книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

и их совокупностей. При высоких температурах образуется сплош­ ной фронт пламени, за которым просматриваются очаги горения отдельных капель топлива.

ю Горение гетерогенной смеси возможно при достаточно большом суммарном для всего факела коэффициенте избытка воздуха.

Воспламенение капель в факеле осуществляется путем распро­ странения тепла от горящей капли или их скоплений к негорящим соседним каплям, при этом необязательно, чтобы в пространстве между каплями прошли все необходимые предпламенные химиче­ ские превращения. Расчеты распределения температур вокруг от­ дельных капель топлива в неподвижном воздухе, выполненные на основе диффузионной теории горения без учета диссоциации про­ дуктов сгорания, показывают, что на расстоянии 30 диаметров кап­ ли от ее поверхности температура составляет примерно 2200° С. Такая высокая температура обеспечивает надежное воспламенение соседних капель.

В гетерогенной смеси продолжительность процесса горения свя­ зана со скоростью выгорания отдельных капель и их скоплений. Поэтому время горения слабо зависит от коэффициента избытка воздуха, а определяется главным образом размерами капель.

Схема горения отдельной капли в потоке воздуха при чисто кондуктивно-диффузионном механизме тепло- и массообмена при установившейся температуре капли представлена на рис. 36.

Рис. 36. Схема горения капли топлива:

/ —изменение температуры; 2—парциальное давление паров топлива; «?—содер­ жание кислорода.

Вокруг капли устанавливается сферическая зона горения, к ко­ торой от капли диффундируют пары топлива, а из окружающего пространства — кислород. В зоне горения происходит химическая реакция и выделяется тепло, которое частично идет к капле и ча-

150

стично в окружающее пространство. Наружу от зоны горения диф­ фундируют продукты сгорания. ;

Микродиффузионное турбулентное горение. Микродиффузионным горением называется такой вид горения, когда горючее в па­ ровой фазе раздроблено на отдельные малые объемы — паровые оболочки, распределенные в потоке воздуха. При известных усло­ виях к такому виду горения приближается и горение гетерогенной смеси, образующейся при высокой степени распыливания жидкого топлива.

Для микродиффузионного турбулентного горения, учитывая, что время горения определяется временем смешения тои, имеем

и'1

«тб х

Если перемешивание осуществляется посредством турбулент­ ной диффузии, время смешения можно принять

_Д*_

и Т

где Д— масштаб дробления. Тогда

и'1

Принятые выше допущения о том, что при микродиффузионном горении время сгорания всецело определяется процессом смешения и не зависит от кинетики химических реакций, очевидно, справед­ ливы, пока время смешения велико по сравнению с временем хи­ мических реакций. Это условие, как уже отмечалось выше, опреде­ ляет диффузионную область горения. Если время смешения будет соответствовать времени химической реакции или меньше его, го шрение перейдет в кинетическую область.

Микродиффузионное турбулентное горение протекает в диффу­ зионной области, когда пульсационная скорость не слишком вели­ ка. При увеличении скорости потока скорость распространения пла­ мени увеличивается до тех пор, пока процесс не переходит в кине­ тическую область и возрастание скорости распространения пламе­ ни ит6~ и ' прекратится. Переход в кинетическую область при условии, когда нарушается непрерывное поджигание свежей сме­ си у кромки стабилизатора пламени, приведет к срыву пламени.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ

Скорость горения. Скоростью горения называется количество горючей смеси, сгорающей в единицу времени в единице объема камеры сгорания. При нормальном распространении фронта пла­ мени скорость горения определяется выражением

151

где мт6(х)— скорость распространения пламени по нормали к по­ верхности для отдельных зон горения;

S„„ (х)— поверхность отдельных зон горения; V'k.c— объем камеры сгорания.

Из выражения следует, что скорость горения определяется двумя основными параметрами итб и Sn]l.

Форма, размеры и материал камеры сгорания. Эти факторы в значительной степени определяют характер энергетического обмена сгорающей смеси с внешней средой. В зависимости от количества тепла, отводимого через стенки камеры сгорания, от расширения или сжатия газов меняется температура, а следовательно, и ско­ рость горения смеси. Зарождение и гибель радикалов на стенках зависят от их состояния и температуры, что имеет существенное значение для развития воспламенения и горения при низких темпе­ ратуре и давлении. Как было показано выше, турбулентность зна­ чительно увеличивает скорость горения, особенно в диффузионной области развития процесса.

ность турбулентности улучшают качество распиливания, повышают скорость испарения топлива и смешения его паров с воздухом.

Температура и давление горючей смеси изменяют скорость хи­ мических реакций, физические характеристики горючего, темпера­ туропроводность и турбулентность среды и таким образом влияют на скорость горения. С увеличением температуры скорость горения увеличивается. Однако это увеличение не согласуется с ожидаемым значением в соответствии с изменением скорости химических реак­ ций, так как скорость горения определяется не только скоростью протекания реакций в пламени.

В турбулентной среде для однородных горючих смесей скорость распространения пламени с повышением температуры увеличивает­ ся меньше, чем в ламинарном потоке. Сравнительно слабое влия­

однако и' падает. Но ыт6 слабо зависит от и„ и сильно от и'. По­ этому указанные изменения компенсируют друг друга.

Значительное влияние температуры на ширину зоны горения обусловлено тем, что 8тв существенно зависит от и„.

Зависимость скорости распространения турбулентного пламени от начальной температуры в гетерогенных смесях выражена более резко, чем для однородных газовых смесей. Повышение температу­ ры в зоне горения вокруг капель и увеличение степени испарения приближает горение двухфазной смеси к однородной.

Ш

В отсутствие турбулентности в углеводородо-воздушных сме­ сях уменьшение давления приводит к увеличению нормальной ско­ рости распространения пламени. Однако с понижением давления характеристики процесса турбулентного горения ухудшаются: уменьшается скорость распространения пламени и увеличивается ширина зоны горения. Это приводит к значительному увеличению общей протяженности факела пламени. Давление влияет на процесс горения через и' и и„. С повышением давления инуменьшается, а и' увеличивается.

Увеличение интенсивности турбулентности с повышением дав­ ления можно объяснить уменьшением кинематической вязкости

Увеличение ширины зоны горения с понижением давления обус­ ловлено ростом масштаба турбулентности /, несмотря на уменьше­ ние и' и увеличение ин, что приводит к увеличению ттв.

Состав смеси, отвечающей максимальной скорости распростра­ нения пламени, лежит в обогащенной области а =0,8—0,9. При атом составе смеси создаются наиболее благоприятные условия для воспламенения и горения. С обогащением и обеднением смеси ско­ рость распространения пламени снижается особенно резко вблизи пределов воспламенения (рис. 37).

Коэффициент избытка воздуха

Рис. 37. Влияние суммарного коэффициента избыт­ ка воздуха на безразмерную скорость распростра­ нения пламени:

/—однородная смесь; 2 —гетерогенная смесь.

Вгетерогенных горючих смесях скорость распространения пла­ мени слабо зависит от общего коэффициента избытка воздуха as..

Величина этого коэффициента влияет, при заданных размерах

153

капель на расстояние между ними /к. Величина 4 — а® , а темпе­

ратура горения в зонах вокруг отдельных капель мало изменяется в зависимости от состава смеси, так так процесс развивается по диффузионной схеме.

На рис. 37 показано влияние суммарного as на безразмерную

скорость распространения пламени гетерогенной ^ и однород-

и j.

ной ^ горючей смеси, где Чъ — пульсационная скорость с учетом

турбулизации потока каплями топлива, впрыскиваемого в воздух. Качество распыливания. Скорость горения гетерогенной смеси связана прежде всего с изменением скоростей испарения и смеше­ ния. В зависимости от характеристик распыливания — его степени и однородности, распределения жидкой фазы в объеме камеры сго­ рания — изменяются степень испарения, характер флуктаций по составу и температуре, общий вид факела пламени. С увеличением степени и однородности распыливания скорость процесса горения увеличивается до тех пор, пока в диффузионной области обеспечи­ ваются необходимая устойчивость и достаточно широкая зона фронта горения. Дальнейшее увеличение степени и однородности распыливания приводит к уменьшению объема факела горения и общей поверхности фронта пламени, снижению устойчивости горе­ ния. С увеличением неоднородности распыливания устойчивость горения повышается. Это объясняется тем, что при любом в

двухфазной смеси имеются самые различные местные концентра­ ции, в тем ^числе и наиболее благопориятные для воспламенения и горения. Однако большое количество крупных капель может зна­ чительно увеличить продолжительность и уменьшить общую харак­ теристику горения гетерогенной смеси.

Характеристики горючести. К характеристикам горючести отно­ сятся физико-химические свойства топлива и параметры, от кото­ рых зависит механизм и скорость распространения зоны горения для данного вида окислителя. Одним из наиболее характерных па­ раметров горючести является нормальная скорость распростране­ ния пламени. Некоторые физические свойства горючего и его паров влияют на нормальную скорость распространения пламени ин вследствие их воздействия на температуропроводность среды, по­

скольку и„ — \ / а Ср, а итб зависит от « н. Чем выше реакционная спо­

собность и больше энергетический запас реагирующей смеси, тем выше скорость горения. Однако эти зависимости в достаточной сте­ пени не выявлены. Для различных углеводородных смесей нор­ мальные скорости распространения пламени в воздухе отличаются мало. Для индивидуальных углеводородов нормальная скорость распространения пламени «„ в воздухе.увеличивается в таком по­ рядке: алканы, алкены, алкадиены. С увеличением молекулярной

154

Г л а в а 11. Б Е Н ЗИ Н Ы

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ

Область применения и сорта. Бензины используются как топли­ во для поршневых двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси. Эти двигатели устанавливаются на легковых и гру­ зовых автомобилях, самолетах и вертолетах некоторых типов. Они широко применяются как силовые установки бронетранспортеров, тягачей, тракторов и другой техники Вооруженных Сил и народно­ го хозяйства.

В связи с большим разнообразием типов двигателей и условий их применения выпускаются два вида топлива: автомобильные и авиационные бензины. Автомобильные бензины являются одним из самых массовых видов горючего. В основу маркировки бензинов положена величина показателя детонационной стойкости, выра­ женного в октановых числах или сортности. Чем больше эта вели­ чина, тем, при одинаковых других показателях, выше качество бензина. Отечественные автомобильные бензины выпускаются ма­ рок: А-66, А-72, А-76, АИ-93, АИ-98. Число в маркировке соответ­ ствует октановому числу бензина.

Все бензины, кроме АИ-98, с учетом климатических условий и применения подразделяются на летние и зимние. Летний бензин предназначен для применения во всех районах нашей страны, кро­ ме северных и северо-восточных, в период с апреля по октябрь, а в южных районах допускается всесезонно. Зимний бензин является всесезонным топливом для северных и северо-восточных районов и зимним видом для остальных районов. Основными компонентам автомобильных бензинов являются продукты прямой перегонки, каталитического крекинга и риформинга. Для улучшения качества бензинов используется добавка специальных компонентов и при­ садок.

Авиационные бензины выпускаются следующих марок: Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115 и Б-70. Маркировка авиационных бен­ зинов включает: в числителе октановое число, а в знаменателе сортность на богатой смеси.

Авиационные бензины за исключением Б-70 получают смеше­ нием базовых бензинов прямой перегонки или каталитического кре­ кинга и риформинга с компонентами и специальными добавками. Автомобильные бензины, получаемые на различных заводах, вслед­ ствие особенностей состава исходных нефтей и различных техноло­ гических схем сильно отличаются друг от друга.

Условия применения. Различные виды транспортных средств, техники и вооружения, в которых основной силовой установкой яв­ ляется поршневой двигатель с принудительным воспламенением ра­ бочей смеси, эксплуатируются на всей территории нашей страны. Температура окружающего воздуха при этом может меняться от

156

плюс 50 до минус 60° С и ниже. В таких условиях бензины хранятся и транспортируются. Для бензинов, применяемых на авиационной технике, необходимо учитывать высотные условия — низкие тем­ пературу и давление окружающего воздуха.

Для поршневых двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси можно отметить следующие особенности рабочего процесса:

—приготовление по возможности однородной топливо-воздуш­ ной смеси до начала воспламенения и горения;

—принудительное поджигание в конце такта сжатия подготов­ ленной рабочей смеси.

Для эффективного горения необходимо, чтобы рабочая смесь была достаточно однородной и определенного заданного состава. Приготовляется рабочая смесь у большинства поршневых двига­ телей с принудительным зажиганием в карбюраторе. Бензин вво­ дится в воздух и распыливается в результате динамического воз­ действия воздуха. Обычно скорость воздушного потока в диффузо­ ре карбюратора примерно в 20—30 раз больше скорости топливной струи. Е таких условиях струя разбивается на мелкие капли со средним диаметром 100—200 мкм. За смесительной камерой распо­ лагается дроссельная заслонка. При изменении положения заслон­ ки изменяется площадь впускного канала для поступления го­ рючей смеси и таким образом регулируются количество смеси, по­ ступающей в цилиндры, и мощность двигателя.

Скорость испарения бензина в карбюраторном двигателе зави­ сит от фракционного состава бензина, скорости и температуры воз­ духа, степени разрежения в диффузоре и количества поступающего топлива. Процесс смесеобразования, включающий испарение бен­ зина и перемешивание его паров с воздухом, не завершается в кар­

бюраторе и продолжается во впускном трубопроводе и частично в цилиндре двигателя. Наличие жидкой пленки во впускном кол­ лекторе ухудшает равномерность распределения топлива по ци­ линдрам. Подогрев впускного коллектора улучшает условия испа­ рения, ко интенсивное нагревание снижает коэффициент наполненения и мощность двигателя.

Г орючая смесь, поступающая через впускную систему, смеши­ вается в цилиндре двигателя с оставшимися продуктами сгорания, образуя рабочую смесь.

В двигателях некоторых типов применяется впрыск жидкого топлива непосредственно в цилиндры или во впускной коллектор. При непосредственном впрыске бензин подается отдельно в каж­ дый цилиндр, при этом повышаются точность дозировки и равно­ мерность распределения топлива по цилиндрам.

Время, отводимое на процессы смесеобразования в двигателе, зависит от скорости вращения коленчатого вала и угла опережения зажигания. Для двигателей с непосредственным впрыском в зави­ симости от числа оборотов коленчатого вала и угла начала впрыска топлива на процессы смесеобразования отводится 0,01—0,02 с. По­

157

этому большое значение приобретают степень распыливания топ­ лива и интенсивность его перемешивания с воздухом. Давление распыливания обычно составляет от 5 до 200 кг/см2, а средний диа­ метр капель равен 10—40 мкм.

Независимо от вида системы смесеобразования в бензиновых двигателях подготовленная рабочая смесь в конце такта сжатия принудительно поджигается. В большинстве случаев используется система электроискрового зажигания. Давление и температура ра­ бочей смеси в конце сжатия зависят от конструкции двигателя и условий эксплуатации. В двигателях без наддува температура смеси в конце сжатия 400—500° С, а давление 10—-16 кг/см2.

Нормальное горение топлива. Нормальное развитие процесса горения в поршневом двигателе с принудительным воспламенением рабочей смеси включает следующие стадии:

— зажигание и формирование очага пламени; —• распространение турбулентного пламени;

-- догорание отдельных очагов горения, образующихся при ис­ кривлении и разрушении фронта пламени в конце горения.

На скорость и продолжительность развития первой стадии ока­ зывают влияние мощность источника зажигания и состав горючей смеси. Первая стадия завершается образованием очага горения та­ кого размера, при котором возможно воздействие на него крупно­ масштабной турбулентности. Для формирования очага пламени существенное значение имеют состав смеси и нормальная скорость распространения пламени.

Вторая стадия меньше зависит от состава и физико-химических свойств горючей смеси. Решающее значение приобретает ускоре­ ние за счет крупномасштабной турбулентности. Под воздействием турбулентных пульсаций фронт пламени искривляется, а в конце горения распадается на отдельные очаги горения. Продолжитель­ ность догорания зависит от состава смеси и нормальной скорости распространения пламени. Таким образом, при нормальном горе­ нии влияние свойств горючей смеси наиболее заметно проявляется в первой и третьей стадиях процесса. Средняя скорость распростра­ нения пламени по всей камере сгорания составляет в зависимости от конструктивных особенностей и режима работы двигателя

15—40 м/с.

В ряде случаев нормальное сгорание нарушается. Существуют два вида нарушений: неуправляемое горение в результате воспла­ менения от нагретых поверхностей и детонационное горение.

Воспламенение от нагретых поверхностей. При известных усло­ виях работы двигателя сильно нагреваются свечи и выпускные кла­ паны, появляются участки в камере сгорания с тлеющим нагаром и частицы раскаленного нагара. В результате этого е о з м о ж н о вос­ пламенение не от электрической искры, а от указанных посторон­ них источников зажигания. При этом механизм горения остается таким же, как и при нормальной работе двигателя. Однако не­ управляемое воспламенение и смещение по времени основных ста-

158

дни горения вызывают появление стука, нарушают плавный ход работы двигателя, вызывают его перегрев и снижение мощности.

Детонационное горение. Детонационное горение, или детонация в двигателе, представляет особый вид сгорания, отличающийся от нормального механизмом и скоростью распространения пламени во второй и третьей стадиях горения. При детонационном сгорании развитие первой и начала второй стадии осуществляется так же, как и при нормальном процессе. После прохождения фронтом пла­ мени значительной части камеры сгорания наблюдается некоторое замедление его продвижения, после чего остальная часть рабочей смеси сгорает чрезвычайно быстро. Время ее сгорания составляет

Iорение последней части заряда идет неравномерно и сопро­ вождается местными повышениями температуры и давления. Де­ тонационное сгорание в двигателе сопровождается резкими метал­ лическими стуками, падением его мощности и увеличением расхода топлива. При этом температура выпускных газов снижается, а тем­ пература головки и стенок цилиндра резко повышается. Длитель­ ная работа на детонационном режиме может вызвать преждевре­ менное воспламенение горючей смеси из-за перегрева двигателя, а также механические повреждения отдельных его деталей. Рас­ трескивание вкладышей шатунных подшипников, нарушение изо­ ляции свечей, пригорание поршневых колец и клапанов, увеличе­ ние общего износа — таковы последствия длительной работы дви­ гателя с детонацией.

Сущность и механизм детонационного сгорания заключается в следующем. В рабочей смеси еще до воспламенения, в течение хо­ дов наполнения и сжатия, развиваются предпламенные химические превращения с образованием активных промежуточных продуктов реакции окисления топлива. Развитие предпламенных реакций го­

органических перекисей, альдегидов и других кислородных соеди­ нений.

В цилиндре двигателя предварительная химическая подготовка рабочей смеси происходит более интенсивно вследствие сжатия и повышения температуры. Наиболее сильно сжимается смесь, сго­ рающая в последнюю очередь. В определенной части смеси разви­ тие предпламенных химических превращений завершается само­ воспламенением. Из-за неизбежной неоднородности по составу и температуре самовоспламенение осуществляется в отдельных оча­ гах. Очаги воспламенения впереди основного фронта пламени мо­ гут возникать также от сильно нагретых деталей и частей камеры сгорания. От начальных очагов воспламенения по предварительно подготовленной химически активной смеси распространяется зона горения со скоростями, достигающими звуковой и выше. Распро-

159