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

Для устранения отрицательного действия на процесс сгорания остаточных газов (на постоянных числах оборотов) необходимо увеличивать угол опережения зажигания смеси и тем больше, чем больше дросселирование. Однако это может только совместить конец сгорания с в. м. т., а чтобы уменьшить продолжительность сгорания, необходимо дополнительно обогащать смесь и тем больше, чем больше степень дросселирования. Тогда, обогащая смесь и подбирая оптимальный угол опережения зажигания, можно осу­

возможность увеличения количества активных молекул очевидна. При повышении давления наддува рк в рассматриваемых дви­ гателях имеет место обеднение смеси при увеличении наддува. В исследованиях автора динамика изменения состава смеси при наддуве двигателя ЗИЛ-120 представлена для различных частот

вращения и степеней наддува в табл. IV.2.

Данные этой таблицы дают количественное представление о ха­ рактере изменения состава смеси при наддуве в карбюраторных двигателях, а следовательно, и о характере окислительных реак­ ций в процессе сгорания. Такие же данные получены в институте машиноведения АН ГССР (акад. В. В. Махалдиани).

С т е п е н ь с ж а т и я оказывает такое же влияние, как и наддув. Высокие степени сжатия позволяют получить в конце сжатия более высокие давления и температуры, что значительно ускоряет подготовку топлива к химическим реакциям. Период индукции у двигателей с большей степенью сжатия будет меньше и общая продолжительность сгорания до достижения ртах тоже сократится, причем ртах при больших значениях е будет ближе к в. м. т., что объясняется повышенными скоростями тепловыделе­ ния в наименьшем объеме камер сжатия, а поэтому с меньшими тепловыми потерями.

Как уже отмечалось выше, наиболее оптимальной формой ка­ меры сгорания может быть полусферическая с верхним расположе-

398

нием клапанов, желательно с двумя источниками воспламенения, а если с одним, то предпочтительно его расположение в центре камеры сгорания.

Вопрос формы камеры сгорания, а также числа и расположе­ ния источников воспламенения смеси рассматривается с точки зрения уменьшения поверхности охлаждения и уменьшения пути прохождения фронта пламени, так как при соблюдении этих тре­ бований скорость сгорания будет соответственно высокой.

§ 4. ДЕТОНАЦИОННОЕ СГОРАНИЕ

Причины, вызывающие детонационное сгорание, различны, так как детонация проявляется при увеличении степени сжатия е, давления и температуры на впуске, при смене сорта топлива, со­ става смеси а и других причин, включая форму камеры сгорания и конструктивные материалы, применяемые для изготовления дета­ лей камеры сгорания (поршень, головка, клапан, свеча). Под влия­ нием одного из перечисленных факторов или нескольких сгорание

вдвигателе может иметь взрывной характер — д е т о н а ц и о н ­

но е с г о р а н и е .

Скорость ударной волны, движущейся по несгоревшей смеси и продуктам сгорания, при детонационном сгорании равна 1200— 2300 м/с (примерно 40 м/с при нормальном сгорании). Такая волна в результате распространения и отражения может вызвать новые очаги воспламенения, а в случае образования очагов с большой концентрацией активных продуктов вызвать новую детонационную волну уже в самой ударной волне.

Склонностью к детонационному сгоранию в двигателях обла­ дает лишь та часть рабочей смеси, которая воспламеняется в по­ следнюю очередь. Возникает этот очаг в результате воздействия на процесс окисления ранее перечисленных факторов и прогрес­ сивно развивается вследствие дополнительного сжатия смеси перед фронтом, что значительно повышает давление и температуру еще не сгоревшей смеси и способствует образованию в ней актив­ ных продуктов.

Повышение давления и температуры происходит вплоть до распада этого активного очага с самовоспламенением его еще до подхода фронта горячего пламени. Из рис. IV.5 (точка 3) можно иметь представление о той части смеси, которая подготовлена и способна детонировать, а из рис. IV.9, где показаны результаты фоторегистрации (по опытам проф. А. Н. Воинова), — представле­ ние о характере распространения фронта пламени при рождении ударной волны.

Как видно, к концу нормального распространения фронта пла­ мени в несгоревшей смеси возникает объемный очаг самовоспламе­ нения, который и является непосредственной причиной возникно­ вения ударной волны.

По данным этой схемы, к моменту появления очага самовоспла­ менения (+6,25° после в. м. т.) движение фронта пламени резко

399

замедляется, что объясняется противодействием (расширением) очага самовоспламенения в связи со значительным накоплением энергии в период предпламенных окислений и мощным ее выделе­ нием в момент распада топливных молекул.

Протекание детонации можно хорошо представить из рассмо­ трения данных на рис. IV. 10, полученных проф. А. Н. Воиновым при исследовании процесса сгорания на специальном отсеке с фотощелевой регистрацией. При положении коленчатого вала (кри­

мерное по времени распространение пламени в разные стороны, а скорость пламени при этом колеблется от 120 до 600 м/с. Послед­ нее объясняется неравномерной химической подготовкой объемов смеси (различная концентрация по объему активных молекул). На этой схеме можно наблюдать возникновение новых очагов детонации В и С. Средняя скорость движения ударной волны в среде сгоревших газов за основным фронтом пламени 1250 м/с, что превышает скорость звука для данной среды на 25%. Это ука­ зывает на наличие процесса сгорания смеси во фронте волны с вы­ делением в связи с этим и некоторой энергии (тепловыделения).

При набегании упомянутой ударной волны на стенку (точка D)

400

1)механическое воздействие ударной волны на днище поршня вызывает разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма;

2)воздействие детонации и ударных волн на стенки цилиндра увеличивает повышенную теплопередачу от газов в стенку и к дру­ гим деталям, что создает тепловое перенапряжение этих деталей

иразрушает их;

3)вызывает частичную диссоциацию конечных продуктов сгорания, что приводит к повышенному образованию свободного

Рис. IV. 10. Сгорание смеси при очень сильной детонации: а — начало п роцесса детонации; б — продолжение

углерода (сажи) с выбросом ее в выпускную систему. В связи с этим повышается загрязнение наружного воздуха токсичными продук­ тами сгорания;

4) понижается мощность и экономичность процесса в резуль­ тате неполного сгорания топлива и тепловых потерь при детонации.

Как отмечалось выше, д е т о н и р у е т т а ч а с т ь с ме с и , к о т о р а я д о л ж н а с г о р а т ь в п о с л е д н ю ю о ч е ­ р е д ь в случае нормального горения, т. е. объем смеси, наиболее удаленный от точки зажигания (рис. IV.5 и IV.9). Следовательно, для подготовки этой части смеси к детонации необходимы условия и время, обеспечивающие тепловым воздействием максимальное образование промежуточных продуктов реакции.

Изменение конструкции или условий работы двигателя, кото­ рые вызывают повышение давления и температуры части смеси, сгоревшей в последнюю очередь, будет усиливать вероятность появ­ ления детонации и, наоборот, снижение их будет улучшать антидетонационные качества двигателя.

Для бездетонационной работы необходимо, чтобы продолжи­ тельность периода задержки воспламенения для какой-либо части смеси в объеме камеры сгорания хt (к) превышала время нормаль-

ного процесса сгорания (t), т. е. условием бездетонационной ра­ боты может быть ту (к) t.

К к о н с т р у к т и в н ы м ф а к т о р а м , влияющим на уси­ лие детонации или ее возникновение, могут быть отнесены степень сжатия, конструкция камеры сгорания, число и расположение запальных свечей. Влияние этих факторов ранее уже рассматри­ валось. Нарушение нормальных условий является основной при­ чиной перехода от нормального сгорания к детонационному. Мо­ жет оказать влияние размер цилиндра, так как с уменьшением диаметра цилиндра склонность двигателя к детонации уменьшается по той причине, что путь фронта пламени к более отдаленному

Рис. IV.11. Зависимость октанового числа топлива от различных факторов

объему смеси сокращается. Кроме того, относительная поверх­ ность охлаждения при этом (F0XJV S) возрастает, что также за­ трудняет возникновение детонации.

П р и м е н я е м ы е м а т е р и а л ы для деталей цилиндро­ поршневой группы также оказывают существенное влияние на возникновение детонации. Замена чугунных поршней алюминие­ выми повышает антидетонационные качества двигателя и позво­ ляет повысить степень сжатия без опасения вызвать детонацию. Алюминиевые детали имеют меньший коэффициент теплоотдачи от газа к стенкам (на 20— 30%) и больший (примерно в три раза) коэффициент теплопроводности. Поэтому температура такого поршня всегда будет ниже чугунного и вероятность детонации меньше.

К эксплуатационным факторам, влияющим на детонацию, отно­ сятся: частота вращения двигателя; нагрузка; температура охла­ ждающей воды, поступающей в зарубашечное пространство; тем­ пература смеси перед впуском ее в цилиндр; степень сжатия; сорт топлива и техническое состояние двигателя, т. е. нагарообразование и др.

Изменение перечисленных факторов является условием для

зависимость октанового числа (ОЧ) требуемого топлива от пере-

402

численных факторов, т. е. от частоты вращения двигателя ЗИЛ-375, где 1 — полусферическая и 2 — полуклиновая камеры сгорания (рис. IV.11, а)\ от нагрузки Ne, % (рис. IV.11, б); от температуры охлаждающей воды /охл, °С; от температуры смеси на впуске ta, °С (рис. IV. 11, в) и от степени сжатия в (рис. IV. 11, г). Все эти данные, полученные экспериментальным путем сотрудниками НАМИ, позволяют иметь представление об условиях нормаль­ ного и детонационного сгорания в двигателях с принудительным зажиганием.

Г Л А В А XII

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ

СВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ

§1. ПРОЦЕССЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ РАБОЧИХ СМЕСЕЙ

Сгорание неоднородной смеси существенно отличается от сго­ рания смесей однородного состава — гомогенных. Процесс обра­ зования смеси и подготовка ее к воспламенению в дизелях начи­ нается с момента подачи топлива в камеру сгорания, т. е. за 10—■ 40 град до в. м. т. Отрезок времени на все стадии подготовки смеси к воспламенению в поршневых двигателях и в особенности в дизе­ лях очень мал и составляет около 0,04— 0,001 с, где большие зна­ чения относятся к тихоходным, а меньшие — к быстроходным двигателям. Тогда как время, отводимое для образования и подготовки смеси в двигателях с внешним смесеобразованием (кар­ бюраторные), во много раз больше. Эти двигатели при четырех­ тактном цикле для смесеобразования располагают ходами впуска и сжатия смеси, т. е. имеют минимум 360° п. к. в. на все подготовительные процессы.

Отдельные процессы образования и подготовки смеси к воспла­ менению в дизеле, например распыливание топлива из сопла фор­ сунки, распределение его по камере сгорания, нагревание и испа­ рение капель, образование промежуточных продуктов распада (окисления) и, наконец, воспламенение накладываются по времени одно на другое и продолжаются после воспламенения уже в более нагретой среде. В этом основная особенность, а в то же время и сложность процессов сгорания в дизеле при их изучении.

Топливо, впрыскиваемое в цилиндр, попадает в среду сжатого, а поэтому нагретого воздуха с давлением 30— 40 кгс/см2 или 3,0— 4,0 МПа и температурой в камере сжатия 800— 1000 К.

Технический прогресс в области перспективного развития дизелей предполагает значительное увеличение среднего эффек­ тивного давления ре 30 кгс/см2 и выше. Подобное форсирова­ ние может быть достигнуто применением высокого наддува

изначительным увеличением подачи топлива на цикл при воз­ можном увеличении частоты вращения коленчатого вала двига­ теля. В этом случае трудности в осуществлении рабочего цикла значительно возрастут. Возникают новые, более сложные тре­ бования к получению оптимальных характеристик топливоподачи

итепловыделения высокофорсированных дизелей.

В о с п л а м е н е н и е н е о д н о р о д н о й с м е с и осу­

активации. Подобный тип воспламенения может быть получен при впрыске топлива в сжатый и тем самым нагретый до высо­ кой температуры воздух.

В смесях неоднородного состава воспламенение в первую оче­ редь может возникнуть в объеме, где концентрация топлива будет наиболее благоприятной, т. е. где а << 1. Кроме того, концентра­ ция топлива (объем испаряющейся капли) должна осуществляться в наиболее благоприятном объеме камеры сжатия как с точки зрения температурного поля, так и с точки зрения наибольшей аккумуляции теплоты, что может обеспечить достаточно активную интенсивность предпламенных реакций и скорость тепловыделе­ ния. Этому также должна способствовать скорость движения капли в объеме нагретого воздуха, так как она оказывает влияние на начертание контуров (формы) полей концентрации парой топлива и температурных полей.

Проф. Д. Н. Вырубов отмечает, что смесь в пространстве между каплями, находящимися на периферии факела, не достигает горю­ чей концентрации (выходит за нижний предел воспламенения). В центральной части факела концентрация паров топлива возрас­ тает, так как капли движутся плотно одна к другой, а поэтому смесь и в этом случае выходит за пределы горючести (за верхний предел воспламеняемости), а температура внутри факела вслед­ ствие испарения капель одновременно понижается, т. е. условия для воспламенения становятся неблагоприятными.

Наиболее благоприятной для воспламенения областью может быть наружная часть факела, в которой движутся с воздухом капли малого диаметра. В этой части пространства камеры сгора­ ния окончание подготовительных реакций и образование очага или ряда очагов воспламенения будет зависеть от скорости дви­ жения капель и условий теплообмена со стенками.

Наружная часть факела соприкасается с более нагретыми дета­ лями (днище поршня, клапаны, вставки), что обязательно уско­ ряет предпламенные реакции и переход к самовоспламе­ нению.

Появление первых очагов горения вызывает повышение темпе­ ратуры и давления, ускоряет предпламенные реакции и переход к образованию очагов самовоспламенения по всему объему смеси,

404

что также согласуется и с более поздними исследованиями других авторов [19].

Процессы образования горючей смеси и подготовка ее к вос­ пламенению в дизелях включают ряд промежуточных процессов и занимают определенный период времени, который называется периодом задержки воспламенения или периодом индукции. Прак­ тически период задержки воспламенения оценивается промежут­ ком времени в долях секунды или в градусах п. к. в. от момента подачи (впрыска) топлива форсункой до момента отрыва линии

сгорания от линии сжатия по индикаторной диаграмме (т,- или ср;

п. к. в.).

Продолжительность периода задержки воспламенения оказы­ вает большое влияние на процесс сгорания в целом и зависит от химических, физических, конструктивных и ряда других факто­ ров.

Химическими факторами, влияющими на величину т(., являются: род топлива (химический состав), концентрация кислорода, коли­ чество остаточных газов, катализаторы и присадки. Наиболее су­ щественным следует считать влияние рода топлива. Например, топлива с большим содержанием парафиновых углеводородов дают наименьшие значения задержек т(., а топлива с большим содержа­ нием ароматиков — наибольшие значения

Увеличение степени сжатия е, а также увеличение давления на впуске (наддув) уменьшают период задержки т(., что может объ­ ясняться влиянием повышения давления и температуры в конце сжатия (рс и Тс). При наддуве оказывает сильное влияние на умень­ шение тг повышенная концентрация реагирующих молекул (Со2 и Сх) в единице объема, так как вероятность их столкновений воз­ растает.

Повышение температуры воздуха на впуске, подогрев впрыски­ ваемого топлива, применение замкнутой системы высокотемпера­ турного охлаждения, как и в предыдущем случае, приведут к сни­ жению тг, так как и в данном случае температура в камере сжатия возрастет.

Камеры сгорания с наименьшей поверхностью охлаждения Кохл, повышение числа оборотов двигателя, тонкость распыления топлива ускоряют предпламенные реакции и уменьшают величину

V

На уменьшение периода задержки могут оказывать существен­ ное влияние неохлаждаемые вставки вихрекамерных двигателей, накладки на поршнях, керамические и другие покрытия днища поршня, днища чугунных неохлаждаемых поршней и т. д.

Заметное влияние на уменьшение т(. оказывает еще выбор наивыгоднейшего угла опережения впрыска топлива. Причем каждому режиму и для каждого двигателя в зависимости от его основных параметров подбирается оптимальный угол.

С возрастанием периода задержки тг возрастает не только количество скопившегося к концу задержки топлива, непрерывно

405

подаваемого в цилиндр форсункой, но и время теплового воздей­ ствия на уже впрыснутое и распыленное в цилиндре топливо. В ре­ зультате относительно длительной тепловой подготовки топлива,

впрыснутого за время тЛ образуются мощные очаги воспламенения смеси.

Последнее приводит к возникновению больших скоростей реакции с интенсивным тепловыделением, сопровождающих начало процесса сгорания взрывом со значительным приращением сред­ него и максимального давления на 1°, а также к возрастанию дав­ ления рг.>В общем, работа двигателя приобретает жесткий харак­ тер, что оказывает отрицательное влияние на моторесурс двига­ теля, хотя топливная экономичность его может иметь лучшие по­ казатели.

Таким образом, становится очевидным, что желательными могут быть только малые значения т(.; они соответствуют процессам, когда температура начала распада топливных молекул, опреде­ ляющих начало холоднопламенных процессов (реакций) при под­ готовке топлива к воспламенению, будет иметь наименьшее значе­ ние. Тогда более высокая скорость и полнота выгорания топлива в следующей (основной) фазе будут характерными для малых тг. Осуществить хорошую подготовку неоднородных смесей к воспла­ менению в дизелях в короткий промежуток времени очень сложно, поэтому применение для этих типов двигателей с внутренним смесе­ образованием смесей, имеющих а 1, удовлетворяет требова­ ниям ускорения процессов реакции как в подготовительный пе­ риод, так и при сгорании. Последнее объясняется тем, что вероят­ ность столкновений реагирующих молекул топлива с молекулами

будет непрерывно обеспечиваться из окружающей более богатой кислородом среды необходимым количеством этого компонента смеси. В связи с этим массовая скорость сгорания в двигателях с воспламенением от сжатия будет иметь высокие значения.

Повышенные значения а при сгорании неоднородных смесей могут обеспечить хорошую интенсивность (скорость) тепловыделе­ ния в третьей фазе, а также оказать заметное влияние при доста­ точном турбулентном переносе на ускорение процесса догорания в четвертой фазе, соответственно ее сокращая.

§ 2. ФАЗЫ СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕ

Характер протекания процесса сгорания в дизеле также можно проследить по индикаторной диаграмме.

На рис. IV. 12 приводится индикаторная диаграмма в разверну­ том виде, снятая на дизеле типа М-50.

На ней приводится кривая изменения подачи топлива по углу поворота коленчатого вала (dqldtр), кривая изменения давления газа в цилиндре р = f (<р), где с'с" — период задержки воспламе-

406

коэффициента избытка воздуха.

Характер распространения пламени по объему камеры сгорания в дизелях еще не получил достаточно полного освещения, как это имеет место в карбюраторных двигателях. Поэтому вполне есте­ ственно, что существуют различные трактовки отдельных положе­ ний, связанных с раскрытием физической сущности явлений, кото­ рые возникают в процессе сгорания неоднородных топливовоз­ душных смесей в двигателях с воспламенением от сжатия.

В современной литературе по поршневым двигателям процесс сгорания в целом рассматривается состоящим из четырех фаз. Это деление на фазы является для дизелей чисто условным, так как определить точные границы фаз не представляется возможным. Однако несмотря на условность,, принятые фазы процесса горения лежат в границах характерных точек: точка с' — начало подачи

407