Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 1

 

3 

Общая теория горения 

 

1.  В    книге  рассмотрены  процессы,      происходящие  в 

поршневых  двигателях,      и  законы,      управляющие  этими 
процессами.  Прежде  всего  следует  уточнить,  каким  кон- 
кретно вопросам необходимо уделить основное внимание. 

2.  Сгорание 

является  химическим 

процессом, 

но 

спе- 

циалиста    по  двигателям  внутреннего  сгорания    интере- 
суют      в      основном      физические      явления,      происходящие 
в  результате  сгорания,  а  именно:  изменение  температуры 
и  давления  рабочего  заряда,  а  также  продукты  химических 
реакций,  если  они  представляют    какую-либо    опасность 
(некоторые 

составляющие 

отработавших 

газов; 

продукты, 

способствующие 

загрязнению 

масла, 

увеличивающие 

отло- 

жения на деталях двигателя и т. д.). 

3.  Процесс  выделения  тепла    при    сгорании  топлива 

следует 

рассматривать 

скорее 

как 

отрицательное 

явление, 

так  как  он  вызывает  повышение  "температуры  газов,  что, 
в  свою  очередь,  ведет  к  термическому  напряжению  стенок 
камеры  сгорания.  Поэтому  в  общем  случае  желательна 
такая  организация  процесса  сгорания,  при  которой  было 
бы  возможно  достигнуть  изменения  давления  заряда  тре- 
буемого 

характера 

при 

минимальных 

термических 

нагруз- 

ках  на  стенки.  Это  влечет  за  собой  стремление  осуществить 
процесс  сгорания  при  низких  температурах  и  минималь- 
ных      значениях      коэффициента      теплоотдачи      от      заряда 
в стенки  камеры сгорания. 

4.  Характер 

изменения 

давления 

должен 

оцениваться 

как  с  точки  зрения  термодинамики,  так  и  с  учетом  механи- 
ческих  нагрузок  двигателя.  С  точки  зрения  термодина- 
мики  цикл  с  адиабатическим  сжатием  и  расширением  и 
сгоранием  при  постоянном  объеме  (рис.  1)  является  наи- 
выгоднейшим. 

1*

 

 

4 

5.  Принимая 

во  внимание  статическую  прочность  дета- 

лей 

двигателя, 

нередко 

соглашаются 

с 

небольшим 

ухуд- 

шением  к.  п.  д.,  чтобы  значительно  уменьшить  максималь- 
ное  давление  сгорания.  Для  того  же,  чтобы  получить  при 
допустимом 

давлении 

сгорания 

достаточно 

высокие 

эффек- 

тивность 

и 

экономичность 

цикла, 

принимают 

в 

качестве 

основы  рабочего  цикла  цикл  Сабатэ  (рис.  2)  со  смешан- 
ным   подводом   тепла. 

 

 

Рис.    1.   Диаграммы   

цикла 
 Бо-де-Роша:

 

α — ρ — V-диаграмма; б — р—τ- 

диаграмма

 

Рис.   2.   Диаграммы   цикла 

Сабатэ:

 

а — р— V-диаграмма; б — р—τ- 

диаграмма

 

6.   Соображения 

динамической 

прочности 

деталей 

при- 

водят  к  новому  компромиссу.  С  точки  зрения  термодинами- 
ки 

достаточно 

иметь 

характеристику 

изменения 

давления 

в  зависимости  от  объема  заряда  в  цилиндре  (  ρ  —  V-диа- 
грамма); 

для 

определения 

же 

действительных 

нагрузок 

необходимо 

рассматривать 

изменение 

давления 

по 

времени 

(р—τ 

-диаграмма). 

Процесс, 

осуществленный 

в 

соответ- 

ствии  с  термодинамическими  циклами,  приведет  к  скачко- 
образному  изменению  нагрузки,  что  из-за  инерции  дефор- 
мирующихся  деталей  вызовет  в  них  дополнительную  дина- 
мическую 

нагрузку. 

Если, 

например, 

сгорание 

происходит 

при  строго  постоянном  объеме  (т.  е.  мгновенно),  деформа- 
ции,  а  следовательно,  и  напряжения  в  деталях  удвоятся 
по сравнению с напряжениями при статическом приложе- 

 

 

 

5 

нии  того  же  усилия  при  тех  малых  степенях  демпфи- 

рования, которые обычно имеют место (рис. 3).

 

Возникающие      при    этом      вибрации      вызывают      шум, 

работа  двигателя  становится  «жесткой»  и  существенно 

уменьшается       усталостная 

прочность деталей.   Поэтому 

важно добиться такого харак- 

тера зависимости ρ — τ, при 

котором отмеченные послед- 

ствия динамического прило- 

жения нагрузки  будут све- 

дены к минимуму.

 

7.  Отмеченное  требование 

может  быть  осуществлено 

только  в  том  случае,  если 

сгорание  будет  происходить 

в  течение  определенного  про- 

межутка  времени  (рис.  4). 

Это  вполне  возможно  без  су- 

щественного  отклонения  от  термодинамического  совершен- 

ства  цикла  (рис.  5),  так  как  допущенные  отклонения 

в  единицах  времени  (угла  φ)  связаны  с  объемом  через  зави- 

симость 

косинусоидального 

типа,  и  если  φ  меняется  в  пре- 

делах  от  —15  до  15°,  то  пере- 

мещение поршня от н. м. т.

 

 

Рис. 4. Действительный характер

 

повышения  давления в течение

 

конечного отрезка времени

 

Рис. 5. Потери, возникающие

 

вследствие конечной скорости

 

повышения давления

 

в  начале  и  конце  сгорания  будет  составлять  около  96,5% 

полного  хода  поршня.  Сказанное  применимо  также  к  сго- 

ранию  по  циклу,  близкому  к  смешанному,  но  в  последнем 

случае  угол  φ,  при  котором  начинается  расширение,  обычно 

больше  (30°  и более,  см. рис. 2), так что скругление

 

 

Рис.  3.  Влияние  динамического 

приложения  нагрузки  при  бес- 

конечно  быстром  повышении 

давления на напряжения, возни- 

кающие в деталях

 

 

 

6 

диаграммы  может  привести  к  более  существенному  сни- 

жению эффективности.

 

8.  Последствия 

динамического  приложения  нагрузки 

должны  рассматриваться  в  связи  с  периодом  собственных 
колебаний  деталей  двигателя  (при  отсутствии  демпфиро- 
вания период собственных колебаний 

,  где

 

т  —  масса,  с  —  жесткость  [1]).  Из  практики  известно, 

что  во  многих  случаях  величины  τ

с

  и  времени  сгорания 

примерно  одинаковы,  следовательно,  необходимо  при- 

нимать  меры  для  уменьшения  эффекта  от  динамического 

приложения  нагрузки.  Последнее  относится  как  к  тихо- 

ходным  дизелям,  так  и  к  быстроходным  бензиновым  дви- 

гателям,  причем  в  последнем  случае  —  в  связи  с  массовым 

использованием на легковых автомобилях.

 

В  быстроходных  дизелях  динамическое  приложение 

нагрузки  вызывает  чрезмерный  шум  и  жесткую  работу. 

В  двигателях  этого  типа  особенно  сложно  удовлетвори- 

тельно  решить  проблему  уменьшения  нежелательных  эф- 

фектов  динамического  приложения  нагрузки.  Частично 

это  связано  с  явлениями,  которые  будут  рассмотрены 

позднее,  а  именно  с  тем,  что  давление  в  объеме  камеры 

сгорания  дизеля  при  определенных  условиях  не  успевает 

полностью  выравниваться,  и  в  самом  газе  в  период  сгора- 

ния  возникают  колебания,  вызывающие  звуковой  эффект. 

Аналогичное  явление  имеет  место  в  бензиновых  двигателях 

при детонации (стуке).

 

9.  Из  сказанного  следует,  что  предпочтительным  яв- 

ляется  равномерное  повышение  давления  в  течение  вре- 

мени,    соответствующего    минимально    возможному    пути 

поршня,  с  достижением  достаточно  малых  конечных  давле- 

ний.  Это  должно  сопровождаться  минимальными  тепло- 

выми  потерями,  большой  полнотой  сгорания  и  минималь- 

ным содержанием в продуктах сгорания вредных примесей. 

10.  Возможны  различные  способы  достижения  сформу- 

лированных  выше  целей.  В  соответствии  с  родом  приме- 

няемого  топлива    были  разработаны    различные  методы 

организации  процесса.  Из  них  в  книге  разбираются:  про- 

цессы      сгорания      в      газовых      и      бензиновых      двигателях 

с  искровым  зажиганием  предварительно  сжатой  горючей 

смеси;  процессы  сгорания  в  нефтяных  двигателях  (которые 

называются  двигателями  Дизеля)    со  сжатием    воздуха, 

последующим  впрыском  топлива и его самопроизволь-