Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 12

 

47 

по  сравнению  с  его  значением  при  пуске  двигателя  приво- 

дит  к  увеличению  теплопередачи  и,  как  следствие,  вызы- 

вает  дальнейшее  повышение  температуры  стенки.  Этот 

процесс  может  быть  сходящимся  или  расходящимся,  при- 

чем  всегда  имеется  опасность,  что  он  может  оказаться  рас- 

ходящимся  вследствие  значительной  теплопередачи  в  пе- 

риод,  когда  поршень  находится  вблизи  в.  м.  т.  Теплопере- 

дача  эта  так  значительна,  что  изменение  термической 

нагрузки  на  детали,  связанное  с  опережением  воспла- 

менения  на  один  градус,  является  уже  относительно  боль- 

шой  величиной.  Объемное  самовоспламенение  при  высо- 

кой  теплонапряженности  никогда  не  было  реализовано 

на  практике.  В  какой-то  мере  похожие  процессы  имеют 

место  в  калоризаторных  двигателях.  Но  при  этом  обычно 

часть  процесса  смешения  переносится  на  более  поздний 

период  с  тем,  чтобы  внести  дополнительные  контролиру- 

ющие  факторы.  При  этом  само  сгорание  является  частично 

диффузионным.

 

94.  Описанный  процесс  очень  опасен  в  случае,  когда 

он      возникает      при      нормальном      процессе  —  происходит 

детонация    в    условиях    высокой  термической    нагрузки. 

Как  показано  далее,  на  термическую  нагрузку  особенно 

влияет  движение  заряда,  вызванное  детонацией.  Наличие 

горячего  выпускного  клапана  и  свечи  зажигания  увеличи- 

вает  в  этом  случае  опасность  возникновения  калильного 

зажигания  и  разрушительного  преждевременного  сгора- 

ния.      Иногда    все    предпламенные    процессы    происходят 

при  этом  за  столь  короткий  промежуток  времени,  что 

воспламенение  наступает  уже  в  период  впуска  (хлопки 

в карбюраторе). 

95.  Ни  постепенный  взрыв,  ни  диффузионное  горение 

не  зависят  в  заметной  степени  от  температуры  стенок.  При 

постепенном    взрыве  такая  зависимость    имеется  только 

для  частей  заряда,  которые  могут  рассматриваться  как 

пограничный    слой.      При    соответствующей      конструкции 

двигателя  и  достаточной  турбулизации  с  точки  зрения 

стабильности процесса этими эффектами можно пренебречь. 

96.  Резюмируя      сказанное,      можно      утверждать,      что 

следует  избегать  процесса  сгорания  по  типу  одновремен- 

ного  взрыва,  а  в  случае,  если  этот  процесс  принят  в  проек- 

тируемом  двигателе,  нужно  добиться  короткого  периода 

задержки  воспламенения,  т.  е.    впрыск  топлива  следует 

производить незадолго до в. м. т. 

 

48 

Таким  образом,  на  основе  большой  исследовательской 

работы  для  практического  применения  остались  пригод- 

ными  лишь  следующие  два  стабильных  процесса  го- 

рения.

 

А.  Двигатель  со  сжатием  горючей  смеси  и  искровым 

зажиганием,  в  котором  вследствие  тщательного  конструи- 

рования  и  подбора  топлива  не  происходит  одновременного 

взрыва  (детонации)  и  калильного  зажигания.  Внешний 

источник  энергии  (искра)  инициирует  процесс  постепен- 

ного взрыва в желаемый момент незадолго до в. м. т.

 

Б.  Двигатель  со  сжатием  воздуха  и  впрыском  топлива 

незадолго  до  в.  м.  т.,  в  котором  происходит  самопроиз- 

вольное  воспламенение  за  счет  тепла  сжатия,  иногда  не 

без  участия  горячих  стенок.  В  этом  случае  самопроиз- 

вольное  воспламенение  обычно  относится  к  небольшой 

части  впрыснутого  топлива  и  служит  только  для  иниции- 

рования  дальнейшего  более  усложненного  процесса  сго- 

рания.

 

97.  Еще  большая  степень  стабильности  процесса  может 

быть  достигнута  путем  комбинации  внешнего  источника 

энергии  (искры)  для  возбуждения  процесса  с  образованием 

смеси  к  моменту  воспламенения,  что  в  принципе  предот- 

вращает  какую-либо  неопределенность  в  отношении  τ

i 

. 

Такие  процессы  были  предложены  Гессельманом,  Барбе- 

ром  и  др.  (см.  абзац  221  и  далее),  однако  на  практике 

эти  процессы  не  оказали  заметного  влияния  на  общее 

развитие  двигателей.  Основной  трудностью,  возникающей 

при  использовании  этого  процесса,  всегда  было  то,  что  тре- 

буемый  поздний  впрыск  ограничивает  значение  коэффи- 

циента  использования  воздуха,  который  может  эффективно 

применяться без заметного дымления.

 

При  наивысшем  достигнутом  значении  коэффициента 

КС  наблюдается  весьма  заметное  уменьшение  экономично- 

сти,  являющееся  результатом  чрезмерно  затянувшегося 

смешения.  Уменьшение  экономичности  до  некоторой  сте- 

пени  компенсируется  высокой  степенью  сжатия,  что, 

естественно,  приводит  также  к  возможности  использова- 

ния  метода  самопроизвольного  воспламенения  без  ка- 

ких  либо  серьезных  затруднений  (особенно  в  случае, 

если  используются  рыночные  высококачественные  то- 

плива).

 

Необходимость  во  «всеядных»  двигателях  (двигателях, 

которые могут работать эффективно на большом диапазоне

 

 

49 

топлив  различного  фрикционного  состава)  для  военных  це- 

лей  или  для  использования  в  недостаточно  экономически 

развитых  странах  не  привела  еще  к  большой  степени 

развития  этого  третьего  главного  типа  двигателей,  потому 

что  дизели  некоторых  вариантов  (с  предкамерами,  двига- 

тели  с  М-процессом)  могут  сами  по  себе  быть  в  высокой  сте- 

пени  «всеядными».  В  то  же  время  в  дизеле,  естественно, 

нет необходимости в использовании свечей зажигания.

 

 

ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ 

98. 

Уже  упоминалось,  что  все,  даже  на  первый  взгляд 

очень    простые  реакции    проходят  как  цепные  реакции 

с  соответственно  достаточно  сложным  механизмом.  В  реа- 

гирующей  смеси  могут  содержаться  различные  промежу- 

точные  продукты,    которые,  если  только  они  окажутся 

стойкими,  могут  образовывать  отложения  в  камере  сгора- 

ния  и  присутствовать  в  качестве  вредных  примесей  в  отра- 

ботавших  газах.  Изучение  природы  промежуточных  про- 

дуктов  сгорания  может  дать  интересные  сведения  о  харак- 

тере  отклонения  действительного  процесса  сгорания  от 

теоретически      вообразимого      идеального      процесса.      Как 

следствие,  во  многих  случаях  могут  быть  сделаны  выводы 

о  методах  улучшения  процессов.  Таким  образом,  можно 

также  составить  по  меньшей  мере  некоторое  представле- 

ние  о  различиях  в  поведении  тех  или  иных  химических  ве- 

ществ  в  процессах  сгорания  отдельных  типов,  обсужден- 

ных выше.

 

99. 

Наряду  с  топливами,  с  поведением  которых  в  упо- 

мянутой  связи  нужно  познакомиться,  следует  также  рас- 

сматривать  и  смазочные  масла,  которые  проникают  в  ка- 

меру  сгорания,  сгорают  и  могут  образовывать  отложения. 

Масла  очень  близки  по  химическому  составу  к  наиболее 

широко  применяемым  топливам,  состоящим  в  основном 

из углеводородов. 

100.  Рассмотрим  кратко  свойства  веществ,  участвую- 

щих  в  рассматриваемых  процессах.  Помимо  элементарных 

газов,  таких  как  водород  (Н

2

)  и  окись  углерода  (СО),  ос- 

новная  группа  веществ  включает  весь  диапазон  углеводо- 

родов  и,  кроме  того,  некоторые  их  производные,  особенно 

спирты  и  жирные  кислоты.  Углеводороды  подразделяются 

на две большие группы — цепные соединения и цикличе- 

 

50 

ские  соединения;  имеются  также  многочисленные  комби- 
нации  циклических  соединений  с  ответвлениями  в  виде 
цепей.  Углеводороды  могут  быть  либо  насыщенными,  если 
между  двумя  атомами  углерода  имеется  только  одна  связь 

(схематически

),  либо  ненасыщенными,  если  в  мо- 

лекуле  имеется  двойная  или  тройная  связь  между  двумя 
атомами углерода (соответственно схематически

 

или 

).  В общем случае двойная связь в цепи

 

(олефиновая  связь)  делает  молекулу  более  склонной  к  хи- 

мическим  взаимодействиям,  в  особенности  в  случае  про- 

цессов  окисления,  идущих  при  низких  температурах. 

При  более  высоких  температурах  вероятность  разрушения 

молекул  вследствие  колебаний  преобладает  над  вероят- 

ностью  строго  локализованного  столкновения,  так  что 

в  этом  случае  определяющим  фактором  является  в  первую 

очередь  общее  строение  молекулы.  Экзотермические  энер- 

гии 

связей

имеют 

относительно 

неболь- 

шое  значение,  в  результате  чего  теплотворная  способность 

большинства  углеводородов  приблизительно  равна  сумме 

значений  теплот  сгорания  количеств  углерода  и  водорода, 

содержащихся  в топливе.

 

Тройная  (ацетиленовая  )  связь  характеризуется  высо-  -. 

кой  эндотермичностью,  вследствие  чего  ацетилен  (и  в  мень- 

шей  степени  его  производные)  обладает  теплотворной 

способностью  намного  более  высокой,  чем  та,  которая 

отвечала  бы  просто  сгоранию  содержавшихся  в  нем  угле- 

рода  и  водорода  в  СО

2

  и  Н

2

О.  При  сгорании  скрытая 

энергия,   аккумулированная   в  связи

,  высвобож-

 

дается,  существенно  увеличивая  общее  количество  выде- 

лившегося  тепла  (известно,  что  ацетилен  склонен  к  взрыву). 

Двойные  связи  бензола  (С

6

Н

6

)  не  следует  рассматривать 

как  нормальные  (олефиновые)  двойные  связи.  Здесь  шесть 

свободных  валентностей  шести  атомов  углерода  образуют 

совместно  в  целом  одну  сильную  связь  (известно,  что  шести- 

угольник  атомов  углерода  является  основой  графита  — 

весьма  огнеупорного  вещества).

 

101.  Рассмотрим  некоторые  углеводороды  и  органи- 

ческие  соединения  кислорода  (ниже  атомы  водорода  иногда 

опускаются;  следует  иметь  в  виду,  что  они  заполняют  все 

остающиеся  свободными  валентности).