Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 17

 

67 

энергия,  освобожденная  в  результате  соединения  с  актив- 

ной  частицей  кислорода,  естественно,  достаточна  для  того, 

чтобы  превратить  малоустойчивое  состояние  возбужден- 

ной  молекулы  в  полностью  неустойчивое,  т.  е.  вызвать 

в  ней  разрыв  одной  или  нескольких  связей.  При  такой 

реакции,  которая  может  считаться  наиболее  вероятной 

при  температурах  выше  400—500°  С  (в  зависимости  от 

природы  вещества),  образуются  разнообразные  продукты; 

только  самые  простые  из  них  устойчивы,  большинство  же 

являются  случайными  промежуточными  продуктами  реак- 

ции.  Высокоактивные  радикалы  с  атомами  кислорода 

ускоряют  цикл  превращений.  Поэтому  при  достаточной 

концентрации  топлива  эти  реакции  идут  быстро  с  образо- 

ванием  пламени  и  резким  повышением  температуры  до 
1500—2500° С (в зависимости от теплотворности смеси).

 

127.  Если      же      концентрации    таковы      (очень    бедная 

смесь),  что  достигается  заметно  меньшая  температура,  чем 
1500°  С  (1000—1200°  С),  то  реакции  распада  идут  в  двига- 

теле  довольно  медленно.  Не  следует  поэтому  концентри- 

ровать  внимание  на  таких  терминах,    как  «температура 

самопроизвольного  взрыва»  и  т.  д.,  и  считать,  что  если 

только  реагенты  смешиваются  при  этой  температуре  или 

температуре  более  высокой,  то  реакция  быстро  завершается. 

Скорость  реакции  всегда  контролируется  температурой, 

достигаемой  после  горения,  которая  иногда  может  умень- 

шаться  за  счет  одновременного  с  реакцией  отвода  тепла. 

Для  эффективного  же  использования  углеводородов  в  дви- 

гателе  температура  пламени  должна  составлять  по  мень- 

шей  мере  около  1500°  С.  При  горении  водорода  достаточна 

более низкая температура.

 

 
ДВА ТИПИЧНЫХ СЛУЧАЯ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ: 
ГОЛУБОЕ И ЖЕЛТОЕ ПЛАМЕНА 

128.  При  техническом  использовании  горения  углево- 

дородов  различают  два  случая,  а  именно:  горение  с  голу- 

бым  пламенем  и  горение  с  желтым  или  светящимся  пламе- 

нем.  В  соответствии  с  существовавшей  ранее  точкой  зрения 

голубое  пламя  является    результатом  реакций  образова- 

ния  альдегидов  и  пероксидов  (а  следовательно,  реакций, 

идущих  без  какого-либо  заметного  распада  -  крекинга 

молекул  углеводородов),  в  то  время  как  желтое  пламя 

считалось следствием крекинга с образованием углерода.

 

3*

 

 

68 

Предполагалось,  что  эти  процессы  протекают  параллельно 

при  высоких  температурах  примерно  с  одинаковой  ско- 

ростью.

 

129.  Термин      «голубое  пламя»      ошибочно      связывали 

с  голубой  люминесценцией  при  предпламенных  реакциях 
(абзац  114).  В  действительности  пламя  имеет  голубой  цвет 

вследствие  газовой  радиации  в  области  длин  волн,  опреде- 

ляемых  характеристикой  компонентов  заряда,  в  основном 

отвечающих  излучению  С

2

,  и  радикалом  СН.  С

2

  является 

газообразным    радикалом    углерода,    а  следовательно,  и 

здесь  состав  газовой  смеси  свидетельствует  о  наличии  как 

реакций распада, так и чисто окислительных реакций. 

130.  Радиация      желтого      пламени      обязана      наличию 

в  пламени  твердых  частиц  углерода  (сажи),  которые  обра- 

зуются  в  результате  конденсации  элементов  С

2

  после  или 

во  время  распада  углеводородов.  Следует  полностью  отка- 

заться  от  простой  концепции,  согласно  которой  цепочка 

углеродных  атомов  молекулы  может  образовываться  в  ре- 

зультате  отделения  от  нее  атомов  водорода,  во  всяком  слу- 

чае  в  применении  к  алифатическим  соединениям.  Это  явле- 

ние  может,  однако,  иметь  место  в  случае  ароматических 

соединений,  в  которых    шесть  атомов  С  жестко  связаны 

один  с  другим.  Во  многих  случаях  при  сгорании  аромати- 

ческих  соединений  также  образуется  голубое  пламя.  Из 

этого  следует,  что  их  ядро  также  распадается  на  ради- 

калы 

. 

Спектр  желтого  пламени  является  сплошным;  пламя 

представляется  просто  раскаленным  облаком  пыли,  состоя- 

щим  в  принципе  из  черного  вещества.  Это  облако  не  яв- 

ляется,  однако,  абсолютно  черным  телом;  при  малых  раз- 

мерах,  имеющих  место  в  двигателях  внутреннего  сгорания, 

оно  достаточно  прозрачно  (серое  тело).  При  рассмотрении 

больших  желтых  нефтяных  пламен  (котлы,  печи,  большие 

газовые  турбины)  облако  можно  приближенно  считать 

абсолютно  черным  из-за  значительной  толщины  (1  м  или 

более),  так  же  как  и  в  наиболее  мощных  дизелях  вслед- 

ствие высокой плотности заряда.

 

131.  Очевидно,  что  полное  исчезновение  атомов  водо- 

рода  из  структур  молекул  углеводородов  и,  как  следствие, 

конденсация  (уплотнение)  связей 

  происходит  только 

тогда,  когда  температура  в  пламени  достаточно  высока 

и  имеется  местный  временный  недостаток  кислорода  (сле- 

дует иметь в виду очень короткие расстояния и интервалы

 

 

69 

времени).  Поэтому  желтое  пламя  просто  свидетельствует 

о том, что смесь не гомогенна 

1

 

132.  Для      каждого    углеводорода    существует  опреде- 

ленный  состав  смеси,  очень  богатой,    при  котором  даже 

в  случае  гомогенной  смеси  пламя  из  голубого  становится 

желтым. Это относится, например, к реакции

 

 

При  большем  содержании  метана  происходит  крекинг 

в  пламени,  что  придает  последнему  желтую  окраску. 

Аналогичное  явление  возможно  и  по  отношению  к  другим 

углеводородам,  хотя  критический  состав  смеси  неизвестен. 

Негомогенность  смеси  является  следствием  несовершен- 

ного  смешения,  особенно  если  углеводород  находится 

в  жидком  состоянии,  так  как  в  этом  случае  образуются 

зоны  с  очень  богатой  смесью  вокруг  отдельных  капелек, 

причем  эти  зоны  продолжают  существовать  в  течение  не- 

большого  отрезка  времени  даже  после  завершения  горе- 

ния.  Смеси,  содержащие  жидкое  топливо,  обычно  горят 

желтым  пламенем,  так  что  горение  в  дизеле  практически 

всегда  сопровождается  желтым  излучением.  В  бензиновом 

двигателе  пламя  обычно  голубое,  но  при  низкой  темпера- 

туре  на  впуске  и  в  случае  богатой  смеси  оно  также  может 

быть желтым.

 

133.  Все  это  важно  не  только  из-за  излучения,  не- 

смотря  на  то,  что  оно  может  быть  намного  интенсивнее  при 

желтом  пламени.  Последнее  важно  при  сгорании  в  печах, 

котлах  (положительное  влияние) 

2

  и  в  газовых  турбинах 

(отрицательное  влияние),    но  в  двигателях    внутреннего 

сгорания      явления      конвекции      имеют    намного    большее 

значение,  чем  потери  тепла  лучеиспусканием.  Даже  в  наи- 

более  мощных  двигателях  лучеиспускающая  толща  заряда 

слишком  мала  для  того,    чтобы  оказывать  значительное 

влияние на   тепловую нагрузку стенок.  По последним

 

1

  В  действительности  сажа  содержит  некоторое  количество  водо- 

рода,  и  при  анализе  она  может  оказаться  соответствующей  формуле 

С

3

Н.

 

2

  При  той  же  температуре  желтое  пламя  будет  иметь  большее  луче- 

испускание,  чем  голубое,  и  поэтому  будет  передавать  больше  тепла 
(благоприятный  момент).  В  действительности  все  гораздо  сложнее,  и  

специальные  горелки  с  очень  короткими  пламенами  могут  на  практике 

работать  при  коэффициенте  использования  воздуха,  равном  единице. 

Вследствие  этого  температура  пламени,  а  также  радиация  его  выше  и, 

кроме того, чище поверхности теплообмена.

 

 

70 

данным  доля  лучеиспускания  в  теплоотдаче  составляет 

около 15%   [9].

 

134.  Крайне  важно  то,  что  при  желтом  пламени  имеется 

органическая  тенденция  к  дымлению;  оно  уже  содержит 

мелкие  частицы  сажи,  которые  непрерывно  растут  в  тече- 

ние  всего  периода  их  существования.  Поэтому  если  мест- 

ный  недостаток  кислорода  продолжается  до  конца  про- 

цесса,  то  частички  сажи  будут  содержаться  в  сгоревших 

газах.  Если  даже  смешение  окажется  к  концу  процесса 

достаточно  совершенным,    эти  частички    могут  остаться 

в  несгоревшем  виде  из-за  низкой  скорости  сгорания,  кото- 

рая  для  твердых  частиц  невелика,  особенно  если  учесть, 

что  углерод  при  температурах  ниже  800°  С  и  между  1200 

и 1400° С в большой мере стоек против окисления. 

135.  Сажа  из  желтого  пламени  легко  осаждается  на 

холодных  стенках.  Это  означает,  что  в  дизеле  осаждение 

сажи  происходит  часто.  Если  стенкой  камеры  сгорания 

является  цилиндр,  то  сажа  будет  осаждаться  на  пленке 

смазочного    масла      и      проникнет  в  масло,  содержащееся 

в картере (абзац 394). 

136.  Кроме    того,      несмотря      на    большое      количество 

воздуха,  подаваемого  в  дизель,  выпуск  его  может  быть 

дымным;  сажа,  образовавшаяся  в  местах,  где  смесь  очень 

богата,  попадает  в  смесь  с  большим  содержанием  кисло- 

рода  только  на  более  поздней  фазе  цикла,  когда  уже  и 

оставшееся    время    и  температура  недостаточны  для    ее 

окисления.  В  газовой  турбине  это  явление  может  наблю- 

даться  при  взлете  самолета  вследствие  переохлаждения  пла- 

мени  из-за  чрезмерно  большого  излишка  воздуха.  Образу- 

ющиеся при этом СО и Η

2

 в основном успевают сгореть. 

137.  При  сгорании  гомогенной  смеси  и  обычных  для 

техники  значениях  коэффициента  КС,  близких  к  единице, 

пламя  голубое  и  отложения  сажи  не  происходит,  но  альде- 

гиды  и  прочие  соединения  могут  образовываться  при  пере- 

охлаждении  пламени  холодными  стенками.  Такие  пламена 

могут  также  быть  получены  в  случае  жидкого  топлива  при 

его  испарении  и  постепенном  смешении  паров  с  воздухом 
(фитильная      керосиновая    горелка)    или    при    однородном 

распыливании  и  последующем  быстром  смешении.  Распы- 

лители,  обычно  применяемые  в  дизелях,  не  совершенны 

в  этом  отношении,  но  следует  иметь  в  виду,  что  они  должны 

выполнять  и  другие,  более  важные  функции  (см.  абзац  303 

и дальнейшие).