Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 37

 

147 

пределы  возгонки,  пар  будет  в  основном  иметь  тот  же 

состав,  что  и  жидкость,  так  как  скорость  процесса  так 

велика, что не достигается   точного   равновесия   между

 

Рис.  98.  Схематическое 

изображение  процессов 

впрыска,  испарения  и 

последующего 

разви- 

тия реакции:

 

/  —  образование  пламени; 
//  —  охлаждение  воздуха 

топливом;  ///  —  подогрев 

капель;  IV  —  перегрев 

паров;  Т

в

  —  температура 

воздуха;  Т

в1

  —  темпера- 

тура  воздуха  в  случае 

отсутствия  впрыска  топ- 

лива;  Т

т

  —  температура 

топлива;  а  —  период  ин- 

дукции;  b  —  продолжи- 

тельность 

впрыска 

топ- 

лива

 

жидкостью  и  паром  по  закону  Рауля,  в  соответствии  с  ко- 

торым  пар  всегда  содержит  больше  легких  фракций,  чем 

жидкость.  Дело  в  том,  что  в  данном  случае  скорость  испа- 

рения   легких   фракций   выше   скорости   их   диффузии

 

 

Рис.  99.  Схематическое  изображение  быстрого  испарения  двухкомпо- 

нентной капли последовательным полным отделением условных слоев

 

капли:

 

черный      квадратик  —  компонент      с      высокой      температурой      кипения;      белый 

квадратик — компонент с  низкой  температурой  кипения

 

в  капле  в  направлении  к  ее  поверхности.  Как  следствие, 

испаряются  даже  самые  тяжелые  фракции  наружного  слоя 

капли,  после  чего  приходит  в  соприкосновение  с  воздухом 

следующий  слой  (схематически  показано  на  рис.  99). 

Очень  маленькие  капли  успевают  испариться  на  более 

ранней  стадии.

 

 

 

148 

258.  В  то  время  как  в  капле  образуется  резкий  гра- 

диент  температур,  образовавшийся  пар  вследствие  сме- 

шения  его  с  окружающим  воздухом  практически  сразу  же 

прогревается  до  температуры  последнего,    и    в  нем  не- 

медленно      начинают      развиваться      химические      реакции. 

В  объеме,    заполненном  несколькими  тысячами  капель, 

создаются      зоны      с      различной      концентрацией,      причем 

в  точках  с  наиболее  богатым  содержанием  паров  темпе- 

ратура  минимальна;  вследствие  этого,  с  одной  стороны, 

в  зонах  с  низкой  температурой  скорость  реакции  должна 

была  бы  уменьшиться,  но,  с  другой  стороны,  с  повыше- 

нием  концентрации  паров  топлива  она  увеличивается 

1

. 

Имеется  оптимум,  при  котором  реакции  идут  с  максималь- 

ными  скоростями.  В  одной  или  нескольких  таких  зонах 

возникает  очаг  (очаги)  воспламенения,  в  которых  реакция 

впервые  оказывается  столь  интенсивной,  что  проявляется 

в виде пламени (см. рис. 97). 

259.  Можно    считать,      что      период    индукции    состоит 

из  двух  перекрывающих  одна  другую  фаз:  первая,  физи- 

ческая,  фаза  связана  со  временем  распыливания,    про- 

грева  и  испарения  до  возникновения  где-либо  оптималь- 

ных  условий  для  развития  реакции;  вторая,  химическая, 

фаза  связана  со  временем,  в  течение  которого  реакция 

в  зоне  с  оптимальными  условиями  приводит  к  появлению 

очага  пламени.  Физическая  часть  в  работающем  двигателе 

при  нормальном  распыливании  и  топливе  с  пределами 

возгонки  200—350°  С  мала  и  составляет  около  10%  всего 

времени  задержки.  В  холодном  двигателе  (пуск,  холостой 

ход), при более грубом распыливании (высокая вязкость), 

-  более  низкой  испаряемости  топлива  (продукты  вакуум- 

ной  дистилляции,  остаточные  фракции,  а  также  расти- 

тельные  и  животные  масла)  физическая  часть  может 

значительно  увеличиться.  Приведем  примеры  для  иллю- 

страции [27].

 

260.  А.  В  случае  нормальных  алканов  и  нормальных 

алкенов  период  индукции  τ

i

  уменьшается  при  увеличении 

числа  атомов  углерода  до  определенного  значения  вслед- 

ствие  повышения  активности  молекул  (большей  склонности 

их  к  разложению);  при  большем  увеличении  числа  атомов 

углерода τ

ί

 растет из-за уменьшения  давления  паров. 

 

1

  В  настоящее  время  причины  этого  достаточно  изучены  (см. 

Штерн  В.  Я.  «Механизмы  окисления  углеводородов  в  газовой  фазе» 

М., АН СССР, 1960). Прим. ред.

 

 

149 

В  табл.  3  приведены  периоды  индукции  в  градусах 

угла  поворота  коленчатого  вала  φ

i

  при  n  —  250  об/мин 

в зависимости от давления сжатия.

 

Т а б л и ц а  3

 

 

Давление сжатия в am

 

Углеводород

 

30

 

15

 

10

 

n -г еп тан  C

7

H

1 6

 

7,1

 

12,8

 

21,2

 

n-цетен С

16

Н

32

 

6,3

 

10,5

 

18,7

 

n-цетан С

16

Н

34

 

6,0

 

10,2

 

18,3

 

п-С

34

Н

68

 

8,4

 

13,6

 

20,3

 

Различные  значения  давления  сжатия  были  получены 

дросселированием  воздуха  на  впуске.  Интересно  отметить 

увеличение  периода  индукции  с  уменьшением  давления. 

К  этому  явлению  мы  обратимся  вновь  позднее.  В  случае 

соединения 

п-С

34

Н

68

 

удлинение 

периода 

индукции 

не 

пропорционально  уменьшению  давления.  Все  значения 

φ

i

  для  С

34

Н

68

  на  2—3°  угла  поворота  коленчатого  вала 

выше  значений  для  цетана,  что  иллюстрирует  степень 

влияния  физической  части  на  общую  продолжительность 

периода индукции.

 

Б.  Различия  в  изменении  периода  индукции  с  темпе- 

ратурой  легких  дистиллятов,  имеющих  длинный  период 

индукции  (высокое  содержание  ароматических  соедине- 

ний),  и  тяжелых  остатков  нефти  еще  более  значительны 
(табл. 4).

 

Т а б л и ц а  4

 

 

Дистиллят с цета- 

новым числом

 

Параметры

 

высоким

 

низким

 

Тяжелый 

остаток 

нефти

 

Вязкость в cст при t° С:

 

 

 

 

25

 

3,44

 

2,60

 

3400

 

50

 

2,08

 

1,63

 

480

 

100

 

1,01

 

0,85

 

35,5

 

Период индукции в градусах угла по- 

ворота коленчатого вала при t° С:

 

 

 

 

25

 

5,0

 

13,0

 

13,5

 

50

 

5,0

 

12,5

 

7,5

 

100

 

5,0

 

■

 

11,5

 

7,0

 

 

150 

Отсюда  следует,  какое  важное  значение  имеет  улуч- 

шение  распиливания  в  связи  с  уменьшением  вязкости 

при  увеличении  температуры  топлива  в  случае  тяжелого 

нефтяного  остатка.  Очевидно  также,  что  в  случае  тяжелого 

остатка  нефти  значительную  часть  (6,5°  угла  поворота 

коленчатого  вала  или  более)  общего  периода  индукции 
(13,5°) составляет физическая фаза.

 

В.  Цетановое  число,  определенное  на  основе  сравнения 

воспламеняемости  данного  образца  топлива  с  воспламеняе- 

мостью  смеси  эталонных  топлив 

1

  всегда  для  остаточных 

фракций  ниже,  чем  для  легких  топлив,  полученных  из 

той же сырой нефти.

 

Г.  Аномальное  поведение  топлив  с  низкой  испаряе- 

мостью увеличивается по мере ухудшения распыливания

 

Т а б л и ц а  5

 

 

Дистиллят

 

Параметры

 

Ρ

 

Q 

U

 

W

 

Арахисовое 

масло

 

Цетановое       число       при N/n в 
л. с./(об/мин):

 

 

 

 

 

 

2 

600

 

   60

 

24

 

50

 

42

 

43

 

7,5 

1000

 

61

 

22

 

51

 

42

 

48

 

12 

1500

 

62

 

23

 

51

 

42

 

66

 

Период индукции в град угла по-

 

ворота коленчатого вала при N/n—

 

в л. с./(об/мин)

 

 

 

 

 

 

2 

600

 

7,5

 

—

 

8,6

 

10,7

 

10,4

 

7,5 
100

 

9,6

 

24,0

 

11,0

 

12,7

 

11,4

 

12 

1500

 

11,4

 

30,0

 

13,1

 

15,3

 

10,9

 

1

 n-цетан : 100, α-метилнафталин : 0.