Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 3

 

11 

дует (кривая 2), что при температурах ниже Т

2

 

т.  е.  в  результате  реакции  температура  смеси  будет  расти 

от  начальной  Т

о

  до  температуры  Т

г

,  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

1

 

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

о

,  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

 

 

12 

следующим образом. Выражение

содержит в С

1

 

функцию

,   так  как  конц ен трация  р еагентов  вли яет  

на  скорость  реакции.  Если  смесь  состоит  из  двух  компо- 

нентов,  то

.  Из  этого  следует,  что  Т

о   

и

 

  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

2

.  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

2

+4Ν

2

  представляет  смесь,  состав  которой  прибли- 

женно соответствует составу воздуха.

 

 

Рис  12.  Зависимость  тем- 

пературы  самовоспламене- 

ния Т

о

 от давления:

 

/ — область   взрыва;  // —

область  отсутствия    взрыва

 

 

13 

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-

 

 

14 

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

9

  до  10

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

6

  до  10

7

.  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

2

+О

2

, 

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

2

  *.    При  столкновениях    происходят  раз- 

личные реакции, каждую из которых можно представить, 

*  Азот  Ν

2

  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.