Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях

Подождите немного. Документ загружается.

струи топлива проникают в глубь пространства сгорания,

а воздух сам в ряде случаев приводится в сильное движе-

ние. Завершению горения способствует молекулярная

диффузия, обеспечивающая смешение в самых небольших

вихревых и неподвижных зонах смеси (абзац 63).

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ МЕЖДУ ОДНОВРЕМЕННЫМ

И ПОСТЕПЕННЫМИ ВЗРЫВАМИ

78. Из-за специфических условий, таких, например,

как высокая начальная температура, неравномерное рас-

пределение температур и неоднородность составов смеси,

могут иметь место промежуточные процессы, которые соче-

Рис. 24. Переход от

самопроизвольного

к постепенному взрыву:

1 — оптимальные условия

по составу смеси и темпе-

ратуре. Стрелками пока-

зано направление разви-

тия постепенного взрыва

тают два рассмотренных выше типа горения. Остановимся

вкратце на этих процессах ввиду их практической важ-

ности.

79. В случае неравномерного температурного поля

одновременный взрыв произойдет раньше в той части за-

ряда, где температура была максимальной. Из-за измене-

ния температуры по времени, происходящего, как описано

в абзаце 37, образуется постоянно возрастающий градиент

температуры, так что создавшиеся условия благоприят-

ствуют распространению постепенного взрыва, иницииро-

ванного в одной точке (очаге зажигания, рис. 24). Ско-

рость распространения постепенного взрыва в этом случае

будет выше, чем в смеси, в которой не было предпламен-

ных реакций. В разбираемом случае в смеси перед распро-

странением пламени уже образовались более или менее

значительные количества радикалов. Кроме того, вслед-

ствие внезапного расширения в очаге зажигания может

возникнуть и распространиться волна давления, которая

через адиабатное сжатие способствует одновременному

воспламенению смеси и таким образом обеспечивает рас-

пространение горения со скоростью звука (или с большей

скоростью в случае большой амплитуды давления). Рас-

пространение горения этого типа оказывается сходным

с распространением детонации (абзац 46), но в данном слу-

чае импульс давления не является носителем всей энергии,

а лишь возбуждает начало процесса.

80. В таких случаях может иметь место не распростра-

нение пламени, а самоуправляемое перемещение зоны

реакции, что и наблюдается при сгорании смеси в трубах,

Рис. 25. Схема само-

произвольного взрыва

в трубе по методу

Петера Ллойда:

/ — зона горения; 1 —

температура; 2 — ско-

рость реакции

возникшем в результате самовоспламенения [7]. Если

гомогенная смесь пропускается через трубу в виде турбу-

лентного потока, имея достаточно высокую начальную тем-

пературу, то за период индукции потоком будет пройдено

определенное расстояние, в конце которого образуется

зона реакции (рис. 25). Здесь имеется внешнее сходство

с возникновением постепенного взрыва, однако на самом

деле условия существенно иные. Скорость движения смеси

может регулироваться по желанию в широких пределах,

и при этом перенос тепла или радикалов из зоны реакции

не будет влиять на несгоревшую смесь.

81. Упомянутое явление может представлять интерес

для осуществления непрерывного горения в камерах

сгорания газовых турбин и реактивных двигателей, где

трудно поддерживать режим постепенного взрыва, для

которого необходимы либо сравнительно низкие скорости

течения и, следовательно, очень большие проходные сече-

ния, либо в противном случае очень высокая степень

турбулентности, связанная с большими потерями энергии.

Вследствие того, что термодинамические циклы упомяну-

тых двигателей основаны на использовании сравнительно

бедных смесей и обладают до настоящего времени относи-

тельно низкой экономичностью, такие потери недопу-

стимы. Поэтому на практике приходится сохранять сравни-

тельно низкую интенсивность сгорания.

82. Однако и в поршневых двигателях внутреннего

сгорания могут иметь место различные комбинации про-

цессов. Представляется, например, сомнительным, чтобы

при детонации имело место самопроизвольное воспламе-

нение одновременно по всему объему конечного заряда;

в действительности, видимо, имеют место взрывы, иниции-

рованные в определенной точке и мешающие нормальному

ходу горения.

83. В дизелях условия сгорания в период индукции

не одинаковы в различных точках объема, поэтому всегда

появляется один или несколько очагов воспламенения.

Эта неоднородность заряда весьма выгодна и ее нужно

разумно использовать для достижения мягкой работы

дизеля (см. абзац 286).

84. Следует уделить некоторое внимание также ка-

лильному зажиганию и зажиганию от раскаленных частиц

нагара. Под калильным зажиганием понимается воспламе-

нение от горячих поверхностей (камеры сгорания, выпуск-

ного клапана или деталей свечи зажигания), а также и от

раскаленных отложений сажи. Все горючие смеси могут

в течение длительного времени противостоять воспламе-

нению от контакта со стенками (поверхности, проволоки,

сферические предметы), имеющими температуру, значи-

тельно превышающую температуру самовоспламенения.

Это связано с градиентами температуры и концентрации

радикалов, которые образуются вокруг горячего предмета,

из-за которых реакция, инициированная непосредственно

у стенки, не может тем не менее распространяться.

Для газовой смеси определенного состава, содержащей

топливо определенного сорта, температура, при которой

происходит воспламенение, зависит от размеров и формы

горячей стенки и времени контакта. Выпуклые поверхно-

сти, такие как поверхность проволоки или шара опреде-

ленного размера, вызывают воспламенение при более высо-

ких температурах, чем плоские или вогнутые (щели, свер-

леные отверстия).

85. Из практически применяемых топлив наиболее

склонен к калильному зажиганию водород (рис. 26). Было

замечено, что в двигателях, работающих на коксовом

газе, происходит калильное зажигание, если, например,

в камере сгорания имеются горячие части со щелями или

отверстиями (отверстия для демонтажа поршня и др.).

Изношенные прокладки блока также могут явиться источ-

ником преждевременного воспламенения.

86. В глубоких отверстиях (например, таких как

каналы к индикатору) может сохраняться горящий заряд,

который затем вытекает из отверстия в один из периодов,

например, в период такта впуска при пониженном давле-

нии в цилиндре. Это явление ис-

пользовалось в качестве регуляр-

ного источника воспламенения

в некоторых калоризаторных дви-

гателях, причем в этом случае

не может быть речи о калильном

зажигании; температуры металли-

ческих частей здесь вполне уме-

ренные.

87. Воспламенение от хими-

чески активных стенок камеры

сгорания происходит в двигателях

при наличии обильных отложений

продуктов неполного окисления

смазочного масла, которые, напри-

мер, могут накопиться в случае,

если автомобильный двигатель

эксплуатировался в течение дли-

тельного времени на малых нагрузках. При работе дви-

гателя на более высоких нагрузках отложения нагара

нагреваются настолько, что вблизи них начинают разви-

ваться предпламенные реакции, а в случае достиже-

ния высокой температуры накала этот нагар может

воспламенить свежий заряд до начала или в процессе

нормального сгорания. Некоторые присадки к топливу

могут предотвратить это явление. Они адсорбируются

в отложениях на стенках камеры и препятствуют воспламе-

нению смеси от раскаленных отложений. В частности, по-

добным действием обладает трикрезилфосфат

Марка соответствующей присадки фирмы Шелл—ICA отвечает

сочетанию заглавных букв английских слов «воспламенение», «конт-

роль», «присадка».

Рис. 26. Влияние диаметра

раскаленной сферы на тем-

пературу воспламенения:

1 — пентана; 2—

городского

газа;

—

водорода

СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ КАК ОСНОВА

ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

88. Наиболее важной характеристикой процесса сго-

рания применительно к двигателям внутреннего сгорания

является его стабильность. Это означает, что процесс

должен быть в состоянии равновесия при всех числах

оборотов и нагрузках и проходить в полном соответствии

с условиями, характерными для этих режимов. Если

имеют место нарушения, процесс должен обладать тен-

денцией возвращаться к этому равновесному состоянию.

Как будет показано, стабильность достигается пра-

вильным сочетанием процессов сгорания и смешения, кон-

струкции двигателя и применяемого топлива.

89. Наиболее важное отличие условий протекания

процесса при одном и том же сочетании числа оборотов и

нагрузки при нормальной работе органов настройки дви-

гателя связано с температурой стенок. Это становится

очевидным из сравнения работы только что пущенного

двигателя с работой полностью прогретого двигателя.

Различия в температуре стенок пространства цилиндра

могут доходить до нескольких сотен градусов по Цельсию.

Увеличение температуры внутренней стороны стенки по

отношению к температуре охлаждающей среды является

функцией теплопроводности и полного теплового потока.

90. Одновременный взрыв наиболее нестабилен, осо-

бенно если смесь уже приготовлена внутри или вне ци-

линдра. В последнем случае период индукции τ

будет

длительным, соответствуя по меньшей мере 180° угла пово-

рота коленчатого вала. Следует также отметить, что тепло-

обмен между стенками и смесью, приготовленной вне

цилиндра, происходит в течение более длительного интер-

вала времени. Могут иметь место следующие случаи.

91. Увеличение температуры внутренней стенки ци-

линдра при прогреве очень невелико. Это может иметь

место при малой тепловой нагрузке или интенсифициро-

ванном контроле температуры двигателя (постоянная тем-

пература охлаждающей среды, тонкие стенки). При этом

условия равновесия процесса воспламенения еще воз-

можны, так как было показано, что момент воспламенения

не очень зависит от температуры стенок и поэтому незначи-

тельное изменение последней будет вызывать лишь допу-

стимые изменения τ

. Такие процессы на практике почти

не применяются, так как соблюдение требования очень

низкого теплового потока ведет либо к низкой удельной

мощности двигателя, либо к чрезмерно усложненной в от-

ношении теплового контроля конструкции двигателя.

Более того, для поддержания τ

в необходимых узких пре-

делах нужно было бы выдерживать очень жесткие требова-

ния к свойствам топлива. Это экономически не оправдано,

и поэтому рассматриваемый процесс осуществляется

только в тех случаях, когда таким путем разрешается про-

блема, иначе не разрешимая. В качестве примера можно

привести маленькие карбюраторные двигатели с воспла-

менением от сжатия, используемые для авиамоделей, уже

упомянутые в абзаце 34, а.

92. Иногда объемное самовоспламенение при низкой

теплонапряженности допускается как дефект, накладыва-

ющийся на нормальный процесс. Так как при этом про-

цесс самовоспламенения сам по себе является достаточно

стабильным, то степень, до которой допускается его вме-

шательство, находится под контролем и имеет место детона-

ция при сравнительно малой-тепловой нагрузке. Допускае-

мая интенсивность детонации ограничивается при этом не

термическими нагрузками, а шумом и более высокой меха-

нической нагрузкой на детали двигателя. При процессе

этого типа предпочтительной является камера сгорания,

исключающая возможность возникновения больших коле-

баний газа. Хорошо известный двигатель CFR, предназна-

ченный для определения октановых чисел, имеет такую

регулировку, при которой в нормальных условиях его

работы около 40% топлива сгорает по механизму одновре-

менного воспламенения (см. рис. 64, б). Эти двигатели

характеризуются исключительно высокими стабиль-

ностью и сроком службы, однако отличаются шумностью

работы.

93.

Увеличение температуры внутренней стенки ци-

линдра при прогреве значительно.

Этот случай встре

чается наиболее часто. В этом случае температура всех

стенок камеры сгорания или части их будет зависеть от

того, происходит воспламенение раньше или позже, при-

чем степень этой зависимости пропорциональна возраста-

нию температуры на режимах прогрева. При этом наиболее

важным является влияние продолжительности периода

прогрева, менее важным — изменение в условиях движения

газа и пр. Уменьшение периода индукции по мере прогрева

по сравнению с его значением при пуске двигателя приво-

дит к увеличению теплопередачи и, как следствие, вызы-

вает дальнейшее повышение температуры стенки. Этот

процесс может быть сходящимся или расходящимся, при-

чем всегда имеется опасность, что он может оказаться рас-

ходящимся вследствие значительной теплопередачи в пе-

риод, когда поршень находится вблизи в. м. т. Теплопере-

дача эта так значительна, что изменение термической

нагрузки на детали, связанное с опережением воспла-

менения на один градус, является уже относительно боль-

шой величиной. Объемное самовоспламенение при высо-

кой теплонапряженности никогда не было реализовано

на практике. В какой-то мере похожие процессы имеют

место в калоризаторных двигателях. Но при этом обычно

часть процесса смешения переносится на более поздний

период с тем, чтобы внести дополнительные контролиру-

ющие факторы. При этом само сгорание является частично

диффузионным.

94. Описанный процесс очень опасен в случае, когда

он возникает при нормальном процессе — происходит

детонация в условиях высокой термической нагрузки.

Как показано далее, на термическую нагрузку особенно

влияет движение заряда, вызванное детонацией. Наличие

горячего выпускного клапана и свечи зажигания увеличи-

вает в этом случае опасность возникновения калильного

зажигания и разрушительного преждевременного сгора-

ния. Иногда все предпламенные процессы происходят

при этом за столь короткий промежуток времени, что

воспламенение наступает уже в период впуска (хлопки

в карбюраторе).

95. Ни постепенный взрыв, ни диффузионное горение

не зависят в заметной степени от температуры стенок. При

постепенном взрыве такая зависимость имеется только

для частей заряда, которые могут рассматриваться как

пограничный слой. При соответствующей конструкции

двигателя и достаточной турбулизации с точки зрения

стабильности процесса этими эффектами можно пренебречь.

96. Резюмируя сказанное, можно утверждать, что

следует избегать процесса сгорания по типу одновремен-

ного взрыва, а в случае, если этот процесс принят в проек-

тируемом двигателе, нужно добиться короткого периода

задержки воспламенения, т. е. впрыск топлива следует

производить незадолго до в. м. т.

Таким образом, на основе большой исследовательской

работы для практического применения остались пригод-

ными лишь следующие два стабильных процесса го-

рения.

А. Двигатель со сжатием горючей смеси и искровым

зажиганием, в котором вследствие тщательного конструи-

рования и подбора топлива не происходит одновременного

взрыва (детонации) и калильного зажигания. Внешний

источник энергии (искра) инициирует процесс постепен-

ного взрыва в желаемый момент незадолго до в. м. т.

Б. Двигатель со сжатием воздуха и впрыском топлива

незадолго до в. м. т., в котором происходит самопроиз-

вольное воспламенение за счет тепла сжатия, иногда не

без участия горячих стенок. В этом случае самопроиз-

вольное воспламенение обычно относится к небольшой

части впрыснутого топлива и служит только для иниции-

рования дальнейшего более усложненного процесса сго-

рания.

97. Еще большая степень стабильности процесса может

быть достигнута путем комбинации внешнего источника

энергии (искры) для возбуждения процесса с образованием

смеси к моменту воспламенения, что в принципе предот-

вращает какую-либо неопределенность в отношении τ

Такие процессы были предложены Гессельманом, Барбе-

ром и др. (см. абзац 221 и далее), однако на практике

эти процессы не оказали заметного влияния на общее

развитие двигателей. Основной трудностью, возникающей

при использовании этого процесса, всегда было то, что тре-

буемый поздний впрыск ограничивает значение коэффи-

циента использования воздуха, который может эффективно

применяться без заметного дымления.

При наивысшем достигнутом значении коэффициента

КС наблюдается весьма заметное уменьшение экономично-

сти, являющееся результатом чрезмерно затянувшегося

смешения. Уменьшение экономичности до некоторой сте-

пени компенсируется высокой степенью сжатия, что,

естественно, приводит также к возможности использова-

ния метода самопроизвольного воспламенения без ка-

ких либо серьезных затруднений (особенно в случае,

если используются рыночные высококачественные то-

плива).

Необходимость во «всеядных» двигателях (двигателях,

которые могут работать эффективно на большом диапазоне

топлив различного фрикционного состава) для военных це-

лей или для использования в недостаточно экономически

развитых странах не привела еще к большой степени

развития этого третьего главного типа двигателей, потому

что дизели некоторых вариантов (с предкамерами, двига-

тели с М-процессом) могут сами по себе быть в высокой сте-

пени «всеядными». В то же время в дизеле, естественно,

нет необходимости в использовании свечей зажигания.

ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ

98. Уже упоминалось, что все, даже на первый взгляд

очень простые реакции проходят как цепные реакции

с соответственно достаточно сложным механизмом. В реа-

гирующей смеси могут содержаться различные промежу-

точные продукты, которые, если только они окажутся

стойкими, могут образовывать отложения в камере сгора-

ния и присутствовать в качестве вредных примесей в отра-

ботавших газах. Изучение природы промежуточных про-

дуктов сгорания может дать интересные сведения о харак-

тере отклонения действительного процесса сгорания от

теоретически вообразимого идеального процесса. Как

следствие, во многих случаях могут быть сделаны выводы

о методах улучшения процессов. Таким образом, можно

также составить по меньшей мере некоторое представле-

ние о различиях в поведении тех или иных химических ве-

ществ в процессах сгорания отдельных типов, обсужден-

ных выше.

99. Наряду с топливами, с поведением которых в упо-

мянутой связи нужно познакомиться, следует также рас-

сматривать и смазочные масла, которые проникают в ка-

меру сгорания, сгорают и могут образовывать отложения.

Масла очень близки по химическому составу к наиболее

широко применяемым топливам, состоящим в основном

из углеводородов.

100. Рассмотрим кратко свойства веществ, участвую-

щих в рассматриваемых процессах. Помимо элементарных

газов, таких как водород (Н

) и окись углерода (СО), ос-

новная группа веществ включает весь диапазон углеводо-

родов и, кроме того, некоторые их производные, особенно

спирты и жирные кислоты. Углеводороды подразделяются

на две большие группы — цепные соединения и цикличе-

ские соединения; имеются также многочисленные комби-

нации циклических соединений с ответвлениями в виде

цепей. Углеводороды могут быть либо насыщенными, если

между двумя атомами углерода имеется только одна связь

(схематически ), либо ненасыщенными, если в мо-

лекуле имеется двойная или тройная связь между двумя

атомами углерода (соответственно схематически

или ). В общем случае двойная связь в цепи

(олефиновая связь) делает молекулу более склонной к хи-

мическим взаимодействиям, в особенности в случае про-

цессов окисления, идущих при низких температурах.

При более высоких температурах вероятность разрушения

молекул вследствие колебаний преобладает над вероят-

ностью строго локализованного столкновения, так что

в этом случае определяющим фактором является в первую

очередь общее строение молекулы. Экзотермические энер-

гии связей имеют относительно неболь-

шое значение, в результате чего теплотворная способность

большинства углеводородов приблизительно равна сумме

значений теплот сгорания количеств углерода и водорода,

содержащихся в топливе.

Тройная (ацетиленовая ) связь характеризуется высо- -.

кой эндотермичностью, вследствие чего ацетилен (и в мень-

шей степени его производные) обладает теплотворной

способностью намного более высокой, чем та, которая

отвечала бы просто сгоранию содержавшихся в нем угле-

рода и водорода в СО

и Н

О. При сгорании скрытая

энергия, аккумулированная в связи , высвобож-

дается, существенно увеличивая общее количество выде-

лившегося тепла (известно, что ацетилен склонен к взрыву).

Двойные связи бензола (С

) не следует рассматривать

как нормальные (олефиновые) двойные связи. Здесь шесть

свободных валентностей шести атомов углерода образуют

совместно в целом одну сильную связь (известно, что шести-

угольник атомов углерода является основой графита —

весьма огнеупорного вещества).

101. Рассмотрим некоторые углеводороды и органи-

ческие соединения кислорода (ниже атомы водорода иногда

опускаются; следует иметь в виду, что они заполняют все

остающиеся свободными валентности).