Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 10

 

39 

газов,  сгоревших  в  течение  начального  периода,  на 

диаграммах 

давления 

отражено 

явление, 

именуемое 

периодом  задержки  или  задержкой  воспламенения 
(рис.  19,  а),  хотя  оно  ни  в  коей  мере  не  идентично  периоду 

задержки  или  индукционному  периоду  при  одновремен- 

ном  взрыве  (объемном  самовоспламенении).  Сходство 

лишь  в  том,  что  в  течение  этого  периода  также  не  наблю- 

дается  ощутимого  увеличения  давления.  Указанному  яв- 

лению 

экспериментаторами 

не 

уделялось 

достаточного 

внимания,  и  это  очень  жаль,  так  как  доказано,  что  оно 

очень  важно  для  изучения  специальных  проблем  в  двига- 

телях с искровым зажиганием (см. абзац 156),

 

 
ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ 

74.  Как  следует  из  самого  определения,  этот  тип  горе- 

ния  имеет  место  при  условиях,  когда  скорость  реакции 

значительно  выше  скорости  смешения  реагентов.  В  этом 

случае  исследование  полностью  сводится  к  изучению  про- 

цесса  смешения,  который  можно  представить  как  смешение 

двух  концентричных  потоков  газа  (см.  рис.  8).  При  этом 

принимают,  что  газ,  протекающий  внутри,  должен  сме- 

шаться  с  газом,  текущим  снаружи,  проникая  в  него  с  оди- 

наковыми  во  всех  направлениях  скоростями.  Если  оба  по- 

тока  ламинарны,  то  смешение  происходит  за  счет  молеку- 

лярной  диффузии,  когда  скорость  диффузии  для  каждого 

компонента  газа  пропорциональна  градиенту  концентра- 

ции  и  его  частному  коэффициенту  диффузии  D.  Последний 

зависит  от  средней  скорости  диффундирующих  частиц, 

и  так  как  в  случае  газа  энергия  в  среднем  всегда  распре- 

делена  одинаково,  то  D  оказывается  более  высоким  для 

малых  легких  частиц,  чем  для  тяжелых.  Как  широко  из- 

вестно,  Η

2

  диффундирует  очень  быстро,  а  тяжелые  угле- 

водороды  значительно    медленнее.      Для    метана    коэффи- 

циент диффузии D примерно равен 0,5 см

2

/сек. 

75.  Реакция  горения  происходит  в  полученной  таким 

образом  зоне  смешения,  причем  вопрос  о  том,  каким  обра- 

зом  развивается  процесс,  важен  только  с  точки  зрения  из- 

лучения  и  возможности  сажеобразования  (см.  абзац  128 

и  дальше).    Было  найдено,    что  кислород  диффундирует 

в  зону  смешения  быстрее,  чем  азот,  вследствие  того,  что  он 

существует  не  только  в  виде  молекул  О

2

,  но  также  в  форме 

О и ОН. 

 

40 

76.  За  исключением  маленьких  газовых  горелок,  в  ко- 

торых  выключена  подача  воздуха,  процесс  смешения,  опи- 

санный  выше,  на  практике  не  осуществляется;  потоки 

обычно  турбулентны.  При  этом  части  объема  одного  газа 

переносятся в другой, и наоборот, за счет турбулентности.

 

Вследствие  этого,  как  и  в  случае  фронта  пламени  при 

постепенном  взрыве  (абзац  62),  площадь  поверхности, 

разграничивающей  два  потока  газа,  значительно  увеличи- 

вается;  при  этом  ускорения  процессов  смешения  и  сгора- 

ния 

оказываются 

совершенно 

аналогичными. 

Следует 

помнить,  что  при  таком  характере  движения  газов  и  соот- 

ветствующем  ускорении  процесса  исчезают  различия  в  по- 

ведении  газовых  компонентов.  Тоул  и  Шервуд  [6],  на- 

пример,  обнаружили  одинаковую  диффузию  СО

2

  и  Н

2

, 

имеющих  резко  различные  значения  коэффициента  диффу- 

зии  D,  в  сильно  турбулизированный  воздух  (Re  =  90  000). 

При  умеренной  турбулентности  и  наличии  ламинарного 

пограничного  слоя  скорости  диффузии  различных  газов 

могут  быть  различны  в  соответствии  со  значениями  D. 

То  же  самое  происходит  со  скоростями  постепенного 

взрыва:  в  камерах  сгорания  с  повышенной  турбулизацией 

различия  в  значениях  нормальной  скорости  сгорания  прак- 

тически  не  влияют  на  действительную  скорость  сгорания, 

в  то  время  как  при  слабой  турбулентности  это  влияние 

обнаруживается.

 

77.  Сгорание  в  дизеле,  начиная  с  момента,  когда  про- 

изошло  воспламенение,  в  большой  мере  имеет  характер 

диффузионного.  Достижение  быстрого  и  полного  сгорания 

зависит  в  основном  от  смешения.  Проблема  смешения  ста- 

новится  особенно  трудной,  если  процесс  горения  должен 

проходить  при  использовании  наибольшей  части  воздуш- 

ного  заряда  для  того,  чтобы  обеспечить  достижение  макси- 

мально  возможного  среднего  давления  цикла  при  одновре- 

менно  высокой  экономичности.  Степень  требований  в  от- 

дельных  случаях  различна.  Так,  крупные  дизели  для  под- 

держания  в  них  термических  напряжений  на  приемлемом 

уровне  работают  с  большим  избытком  воздуха,  в  то  время 

как  в  малых  быстроходных  дизелях  часто  особенно  важно 

достигнуть  максимальной  удельной  мощности,  а  для  этого 

нужно  использовать  как  можно  лучше  располагаемый 

кислород.

 

Смешение  топлива  с  воздухом  в  первую  очередь  дости- 

гается за счет значительных относительных перемещений:

 

 

41 

струи  топлива  проникают  в  глубь  пространства  сгорания, 

а  воздух  сам  в  ряде  случаев  приводится  в  сильное  движе- 

ние. 

Завершению 

горения 

способствует 

молекулярная 

диффузия,  обеспечивающая  смешение  в  самых  небольших 

вихревых и неподвижных зонах смеси (абзац 63).

 

 
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ МЕЖДУ ОДНОВРЕМЕННЫМ 
И ПОСТЕПЕННЫМИ ВЗРЫВАМИ 

78.  Из-за  специфических  условий,  таких,  например, 

как  высокая  начальная  температура,  неравномерное  рас- 

пределение  температур  и  неоднородность  составов  смеси, 

могут иметь место промежуточные процессы, которые соче-

 

Рис.   24.    Переход   от

 

самопроизвольного 

к постепенному взрыву:

 

1 — оптимальные условия 

по составу смеси и темпе- 

ратуре.  Стрелками  пока- 

зано  направление  разви- 

тия постепенного взрыва

 

тают  два  рассмотренных  выше  типа  горения.  Остановимся 

вкратце  на  этих  процессах  ввиду  их  практической  важ- 

ности.

 

79. 

В  случае  неравномерного  температурного  поля 

одновременный  взрыв  произойдет  раньше  в  той  части  за- 

ряда,  где  температура  была  максимальной.  Из-за  измене- 

ния  температуры  по  времени,  происходящего,  как  описано 

в  абзаце  37,  образуется  постоянно  возрастающий  градиент 

температуры,  так  что  создавшиеся  условия  благоприят- 

ствуют  распространению  постепенного  взрыва,  иницииро- 

ванного  в  одной  точке  (очаге  зажигания,  рис.  24).  Ско- 

рость  распространения  постепенного  взрыва  в  этом  случае 

будет  выше,  чем  в  смеси,  в  которой  не  было  предпламен- 

ных  реакций.  В  разбираемом  случае  в  смеси  перед  распро- 

странением  пламени  уже  образовались  более  или  менее 

значительные  количества  радикалов.  Кроме  того,  вслед- 

ствие  внезапного  расширения  в  очаге  зажигания  может 

возникнуть и распространиться волна давления, которая

 

 

 

42 

через 

адиабатное 

сжатие 

способствует 

одновременному 

воспламенению  смеси  и  таким  образом  обеспечивает  рас- 

пространение  горения  со  скоростью  звука  (или  с  большей 

скоростью  в  случае  большой  амплитуды  давления).  Рас- 

пространение  горения  этого  типа  оказывается  сходным 

с  распространением  детонации  (абзац  46),  но  в  данном  слу- 

чае  импульс  давления  не  является  носителем  всей  энергии, 

а лишь возбуждает начало процесса.

 

80.  В  таких  случаях  может  иметь  место  не  распростра- 

нение  пламени,  а  самоуправляемое  перемещение  зоны 

реакции, что и наблюдается при сгорании смеси в трубах,

 

Рис. 25.   Схема  само- 

произвольного    взрыва 

в     трубе    по   методу 

Петера Ллойда:

 

/ — зона   горения;   1 — 

температура;       2 — ско- 

рость   реакции

 

возникшем  в  результате  самовоспламенения  [7].  Если 

гомогенная  смесь  пропускается  через  трубу  в  виде  турбу- 

лентного  потока,  имея  достаточно  высокую  начальную  тем- 

пературу,  то  за  период  индукции  потоком  будет  пройдено 

определенное  расстояние,  в  конце  которого  образуется 

зона  реакции  (рис.  25).  Здесь  имеется  внешнее  сходство 

с  возникновением  постепенного  взрыва,  однако  на  самом 

деле  условия  существенно  иные.  Скорость  движения  смеси 

может  регулироваться  по  желанию  в  широких  пределах, 

и  при  этом  перенос  тепла  или  радикалов  из  зоны  реакции 

не будет влиять на несгоревшую смесь.

 

81.  Упомянутое  явление  может  представлять  интерес 

для  осуществления  непрерывного  горения  в  камерах 

сгорания  газовых  турбин  и  реактивных  двигателей,  где 

трудно  поддерживать  режим  постепенного  взрыва,  для 

которого  необходимы  либо  сравнительно  низкие  скорости 

течения  и,  следовательно,  очень  большие  проходные  сече- 

ния,  либо  в  противном  случае  очень  высокая  степень 

турбулентности,  связанная  с  большими  потерями  энергии. 

Вследствие того, что термодинамические циклы упомяну-