Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 4

 

15 

Последняя  реакция  представляет  собой  типичный  при- 

мер  реакции  тройного  соударения,  когда  Н

2

О  продолжает 

существовать  вследствие  наличия  случайной  молекулы  М, 

поглотившей  излишнюю  энергию  (такой  молекулой  может 

быть N

2

).

 

32.  Цепная  реакция  была  открыта  Кристиани,  Полиани 

и  Херцфельдом  в  1919  г.  и  изучена  позднее  Η.  Η.  Семе- 

новым.

 

Сущность  цепной  реакции  заключается  в  том,  что 

раз  образовавшееся  число  активных  центров  неизменно 

восстанавливается  и  поддерживается  в  ходе  последующих 

столкновений,  вследствие  чего  реакция  идет  с  неизменной 

скоростью,  даже  если  не  происходит  значительного  тепло- 

выделения  и  температура  остается  неизменной.  Это  поло- 

жение  было  бы  применимо  в  случае  бесконечного  про- 

странства,  так  как  если  две  активные  частицы  сталки- 

ваются  на  стенке  сосуда,  то  их  избыточная  энергия  будет 

потеряна,  не  будет  образовано  новой  активной  частицы, 

и  цепь  реакции  будет  разорвана.  Под  термином  «стенка» 

следует  понимать  не  только  поверхности  сосуда,  в  кото- 

рый  заключены  реагенты,  во  и  инертные  молекулы,  упо- 

мянутые  выше,  которые  воспринимают  энергию  при 

тройном  столкновении.  Четвертая  реакция,  приведенная 

в абзаце 31, и является примером такого обрыва цепи.

 

Несмотря,  однако,  на  обрывы  цепи,  имеется  множество 

реакций,  которые  проходят  на  практике  непрерывно  и 

даже с ускорением. Это происходит из-за:

 

1)  тепловыделения,    которое  приводит  к  росту  тем- 

пературы  и,  как  следствие,  увеличению  числа  активных 

частиц; 

2)  разветвления цепи. 

 

 

как  это  сделано  ниже,  с  учетом  теплоты  реакции,  отнесен- 

ной к одному    молю:

 

(эта  реакция  требует  для  осуществления  большой  энергии 

активации);

 

 

16 

Под  разветвлением  цепи  понимается  увеличение  числа 

активных  частиц  при  определенных  механизмах  реакций 
(см. реакции 2 и 3 в абзаце 31).

 

33.  Ввиду    высокой  частоты    столкновений    реакция, 

при  которой    происходит  разветвление  цепи,    могла  бы 

очень  быстро  достигнуть  почти  бесконечно  большой  ско- 

рости.  Этого,  однако,  не  происходит  из-за  наличия  реак- 

ций,  ведущих  к  обрыву  цепи.  Тем  не  менее  в  принципе 

именно  реакции,  сопровождающиеся  разветвлением  цепей, 

имеют  место  при  всевозможных  взрывах  (взрывах,  свя- 

занных  с  химическими  реакциями,  рассмотренными  выше, 

или при ядерных реакциях).

 

При  большом  процентном  содержании  азота  N

2

  в  го- 

рючей  смеси  в  двигателях  внутреннего  сгорания  доля 

реакций  на  «стенке»  и,  следовательно,  число  обрывов 

цепей  велико.  Но  реакции,  идущие  в  двигателях,  в  высо- 

кой  степени  экзотермичны,  и,  как  следствие,  происходит 

значительное  увеличение  температуры  смеси  и  числа 

активных  частиц.  Действительная  скорость  реакции, 

однако,  всегда  на  один  или  более  порядков  меньше  тео- 

ретически возможной  (из-за эффекта «стенок»).

 

34.  Самопроизвольная  реакция  в  двигателях  внутрен- 

него сгорания принципиально возникает в двух случаях:

 

а)  когда  реагенты  смешиваются  при  температуре,  при 

которой  реакция  еще  не    идет  с  ощутимой    скоростью; 

после  этого  температура  смеси  повышается  (обычно  сжа- 

тием)  до  значения,  при  котором  реакция  может  начаться 
(это    имеет    место,      например,      в    случае    детонации      или 

в  маленьких  двигателях,  предназначенных  для  авиамо- 

делей;  некоторое  время  мотовелосипеды  снабжались  ана- 

логичными двигателями);

 

б)  когда  воздух  нагревается  до  высокой  температуры 

сжатием  и  в  него  впрыскивается  топливо  (дизели).  В  этом 

случае совершенной гомогенизации смеси не достигается.

 

35.  В    смеси    всегда  образуются    активные    частицы, 

особенно  из  кислорода  О

2

  и  горючих  газов,  таких  как  СО 

и  Н

2

;  молекулы  углеводородов  также  могут  находиться 

в  активном  состоянии  или  давать  радикалы  в  результате 

разрыва  внутренних  связей  в  процессе  колебаний.  При 

температурах  выше  250°  С  число  образующихся  активных 

частиц  увеличивается  до  такой  степени,  что  для  большого 

числа  горючих  газов  и  паров  происходящие  из-за  наличия 

активных частиц реакции могут оказывать влияние на

 

 

17 

процесс  сгорания  (даже  при  значительно  более  низких 

температурах,  например  при  100°  С,  эти  реакции  влияют 

на  такие  процессы,  как  старение  масла,  для  развития 

которых  имеются  более  длительные  интервалы  времени). 
36. 

Когда  экзотермический  характер  реакции  стано- 

вится  явным,  развитие  процесса  (каким  бы  ни  был  слож- 

ным  механизм  реакции)  будет  походить  на  настоящий 

тепловой  взрыв,  рассмотренный  выше.  Однако  в  началь- 

ный  период,  когда  подъем  температуры  еще  очень  неве- 

лик,  возможны существенные отличия вследствие того,

 

 

Рис.      13.        Зависимости        температуры        самовоспламенения      Т

ο 

от давления:

 

/  —  область  взрыва;  //  —  область  отсутствия  взрыва;      ///  —  область 

эффективного  применения  тетра-этилсвинца

 

что  влияние  температуры,  концентрации  реагентов,  эф- 

фекта  стенки  и  прочих  факторов  на  различные  реакции 

неодинаково.  Это  будет  отражаться  на  зависимостях 

Т

о

—р,  принимающих  вид,  показанный  на  рис.  13,  а,  б,  в. 

В  то  время  как  ветвь  АВ  (рис.  13,  б)  в  достаточной  мере 

похожа  на  зависимость,  наблюдающуюся  при  тепловом 

взрыве,  ветви  ВС  отвечают  другой  зависимости.  Это 

может  быть  связано,  например,  с  возрастающим  при 

изменении  давления  влиянием  обрыва  некоторых  цепей. 

За  подобным  участком  может  последовать  (рис.  13,  б) 

ветвь  CD,  снова  ограничивающая  зону  чисто  теплового 

взрыва.  Столь  сложный  характер  поведения  многих  угле- 

водородов  может  привести  к  наличию  двух  температур 

самовоспламенения  в области низких давлений.

 

37.  Рассмотрим  протекание  процесса  объемного  само- 

воспламенения  исходя  из  зависимости  количества  выде- 

лившегося  тепла  от  времени.  Для  этой  цели  реакция 

может  в  первом  приближении  рассматриваться  проис- 

ходящей   адиабатно   (в   дальнейшем   особо   рассмотрим

 

 

18 

влияние  подвода  и  отвода  тепла  в  начальной  фазе  про- 

цесса).  При  больших  упрощениях  Тодес,  принадлежащий 

к  школе,  основанной  Η.  Η.  Семеновым,  подсчитал  для 

чисто  теплового  взрыва  изменения  температуры  от  вре- 

мени  и  таким  образом  подошел  к  концепции  типичного 

развития  подобных  взрывов  в  двигателях  внутреннего 

сгорания.

 

Был рассчитан интервал времени, в течение которого

 

температура  возрастает до

 

где

 

Этот 

интервал, 

называе- 

мый  периодом  индукции  τ

i

, 

является 

очень 

важной 

характеристикой 

процесса, 

так 

как 

остальная 

часть 

реакции  происходит  в  тече- 

ние  очень  короткого  про- 

межутка 

времени. 

Кривая 

температура  —  время  (t—τ) 

имеет  вид,  показанный  на 

рис.  14,  причем  тепловы- 

деление  за  период  индук- 

ции  составляет  от  одного 

  до 

двух 

процентов 

всей 

  теплоты реакции. 

Так  как  при  взрыве  газа  повышение  температуры 

всегда  вызывает  рост  давления,  можно  характеризовать 

самовоспламенение  периодом  задержки,  за  которым  сле- 

дует  быстрый  рост  давления  с  уже  неконтролируемой 

скоростью.  Два  наиболее  важных  случая  возникновения 

стука  при  сгорании  —  в  начале  сгорания  в  дизеле  и  при 

детонации  в  бензиновом  двигателе  —  объясняются  рас- 

смотренными  выше  характерными  особенностями  одно- 

временного взрыва.

 

38.  Также  характерным  для  одновременного  взрыва 

является  то,  что  влияние  химического  состава  топлива 

и  других  факторов  на  скорость  реакции  обычно  прояв- 

ляется  через  влияние  их  прежде  всего  на  период  ин- 

дукции.  Очень  слабая  степень  превращения  веществ 

в  течение  периода  индукции  объясняет  тот  факт,  что  очень 

малые  концентрации  некоторых  специфических  веществ 

могут  существенно  сокращать  или  удлинять  этот  период. 

Такие специфические добавки  называются  присадками.

 

 

Рис.    14.    Иллюстрация    понятия 

о периоде индукции 

τ

i