Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 8

 

31 

применение  концепции  температуры,  поэтому  чисто  тепло- 

вая 

теория 

распространения 

пламени 

представляется 

недостаточной.

 

55.  При      постепенном      взрыве      источник      радикалов 

находится  в  сгорающей  газовой  смеси,  где  реакция  раз- 

вилась  значительно  и,  как  следствие,  температура  очень 

высока  (на  практике  доходит  до  1500—2500°  С).  Поэтому 

легко  понять,  что  эти  радикалы  отличаются  по  природе 

от  тех,  которые  являются  причиной  развития  одновре- 

менного  взрыва,  так  как  при  столь  высоких  температурах 

в  наличии  оказываются  только  очень  простые  части  перво- 

начально    существовавших    сложных      молекул.      Поэтому 

исходная      структура      углеводородов      не    является    более 

решающим    фактором.      Более      важен      в    данном      случае 

элементарный  состав  или,  еще  проще,  отношение  содер- 

жания  углерода  к  содержанию  водорода.  В  самом  деле, 

очень  важной  оказывается  максимальная  концентрация 

атомов  водорода,  так  как  при  равной  кинетической  энер- 

гии  они,  будучи  наиболее  легкими  частицами,  обладают 

наибольшей    скоростью    (почти    в  4    раза    большей,      чем 

скорость  любого  другого  радикала).    Содержание  водо- 

рода  в  пламени  определяет  в  большой  мере  скорость  его 

распространения. 

56.  В    качестве  примера  малого  влияния  структуры 

молекул      на      скорость      нормального      сгорания      отметим 

отсутствие  различия  в  скоростях  нормального  сгорания 

нормальных  и  изоалканов  (абзац    101),  хотя  они  суще- 

ственно  различаются  по  склонности  к  самовоспламенению. 

Бензол  обладает  даже  несколько  более  высоким  значе- 

нием  нормальной    скорости  сгорания,    чем    нормальный 

гептан.  Это,  вероятно,  связано  с  тем,  что  при  реакции 

его  сгорания  образуется  большее  число  свободных  ато- 

мов  Н,  в  то  время  как  при  сгорании  алканов  образуется 

больше  радикалов  С—Н.  Чистый  водород  имеет  заметно 

более  высокую  нормальную  скорость  сгорания,  чем  все 

известные  топлива.  Ацетилен  С

2

Н

2

  из-за  скрытой  энергии 

тройной  связи  С—С,  а  также  из-за  обильного  образования 

атомов  водорода  в  процессе  термического  распада,  имеет 

необычно  высокую  для  углеводородов  нормальную  ско- 

рость сгорания. 

57.  Во    многих      исследованных      газовых    смесях      при 

очень  низких  давлениях  длина  свободного  пробега  моле- 

кул больше и видимая скорость движения пламени также 

 

 

 

32 

значительно  увеличивается.  Однако  при  этом  реакции 

уже  не  завершаются  в  тонком  слое.  Степень  полноты 

реакции  пропорциональна  р

2

,  так  что  при  нормальных 

давлениях  и  свойственных  им  сравнительно  низких  значе- 

ниях  нормальной  скорости  сгорания  реакция  завер- 

шается  в  слое,  имеющем  толщину  в  несколько  десятых 

миллиметра,  в  то  время  как  при  очень  низких  давлениях 
(равных, 

например,  нескольким  миллиметрам  ртутного 

столба)  зона  реакции  может  иметь  толщину  в  несколько 

сантиметров.

 

58.  Путем  сравнения  фотографий  пламени  и  измерений 

давления  было  найдено,  что  в  двигателях  внутреннего 

сгорания  реакция  практически  завершается  за  фронтом 

пламени.  В  небольшой  степени  явления  догорания  про- 

должаются  в  массе  сгоревшего  газа,  но  это  может  быть 

объяснено    частично    смещением    состояния      химического 

равновесия,  частично  же  также  реакциями,  продолжаю- 

щимися      в      пограничном    слое,      через      который      ведутся 

наблюдения  и  в  котором  также  высвобождается  некото- 

рая энергия. 

59.  В  общем  случае  нормальная  скорость  будет  за- 

висеть  от  концентрации  и  состава  радикалов,  образую- 

щихся  в  момент,  близкий  к  завершению  сгорания,  а  сле- 

довательно, от: 

1)  природы топлива (от отношения 

 

); 

2)  достигаемой  температуры  сгорания    (влияние    на- 

чальной температуры и состава смеси); 

3)  состава  смеси,  выраженного  коэффициентом  исполь- 

зования    воздуха  (влияние  температуры    и    образования 

большего  числа  и  другого  качества  радикалов  при  бога- 

тых смесях). 

При  сравнении  нормальной  скорости  сгорания  бедной 

и  богатой  смесей  при  равных  температурах  сгорания 

было  найдено,  что  нормальная  скорость  сгорания  богатой 

смеси  выше,  чем  скорость  сгорания  бедной  смеси.  Учиты- 

вая,  что  углеводороды  являются  основным  источником 

радикалов,  этого  результата  следовало  ожидать.

 

60.  Из  сказанного  выше  понятно,  почему  всегда  име- 

лась  тенденция  применения  богатых  смесей  в  бензиновых 

двигателях.      Богатые    смеси      значительно    легче      воспла- 

меняются  и  при  их  применении  различия  в  составе  смеси 

в отдельных цилиндрах ведут к меньшей нестабильности

 

 

33 

работы  двигателя

1

.  При  работе  двигателя  на  бедных 

смесях  повышается  его  экономичность,  однако  при  этом 

для  достижения  удовлетворительной  работы  двигателя 

необходимо  уделять  большое  внимание  технике  подачи 

топлива  и  смешения  его  с  воздухом,  а  также  конструкции 

камеры сгорания.

 

61.  Очень  мало  известно  о  нормальной  скорости  сго- 

рания      при      таких      высоких      начальных      температурах, 

которые  имеют  место  в  двигателях  с  искровым  зажига- 

нием  после  сжатия  смеси,  но  и  то  немногое,  что  известно, 

свидетельствует  о  том,  что  скорость  рассмотренного  выше 

механизма  реакций    недостаточна  для  обеспечения    рас- 

пространения  пламени  по  пространству  камеры  сгорания 

в необходимый для этого короткий интервал времени,

 

В  1881  г.  Дугалд  Клерк  описал  ставший  теперь  зна- 

менитым  эксперимент,  выполненный  на  четырехтактном 

двигателе  и  заключавшийся  в  том,  что  после  тактов 

наполнения  и  сжатия  заряд  в  цилиндре  расширялся  без 

сгорания,  потом  вновь  сжимался,  и  только  после  этого 

происходило  зажигание.  В  этом  случае  сгорание  проте- 

кало  очень  медленно.  Этот  эксперимент  позволил  Клерку 

сделать  вывод,  объясняющий  сущность  процесса  сгорания 

в  поршневых  двигателях,  и  выявившиеся  позднее  воз- 

можности  достижения  высоких  чисел  оборотов,  а  именно, 

что  турбулизация  массы  заряда  способствует  быстрому 

распространению  пламени.  Тогда  же  эта  точка  зрения 

была  поддержана и другими исследователями   [5].

 

62.  Сделанный  вывод  не  противоречит  приведенному 

выше    рассмотрению    распространения    фронта      пламени. 

Из-за  турбулизации  элементы  газа  смещаются  один  относи- 

тельно  другого  так,  что  плавная  поверхность  фронта  пла- 

мени,  которую  можно  было  бы  себе  представить  в  каждый 

момент  времени  при  отсутствии  турбулизации,    искрив- 

ляется,  образуя  складки,  языки  и  даже  изолированные 

очаги  горения.  Таким  образом,  первым  результатом  тур- 

булизации  является  увеличение  поверхности  фронта  пла- 

мени,  а  так  как  количество  энергии,  выделяющееся  в  еди- 

ницу  времени,  пропорционально  произведению поверх-

 

1

  Так  как  такие  смеси  дают  более  низкие  температуры  заряда 

(см.  абзац  182),  то  Применение  их  облегчает  задачу  конструктора. 

Только  требование  экономии  топлива  может  препятствовать  исполь- 

зовалию этого легкого пути.

 

2    Д. Д.  Брозе 

 

 

34 

ности  фронта  пламени  на  его  скорость,  то  при  турбули- 

зации происходит увеличение скорости сгорания.

 

Можно  исходить  также  из  рассмотрения  длины  пути 

смешения,  учитывая  при  этом,  что  молекулярная  диффу- 

зия  в  течение  определенного  интервала  времени  способна 

распространяться  лишь  на  относительно  небольшое  рас- 

стояние,  в  результате  чего  сгорание  происходит  в  огра- 

ниченном  пространстве.  В  течение  того  же  времени  тур- 

булентность  вызывает  перемещение  заряда  на  значительно 

большее  расстояние,  и  горящий  элемент  газа  проносится 

как  факел  вдоль  этого  пути,  вызывая  повсюду  развитие 

молекулярного процесса.

 

63.  Реакция  распространяется,  следовательно,  в  ре- 

зультате  действия  двух  механизмов:  турбулентность  вы- 

зывает    быстрое,      хотя      и    кратковременное    перемещение 

языков  пламени  или  элементов  смеси  с  определенным, 

достаточно    существенным    содержанием    радикалов      (аб- 

зац  54)  и  поэтому  в  действительности  создает  скорее  усло- 

вия  для  воспламенения,  чем  возможности  для  завершения 

сгорания,  в  то  время  как  молекулярная  диффузия  ради- 

калов  обеспечивает  местное  проникновение  реакции  в  не- 

большие  неподвижные  зоны  и  завершение  сгорания. 

64.  Существенным  моментом  здесь  является  то,    что 

уже  в  простейшем  случае  турбулентность  создается  при 

подаче  заряда  через  впускной  канал  и  клапан,  а  также 

то,  что  энергия,  которая  затрачивается  на  ее  создание, 

увеличивается  по  мере  возрастания  числа  оборотов  дви- 

гателя.  Другим  интересным  моментом  является  то,  что 

номинальная  скорость  впуска  заряда    при  оптимальной 

конструкции      двигателя      оказывается      около      50      м/сек, 

и  при  этой  скорости  впуска  скорость  пламени,  оцененная 

на  основе  полной  длительности  сгорания  и  максималь- 

ного  расстояния,  пройденного  пламенем  в  камере,  имеет 

почти такое же значение. 

65.  При  переносе  частиц  за  счет  турбулентности,  есте- 

ственно,  не  имеет  большого  значения  атомный  или  моле- 

кулярный      вес      топлива.      Собственно,      то      же      относится 

и  к  другим  факторам,  оказывающим  влияние  на  нормаль- 

ную  скорость  сгорания,  так  что  действительная  продол- 

жительность      сгорания      при      турбулизированном      заряде 

в    значительно    меньшей      степени    зависит    от    факторов, 

оказывающих  заметное  влияние  на  нормальную  скорость 

сгорания.