Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 9

 

35 

66.  Выше  было  приведено  описание  процесса  сгорания, 

происходящего  в  основной  массе  газа  в  камере  сгорания. 

Следует,  однако,  отметить,  что  непосредственно  у  стенок 

камеры    сгорания    находится    более    или    менее  толстый 

пограничный  слой  неподвижных  газов,  в  котором  сгора- 

ние  происходит  почти  исключительно  за  счет  молекуляр- 

ной  диффузии.  Это  утверждение  применимо  также  к  на- 

чальной  фазе  сгорания,  когда  размеры  пламени  еще  очень 

малы.  Поэтому  развитие  именно  этих  фаз  сгорания  в  наи- 

большей  степени  зависит  от  состава  смеси.  Этот  вопрос 

будет  разобран  детально  в  дальнейшем  при  рассмотрении 

сгорания в двигателях с искровым зажиганием. 

 

ЗНАЧЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СГОРАНИЯ. 
ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ 
 

67.  Наибольшее  число  известных  значений  нормальной 

скорости  сгорания  было  получено  путем  измерений  при 

комнатной температуре (см. табл. 1); при сгорании бутана 

 

Рис.    23.    Зависимость  скорости  распространения  пламени  в  бутано- 

воздушной смеси:

 

о — от температуры; 6 — от коэффициента использования воздуха при t = 24° С

 

(рис.  23,  а)  наблюдалось  значительное  увеличение  нормаль- 

ной  скорости  сгорания  с  ростом  температуры.  Экспери- 

менты  с  керосином,  выполненные  на  решетчатой  горелке 

типа  Мекера  до  очень  высоких  температур  (600°  С  и  выше), 

дали  значения  нормальной  скорости  сгорания,  подсчитан- 

ные  по  углу  конуса  пламени,  порядка  5  м/сек.  В  целом  же 

имеется  очень  мало  точных  данных  о  нормальной  скорости 

сгорания  различных   углеводородов  при  температурах,

 

2*

 

 

36 

Т а б л и ц а   1

 

 

Группа

 

Название

 

Формула

 

 

 

 

Парафиновые 

углеводороды

 

Метан 

Этан 

Пропан 

Бутан 
i-бутан 

Пентан 
i-пентан 

Гексан 

Гептан 

Октан 

Нонан 

Декан

 

 

37

 

35 

35 

32

 

0,53 
0,57 
0,61 
0,60 
0,58 
0,55 
0,52 
0,58 
0,54 
0,58 
0,56 
0,50

 

1,10

 

1,12 

1,14

 

Ненасыщенные 

углеводороды

 

Этилен 

Пропилен 

Бутилен 

Пентилен

 

 

63 

43,5

 

0,42 

0,45 
0,50 
0,59

 

1,08 
1,07

 

Ряд ацетилена

 

Ацетилен

 

 

131

 

0,52

 

1,30

 

Ароматические 

углеводороды

 

Бензол 

Толуол 

Ортоксилол

 

 

38,5

 

0,52 
0,56 

0,51

 

1,11

 

Циклические 

углеводороды

 

Циклопропан 

Циклогексан 

Метилциклогексан

 

 

35

 

0,54 
0,58 
0,59

 

1,09

 

Спирты

 

     Метиловый 

спирт 
     Этиловый 

спирт

 

 

—

 

0,55 
0,50

 

—

 

—

 

Водород 

Окись углерода

 

 

267 

41,5

 

0,14 
0,42

 

1,42 
1,80

 

36

 

 

37 

имеющих  место  в  двигателях  внутреннего  сгорания  в  конце 

сжатия.  Это  показывает,  что  для  развития  техники  не 

всегда  требуется  предварительное  получение  детальных 

научных  знаний;  когда  проблема  очень  сложна,  экспери- 

ментирование  в  сочетании  с  разумным  минимумом  гипотез 

дает вполне достаточные результаты.

 

68.  Знание  пределов  воспламенения  смеси  важно  для 

практического  применения  смесей.  Пределы  воспламене- 

ния,  так  же  как  и  температура  самовоспламенения  и  нор- 

мальная  скорость  сгорания,  в  определенной  мере  зависят 

от  использованной  для  измерений  аппаратуры.  Наиболее 

интересным  для    инженеров-двигателистов  является  так 

называемый  низший  предел  воспламенения,  который  пред- 

ставляет  собой  состав,  при  котором  еще  возможно  рас- 

пространение      пламени      при    сгорании    наиболее    бедной 

смеси.

 

Значение  этого  предела  обычно  известно  только  для 

атмосферных  условий.  В  двигателях  внутреннего  сгора- 
ния  при  более  высоких  температурах  и  давлениях  значе- 
ние  низшего  предела  воспламенения  отличается  от  этих 
значений.  На  практике,  однако,  необходимо  обеспечить 
определенный  запас  для  достижения  достаточной  скорости 
сгорания.  Величина  этого  потребного  запаса  в  большой 
степени  зависит  от  конструкции  камеры  сгорания.  В  про- 
тивоположность  практике,  принятой  в  литературе  по  хи- 
мии,  низшие  пределы  воспламенения  здесь  даются  непо- 
средственно в виде коэффициента 

 

(абзац 41).

 

69.  Из  приведенной  табл.  1,  так  же  как  из  рис.  23,  б, 

ясно,  что  максимальное  значение  нормальной  скорости 

сгорания  имеет  место  при  КС,  несколько  большем  1  (а  не- 

сколько  меньше  1),  и  что  нормальная  скорость  сгорания 

значительно  снижается  при  обеднении  смеси.  Значения 

КС

0

 отвечают нижним пределам воспламенения.

 

 
ИНИЦИИРОВАНИЕ ПОСТЕПЕННОГО ВЗРЫВА (ЗАЖИГАНИЕ) 

70.  Рассмотрим,  как  происходит  зарождение  постепен- 

ного  взрыва.  Явление  электрического  разряда,  производи- 

мого  системой  зажигания,  включающей  обычную  высоко- 

вольтную  катушку  и  прерыватель,  состоит  как  бы  из  двух 

частей,  а  именно:  из  очень  быстрого  разряда  (длитель- 

ностью около 10

-6

сек) колебательного характера (так назы-

 

 

38 

ваемая  емкостная  составляющая)  и  следующих  за  ним 

более  длительных  затухающих  колебаний  напряжения 
(продолжительностью 

около  10

-3

 

сек),  которые  еще 

способны  вызывать  разряд  (индуктивная  составляю- 

щая).

 

71. Для  того  чтобы  выяснить,  какую  функцию  каждый 

из  этих  компонентов  должен  выполнить  при  зажигании, 

было проведено много исследований. При исследованиях,

 

 выполненных  Финком  и  его  сотрудниками,  было  выяс- 

нено,  что  главное  действие  искры  связано  не  с  ее  тепловым 

эффектом,  как  это  считалось  раньше.  При  искровом  раз- 

ряде  образуются  электроны,  ионы,  активированные  моле- 

кулы  и  части  молекул.  Именно  образование  активирован- 

ных  молекул  и  частей  молекул  является  наиболее  важным 

для  зажигания,  а  не  ионизация.  В  соответствии  с  этим 

может  считаться  доказанным,  что  индуктивная  составляю- 

щая  более  существенна  в  возбуждении  зажигания,  чем 

емкостная 

составляющая, 

имеющая 

чрезмерно 

малую 

продолжительность.

 

72. Эти  выводы  существенны  только  на  границе  зажи- 

гаемости,  т.  е.  при  разрядах,  намного  более  слабых,  чем 

те,  которые  применяются  на  практике.  При  сильных  искро- 

вых  разрядах,  используемых  в  двигателях,  тепловое  воз- 

действие  также  оказывается  в  некоторой  мере  важным. 

При  интенсивном  движении  заряда  в  камере  сгорания 

число  последующих  разрядов,  обеспечиваемых  индуктив- 

ной  составляющей,  может  иметь  заметное  влияние  на  воз- 

буждение  сгорания,  так  как  каждая  из  последующих  искр 

может  образовывать  новые  очаги  в  движущейся  мимо  свечи 

газовой смеси. 

73.  В  зоне,  близкой  к  искровому  зазору,  скорость  сго- 

рания    намного    меньше    нормальной  скорости  сгорания. 

Это  может  быть  объяснено  большой  кривизной  фронта 

пламени  и,  как  следствие,  более  неблагоприятными  усло- 

виями,  к  которым  относятся  потери  тепла  и  диффузия 

активных  частиц  (см.  рис.  19,  б).  Далее  образуется  зона 

в  виде  совершенной  сферы,  при  которой  достигается  нор- 

мальная  скорость  сгорания;  однако  влияние  турбулент- 

ности  еще  не  ощутимо  из-за  трения  вблизи  стенки  (вклю- 

чая  трение  об  электроды).  Для  газа,  сгоревшего  в  период 

прохождения  пламенем  первых  нескольких  миллиметров 

пути,  скорость  превращения  энергии  будет  очень  низкой 
(абзац 66). Из-за этой низкой скорости и малого объема