6.1.1. Введение

Факт, что экономичность двигателя с искровым зажиганием зависит от степени сжатия, хорошо известен. Термодинамическое обоснование его приводится в различных учебниках [1, 2, 3], а практические последствия увеличения степени сжатия достаточно подробно исследованы, в частности, Кэрисом и Нелсоном [4].

Преимущества применения двигателей с высокой степенью сжатия для типичного современного двигателя с верхним располо­жением клапанов, запускаемого без предварительного подогрева, показаны на рис. 6.1. При этом также достигается увеличение эффективной мощности, что в свое время при низкой стоимости топлива стимулировало увеличение степени сжатия. Однако с наступлением энергетического кризиса ситуация изменилась. Кэрис и Нелсон не могли точно определить оптимальную степень сжатия, однако они установили, что при степени сжатия 17 : 1 КПД двигателя начинает уменьшаться. Эта степень сжатия значительно меньше максимально возможной в двигателях массового производства, которая может быть примерно равной 24 : 1. Указанное предельное значение определяется техническими возможностями, оно применяется лишь в малых высокооборотных вихрекамерных и предкамерных дизелях, что обеспечивает легкий пуск и хорошее сгорание.

При высокой степени сжа­тия в двигателях с искровым [зажиганием возникают проблемы, связанные с чрезмерным увеличением максимального давления в цилиндрах, вызывающим необходимость утяжеления конструкции и приводящим к увеличению потерь на трение. За все это приходится распла­чиваться дополнительным расходом топлива.

При современном техническом уровне оптимальное значение степени сжатия для двигателей с искровым зажиганием, пред­назначенных для использования в легковых автомобилях малой массы, находится в диапазоне от 11:1 до 14 : 1. Однако боль­шинство доступных топлив в условиях высокого давления в ци­линдрах и при сопутствующих высоких температурах проявляют склонность к аномальному сгоранию. Вследствие этого на прак­тике в двигателях, за исключением высокооборотных двигателей гоночных автомобилей, степень сжатия редко превышает 10 : 1, а чаще близка к 9 : 1. Несмотря на все сказанное, увеличение степени сжатия с 9 : 1 до 14 : 1 сулит значительное повышение экономичности, поэтому изучение факторов, приводящих к ано­мальному сгоранию, которое не позволяет реализовать это повы­шение, несомненно имеет смысл.

Двумя основными видами аномального сгорания являются детонационное сгорание и калильное зажигание, которые из­вестны со времени появления самих двигателей с искровым за­жиганием. Хотя Дугалд Клерк сообщил о первом наблюдении им детонационного сгорания еще в 1882 г. [6], результаты его на­блюдения с научной точки зрения были описаны недостаточно полно. Для лучшего понимания существа вопроса полезно начать с краткого исторического обзора.

6.1.2. ОСОБЕННОСТИ КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ И ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ И ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ НИМИ

Для первых двигателей с примитивными способами образова­ния топливной смеси, например, в результате поверхностного испарения или с помощью фитилей требовался легкий бензин с низкой (100°С) точкой кипения. Таким топливом был продукт прямой перегонки сырой нефти. В настоящее время известно, что такое топливо самое худшее с точки зрения возможности его аномального сгорания, и, действительно, многие из подобных двигателей теряли мощность в процессе работы и в конце концов останавливались, хотя сгорание топлива все еще происходило. В других же двигателях процесс сгорания сопровождался силь­ным шумом, но они продолжали работать.

Английский исследователь, профессор Кембриджского уни­верситета Бертрам Хопкинсон показал, что причиной этому были два совершенно разных явления: преждевременное калильное зажигание, которое приводило к остановке двигателя, и детона­ционное сгорание, которое вызывало шум.

Вводя раскаленный докрасна стержень в работающий дви­гатель, он заставлял горючую смесь воспламеняться до подачи искры. С помощью примитивных приборов он наблюдал прежде­временное калильное воспламенение, и ему удалось выяснить, что причиной бесшумной остановки двигателя является отрицатель­ная работа, совершаемая поршнем. Когда, однако, Хопкинсон заставлял двигатель «детонировать», приборы показывали очень большие пики давления на нормальных в остальном диаграммах, в результате датчики давления со временем выходили из строя. Он считал, что при этом наблюдалось явление, сходное с явлением детонации в длинных трубах.

Несомненно, что к таким же выводам в то же самое время (1904 г.) пришли и некоторые другие исследователи из других стран, но именно Хопкинсон вдохновил своего ученика Г. Р. Рикардо на создание экспериментального двигателя, на котором он показал, как повышение температуры головки цилиндра при детонации приводит к началу преждевременного калильного воспламенения. Это важный результат, характеризующий после­довательность процессов. Кроме того, Рикардо обнаружил «ан­тидетонационное» свойство чистого бензина. Следующий двигатель, построенный им в 1913 г., позволял изменять давление сжатия с помощью наддува [7]. Это дало ему возможность оце­нить различные топлива по степени стойкости к «детонации». Он установил, что толуол был лучшим из доступных топлив и что тяжелые бензины лучше легких. В результате проведенных испытаний Рикардо пришел к твердому убеждению, что обуслов­ленная этими явлениями ограниченность возможного увеличения степени сжатия двигателей была основным препятствием на пути повышения их топливной экономичности.

После первой мировой войны, во время которой развитие двигателестроения и совершенствование конструкционных мате­риалов ограничивалось в основном авиационной и танковой про­мышленностью [8], создание новых автомобильных двигателей потребовало проведения интенсивных исследований процессов сгорания. Эти исследования, приведшие к значительным успехам, были проведены в США, в частности, в исследовательских лабо­раториях фирмы «Дженерал моторc» под руководством Кеттеринга. Именно там Томас Мидгли открыл антидетонационные свойства тетраэтилсвинца, что позволило значительно расширить возможности увеличения степени сжатия по крайней мере для топлив нефтяного происхождения [9].

За решение поистине колоссальной задачи оценки склонности к детонации всех известных чистых углеводородов взялся Объеди­ненный комитет по исследованию топлив нефтяной и автомобильной промышленности США, в результате чего к концу двадцатых годов была создана октан-гептановая шкала [10]. В то же самое время в Англии в фирме «Шелл» были завершены исследования, проводившиеся Рикардо, Тизардом и Пайем [11] на, по-видимому, первом двигателе действительно с переменным сжатием, сконструи­рованным Рикардо одноцилиндровом четырехклапанном двигателе E35 с верхним расположением распределительного вала объемом 2 л. Они исследовали термический КПД двигателя и его зависимость от состава топлива, степени сжатия и термодинамиче­ских свойств топливной смеси. Испытания двигателя E35 показали хорошее соответствие теоретических и экспериментальных ре­зультатов и способствовали, таким образом, созданию основ тер­модинамики двигателей.

Они опять показали, что толуол обладал наилучшими анти­детонационными свойствами, и предложили шкалу, нулевая точка на которой соответствовала свойствам одного из свободных от ароматических соединений бензина, а точка 100 — свойствам толуола. Эта шкала появилась раньше шкалы, предложенной в США Объединенным комитетом по исследованию топлив, хотя, очевидно, и уступает ей.

Хорошим топливом зарекомендовал себя этиловый спирт, что сделало Рикардо пожизненным энтузиастом его распростране­ния. Ему принадлежат слова, сказанные в 1920 г.: «Благодаря применению топлива растительного происхождения (этиловый спирт) человечество получает возможность превращать в энергию движения ежедневно поступающую энергию Солнца, в то время как, используя минеральное топливо, оно вынуждено расходо­вать свои запасы, которые весьма ограничены» [12].

К 1927 г., который Агнью [13] определил как год начала серьезных исследований в фирме «Дженерал моторе», уже выяс­нилось, что преждевременного калильного зажигания можно избежать путем совершенствования конструкции двигателя, но детонационное сгорание, которое в то время чаще называлось по признаку его проявления в двигателе «детонационным стуком», еще представляло собой фундаментальную проблему, решенную лишь частично.

Процесс сгорания — турбулентность и детонационное сгорание.

Значение турбулентного движения смеси в камере сгорания было известно пионерам двигателестроения, турбулентность позволяет объяснить кажущийся парадокс, заключающийся в том, что быстроходный двигатель работает быстрее, чем это позволяет распространение фронта пламени в топливной смеси. Хопкинсон продемонстрировал в экспериментах в бомбе возможность регу­лируемого увеличения скорости распространения пламени в смеси с помощью вентилятора, вращающегося с различной скоростью. Его современник сэр Дугалд Клерк продемонстрировал противо­положный эффект остановки двигателя после нескольких циклов работы из-за турбулентности. В тех случаях, когда заряд горючей смеси воспламенялся, сгорание его было неполным.

На начальном этапе вполне естественным было появление различных теорий детонационного сгорания. Тизард [14] пред­полагал, что его причиной были большие ускорения фронта пла­мени и, как следствие этого, очень высокая температура пламени. Для проверки возможности распространения пламени с такими высокими скоростями он проводил испытания на изображенной на рис. 6.2 машине быстрого сжатия, созданной по принципу двигателя. Поршень при достижении ВМТ фиксировался и от­соединялся от ведущего вала с помощью телескопической стерж­невой системы. Приводимый в движение грузом вентилятор позволял создавать в камере сгорания турбулентность различ­ной интенсивности. При сжатии происходило самовоспламенение, которое, как он считал, приводило к распространению пламени с очень высокой скоростью, и в процессе испытаний записывались индикаторные диаграммы.

Влияние создаваемой вентилятором турбулентности на за­держку воспламенения смеси гептана с воздухом хорошо видно при сравнении рис. 6.3 и 6.4. В опытах был установлен двух­фазный характер процесса самовоспламенения и замечена его зависимость от молекулярной структуры топлива. Роль турбу­лентности оказалась сложной, поскольку, с одной стороны, при увеличении турбулентности увеличивается отвод тепла в «холодные» стенки камеры сгорания, а с другой стороны, увеличение турбулентности благоприятствует диффузии очагов самовоспла­менения в заряде топливной смеси.

Эти эксперименты, а также выявление существенного влияния тетраэтилового свинца побудили профессора Каллендера сделать предположение, что во время задержки воспламенения образуются активные центры, которые он назвал «каплями ядер», а это спо­собствует детонационному сгоранию [15]. Мардлес показал, что вероятнее всего активные центры представляют собой перекиси органических веществ, и примерно в то же самое время Эджертон выдвинул предположение, что антидетонационное действие оказывают молекулярно-диспергированные окислы многовалентных металлов, которые в результате окислительно-восстановительной реакции разрушают активные насыщенные кислородом моле­кулы [16].

Конструкция камеры сгорания. В то же самое время, когда были получены эти фундаментальные результаты, Рикардо скон­струировал для проведения исследований первую камеру сгора­ния, которая могла обеспечить эффективную работу двигателей автомобилей массового производства, — камеру сгорания с одно­сторонним расположением клапанов. Такая конструкция двига­теля была обусловлена требованиями производства. Все разработки Рикардо были хорошо документированы [17] в соответствии с тре­бованиями того времени [8].

Основными особенностями камеры сгорания для проведения исследований были следующие:

1. Точное регулирование турбулентности с целью увеличения скорости распространения пламени до такой степени, чтобы вре­мя сгорания было меньше времени задержки самовоспламенения;

2. Максимальное расстоя­ние, проходимое фронтом пламени, было ограничено га­сящим пламя зазором между днищем поршня и плоскостью головки цилиндра, равным 0,14 дюйм (3,8 мм);

3. Использование скорос­ти нарастания давления для оценки турбулентности и неустойчивого характера работы дви­гателя. (Оптимальная скорость нарастания давления в этой камере составляла 35 фунт/дюйм² (241,5 кПа) на один градус поворота коленчатого вала, скорость распространения пламени при этом достигала 300 фут/с (91,5 м/с) и сгорание происходило за 25° угла поворота коленчатого вала);

4. Свеча зажигания располагалась в самом горячем месте камеры — над выпускным клапаном — для минимизации воз­можности возникновения детонационного сгорания. Детонацион­ное сгорание имело место в части заряда горючей смеси, которая находилась над днищем поршня в относительно холодной зоне и должна была сгорать в последнюю очередь, и результатом этого были эрозия и выкрашивание поверхности поршня в этой зоне;

5. Головки цилиндров имели шесть расположенных вдоль главной оси и равноудаленных друг от друга окон для измерения скорости пламени стробоскопическим методом с целью сопостав­ления ее с диаграммой давления [181.

В процессе этих испытаний при детонационном сгорании было замечено, что окна 1—5 пламя проходило нормально, но при достижении фронтом пламени 6-го окна наблюдалась яркая вспышка, которая освещала все шесть окон одновременно. Это полностью подтверждает выводы о детонационном сгорании по результатам наблюдений выкрашивания поверхности днища поршня.

Движение заряда горючей смеси в этих двигателях очень сложное вследствие асимметричности, но в цилиндрической ка­мере при малых затратах энергии может быть организовано вра­щательное движение смеси. Алкок [19] проводил исследования на бесклапанном двигателе с цилиндрическим золотником с пере­городками во впускном канале, которые позволяли изменять скорость вихревого движения смеси от 0 до 7 вращений за один оборот коленчатого вала. Он показал (рис. 6.5), что оптимальное число вращений с точки зрения экономичности и предотвращения детонационного сгорания равно 2.

Смещение свечи зажигания при интенсивном вихревом дви­жении смеси дает некоторый положительный эффект, поскольку распространение пламени, расположенного в центре ядра, затруд­нено вследствие его малой плотности. Алкок назвал этот эффект тепловой центробежной конвекцией [20] и использовал его для обеспечения послойного сгорания. К концу двадцатых годов уже было накоплено достаточно информации о детонационном сгора­нии и преждевременном калильном зажигании для решения не­отложных вопросов, стоявших перед конструкторами двигателей. Были обнаружены антидетонационные свойства тетраэтилового свинца, и начались работы по выявлению антидетонационных качеств углеводородов, была введена шкала детонационной стой­кости, которая стала использоваться специалистами по топливу и конструкторами двигателей, однако ученые лишь слегка за­тронули проблему.

6.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНОМАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ

6.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНОВ

1. Во-первых, нормальное сгорание является процессом, раз­вивающимся от искры зажигания, подаваемой в определенный момент времени, и этот процесс представляет собой прогресси­рующее по скорости распространение фронта пламени в камере сгорания до полного сгорания топливовоздушной смеси. При нормальном сгорании возможно возникновение шума, издавае­мого элементами конструкции двигателя, причиной чего являются высокие скорости нарастания давления в цилиндрах.

2. Процессами аномального сгорания являются процессы сго­рания, начинающиеся до или после подачи искры у накаленных участков поверхностей или частиц нагара и приводящие к не­расчетным режимам роста давления, или процессы сгорания, начинающиеся перед фронтом пламени и развивающиеся с очень высокими скоростями. К ним относятся все разновидности ка­лильного зажигания и детонационного сгорания.

3. Детонационное сгорание сопровождается стуком, представ­ляющим собой шум, который издают детали двигателя, причиной его служит самопроизвольное воспламенение (самовоспламене­ние) последней части заряда горючей смеси, находящейся перед фронтом пламени. Фронт пламени при этом может образовываться от искры или в результате калильного зажигания. В первом случае возможность возникновения детонационного стука зависит от величины угла опережения зажигания, а во втором его возникно­вение менее чувствительно к величине этого параметра.

4. Калильное зажигание происходит в результате воспла­менения смеси от накаленных участков стенок камеры сгорания, головок выпускных клапанов, электродов или изоляторов свечи зажигания или частиц раскаленного нагара. При этом пламя после воспламенения распространяется с нормальной скоростью. Воспламенение может происходить до подачи искры, в этом слу­чае процесс называется преждевременным калильным зажига­нием, или после подачи искры, тогда процесс называют после­дующим калильным зажиганием. В обоих случаях диаграмма давления в цилиндре искажается.

5. Воспламенение при выключенном зажигании представляет собой обычно нерегулируемый процесс самовоспламенения смеси от сжатия в прогретом двигателе с прикрытой дроссельной за­слонкой в течение, как правило, непродолжительного времени.

В зависимости от конструкции двигателя, условий его работы, количества и состава нагара при сгорании топливовоз­душной. смеси могут одновременно происходить различные ано­мальные процессы. Некоторые из совокупностей таких процессов сгорания получили отдельные названия. Название резкого ме­таллического стука получили четко прослушиваемые резкие стуки в двигателях с высокой степенью сжатия с неустойчивым обра­зованием нагара. Это разновидность детонационного сгорания при калильном зажигании от накаленных участков поверхности [21].

Термин грохот применяется для наименования явления до­вольно устойчивого воспламенения от накаленных участков по­верхностей части заряда в процессе сгорания. Следствием такого аномального процесса сгорания может быть слишком быстрый рост давления на начальном этапе цикла [22].

Последним в этом перечне упомянем высокооборотное дето­национное сгорание. Термин детонационный стук не характери­зует этого явления, поскольку оно происходит при высокой ча­стоте вращения коленчатого вала и большой нагрузке, и часто на фоне общего шума незаметно для водителя. Результатом может быть прогар или оплавление поршней.

При работе двигателя на топливе с недостаточным октановым числом, определенным моторным методом, возможно быстро про­грессирующее преждевременное самовоспламенение.

6.2.2. ВЫЯВЛЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ И ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ

Первым и основным средством обнаружения детонационного стука и оценки его интенсивности является ухо человека [25], очень часто даже в самых современных исследованиях именно оно является окончательным арбитром при принятии решения. Хорошо тренированное ухо не могут превзойти даже самые слож­ные электронные приборы, которые, тем не менее, обладают преимуществом отсутствия свойственных человеку субъектив­ности оценок и усталости.

Выявление детонационного сгорания по наблюдениям за выкрашиванием поверхности поршня позволяет оценить положение и размеры зоны последней части заряда, но требует много времени. Автору лишь после 10 ч непрерывной работы высокопрочного экспериментального двигателя при частоте вращения вала 1500 мин^-1 удалось обнаружить едва заметные следы эрозии, в то время как интенсивность детонационного стука буквально пугала участников эксперимента.

Наблюдение за теплоотводом в зоне остаточных газов позво­ляет обнаружить детонационное сгорание по резкому увеличению его скорости, превышающему нормальное увеличение, которое обусловлено влиянием приводящих к детонационному сгоранию факторов (например, увеличением степени сжатия и угла опережения зажигания) [26].

Обычно при интенсивной детонации двигателей наблюдаются выделения сажи, но попыток контролировать детонационное сго­рание путем обнаружения сажи не предпринималось.

Если бы в камере можно было сделать окно, то детонацион­ное сгорание можно было бы обнаружить по сопровождающей его очень яркой вспышке, но, к сожалению, в реальных двига­телях сделать окно затруднительно. При детонационном сгора­нии происходит резкое повышение ионизации газов во время вспышки. Оно может быть обнаружено с помощью ионизационного зонда, на который обычно подается отрицательный потенциал 100—300 В. Ток ионизации регистрируется электрометрическим усилителем и электронным осциллографом. В качестве ионизационного зонда может использоваться свеча зажигания двигателя при условии соответствующей изоляции цепей от высокого напряжения [27, 28]. Таким методом можно исследовать скорость рас­пространения пламени, диаграмму работы двигателя и процесс гашения пламени [29—31], поскольку для его применения при испытаниях двигателя требуется сверление лишь небольшого (~3 мм) отверстия в стенке камеры сгорания.

На ниспадающих участках диаграмм ионизации можно видеть характерные для детонационного сгорания колебания. Однако для исследования детонационного сгорания этот метод приме­няется редко. Диаграммы соответствующим образом расположен­ных ионизационных зондов, позволяющие оценить степень иони­зации в зависимости от угла поворота коленчатого вала, часто используются для выявления преждевременного калильного за­жигания.

Исследования детонационного сгорания существенно продви­нулись благодаря применению малоинерционных кварцевых пьезоэлектрических датчиков давления. Малый размер, термостабиль­ность и высокая прочность позволяют использовать эти датчики даже в обычных двигателях, прикрепляя их к корпусу свечи зажигания с помощью трубки малого диаметра [33 ] с учетом требова­ния отсутствия резонансных явлений. Некоторые специалисты интенсивность детонационного стука оценивают величиной повы­шения давления в камере сгорания [34]. Другие предпочитают ставить в соответствие интенсивности детонационного стука ско­рость роста давления [35].

Преждевременное калильное зажигание очень удобно исследо­вать с помощью пьезоманометров, позволяющих выявить опере­жающий рост давления [36].

Акселерометры. Ударные волны давления в цилиндре, возни­кающие в результате детонационного сгорания, являются при­чиной передачи или излучения конструкцией двигателя колеба­ний с частотой 3—10 кГц, неопределенным образом зависящей от размеров и формы камеры сгорания. Первый датчик детонации, применявшийся в двигателях «Объединенного комитета по иссле­дованию топлив США» (двигателях CFR) при оценке октановых чисел топлив, представлял собой «подскакивающее» устройство, резонирующее при колебаниях двигателя. При этом замыкались контакты интегрирующей схемы, с помощью которой измерялась интенсивность детонационного стука [37, 38].

Современные акселерометры прикрепляются к характерной детали конструкции, такой как, например, болт крепления го­ловки, или рядом с ним; наилучшее место расположения датчика определяется методом проб, поскольку спектры и источники по­стороннего шума, производимого клапанным механизмом, цепными и зубчатыми передачами и т. п., у различных двигателей раз­личны.

Широкое применение акселерометров в двигателях способ­ствовало значительному усовершенствованию их конструкции.

6.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВ

Октановое число. Повсеместное распространение получила шкала, на которой n-гептану соответствует 0, а изооктану (2-2-4-триметилпентану) — 100 [10]. Использование этой шкалы цели­ком определяется использованием специального двигателя CFR, работающего на двух режимах, отличающихся температурными условиями. Детонационные свойства исследуемого топлива моде­лируются эталонной смесью, процентное содержание в которой изооктана в стандартных условиях называется октановым числом, определенным исследовательским методом, а в более тяжелых температурных условиях — октановым числом, определенным мо­торным методом [40].

Как правило, условия эксплуатации работающих без подо­грева двигателей (гоночных автомобилей и авиационных) соответствуют исследовательскому методу, а большинства автомобильных двигателей — моторному методу определения октанового числа. Чувствительностью топлива (к температурным условиям) называется разность октановых чисел, определенных исследова­тельским и моторным методами. Октановые числа, соответствую­щие дорожным условиям, могут быть определены путем регистра­ции частоты вращения вала двигателя на пределе детонации при разгоне автомобиля на высшей передаче для фиксированного значения угла опережения зажигания из некоторого диапазона. Строится также набор кривых, характеризующих зависимость частоты вращения вала двигателя от угла опережения зажигания, для различных эталонных смесей. Испытываемое топливо после этого может быть оценено простым сопоставлением полученных для него результатов с этими кривыми [41].

В случае отсутствия двигателей CFR для сравнения топлив на слух может быть использован любой двигатель с переменной степенью сжатия. Это наиболее употребительный метод [25].

Конечно, только с помощью двигателя CFR можно получить истинные значения октановых чисел. Приближенные значения октановых чисел, определяемых исследовательским и мотор­ным методами, могут быть получены в результате исследования содержания углеводородов в испытываемом топливе методом ядерного магнитного резонанса, а также в результате исследова­ния содержания свинца и серы [26].

Высокооборотная детонация. В настоящее время не суще­ствует общепринятого метода оценки склонности моторных топлив к высокооборотной детонации, поскольку само это явление трудно наблюдать и еще более трудно увязать его с повреждениями дви­гателей [43, 44].

Известны факты, свидетельствующие о том, что определяемое моторным методом октановое число имеет большее значение, чем определяемое исследовательским методом, и что при сильной высокооборотной детонации появляются характерные признаки преждевременного калильного зажигания. Указанная проблема наиболее актуальна для Европы, где и проводятся основные ее исследования. Европейский координационный совет (СЕС — Coordinating European Council) активно поддерживает разработку методов оценки повреждений при детонации для двигателей мас­сового производства. Исследовательской группой CF—23 разра­ботана схема метода испытаний, в соответствии с которой стабили­зируется детонация, подбираются частота вращения вала двига­теля, положение дроссельной заслонки и интенсивность детонации и затем проводятся испытания на выносливость в этих условиях и при этой интенсивности детонации [45].

Наиболее часто при применении метода регулирования ин­тенсивности детонации используется полосно-пропускающее уст­ройство для измерения ускорений Ассорини (Италия), основанное на разработке фирмы «Снам-Прогетти» [46]. Представляет интерес также система, в которой используется настраиваемый микрофон [46, 47].

Существенные успехи в выявлении связи повреждений дви­гателя с интенсивностью детонации, рассчитываемой различными методами, достигнуты в Италии [23, 46]. Сам подход к классифи­кации топлив по стойкости к высокооборотной детонации вызывает некоторые сомнения, поскольку эталонные топлива очень чув­ствительны к изменениям условий работы двигателя и ведут себя не так, как бензины высших сортов, содержащие ароматиче­ские соединения и олефины [48].

Это свидетельствует о необходимости подбора эталонных топлив с такой же химической кинетикой, как и у обычных бен­зинов.

Стойкость к преждевременному калильному зажиганию. Вслед­ствие сильного каталитического действия поверхностей и неиз­бежности наличия различного рода отложений в отдельных местах камеры сгорания очень трудно классифицировать топлива по их склонности к преждевременному калильному воспламенению. Даунз предложил оценивать стойкость к преждевременному ка­лильному воспламенению изооктана числом 100, а циклогексана или кумола, нулем [48]. Он создавал условия для преждевремен­ного калильного зажигания в цилиндре авиационного двига­теля «Нейпир Даггер» с помощью охлаждаемой воздухом горячей пробки и в лабораторном экспериментальном двигателе («Рикардо Е6») с помощью электрически нагреваемой катушки с термопарой. Склонность к преждевременному калильному зажиганию оцени­валась количеством энергии, требуемой для нагрева или охлажде­ния элемента до температуры калильного зажигания от нормальной эксплуатационной температуры. При применении горячей пробки ее обычная эксплуатационная температура значительно выше требуемой для калильного зажигания и объем охлаждаю­щего воздуха обратно пропорционален количеству требуемой энергии. В случае применения подогреваемой катушки ее температура была ниже температуры калильного зажигания, и поэтому показания ваттметра в цепи нагрева переменного тока непосредственно соответствовали количеству подводимой энер­гии. Аналогичную методику использовал Арригони [50], он осуществлял нагрев катушки до некоторой заданной температуры и анализировал диаграммы давления в камере с целью выявления среди них диаграмм, соответствующих циклам, в которых про­исходило калильное зажигание. В случае необходимости иссле­дования влияния точек перегрева в конструкции двигателя или в образовавшемся нагаре можно выключить зажигание во время работы двигателя с большой нагрузкой и подсчитать число калильных зажиганий (с помощью ионизационного зонда) до того, как точки перегрева остынут [28]. При этом ионизационным зондом может служить сама свеча зажигания, так что никакой модификации двигателя не требуется.

Грохот двигателя, являющийся разновидностью калильного зажигания от раскаленных частиц нагара, как показали прове­денные в «Дженерал моторе» исследования, обусловлен влиянием бензола, и он уменьшается при применении изооктанового топлива, что позволяет построить шкалу, характеризующую стойкость двигателя [22].

6.2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ДЕТОНАЦИОННОЕ СГОРАНИЕ

Работа двигателей с искровым зажиганием, особенно пред­назначенных для эксплуатации на пределе детонации, зависит от большого количества взаимосвязанных факторов, так что его характеристики практически невозможно оценить без использо­вания накопленного опыта. Наиболее важными являются сле­дующие параметры.

Для полного учета их сложного взаимодействия следует обра­титься к соответствующим руководствам [1—3]. В этой главе возможно лишь кратко рассмотреть некоторые основные моменты.

Плотность заряда топливной смеси. Обычно при рассмотре­нии детонационного сгорания анализируются степень сжатия и нагрузки, но, конечно, основными параметрами, определяющими возможность детонационного сгорания, являются плотность заряда топливной смеси, температура последней части заряда и время. Плотность заряда зависит от величины давления во впускном трубопроводе (степени открытия дроссельной заслонки), степени сжатия и коэффициента наполнения. Температура зависит от адиабатического сжатия, потерь теплоты при сгорании, темпе­ратуры поступающего заряда топливной смеси, температуры стенки камеры в зоне последней части заряда и предпламенных реакций окисления в остаточных газах последней части заряда. Время для развития процесса детонационного сгорания зависит от частоты вращения вала двигателя, скорости распространения пламени, угла опережения зажигания и турбулентности, т. е. от существенно взаимосвязанных факторов. Специалисты НАСА (NASA — National Aeronautics and Space Administration) иссле­довали возможность характеристики топлив для авиационных двигателей с помощью предельного значения плотности заряда топливной смеси и температуры [51, 52]. Они показали, что для каждого топлива можно указать предельное значение плотности последней части заряда при любом значении ее температуры и что предельное значение плотности заряда уменьшается при увели­чении степени сжатия и неизменной величине угла опережения зажигания.

Херон несколько видоизменил этот подход и использовал в качестве показателя коэффициент наполнения, определяемый по величине среднего индикаторного эффективного давления. Это позволило избежать необходимости измерений массового секундного расхода топлива [53]. Указанные методы очень эффек­тивны для сравнительной оценки антидетонационных характе­ристик различных камер сгорания.

Регулировка момента зажигания. Регулировка момента зажи­гания является самым доступным средством влияния на процесс детонационного сгорания. Задержка зажигания уменьшает тем­пературу и давление последней части заряда и, таким образом, задерживает начало детонационного сгорания. Факторы, влияю­щие на нагрев свечи зажигания, влияют и на детонационное сгорание, поскольку при горячей свече воспламенение ядра происходит быстрее, что равносильно опережению зажигания. Холодная свеча может стать причиной гашения ядра, при холод­ной свече формирование фронта пламени замедляется и процесс сгорания задерживается. При применении свечи с нагаром в уг­лублениях и в местах эрозии эффект уменьшения уровня детона­ции таков же, как и при применении холодной свечи [36].

Многие фирмы уменьшают примерно на 5° оптимальный угол опережения зажигания, соответствующий достижению макси­мального крутящего момента, что повышает антидетонационные характеристики двигателя ценой некоторого ухудшения эконо­мичности [54]. При больших частотах вращения двигателя за­держка воспламенения может составить значительную часть вре­мени распространения пламени [35] и его неравномерность от цикла к циклу может существенно сказаться на неравномерности работы двигателя в целом. При малых частотах вращения (~1000 об/мин) этот эффект менее заметен.

Неравномерность работы от цикла к циклу достаточно подробно исследовалась статистическими методами [56, 57, 29], и было по­казано, что допустимые значения коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси ряда углеводородов и бензина, при которых происходит воспламенение от искры зажигания, могут достигать 2,2 [58].

Частота вращения вала двигателя. Наиболее существенный эффект увеличения частоты вращения вала двигателя заключается в том, что при этом почти так же увеличивается скорость распро­странения пламени. При очень больших частотах вращения вала двигателя влияние турбулентности на процесс воспламенения и уменьшение коэффициента наполнения приводят к кажущемуся снижению скорости распространения пламени по сравнению с ожи­даемой при соответствующем увеличении угла опережения зажи­гания. Даже с учетом этого двигатель «Хонда» с небольшими четырехклапанными цилиндрами вплоть до 25 000 мин^-1 работает при угле опережения зажигания, равном всего лишь ~ 50° [55].

Проведенные расчеты степени полноты сгорания для истин­ной скорости распространения пламени, определенной по кажу­щейся скорости с учетом поправки на задержку воспламенения, показали, что полнота сгорания постоянна вплоть до максималь­ного значения частоты вращения вала двигателя. В камерах сгора­ния такого типа турбулентность течения смеси зависит от формы камеры и скорости движения поршня, дополнительное влияние на турбулентность оказывают пульсации газов в цилиндре.

Увеличение частоты вращения вала двигателя снижает интенсивность детонации при применении парафиновых топлив в большей степени, чем при применении олефиновых или аромати­ческих топлив [48]. Запаздывание с увеличением частоты враще­ния двигателя не уменьшается, и поэтому детонация менее интен­сивна (разд. 6.3.3). С увеличением частоты вращения умень­шается также и слышимость детонационного стука, но повреждаю­щее действие детонационного сгорания на конструкцию увеличи­вается до тех пор, пока при частоте, соответствующей максималь­ной мощности, не начнется преждевременное калильное зажига­ние. Наибольшие повреждения вследствие высокооборотной дето­нации могут быть при значениях частоты вращения коленчатого вала в диапазоне между максимальным крутящем моментом и максимальной мощностью (т. е. 4500 мин^-1) [36].

Наличие олефиновых веществ в топливных смесях делает их стойкими к высокооборотной детонации. Как правило, бензины, содержащие препятствующие преждевременному воспламенению присадки, имеют низкие октановые числа.

Распространение пламени. С самого начала выпуска двигате­лей постоянно уменьшается протяженность главной оси камеры сгорания, что осуществляется за счет перехода от головки ци­линдров с двусторонним верхним расположением клапанов к го­ловке с односторонним нижним расположением клапанов, к «полу­сферической» камере и, наконец, к «шаровой» камере Мея, или «Fireball», так как известно, что для двигателя с высокой сте­пенью сжатия существенное значение имеет расстояние, проходи­мое фронтом пламени.

Известно, конечно, что в случае, когда степень сжатия пре­вышает 7:1, длина проходимого фронтом пламени пути мала. Она немного меньше диаметра цилиндра для значений степени сжатия до 10 : 1 и примерно равна половине диаметра для боль­ших значений степени сжатия. Следует, однако, иметь в виду, что при высоких степенях сжатия и малой полости в головке цилиндра или полости в поршне может возникнуть детонационное сгорание в областях, где малый зазор между металлическими поверхностями препятствует нормальному распространению пламени, т. е. в областях, где образуются пульсации, в канавке верхнего поршневого кольца и между гребнем поршня над канав­кой верхнего поршневого кольца и цилиндром [24].

Влияние величины расстояния, проходимого фронтом пламени, на самовоспламенение последней части заряда очень сложно. В современных двигателях с компактными (характеризуемыми малым отношением площади поверхности к объему) камерами сгорания турбулентность в окрестности ВМТ может сильно уве­личиваться при поступлении заряда смеси из цилиндра в камеру сгорания. Температура последней части заряда при этом может увеличиться, так как процесс сжатия пламени почти адиабатический, но интервал времени, в течение которого может про­изойти самовоспламенение, уменьшается.

Информации о таких камерах сгорания мало, а статистические данные о распространении пламени, полученные на эксперимен­тальных двигателях могут оказаться не подходящими.

Однородность топливного заряда. Топливовоздушная смесь должна быть настолько однородной, насколько это возможно для многоцилиндровых двигателей, поскольку при случайном обо­гащении смеси в некоторых цилиндрах может наблюдаться дето­национное сгорание, при этом они будут воспринимать значитель­ные нагрузки. Однородность смеси может достигаться с помощью незначительного подогрева воздуха на входе, если он не ухудшает антидетонационных показателей. Справедливость этого утвержде­ния подтверждается появлением детонаций в двигателях многих автомобилей США при испытаниях на токсичность, в процессе которых топливная смесь подогревается.

Температурные режимы двигателя. Основным правилом, кото­рого придерживаются разработчики двигателей, является созда­ние условий для начала процесса сгорания как можно ближе к выпускному клапану с тем, чтобы ограничить область послед­ней части заряда холодной частью камеры сгорания, куда охла­дители поступает с наиболее низкой температурой. Нагрев воз­духа на входе при постоянной степени сжатия способствует уменьшению предельного антидетонационного значения плот­ности воздуха [53], в то время как повышение температуры по­следней части заряда вследствие увеличения степени сжатия почти не влияет на эту величину, поскольку для обеспечения макси­мального крутящего момента требуется позднее зажигание. Более позднее зажигание влечет за собой уменьшение времени задержки воспламенения последней части заряда, компенсируя таким образом повышение температуры.

Измерение температуры последней части заряда во время рабочего цикла двигателя является сложной задачей. Оно осу­ществляется с помощью метода двухволновых инфракрасных излучений [59] и метода поглощения ультрафиолетового излучения бензола [60]. Оба эти метода свидетельствуют об экзотермичности предпламенных процессов.

Остаточные газы. Количество остаточных газов в свежем топливном заряде является очень нестабильной величиной, ко­торая зависит от степени сжатия, перекрытия клапанов, частоты вращения коленчатого вала двигателя и особенностей систем впуска и выпуска. Этот вопрос достаточно подробно изучен в связи с исследованием систем рециркуляции отработавших газов [61]. Присутствие остаточных газов способствует уменьшению скорости распространения пламени и температуры, но приводит к увели­чению толщины пристеночных слоев и температуры топливного заряда [31 ].

Ясно, что любые изменения количества остаточных газов в цикле могут оказать влияние на процесс сгорания и параметры состояния последней части заряда, однако этот вопрос изучен мало.

Активные центры, сохранившиеся в остаточных газах, могут способствовать развитию предпламенных реакций, особенно при выключенном двигателе и при неполном перемешивании остаточ­ных газов. Этот эффект был использован при исследовании двух­тактного двигателя после выключения зажигания [62].

6.3. ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ

С момента первых наблюдений детонационного сгорания и до настоящего времени было выдвинуто множество различных теорий о происхождении этого явления, однако можно сказать, что даже и сейчас оно не получило достаточно полного объясне­ния. Это и не удивительно, поскольку само явление существенно изменилось: от детонации в «длинных» камерах сгорания со сте­пенью сжатия 4 : 1 до детонации в «коротких» компактных каме­рах со степенью сжатия 14 : 1.

Общепринято считать, что детонационное сгорание представ­ляет собой быстрое сгорание последней части заряда, приводящее к локальному повышению давления. Перемещение этого высокого давления возбуждает колебания газов в камере, результатом которых может быть возникновение ударных волн или резонанс с собственными колебаниями (газа) в камере.

В тридцатые годы многочисленные теоретические исследования детонационного сгорания оформились в виде двух научных тео­рий — теории детонации и теории самовоспламенения. В соот­ветствии с первой теорией считается, что по какой-то причине движение фронта пламени при его приближении к зоне последней части топливного заряда резко ускоряется, скорость достигает скорости звука и топливовоздушная смесь, находящаяся в этой зоне, сгорает очень быстро. Скачкообразный рост давления в ре­зультате этого быстрого сгорания возбуждает колебания газов.

В соответствии с другой теорией утверждается, что последняя часть топливного заряда, находящаяся в зоне сгорающей последней части заряда, подвергается воздействию высоких температур, в результате чего в ней начинаются предпламенные реакции. Эти реакции являются причиной самовоспламенения смеси, которое, по-видимому, происходит одновременно в нескольких местах. Быстрое сгорание перед фронтом пламени приводит к образованию импульса давления, в результате чего начинаются колебания газов.

6.3.1. ЗОНА ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА

Перед рассмотрением этих теорий целесообразно несколько слов сказать о зоне последней части заряда, где происходит детонационное сгорание. Удивительно, но, как свидетельствуют следы выкрашивания металла и эрозии, эта зона ограничена не­большим участком на периферии камеры сгорания. Иногда следы выкрашивания наблюдаются в нижней части гребня поршня над канавкой поршневого кольца, а иногда* в канавке поршневого кольца [24], ситуация в этих областях усугубляется повышением давления при пульсациях газов.

Последнему обстоятельству противоречит детонационная тео­рия прямого излучения, хотя еще раньше несостоятельность этой теории была показана спектроскопическим методом [63].

В научных экспериментах автора при очень интенсивной де­тонации в двигателе с диаметром цилиндра 3 .дюйма (7,6 см) (с дисковой камерой сгорания) на поршне образовался «след» в центре диаметром всего лишь 0,25 дюйма (0,6 см). Наиболее ин­тенсивное вихревое движение заряда, достигаемое при использо­вании клапана с повернутой на 180° осью, способствовало лишь смещению этого следа к краю поршня. Качественным подтвержде­нием служат результаты испытаний по определению концентрации продуктов предпламенных реакций (перекисей и альдегидов). При уменьшении интенсивности детонации их концентрация уменьшалась лишь в последней части топливного заряда, имеющей форму полусферы радиуса 0,15 дюйма (0,38 см). Эти результаты говорят о том, что при умеренной и сильной детонациях в детона­ционном сгорании участвует лишь 2—3 % топливного заряда. Карри приводит сведения [29], что при детонации капсулы азида свинца (с энергией, составляющей 10 % энергии топливного за­ряда) в камере сгорания в районе ВМТ давление повышается зна­чительно больше, чем при сильной детонации во время сгорания смеси.

Последняя часть топливного заряда представляет собой по-видимому, очень тонкий слой газа, заключенного в зазорах, около холодной стенки камеры сгорания и в других аналогичных мес­тах. Исключением является случай, когда последняя часть за­ряда в центре камеры сгорания находится между двумя фрон­тами пламени, но такое встречается очень редко.

Температура стенки камеры сгорания имеет, очевидно, боль­шое значение для возможности самовоспламенения последней ча­сти заряда; однако гораздо более неопределенным является дру­гой фактор, также имеющий большое значение, а именно, состав последней части заряда, поскольку свежая смесь перемешивается с остаточными газами, углеводородами у стенок [64] и масляным туманом. Указанные факторы, несомненно, способствуют статисти­ческому характеру изменения параметров процесса детонацион­ного сгорания.

6.3.2. ТЕОРИЯ ДЕТОНАЦИИ

Явление детонации в трубах привлекло внимание физиков задолго до обнаружения детонации в двигателях. Характерными особенностями этого явления были увеличение начальной скорости распространения пламени, мгновенный переход к сгоранию с очень высокой скоростью и возникновение ударной волны при непрерыв­ном поступлении горючей смеси. Особенности явления детонации удалось выяснить с помощью шлирен-метода [65, 66]. Когда было показано, что детонационный стук возникает на заключи­тельном этапе движения фронта пламени в камере сгорания, сход­ство его с явлением детонации, казалось бы, исчезло. Однако следует иметь в виду возможность того, что при наличии благо­приятных условий нормальный процесс сгорания может уско­ряться, внезапно охватывая с детонационной скоростью послед­нюю часть заряда, в результате чего может образовываться удар­ная волна, отражающаяся от стенок камеры сгорания с резонанс­ной частотой.

Для малолитражных и средних по рабочему объему автомо­бильных двигателей резонансная частота детонационного стука зависит от многих факторов, она может меняться от 2 до 10 кГц, а скорости детонации газов в камере сгорания могут принимать значения от 2000 до 7000 фут/с (600—2100 м/с) [29, 67, 68]. Специалисты из НАСА, используя метод высокоскоростной фото­графии, пришли к выводу, что реакции детонационного сгорания происходят со скоростями порядка 5000 фут/с (1500 м/с), т. е. в сверхзвуковой области и, вероятно, сопровождаются возникно­вением детонационной волны. Они наблюдали очаги самовоспла­менения в различных местах зоны последней части заряда, со­путствующие началу реакций детонационного сгорания.

В ряде превосходных опытов Уидроу и Рассуилер [69, 70] сфотографировали реакции детонационного сгорания в двигателе с головкой цилиндров с односторонним нижним расположением клапанов и показали, что в ряде отдельных мест перед фронтом пламени происходило самовоспламенение. Реакция детонацион­ного сгорания проходила почти мгновенно, в то время как ско­рость движения фронта пламени никогда не превышала 300 фут/с (90 м/с). Путем сопоставления сделанных в различные моменты времени снимков с диаграммой давления они показали, что коле­баниям величины давления газа при детонационном сгорании со­ответствуют ударные волны на фотографиях пламени [71 ], ча­стота этих колебаний соответствовала частоте детонационного стука, которая для этого двигателя с односторонним расположе­нием клапанов равнялась примерно 3500 Гц [72].

Детонационные волны давления вызывают свечение продуктов сгорания вследствие адиабатического нагрева и их повторную ионизацию, так что обычный спад ионизации сопровождается ко­лебаниями с характерной для детонации частотой [29]. Сравни­вая потоки ионов за настоящей детонационной волной с потоками после детонационного сгорания, можно установить, что последние составляют лишь 10 % от первых, и в соответствии с этим скорость детонационного сгорания имеет порядок 500 фут/с (150 м/с).

Наибольшая известная скорость распространения пламени в камере сгорания равна 1200 фут/с (360 м/с), она была замерена ионными зондами Карри [29]. Однако это необычно высокая скорость, чаще она составляет 300—600 фут/с (90—180 м/с). Таким образом, нет никаких оснований считать, что скорость распространения нормального пламени возрастает до скорости звука в металле (2000 фут/с (600 м/с)), такая скорость может быть достигнута лишь при детонационном сгорании последней части заряда в самом конце процесса сгорания, наблюдать ее невозможно, так как последняя часть заряда представляет собой тонкий слой газа. Ряд специалистов [73—75] считает, что дето­национные колебания могут вызвать лишь перепады давления, обусловленные увеличением нормальной скорости распростране­ния пламени в 5—10 раз.

Нет никаких фактов, подтверждающих, что даже в длинных камерах сгорания большого объема с односторонним нижним рас­положением клапанов возникает детонация, аналогичная детона­ции в трубах. Возможно, что детонационное сгорание сходно с детонацией до начала образования детонационной волны, кото­рая у стенки превращается в звуковую волну. Не все топливные смеси, которые детонируют в двигателях, проявляют склонность к детонации в трубах, а тетраэтиловый свинец очень мало влияет на детонацию в трубах. Это обстоятельство делает теорию дето­нации еще более уязвимой.

6.3.3. ТЕОРИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Г. Р. Рикардо предложил [77] для объяснения процесса детонационного сгорания теорию самовоспламенения, основыва­ясь на результатах экспериментальных исследований, осущест­вленных на машине быстрого сжатия его коллегами [78]. То, что топлива могут с большим или меньшим трудом воспламеняться при сжатии, хорошо известно, причем топлива с хорошими анти­детонационными свойствами имеют меньшую склонность к вос­пламенению от давления. Хотя сжатие газов поршнем не может привести к самовоспламенению бензиновой смеси, совместное сжа­тие поршнем и фронтом пламени — может. Если бы удалось об­наружить перед фронтом пламени продукты частичного окисления топлива (например, формальдегиды), то самовоспламенение можно было бы считать доказанным [79, 80].

Исследуя процесс сгорания в «бомбах», Тауненд [81] получил диаграммы, характеризующие давление и температуру воспламе­нения парафиновых топлив, на которых имеются две области: область воспламенения при высоких температурах и так называе­мый полуостров низкотемпературного воспламенения (рис. 6.6). В низкотемпературной области воспламенение является двухстадийным процессом. Первая стадия представляет собой период задержки до прохождения холодного пламени при температуре около 350 °С. Вторая стадия характеризуется отрицательным коэффициентом скорости и заканчивается самовоспламенением.

В высокотемпературной области процесс воспламенения одно­стадийный, охватывает период до самовоспламенения, холодного пламени нет. У таких топлив, как бензол и метан, воспламенение представляет собой одностадийный высокотемпературный процесс.

Холодное пламя представляет собой хемилюминесценцию, обусловленную возбуждением формальдегида во время реакций окисления топлива и его релаксацией в основное состояние [82]. В испытаниях по течению газа с постоянной скоростью можно получить устойчивое холодное пламя, что позволяет исследовать продукты предпламенных реакций. В их составе обнаружены аль­дегиды, органические перекиси и перекись водорода. Бергойн показал [83], что полная концентрация перекиси претерпевает разрыв при прохождении холодного пламени (рис. 6.7). При исследовании окисления n-гексана органические перекиси были обнаружены в области перед холодным пламенем, а в холодном пламени — формальдегид и перекись водорода [84].

На процесс образования холодного пламени очень сильно влияет структура углеводородов. Так, холодное пламя достаточно быстро образуется в n-парафинах, а парафины с разветвленными цепями оказываются более стойкими. В олефинах свечение хо­лодного пламени еще меньше и индукционный период больше. В бензолах холодное пламя не образуется, а в других ароматиче­ских углеводородах его свечение едва заметно. Попытки устано­вить взаимосвязь между интенсивностью холодного пламени, вы­делением теплоты и продолжительностью индукционного периода и октановым числом успеха не имели [85, 86]. Тауненд, однако, показал, что для ряда парафиновых топлив их упорядоченность по величине октановых чисел совпадает с упорядоченностью по величинам максимального давления воспламенения в «низкотем­пературной» области [81].

Присутствие тетраэтилсвинца не влияет на длительность ин­дукционного периода холодного пламени, но существенно увели­чивает продолжительность второй стадии воспламенения [87, 88].

О механизме окисления и самовоспламенения углеводородов при участии свободных радикалов довольно быстро было полу­чено много экспериментальных данных. Они были критически рас­смотрены Йостом [73] и сравнены с данными для двигателей. Их сходство оказалось поразительным, несмотря на то что тем­пературы и давления в двигателе выше, а время задержки го­раздо меньше.

Двигатель очень удобно использовать для исследования само­воспламенения оптическим методом, методами отбора газов и введения различных добавок.

Вопросы связи определяемых моторным и исследовательским методом октановых чисел с молекулярной структурой углеводо­родов очень сложны, их обсуждение выходит за рамки данной главы. Вопросы очистки и классификации, а также определения октановых чисел смесей и оценки чувствительности углеводородов к свинцу составляют предмет долгосрочной программы исследо­ваний, проводимых Американским нефтяным институтом [89]. Образование свободных радикалов у молекул рассматривалось в связи с количеством первичных, вторичных и третичных атомов углерода, вероятность продолжения реакции убывает в отноше­нии, пропорциональном их количеству [90, 91].

О корреляции между величиной октанового числа и химическим строением топлива было сообщено Бердом [92]. Это интересный но он еще должен получить подтверждение.

6.3.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА И САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ

Отбор газов из последней части заряда с целью выявления продуктов предпламенных реакций. Многие исследователи счи­тали, что вследствие своей неустойчивости органические перекиси должны участвовать в реакциях детонационного сгорания, и, таким образом, их присутствие может свидетельствовать о про­текании предпламенных процессов. Эджертон для обнаружения перекисей в последней части заряда отбирал пробы газов с по­мощью механического клапана [79]. С помощью электромагнит­ного клапана и усовершенствованных аналитических методов ока­залось возможным исследовать наличие перекиси (рис. 6.8) и альдегида в последней части заряда изопарафинового топлива [93]. Приведенные на этом рисунке кривые ясно указывают на двухстадийный характер процесса (см. также рис. 6.7); видно, что количество перекисей увеличивается до достижения предель­ных условий, соответствующих детонационному сгоранию, и что наличие свинца влияет на количество перекисей; на второй стадии процесс заметнее, чем на первой.

В отобранных пробах газов органические перекиси присутст­вовали лишь в виде следов, все перекиси представляли собой прак­тически полностью перекись водорода. Аналогично было показано, что основным альдегидом является формальдегид.

При отборе проб во время одностадийного воспламенения при высоких температурах таких топлив, как бензол и толуол, перекисей обнаружено не было.

Нарушения процесса сгорания от цикла к циклу серьезно затрудняют отбор газов для исследования, поскольку он должен производиться в течение периода времени, соответствующего по­вороту коленчатого вала, всего лишь на 15° [94]. Однако Дэвис и др., исследуя пробы газов, показали хорошее соответствие результатов, полученных для работаю­щих двигателей и для дви­гателей, приводимых в движение от другого дви­гателя [95].

Для достижения даль­нейшего прогресса в этойобласти необходимо иметь возможность «мгновенного» отбора газов в течение цикла. Такой способ разработан [96], однако для получения данных о составе последней части заряда, которые позволили бы исследовать кинетику процесса, требуется прове­дение дополнительных исследований.

Исследования влияния различных добавок на работу двига­теля. Химическую природу процесса самовоспламенения послед­ней части заряда можно выяснить, изучая влияние различных добавок на детонационное сгорание разных топлив [93]. До­бавки могут по-разному влиять на реакции, предшествующие са­мовоспламенению. Добавление органических радикалов благо­приятствует детонационному сгоранию, увеличивая количество активных центров цепной реакции. Так, диазометан, образующий радикалы метилена- при нагреве, и диэтилртуть, образующая радикалы этилена, способствуют детонационному сгоранию [91]. Большие молекулы, как, например, молекулы йода, обладают антидетонационным действием, поскольку они прерывают цеп­ную реакцию в газообразной фазе. Антидетонационным действием обладают также и другие большие молекулы, присутствующие в виде многовалентных окислов со слабой летучестью таких ве­ществ, как свинец, железо, никель, магний и олово.

Тетраэтиловый свинец, однако, может способствовать дето­национному сгоранию топлив, в которых не наблюдается двух-стадийного воспламенения, т. е. образования радикалов этилена [91].

Анилин и его производные, такие как Дометил анилин, явля­ются хорошими антидетонационными добавками благодаря их реагированию с цепями на первой стадии до образования холод­ного пламени. Для «высокотемпературных одностадийных» топ­лив они способствуют детонационному сгоранию [93]. Подробный анализ влияния на детонационное сгорание беззольных органи­ческих молекул проведен компанией «Шелл» [97].

По результатам исследования влияния различных добавок на низко- и высокотемпературное воспламенение Уолш [93, 98] выделил формальдегид и двуокись азота, как два наиболее характерных показателя видов воспламенения углеводородов. Формальдегид, также как и двуокись азота, способствует детона­ционному сгоранию высокотемпературных топлив. При двухстадийном воспламенении формальдегид способствует задержке об­разования холодного пламени и в целом оказывает незначительное действие, в то время как двуокись азота слабо прерывает цепные реакции на первой стадии и способствует окислению на вто­рой, в целом незначительно способствуя развитию детонации (рис. 6.9).

Влияние этих добавок на большую часть парафиновых и нафтеиновых моторных топлив соответствует их влиянию на про­цесс двухстадийного воспламенения в низкотемпературной об­ласти в лабораторных условиях, что свидетельствует об одинаковой химической природе самовоспламенения и детонационного сгорания [99].

Двигатели, приводимые в движение от другого двигателя, и холодные пламена. Предпламенные реакции довольно несложно воссоздать в двигателях, приводимых в движение от другого дви­гателя [100], и нетрудно продемонстрировать их двухстадийный характер [101]. Измеряя температуру, можно также выявить экзотермичность предпламенных реакций [96].

Первые визуальные наблюдения холодных пламен в двигателях, приводимых в движение от других двигателей, были осущест­влены Пелетиером и др. [102] в 1939 г. Созданные после второй мировой войны фотоувеличители позволили построить кривые, характеризующие условия, при которых образуется холодное пламя [103]. На рис. 6.10 приведены кривые для изооктанового топлива, характеризующие условия образования холодного и ярко-голубого пламени в дви­гателе «Рикардо Е6». Свече­ния обоих видов пламени излучаются возбужденным формальдегидом [104]. Спект­роскопическое исследование холодного пламени в двига­телях, приводимых в движе­ние от другого двигателя, позволяет определить диапа­зон свечения формальдегида [103, 105].

Отсутствие сжатия фрон­том пламени в экспериментах с двигателями, приводи­мыми в движение от дру­гих двигателей, компен­сируется увеличением степени сжатия, оно таково, что самовоспламенение изооктана происходит при степенях сжатия, в 7 раз превосходящих степени сжатия, при которых наблюдается детонацион­ное сгорание в работающих двигателях.

Кривые, характеризующие предельные условия возникновения холодного пламени, для олефинов располагаются в области более высоких значений степени сжатия, чем для парафинов, и интен­сивности холодного пламени в олефинах значительно меньше. Типичные значения интенсивностей, полученные для двигателя Е6, приведены в табл. 6.1. Эти и другие результаты послужили основанием для испытаний ряда топлив с целью выявления вза­имосвязи их температурной чувствительности [октановое число, определенное исследовательским методом (F1) — октановое число, определенное моторным методом (F2) ] и интенсивности холодного пламени в предельных условиях, соответствующих возникновению горячего пламени [101] (рис. 6.11). Хорошая корреляция ре­зультатов свидетельствует о том, что сгорание чувствительных топлив является высокотемпературным, а не низкотемпературным процессом. Однако это разделение процессов носит лишь качест­венный характер, и холодное пламя является всего одним из легко наблюдаемых проявлений очень сложного процесса.

Сравнение давления и температуры, соответствующих само­воспламенению в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, с расчетными значениями давления и температуры в работающем двигателе показывает их соответствие, что служит основанием использования для оценки склонности к самовоспла­меняемости топлив октанового числа, определенного исследова­тельским методом [106, 99].

Хроматографический анализ продуктов реакций холодного пламени в неподвижном газе, в потоке газа и в двигателе, приводи­мом в движение от другого двигателя, показывает, что для n-гептана они одинаковы [107]. Довольно значительное различие условий мало влияет на реакции окисления. Данные, полученные для работающих двигателей [96], тоже согласуются с предложенной схемой реакции окисления n-гептана [108]. На данном этапе ма­шина быстрого сжатия является лучшим средством изучения процесса самовоспламенения. С ее помощью можно создать нужные : по величине давления, температуры и задержки времени для чистых топлив и смесей [109], полученные данные могут быть ис­пользованы для разработки теории процесса самовоспламенения и , выяснения вопроса, почему некоторые олефины и ароматические соединения самовоспламеняются гораздо легче (при повышении температуры) парафинов?

6.3.5. СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ

Общие положения. С момента открытия в 1921 г. Томасом Миджли антидетонационного действия тетраэтилового свинца много внимания было уделено поиску заменителей, по возмож­ности беззольных. Критерию беззольности удовлетворяют, по-видимому, лишь анилины, но эффективность их антидетонацион­ного действия составляет лишь 1 % от эффективности тетраэти­лового свинца [93]. Конец поискам «бездольных» заменителей был положен исследованиями компании «Шелл» [97].

Некоторые органические вещества, такие как, например, ацетат трибутил, обладают, подобно тетраэтиловому свинцу, анти­детонационным действием [112].

Поиски органо-металлических антидетонаторов были неско­лько более успешными, и все они, как и предсказывал Эджертон, представляли собой соединения металлов с окислами [79].

Одновременно с тетраэтиловым свинцом исследовался тетра-метилсвинец, но от него пришлось отказаться по причинам ток­сичности и испаряемости, однако благодаря испаряемости он опять привлек к себе внимание в связи с проблемой разделения смесей во впускных трубопроводах, возникающей при применении менее испаряемого тетраэтилового свинца.

Проведенные испытания различных карбонилов металлов по­казали, что пентакарбонил железа и тетракарбонил никеля ока­зывают, аналогично тетраэтиловому свинцу, антидетонационное действие, но они не были допущены в связи с их недостаточной устойчивостью и токсичностью. Кроме того, их окислы обладают абразивным действием и способствуют быстрому износу двига­телей. Последнее обстоятельство заставило также отказаться от применения ферроцена, или дициклопентадиенового железа — очень эффективного антидетонатора.

Единственным приемлемым антидетонатором, выявленным в результате этих исследований, оказался трикарбонил метилциклопентадиенового магния, получивший обозначение АКЗЗХ, а в настоящее время обозначаемый буквами ММТ [113]. Это хороший антидетонатор сам по себе, но лучше он действует в ка­честве добавки к татраэтиловому свинцу, особенно в парафиновых топливах [114].

Введение Закона о чистом воздухе в 1970 г. привело к при­менению в выпускных системах каталитических нейтрализаторов на основе благородных металлов, которые не могут функциони­ровать при использовании этилированных бензинов. Было вы­сказано предположение о возможности использования ММТ с целью возмещения потери нескольких единиц октанового числа в связи с изъятием тетраэтилового свинца. Магний в отработав­ших газах не является, в противоположность свинцу, токсичным веществом, он не представляет опасности для человека благодаря своему широкому распространению в земной коре [115]. К со­жалению, несмотря на то, что окислы магния .слабо воздействуют на работу катализаторов, они оказывают разрушительное действие на каналы катализаторов и свечи зажигания [116]. По этой причине использование ММТ с неэтилированным топливом в США было запрещено.

В Европе ситуация совершенно другая. Там до сих пор ши­роко распространено использование свинца, хотя в ФРГ его концентрация ограничена значением 0,15 г/л, а в Великобритании ограничение введено в 1985 г. ¹. Причина введения ограничения связана не столько с токсичностью отработавших газов, сколько с отрицательным влиянием свинца на окружающую среду [118].

Ухудшению экономичности при применении неэтилированного бензина уделялось много внимания. Анализ ситуации в США и ФРГ проведен Дартнеллом [119].

Были разработаны методы фильтрации, позволяющие умень­шить содержание свинца в отработавших газах, созданные фильтры позволяют улавливать до 50 % (70 % в городских условиях) свинца [120].

Разработаны также методы нейтрализации с помощью благо­родных металлов отработавших газов при применении бензинов, содержащих 0,15 г/л свинца. Галогены-раскислители свинца (хлор, бром) участвуют в отравлении катализаторов, и при малом содержании свинца в топливе от них можно отказаться, по край­ней мере в мощных европейских двигателях [121, 122].

Несомненно, что применение свинца будет продолжаться во многих районах мира с малой плотностью населения, а с учетом предстоящей нехватки углеводородов он, возможно, будет применяться еще шире, хотя, вероятно, ограниченность запасов свинца будет сдерживать его применение даже в большей степени, чем токсичность.

Теории антидетонационного действия свинца. Исключитель­ная активность свинца объясняется с помощью двух основных тео­рий. Обе эти теории сходятся в том, что свинец проявляет актив­ность в составе окиси свинца, но расходятся в оценке того, в ка­ком состоянии находится при этом окись свинца. Норриш с по­мощью динамической спектроскопии показал наличие большого количества молекул РbО при моделировании антидетонационного действия свинца и убедительно продемонстрировал ингибирующее действие паров окиси свинца [123, 124]. Уолш, с другой стороны, при испытаниях двигателей и при лабораторных исследованиях торможения реакций окисления применял окись свинца в твер­дом состоянии и получил результаты в пользу теории антидето­национного действия «тумана» РbО [125].

Хотя в условиях детонационного сгорания РbО может одно­временно присутствовать и в аэрозольном и в молекулярном со­стояниях, теория «тумана» более привлекательна, и именно она получила большую поддержку [114].

Предположение о том, что частицы свинца присутствуют в зоне детонационного сгорания в виде облака частиц размером порядка 100 Å (1 Å = 10^-10 м), впервые было выдвинуто в 1940 г. [126]. В 1961 г. Даунз и др. [127] с помощью тиндализации показали наличие облака в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, при достижении поршнем ВМТ [127], а частицы размером порядка 100 Å были обнаружены в газах, отобранных из приводимого в движение и из работающего двигателей [128]. В соответствии с современной теорией коагуляции времени для образования аэрозоли свинца до начала процесса детонационного сгорания вполне достаточно [129].

Антидетонационное действие, вероятно, заключается в ката­литической дезактивации поверхности активных центров, таких как радикалы НО₂ [125]. Возможно «стимулирующее» окисление влияние, но оно было обнаружено лишь в незначительной степени у магния [114]. Уолш считал, что РbО нарушает стехиометриче-ский состав смеси, в отобранных газах из двигателей, работавших на максимально восприимчивых к свинцу топливах, была обна­ружена самостимулирующая активная красная окись свинца [114], хотя, по-видимому, антидетонационное влияние оказывают все окиси свинца. В отличие от термически неустойчивого пентакарбонила железа, свинец слабо влияет на первую стадию двухстадийного процесса воспламенения [130, 103]. Вероятно, РbО образуется из тетраэтилового свинца в результате реакций хо­лодного пламени, но окончательного подтверждения это предпо­ложение пока не получило [127]. Возможно, что на структуру макрочастиц РbО оказывают влияние предпламенные реакции окисления [114].

Свидетельства в пользу того, что эффективность антидетона­ционного действия свинца обусловлена кристаллическим строе­нием окиси свинца, не согласуются с теорией антидетонационного действия РbО в молекулярном состоянии [114]. Топлива, в ко­торых холодное пламя незначительно или отсутствует, т. е. такие, как метанол, бутиловый спирт и бензол, мало восприимчивы к свинцу, а в стационарных двигателях он оказывает даже отри­цательное влияние, в то время как пентакарбонил железа в таких ситуациях действует гораздо эффективнее. Обе присадки в про­цессе детонационного сгорания полностью разлагаются, различие их действия можно объяснить как неэффективностью разрыва цепей в процессе высокотемпературного окисления, в котором участвуют короткие цепи, так и сильным окисляющим действием этиловых групп тетраэтилового свинца [130, 91]. Интересно, что при заполнении камеры сгорания двигателя, приводимого в дви­жение от другого двигателя, воздухом с тетраэтиловым свинцом без топлива, образуется развитое холодное пламя, и при степени сжатия 8 : 1 происходит самовоспламенение.

6.3.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нет никаких оснований считать, что в современных двигате­лях детонационное сгорание представляет собой явление, ана­логичное наблюдаемой детонации в длинных трубах, точно также нельзя с полной уверенностью считать, что самовоспламенение последней части заряда может служить единственной причиной детонационного сгорания. Относительно спокойное происходящее с шипящим звуком самовоспламенение в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, подтверждает сказанное, хотя оно и происходит в более поздний момент времени. При увеличении степени сжатия с целью приближения момента самовоспламенения к ВМТ шум становится интенсивным и начинает походить на детонацибнный стук. Самовоспламенение в двигателе происходит подобно самовоспламенению в лабораторных условиях, но при более высоких температурах и давлениях и гораздо быстрее.

Антидетонационное действие полностью объясняется влиянием на процесс воспламенения поверхностей частиц окиси свинца, роль паров РbО, вероятно, менее значительна. Предложенная Карри теория [29], в соответствии с которой детанационное сго­рание может быть следствием движения фронта пламени со ско­ростью, превышающей его среднюю дозвуковую скорость, по-видимому, верна, поскольку подтверждается расчетами времени подхода фронта пламени к последней части заряда, но его утвер­ждение, что самовоспламенение при этом не является необходимым, скорее всего ошибочно.

Одновременное самовоспламенение в нескольких местах по­следней части заряда наблюдалось Мейлом [68] и Уидроу и Рассуилером [69]. Это подтверждает предположение Эколза и др. [131], что детонационное сгорание сопровождается образо­ванием детонационной волны в последней части заряда вследствие каскадного процесса, начинающегося в небольшом числе очагов самовоспламенения. Указанное предположение, вероятно, верно (очень трудно зафиксировать подобный взрывной процесс ионными зондами), но в любом случае последнюю часть заряда можно уподо­бить тонкому слою сжатого газообразного взрывчатого вещества в виде дуги, охватывающей около 90° поверхности цилиндра. Последняя часть топливного заряда образует «профилированный заряд взрывчатого вещества» с энергией, достаточной для обра­зования многократно отражающейся ударной волны.

Было бы наивно считать, что какая-либо из предложенных теорий верна в целом. На данном этапе лучше, следуя Миллеру [132], полагать, что рациональное зерно есть в каждой из них.

6.4. РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ОТ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Работа двигателя при самовоспламенении представляет собой неритмичную, с перебоями, работу после выключения зажигания и закрытия дроссельной заслонки. Это явление наблюдается во многих испытываемых на токсичность двигателях при интенсивном подогреве подводимого воздуха и большой частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу. Работа двигателя от само­воспламенения (термин, часто употребляемый в Европе) исследо­валась на примере одноцилиндрового двигателя [133], при этом было показано, что процесс сгорания происходит примерно лишь в одном из пяти циклов и что давление нарастает очень быстро, по-видимому, до ВМТ [133]. Это объясняет значительную не­ритмичность работы двигателя и наблюдаемое иногда вращение коленчатого вала в противоположном направлении, в двигателях старых конструкций это могло приводить к разрушению колен­чатых валов.

С целью разграничения явлений работы двигателя от само­воспламенения и преждевременного калильного зажигания были проведены испытания топливных смесей, которые показали от­сутствие корреляции результатов оценки склонности топлив к самовоспламенению при выключенном зажигании и к калиль­ному зажиганию, но обнаружили достаточно хорошую корреля­цию с величиной октанового числа, определенного моторным ме­тодом [134 ].

Метанол, бензол (склонные к воспламенению вследствие пре­ждевременного калильного зажигания топлива) и тетраэтиловый свинец препятствуют самовоспламенению при выключенном за­жигании, а диэтиловый эфир и перекись дитретбутила способствуют ему [134].

Корреляция с процессом самовоспламенения от сжатия уди­вительна, хотя задержка воспламенения при выключенном зажи­гании значительно больше. В смеси практически отсутствуют остаточные отработавшие газы, но она насыщена продуктами предпламенных реакций и температура в связи с длительной за­держкой воспламенения достаточно высока. В пробах отработав­ших газов, образующихся в результате самовоспламенения при выключенном зажигании, обнаружены альдегиды и перекиси, концентрация которых велика [134, 135]. В статье Бенсона [135], содержащей основную информацию по этому вопросу, отмечается, что количество NO в 5 раз превышало то, которое обычно выделяется на режиме холостого хода, возможно, это результат влияния высоких температур, обусловленных ранним воспламенением. Он выявил корреляцию склонности к самовос­пламенению при выключенном зажигании с октановым числом, определяемым исследовательским, а не моторным методом, и не обнаружил корреляции с чувствительностью топлива. Он также показал, что высокая частота вращения коленчатого вала двига­теля на режиме холостого хода, обеднение смеси и задержка зажигания благоприятствуют самовоспламенению при выклю­ченном зажигании. Позже эта проблема в связи с исследованием влияния октанового числа и углеводородов в топливе изучалась Ингамеллзом [136].

Предотвратить это нежелательное явление можно несколь­кими способами.

1. Глушить двигатель с помощью включения сцепления выс­шей передачи и стояночного тормоза.

2. С помощью педали газа обогащать смесь.

3. Применять дроссельную заслонку с ручным управлением. Ни один из этих способов не может быть рекомендован для прак­тического применения по соображениям безопасности из-за воз­можности полного или частичного повреждения трансмиссии при последующем пуске. Наилучшей предохранительной мерой является уменьшение частоты вращения коленчатого вала двига­теля на режиме холостого хода при выключении зажигания путем закрытия дроссельной заслонки с помощью соленоида или прек­ращения подачи воздуха на режиме холостого хода.

Проблема самовоспламенения при выключенном зажигании сходна с проблемой самовоспламенения при пуске прогретого двигателя на начальном этапе процесса сжатия, в результате которого двигатель может заглохнуть и повредить стартер [137].

Известны некоторые факты, указывающие на то, что раска­ленные места могут быть причиной воспламенения смеси при выключенном зажигании в двигателях с малой степенью сжатия [138], но, с другой стороны, показано, что удаление нагара из камеры сгорания не исключает самовоспламенения при выклю­ченном зажигании [139].

Как будет решаться проблема самовоспламенения при выклю­ченном зажигании, предсказать очень трудно, поскольку с целью улучшения топливной экономичности двигателей степени сжатия увеличиваются, применяются все более бедные смеси, и, кроме того, неизвестно, как будут изменяться допустимые уровни токсичности.

6.5. ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ И ПОСЛЕДУЮЩЕЕ КАЛИЛЬНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

6.5.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Любой процесс, при котором сгорание происходит раньше, чем это соответствует максимальному крутящему моменту, будет сопровождаться большим отводом тепла из-за совершаемой при этом отрицательной работы. Большой отвод тепла приводит к перегреву деталей двигателя, что еще более увеличивает опере­жение сгорания, и так вплоть до оплавления некоторых деталей. Двигатели малой теплоемкости, такие как авиационные поршневые двигатели, могут полностью выходить из строя в течение несколь­ких даже не минут, а секунд [140]. Детонационное сгорание в та­ких двигателях сопровождается гораздо меньшим повышением температуры, что подтверждается отсутствием следов теплового воздействия на металл при повреждениях деталей двигателя в ре­зультате детонационного сгорания, которые наблюдаются при повреждениях в результате преждевременного калильного за­жигания [36].

Местами, где происходит преждевременное калильное зажига­ние, являются наименее эффективно охлаждаемые детали и места: свечи зажигания, выпускные клапаны, неровности металлических поверхностей (кромки полостей в головках цилиндров или камер сгорания в головке поршня), дополнительный эффект на повыше­ние теплового состояния этих участков поверхностей оказывает изолирующее действие нагара. В малолитражных двигателях ев­ропейских автомобилей часто причиной преждевременного ка­лильного зажигания являются головки выпускных клапанов, особенно при отложениях на них масляного нагара со следами присадок, содержащих соединения кальция и бария [28]. Наи­лучшими средствами предотвращения преждевременного калиль­ного зажигания по этой причине являются более интенсивное ох­лаждение выпускных клапанов и недопущение излишнего расхода масла. Расположение выпускного клапана в промежуточном по­ложении между искрой зажигания и зоной последней части за­ряда позволяет избежать как совпадения места достижения мак­симальной температуры пламенем с местоположением свечи за­жигания, так и влияния раскаленной головки клапана на послед­нюю часть заряда [28].

Минимизировать возможность преждевременного калильного зажигания в двигателях можно такими конструктивными мерами, как правильный выбор тепловой характеристики свечи зажигания, скругление острых кромок металлических поверхностей, удаление выступов и шероховатостей и интенсивное охлаждение выпускных клапанов, клапанных седел и направляющих клапанов, очень эф­фективно натриевое охлаждение клапанов.

Исследование преждевременного калильного зажигания в много­цилиндровом двигателе сдерживается большими трудностями воспроизведения тепловых условий его работы в одном цилиндре. В многоцилиндровом двигателе цилиндр, в котором происходит преждевременное калильное зажигание, может быть принуди­тельно доведен до разрушения в результате работы других ци­линдров (в которых процесс сгорания происходит нормально), в то время как одноцилиндровый двигатель в подобной ситуации может просто заглохнуть. В некоторых случаях количество ци­линдров ограничивается условиями предварительного калильного зажигания и детонационного сгорания [142].

6.5.2. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ДВИГАТЕЛЯ

Процесс достижения некоторыми участками поверхности эле­ментов двигателя температуры, достаточной для преждевременного калильного зажигания, определяется множеством взаимно влияю­щих друг на друга факторов. Даунз [32, 49] получил много по­лезной «информации о преждевременном калильном зажигании, проводя испытания двух существенно отличающихся друг от друга двигателей и используя в качестве топлива бензол (см. разд. 6.2.3). Склонность циклогексана к преждевременному ка­лильному зажиганию принималась равной нулю, а изооктана — 100.

Максимальную склонность к преждевременному калильному зажиганию все три топлива проявляли, когда смесь была при­мерно на 10 % богаче стехиометрической, т. е. немного беднее соответствующей максимальной мощности.

Частота вращения коленчатого вала двигателя благодаря своему влиянию на турбулентность, скорость распространения пламени и коэффициент наполнения сложным образом влияет на преждевременное калильное зажигание [32], тем не менее можно сказать, что для многих двигателей без наддува склонность к преждевременному калильному зажиганию увеличивается при возрастании частоты вращения вала двигателя вплоть до вели­чины, соответствующей максимальной мощности [22, 143]. Од­нако, если узел двигателя, являющийся причиной преждевремен­ного калильного зажигания, обладает большой теплоемкостью (например, выпускной клапан), то внезапное уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя, допустим на 1000 мин^-1, может вызвать преждевременное калильное зажигание вследствие увеличения задержки зажигания при сохранении высокой тем­пературы узла двигателя благодаря тепловой инерции [23].

Увеличение степени сжатия вследствие увеличения теплоот­дачи к накаленному участку может повысить опасность прежде­временного калильного зажигания, однако, если местом калиль­ного зажигания является выпускной клапан, то уменьшение тем­пературы отработавших газов может привести к уменьшению тем­пературы клапана. Опасность преждевременного калильного за­жигания, вызываемого раскаленными частицами нагара, при уве­личении степени сжатия, как правило, возрастает [143].

Увеличение угла опережения зажигания за пределы значения, соответствующего максимальному крутящему моменту, значи­тельно влияет на температуру горячих участков, но одновременно приводит к повышению температуры нормальной работы двига­теля. Когда обе эти температуры становятся одинаковыми, про­исходит преждевременное калильное зажигание, так что любое уменьшение отличия этих температур повышает склонность к преждевременному калильному зажиганию.

Довольно значительные изменения температуры подаваемого воздуха и температуры охладителя в двигателе мало влияют на преждевременное калильное зажигание [49], в частности, не обнаружено никакого влияния при применении в качестве источ­ника калильного зажигания горячей проволочной спирали. Этот вывод может оказаться неверным в том случае, когда источниками калильного зажигания служат участки поверхности большой площади с плавно меняющейся температурой или покрытые нагаром.

6.5.3. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ УЧАСТКОВ КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ

Проведение экспериментальных исследований преждевремен­ного калильного зажигания связано с необходимостью преодоле­ния серьезных трудностей, обусловленных изменениями качест­венного состояния поверхности и формы участков, вызывающих калильное зажигание. Окисление металла и эрозия, образование и отслоение нагара, а также изменение каталитических свойств — все это делает результаты непредсказуемыми.

Испытания, при проведении которых для достижения калиль­ного зажигания в двигателях с переменной степенью сжатия использовались холодные свечи зажигания с термопарами, при­ходилось прерывать, поскольку предельные значения степени сжатия, соответствующие калильному зажиганию, с образованием нагара увеличивались [32]. Температура центральных электро­дов свечи зажигания с платиновыми наконечниками при работе на бедных смесях на 100 °С превышала температуру электродов с никелево-кремниевыми наконечниками, при работе на богатых смесях температура была одинаковой или даже ниже у электро­дов с платиновыми наконечниками, что свидетельствует о влиянии каталитических эффектов. При применении различных чистых топлив изменение температуры участков калильного зажигания обычно не соответствует изменению температуры пламени этих топлив, что также подтверждает каталитическое действие поверх­ностей участков калильного зажигания [32].

Температура воспламенения метанового топлива у платино­вой поверхности, как было установлено в опытах, выше темпера­туры воспламенения у поверхностей неблагородных металлов [144, 145]. При проведении исследований стойкости топлив к преждевременному калильному зажиганию возможен выбор: либо путем изменения какой-нибудь характеристики режима работы двигателя (степени сжатия или наддува) довести температуру участка калильного зажигания при нормальной работе двигателя до величины, превышающей температуру воспламенения смеси, либо при работе двигателя с охлаждаемым участком калильного зажигания, не изменяя условий работы двигателя, повышать температуру этого участка за счет снижения интенсивности ох­лаждения или в результате электрического подогрева.

В первом случае возникает опасность изменения свойств по­верхности в результате тепловых воздействий или изменения их каталитических свойств, а во втором случае имеется возмож­ность отложения нагара на охлаждаемом участке. После экспери­ментальной проверки обеих этих способов Даунз [32, 49] оста­новился на охлаждаемой воздухом пробке из нимоника для наддуваемых двигателей и на служащей термопарой спирали из жесткой двойной проволоки (нагреваемой электрически) для двигателей, работающих без наддува. Важным, однако, оказался выбор материала проволоки, при использовании одного из сплавов (содержащего 40 % никеля) наблюдались аномальные темпера­туры, появление которых было обусловлено каталитическим дей­ствием окиси никеля. Единственно удовлетворительным материа­лом для проволоки оказался канталовый алюминий [49].

Арригони таким же способом исследовал преждевременное калильное зажигание, не изменяя температуры, наличие или отсутствие калильного зажигания устанавливалось им по резуль­татам статистической обработки диаграмм давления [50].

Было замечено, что температура преждевременного калиль­ного зажигания от больших пробок меньше температуры калиль­ного зажигания от проволочной спирали, это связано с тепловой инерцией или с величиной площади поверхности калильного зажигания.

Каталитическое «преждевременное калильное зажигание» при­менялось в дизельном двигателе с малой степенью сжатия (мо­мент зажигания определялся моментом впрыска топлива). То­плива легко воспламенялись от платиновых проволок или покры­тых платиной проволок из неблагородных металлов [146].

Преждевременное калильное зажигание от нагара, образую­щегося при использовании во время движения в городских усло­виях этилированных топлив, было одной из основных проблем в послевоенные годы (после второй мировой войны). Нагар состоял из солей свинца и углеродистого материала, он мог вследствие тряски отрываться от поверхности, накаляться и тлеть при тем­пературе 350 °С. Средством против этого было добавление в топ­ливо органического фосфата. Фосфат свинца в отличие от бро­мида свинца не способствовал сгоранию углерода [147, 148].

В Европе проблема преждевременного калильного зажигания связана с отложением масляного нагара на головках выпускных клапанов. Большую роль играют при этом соли кальция и бария, влияние соединений свинца менее значительно.

Одним из путей решения этой проблемы является регулиро­вание расхода масла, но в перспективе может возникнуть необ­ходимость пересмотра применяемых металлических присадок.

6.5.4. СКЛОННОСТЬ ТОПЛИВ К ПРЕЖДЕВРЕМЕННОМУ КАЛИЛЬНОМУ ЗАЖИГАНИЮ

Значения температуры горячих мест в камере очень сложным образом зависят от количества теплоты, подводимой к ним в про­цессе сгорания, и от потерь теплоты в процессе осуществления всех четырех тактов цикла. На тепловой баланс влияют форма, раз­меры, материал горячего места и теплоотдача от него, а также тем­пература пламени, скорость его движения и турбулентность в ок­рестности раскаленного участка. Немаловажное значение имеет и местоположение этого участка на траектории движения пламени.

Попытка оценить роль этих факторов для ряда чистых топлив была предпринята Гуибетом [28]. Сравнительная оценка влияния температуры и скорости движения пламени на температуру го­рячих участков при нормальной работе показала, что более су­щественное значение имеет влияние скорости распространения пламени. Топлива с высокими температурой и скоростью распро­странения пламени, такие как бензол и кумол, проявляют по­вышенную склонность к преждевременному калильному зажига­нию, но такая связь этих характеристик не является универ­сальной, в частности, толуол, который очень стоек к преждевре­менному калильному воспламенению, характеризуется достаточно высокими значениями температуры и скорости распространения пламени. Удаление участка перегрева от траектории движения пламени может привести в некоторых случаях к снижению его температуры на 100 %. Гуибет пришел к выводу, что существен­ное уменьшение склонности моторного топлива к преждевремен­ному калильному воспламенению экономически нецелесообразно.

Даунз [32, 49] исследовал большое количество топлив на склонность к преждевременному калильному воспламенению и детонационному сгоранию, не обнаружив никакой зависимости между ними, что согласуется с результатами других исследова­телей [43] (см. табл. 6.2).

Тетраэтиловый свинец повышал стойкость к преждевремен­ному калильному воспламенению почти всех топлив, если испы­тания были кратковременными, на стенках не образовывался на­гар и материал поверхности не претерпевал химических превра­щений. Влияние свинца, однако, было гораздо меньше его влия­ния на октановое число топлив.

Испытания ряда компонентов бензина (чистых углеводородов) показали, что наиболее стойкими к преждевременному калиль­ному воспламенению являются, как правило, олефины. На шкале циклогексан-изооктан гексан-2 оценивается числом —26, а т-ксилол — числом 131. При образовании смесей из чистых топлив получающаяся калильная характеристика может быть вычислена с учетом пропорционального содержания отдельных компонентов [49].

Применение этих результатов к общедоступным топливам под­тверждает [28], что различные модификации состава топлива мо­гут лишь незначительно уменьшать опасность преждевременного калильного зажигания. Результаты исследований показывают, что обладающие большей температурной чувствительностью топ­лива, которые воспламеняются одностадийно в области высоких температур и у которых холодное пламя незначительно или не возникает совсем, проявляют, как правило, большую склонность к преждевременному калильному воспламенению [134].

Применение тех же самых присадок, которые использовались при исследовании процесса самовоспламенения (разд. 6.3.4), для исследования преждевременного калильного зажигания в двигателе послужило толчком к некоторым теоретическим обоб­щениям [32, 49], которые часто рассматриваются в контексте общей теории процессов сгорания [134].

Большое количество исключений, характеризующих калиль­ное воспламенение топлив, делает любую теорию ограниченной, иначе чем объяснить то, что бензол и этиловый бензол очень склонны к преждевременному калильному воспламенению, а о-, т- и р-ксилол — нет?

С появлением двигателей с высокими эксплуатационными ха­рактеристиками, работающих в тяжелых температурных условиях, с применением обладающих повышенной склонностью к калиль­ному воспламенению топлив (содержащих ароматические соеди­нения, олефины, метанол) и возникновением серьезной проблемы высокооборотной детонации настало, вероятно, время пересмотра экспериментальной оценки склонности топлив к аномальным про­цессам сгорания и поиска методов испытаний, теснее связанных с современными проблемами.

6.5.5. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЯХ

Требования, обусловленные особенностями системы двига­тель — очистка нефти — сырая нефть. До введения жестких тре­бований к выделениям NO_X наиболее распространенным методом снижения токсичности было применение бедных смесей. Этот подход, в частности, реализован в системе фирмы «Крайслер» [149], обеспечивающей качественное приготовление смеси и элект­ронное управление опережением зажигания.

На этом этапе был накоплен большой опыт работы на бедных смесях, направленный на снижение токсичности. Применение бед­ных смесей позволяло значительно уменьшить выделения СО и NO_x, но выделение СН при этом оставалось серьезной про­блемой.

В США от этой системы отказались, но в последнее время ей стало уделяться значительное внимание в Европе, частично с целью снижения токсичности и частично с целью повышения эко­номичности малолитражных двигателей с высокой степенью сжа­тия [5].

Требования уменьшения опасности возникновения детонаци­онного сгорания в двигателях с высокой степенью сжатия могут противоречить требованиям снижения токсичности, и если раньше в основном использовались высокосортные топлива, то в настоя­щее время любые мероприятия по достижению оптимальной сте­пени сжатия в двигателях должны осуществляться с учетом до­ступности требуемых топлив. Действительно, если бы топливо с определенным исследовательским методом октановым числом 105 было экономически доступно, то многие проблемы исчезли бы и объемный и массовый расход топлива были бы минимальными. Однако немаловажной характеристикой топлива является его стоимость, которая зависит от эффективности использования сырой нефти. Тирни и др. [150] показали, что при соответствующем 1975 г. уровне технологии двигатели с искровым зажиганием и предварительным приготовлением смеси из-за высоких требо­ваний к октановому числу топлива являются наименее эффектив­ными потребителями сырой нефти. Компания «Шелл», рассма­тривая двигатель и установку очистки нефти как единую систему, пришли к выводу, что при 0,4 г/л свинца в топливе оптимальные октановые числа, определенные исследовательским методом, равны 96—97, а для неэтилированных бензинов они равны 92—93 [151 ]. Позже аналогичные выводы были сделаны в Европе группой RUFIT (CONCAWE). Если в качестве исходного значения опре­деленного исследовательским методом октанового числа при концентрации свинца 0,4 г/л принять 96, то оптимальным зна­чением при 0,15 г/л будет 95 при потере 2 % сырой нефти, для неэтилированного бензина 92 при потере 5 % сырой нефти [152]. Выполнение требований по токсичности, предъявляемых в США Законом о чистом воздухе, предполагает использование неэти­лированного бензина для обеспечения возможности применения каталитических нейтрализаторов на основе благородных металлов. В настоящее время доступным стал сравнительно недорогой не­этилированный бензин с определенным исследовательским методом октановым числом, равным 91, однако при его применении в про­цессе испытаний автомобилей на токсичность часто наблюдаются начальные признаки детонационного сгорания. Результатом этого является потребность увеличения октанового числа топлива, хотя некоторые водители сейчас чаще, чем раньше, допускают легкий детонационный стук [153]. Вероятно, конструкторы с учетом не­достатка знаний о фактических повреждениях двигателей при детонационном сгорании, а также с учетом хорошей звукоизоля­ции двигателей в современных автомобилях излишне опасаются приближения к условиям, соответствующим возникновению де­тонационного сгорания.

При условиях отказа от применения антидетонационных приса­док и повышения эффективности процесса очистки нефти в по­следующие годы широкого использования топлив нефтяного про­исхождения основным, по-видимому, будет бензин с определенным исследовательским методом октановым числом, равным 93. По мере распространения получаемых из каменного угля насыщенных ароматических соединениями топлив опять появится возможность увеличения октанового числа до 100, а если на топливном рынке появится метанол, получаемый из каменного угля, то возможно, будет увеличение октанового числа до 100—110, в зависимости от необходимости применения дополнительных устройств (на­пример, для введения 5 % пентанов при пуске).

Само собой разумеется, что любое существенное достижение в двигателестроении потребует переоценки эффективности системы двигатель — нефтеочиститель — сырая нефть и выявления новых оптимальных характеристик топлива.

Приготовление топливовоздушной смеси. Для работы двигателя в условиях, близких к условиям начала детонационного сгорания, важно, чтобы коэффициент избытка воздуха во всех ци­линдрах был одинаковым. В карбюраторных двигателях и в дви­гателях, у которых смесь образуется во впускном трубопроводе, практически невозможно добиться равномерного распределения жидкого топлива и его паров [156]. Неравномерное распределение смеси может стать причиной детонационного сгорания при работе двигателя на бедной смеси, поскольку в одном или нескольких цилиндрах отношение количества воздуха к количеству топлива может достичь значения, соответствующего максимальной для детонационного сгорания концентрации топлива в смеси. Кроме того, тетраэтиловый свинец (с точкой кипения 200 °С) и стойкие к детонационному сгоранию фракции топлива (кипящие при 100—200 °С) частично отделяются от более легких углеводородов (кипящих при 30—100 °С), у которых октановое число, опреде­ленное исследовательским методом, меньше; оно называется окта­новым числом при 100 °С, или октановым числом первой части смеси [157]. При разгоне в цилиндры может поступать в основном «первая часть» бензина и возникнуть сильная детонация. Значи­тельно облегчить ситуацию может применение тетраметилсвинца, кипящего при 110°С.

Действенным средством против указанного явления мог бы быть впрыск топлива за впускным клапаном или непосредственно в цилиндр, но это может потребовать значительных затрат мощ­ности на работу насоса [155] и поэтому не всегда является наи­лучшим решением проблемы [158]. Одним из препятствий на пути отыскания лучших топливных смесей в прошлом было отсутствие безынерционных средств контроля состава отработавших газов и непосредственного определения значений коэффициента из­бытка воздуха. В настоящее время это препятствие преодолено [159]. Обычные карбюраторы и простые системы впуска не поз­воляют обеспечить нормальное сгорание при значениях отноше­ния количества воздуха к количеству топлива в смеси, превышаю­щих 17 : 1 [160]. Для достижения отношения 22 : 1 необходимо использовать полностью испарившееся или распыленное топ­ливо. Эта возможность обеспечивается применением ряда систем, наиболее распространенными из которых являются карбюраторы с переменным сечением диффузора [161 ], примером может служить система «Дрессерейтор» [162]. В системах такого типа избегают изменения направления потока смеси с помощью дроссельной за­слонки, роль дросселя обычно выполняет золотник, изменяющий проходное сечение потока, который движется со звуковой ско­ростью.

Сравнение различных схем приготовления смесей показало, что такой карбюратор обеспечивает наилучшее перемешивание заряда топливной смеси [163]. В качестве дросселя, формирую­щего поток, движущийся со звуковой скоростью, можно использовать впускной клапан, подъем которого регулируется с помощью педали [164].

Другим распространенным методом получения однородного заряда топливной смеси является подогрев впускного трубопро­вода. Одним из первых устройств такого типа был «горячий ящик» корпорации «Этил» [165]. Еще одна интересная идея заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева теплообменника, расположенного между карбюратором и впуск­ным трубопроводом [166].

Устройство для непрерывной подачи однородной топливовоздушной смеси к двигателю или автомобилю на динамометриче­ском стенде описано в работе [167]. Один из вариантов его изоб­ражен на рис. 6.12. С помощью горячего масла бензин очень бы­стро испаряется и в зависимости от температуры, которая опре­деляется скоростью подачи тепла, либо переходит в аэрозольное состояние (размеры частиц <10 мкм), либо остается испаренным. Это устройство позволит определить истинный предел допусти­мого объединения смеси для исследуемого двигателя, достижимую величину удельного расхода топлива и возможности уменьшения

токсичности.

Несмотря на то, что множество фактов свидетельствует о возможности расширения пределов допустимого обеднения смесей при однородности топливного заряда, известно, что в безвихре­вой камере сгорания с относительно невысокой степенью сжатия (7—8 : 1) распыление топливного заряда позволяет добиться боль­шего эффекта [168]. Причиной этого может быть незначительное расслоение заряда. Результаты исследования в качестве топлива распыленного керосина показывают, что наиболее широкие пре­делы воспламеняемости соответствуют топливу в дисперсном состоянии, а не полностью испаренному [169].

Ясно, что проблема приготовления топливного заряда нуж­дается в дальнейшем исследовании в связи с проблемой детона­ционной стойкости двигателей с высокой степенью сжатия. Для послойно разделенных зарядов интерес представляют октановые числа первых частей смесей, другой не менее интересной проблемой является проблема подачи последней части смеси с высо­ким октановым числом в зону последней части заряда в безвихре­вой камере сгорания.

Зажигание. С появлением электронных систем зажигания, бесконтактного пуска и регулирования момента подачи искры многие проблемы, связанные с нарушениями процесса сгорания на начальном этапе, отпали. Появились оптимальные по конст­рукции свечи зажигания с увеличенными искровыми промежут­ками для работы на бедных смесях [170, 171]. Применение не­скольких свечей зажигания увеличивает скорость сгорания и уменьшает путь движения пламени, улучшая таким образом топливную экономичность и препятствуя детонационному сгора­нию. В испытаниях по исследованию количества и состава отра­ботавших газов применялись до пяти свечей зажигания [172], но обычно лишь в авиационных двигателях используются две свечи зажигания. В двигателях с послойным распределением топ­ливного заряда применяется только многократная подача искры. Проявление наружных «болтовых» детонационных датчиков типа датчиков ускорений позволило разработать системы, осуще­ствляющие задержку зажигания при появлении признаков дето­национного сгорания. Благодаря применению этих систем можно на одну единицу повысить степень сжатия, понизить требования к определяемому исследовательским методом октановому числу на 10 единиц и за счет этого на 6 % сократить расход топлива при условии, однако, допущения водителем некоторых признаков детонационного сгорания [173—175].

Пока еще невозможно регулировать степень сжатия, исполь­зуя сигнал обратной связи, но можно регулировать проходное сечение турбонагнетателя для уменьшения наполнения цилиндра в случае появления признаков детонационного сгорания. Это позволяет изменять плотность заряда при неизменной форме камеры сгорания [176].

Системы пассивного управления, при работе которых исполь­зуется заложенная в память информация, распространены доста­точно широко, но они не позволяют исключить влияние изменения качества топлива. Эти системы, однако, могут использоваться сов­местно со сложными системами регулирования токсичности от­работавших газов [177].

Возрастание требований к октановому числу топлива. При эксплуатации двигателей в обычных условиях требования к ок­тановому числу по мере увеличения пробега, как правило, воз­растают. Так, после 10 тыс. миль (16 тыс. км) пробега в смешанных городских и загородных условиях требования к октановому числу могут возрасти на 3—7 единиц. Обычно стремятся к тому, чтобы для нового двигателя требовалось топливо с октановым числом, на 3—5 единиц меньшим, чем у штатного топлива, это позволяет скомпенсировать последующее возрастание требований, ведущее в масштабах всей страны к большому перерасходу бензина. Возрастание требований к октановому числу объясняется многими при­чинами: частично изменениями массы и состава нагара, частично изменениями условий теплоотдачи и рядом других неизвестных причин [178]. Важную роль играет также влияние на количество и состав нагара повышенного расхода масла.

В США возрастание требований к октановому числу при ис­пользовании неэтилированного бензина более существенно, чем при использовании этилированного, а в Европе разницы почти не заметно, по-видимому, из-за более тяжелых режимов работы двигателей, при которых содержащие углерод остатки неэтили­рованного топлива сгорают' [157]. Требования к октановому числу топлива для двигателей, работающих на топливах с вы­сокими октановыми числами, возрастают меньше, чем для двига­телей, работающих на топливах с более низкими октановыми числами. Такая обратная зависимость наблюдается и в США и в Европе. С этим связано то обстоятельство, что возрастание тре­бований к октановому числу для двигателей .с высокой степенью сжатия, работающих при больших нагрузках, невелико [180, 157]. В двигателях, работающих при нормальной эксплуатации в близких к детонации условиях, нагара откладывается мало, и возрастание требований к октановому числу при этом незначи­тельно. Для двигателей с безвихревыми камерами сгорания, тур­булентность движения смеси в которых мала, возрастание требо­ваний к октановому числу может быть большим.

Допустимые при производстве отклонения размеров камеры сгорания являются причиной довольно больших разбросов вели­чины степени сжатия и, следовательно, требований к октановому числу топлива [178, 157]. Проходные сечения трубопроводов системы охлаждения также могут меняться в пределах допусков, результатом чего может быть увеличение в некоторых случаях температуры последней части заряда. Определенную роль играет также качество обработки поверхности камеры сгорания. Хоте­лось бы надеяться, что создатели двигателей, используя опыт, накопленный при производстве дизельных двигателей (для кото­рых перечисленные факторы имеют решающее значение), добь­ются уменьшения допусков. Затраты на перерасход топлива из-за неоправданного уменьшения степени сжатия больше пред­полагаемых затрат на совершенствование производства. Беттс ввел понятие «потери октанового числа», по его оценкам средний европейский автомобиль теряет 3 единицы [181].

Движение заряда и конструкция камеры сгорания. Конструк­тор современного двигателя имеет ряд преимуществ перед кон­структорами двадцатых годов, связанных с тем, что он распола­гает лучшими материалами и ориентируется на использование лучших топлив и масел. Однако при конструировании камеры сгорания он по-прежнему пользуется качественными представ­лениями о движении заряда топливной смеси и последующем рас­пространении пламени.

Интенсивные исследования с помощью высокоскоростной кино­фотосъемки [182], термоанемометров [183] и лазерных доплеровских измерителей скоростей [184, 185] позволили полнее изучить движение воздуха в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива. Эти знания косвенно можно применить и к дви­гателям с искровым зажиганием, несмотря на их меньший объем и на то, что скорости движения смеси в них, как правило, выше. Наибольшее значение имеют три основных типа движения: вих­ревое, турбулентное и пульсирующее.

1. Вихревое движение. Цилиндры двигателей, по определению, являются цилиндрическими телами, а отверстия клапанов впуска почти всегда смещены относительно оси цилиндра. Понятно поэтому, что основным движением газа в процессе впуска является вихревое движение. Его наличие можно продемонстрировать, устанавливая простые лопастные колеса в двигателях, приводимых в движение от другого двигателя, а интенсивность можно примерно оценить, подсчитывая число оборотов лопасти, которое примерно равно половине фактической частоты вращения потока газа. Обы­чно интенсивность характеризуется отношением частоты вращения топливного заряда к частоте вращения вала двигателя.

Скотт [182] с помощью высокоскоростной кинофотосъемки изучал вихревое движение в макете дизельного двигателя в усло­виях горения, наблюдая за движением характерных элементов структуры пламени. Вихревое движение нельзя считать простым вращательным движением, наблюдаемым в экспериментах с ло­пастными колесами. В процессе впуска скорость вихревого дви­жения меняется при изменении скорости движения воздуха во впускном канале, и вихрь приобретает слоистую структуру, сохраняющуюся в процессе сжатия до достижения поршнем ВМТ. В окрестности ВМТ различные слои перемешиваются, что при­водит к возникновению турбулентности у стенок камеры и мест резкого изменения формы [183]. Вихревое движение в цилиндрах редко бывает осесимметричным, как правило, исследования с по­мощью лазерного доплеровского измерителя скорости показывают наличие смещенных относительно оси вихрей.

Слишком интенсивное вихревое движение является причиной увеличения насосных потерь и потерь теплоты в цикле, что при­водит к увеличению удельного расхода топлива [19]. Оно также может быть причиной значительного, приводящего к гашению пламени увеличения скорости движения заряда в окрестности свечи зажигания. В идеальном случае вихревое движение в ок­рестности свечи зажигания до подачи искры должно вырождаться в мелко- или микромасштабное турбулентное движение [186, 187].

2. Турбулентность. Это очень сложное явление, особенности проявления которого в двигателях лишь только-только начинают проясняться [188]. До недавнего времени исследователи наблю­дали его, фиксируя флуктуации скорости газа, но не измеряя их, хотя шлирен-метод фотографирования существенно способ­ствовал расширению познаний о турбулентности [189].

Термоанемометрия способствовала значительному продвиже­нию исследований турбулентности в двигателях, приводимых в движение от другого двигателя, как с искровым зажиганием, так и в дизельных, но не позволяла исследовать работающие двига­тели [186, 190].

Измерение скорости лазером возможно в горящих газах, но при этом нужны окна — одно при использовании метода отражен­ного луча и два при использовании метода прямого луча — в кор­пусе двигателя, установить которые в современных двигателях с высокой степенью сжатия практически невозможно.

Идея о том, что интенсивность турбулентности и ее масштаб следует изменять в процессе сгорания, возникла у Рикардо, когда он создавал одну из последних версий «турбулентной» камеры сго­рания, названной амортизирующей камерой сгорания. Возник­новение турбулентности приводило к нарушениям процесса вос­пламенения у свечи зажигания; уменьшая размеры заполненного газом объема под свечой зажигания, он добивался устойчивости распространения пламени [191].

Проводя исследования на машине быстрого сжатия, Мейтканас [194] показал, что ядро пламени остается в искровом проме­жутке и гаснет лишь в камере сгорания с неподвижной смесью. При очень сильной турбулентности, особенно в бедных смесях, ядро пламени начинает расширяться, но затем гаснет. Даже при оптимальной турбулентности около 30 % продолжительности всего процесса сгорания уходит на формирование фронта пламени. Эта очень важная фаза процесса еще плохо изучена, так же как и влияние турбулентности (если оно есть) на поведение слоя по­следней части заряда.

3. Пульсации. Это наименование получило движение заряда в результате выталкивания его из зазора между днищем поршня и головкой блока цилиндров при приближении к ВМТ. При чаше­образной камере сгорания в поршне и ваннообразной в головке блока пульсация является радиальным движением, измерения его интенсивности дают результаты меньше ожидавшихся [193, 194]. Некоторые исследователи считают, что пульсации, бу­дучи, по определению, приуроченными к моменту достижения порш­нем ВМТ, возникают слишком поздно и что они слишком слабы, чтобы оказать заметное влияние. В остроумной двух поршневой конструкции двигателя Кушуля турбулентность создается в ос­новном цилиндре до достижения поршнем ВМТ благодаря такой установке коленчатых валов, при которой порождающий пульса­ции поршень движется с небольшим опережением [195].

Пульсации имеют большое значение для двигателей с односто­ронним нижним расположением клапанов, поскольку ими легче управлять благодаря большой площади сближения поршня и го­ловки блока цилиндров. Однако многие конструкторы считают, что влияние пульсаций существенно для многих двигателей мас­сового производства с верхним расположением клапанов, по­скольку оно способствует ускорению распространения пламени уже некоторое время спустя после подачи искры, благодаря чему пламя не гасится под влиянием турбулентности.

Вероятно, большее значение, чем пульсации, имеет ускорение вихревого движения заряда вследствие сохранения момента ко­личества движения при переносе его одновременно с возникнове­нием пульсаций в камеру сгорания меньшего радиуса.

Некоторые практически применяемые эффективные системы. Значительное влияние на выбор конструкции головки блока ци­линдров оказывают предполагаемые режимы работы, стоимость и возможность автоматизации производства.

В гоночных спортивных автомобилях в течение длительного времени предпочтение отдавалось конструкции, в которой четырехклапанная головка служит крышкой, с центрально расположен­ной свечой зажигания [55]. Камера сгорания такой конструкции характеризуется высоким коэффициентом наполнения, малым расстоянием движения пламени, турбулентностью, образующейся в результате перемешивания двух потоков впрыскиваемой смеси, и меньшей потребностью создания пульсаций. Такая конструкция не подходит для двигателей с большой степенью сжатия, по­скольку зона горения при этом становится узкой, пламя рано гасится, и сильно увеличиваются выделения углеводородов. С другой стороны, эта конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9 : 1.

Если требуется, чтобы такой двигатель был очень мощным, то цилиндр делается таким, чтобы его диаметр превосходил ход поршня (камера сгорания имеет приплюснутую форму). Это поз­воляет увеличить площадь клапанных отверстий и получить вы­сокий коэффициент наполнения при большой частоте вращения коленчатого вала двигателя и умеренной скорости движения пор­шня. В этом случае вследствие чрезмерной сплюснутости камеры сгорания выделения углеводородов велики и путь, проходимый пламенем, тоже велик [196].

Более простым решением является полусферическая камера сгорания с двумя клапанами. Потери теплоты в такой камере сгорания невелики, поскольку отношение площади поверхности стенок к объему мало, турбулентность в такой камере при вихре­вом движении заряда сохраняется хорошо и, кроме того, в ней отсутствуют выступающие элементы, которые могут быть местами, вызывающими преждевременное калильное зажигание.

Хорошие условия движения газов обеспечиваются наклон­ным расположением клапанов [196], но до последнего времени выпуск двигателей с такими камерами сгорания сдерживался из-за необходимости большого наклона клапанов. Компромиссным решением является размещение половины камеры сгорания в поршне при почти вертикальном расположении клапанов — двояко­выпуклая камера сгорания.

Плодотворные исследования в области поисков лучших камер сгорания были осуществлены Хероном [53], пытавшимся реали­зовать максимально возможные экономичность, мощность и сте­пень сжатия при использовании топлив, которые появились в то время (1950 г.) с октановым числом 100, определенным исследо­вательским методом. Он также стремился создать камеру сгора­ния, в которой октановые числа чувствительных топлив были как можно ближе к определенным исследовательским методом окта­новым числам, которые он назвал «механическими октановыми числами» (по терминологии Кеттеринга из «Дженерал моторс»).

Его исследования были сосредоточены на рассмотрении кон­струкции с двумя клапанами с плоской головкой цилиндра. Впускной клапан мог снабжаться специальной ширмой (для соз­дания турбулентного потока), а днище поршня могло быть пло­ским или иметь центральную полость, занимающую 55 % пло­щади и способствующую образованию пульсации (рис. 6.13). Заменяя поршни, можно было изменять величину степени сжатия от 5 : 1 до 30 : 1.

Наилучший антидетонационный показатель, за который при­нималось предельное значение плотности топливного заряда, достигался при степени сжатия 10: 1 и использовании двух спо­собов создания турбулентности — ширма впускного клапана и чашеобразная полость в поршне, способствующая образованию пульсаций, роль которых была примерно одинаковой.

Частота вращения вала двигателя при проведении исследо­ваний принималась равной 3000 мин^-1, поскольку проблемы вы­сокооборотной детонации в 1950 г. не существовало. Камера Херона использовалась в разнообразных вариантах. Наиболее популярна чашеобразная камера сгорания в поршне. В европей­ских условиях необходимо особое внимание уделить конструкции поршня, с тем чтобы не допустить интенсивной отдачи тепла в об­ласть расположения колец, а также не допустить высокооборот­ной детонации и последующего преждевременного калильного зажигания.

Двигатель с чашеобразной камерой сгорания благодаря про­стоте изготовления и лучшим показателям при малой мощности вследствие пульсаций заряда иногда применялся там, где ранее традиционно использовались двигатели с полусферической каме­рой сгорания в головке цилиндра, в частности в спортивных авто­мобилях.

Аналогичные результаты можно получить, размещая полость в головке цилиндра и подводя к ней оба клапана, благодаря чему она принимает удлиненную форму. Такая камера сгорания назы­вается ваннообразной, она обычно располагается наклонно по отношению к оси цилиндра (рис. 6.14). Благодаря наклонному расположению камеры сгорания (иногда дно камеры выходит на плоскость головки цилиндра, и тогда она называется клиновой камерой) зона последней части заряда получается сужающейся. Эти камеры сгорания очень популярны, они позволяют при степени сжатия 11:1 использовать бензин с определенным исследователь­ским методом октановым числом, равным 93 [197].

Кромки ваннообразной камеры сгорания должны тщательно профилироваться, поскольку их качество может сильно влиять на возможность детонационного сгорания в области завихрений, расположенной против свечи зажигания [24].

Несмотря на эффекты пульсаций и образование турбулентностей при сжатии в такой несимметричной камере сгорания, для обеспечения достаточно быстрого сгорания, которое позволило бы избежать детонации при очень высоких степенях сжатия, мо­гут потребоваться дополнительные меры по увеличению интен­сивности турбулентности.

Следующий шаг на пути совершенствования экономичных двигателей с высокой степенью сжатия был сделан Меем [198, 199]. Он считал, что двигатель мелкосерийного производства должен иметь два параллельных вертикально расположенных клапана и расположенную в головке цилиндра камеру сгорания, образуемую при литье, которая обеспечивала бы сильные пуль­сации смеси. Для получения значений сжатия от 13 : 1 до 15:1 в камере сгорания должно быть лишь одно клапанное отверстие. Мей считал, что это должно быть отверстие выпускного клапана, поскольку при расположении в этом месте отверстия впускного клапана большего диаметра поток через него ограничивался бы стенками камеры. С этим мнением согласны не все специалисты [5]. Ограничивающее влияние стенок может способствовать об­разованию чрезвычайно полезной турбулентности, и, кроме того, расположение в камере сгорания отверстия впускного клапана соответствует традиционному требованию возможно большего удаления зоны последней части заряда от выпускного клапана. В качестве ответа на это можно сказать, что перемещение последней части заряда турбулентными вихрями при расположении отверстия выпускного клапана в камере сгорания приводит просто к уве­личению скорости распространения пламени и уменьшению тре­буемого угла опережения зажигания.

Схематичное изображение камеры сгорания Мея приведено на рис. 6.15. Конструкция впускного канала обеспечивает враща­тельное движение смеси по часовой стрелке, которое формиру­ется при сжатии в полости под выпускным клапаном. При до­стижении поршнем ВМТ в области впускного клапана возникают сильные пульсации, которые, проникая в полость, усиливают вращательное движение.

Фронт пламени при прохождении вдоль горячей перемычки между клапанами ускоряется и увлекает последнюю часть заряда, в результате чего детонационное сгорание возможно лишь при малых частотах вращения вала двигателя и больших нагрузках. Эта система идеальна для работы на бедных смесях, и, если ее преимущества не используются для достижения максимально возможной мощности при заданной степени сжатия, она позво­ляет значительно улучшить экономичность, в противном случае улучшение экономичности невелико.

Послойное распределение заряда. На начальном этапе своей деятельности по улучшению топливной экономичности Рикардо выдвинул идею разделения заряда на зону топливовоздушной смеси и зону воздуха, что позволяло отказаться от дросселирова­ния. Эта идея была реализована в изобретении, — английский патент № 2125, AD 1915 г. (рис. 6.16). Он добивался разделения заряда не аэродинамическими средствами, а с помощью дополни­тельной камеры. Позже эта идея была реализована в большом двух­тактном авиационном двигателе, который при малой (и полной) нагрузке работал без дросселирования, дросселирование применя­лось лишь при умеренных нагрузках [200].

Современный вариант реализации этой идеи путем впрыска топлива в предкамеру дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания описан в работе [201] (рис. 6.17).

При идеальном разделении заряда топливная смесь должна находиться в районе свечи зажигания, а воздух в зоне последней части заряда, что уменьшает вероятность детонационного сгора­ния. Такого идеального разделения добиться, конечно, невоз­можно, и о работах в этом направлении почти ничего не было слы­шно, пока интерес к ним не возродился в связи с двумя различ­ными задачами. Во-первых, это задача создания для нужд во­енной техники двигателя, который мог бы работать на топливах с любыми октановыми и цетановыми числами и, во-вторых, за­дача создания двигателя, который при работе на этилированном или неэтилированном топливе удовлетворял бы требованиям; ЕРА по токсичности отработавших газов. Результатом явилось] создание двигателя фирмой «Тексако» системы TCCS [202—20411 и двигателя PROCO (FCP) фирмой «Форд мотор» [205]. Оба двигателя являются двигателями с искровым зажиганием и с вы­сокой степенью сжатия (10 : 1—12 : 1), в которых впрыск топ­лива производится непосредственно в цилиндр, а камера сгорания расположена в поршне; в двигателе TCCS может также осущест­вляться турбонаддув.

Фирмой «МАН» (ФРГ) был создан вариант двигателя с искровым зажиганием «МАН—FM» на основе дизельного двигателя системы «М» (см. рис. 6.17). Принципы разделения заряда в этих двигателях различны, кратко они могут охарактеризованы следующим образом.

1. «Тексако TCCS». В камере сгорания благодаря соответ­ствующей конструкции впускного клапана создается интенсивное вихревое движение, и топливо впрыскивается в вихревой поток. Оно испаряется и воспламеняется рядом последовательных искр свечи зажигания с высокой энергией разряда. В потоке форми­руется фронт пламени, и в него подается топливная смесь до за­крытия форсунки.

В ряде вариантов открытие форсунки и подача искры произ­водятся возможно ближе к ВМТ, благодаря чему минимизируется время предварительного перемешивания топливной смеси. В этом двигателе может использоваться любое легкое или содержащее легкие фракции топливо [204].

2. «Форд PROCO» (имеется вариант этого двигателя, пред­назначенный для работы на керосине и дизельном топливе). В камере сгорания тоже создается интенсивное вихревое движение, но топливо подается в центр вихря, где оно испаряется и вос­пламеняется расположенной в центре свечой зажигания. Пламя остается в центре, поскольку его плотность меньше плотности воздуха.

3. «MAH-FM». В этом двигателе тоже создается вихревой поток, но топливо распыливается на стенку камеры сгорания, где оно воспламеняется от искры свечи зажигания, электрод которой удлинен и расположен рядом со стенкой камеры. Топливо испаряется, воспламеняется и сгорает, участвуя в вихревом движении. Все три двигателя являются двигателями с высокой степенью сжатия, работающими без дросселирования, движение продуктов сгорания в них регулируется центростремительными силами, и детонационного сгорания не наблюдается, поскольку отсутствует последняя часть заряда, которая могла бы самовоспламеняться. Детонационному сгоранию препятствует также позднее воспламенение топлива, не оставляющее времени для реакций самовоспламенения.

Сравнительный анализ этих и других камер сгорания с по­слойным распределением заряда приведен в отчете ЕРА [208].

Стремление создать двигатели, работающие на бедных смесях, которые удовлетворяли бы требованиям по выделениям всех трех токсичных составляющих, побудило многих исследователей обра­титься к идее разделенной камеры сгорания Рикардо, причем основное внимание в этих разработках уделялось снижению токсичности отработавших газов, а не улучшению экономичности. Обычно свеча зажигания располагается в предкамере, которая заполняется обогащенной смесью либо через дополнительный впускной клапан от карбюратора, в котором готовится богатая смесь, как в двигателе «Хонда CVCC» [206], либо впрыскиванием топлива в предкамеру, как в двигателях «Фольксваген» и «Порше» [207, 208]. Основная камера заполняется очень бедной смесью от основного карбюратора, таким образом последней частью заряда является бедная смесь, которая воспламеняется от горя­щей в предкамере смеси. Интересный новый способ послойного разделения заряда в предкамере описан в работах [209, 210] (см. рис. 6.17). Смесь образуется в результате впрыскивания распыленного топлива на стержень в сферической предкамере. Вихрь сжатия расслаивает смесь, которая воспламеняется от искры между электродом и заземленным стержнем. Быстрое сгорание происходит в окрестности ВМТ почти полностью в пред­камере, поскольку зазор между поршнем и головкой цилиндра очень мал. Этот двигатель может работать на любом топливе, детонационного сгорания практически не бывает, он хорошо работает с турбонаддувом. Этот двигатель получил название «Маркер».

При разработке упомянутых двигателей уделялось внимание проблеме токсичности отработавших газов, поэтому следует упо­мянуть, что для работающих на бедных смесях двигателей с вы­сокой степенью сжатия серьезной проблемой является неполное сгорание углеводородов из-за низкой температуры отработавших газов и сопротивляемости окислению высокооктанового бензина. Даже применения платинового катализатора окисления может оказаться недостаточно для выполнения требований по токсич­ности .

Дизель. Хотя в дизеле воспламенение происходит не от искры, он является системой, для которой проблемы детонации практи­чески не существует. Большое количество очагов воспламенения и очень поздний впрыск топлива препятствуют его предваритель­ному перемешиванию и формированию последней части заряда. Пики давления при малых частотах вращения вала двигателя возбуждают низкочастотные колебания конструкции двигателя.

С учетом ожидаемой нехватки дизельного топлива в будущем в настоящее время ведутся интенсивные разработки двигателя, у которого воспламеняется впрыскиваемое через дополнительный клапан дизельное топливо, а через основной клапан впрыски­вается топливо с малым цетановым числом или даже высоко­октановое топливо, как, например, метанол, который работает без детонации [211].

6.6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для сохранения в будущем личного транспорта в условиях увеличения трудностей с топливом необходимы новые малоли­тражные с высокой степенью сжатия мощные двигатели с искро­вым зажиганием. Они должны быть созданы на новом техническом уровне по новейшей технологии. Эти двигатели должны обладать большим ресурсом, что может компенсировать их высокую сто­имость.

2. Двигателям с искровым зажиганием всегда будет отда­ваться предпочтение перед дизелями в автомобилях индивидуаль­ного пользования, особенно малолитражных. Качество топлива для двигателей с искровым зажиганием по мере истощения запасов нефти будет меняться; тенденция применения антидетонационных добавок сохранится, особенно в районах с малой плотностью населения.

3. Эти двигатели должны работать в близких к предельным условиях, при которых возникает детонационное сгорание; води­тель должен научиться допускать работу двигателя в зоне легкой детонации, однако предотвращение высокооборотной детонации требует большого внимания к качеству топлива и к конструкции и регулировке двигателя.

4. Для снижения требований к очистке топлива и подготовки к возможному уменьшению доли высокооктановых и высоко-цетановых топлив следует интенсифицировать исследования в об­ласти создания двигателей с расслоением топливовоздушного заряда, особенно для двигателей малого объема. Перспективным с этой точки зрения является двигатель «Тексако», однако не следует забывать и двигатели с вихревыми камерами сгорания.

5. Необходимы новые методы оценки стойкости топлив к ано­мальным процессам сгорания в двигателях и пересмотр эталонных топлив.

6. Еще сохраняется много неясностей, связанных с последней частью заряда. Каков ее состав, каковы физические условия в тонком слое, примыкающем к относительно холодной стенке камеры сгорания?

7. Серьезного внимания заслуживает природа чувствитель­ности топлив, особенно взаимосвязь процессов самовоспламенения парафинов, олефинов и ароматических соединений в топливных смесях.

8. Исследования возможности улучшения топливной эконо­мичности во многом сдерживаются жесткими требованиями по токсичности отработавших газов — для выявления наиболее пер­спективных направлений повышения топливной экономичности при проведении поисковых исследований следует отказаться от ограничений токсичности. Только при таком подходе можно достичь сбалансированных показателей экономичности и то­ксичности автомобильного парка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ricardo, H., and Hempson, J. G. G., The High-Speed Internal Combustion Engine, 5th ed., Blackie, London (1968).

2. Lichty, L. C, Combustion Engine Processes, McGraw-Hill, New York (1967).

3. Taylor, С F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, 2nd ed., MIT Press, Cambridge, Massachusetts (1966).

4. Caris, D. F., and Nelson, E. E., "A New Look at High-Compression Engines," SAE Preprint

61A (1958).

5. Kuznicki, L., and Thompson, W. В., "High-Compression-Lean-Burning Engines: Signpost for the Future," Inst. Mech. Eng. Conference, London, 12-14 June (1979).

6. Dugald, C, Trans. Faraday Soc, 22, 338 (1926).

7. Ricardo, H. R., "The Progress of the Internal Combustion Engine and its Fuel," Melchett Lecture, Inst. of Fuel (1935).

8. Hempson, J. F. G., "The Automobile Engine 1920-1950," SAE Paper 760605 (1976).

9. Boyd, T. A., "Pathfinding in Fuel and Engines," SAE Trans. 4, 182 (1950).

10. Campbell, J. M., Lovell, W. G., and Boyd, T. A., "Detonation Characteristics of Some of the Fuels Suggested as Standards of Anti-Knock Quality," SAE Trans. 25 (1930).

11. Report of the Empire Motor Fuels Committee. The Institution of Automobile Engineers, Vol. 18, part 1, (1924).

12. Ricardo, H. R., Engineering, 110, 325 and 361 (1920). ,

13. Agnew, W. G., "Fifty Yean of Combustion Research at General Motors," Proc. Energy Combust Sci, 4, 115-155 (1978).

14. Tizard, H. Т., and Pye, D. R., Phil. Mag., 11, 1094 (1926).

15. Callendar, H. L., Engineering, 123, 147, 182, 210 (1927).

16. Egerton, A. Smith, A. C, and Ubbelohde, A. R., Phil. Trans. Roy. Soc. A, 234, 433 (1935).

17. Ricardo, H. R., and Glyde, H. S., "The High-Speed Internal Combustion Engine," Blackie, London (1941).

18. Glyde, H. S., "Experiments to Determine Velocities of Flame Propagation in a Side-Valve Petrol Engine," J. Inst. Pet. Tech., 16(85), 756-776, November (1930).

19. Alcock, J. F., "The Effect of Swirl on Petrol Engine Combustion," The Aircraft Engineer No. 100 (Vol. 9, No. 5), May 9 (1934).

20. Alcock, J. F., and MacLellan, G. D. S., "Thermo-centrifugal Convection," Proc. Eighth Int. Congress on Theoretical and Applied Mechanics, 1952 Istanbul, p. 385 (1953).

21. Withrow, L. L,, and Bowditch, F. W., "Flame Photographs of Auto-Ignition Induced by Combustion Chamber Deposits," SAE Trans. 6, 724 (1952).

22. Stebar, R. F., Wiese, W. M., and Everett, R. L., "Engine Rumble—A Barrier to High Compression Ratios? SAE Trans. 68, 206 (1960).

23. Cometti, G. M., De Cristoforo, F., and Gozzelino, R., "Engine Failure and High-Speed Knock," SAE paper No. 770147 (1977).

24. Henault, C, and Riviere, J. P., "Experimental Study of Pinking at High Speed," Ingenieur de VAutomobile. 3, 178-198, March (1974).

25. Judge, A. W.. "Testing High-Speed 1С. Engines," 3rd ed.. Chapman and Hall, London. (1943), pp. 67-68; and Ref. 11, p. 77.

26. Downs, D., and Robinson, V. H., "Small Variable-Compression Research Engine," Engi­neering, December 30 (1949).

27. Rado, W. G., "Characteristics of a Plasma Generated by Combustion in a Spark Ignition Engine," J. Appl. Phys., 46(6), June (1975).

28. Guibet, I. C, andDuval, A., "New Aspects of Рте-ignition in European Automotive Engines," SAE paper no. 720114(1972).

1 По последним данным в Великобритании с 1986 г. использование тетра­этилового свинца ограничено 0,15 г/л. — Прим. ред. пер.