книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

Рис. IV.2. Зависимость х{, рг и Др/Дф от температуры появления холодного пламени

выяснено, что появление холодного пламени находится в тесной связи со свойствами топлив при непосредственном сгорании их в двигателях.

Это подтверждается результатами многих экспериментов, про­ веденных различными исследователями. Так, например, установ­ лена прямая зависимость температуры появления холодного пла­ мени с критической степенью сжатия. Установлена связь этих зна-

388

чений температур с цетановыми числами топлив. Чем выше темпе­ ратура свечения, тем ниже цетановые числа.

На рис. IV.2 приводятся другие параметры двигателя дизеля М-10 (т;, р2 и Др/Аср) в зависимости от температуры начала рас­ пада топливных молекул (свечения). Как видно из рисунка, с уменьшением температуры возникновения свечения двигатель на этих топливах имеет тенденцию работать с меньшим периодом индукции, а следовательно, с меньшими значениями максималь­ ного давления сгорания и более мягко.

§4. КИНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО

ИНИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЙ

Наиболее вероятная схема процесса воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания разработана в трудах акаде­ мика Н. Н. Семенова и его школы (А. С. Соколик, А. Н. Воинов и др.). По их представлениям, воспламенение в двигателях осуще­ ствляется в соответствии с одной из двух кинетических схем вос­ пламенения газовых смесей: высокотемпературным одностадийным или низкотемпературным многостадийным воспламенением. Схема первого типа позволяет понять процессы в поршневых двигателях

представляет собой способ возникновения пламени благодаря про­ грессивному самоускорению экзотермической реакции. Последнее вполне достижимо потому, что между электродами запальной свечи образуется токопроводящий канал с высокой температурой (— 10000° К); это обеспечивает разрыв внутримолекулярных свя­ зей углеводородной молекулы и образование активных молекул (свободных радикалов), которые играют роль начальных центров. Последние развивают цепную реакцию, скорость которой возрас­ тает в соответствии с уравнением (IV.9). Й данном случае ф яв­ ляется функцией температуры и давления

С повышением начальной температуры реагирующей смеси число активных центров возрастает, что является определяющим для увеличения начальной скорости реакции w0.

Наряду с самоускорением цепной реакции возрастает и ско­ рость тепловыделения. Как только последняя превысит скорость теплоотвода в стенки, наступит период повышения температуры смеси, что приведет к саморазгону реакции, а затем к воспламене­ нию. Таким образом, высокотемпературное воспламенение характе­ ризует собой непрерывный процесс перехода от реакции цепного происхождения вначале в самоускорение реакции, вызванное уже

389

потом главным образом прогрессирующим разогревом смеси. Вслед­ ствие отсутствия границы перехода из одного качества в другое предпламенные процессы высокотемпературного воспламенения рассматриваются как одностадийные и по природе своей отно­ сятся к типу цепочно-теплового воспламенения.

Н и з к о т е м п е р а т у р н о е в о с п л а м е н е н и е яв­ ляется характерным процессом химических реакций горючей смеси в двигателях с воспламенением от сжатия. В схематическом виде этот сложный процесс, в котором решающая роль принадлежит цепным реакциям, может быть представлен следующим

ростью и достигает критической концентрации, при которой вну­ тримолекулярные связи этих молекул разрушаются, в результате чего происходит распад топливных молекул с образованием холод­ ного пламени. Последнее распространяется по объемудиффузией активных частиц в свежий заряд без участия теплопередачи, так как разогрев при этомничтожно мал.

Впервый период холоднопламенная стадия состоит из за­ держки (рис. IV.3), в течение которой ощутимое повышение дав­ ления газов отсутствует. Образовавшиеся за этот период промежу­ точные продукты представляют собой альдегиды, СО и продукты распада перекисей. В связи с этим можно полагать, что к концу периода относительно инертные для данной температуры исход­ ные продукты (углеводороды) заменяются активными молекулами и через период времени т 2 накопление перекисей оканчивается их новым распадом с образованием холодного пламени нового типа (большей интенсивности). При этом происходит повышение тем­ пературы и давления. Третий период т3 отличается от периода возникновения горячего пламени, так как реакции идут не до конца, а ограничиваются образованием промежуточных продуктов реак­ ции СО и активных продуктов. Этот тип пламени А. С. Соколик условно назвал «вторичным холодным пламенем», которое перехо­ дит прямо к тепловому взрыву, сопровождающемуся высокими скоростями тепловыделения.

Подобные последовательные химические превращения исход­ ного углеводорода приводят к разогреву смеси, а главное — к об­

390

разованию очень высокой концентрации активных центров, что вызывает активный взрыв, который становится возможным не­ смотря на низкую начальную температуру смеси. В этом заклю­ чается сущность низкотемпературного воспламенения, имеющего общую основу ц е п о ч н о - т е п л о в о г о в з р ы в а .

Процесс низкотемпературного воспламенения состоит из ряда последовательных стадий, обеспечивающих накопление промежу­ точных продуктов реакции и взрывной их распад с образованием холодного пламени и, наконец, теплового взрыва.

А. С. Соколик [21] допускает, что при низкотемпературном воспламенении не обязательно должны быть все три последователь­ ных перехода (периода), так как развитие воспламенения можно представить как переход по мере повышения давления и интенсив­ ности холоднопламенного процесса к двухстадийному процессу или к трехстадийному (рис. IV.3), завершающемуся горячим пла­ менем (взрывом). При очень малом т3 процесс становится двухста­ дийным. Последние две стадии т 2 и т3 соответствуют высокотемпе­ ратурному воспламенению, инициированному холоднопламенными процессами еще в стадии т. е. т 2 + т3 вместе рассматриваются как задержка горячего пламени.

При сокращении до предельно малой величины стадии тх про­ цесс становится, очевидно, одностадийным.

Г Л А В А XI

ПРОЦЕССЫ СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

§ 1. НОРМАЛЬНОЕ ПРОТЕКАНИЕ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ФАЗЫ

Для нормального развития процесса сгорания и тепловыделе­ ния с учетом времени, необходимого для сгорания смеси, зажига­ ние в цилиндре двигателя осуществляется до прихода поршня к в. м. т. в такте сжатия. Соответственное этому положение колен­ чатого вала относительно в%м. т., называемое углом о п е р е ж е ­ н и я з а ж и г а н и я , для современных карбюраторных и для двигателей с впрыском бензина колеблется в пределах 20—25° угла поворота коленчатого вала (п. к. в.), а повышение давления сгорания начинается за 12— 15° до в. м. т.

На рис. IV.4 приводится развернутая индикаторная диаграмма, позволяющая проследить характер изменения давления газов в ци­ линдре по углу поворота коленчатого вала. Как видно по характеру изменения кривой давления газов р от момента появления искры с и до точки с, заметного изменения давления газов в цилиндре не наблюдается, т. е. давление ничем не отличается от давления

391

сжатия при выключенном зажигании. После точки с давление быстро нарастает до максимального давления сгорания рг, а затем по ходу расширения так же быстро падает.

Весь период сгорания в двигателе с принудительным зажига­ нием смеси удобно рассматривать состоящим из трех условных фаз: / — фаза формирования начального очага воспламенения (объем, охваченный реакцией); II — фаза распространения турбу­ лентного пламени (фронт пламени); III — фаза завершения сго­ рания и догорания на линии расширения.

Характер сгорания в основной фазе II определяет жесткость или мягкость работы двигателя, что оценивается величиной при­ ращения давления, приходящегося

период окислительных реакций существует два качественных объема газовой смеси: первый — вокруг запальной свечи объем сгоревшего газа (очаг пламени), в котором завершается реакция окисления и который равен 68% общего объема; второй — объем свежей смеси, не охваченный еще пламенем.

Теплота, выделяющаяся при развитии начального очага пла­ мени (фаза /), а также активные продукты реакции передаются соприкасающимся с ним частицам или слоям, которые, в свою очередь, воспламеняются и, сгорая, вызывают воспламенение последующих частиц газовой смеси (фаза II), т. е. начинается про­ цесс распространения пламени. При этом основная зона горения обязательно характеризуется некоторой глубиной, как это схема­ тически показано на рис. IV.5.

Сгорание, протекающее по приведенной схеме, называют часто нормальным или бездетонационным (за исключением точки 3 на рис. IV.5). Механизм распространения пламени при таком сгора­ нии связан с передачей теплоты конвекцией и активных продуктов молекулярной диффузией, а также тем и другим вместе путем тур­ булентного воздействия на процесс. Пламя распространяется по камере сгорания во всех направлениях со средней скоростью 25—

392

40 м/с. Скорость распространения пламени зависит от многих фак­ торов, но главные из них следующие: интенсивность окисления топливных молекул, конструкция двигателя (степень сжатия, обеспечение турбулентных завихрений, температура деталей), энергия источника зажигания, угол опережения зажигания, число запальных источников (свечей) и др.

(Нарушение нормального развития процесса сгорания может иметь место из-за недостаточных скоростей распространения пла-

мени или из-за другой крайности — излишне высрких скоростей сгорания. В первом случае уменьшение скорости сгорания может быть вызвано обеднением состава смеси (а > 1 ). В связи с этим развитие начального очага воспламенения затягивается во вре­ мени, причем сам процесс распространения пламени может быть настолько «вялым», что догорание смеси часто продолжается в такте расширения, а иногда и выпуска. Результатом этого может быть воспламенение свежей смеси, поступающей в цилиндр, и воз­ никновение обратных вспышек через карбюратор.

Во втором случае, когда скорость сгорания становится чрез­ мерно высокой (в двигателе с принудительным зажиганием), имеет место с а м о в о с п л а м е н е н и е некоторого объема смеси, нагретой от сжатия или от прикосновения с раскаленными части­ цами нагара (рис. IV.5, точка 3).

§2. МЕХАНИЗМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Всоответствии с индикаторной диаграммой (рис. IV.4) фаза сгорания / начинается с момента появления искры между электро­

дами запальной свечи — точка с' и заканчивается в точке с, т. е. в момент начала превышения давления сгорания над давлением сжатия. Следовательно, в фазу I включается не только период

393

образования очага горения (зажигания), но и время, необходимое для формирования и отчасти распространения пламени хотя бы на объем смеси, достаточный для ускорения реакции с заметным повы­ шением давления в точке с. Как видно из диаграммы, весь период фазы / проходит без повышения давления и, следовательно, без заметного тепловыделения. На этом основании фаза I (с'— с) назы­ вается периодом индукции.

Дальнейшее развитие горения обеспечивается распростране­ нием пламени по объему камеры сгорания, что является самым су-

Рис. IV.6. Движение фронта пламени: а — при малой скорости движения смеси; б — при вращении ее

щественным фактором, определяющим массовую скорость сгора­ ния, а следовательно, мощность двигателя и его экономичность.

Фронт пламени перемещается в сторону несгоревшей смеси (рис. IV.5 и IV.6), но направление движения его относительно не- * подвижных стенок определяется не только собственно распростра­ нением пламени по свежей смеси, но и характером перемещения самой смеси по всему объему камеры сгорания. В связи с этим в ре­ альных условиях сгорания скорость распространения пламени складывается из скорости по ламинарно движущейся смеси — так называемой нормальной скорости ии— и из скорости, обусловлен­ ной турбулентным движением газа ит.

Под нормальной скоростью понимается скорость, с которой пламя распространяется от слоя к слою диффузией активных цен­ тров (молекул) и теплопередачей в направлении нормали к поверх­ ности его фронта. Нормальная скорость бензино-воздушной смеси колеблется в пределах 2— 3 м/с. Однако для развития процесса решающее значение имеют скорости сгорания, создаваемые движе­ нием смеси, т. е. турбулентными пульсациями газа.

Интенсивность воздействия на процесс сгорания турбулентных пульсаций^определяется масштабами этих пульсаций — мелко­ масштабной и крупномасштабной. В первом случае ускорение пла­ мени достигается усилением переноса теплоты и активных частиц

394

от пламени к свежему заряду без изменения поверхности фронта пламени, а во втором — турбулентность разрушает и искривляет фронт пламени, что увеличивает поверхность пламени и массовую скорость сгорания.

Движение фронта пламени в однородной смеси для замкнутого объема камеры сгорания зависит от степени сжатия объема еще не воспламенившейся смеси (рис. IV.5), которая сильно сжимается расширяющимися (в 7— 8 раз) к этому моменту продуктами сгора­ ния ранее сгоревшей смеси.

Как видно из изложенного, существует общая последователь­ ность в развитии процесса сгорания в целом.

Первый очаг пламени формируется под воздействием н о р ­ м а л ь н о й с к о р о с т и ин (теплопроводность, диффузия).

С развитием очага и образованием некоторого фронта пламени становятся возможными турбулентные пульсации, масштаб кото­ рых не превышает еще глубины зоны горения — м е л к о м а с ­ ш т а б н а я т у р б у л е н т н о с т ь .

Однако пульсации усиливают нормальную скорость, так как теплопроводность и диффузия активных молекул возрастают. На­ конец, масштаб турбулентности становится больше глубины зоны горения и роль нормальной скорости ослабевает, так как превали­ рующее влияние на процесс сгорания приобретает воздействие турбулентной скорости ыт — к р у п н о м а с ш т а б н а я т у р б у л е н т н о с т ь .

Следовательно, на участке срг (рис. IV.4, фаза сгорания II) развиваются процессы турбулентного сгорания, имеющие харак­ тер крупномасштабных пульсаций. Вторая фаза часто называется о с н о в н о й ф а з о й сгорания в двигателях с принудитель­ ным зажиганием смеси.

На рис. IV.6 представлены схемы [2], характеризующие рас­ пространение фронта пламени при малой скорости движения смеси и при вращении ее в цилиндре двигателя (угол опережения зажи­ гания 20° до в. м. т.), которые дают наглядное представление о сго­ рании в реальном двигателе. Так, например, скорость движения фронта пламени по схеме на рис. IV.6, а не превышает в среднем 16 м/с, а по схеме на рис. IV.6, б в отдельные моменты может иметь 45 м/с.

Сравнивая эти фоторегистрации, можно видеть, что при небольшом турбулентном воздействии пламя от свечи распро­ страняется концентрически по направлению к стенке. При воздействии на пламя вращательного вихря пламя следует за вихрем, а скорости движения пламени значительно возра­ стают.

Продолжительность фазы сгорания III (догорание) зависит от сте'пени турбулизации газа в конце сгорания, состава смеси а и угла опережения зажигания. При правильной организации про­ цесса эта фаза (и весь процесс сгорания) завершается в первой трети хода поршня. Более позднее завершение сгорания может

395

быть при работе на бедных смесях или при позднем зажи­ гании.

На рис. IV.7 (опыты акад. Б. С. Стечкина) приводятся участки индикаторной диаграммы двигателя ГАЗ-21 (п ~ 2000 об/мин), которые дают примерное представление о характере изменения за процесс сгорания и расширения средних значений температур Т

и давления рабочего газа в цилиндре двигателя р, а также измене­ ние коэффициента активного тепловыделения. Последний в данном примере в точке ртах дает £ = 73%, в фазе догорания выделяется еще — 12% теплоты, а в общем g = 85%. Таким образом, потери теплоты в стенки составляют примерно 15— 16%. Максимальное значение температуры газа Ттах о тс то и т о т то ч к и максимального давления ртах на 11°, что же касается ршах, то эта величина обычно достигается в пределах 12— 15° поворота коленчатого вала после в. м. т., а в приведенном примере— в пределах 15° после в. м. т.

§ 3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ

С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

(головка, клапан, поршень) определяются этим фактором. Кроме того, известно, что при работе двигателя на богатых

смесях угол опережения зажигания уменьшается, так как при обо­ гащении горючей смеси скорость сгорания возрастает, возрастают скорость тепловыделения и приращение давления на 1° п. к. в.

396

I

При обеднении смеси скорость сгорания уменьшается, а вместе с этим уменьшается и скорость тепловыделения (рис. IV.8, а), что увеличивает тепловые потери через стенки охлаждающих поверх­ ностей.

рания в двигателях с принудительным зажиганием. С увеличением частоты возрастает средняя скорость движения поршня, а вместе с этим и интенсивность турбулентных пульсаций, оказывающих прямое воздействие на увеличение массовой скорости сгорания,

что позволяет значительно расширять пределы быстроходности этого типа двигателей. С увеличением быстроходности возрастает также тепловая напряженность цикла, увеличивается показатель политропы сжатия п1, ускоряется образование начального очага пламени. Период индукции при увеличении частоты вращения уменьшается (рис. IV.8, б).

Однако увеличение частоты вращения двигателя и сокращение вместе с этим времени на подготовительный период и весь процесс сгорания требует установки более раннего угла опережения зажи­ гания. Без этого часть смеси сгорит в такте расширения, что уве­ личит потери теплоты с выпускными газами и в охлаждающую среду через стенки цилиндра.

И з м е н е н и е н а г р у з к и дросселированием приводит

кизменению отношения в цилиндре количества остаточных газов

кколичеству свежей смеси. При уменьшении нагрузки (прикрытие дроссельной заслонки) увеличивается относительное количество остаточных газов, являющихся инертными газами. Последнее ока­ зывает отрицательное воздействие на интенсивность процесса сго­ рания, снижая скорость распространения пламени и массовую скорость сгорания заряда.

397