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

странение зоны горения со скоростью звука приводит к образова­ нию ударных волн.

Обычно ударные волны не могут вызвать появление истинной детонационной волны. Однако при отражении ударных волн от сте­ нок или при их наложении при условии, что в местах их прохожде­ ния имеется еще не прореагировавшая полностью смесь, не исклю-

смеси такая волна может распространяться со скоростью 2000— 2400 м/с, а по частично прореагировавшей смеси со скоростью 1500—1800 м/с. Ударные волны в полностью прореагировавшем газе распространяются со скоростью 1200—1300 м/с. Схема, иллю­ стрирующая физическую картину детонационного сгорания, при­ ведена на рис. 38, где рассматриваются два варианта возникнове­

ния детонационной волны.

Образование ударных волн является наиболее специфическим признаком детонационного сгорания в двигателе. Стук в двигателе при работе с детонацией представляет собой колебания стенок ци­ линдра, которые вызываются прямыми и отраженными ударными волнами. Колебания газов сохраняются в течение значительной части хода расширения (рис. 39). Связанный с ударными волнами массовый поток газов также периодически отражается от стенок цилиндра, тем самым усиливая теплоотдачу от газа стенкам. Бла­ годаря этому увеличивается отвод тепла с охлаждающей жидко­ стью и понижается температура выпускных газов, двигатель пере­ гревается, а экономичность его ухудшается. Снижение экономич­ ности вызывается также перемешиванием неполностью прореаги­ ровавшей смеси с продуктами сгорания. Массовый поток газов срывает на ходе расширения масляную пленку со стенок цилиндра,

160

что может быть причиной дымления. Если при детонации возни­ кают интенсивные детонационные волны, то столкновение их со стенками камеры сгорания, клапаном, днищем поршня и электро­ дами свечи вызывает прогорание этих деталей.

Угол поборото коленчатого бала

Рис. 39. Индикаторные диаграммы при нормальном и детонационном горении в двигателе:

а —нормальное горение; б —детонационное горение.

В зависимости от того, на какой стадии процесса горения нач­ нется его нарушение, меняются вид детонационного сгорания и его интенсивность. При относительно слабой детонации, когда к ее на­ чалу объем несгоревшей, но частично прореагировавшей смеси мал, наблюдаются местные очаги самовоспламенения, рождающие относительно слабые ударные волны. Чем раньше начинается дето­ национное горение, тем сильнее будут все проявления этого вида горения.

Для количественной оценки интенсивности детонации исполь­ зуют какой-либо признак детонационного сгорания. Чаще всего детонация оценивается по температуре головки или стенок ци­ линдра.

Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на го­ рение. Влияние конструктивного или эксплуатационного фактора связано прежде всего с изменением температуры, давления, соста­ ва реагирующей смеси, гидродинамических характеристик среды и времени развития всего процесса и отдельных его стадий. Если при изменении какого-либо фактора в рабочей смеси в период, пред­ шествующий ее горению, повышаются температура и давление, уве­ личивается время воздействия этих факторов, затрудняется отвод

активных продуктов и тепла из зоны реакции, вероятность возник­ новения детонационного сгорания увеличивается.

Возможность возникновения детонационного сгорания и интен­ сивность этого процесса зависят от свойств горючей смеси. Для бензинов различного химического состава под влиянием того или иного фактора интенсивность детонационного процесса изменяется не в одинаковой степени. Это обусловлено характером развития химических превращений и видом активных продуктов, вызываю­ щих вырожденное разветвление цепной реакции окисления. Пока интенсивность детонации невелика, мощность и экономичность дви­ гателя заметно не снижаются, а на преддетонационных режимах даже повышаются. При сильной детонации мощность двигателя резко падает, а удельный расход топлива увеличивается.

Форма камеры сгорания, как и расположение свечей, обуслов­ ливает характер изменения фронта пламени и путь его прохожде­ ния, а следовательно, и скорость горения. Для устранения детона­ ции в двигателе необходимо начальные стадии горения осуществ­ лять в наиболее нагретой части камеры, а завершаться процесс дол­ жен в наиболее охлажденной зоне с небольшим объемом рабочей смеси.

Увеличение размеров цилиндра способствует повышению инди­ каторного к. п. д. и среднего индикаторного давления. Однако склонность к детонации при этом увеличивается. Это обусловлено снижением интенсивности охлаждения сжатой смеси и продуктов сгорания вследствие уменьшения удельной охлаждающей поверх­ ности и увеличением длины пробега пламени от свечи до наиболее удаленных от нее участков камеры.

Материал стенок камеры сгорания и поршня оказывает влияние на передачу тепла к охлаждающей жидкости и каталитическое дей­ ствие на развитие некоторых стадий химических превращений ра­ бочей смеси вблизи стенок. Применение материалов с большой теп­ лопроводностью снижает температуру газов в цилиндре в конце сжатия и температуру днища поршня, уменьшает склонность к де­ тонации. С повышением степени сжатия возрастает термический, индикаторный и эффективный коэффициенты полезного действия, вместе с этим и мощность двигателя. Относительная эффективность повышения степени сжатия достигает наибольшего значения при малых степенях сжатия и убывает с ростом их. Увеличение степени сжатия до 10 значительно увеличивает эффективный к. п. д. Одна­ ко повышение степени сжатия ограничивается возникновением де­ тонационного сгорания. С повышением степени сжатия увеличива­ ются температура и давление рабочей смеси, что способствует де­ тонационному сгоранию.

На рис. 40 показано, как изменяются характер сгорания и па­ раметры двигателя с повышением степени сжатия при использова­ нии топлив различной детонационной стойкости. С увеличением угла опережения зажигания жесткость работы возрастает, макси­ мальное давление сгорания увеличивается, приближается к верх­

162

ней мертвой точке. Снижение скорости нарастания давления при более позднем, зажигании объясняется тем, что процесс сгорания в значительной части переносится на такт расширения. С увели­ чением угла опережения зажигания горение начинается при более низких температуре и давлении, а сгорание последних порций за-

Рис. 40. Влияние степени сжатия на теп­ ловое состояние, мощностные и экономи­ ческие показатели работы двигателя:

1 , 2 и 3 —горючее с различной детонационной стой­ костью.

ряда идет, наоборот, при высоких значениях этих параметров. По­ этому чем больше угол опережения зажигания, тем легче возни­ кает детонационное горение и выше интенсивность этого процесса. Во многих случаях для устранения детонации достаточно бывает несколько уменьшить угол опережения зажигания. Значительное уменьшение угла опережения зажигания нецелесообразно. При уменьшении его увеличивается как температура, так и давление газов в цилиндре в момент начала открытия выпускных клапанов. Это вызывает перегрев клапанов и выпускного коллектора.

Состав рабочей смеси оказывает значительное влияние на мощ­ ность, экономичность и характер сгорания в двигателе. При нор­ мальном развитии процесса горения максимальная мощность дви­ гателя достигается при а =0,8—0,9. При таком составе смеси на­ блюдается наибольшая скорость распространения пламени. Вслед­ ствие сокращения продолжительности горения действительный цикл в большей степени приближается к теоретическому, поэтому

индикаторная диаграмма имеет наибольшую полезную площадь. Вследствие улучшения термодинамических свойств продуктов сго­ рания наблюдается медленное снижение индикаторного давления никла при переходе от стехиометрического соотношения к значе­ ниям а = 0,8—0,9. Кроме того, с уменьшением я в результате по­ нижения температуры поступающей в цилиндр свежей смеси уве­ личивается коэффициент наполнения и уменьшается диссоциация

жения теплопроизводительности горючей смеси, температуры и ско­ рости горения. Сокращение времени сгорания, понижение темпе­

тепла, выделяющегося при горении единицы массы топлива, дости­ гаются при я =1,05— 1,15. Максимальное значение средней темпе­ ратуры газов в цилиндре и на выпуске и связанная с этим наиболее высокая тепловая напряженность камеры сгорания и поршня на­ блюдается при я = 1,0—1,05. При данной концентрации топлива в смеси с воздухом при сгорании последней порции рабочей смеси

к детонационному горению. Снижение температуры газов с обедне-

164

нием смеси приводит к уменьшению склонности к детонационному сгоранию. Однако на практике для подавления детонации не ис­ пользуется значительное обеднение рабочей смеси, так как при этом мощность резко падает и двигатель работает неустойчиво. Влияние состава рабочей смеси на интенсивность детонации, мощность

нэкономичность двигателя показано на рис. 41.

Сувеличением скорости вращения коленчатого вала двигателя

усиливается турбулентность среды, повышаются содержание оста­ точных газов в рабочей смеси, ее температура и давление, умень­ шается время развития процесса горения. Указанные факторы за исключением температуры и давления уменьшают склонность к детонационному горению. Как правило, с увеличением числа обо­ ротов возможность возникновения детонации снижается.

Параметры воздуха, поступающего в двигатель, существенно изменяют условия горения. Повышение температуры и давления воздуха увеличивает возможности возникновения детонации.

Наличие влаги в воздухе резко снижает склонность к детона­ ционному сгоранию. При необходимости значительной форсировки двигателя, например за счет наддува, впрыск воды или другой охлаждающей жидкости позволяет устранить детонацию Причи­ ной этого являются уменьшение давления и температуры конца сго­ рания за счет затрат тепла на испарение влаги, присутствие инерт­ ного разбавителя и антидетонационное действие водяных паров.

Требования к качеству бензинов. В соответствии с условиями применения и характером рабочего процесса поршневого двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси топливо для них должно отвечать следующим требованиям:

— обладать хорошей испаряемостью, обеспечивающей получе­ ние до начала зажигания достаточно однородной рабочей смеси заданного состава. Однако испаряемость бензинов не должна быть чрезмерно высокой из-за возможности образования паровых про­ бок в системе подачи и больших потерь при хранении;

■— обладать детонационной стойкостью, позволяющей сохра­ нять нормальное развитие процесса горения для данной конструк­ ции двигателя и условий его эксплуатации;

-— в процессе горения не давать отложений в камере сгорания и вызывать нарушения в работе двигателя, связанные с прежде­ временным воспламенением рабочей смеси.

Кроме того, как и все топлива, бензины должны быть стабиль­ ными в условиях хранения и транспортировки и не вызывать кор­ розии деталей двигателя, а также средств заправки, перекачки и хранения.

ПРОКАЧИВАЕМОСТЬ

Прокачиваемость при низких температурах. Прокачиваемость бензина при низких температурах воздуха и топлива з системах топливопитания двигателей, а также по трубопроводам при пере­ качке, сливе, наливе и заправке машин высокая. Это обусловлива­

165

ется небольшими значениями вязкости (v20 =0,6—0,8 сст) и поверх­ ностного натяжения (а2О= 2 0 —23 дин/см), хорошими вязкостно­ температурными характеристиками (v20 : v50= 1,5—2) и низкой тем­ пературой начала кристаллизации (ниже минус 60°С).

Механические примеси и вода удаляются из бензина при отстое и фильтрации значительно легче, чем из других видов топлива. Из­ менения плотности, вязкости и поверхностного натяжения бензинов оказывают влияние на дозировку горючей смеси в карбюраторе и в системах впрыска. Эти характеристики влияют на пропускную способность жиклеров.

В системах, где осуществляется впрыск бензина во впускной трубопровод и непосредственно в цилиндры, вязкость, плотность и поверхностное натяжение определяют качество распылизания. Влияние указанных характеристик бензина на подачу в двигатель особенно заметно при изменении условий эксплуатации машин.

Прокачиваемость при повышенных температурах. Вследствие высокого давления насыщенных паров бензина в этом случае воз­ никает опасность образования паровых пробок в системе подачи топлива и системах его перекачки. Опасность образования паро­ вых пробок особенно возрастает при эксплуатации автомобилей

вгорных условиях и при эксплуатации самолетов. С увеличением высоты полета и понижением атмосферного давления создаются благоприятные условия не только для испарения, но и для выделе­ ния растворенного в горючем воздуха. Бензины способны раство­ рять довольно значительное количество воздуха. При резком на­ боре высоты в топливных баках самолетов возможно бурное вы­ деление воздуха во всей массе бензина. Это может вызвать перебои

вработе подкачивающих насосов.

Влияние испаряемости на образование паровых пробок в систе­ ме топливопитания и запуск автомобильного двигателя показыва­ ют данные таблицы 15.

166

Сильные бензины имеют давление насыщенных паров: летние 335— 560, зимние 440—720 мм рт. ст.

ИСПАРЯЕМОСТЬ

Влияние испаряемости на работу двигателя. Испаряемость бен­ зинов определяет процесс образования горючей смеси и з резуль­ тате этого оказывает влияние на запуск двигателя, Бремя его про­ грева и приемистость, расход горючего и износ цилиндро-поршне­ вой группы. В связи с этим большое значение*имеют такие показа­ тели, как фракционный состав, давление насыщенных паров и теп­ лота испарения.

С улучшением испаряемости бензина облегчается запуск дви­ гателя (см. табл. 15). Затруднения при запуске холодного двига­ теля обусловлены недостаточной скоростью испарения, что вызы­ вает обеднение горючей смеси. Легкость пуска сильно зависит от температуры перегонки 10% и в меньшей степени от температуры перегонки 50% бензина.

Учитывая неполное испарение бензина при пуске холодного двигателя, уменьшают количество подаваемого воздуха. При при­ крытой воздушной заслонке общий коэффициент избытка возду­ ха аоВщ=0,1—0,2, что обеспечивает коэффициент избытка воздуха в паровой фазе в пределах 0,8—1,1.

Увеличение числа оборотов вала двигателя позволяет осущест­ влять запуск при более низкой температуре или при данной темпе­ ратуре воздуха и двигателя пустить его на бензине с более высо­ ким значением температуры перегонки 10% горючего. Однако при этом растет продолжительность запуска и увеличивается расход

надежность и эффективность работы, особенно при низкой темпе­ ратуре окружающего воздуха, в значительной степени определяют­ ся испаряемостью бензина. Чем быстрее прогревается двигатель, тем меньше непроизводительный расход топлива, износ двигателя и разжижение масла. Прогрев двигателя сильно зависит от темпе­ ратуры перегонки 50% и в меньшей степени от температуры пере­ гонки 10 и 90% бензина. Влияние испаряемости бензина на время прогрева двигателя и расход горючего на прогревание в большей мере сказывается в зимнее время. С понижением температуры пе­ регонки 50% топлива улучшается и приемистость двигателя.

Неравномерное распределение рабочей смеси по цилиндрам и неполное испарение ухудшают плавность работы двигателя, его мощностные и экономические показатели, увеличивают износы (рис. 42). Неравномерное распределение по цилиндрам компонен­ тов бензина и изменение состава горючей смеси по цилиндрам вы­ зываются наличием топливной пленки на стенках впускной трубы

167

шает вязкость масла в картере.

Разжижение масла в картере автомобильных двигателей, особенно при запуске, наблюдается и для бензина, имеющего достаточно высокую ис­ паряемость. Но в этом случае благодаря быст­ рому прогреву двигателя бензин из масла в корот­ кий срок испаряется. При работе двигателя на топ­ ливе тяжелого фракцион­ ного состава мощность снижается (см. рис. 42). Для получения той же мощности на топливе худ­ шей испаряемости необ­ ходимо обогащать смесь и этим увеличивать рас­ ход горючего.

О степени неравномерности распределения топлива и топливовоздушной смеси по цилиндрам можно судить по температуре пе­ регонки 90% и конца кипения бензина. Эти же температуры харак­ теризуют также количество жидкой пленки во впускном трубопро­ воде.

На прогрев и работу двигателя большое влияние оказывает теп­ лота испарения бензина. Если нет подвода тепла к впускным тру­ бопроводам, то при образовании горючей смеси наблюдается по­ нижение ее температуры. При полном испарении бензина пониже­ ние может достигать 15—20° С, при пуске холодного двигателя в ре­ зультате неполного испарения температура смеси снижается мень­ ше. Каждый тип двигателя рассчитывается с учетом теплоты испа­ рения бензина 68—75 ккал/кг, и если применять горючее с более высокой или более низкой теплотой испарения, то баланс тепла з системе смесеобразования изменяется. Это вызывает соответствую­ щие нарушения в работе двигателя. Топливо с высокой теплотой испарения вызовет уменьшение температуры испарения и равно­ мерность распределения горючей смеси, а применение топлива с небольшой теплотой испарения приведет к снижению коэффициен­ та наполнения.

Степень влияния испаряемости бензина на работу двигателя в значительной мере зависит от конструктивных особенностей дви­

168

гателя, режима его работы и температуры окружающего воздуха. При длительном пробеге автомобилей, особенно в зимнее время, при работе двигателя на часто меняющихся режимах влияние фрак­ ционного состава бензина сказывается особенно сильно.

Большие расходы бензина утяжеленного фракционного состава по сравнению с горючим оптимальной испаряемости наблюдаются при работе автомобиля в условиях бездорожья, когда приходится

169