Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 28

 

111 

Согласно  опытам,  проведенным  также  в  б.  Дельфтской 

лаборатории,  характер  таких  колебаний,  относительные 

амплитуды  которых  определяются  формой  камеры  сго- 

рания,  оказался  практически  не  зависимым  от  места  рас- 

положения  свечи  зажигания  (а  значит,  и  конечной  части 

заряда).  Интенсивность  движения  заряда  возрастает  бо- 

лее  или  менее  значительно  из-за  этих  явлений,  сопрово- 

ждающих  детонацию  (рис.  62),  и,  как  следствие,  увели- 

чиваются  потери  тепла  в  стенки.  Поэтому  наблюдается 

повышение температуры деталей, составляющих камеру

 

   

Рис.  62.  Зависимость  тем- 

пературы  головки    цилин- 

дра    от      угла  опережения 

зажигания:

 

1  —  при  детонации;  2  —  без 

детонации

 

Рис.   63.   Схема   камеры   сгорания 

авиационного    двигателя    с   η =

 

= 2000 об/мин

 

сгорания,  а  увеличенные  тепловые  потери  вызывают 

снижение  мощности.  Температура  отработавших  газов 

при  детонации  снижается  из-за  совместного  влияния  за- 

вершения  сгорания  у  в.  м.  т.  и  повышенных  потерь  тепла 

в ходе расширения.

 

200.  Степень  проявления  отмеченных  последствий  де- 

тонации  может  сильно  варьироваться.  В  общем  случае 

возможность  колебания  заряда  возрастает  пропорцио- 

нально  размеру  камеры  сгорания,  так  как  при  этом  растет 

масса  газа,  а  собственная  частота  его  колебаний  падает. 

Автор  нашел,  что  на  авиационном  двигателе  «Бристоль», 

имевшем  камеру  сгорания,  показанную  схематически  на 

рис.  63,  взрыв  примерно  10%  заряда  (а  следовательно, 
10%-ная 

детонация)  вызывает  значительные  колебания 

давления,  а  при  взрыве  от  15  до  20%  уже  невозможно 

было  работать.  Однако  в  двигателе  CFR  (рис.  64,  а), 

широко  используемом  для  определения  антидетонацион- 

ной стойкости топлив, не наблюдалось заметных колебаний

 

 

 

 

112 

давления  в  объ еме  газа  даже  при  детон ации  от  40 

до  50%  заряда  (рис.  64,  б)  и,  кроме  того,  имела  место 

только  небольшая  потеря  мощности,  поэтому  несмотря  на 

возможность  изменения  степени  сжатия  этого  двигателя, 

практически  не  удавалось  определить  МПСС  топлива. 

Эти  различия  частично  объясняются  разницей  в  диа- 

метрах   цилиндра.   Различие  в   числах   оборотов  также

 

важно;  на  высоких  числах  обо- 

ротов  турбулизация  становится 

более  интенсивной,  и  хотя  это 

не  может  оказать  влияния  на 

скорость 

реакций 

самопроиз- 

вольного 

воспламенения 

(аб- 

зац  42),  увеличение  турбулиза- 

ции 

улучшает 

равномерность 

распределения 

температур, 

вследствие  чего  более  точно  вос- 

производятся 

условия 

одновре- 

менного 

взрыва, 

и 

детонация 

становится 

более 

интенсивной. 

201. 

Колебания  газа  в  дви- 

гателе  обнаруживаются  на  слух 

из-за  того,  что  изнутри  стенки 

подвергаются 

воздействию 

зна- 

чительных 

усилий. 

Вследствие 

высокой  частоты  [от  3000  до 
6000  гц  или  примерно  450/D 
(D  —  в  м)  ]  этот  звук  привел 

к  появлению  термина  «звон» 
(в  Америке  —  «свист»).  Еще 

в  1934  г.  Боерледж  [3]  указал 

на  то,  что  в  двигателе  CFR  слышен  не  звенящий  звук, 

а  скорее  стучащий.  Это  нужно  отнести  за  счет  вибрации 

подвижных  частей  под  влиянием  значительного  и  внезап- 

ного  общего  повышения  давления,  что  вызывает  звук  значи- 

тельно  более  низкой  частоты,  чем  частота  колебаний  газа 

в  цилиндре.  Когда  коленчатый  вал  начинает  вибрировать 

в  результате  быстрого  повышения  нагрузки  (см.  индика- 

торную  диаграмму  с  40%-ной  детонацией  на  рис.  64,  б), 

то  поршень  может  стать  источником  сильного  стука.  Од- 

нако  даже  при  этом  звук  от  колебаний  газа  все  еще 

не  прослушивается.  Хотя  в  связи  с  этим  и  возникало 

сомнение в том, что в таком двигателе, как двигатель CFR,

 

 

Рис.     64.    Двигатель    CFR

 

с я = 900 об/мин:

 

а — схема    камеры     сгорания; 

б — индикаторная     диаграмма, 

снятая   при  определении   окта- 

новых чисел

 

 

113 

имеет  место  и  регистрируется  то  же  самое  явление,  что 

и,  например,  в  двигателе  Ε  35  большей  размерности 
(который  производил  четкий  звенящий  шум)  или  во 

многих  других  двигателях,  применяемых  на  практике, 

сейчас  установлено,  что  во  всех  этих  случаях  имеет  место 

только  различное  проявление  того  же  самого  взрыва 

конечной  части  заряда,  причем  различия  определяются 

конструкцией  двигателя  и  усло- 

виями эксплуатации.

 

202.  Уместно      отметить,      что 

сравнительное      измерение    интен- 

сивности  детонации    (так  называе- 

мая    оценка    детонации)  в  двига- 

теле  CFR,  для  чего  последний  и 

был   специально   создан,   всегда 

осуществляется  с  помощью  специ- 

альной    аппаратуры    (например, 

так  называемого  подпрыгивающего 

стержня   Миджлея),   в   то   время 

как  в  случае  авиационных    двига- 

телей,  обладающих  намного  боль- 

шей  тенденцией  к  возникновению 

колебания  газа,  надежные  сравни- 

тельные   измерения   могут   быть 

сделаны просто на слух, 

203.  Внезапное  повышение  дав- 

ления  и  колебания  последнего  при- 

водят  к  увеличению  опасности  ме- 

ханических  повреждений  поршней, 

имеющих      высокую      температуру. 

Процесс характеризуется слишком 

высокой  частотой  для  возможности  повреждения  других 

деталей,  если  только,  конечно,  не  имеет  место  очень 

сильная  детонация.  Возникают  и  другие  трудности,  в  част- 

ности,  в  связи  с  прочностью  поршневых  колец.  Внезапное 

нарушение  равновесного  распределения  давления  может 

вызвать  прогиб  верхнего  поршневого  кольца,  в  результате 

чего  второе  кольцо  также,  как  правило,  выходит  из  строя, 

причем  любое  из  этих  колец  или  же  нижнее  механически 

достаточно  слабое  масляное  кольцо  могут  разломаться 

на  части.  Нарушение  контакта  между  кольцами  и  стенкой 

цилиндра,  в  свою  очередь,  оказывает  неблагоприятное 

воздействие на отвод тепла.

 

 

Рис. 65. Поломка поршня

 

в результате интенсивной

 

детонации

 

 

114 

204.  В  случае  очень  интенсивной  детонации,  имею- 

щей,  например,  место  в  авиационных  двигателях,  может 

наблюдаться  типичный  питтинг,  который,  вероятно,  сле- 

дует  отнести  за  счет  явления  коррозии,  возникающей 

из-за  наличия  радикалов  в  зоне  последней  части  заряда. 

На  рис.  65  показан  пример  таких  повреждений,  причем 

характер  их  здесь  заметно  отличается  от  характера  по- 

вреждений, 

вызванных 

преждевременным 

воспламене- 

нием.  Следует  иметь  в  виду,  однако,  что  при  достаточно 

высокой термической нагрузке детонация может вызвать

 

преждевременное      воспла- 

менение.

 

205. 

Хотя 

детальное 

рассмотрение 

. 

различных 

факторов, 

вызывающих 

появление 

детонации, 

не 

входит  в  задачу  автора  и, 

несмотря  на  то,  что  по  этому 

вопросу 

уже 

опубликована 

обширная 

литература, 

не- 

которые 

моменты 

будут 

тем  не  менее  здесь  кратко 

рассмотрены.

 

Как  отмечалось  в  абзаце  197,  возникновение  детонации 

определяется  температурой  и  давлением  конечной  части 

заряда,  но  не  все  углеводороды  одинаково  чувствительны 

к  этим  двум  факторам.  При  увеличении  температуры  на 

впуске  в  двигатель  уменьшается  степень  сжатия  ε,  при 

которой  наблюдается  определенная  интенсивность  дето- 

нации  (например,  МПСС,  а  также  ε  для  «зарождающегося» 

стука,  что  отвечает  самому  началу  детонации,  которая 

только  начинает  прослушиваться  опытным  эксперимента- 

тором  или  может  быть  зарегистрирована  соответствующим 

прибором).  На  рис.  66  видно,  что  в  случае  топлива  с  вы- 

соким  содержанием  ароматических  компонентов  МПСС 

уменьшается  на  большую  величину  при  увеличении  тем- 

пературы  на  впуске,  чем  в  случае  топлива  с  преобладаю- 

щим  содержанием  парафиновых  углеводородов.  Представ- 

ляется  поэтому  ясным,  что  такие  характеристики  топлив, 

как,  например,  октановые  числа,  полученные  сравнением 

степени  детонации  при  работе  на  данном  топливе  с  дето- 

нацией,  которая  имеет  место  при  стандартном  топливе, 

не являются  универсальными; они в достаточной  мере

 

 

Рис.  66.  Чувствительность  различ- 

ных  углеводородных  групп  к  темпе- 

ратуре на впуске:

 

1  — ароматическое  топливо;     2  —  али- 

фатическое топливо