Сгорание в поршневых двигателях (Брозе Д.) - часть 11

 

43 

тых  двигателей  основаны  на  использовании  сравнительно 

бедных  смесей  и  обладают  до  настоящего  времени  относи- 

тельно  низкой  экономичностью,  такие  потери  недопу- 

стимы.  Поэтому  на  практике  приходится  сохранять  сравни- 

тельно низкую интенсивность сгорания.

 

82.  Однако  и  в  поршневых  двигателях  внутреннего 

сгорания  могут  иметь  место  различные  комбинации  про- 

цессов.  Представляется,  например,  сомнительным,  чтобы 

при  детонации  имело  место  самопроизвольное  воспламе- 

нение  одновременно  по  всему  объему  конечного  заряда; 

в  действительности,  видимо,  имеют  место  взрывы,  иниции- 

рованные  в  определенной  точке  и  мешающие  нормальному 

ходу горения. 

83.  В  дизелях  условия  сгорания  в  период  индукции 

не  одинаковы  в  различных  точках  объема,  поэтому  всегда 

появляется  один  или  несколько  очагов  воспламенения. 

Эта  неоднородность  заряда  весьма  выгодна  и  ее  нужно 

разумно      использовать    для    достижения      мягкой      работы 

дизеля (см. абзац 286). 

84.  Следует  уделить    некоторое    внимание  также    ка- 

лильному  зажиганию  и  зажиганию  от  раскаленных  частиц 

нагара.  Под  калильным  зажиганием  понимается  воспламе- 

нение  от  горячих  поверхностей  (камеры  сгорания,  выпуск- 

ного  клапана  или  деталей  свечи  зажигания),  а  также  и  от 

раскаленных  отложений  сажи.  Все  горючие  смеси  могут 

в  течение  длительного  времени  противостоять  воспламе- 

нению  от  контакта  со  стенками  (поверхности,  проволоки, 

сферические  предметы),    имеющими  температуру,  значи- 

тельно    превышающую    температуру    самовоспламенения. 

Это  связано  с  градиентами  температуры  и  концентрации 

радикалов,  которые  образуются  вокруг  горячего  предмета, 

из-за  которых  реакция,  инициированная  непосредственно 

у    стенки,      не      может      тем      не      менее      распространяться. 

Для  газовой  смеси  определенного  состава,  содержащей 

топливо  определенного  сорта,  температура,  при  которой 

происходит  воспламенение,  зависит  от  размеров  и  формы 

горячей  стенки  и  времени  контакта.  Выпуклые  поверхно- 

сти,  такие  как  поверхность  проволоки  или  шара  опреде- 

ленного  размера,  вызывают  воспламенение  при  более  высо- 

ких  температурах,  чем  плоские  или  вогнутые  (щели,  свер- 

леные отверстия). 

85.  Из      практически      применяемых      топлив      наиболее 

склонен к калильному зажиганию водород (рис. 26). Было 

 

44 

замечено,  что  в  двигателях,  работающих  на  коксовом 

газе,  происходит  калильное  зажигание,  если,  например, 

в  камере  сгорания  имеются  горячие  части  со  щелями  или 

отверстиями  (отверстия  для  демонтажа  поршня  и  др.). 

Изношенные  прокладки  блока  также  могут  явиться  источ- 

ником преждевременного воспламенения.

 

86. 

В  глубоких  отверстиях  (например,  таких  как 

каналы  к  индикатору)  может  сохраняться  горящий  заряд, 

который  затем  вытекает  из  отверстия  в  один  из  периодов, 

например,  в  период  такта  впуска  при  пониженном  давле- 

нии  в  цилиндре.  Это  явление  ис- 

пользовалось  в  качестве  регуляр- 

ного  источника  воспламенения 

в  некоторых  калоризаторных  дви- 

гателях,  причем  в  этом  случае 

не  может  быть  речи  о  калильном 

зажигании;  температуры  металли- 

ческих  частей  здесь  вполне  уме- 

ренные.

 

87. 

Воспламенение  от  хими- 

чески 

активных 

стенок 

камеры 

сгорания  происходит  в  двигателях 

при  наличии  обильных  отложений 

продуктов 

неполного 

окисления 

смазочного  масла,  которые,  напри- 

мер,  могут  накопиться  в  случае, 

если 

автомобильный 

двигатель 

эксплуатировался 

в 

течение 

дли- 

тельного  времени  на  малых  нагрузках.  При  работе  дви- 

гателя  на  более  высоких  нагрузках  отложения  нагара 

нагреваются  настолько,  что  вблизи  них  начинают  разви- 

ваться  предпламенные  реакции,  а  в  случае  достиже- 

ния  высокой  температуры  накала  этот  нагар  может 

воспламенить  свежий  заряд  до  начала  или  в  процессе 

нормального  сгорания.  Некоторые  присадки  к  топливу 

могут  предотвратить  это  явление.  Они  адсорбируются 

в  отложениях  на  стенках  камеры  и  препятствуют  воспламе- 

нению  смеси  от  раскаленных  отложений.  В  частности,  по- 

добным действием обладает трикрезилфосфат 

1

.

 

1

  Марка  соответствующей  присадки  фирмы  Шелл—ICA  отвечает 

сочетанию  заглавных  букв  английских  слов  «воспламенение»,  «конт- 

роль», «присадка».

 

 

Рис. 26. Влияние диаметра 

раскаленной сферы на тем- 

пературу   воспламенения:

 

1 

— 

пентана; 

 

2— 

городского 

газа; 3 — водорода

 

 

45 

СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ КАК ОСНОВА 
ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ 

88.  Наиболее  важной  характеристикой  процесса  сго- 

рания  применительно  к  двигателям  внутреннего  сгорания 

является    его    стабильность.    Это  означает,    что    процесс 

должен  быть  в  состоянии  равновесия  при  всех  числах 

оборотов  и  нагрузках  и  проходить  в  полном  соответствии 

с    условиями,    характерными  для    этих    режимов.      Если 

имеют  место  нарушения,  процесс  должен  обладать  тен- 

денцией возвращаться к этому равновесному состоянию.

 

Как  будет  показано,  стабильность  достигается  пра- 

вильным  сочетанием  процессов  сгорания  и  смешения,  кон- 

струкции двигателя и применяемого топлива.

 

89.  Наиболее      важное    отличие      условий      протекания 

процесса  при  одном  и  том  же  сочетании  числа  оборотов  и 

нагрузки  при  нормальной  работе  органов  настройки  дви- 

гателя  связано  с  температурой  стенок.  Это  становится 

очевидным  из  сравнения  работы  только  что  пущенного 

двигателя    с    работой    полностью    прогретого  двигателя. 

Различия  в  температуре  стенок  пространства  цилиндра 

могут  доходить  до  нескольких  сотен  градусов  по  Цельсию. 

Увеличение  температуры  внутренней  стороны  стенки  по 

отношению  к  температуре  охлаждающей  среды  является 

функцией теплопроводности и полного теплового потока. 

90.  Одновременный  взрыв  наиболее  нестабилен,  осо- 

бенно  если  смесь  уже  приготовлена  внутри  или  вне  ци- 

линдра.  В  последнем  случае  период  индукции  τ

i

  будет 

длительным,  соответствуя  по  меньшей  мере  180°  угла  пово- 

рота  коленчатого  вала.  Следует  также  отметить,  что  тепло- 

обмен    между  стенками    и  смесью,    приготовленной    вне 

цилиндра,  происходит  в  течение  более  длительного  интер- 

вала времени. Могут иметь место следующие случаи. 

91.  Увеличение  температуры    внутренней  стенки  ци- 

линдра  при  прогреве  очень  невелико.  Это  может  иметь 

место  при  малой  тепловой  нагрузке  или  интенсифициро- 

ванном  контроле  температуры  двигателя  (постоянная  тем- 

пература  охлаждающей  среды,  тонкие  стенки).  При  этом 

условия  равновесия    процесса    воспламенения      еще  воз- 

можны,  так  как  было  показано,  что  момент  воспламенения 

не  очень  зависит  от  температуры  стенок  и  поэтому  незначи- 

тельное  изменение  последней  будет  вызывать  лишь  допу- 

стимые изменения τ

i 

. Такие процессы на практике почти 

 

46 

не  применяются,  так  как  соблюдение  требования  очень 

низкого  теплового  потока  ведет  либо  к  низкой  удельной 

мощности  двигателя,  либо  к  чрезмерно  усложненной  в  от- 

ношении  теплового  контроля  конструкции  двигателя. 

Более  того,  для  поддержания  τ

i

  в  необходимых  узких  пре- 

делах  нужно  было  бы  выдерживать  очень  жесткие  требова- 

ния  к  свойствам  топлива.  Это  экономически  не  оправдано, 

и  поэтому  рассматриваемый  процесс  осуществляется 

только  в  тех  случаях,  когда  таким  путем  разрешается  про- 

блема,  иначе  не  разрешимая.  В  качестве  примера  можно 

привести  маленькие  карбюраторные  двигатели  с  воспла- 

менением  от  сжатия,  используемые  для  авиамоделей,  уже 

упомянутые в абзаце 34, а.

 

92.  Иногда  объемное  самовоспламенение  при  низкой 

теплонапряженности  допускается  как  дефект,  накладыва- 

ющийся  на  нормальный  процесс.  Так  как  при  этом  про- 

цесс  самовоспламенения  сам  по  себе  является  достаточно 

стабильным,  то  степень,  до  которой  допускается  его  вме- 

шательство,  находится  под  контролем  и  имеет  место  детона- 

ция  при  сравнительно  малой-тепловой  нагрузке.  Допускае- 

мая  интенсивность  детонации  ограничивается  при  этом  не 

термическими  нагрузками,  а  шумом  и  более  высокой  меха- 

нической  нагрузкой  на  детали  двигателя.  При  процессе 

этого  типа  предпочтительной  является  камера  сгорания, 

исключающая  возможность  возникновения  больших  коле- 

баний  газа.  Хорошо  известный  двигатель  CFR,  предназна- 

ченный  для  определения  октановых  чисел,  имеет  такую 

регулировку,    при  которой  в  нормальных  условиях  его 

работы  около  40%  топлива  сгорает  по  механизму  одновре- 

менного  воспламенения  (см.  рис.  64,  б).  Эти  двигатели 

характеризуются          исключительно        высокими        стабиль- 

ностью  и  сроком  службы,  однако  отличаются  шумностью 

работы. 

93.  Увеличение  температуры  внутренней  стенки  ци- 

линдра    при      прогреве    значительно.      Этот  случай    встре- 

чается  наиболее  часто.  В  этом  случае  температура  всех 

стенок  камеры  сгорания  или  части  их  будет  зависеть  от 

того,  происходит  воспламенение  раньше  или  позже,  при- 

чем  степень  этой  зависимости  пропорциональна  возраста- 

нию  температуры  на  режимах  прогрева.  При  этом  наиболее 

важным    является    влияние  продолжительности    периода 

прогрева,  менее  важным  —  изменение  в  условиях  движения 

газа и пр. Уменьшение периода индукции по мере прогрева