Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 5

 

19 

Одной  из  присадок  является  ТЭС  (тетраэтилсвинец), 

эффективно  подавляющий  детонацию,  так  как  его  добавка 

увеличивает  длительность  индукционного  периода  одно- 

временного  взрыва  (самовоспламенения)  бензина.  Таким 

образом 

задерживается 

объемное 

самовоспламенение, 

вследствие  чего  постепенный  взрыв  завершается  без  каких- 

либо  нарушений  (см.  абзац  18,  рис.  10).  Процесс  может 

быть  понят  при  рассмотрении  диаграмм  давление  —  время 
(рис.  15),  где  показан  характер  измен ения  давления 

в  двух  случаях:  при  отсут- 

ствии  детонации  (кривая  А) 

и  в  случае,  когда  непосред- 

ственно  перед  концом  нор- 

мального 

завершения 

сго- 

рания 

происходит 

само- 

воспламенение 

конечной 

части  заряда  (кривая  В). 

На  рис.  15    τ

3

  —  момент 

пробоя 

искрового 

проме- 

жутка.

 

39.  Следует  иметь  в  ви- 

ду, 

что 

конечная 

часть 

заряда  первоначально  сжи- 

мается 

за 

счет 

движения 

поршня,  а  в  дальнейшем 

горящими  и,  как  следствие,  расширяющимися  газами. 

Поэтому  она  сжимается  почти  до  максимального  давле- 

ния  сгорания.  Момент  времени  τ

i

,  когда  наступает  само- 

воспламенение,  может  быть  установлен  с  удовлетвори- 

тельной  точностью,  в  то  время  как  применение  концепции 
«период  индукции»  дает  менее  удовлетворительные  резуль- 

таты,  так  как  нет  начала  отсчета,  если  только  не  выбрать 

его  как  момент  смешения  топлива  и  воздуха  в  карбюра- 

торе.  В  этот  момент,  однако,  температура  обоих  компо- 

нентов  так  низка,  что  в  смеси  не  могут  идти  сколько- 

нибудь  заметные  реакции.  Реакции  приобретают  ощути- 

мое  значение  только  в  сильно  нагретом  впускном  трубо- 

проводе  или  позднее,  когда  смесь  приходит  в  сопри- 

косновение  с  горячими  деталями  внутри  цилиндра,  или 

же  в  результате  последующего  сжатия.  Однако  отсчет 

начала  периода  индукции  с  момента  соприкосновения 

смеси  с  этими  деталями  также  мало  оправдан,  так  как 

скорости реакций вначале (в период впуска и даже в пе-

 

 

Рис. 15. ρ—τ-диаграмма двигателя 

с искровым  зажиганием при дето- 

нации 

 

 

20 

риод  большей  части  процесса  сжатия)  очень  низки.  Типич- 

ной  характеристикой  детонации  является  координация 

момента  ее  начала  τ

с

  по  отношению  к  периоду  нормаль- 

ного  постепенного  взрыва  (распространения   пламени).

 

Если  τ

υ

  является  тем  моментом,  когда  сгорание 

могло  бы  закончиться,  если  бы  не  было  детонации,  то 

единственным  требованием  для  получения  нормального 

процесса  сгорания  является  условие,  чтобы  τ

с

  не  насту- 

пало  ранее  τ

υ

.  Вовсе  не  требуется  какими-либо  мерами 

подавить 

полностью 

возможность 

самовоспламенения. 

Нужно  только  на  какое-то  мгновение  оттянуть  момент 

его  возникновения  при  данных  конкретных  условиях. 

Это  оказывается  практически  возможным  вследствие  соот- 

ветствующего  выбора  углеводородов,  добавки  антидето- 

национных  присадок,  таких  как  ТЭС,  и  других  мер, 

которые  приводят  к  уменьшению  температуры  заряда 
(использование 

богатой  смеси,  определенные  конструк- 

тивные  мероприятия).  Эти  меры  будут  рассмотрены 

ниже.

 

Расчет  момента  τ

с

  в  условиях  двигателя  возможен 

при  столь  грубых  упрощениях,  что  результат  его  не 

имеет  практического  значения.  Рассмотрим  влияние  не- 

которых важных факторов на период индукции.

 

40.  1.  Температура.  По  определению  (абзац  22)  τ

i

  = 

=  ∞,  если  Τ  <  Т

о

.  Начиная  с  Τ

о

  и  выше,   τ

i

    умень- 

шается по экспоненте. 

41.  2.  Концентрация    реагентов.      В  общем      случае    τ

i  

уменьшается    при    увеличении    концентрации    реагентов, 

в  том  числе  и  тогда,  когда  это  происходит  за  счет  уве- 

личения  плотности  заряда  в  камере  сгорания.  В  случае 

сгорания  в  дизеле,  где,  как  известно,  топливо  впрыски- 

вается  в  воздух,  находящийся  при  высокой  температуре, 

зависимость      периода      индукции    от    давления    доказана 

экспериментально  (абзац  263).    Что  касается  детонации 

в      бензиновом    двигателе,      то      аналогичная      зависимость 

менее  определенна,  так  как  в  этом  случае  в  период  пред- 

варительных  (так  называемых  предпламенных)  реакций 

различные  углеводороды  по-разному  реагируют  на    из- 

менение давления. 

Очень  важным  фактором  является  соотношение  топ- 

лива и воздуха в смеси.

 

Состав  смеси  в  данной    книге  оценивается  коэффициентом  «кре- 

пости  смеси»   КС   (или, что  то   же, коэффициентом   использования

 

 

21 

следует,  что  для  теоретически  полного  сгорания  одного  моля  (100  г) 

гептана  нужно  11  молей  кислорода  (352  г)  или  около  1,51  кг  воздуха. 

Следовательно,  стехиометрическое  отношение  топлива  к  воздуху  со-. 

ставляет 1 : 15,1. При этом КС= I.

 

В  дизеле  оптимальный  состав  смеси,  как  правило, 

образуется  где-либо  локально  уже  почти  в  начале  процесса 

впрыска,  а  в  период  впрыска  имеется  весь  предел  составов 

от  чистого  воздуха  до  чистого  топлива.  Об  оптимальном 

для  воспламенения  значении  состава  смеси  мало  что 

известно;  он  может  быть  принят  соответствующим  коэф- 

фициенту  использования  воздуха,  по  меньшей  мере  рав- 

ному  1.  В  бензиновых  двигателях  смесь  определенного 

состава  равномерно  распределена  по  камере,  причем 

состав  смеси  зависит  от  многих  факторов.  Эффект  его  — 

сложного  характера  (например,  имеется  охлаждающий 

эффект при богатой смеси) — будет рассмотрен ниже.

 

42.  3.  Состояние  движения  воздушного  заряда.  В  слу- 

чае  гомогенной  смеси  турбулизация  не  может  оказать 

влияния  на  протекание  реакции,  так  как  реакция  проис- 

ходит  равномерно  во  всех  точках  объекта,  В  действитель- 

ности  турбулизация  может  влиять  на  теплообмен  со 

стенкой.  При  гетерогенной  смеси  дополнительно  к  этому 

за  счет  движения  заряда  улучшается  равномерность  рас- 

пределения  топлива  в  воздухе.  Следовательно,  умень- 

шение  или  увеличение  τ

i

  при  турбулизации  будет  зави- 

сеть  от  того,  идут  ли  реакции  на  начальном  этапе  с  под- 

водом  или  отводом  тепла.  При  рассмотрении  сгорания 

в  дизеле  будет  показано,  что  улучшение  равномерности 

распределения  топлива  в  воздухе  может  означать  потерю 

очага  оптимального  состава  смеси  (коэффициент  исполь- 

зования  воздуха  1  или  более)  и  как  возможный  резуль- 

тат — увеличение τ

i

   (абзац 271),

 

 

 

воздуха,      являющимся    обратной    величиной    коэффициента      избытка 
воздуха α):

 

 

В  случае  гептана,  например,  из  уравнения  реакции  его  с  кисло- 

родом

 

 

22 

ПОСТЕПЕННЫЙ ВЗРЫВ (РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ) 

43.  На  рис.      16  схематически  изображен    некоторый 

момент  постепенного  взрыва,  причем  взрыв  распростра- 

няется  слева  направо  в  пространственном  элементе  газо- 

вой  смеси.  Справа  горючая  смесь  находится  в  начальном 

состоянии;  в  следующей  зоне  происходит  реакция,  в  то 

время      как      слева      находится      сгоревшая      смесь.      Линия 

Т

сг

—Т

нсг

      представляет  изменение  температуры  при  сго- 

рании.  Необходимо  не  забывать,  что  понятие  «темпера- 

тура»,  строго  говоря,  приме- 

нимо  только  к  равновесным 

состояниям,  так  что  свойства 

смеси  в  зоне  реакции  не  мо- 

гут  быть  полностью  охаракте- 

ризованы  какой-либо  темпе- 

ратурой  в  интервале  между 

Т

нсг 

и    Т

сг 

.  Вскоре  после  окон- 

чания  сгорания  или  недалеко 

за  фронтом    пламени    дости- 

гается  равновесное  состояние. 

Температура  Т

сг

  может  быть 

подсчитана        на          основании 

термодинамических   данных.

 

Предположим 

сначала, 

что  имеется  идеальный  газ, 

в  котором  происходит  изме- 

нение температуры. Заметим,

 

что  на  практике  отношение

 

может  принимать  зна- 

чения  от  3  до  6.  Поэтому  элемент  объема  ΔV    в  процессе 
сгорания  подвергнется  более  или  менее  внезапному  рас- 
ширению  от  ΔV

нсг

  до  ΔV

сг

,  пропорциональному  повыше- 

нию  температуры,  если  принять,  что  давление  остается 
неизменным.  Такое  предположение  допустимо  даже  в  слу- 
чае  ограниченного  объема  при  условии,  что  рассматри- 
ваются  моменты  времени  непосредственно  до  сгорания 
и  сразу  после  сгорания  слоя  смеси,  имеющего  толщину 
зоны  сгорания.  Последняя  в  условиях  двигателей 
мала  в  сравнении  с  общими  размерами  камеры  сго- 
рания.

 

44.  Результатами      расширения      зоны      сгорания      яв- 

ляются:      импульс,      оказываемый      расширяющимся      при 

сгорании слоем смеси на сгоревшие и несгоревшие части

 

 

Рис.  16.  Характер  распределения 

температур  по  длине  сосуда 

в  определенный  момент  посте- 

пенного  взрыва,  распространяю- 

щегося в направлении X в непод- 

вижной  смеси: / —  зона реакции 
(стрелкой  показано  направление 

распространения пламени)