Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 7

 

27 

с  помощью  кинорегистрации,  а  путем  точных  замеров 

давления  (рис.  20,  а)  и  соответствующих  расчетов.  Этот 

метод  отличается  от  метода  мыльного  пузыря  тем,  что 

в  случае  использования  мыльных  оболочек  сгорание 

могло 

вызывать 

расширение 

несгоревшей 

сферической 

оболочки  при  пренебрежимо  малом  увеличении  давления, 

в то время как бомба препятствует расширению. Диа-

 

 

 

Рис. 20. Исследование процесса

 

сгорания в бомбе Льюиса и фон

 

Эльбе:

 

а — регистрация     давления    газа; 

б — схема движения газа в различ- 

ных точках объема;   / — равновес- 

ное состояние

 

Рис.  21.  К  опреде- 

лению скорости рас- 

пространения  пла- 

мени  с  помощью 

горелки Бунзена

 

грамма  давления  в  бомбе  в  каждый  момент  времени

4

  от- 

вечает  давлению  сгорающего  слоя  газа  и  одновременно 

также  является  давлением  сжатия  как  не  сгоревшего, 

так  и  уже  сгоревшего  газов.  Первоначально  процесс  раз- 

вивается  почти  так  же,  как  и  в  случае  мыльных  оболочек. 

Однако  радиальное  расширение  быстро  уменьшается  по 

мере  развития  сгорания  по  сравнению  с  тем,  которое 

имеет  место  при  сгорании  внутри  мыльной  оболочки. 

Учитывая  заметное  повышение  общего  давления  в  бомбе, 

легко  понять,  что  сгорание  каждого  последующего  сфе- 

рического слоя газа вызывает сжатие как несгоревшей

 

 

 

 

28 

смеси,  так  и  той  части  заряда,  которая  уже  сгорела  раньше. 

Из.рис.  20,  б  видно,  что  в  период,  когда  сгорание  рас- 

пространяется  от  центра  О  до  конкретной  элементарной 

части  заряда,  последняя  движется  по  направлению  от 

центра  до  момента,  когда  ее  нагоняет  фронт  пламени 
(точка  b)  и  она  начинает  гореть  (  i  —  начальное  положение 

каждой  из  элементарных  частей  газа).  После  этого  сго- 

рание  происходит  вне  сферического  слоя,  к  которому 

принадлежит  рассматриваемая  малая  часть  заряда,  и  по- 

следняя  будет  двигаться  по  направлению  к  центру  до 

положения е, являющегося конечным.

 

51.  Конечное  положение  элементарной  малой  части 

заряда  не  совпадает  полностью  с  начальным.  Температура 

частей  заряда,  лежащих  ближе  к  центру  и,  следовательно, 

сгоревших  раньше,  относительно  выше  температуры  ча- 

стей  заряда,  лежащих  ближе  к  оболочке  бомбы.  Это  может 

быть  объяснено  тем,  что  часть  газа,  сгорающая  в  первую 

очередь,  горит  при  давлении  р

0

,  и  температура  ее  воз- 

растает  с  Т

о

  до  Т

о

  +  ΔT.  Затем  следует  сжатие  до  ко- 

нечного давления р

к

,   когда температура

 

 

где k

1

 — показатель адиабаты, относящийся к продуктам

 

сгорания.

 

Газ,  сгорающий  в  последнюю  очередь,  сначала  сжи- 

мается  от  состояния,  определяемого  давлением  р

0

  и  тем- 

пературой  Т

о

,  до  состояния,  характеризуемого  давле- 

нием р

к

 и температурой

 

При  этом  принимается,  что  теплоемкость  неизменна. 

В  случае  реального  газа  будут  иметь  место  некоторые 

небольшие  отклонения  от  значений,  подсчитанных  с  та- 

ким допущением.

 

 

где k

2

 — показатель адиабаты, относящийся к несгорев-

 

шей смеси 

После сгорания температура

 

 

 

29 

В  зависимости  от  природы  рассматриваемой  газовой 

смеси  и  начальных  условий,  разница  в  температуре  газа, 

сгорающего  в  начале  и  конце  процесса,  лежит  в  пределах 
300—700°  С.  В  двигателях  с  искровым  зажиганием  от- 

личие  температуры  части  газа,  сгорающей  в  начале  про- 

цесса,  от  температуры  части  газа,  сгорающей  в  конце, 

достигает  300—400°  С,  причем  газ,  сгорающий  первым, 

имеет наивысшую температуру.

 

52.  Описанное  в  предыдущем  абзаце  движение  газа 

не  имеет  места  в  непосредственной  близости  от  стенок 

сосуда  и  поэтому  оно  не  вызывает  дополнительных  потерь 

от  конвекции.  Кроме  того,  в  целом  потери  от  конвектив- 

ного    теплообмена      имеют    небольшое    значение,  так  как 

стенки  не  омываются  горячими  газами  до  момента,  когда 

сгорание  заканчивается.  В  конце  сгорания  имеет  место 

скачок:      фронт    пламени,      приближающийся    с    конечной 

скоростью    и  толкающий    назад    газ    также  с    конечной 

скоростью,        останавливается        теоретически        мгновенно 

у  стенки.  Результатом  является  возникновение  концен- 

трических  колебаний  массы  газа  вокруг  положения  рав- 

новесия  е,  проиллюстрированное  на  рис.  20,  б  и  заметное 

также  на  диаграмме  давления  (рис.  20,  а).  Рассмотрение 

последней  с  точки  зрения  динамического  эффекта    сил 

давления  газа  показывает,  как  и  следовало  ожидать,  что 

характер  роста  давления  неблагоприятен  для  практики. 

Рост  давления  происходит  неравномерно,  выделение  наи- 

большей  энергии  оказывается  сдвинутым  в  значительной 

мере к моменту завершения процесса. 

53.  При  рассмотрении  методов  определения  нормаль- 

ной  скорости  сгорания  следует  упомянуть  также  метод 

горелки  Бунзена,  при  котором  измерения  производятся 

в.  условиях    ламинарного  течения      газовой    смеси.      При 

определенной  форме  выходного  отверстия  горелки  (рис.  21) 

образуется      стационарный      конический      фронт      пламени. 

Измеряя  угол  конуса  и  зная  скорость  смеси  ν  на  выходе 

из      горелки,      можно      определить      нормальную      скорость 

сгорания и

н

, как показано на рис. 21. 

54.  Механизм      постепенного      взрыва,      по      существу, 

такой  же,  как  тот,  с  которым  мы  уже  познакомились, 

а именно — цепные реакции с участием радикалов. 

Большое  отличие  от  одновременного  взрыва  состоит, 

однако,  в  том,  что  в  данном  случае  имеется  обильный 

источник радикалов и других активных (быстродвижу-

 

 

30 

щихся  частиц)  во  фронте  пламени.  В  нем  происходят 

реакции,  связанные  с  полным  выделением  скрытой  хими- 

ческой  энергии  смеси.  При  этом  в  большом  количестве 

образуются  радикалы,  остальные  частицы  ускоряются  — 

имеет  место  интенсивный  перенос  энергии  и  частиц  в  на- 

правлении  к  несгоревшему  газу.  Поэтому  последний  на- 

гревается и активируется, в результате чего в нем реакция

 

 

Рис.  22.  Схема  механизма  распространения  пламени  при  пространствен- 

ной цепной реакции:

 

/  —  зона  со  стойкими  продуктами  сгорания;  //  —  зона  реакции;  ///  —  зона 

со  свежей  смесью.  Стрелкой  А  показано  направление  движения  фронта  пла- 

мени;  стрелками  от  сплошной  кривой  —  направление  передачи  теплоты. 

χ — видимый фронт пламени; χ

1

 — критическая   зона   или   истинный   фронт

 

пламени

 

начинается  быстро.  При  атмосферном  давлении  и  более 

высоких  давлениях  свободный  пробег  диффундирующих 

частиц  невелик,  но  имеет  место  интенсивный  обмен  вслед- 

ствие  пространственной  цепной  реакции  (рис.  22),  при 

которой  непрерывно  образуются  новые  радикалы.  Эта 

цепь  распространяется  от  сгоревшего  к  несгоревшему 

газу;  где-то  вблизи  несгоревшего  газа  достигается  кри- 

тическая  концентрация  радикалов,  вследствие  чего  реак- 

ция  распространяется  в  эту  зону,  не  встречая  сопротив- 

ления.  Из-за  необычно  высокой  концентрации  радикалов 

во фронте пламени здесь не представляется возможным