсаций.

199

форсунок, если несколько форсунок расположены по

периферии камеры сгорания.

328. На рис. 157 показаны схематически примеры

наиболее типичных конструкций двухтактных двигателей

с созданием направленного движения заряда за счет

тангенциального расположения продувочных окон, а

именно двигателей с противоположно движущимися порш-

нями системы Юнкерс, величина диаметра камеры сгора-

ния которых близка диаметру цилиндра. За исключением

Рис. 157. Схемы факелов распыленного топлива в дви-

гателе с противоположно движущимися поршнями

двигателя с наименьшим диаметром цилиндра, конструк-

ция которого была очень простой, в этих двигателях

устанавливалось от двух до четырех форсунок на каждый

цилиндр, как показано на рис. 126. На рис. 158 показано

несколько камер сгорания, величина диаметра которых

уменьшена по сравнению с диаметром цилиндра, а фор-

сунка расположена эксцентрично. В некоторых случаях

и в таких камерах сгорания используется несколько

форсунок для улучшения распределения топлива по

объему.

На рис. 158, 1 показана, в частности, камера сгора-

ния, предложенная Рикардо, в которой используется

эффект осаждения части топлива на стенки.

329. Когда вихрь создается с помощью тангенциаль-

ного по отношению к цилиндру расположения продувоч-

ных окон, то не исключена возможность образования

чересчур интенсивного вихря по всей периферии цилиндра,

200

что может приводить к следующим нежелательным по-

следствиям:

1) центрифугированию топлива в период впрыска,

вследствие чего будут нарушены условия полного и свое-

временного сгорания;

2) центрифугированию холодного продувочного воз-

духа (в цидиндре остается значительное ядро горячих

продуктов сгорания).

Рис 158. Камеры сгорания с вихревым движением заряда

и различными факелами распыленного топлива

В последнем случае положительный эффект может

обеспечить вытеснитель, центрально расположенный на

поршне, а также большое отношение цилиндра (напри-

мер, в конструкциях с противоположно движущимися

поршнями).

330. Если заряд вращается слабо, то могут создаться

условия, при которых случайные отклонения в размерах

и направлении продувочных окон могут оказаться доми-

нирующими, и работа различных цилиндров будет неоди-

наковой.

331. В действительности структура вихря несколько

иная, чем было рассмотрено выше. Даже если первона-

чально вся масса заряда действительно вращается вокруг