Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 19

 

75 

Сгорание в бензиновых и газовых

 

двигателях

 

148.  В    этих    Двигателях,      иногда    объединяемых      под 

термином    двигатели    со    сжатием    смеси      или    двигатели 

с  искровым  зажиганием,  процесс  сгорания  смеси  имеет 

характер    постепенного  взрыва,    в  большинстве  случаев 

начинающегося от одной или двух свечей зажигания.

 

В  последние  годы  нашло  применение  также  иниции- 

рование  горения  за  счет  самовоспламенения  небольшого 

количества  жидкого  топлива,  в  большинстве  случаев 

дизельного,  а  иногда  и  специальной  зажигающей  жид- 

кости.  Этот  метод  осуществления  процесса  будет  разо- 

бран отдельно.

 

Практически  во  всех  этих  случаях  горючая  смесь, 

которая  в  момент  воспламенения  может  рассматриваться 

как  гомогенная,  образуется  в  период  процесса  впуска. 

С  точки  зрения  горения  безразлично,  осуществляется  ли 

приготовление  смеси  вне  цилиндра  (карбюратор,  смеси- 

тельный  клапан,  впрыск  во  впускную  трубу)  или  непо- 

средственно  в  цилиндре  двигателя  (впрыск  в  период 

впуска).

 

В  дальнейшем  такие  проблемы,  как  неравномерное 

распределение,  из-за  которого  отдельные  цилиндры  полу- 

чают  смесь  различного  состава  или  смесь,  обладающую 

различной  антидетонационной  стойкостью,  будут  затраги- 

ваться в связи с их влиянием на горение.

 

 
 
НОРМАЛЬНОЕ ГОРЕНИЕ 

149.  Как      уже      было      отмечено,      постепенный      взрыв 

в  двигателе  происходит  в  смеси,  которая  была  приведена 

в интенсивное движение или турбулизована,  а иногда

 

 

76 

характеризуется  и  направленными  потоками,  возбужден- 

ными  в  период  впуска  или  во  время  сжатия.  Это  приводит 

к  тому,  что  скорость  пламени  существенно  превышает 

нормальную  скорость  горения  и  достигает  значений  по- 

рядка  от  30  до  40  м/сек  и  более,  вследствие  чего  сгорание 

может  быть  завершено  в  течение  времени,  соответству- 

ющего  нескольким  десяткам  градусов  поворота  колен- 

чатого  вала.  Так  как  указанные  движения  заряда  боль- 

шей  частью  вызваны  движением  поршня  (абзац  64), 

они  усиливаются  при  увеличении  скорости  вращения 

коленчатого  вала,  что  приводит  к  высокой  степени  при- 

способляемости  скорости  пламени  к  скоростному  режиму 

двигателя, 

делая 

возможным 

получение 

эффективного 

процесса  в  широком  диапазоне  изменения  чисел  оборо- 

тов.  В  то  же  время  при  усилении  турбулизации,  которая 

в  первом  приближении  пропорциональна  скорости  вра- 

щения,  увеличивается  теплоотдача  в  стенки  камеры 
"сгорания.  Можно  принять,  что  теплоотдача  пропорцио- 

нальна  числу  оборотов  коленчатого  вала  двигателя  в  сте- 

пени 2/3.

 

150.  Различные  наблюдения:  визуальные  —  через  ма- 

ленькие  кварцевые  окна,  установленные  в  нескольких 

местах  головки,  и  позднее  —  через  большие  окна,  позво- 

ляющие  наблюдать  горение  целиком,  а  также  с  помощью 

так  называемых  ионизационных  промежутков  (датчиков), 

установленных  в  нескольких  точках  камеры,  которые 

последовательно  становятся  токопроводящими  из-за  про- 

двигающегося  фронта  пламени,  сделали  возможным  изу- 

чение  горения  в  двигателях  с  искровым  зажиганием, 

причем  полученные  результаты  оказались  в  соответствии 

с  теоретически  ожидаемыми.  На  рис.  32  показаны  фото- 

графии  процессов  горения,  ясно  иллюстрирующие  на- 

правление  потоков,  имеющихся  в  камере  (три  различных 

взрыва).  Еще  лучшие  результаты  были  получены  в  случае 

применения  так  называемого  Шлирен-метода,  основанного 

на  использовании  преломления  света  от  сильных  источ- 

ников,  таких  как  электрические  разряды.  Так  как  сте- 

пень  преломления  света  является  следствием  различий 

плотности  газового  заряда,  то  оказывается  возможным 

наблюдение  переменной  плотности  смеси  в  камере  сгора- 

ния.  При  этом  методе  используются  короткие  выдержки 
(10

-6

  сек)  и  поэтому  оказывается  возможным  наблюдение 

влияния даже очень малых пульсаций в турбулизирован-

 

 

77 

ной  массе  заряда  (рис.  33).  Фронт  пламени,  имеющий 

наибольшие  отличия  плотности  от  остального  заряда, 

оказывается, имеет большую ширину (толщину) в неко-

 

 

Рис. 32. Фотографии   пламени, полученные на двигателе

 

фирмы Дженерал Моторс, иллюстрирующие  влияние тур-

 

булизации заряда

 

торых  местах,  что  могло  бы  свидетельствовать  о  более 

продолжительном  времени  реакции.  Хотя  это  находится 

в соответствии с представлениями некоторых исследова-

 

 

Рис.  33.  Шлирен-фотографии,  полученные  на  двигателе 

NACA  при  единичном  взрыве,  иллюстрирующие  турбулент- 

ный характер горения. Использованы две свечи зажигания

 

телей,  более  простым  объяснением  этого  факта  может 

служить  трехмерность  фронта  пламени,  регистрируемого 

на  фотографиях,  что  делает  возможным  получение  ча- 

стично косой его проекции.

 

 

78 

151.  Использование  фотографий,  подобных  приведен- 

ным  на  рис.  32,  и  диаграмм  давления,  полученных  одно- 

временно  с  фотографиями,  позволило  оценить  количества 

энергии,  выделенные  в  единицу  времени,  причем  для 

каждого  момента  времени  общее  количество  сгоревшей 

смеси  получалось  из  диаграмм  давления,  а  объем  сгоре- 

вшей  смеси  определялся  по  фотографиям  [12].  Было 

получено  весьма  хорошее  совпадение,  указывающее  на 

то, что превращение энергии завершается уже достаточно

 

близко  за  фронтом  пла- 

мени.  Также  было  выяв- 

лено,  что  отношение  объе- 

мов  газов  до  и  после  горе- 

ния  находится  в  соответ- 

ствии  с  термодинамическим 

расчетом, 

проведенным 

при 

помощи 

графиков 

Хоттеля  [13].

 

152. 

Если 

в 

экспери- 

ментальном 

двигателе 

со  степенью  сжатия  ε  =  5 

на  основании  эксперимента 

построить 

зависимость 

массы  уже  сгоревшего  за- 

ряда 

от 

объема 

заряда 

после  сгорания,  то  полу- 

чается  кривая  (рис.  34),  характер  протекания  которой 

показывает,  что  значительная  часть  энергии  претерпевает 

превращение  в  последней  части  объема  полости  камеры 

сгорания. 

Это 

объясняется 

предварительным 

сжатием 

несгоревшего заряда в этом объеме (см. абзац 52).

 

153.  Требования  к  бездетонационному  сгоранию  были 

изложены  в  абзаце  9.  Из  них  здесь  одно  подчеркнем  осо- 

бенно.  В  авиационном  двигателе,  например,  учитывая 

необходимость  достижения  в  нем  высокой  литровой  мощ- 

ности,  а  также  принимая  во  внимание  тепловую  напря- 

женность,  с  одной  стороны,  упор  делается  на  достижение 

высокого  наполнения  (за  счет  относительно  умеренных 

скоростей  впуска)  и  снижение  тепловых  потерь  (слабая 

турбулизация).  С  другой  стороны,  стремятся  достигнуть 

максимальной  экономии  топлива  при  полетах  на  дальние 

расстояния,  что  достигается  увеличением  степени  сжа- 

тия ε и применением более стойкого к детонации (более

 

78

 

 

Рис 34. Зависимость между массой 

и объемом сгоревшей смеси