Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 2

 

7 

ным  воспламенением.  Процессы  других  видов,  представ- 

ляющие  сейчас  в  основном  исторический  интерес,  будут 

также упомянуты вкратце.

 

11.  Процессы  сгорания  в  двигателях  различных  типов 

состоят  из  ряда  элементарных  (характерных)  процессов, 

законы      протекания      которых      следует      изучить      прежде 

всего.  После  этого  необходимо  познакомиться  с  основами 

химии горения.

 

 
ОТДЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ 

12.  В  двигателях  имеют  место  три  типичных  элемен- 

тарных  процесса  сгорания,  происходящих  или  последо- 

вательно,  или  одновременно.  В  физической  химии  первые 

два  процесса  объединяются  термином  взрыв  и  поэтому 

могут быть названы взрывным сгоранием.

 

Третий  процесс  может  быть  охарактеризован  [2]  как 

диффузионное пламя и назван диффузионным горением.

 

13.  Взрывное  сгорание  может  происходить  в  смесях 

горючих  газов  или  паров  с  воздухом,  если  эти  смеси  имеют 

соответствующий      состав,      и      протекать      различно  —  как 

одновременный  или  как  постепенный  взрыв.  Первый  имеет 

место  в  случае,  когда  в  гомогенной  по  составу  и  темпера- 

туре  газовой  смеси  экзотермическая  химическая  реакция 

возникает  одновременно  во  всех  точках  смеси.  Так  как 

скорости  протекания  многих  химических  реакций  увели- 

чиваются  с  температурой,  реакции  развиваются  с  ускоре- 

нием  повсеместно  и  одновременно  до  их  полного  заверше- 

ния.  Этот  тип  взрыва  называется  также  тепловым  взрывом. 

Он  является  следствием  самопроизвольного  воспламене- 

ния  всей  смеси,  т.  е.  воспламенения  без  участия  внешнего 

источника.  В  определенный  момент  времени  в  смеси  будет 

иметься только одна фаза, а именно, реагирующая смесь. 

14.  Вторая      разновидность    взрыва      имеет    место      при 

воспламенении  той  же  горючей  смеси  от  внешнего  источ- 

ника,  например  от  электрической  искры  (искровое  зажи- 

гание).      После    воспламенения      вокруг      искры      возникает 

очаг  воспламенения  и  образуется  фронт  пламени,    пере- 

двигающийся  по  смеси  с  некоторой  характерной  скоростью, 

называемой  скоростью  распространения  пламени.  В  любой 

рассматриваемый  момент  времени  будут  существововать 

две   главные   фазы — несгоревшая   смесь   и   сгоревшая 

 

8 

смесь,  разделенные  зоной  реакции,  находящейся  во  фронте 

пламени.

 

15.  Диффузионное  горение  происходит  в  пограничном 

слое  между  горючим  газом  или  паром  и  воздухом  при 

благоприятных  условиях,  а  именно,  когда  скорость  хими- 

ческих  реакций  и  скорость  смешения  находятся  в  соответ- 

ствии.  В  противоположность  взрывному  сгоранию  при 

диффузионном  горении  имеются  три  основные  фазы  веще- 

ства в один и тот же момент, а именно: горючий газ или

 

Рис. 6.   Одновременный  взрыв:

 

а  —  сосуд  с  реагентами;  б  —  изме- 

нение  температуры  по  длине  (АВ) 

сосуда  в  различные  моменты  вре- 

мени: 1, 2, 3, 4, 5—моменты времени

 

Рис. 7. Постепенный взрыв:

 

/ — сгоревшая   смесь;    // — горящая

 

смесь;  /// -— свежая смесь;  Г —-свеча

 

зажигания (АВ,   а, б,   1, 2, 3, 4 — см.

 

рис. 6)

 

пар,  воздух  и  сгоревшая  смесь;  зона  реакции  находится 

между  паром  и  воздухом.  Пар  может  образовываться  в  ходе 

процесса  с  поверхностей  капель  или  пленки  жидкости. 

В  дизелях  капли  образуются  в  результате  распыливания, 

а  пленка  —  вследствие  осаждения  топлива  на  стенках 

камеры сгорания.

 

16.  На  рис.  6,  7  и  8  схематически  показаны  различные 

виды  процесса  сгорания,  причем  диффузионное  горение 

в  струе  газа  (или  обычное  диффузионное  газовое  пламя) 

приведено  для  пояснения  принципа  развития  этого  про- 

цесса.      Диффузионное      горение      характерно      также      для 

испаряющейся капли жидкого топлива (рис. 9). 

17.  Постепенный  взрыв  имеет  место  в  газовых  и  бензи- 

новых  двигателях  с  искровым  зажиганием,    а  также  и 

в двигателях других типов, например, в дизелях, в виде 

 

 

 

 

9 

распространения  негомогенного  теплового  взрыва,  когда 

в  некоторых  частях  заряда  реакции  развиваются  быстрее, 

чем  в  остальных,  и  образуются  отдельные  очаги  [воспла- 

менения.

 

 

Рис. 8. Схема диффузионного горе- 

ния в потоке газа и воздуха:

 

/ — воздух; // —  газ; /// —зона реак- 

ции;   IV — сгоревшая смесь

 

Рис   9.   Схема   диффузионного 

горения испаряющейся капли:

 

/ — пар; // — зона реакции; /// — 

сгоревшая  смесь

 

18.  Одновременный  взрыв  в  чистом  виде  имеет  место 

в  последней  части  несгоревшей  смеси  в  газовых  или  бен- 

зиновых  двигателях  —  в  так 

называемом        конечном      газе 
(выражение, 

введенное

 

Боерледж  [3])  и  вызывает 

детонацию. 

Схематическая 

иллюстрация  детонации,  яв- 

ляющейся  комбинацией  горе- 

ния  двух  типов,  приведена 

на  рис.  10.  В  связи  с  этим 

представляет  интерес  сгора- 

ние  в  дизеле  в  начале  про- 

цесса,  которое  для  определен- 

ных  зон  носит  характер  одно- 

временного  взрыва,  но  впос- 

ледствии  переходит  в  другие 

формы горения.

 

19. 

Диффузионное 

горе- 

ние,  в  частности,  имеет  место 

в  дизеле  на  той  стадии,  когда 

горение  уже  развивается, 

и 

топливо, 

продолжающее 

впрыскиваться  в  пламя,  испа- 

ряется,  перегревается  и  сго- 

рает  по  мере  соприкоснове- 

ния с воздухом. В наиболее

 

общем  виде  диффузионное  горение  встречается  в  нефтя- 

ных  горелках  непрерывного  действия,  используемых 

в котлах, а также при сгорании в газовых   турбинах.

 

 

 

 

Рис.    10.   Явление    детонации 

в двигателе с искровым зажи- 

ганием:

 

/  —  последняя  часть  заряда;  Г  — 

свеча зажигания (AB, а, б, 1, 2, 3 — 

см.  рис.  6). Сплошные  линии-сгора- 

ние  без  детонации,  штриховые  ли- 

нии — сгорание с детонацией

 

 

10 

ОДНОВРЕМЕННЫЙ ВЗРЫВ (ОБЪЕМНОЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ) 

20.  Рассмотрим    простейший  случай    чисто  теплового 

взрыва.        Первоначальное      рассмотрение      его      выполнено 

Вант-Гоффом.      В    дальнейшем    теория    теплового    взрыва 

была  развита  Η.  Η.  Семеновым  и  его  школой,  а  также 

Иостом  [4].

 

При  рассмотрении  теплового  взрыва  принимают,  что 

в  газовой  смеси  идет  экзотермическая  реакция;  считают, 

что  в  данный  момент  газовая  смесь  гомогенна  как  по  со- 

ставу, так и по температуре; предполагают, что скорость

 

выделения тепла

 

всегда    прямо   пропорциональна

 

скорости      реакции.      Последняя      считается    возрастающей 

с температурой по экспоненциальному закону. Поэтому

 

 

где 

Ε 

— 

энергия 

активации; 

  R 

— 

газовая 

постоянная; 

  Τ     —    абсолютная температура.

 

21.  Энергия      активации      может      рассматриваться      как 

энергия,  которую  необходимо  затратить  для  того,  чтобы 

далее  могла    выделиться  теплота    реакции    Е'.    Поэтому 

количество  произведенного  тепла  равно  Е'  —  Е.  В  случае, 

если  эта  разность  положительна,  реакция  экзотермична; 

в  противном  случае  реакция  эндотермична.  Теплота  реак- 

ции  Е'  является  энергией  активации  для  реакции,  идущей 

в обратном направлении. 

22.  Увеличение 

температуры  сопровождается  потерей 

тепла  в  окружающую  среду,  имеющую  температуру  Т

о

. 

Эта  потеря  в  наипростейшем  случае  может  быть  выражена 

формулой 

 

Приведенные  выше  два  основных  уравнения  могут  быть 

представлены графически (рис. 11). На рисунке показана

 

одна  зависимость

от  температуры  и  зависимости

 

от температуры при трех значениях С

1

. Из графика сле-

 

*  Усложнения,      связанные      с      появляющимся      вследствие      этого 

теплообмена температурным градиентом,  пока  не  рассматриваются.