Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 36

 

143 

причиной  последнего  является  вибрация  деталей  дизеля. 

Как  следствие,  в  случае  тихоходных  судовых  дизелей  это 

может  быть  сильный,  ухающий  звук  низкой  частоты 
(свободная  частота  основного  тона,  изменяющаяся  в  пре- 

делах  от  нескольких  десятков  до  нескольких  сотен  коле- 

баний  в  секунду).  Имеется  множество  обертонов  или, 

вернее,  сопутствующих  более  высоких  тонов,  так  как 

в  дополнение  к  детали  двигателя,  вибрирующей  с  мини- 

мальной  частотой,  могут  вибрировать  и  другие  детали. 

Иногда  прослушивается  звук,  соответствующий  собствен- 

ной  частоте  колебаний  газа  в  камере  сгорания.  В  случае 

двигателей  средних  размеров  колебания  газа  в  камере 

сгорания  вызывают  типичный  детонационный  стук.  Обер- 

тон,  соответствующий  этому  источнику,  характерен.  Он 

имеет  частоту  порядка  нескольких  сотен  колебаний  в  се- 

кунду.  В  быстроходных  дизелях,  в  которых  нередко 

проявляется  взрывное  горение,  «стук»  прослушивается 

при  сравнительно  низких  числах  оборотов,  причем  тон 

его  при  этом  иной  (нечто  похожее  на  кудахтанье  —  тер- 

мин,  который  иногда  применяется);  при  больших  числах 

оборотов 

звук 

основного 

тона 

вследствие 

увеличения 

возбуждающей  частоты  переходит  в  нечто  напоминающее 

хрюканье,  и  начинают  преобладать  обертоны.  Частично 

это  вновь  тон  собственно  камеры  сгорания  (в  случае 

некоторых  систем  сгорания),  который  в  многоцилиндро- 

вых  двигателях  может  доходить  до  пронзительного  сви- 

стящего  звука  (особенно  в  случае  двигателей  непосред- 

ственного  впрыска  —  из-за  применяемой  формы  камеры 

сгорания).  В  целом  проблема  снижения  шумности  дизеля 

не  решена,  но  некоторые  конструкторы  добились  успеха 

в  снижении  шумов  до  приемлемого  уровня.  Для  этого 

конструкция  двигателя  должна  быть  достаточно  жесткой, 

а процесс сгорания должен тщательно контролироваться. 

252.  На  рис.  96  представлены  репродукции  киносъемки 

процесса  сгорания,  сделанные  в  NACA.  На  освещенном 

фоне  видны  распространяющиеся  струи  топлива.  В  не- 

который  момент  возникает  светящаяся  точка  (очаг  вос- 

пламенения;  химическая  люминесценция,  возникающая 

до  этого  момента,  наблюдалась  уже  ранее  другими  иссле- 

дователями,  но  свечение,  представленное  здесь,  действи- 

тельно  является  началом  возникновения  пламени).  Этот 

очаг  пламени  быстро  развивается,  причем  одновременно 

появляются   новые   центры   воспламенения   (абзац   79);

 

 

144 

начинается  вторая  фаза  горения.  Очень  трудно  установить 

экспериментально, 

какие 

условия 

являются 

наиболее 

благоприятными 

для 

возникновения 

первичного 

очага 

воспламенения.

 

253.  Чем  короче  период  индукции,  тем  меньше  интен- 

сивность  взрыва  вследствие  меньшего  количества  топлива 

в  камере  и  худшего  его  распыления,  испарения  -и  смеше- 

ния с воздухом к моменту,  когда начинается  горение.

 

 

Рис.  96.    Постепенное  распространение  пламени  из  отдельных  очагов 

воспламенения  при  относительно  коротком  периоде  задержки  воспла- 

менения:

 

A,   В — очаги   воспламенения

 

Для  того  чтобы  приблизиться  к  идеальной  диаграмме, 

стремятся  сократить  период  индукции,  но  сокращение 

это  имеет  разумный  предел  не  только  из-за  реальных 

возможностей  его  осуществления  в  быстроходных  дизелях, 

но  также  вследствие  связанных  с  этим  недостатков;  много- 

кратно  подтверждалось,  что  когда  период  индукции  со- 

кращается  до  очень  малых  значений  (предел  этого  сокраще- 

ния  зависит  от  конкретно  рассматриваемого  двигателя), 

сгорание  ухудшается,  растягивается  процесс  догорания 

и,  как  следствие,  уменьшается  к.  п.  д.  Это  связано  с  черес- 

чур  быстрым  испарением  топлива,  впрыскиваемого  в  пламя, 

в  связи  с  чем  уменьшается  дальнобойность  струи  и,  как 

следствие, 

ухудшается 

смесеобразование. 

Дальнейшие 

сведения  по  этому  вопросу  см.  в  абзацах  293,  361.  На 

рис.  97, а, б показаны две индикаторные диаграммы  и

 

 

145 

соответствующие  им  характеристики  скоростей  тепловы- 
деления 

.  Здесь  следует  отдать  предпочтение  индика- 

торной диаграмме, изображенной на рис. 97, а, так как

 

 

Рис.  97.  Влияние  продолжительности  периода  индукции  на  ха- 

рактер тепловыделения:

 

о — короткий период индукции; б — длинный период индукции

 

при  индикаторной  диаграмме,  изображенной  на  рис.  97,  б 

горение  протекает  неприемлемо  жестко;  выбор,  однако 

может быть и значительно более трудным.

 

 
I. 

ПЕРИОД ИНДУКЦИИ 

254. 

В 

противоположность 

теоретическому 

периоду 

индукции,  рассмотренному  для  случая,  когда  гомогенная 

смесь  имеет  первоначально  температуру  t

0

  и  когда  именно 

от  момента  достижения  смесью  этой  температуры  отсчи- 

тывается  период  индукции,  в  действительном  цикле  имеется 

жидкое  топливо  с  относительно  низкой  температурой  t

m 

, 

вводимое  в  воздушную  среду  с  более  высокой  температу- 

рой  t

c

.  Последняя  обычно  изменяется  в  течение  периода 

впрыска;  с  одной  стороны,  она  возрастает  вследствие 

продолжающегося  сжатия,  с  другой  —  уменьшается  из-за 

локального  охлаждения  воздуха  в  результате  контакта 

с  топливными  струями  и  отдачи  тепла  от  воздуха  к  топ- 

ливу.  При  этом  возможны  очень  большие  отклонения 

значений  температуры  от  средней  ее  величины.  Нагретое 

топливо  начинает  испаряться,  вследствие  чего  позади 

каждой  движущейся  капли  образуется  паровой  след. 

В  период  испарения  капля  вовсе  не  должна  иметь  темпе- 

ратуру  кипения,  соответствующую  данному  давлению: 

вначале  концентрация  паров  равна  нулю,  и  при  относи- 

тельном движении капли и воздуха будет происходить

 

 

146 

быстрое  испарение  даже  при  очень  низком  давлении 

паров на поверхности капли.

 

255.  Среднее  давление  паров  все  еще  остается  неболь- 

шим  даже  после  полного  испарения,  что  станет  ясным 
из  следующего  примера.  Примем,  что  средний  молекулярный 
состав  легкого  дизельного  топлива  соответствует  С

15

Н

30

. 

Теоретически  необходимое  количество  воздуха  равно  при 
этом  107  объемным  частям  воздуха  на  одну  часть  топлива. 
При  обычном  для  больших  двигателей  100%-ном  избытке 
воздуха  (коэффициент  КС  =  0,5)  на  одну  часть  топлива 
будет  приходиться  214  частей  воздуха.      Если  давление 
сжатия  равно  30  am,  то  в  случае  гомогенной  смеси  давле- 
ние паров составит только

от 30 am, т. е. около

 

am,

 

следовательно,  топливо  и  при  температуре,  значительно 
более  низкой,  чем  температура  его  кипения  при  атмосфер- 
ном  давлении  (270°  С),  может  полностью  испариться. 
В  приведенном  примере  температура  кипения,  соответст- 
вующая 

 

am, составляет около 170° С.

 

256.  Локально,      однако,      будут    достигнуты      большие 

значения  парциального  давления  паров,  а  следовательно, 

большие  значения  коэффициента  КС,  так  как  смешение 

на  этой  стадии  процесса    еще  очень  несовершенно.  Пред- 

ставляется  возможным  подсчитать  падение  температуры 

воздуха  для  определенных  значений  достигнутого  давле- 

ния  паров,  если  принять,  что  в  некотором  объеме  тепло, 

подведенное      к      топливу      (тепло      подогрева,      испарения, 

перегрева    паров  до    конечной  температуры),    отнято  от 

воздуха,  содержащегося  в  этом  объеме.  Таким  образом, 

было  бы  выявлено,  какой  предел  насыщения  может  быть 

достигнут  при  заданных  температурах  и  давлении  воздуха, 

а  также  при  данной  кривой  упругости  паров  топлива, 

и,    следовательно,    можно  было  бы  получить  некоторое 

представление  о  локальных  условиях.  В  частности,  при- 

меняя      этот    метод,      установили,      что    при    коэффициенте 

КС  =  1  уменьшение  локальной  температуры  воздуха  мо- 

жет достигнуть  50° С. 

257.  В  первом  приближении  можно  представить  те- 

чение  процессов  в  следующем  порядке.  Капли  различных 

размеров      прогреваются      по      экспоненциальной      зависи- 

мости,      одновременно      испаряясь      (рис.      98)      [26].      Даже 

в случае топлива сложного состава, имеющего широкие