книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

нации увеличивается; поэтому в двигателях легкого топлива, ед выбирается в определенных пределах.

5.Форма камеры сгорания и расположение запальных свечей.

Конфигурация камеры сгорания и расположение свечи (или све­ чей) влияет на форму, величину поверхности и скорость фронта пламени.

6.Энергия источника зажигания должна быть достаточно мощ­ ной, чтобы быстро поджечь смесь; известно, что для холодного дви­ гателя необходимо иметь пробивное напряжение между электро­ дами свечи 8000—10000 вольт, соответственно чему аппаратура электрического зажигания изготовляется с напряжения не менее 11000 вольт. В двигателях с большим диаметром цилиндра для на­ дежности воспламенения устанавливают две запальные свечи; в последнее время начинает внедряться факельное зажигание как одно из средств повышения мощности источника зажигания.

7.Эксплуатационные факторы.

а) Число оборотов коленчатого вала двигателя. При увеличе­ нии числа оборотов двигателя и соответствующем увеличении угла опережения зажигания процесс сгорания улучшается, уменьшается склонность к детонационному сгоранию (улучшается турбулент­ ность, теплообмен, теплопередача, однородность смеси, уменьша­ ется индукционный период).

б) Опережение зажигания 0° следует выбирать для каждого двигателя в соответствии с нагрузкой и числом оборотов-

С увеличением 0° увеличивается склонность к детонационному сгоранию, а уменьшение 0° вызывает перегрев двигателя и пони­ жение мощности.

в) Дросселирование (изменение мощности). При закрывании дроссельных заслонок уменьшается склонность к детонации, но про­ цесс конца сгорания удаляется от ВМТ, уменьшается скорость сго­ рания (pz, Тг ) — необходимо устанавливать более поздйее зажига­ ние.

г) Влияние температуры головки и стенок рабочего цилиндра — влияние охлаждающей среды.

Понижение температуры стенок и головок цилиндра резко влия­ ет на процесс сгорания — замедляются реакции окисления — падает мощность двигателя. Перегрев двигателя усиливает склонность к детонационному сгоранию.

в) Детонационное сгорание

При определенных условиях нормально протекающий процесс сгорания рабочей смеси (рис. 51) внезапно изменяется и пламя рас­

При детонационном сгорании работа двигателя сопровождается;

90

Длительная работа с детонацией может привести к прогоранию днища поршня, разрушению подшипников, преждевременным вспышкам — к аварии двигателя.

Многочисленные исследования явления детонационного сгора­ ния дали возможность до некоторой степени вскрыть сущность этого процесса, определить влияющие факторы и наметить соот­ ветствующие мероприятия.

Имеются различные теории возникновения детонационного сгорания; первая из них была высказана в 1921 г. Г. Р. Рикардо (в дальнейшем не подтвердившаяся).

В своей последней работе Г- Р. Рикардо [16], обобщая, конста­ тирует:

«... сущность механизма детонации была без доказательства принята давно и может быть объяснена достаточно элементарно».

И далее «...Когда фронт пламени продвигается, он сжимает ос­ тавшуюся перед ним несгоревшую смесь, температура которой по­ вышается от сжатия и от радиации движущегося пламени до тех пор, пока оставшийся несгоревший заряд не достигнет состояния, когда он воспламенится самопроизвольно, образуя волну давления. Последняя проходит по горящей смеси с чрезвычайно высокой ско­ ростью, так что ее столкновение со стенками цилиндра вызывает звенящий стук».

Указывая на ряд факторов, влияющих на возникновение дето­ нации, все исследователи утверждают, что детонация прежде всего и главным образом зависит от химического состава и молекуляр­ ной структуры топлива и возникает в смеси, сгорающей в послед­ нюю очередь.

Говоря о природе детонации, Г. Р. Рикардо-пишет [16]: «Хотя научные работники всего мира более пятидесяти лет стараются разгадать физические и химические изменения, которые обусловли­

и непосредственно перед ним образуются все виды продуктов час­ тичного окисленияБольшинство из них являются только промежу­ точными продуктами, т. е. другими словами, они существуют и присутствуют только в определенных температурных интервалах и

91

наличие их чрезвычайно трудно установить. Вероятно, один или несколько из этих промежуточных продуктов может действовать как интенсификатор, вызывающий взрыв заряда, но никто еще не смог установить природу этих продуктов».

Советскими учеными (А. С. Соколик, А. Н. Воинов и др.) также сделано много в части исследований детонационного сгорания [14], подтверждающих общее резюме Г. Р. Рикардо.

Рис. 52. Скорость распространения фронта пламени перед не­

Мы приводим на рис. 52—54 схемы, иллюстрирующие протека­ ние детонационного сгорания по исследованиям А. Н. Воинова [14]- В этих исследованиях применялся метод фотографической разверт­ ки снимков кинопленки, движущейся со скоростью до 40 м/сек, что давало возможность определять положение фронтов ударных волн через промежутки вре'мени до 1/150000 сек.

На рис. 54а показана картина возникновения сильной детона­ ции, когда в момент начала самовоспламенения объем несгоревше-

92

го Заряда занимал около 45% камеры сгорания. Пунктирными линиями показано распространение фронта пламени через интерва­ лы в 4° поворота коленчатого вала. При положении фронта пламе­ ни за 4° до RMT (жирная штриховая линия) возникает сперва очаг

Рис. 53. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя при несильной детонации (к рис. 52).

самовоспламенения А, вслед за тем появляется второй очаг в месте В, затем в месте С; дальнейшего развития уже не удается расшиф­ ровать.

Интервалы времени между фронтами пламени после самовос­

24—30, со средней скоростью по сгоревшим газам w=1250 м/сек. Когда одна из . ударных волн набегает на стенку, например, в зоне D, возникает новая отраженная волна более яркая, чем набе­ жавшая; распространение отраженной от D волны показано на рис. 546 через интервалы в 1/150 000 сек). Эта волна распростра­ няется по невоспламенившейся смеси со средней скоростью 2200— 2300 м/сек, а по частично прореагировавшему в процессе самовос­ пламенения заряду со скоростью 1500—1800 м/сек и по сгоревшим газам за фронтом основного пламени — со скоростью 1300 м/сек

93

(что показано стрелками). Таким образом происходит совмещение ударной волны (давлений) с отраженной (волной химических реак­ ций), т. е. детонационная волна, в которой полностью заканчива­ ются химические превращения смеси.

Детонационная волна, достигая противоположных стенок, отра­ жается от них в различных направлениях и проследить дальше процесс невозможно. При сильной детонации все описанные явле­ ния сохраняются почти в течение 60—70° поворота коленчатого вала.

HtKlxn S^-20

с градусами — положение фронта до самовоспламенения, в гра­ дусах поворота кол. вала, относительно В. М. Т. Цифры без градусов — индексы фронта ударных волн: а) схема распрост­ ранения фронта пламени и фронта самовоспламенения; б) схе­ ма распространения детонационной волны, отраженной от

стенки рабочего цилиндра в точке D.

Факторы, влияющие на детонационное сгорание топлива, мож­ но условно разделить на три группы: топливо, конструкция двига­ теля, эксплуатация; охарактеризуем кратко эти факторы.

Топливо в отношении детонационного сгорания характеризуется октановым числом; улучшение его достигается антидетонаторами.

Конструкция двигателя. Имеет значение конфигурация камеры

с учетом недопустимости создания условий для накопления боль­ шого количества смеси, сгорающей в последнюю очередь или воз­ никновения дополнительных очагов воспламенения.

Эксплуатационные факторы. При возникновении детонационно­ го сгорания его устранение может быть достигнуто следующими мероприятиям^

94

1) изменением состава рабочей смеси — путем закрытия .или открытия воздушной заслонки карбюратора;

2) дросселированием — посредством закрытия дросселя;

3)переходом на повышенное число оборотов коленчатого вала двигателя;

4)уменьшением угла опережения зажигания;

5)устранением нагарообразования на поршне и головке ци­ линдра (устраняются очаги самовоспламенения);

6)следить за надлежащей температурой охлаждающей воды;

7)с увеличением подогрева свежей смеси увеличивается склон­ ность топлива к детонации.

г) Сгорание в двигателях с самовоспламенением

В двигателях с самовоспламенением топлива от сжатого возду­

этого периода; быстрота подачи и количество подаваемого топлива во втором периоде; равномерность распределения топлива в каме­ ре сгорания-

Протекание третьего периода определяется: величиной среднего коэффициента избытка воздуха (нагрузочный режим); скоростью движения заряда в камере сгорания (скоростной режим); характе­ ристикой подачи топлива.

Четвертый период зависит от величины среднего .коэффициента избытка воздуха; от продолжительности подачи топлива в третьем периоде.

В основном процесс сгорания протекает следующим образом. При впрыске топлива с оптимальным опережением первые капли топлива физически и химически подготавливаются к окислитель­ ным реакциям, определенным образом реагируя с окружающим сжатым (нагретым) воздухом, подвергаясь в то же время даль­ нейшему сжатию в виде смеси — с воздухом (1—2). В некоторый момент условия в камере сгорания окажутся достаточными для возникновения быстрой реакции — самовоспламенения всей нако­ пившейся рабочей смеси (точка 2), в результате быстро образовав­ шихся газов и отчасти — от продолжающегося уменьшения объема камеры сгорания, давление и температура резко возрастают (П-й

95 .

сгорания — Тг(Гтах): 5 — конец догорания. Пунктирная линия — кривая расширения сжатого воздуха без впрыска топлива.

9в

период — 2—3); концом этого периода принимают момент дости­ жения максимального давления (точка 3 или г; pmax = pz). В дальнейшем продолжающее вбрызгиваться топливо уже попада­ ет в хорошо подготовленную среду, в которой отдельные капли' топлива сравнительно быстро сгорают, в результате этого тепло­ выделение растет, но давление уменьшается, так как уже идет про­ цесс расширения. В момент достижения максимальной температуры Ттах (или Т г), третий период (3—4) считают законченным (4); это почти совпадает с концом впрыска, но может быть и после него. Поле отсечки подачи топлива оставшиеся компоненты смеси дого­ рают в очень неблагоприятных условиях (малый а, много продук­ тов сгорания, теплоотдача в стенки и др.) и поэтому этот четвертый период (4—5) нежелателен, т. к. понижает экономичность двига­ теля.

Работа двигателя будет тем мягче, чем меньше индукционный пе­ риод (первый 1—2), и тем более экономичной, чем меньше будет четвертый период, а весь процесс сгорания — протекать плавно, с наиболее полным тепловыделением во втором и главным образом—

Для жидкого топлива состава C + H + S + 0 + N = l составим нижеприведенные уравнения реакций окисления.

Сгорание углерода С в С02:

7 * 99