Вернуться на главную

Процессы сгорания и тепловыделения

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. На большую часть показателей двигателя влияют, однако, не физико-химические особенности процесса сгорания, а закономерности тепловыделения и вызываемого им изменения давления и температуры в цилиндре. Ими определяются энергетические и экономические показатели цикла, статические и динамические нагрузки на детали, оцениваемые максимальным давлением цикла р_z и скоростью нарастания давления при сгорании (dp/d(j)_max (МПа/°п. к. в.) или (dp/dt)_max (МПа/с), тепловая напряженность деталей, оцениваемая по распределению температур и тепловых потоков, интенсивность шумоизлучения, в определенной степени механические потери в двигателе и токсичность отработавших газов. Благоприятные показатели работы двигателя обеспечиваются при тепловыделении, начинающемся за 5—15° до в. м. т., вызывающем равномерное повышение давления в интервале углов поворота коленчатого вала 15—30° и в основном завершающемся за 45—50°. Теплоиспользование в действительном цикле с таким характером тепловыделения мало отличается от имеющего место в цикле с подводом теплоты при V = const, так как поршень у в. м. т. движется с малыми скоростями и поэтому за время тепловыделения проходит малый путь. Так, если тепловыделение завершается через 35° после в. м. т., то степень последующего расширения газов отличается от степени сжатия лишь на 11—12%. В действительности постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного в связи с уменьшением потерь теплоты в охлаждающую среду и механических потерь двигателя. Физико-химические особенности процесса сгорания оказывают существенное влияние на излучение пламени, отложения на деталях и токсичность отработавших газов.

Основы теории горения. По представлениям кинетики химических реакций, акт реагирования происходит при столкновении молекул, энергия которых превосходит определенное для каждой из реакций значение, достаточное для разрушения существующих внутримолекулярных связей и замещения их новыми. Это критическое значение энергии называют энергией активации, а сами молекулы, вступающие в реакцию,— термически активными. Число столкновений в единицу времени термически активных молекул существенно увеличивается с температурой. Оно также зависит от природы реагентов, их соотношения в смеси и давления. При увеличении давления частота столкновений возрастает вследствие увеличения числа молекул каждого из реагентов в единице объема, причем в тем большей степени, чем большее число молекул n_м участвует в элементарном акте реакции. Скорость химических реакций, измеряемая количеством вещества, прореагировавшего в единице объема в единицу времени [кг/(с м³) или кмоль/(с м³)],

. (2.17)

Здесь С — концентрация реагента; t — время; К_о — константа столкновений, зависящая от природы и соотношения реагентов в смеси; р — давление; n_м — порядок химической реакции; Q_a — энергия активации, зависящая от природы реагентов, механизма реакции и параметров состояния; Т — температура смеси, mR — универсальная газовая постоянная.

Приведенная зависимость справедлива для случая, когда концентрация реагентов поддерживается неизменной. В действительности она изменяется. Поэтому в ходе реакции скорость ее достигает максимума, а затем снижается до нуля.

Изложенных ранее представлений о химических реакциях, происходящих в результате соударения термически активных молекул исходных веществ, оказалось недостаточно для объяснения ряда наблюдений, так как: 1) экспериментально полученные зависимости скорости реакции от давления имеют нередко дробный положительный показатель степени, хотя очевидно, что в реакции не может участвовать дробное число молекул; 2) добавка некоторых веществ, так называемых присадок, к топливам существенно влияет на процесс горения, несмотря на очень малые концентрации; 3) зависимость скоростей предпламенных реакций от параметров состояния заметно отклоняется от определяемой по (2.17) вплоть до того, что в некотором диапазоне увеличение температуры сопровождается уменьшением скорости реакции (отрицательная температурная зависимость); 4) ряд реакций происходит с большими скоростями без повышения температуры смеси.

Эти и многие другие явления удалось объяснить на основании теории цепных реакций, в разработке которой выдающаяся роль принадлежит школе советских ученых во главе с акад. Н. Н. Семеновым. В соответствии с представлениями этой теории подавляющее большинство химических реакций идет по цепному механизму, т. е. исходные вещества переходят в конечные через более или менее длинную цепь отдельных реакций с образованием ряда промежуточных, нередко крайне неустойчивых, соединений. Ведущую роль в развитии цепной реакции играют химически активные частицы, обладающие свободными валентностями, легко вступающие в соединение с исходными или промежуточными продуктами без термической активации. В результате указанных реакций получаются конечные продукты и одновременно вновь образуется некоторое количество таких же или других активных частиц, которые снова вступают в реакции, возобновляя, цепь превращений.

Если в результате элементарного акта химически активной частицы с какой-либо молекулой воссоздается лишь одна активная частила, то имеет место простое продолжение реакции и она является неразветвленной. Скорость неразветвленной цепной реакции определяется числом активных частиц, возникающих в единицу времени, и средней длиной цепи. Химически активные частицы образуются в результате столкновений или самопроизвольного распада термически активных молекул. Поэтому зависимость w = f(p, Т) для неразветвленной цепной реакции аналогична (2.17). При этом рассматривают некоторую эффективную энергию активации, характеризующую итоговую зависимость скорости процесса от температуры. Если в результате элементарной реакции с участием одной активной частицы возникают две или большее число новых активных частиц, то имеет место гак называемое разветвление цепи. Скорость такой реакции очень быстро возрастает со временем даже при отсутствии повышения температуры. Обрыв цепи происходит при столкновении между собой химически активных частиц и в результате адсорбции их стенками, окружающими реагирующую смесь. Поэтому увеличение концентрации химически активных частиц сопровождается увеличением числа обрывов цепей и, как следствие, скорость разветвленной цепной реакции стабилизируется, а затем уменьшается в результате выгорания исходных веществ.

В соответствии с теорией цепных реакций дробный порядок реакции — результат сложного механизма течения реакции, включающей в себя ряд элементарных стадий, каждая из которых имеет свой порядок. В зависимости от значимости каждой из промежуточных стадий получаются те или иные значения показателя степени при р в (2.17). То обстоятельство, что каждая химически активная частица является источником целой серии превращений, позволяет объяснить ускоряющее или тормозящее действие небольших количеств присадок к топливу. Отрицательная температурная зависимость w объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту концентрации промежуточного продукта реакции, тормозящего образование конечных продуктов.

На протекание химических реакций в поршневых двигателях влияет как термическая, так и химическая активация частиц. Для различных условий преобладающим может быть один из способов активации. В большинстве случаев, однако, решающее влияние оказывает тепловое самоускорение реакций. Исключение составляет процесс самовоспламененияю.

В поршневых двигателях имеют место три характерных вида сгорания и их комбинаций: объемное воспламенение, воспламенение от искрового разряда с последующим распространением пламени и диффузионное горение.

Объемное воспламенение. В случае нагрева, например, путем быстрого сжатия однородной газовой смеси реагентов до температуры Т_нач в последней одновременно по всему объему возбуждается экзотермическая реакция. Параллельно с выделением теплоты происходит отвод теплоты в окружающую среду. При температуре Т_нач выше определенного для каждого сочетания условий (природа и соотношение реагентов в смеси, давление, условия теплоотвода и т. д.) значения Т_воспл по истечении некоторого промежутка времени, известного под названием периода задержки воспламенения t_i наблюдается быстрый саморазгон химических реакций — происходит объемное воспламенение, сопровождающееся охватом всего объема пламенем. В течение периода задержки воспламенения t_i соотношение между скоростями выделения и отвода теплоты вследствие различной температурной зависимости соответствующих процессов таково, что имеет место лишь сравнительно небольшое повышение температуры и ускорение химических реакций. Период t_i тем меньше, чем больше скорость развития предпламенных реакций и их тепловой эффект. Поэтому период задержки воспламенения обычно сокращается при увеличении давления и температуры. Т_воспл зависит от природы реагентов, соотношения их в смеси и достигает минимума при определенном составе смеси.

Для простых реакций с увеличением давления смеси температура воспламенения снижается. При самовоспламенении большинства углеводородов вследствие многостадийного цепного механизма развития предпламенных реакций наблюдаются в определенных зонах изменения параметров состояния существенные отклонения от отмеченной зависимости. В некоторой зоне температур объемному воспламенению предшествует образование холодного пламени, в котором смесь претерпевает неполное окисление, появляется сине-фиолетовое свечение, выделяется небольшое количество тепловой энергии.

Воспламенение от искрового разряда с последующим распространением пламени. При второй разновидности процесса воспламенение однородной смеси осуществляется с помощью искрового разряда. Искровой разряд должен обладать определенной мощностью, т. е. сообщать смеси в зоне зажигания энергию, достаточную для дальнейшего распространения процесса по объему. В искровом промежутке развиваются температуры более 10⁴ К. Вследствие термической диссоциации и ионизации в объеме искрового промежутка смесь реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения. Здесь, естественно, нет саморазгона химической реакции. Напротив, скорость химических реакций с течением времени снижается до значений, соответствующих температуре пламени при данном составе смеси. На условия зажигания помимо мощности и природы искры, естественно, влияют природа и состав смеси, условия отвода теплоты от зоны зажигания, зависящие, в частности, от конструкции свечи зажигания, способа ее установки, характера и интенсивности движения заряда и пр. Увеличение мощности искрового разряда обеспечивает возможность зажигания более бедных смесей.

При благоприятных условиях реакция из очага воспламенения распространяется по всему объему путем последовательного разогрева и переноса активных частиц — происходит распространение пламени, которое можно наблюдать по перемещению свечения или фронта пламени. В зависимости от условий движения смеси различают нормальную u_п и турбулентную u_т скорости пламени. Нормальная скорость пламени определяется явлениями молекулярного переноса теплоты и активных частиц, т. е. зависит от таких характеристик, как коэффициенты температуропроводности а и диффузии, а также скоростью химических реакций w_z. Найдено, что .

Для рассматриваемого процесса в каждый момент имеются две зоны: свежая смесь и продукты сгорания, разделенные фронтом пламени, в котором происходит реакция. Ширина ламинарного фронта d_л обычно невелика (0,1—1 мм). Она зависит от тех же факторов, что и u_н но в данном случае увеличение скорости химических реакций ведет к уменьшению ширины ламинарного фронта пламени . Скорость химических реакций больше в несколько обогащенных смесях, поэтому u_н достигает максимума при a = 0,85 — 0.9. При обеднении и обогащении смеси u_н снижается. Имеется некоторый критический предел снижения u_н, ниже которого пламя не распространяется, оно гаснет, так как при этом чрезмерно увеличиваются ширина зоны горения и, как следствие, относительные тепловые потери из этой зоны. Предельно богатую смесь, при которой еще возможны распространение ламинарного пламени, а следовательно, и зажигание смеси, называют верхним концентрационным, пределом или верхним пределом воспламеняемости. Аналогично, предельно обедненную смесь, при которой возможно распространение фронта пламени, называют нижним концентрационным пределом или нижним пределом воспламеняемости. Для карбюраторных двигателей пределы воспламеняемости не превышают 0,6 < a <; 1,4. Нормальная скорость пламени снижается при увеличении давления смеси и повышается при росте температуры. Эти зависимости следуют из рассмотрения влияния параметров состояния на значения коэффициентов температуропроводности и диффузии. В частности, снижение нормальной скорости пламени при увеличении давления вызвано уменьшением скорости диффузии частиц.

В турбулизированной смеси скорость распространения пламени в несколько десятков раз больше нормальной скорости пламени. Фронт турбулентного пламени сильно искривлен, а при высокой турбулентности раздроблен на большое число очагов. Сказанное схематически иллюстрируется на рис. 2.22, а, б. Перенос термически и химически активных частиц осуществляется путем турбулентной диффузии, т. е. переноса целых объемов смеси. Коэффициент турбулентной диффузии в сотни раз превышает коэффициент молекулярной диффузии. Этим, собственно, и объясняется интенсификация процесса распространения пламени при турбулизации смеси. Ширина зоны турбулентного горения d_т также значительно больше ламинарной d_л. Для условий поршневых двигателей d_т достигает нескольких сантиметров. Турбулентная скорость пламени в отличие от нормальной растет не только при увеличении температуры, но и с повышением давления. Это связано с существенно различным характером переноса активных центров.

Инициирование распространения пламени при турбулентном заряде обусловлено в большой мере явлениями молекулярного переноса. Интенсивность турбулентного движения заряда в некоторых случаях может воздействовать на процессы воспламенения отрицательно, способствуя переохлаждению объема, в котором произошел искровой разряд.

Под периодом формирования очага воспламенения (фронта пламени) понимают время увеличения размеров объема, охваченного реакцией, до значения, при котором заметными оказываются выделение теплоты и повышение давления. Он сокращается при увеличении турбулизации заряда вследствие интенсификации турбулентного переноса теплоты и химически активных частиц, а также из-за уменьшения толщины пограничного слоя заряда, в котором обычно располагается искровой промежуток и где развитие процесса определяется молекулярными явлениями, скорость которых невелика.

Диффузионное горение. Диффузионное горение имеет место, когда возможная скорость реакции значительно выше скорости смешения реагентов и скорость процесса лимитируется смешением.

Рассмотрим диффузионное горение на примере горения распыленного жидкого топлива, которому предшествуют прогрев и частичное испарение капель. На рис. 2.22, в показана схема горения движущейся капли топлива. Вокруг капли располагается паровая оболочка I. В зоне II находится топливовоздушная смесь, температура и состав которой соответствуют условиям воспламенимости, в зону III выносятся продукты сгорания. Собственно зона горения располагается между паровой оболочкой и воздухом.

Сгорание в дизеле. Процесс воспламенения распыленного топлива имеет многостадийный цепной характер. Очаги воспламенения располагаются вблизи наружных границ факела распыленного топлива, где понижение температуры вследствие испарения меньше, чем на оси, а состав смеси благоприятен для воспламенения. При низких температурах длительность периода задержки воспламенения велика и смесь успевает в значительной степени стать однородной. В этом случае четко проявляется двухстадийный характер предпламенного процесса, т. е. вначале по смеси распространяется холодное пламя, а затем уже возникает горячее. При более высоких температурах холодное пламя в различных зонах неоднородного заряда возникает не одновременно, а в результате дальнейшего повышения температуры процесс становится одностадийным.

Процессы смесеобразования начинают ограничивать сгорание в области высоких температур, так как их скорость растет с температурой в существенно меньшей степени, чем скорость химических реакций.

При горении распыленного топлива имеет место комбинация всех рассмотренных разновидностей процесса. Возникновение очага воспламенения происходит по механизму объемного воспламенения. Далее процесс распространяется по паровоздушному заряду, подготовленному к горению за период задержки воспламенения. Наконец, основная часть топлива сгорает по механизму диффузионного горения.

Процесс горения в поршневых двигателях удобно анализировать по индикаторным диаграммам в координатах р—j (рис. 2.23,а). При этом процесс сгорания разделяют на ряд фаз.

Первая фаза горения, или период задержки воспламенения, определяется как интервал времени t_i, или углов поворота коленчатого вала Q_i, от начала впрыскивания (j_н.вп) до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива (точка а на диаграмме давления).

Период задержки воспламенения при впрыскивании жидкого топлива включает в себя время, необходимое для распада струи на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций. Неоднородность смеси положительно влияет на развитие воспламенения, так как предопределяет существование в каких-то зонах условий, наиболее благоприятных для воспламенения по составу смеси и ее температуре.

Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например a = 6 и более. В случае гомогенизации воспламенение такой смеси было бы затруднено. Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыскивания, все топливо подается в цилиндр до начала воспламенения, большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развиваются высокие давления: высокими оказываются динамические нагрузки на детали и шумоизлучение.

На длительность t_i влияют:

1. Воспламеняемость топлива. Склонность топлива к воспламенению оценивается цетановым числом, которое определяется на специальных установках сравнением воспламеняемости топлива с воспламеняемостью смеси эталонных топлив (цетана C₁₆H₃₄ и альфаметилнафталина С₁₀Н₇ — СH₃). Чем больше цетановое число, тем лучше воспламеняемость топлива. Наименьшим цетановым числом обладают высокооктановые бензины. Их применение возможно лишь в специальных многотопливных дизелях. На склонность топлив к воспламенению можно влиять, добавляя к ним специальные присадки, например амилнитраты, которые, однако, не получили еще широкого распространения.

2. Давление и температура заряда в начале впрыскивания топлива. Увеличение давления и особенно температуры, как правило, сокращает t_i. Поэтому повышение температуры заряда в начале впрыскивания топлива, уменьшение угла опережения до определенного значения способствуют уменьшению t_i. При эксплуатации в результате увеличения утечек заряда через неплотности давление и температура заряда в конце сжатия снижаются, что вызывает удлинение t_{i .}

3. Тип камеры сгорания. Он оказывает влияние на t_i вследствие различий в распределении топлива по объему заряда и в пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания.

4. Интенсивность направленного движения заряда. Увеличение интенсивности движения заряда в дизеле, как правило, несколько сокращает длительность задержки воспламенения.

5. Характеристики впрыскивания и распыливания. Интенсификация впрыскивания и ускорение развития топливных струй до определенных пределов способствуют сокращению t_i.

6. Изменение нагрузки. В зависимости от конструкции топливного насоса t_i изменяется по-разному. Если начало подачи в зависимости от нагрузки не изменяется, то t_i растет при уменьшении нагрузки в связи со снижением давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива. Если же при уменьшении нагрузки начало впрыскивания запаздывает, то возможно сокращение t_i вследствие увеличения давления и температуры заряда в цилиндре в момент начала впрыскивания топлива.

7. Увеличение частоты вращения. Увеличение скорости сжатия заряда, улучшение распыливания топлива и повышение давления и температуры заряда в момент начала впрыскивания топлива сопровождают повышение частоты вращения. В случае разделенных камер сгорания возрастает температура горловины и горячей вставки. Все это способствует сокращению t_i с ростом частоты вращения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность периода задержки в, в градусах п. к. в. при этом растет, причем в меньшей степени в случае разделенных камер сгорания.

Вторая фаза горения, или фаза быстрого горения, начинается с момента, определяемого как «момент воспламенения», и продолжается до достижения максимума давления. Эту фазу можно разделить на две части: от начала горения до точки б и на участке б — в (рис. 2.23,а). В течение первой сгорает часть смеси, подготовленная к воспламенению за t_i и происходит быстрое тепловыделение и нарастание давления. Начиная с точки б процесс лимитируется смешением топлива и воздуха и, следовательно, принципиально возможно направленное изменение характера тепловыделения и нарастания давления.

На развитие и длительность второй фазы горения влияет ряд факторов:

1. Количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за t_i и подаваемого в течение второй фазы горения. На количество топлива, поданного за t_i, естественно, влияет длительность этой фазы. При характеристике I впрыскивания (рис. 2.23,6) меньше подача топлива за t_i; и (dp/dj)max. Чем мельче распыливаются и быстрее охватывают объем заряда первые порции впрыскиваемого топлива, тем интенсивнее тепловыделение и нарастание давления во второй фазе,

2. Скорость движения заряда. Вплоть до некоторого значения увеличение скорости движения заряда способствует интенсификации тепловыделения в фазе быстрого горения. При сильном перезавихривании уменьшается количество теплоты, выделяемой за вторую часть второй фазы горения. Интенсивность тепловыделения в первой части этой фазы не снижается.

3. Тип камеры сгорания. От типа камеры сгорания существенно зависит характер развития второй фазы горения в связи с влиянием его на длительность t_i, а также на количество топливовоздушной смеси, приготовленной к воспламенению за t_i и после начала воспламенения. Чем больше топлива подается в пристеночную зону, тем меньше скорость тепловыделения и нарастания давления.

4. Нагрузка. При уменьшении нагрузки сокращается продолжительность второй фазы горения за счет заключительной ее части, что связано с уменьшением величины и длительности подачи топлива.

5. Частота вращения. При повышении частоты вращения t_II сокращается в такой степени, что продолжительность второй фазы Q_II, выраженная в градусах п. к. в., почти не возрастает. Связано это с улучшением распыливания топлива, уменьшением продолжительности впрыскивания во времени, увеличением интенсивности движения заряда, повышением параметров состояния заряда р и Т, способствующим ускорению химических реакций.

Третья фаза горения, или фаза быстрого диффузионного горения, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения максимума давления и завершается в момент максимума температуры. Максимум температуры цикла всегда достигается позже максимума давления. Это связано с тем, что после завершения второй фазы может происходить интенсивное тепловыделение. Вследствие высокой чувствительности к изменению объема (р ~ 1/ Vⁿ²) давление начинает падать, когда достигается определенное сочетание скоростей тепловыделепня и увеличения объема. Температура заряда изменяется в меньшей степени при увеличении объема (T ~ 1/V^(n2-1)), поэтому понижение температуры начинается при большей скорости увеличения объема, т. е. дальше от в. м. т. В третьей фазе имеет место диффузионное горение при интенсивном смешении. Топливо подается в пламя. Период задержки воспламенения впрыскиваемых в пламя порций топлива сравнительно невелик. Тепловыделение в принципе является управляемым. Горение развивается при увеличивающемся объеме рабочего тела, поэтому давление в цилиндре снижается. В ряде случаев (например, в дизелях с высоким наддувом) скорость тепловыделения в рассматриваемой фазе близка к имеющей место во второй фазе горения. На развитие третьей фазы сгорания оказывают влияние: 1, Качество распыливания и количество топлива, впрыскиваемого после начала горения. Если впрыскивание топлива завершается до начала третьей фазы, то количество теплоты, выделяемой в этой фазе, невелико. Это имеет место, в частности, при малых нагрузках дизеля.

2. Скорость движения воздушного заряда. Увеличение скорости движения заряда до некоторого оптимального значения увеличивает тепловыделение в третьей фазе. При «перезавихривании» заряда тепловыделение в третьей фазе снижается. Это связано с ухудшением распределения топлива в объеме заряда и с переносом продуктов сгорания из зоны одного факела в зону другого. Оба фактора увеличивают неполноту сгорания и вызывают дымление дизеля.

3. Наддув. Введение наддува увеличивает тепловыделение. При наддуве количество теплоты, выделяемой в течение третьей фазы, может превышать количество теплоты, выделяемой в течение второй фазы. Высокими при этом оказываются также скорости тепловыделения. С повышением степени наддува длительность третьей фазы и тепловыделение за этот период возрастают.

4. Увеличение частоты вращения дизеля. Подача и распыливание топлива интенсифицируются, а скорость движения заряда повышается вследствие увеличения частоты вращения. Продолжительность третьей фазы по времени сокращается, а в градусах несколько возрастает.

Четвертая фаза горения—догорание— продолжается с момента достижения максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения. В этой фазе также происходит диффузионное горение, но при малой скорости смешения, так как основная часть топлива и окислителя уже израсходована. Взаимное столкновение частиц топлива и окислителя затруднено. При благоприятных условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания. На развитие четвертой фазы горения влияют: 1. Турбулентные пульсации заряда. Они увеличивают вероятность своевременного контакта между частицами топлива и окислителя. Высокочастотные пульсации обеспечивают относительную скорость между частицами сажи и заряда, необходимую для завершения горения.

2. Качество распыливания порций топлива, впрыскиваемых в конце процесса. Чем больше максимальный диаметр капель, тем длительнее догорание топлива. Продолжительное снижение давления впрыскивания, дополнительные впрыскивания способны вызывать недопустимое затягивание процесса горения. При этом ухудшается не только теплоиспользование, но снижается и надежность работы дизеля вследствие закоксовывания сопловых отверстий и повышенных отложений на деталях.

3. Попадание топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства. Это явление также вызывает затянутое догорание, поэтому нежелательно нагружение дизеля до его прогрева.

4. Наддув. Как правило, он приводит к некоторому затягиванию догорания топлива вследствие увеличения продолжительности впрыскивания, а нередко и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.

При износе деталей дизеля и его топливной аппаратуры, а также изменении проходного сечения распылителя, как правило, качество процессов смесеобразования и сгорания ухудшается, горение затягивается и становится неполным.

Сгорание в карбюраторном двигателе. При анализе процесса сгорания на индикаторной диаграмме карбюраторного двигателя выделяют три фазы (рис. 2.24).

Первая фаза Q₁, начинающаяся в момент проскакивания электрической искры и заканчивающаяся, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше, чем при сжатии смеси без сгорания, называется начальной фазой сгорания или фазой формарования фронта пламени. Развитие сгорания в течение этой фазы в основном определяют закономерности мелкомасштабного турбулентного горения. На длительность Q₁ в градусах п. к. в. влияет ряд факторов:

1. Состав смеси. Наименьшее значение Q₁ соответствует составу смеси, при котором наибольшее значение имеет нормальная скорость сгорания (a = 0,8 — 0,9). При значительном обеднении смеси не только заметно увеличивается Q₁, но и резко ухудшается стабильность воспламенения, вплоть до появления пропусков воспламенения в отдельных циклах.

2. Степень сжатия. С ростом e увеличиваются температура и давление рабочей смеси, а это способствует повышению нормальной скорости сгорания и соответствующему сокращению длительности Q₁. По этим же причинам уменьшение угла опережения зажигания приводит к некоторому уменьшению Q₁.

3. Частота вращения. Опыты показывают, что Q₁ » n^m, где показатель m = 0,5 — 1,0. Чем сильнее возрастают мелкомасштабные пульсации при увеличении частоты вращения n, тем больше значение показателя m.

4. Нагрузка двигателя. По мере закрытия дроссельной заслонки увеличивается относительное количество остаточных газов и уменьшается давление рабочей смеси. Все это приводит к увеличению длительности Q₁, а также к ухудшению стабильности воспламенения.

5. Характеристики искрового разряда. Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность разряда, тем меньше Q₁, поэтому электронные (транзисторные) системы зажигания несколько улучшают по сравнению с классическими батарейными системами воспламенение и сгорание, особенно на режимах разгона.

Вторая фаза Q_1I называется основной фазой сгорания, ее длительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления в цикле. Длительность Q_1I определяется закономерностями крупномасштабного турбулентного горения. Как показывают эксперименты, Q_1I слабо зависит от физико-химических свойств рабочей смеси и только при очень сильном дросселировании наблюдается некоторое увеличение Q_1I. Интенсивность турбулентности заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения, поэтому с ростом n длительность второй фазы во времени уменьшается в соответствии с изменением длительности всего цикла, т. е. фаза Q_1I в градусах п. к. в. практически не изменяется. Уменьшению длительности Q_1I способствует расположение свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усиление турбулизации заряда.

Третья фаза Q_1II, или фаза догорания, начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где масштабы турбулентных пульсаций заметно меньше, чем в основном объеме камеры сгорания. Отдельные объемы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона турбулентного горения имеет большую глубину. На длительность Q_1II идентично влияют те же факторы, которые воздействуют на Q₁, т.е. от которых зависит скорость мелкомасштабного турбулентного горения. С ростом e увеличивается доля смеси, догорающей в пристеночных слоях и в зазорах между головкой и днищем поршня (вытеснителях), что оказывает решающее влияние на затягивание третьей фазы. Определить момент окончания этой фазы, характеризующейся концом тепловыделения, без специальных расчетов и обработки индикаторной диаграммы нельзя.

В эксплуатационных условиях обычно изменяются и скоростной и нагрузочный режимы двигателя. При уменьшении нагрузки и при увеличении частоты вращения длительность первой и третьей фаз возрастает, что при малоизменяющейся величине Q_1I требует увеличения угла опережения зажигания Q_о.з для компенсации возрастающей длительности Q₁ и Q_1II. Поэтому системы зажигания карбюраторных двигателей имеют, как правило, вакуумный и центробежный регуляторы угла опережения зажигания: первый увеличивает Q_o.з по мере уменьшения нагрузки, а второй — при увеличении частоты вращения.

Детонационное сгорание. Часть смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается в результате поджатая до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. Несмотря на это, при нормальном протекании сгорания самовоспламенение последней порции смеси не происходит, так как для его развития не хватает времени. Если же период задержки самовоспламенения окажется настолько коротким, что в последней порции заряда возникнут очага воспламенения от сжатия, то такое самовоспламенение может приобретать взрывной характер. При этом возможно возникновение и распространение по заряду ударных волн, которые со своей стороны способствуют самовоспламенению хорошо подготовленной к нему остальной несгоревшей смеси.

Сгорание в цилиндре карбюраторного двигателя последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называют детонационным. Скорость ударных волн во много раз больше скорости распространения фронта турбулентного пламени.

При отражениях ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий «металлический» стук, который служит внешним проявлением детонации. На индикаторных диаграммах при детонационном сгорании регистрируются вибрации давления, амплитуда и частота которых зависят от интенсивности детонации (рис. 2.25,а, б). При сильной детонации стуки становятся громче, увеличивается диссоциация продуктов сгорания, мощность двигателя падает, а в отработавших газах появляется черный дым.

Работа двигателя при сильной детонации (рис. 2,25,6) связана с большими тепловыми и механическими нагрузками на ряд деталей, в результате чего могут обгореть кромки поршней и прокладка головки, а также электроды свечи. Ударные волны разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра и последняя при детонации интенсивно изнашивается. Продолжительную работу двигателя с детонацией допускать нельзя.

Подавлению детонации способствуют все факторы, увеличивающие задержку самовоспламенения последней порции заряда, а именно:

1. Использование топлив с достаточно высоким октановым числом. В процессе изготовления такого топлива октановое число может быть повышено путем добавки в небольших количествах специальных антидетонационных присадок, например этиловой жидкости, содержащей в основном тетраэтилсвинец Рb(С₂Н₅)₄.

2. Уменьшение угла опережения зажигания. При этом снижаются максимальное давление и скорость нарастания давления Dр / Dj цикла, что способствует меньшему поджатию смеси перед фронтом пламени.

3. Увеличение частоты вращения. В этом случае повышается скорость распространения основного фронта пламени и соответственно становится меньше время развития предпламенных процессов в последних частях заряда, с другой стороны, интенсивность этих процессов снижается из-за большей концентрации в смеси остаточных газов и меньшей скорости нарастания давления. По этим причинам с ростом n вероятность возникновения детонации снижается.

4. Нагрузка двигателя. Дросселирование связано с уменьшением давления и температуры заряда, а также с увеличением g_ост, в результате этого при уменьшении нагрузки склонность двигателя к детонации понижается.

5. Конструктивные мероприятия. Уменьшению вероятности появления детонации способствуют снижение степени сжатия, уменьшение диаметра цилиндра, усиление турбулизации заряда, улучшение охлаждения последних порций заряда, уменьшение пути, проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных частей камеры сгорания.

При конструировании камер сгорания обычно стремятся выбрать такую ее схему (рис. 2.26,а—г), которая обеспечила бы наибольшую компактность камеры и возможность расположить свечу вблизи от центра (полусферическая). В то же время иногда менее компактные камеры при обеспечении большей турбулизации заряда (плоскоовальная, клиновая и полуклиновая) обладают более высокими антидетонационными свойствами.

Преждевременное воспламенение. Вследствие разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи, головки выпускного клапана, а также от тлеющих частиц нагара воспламенение смеси может возникнуть во время процесса сжатия еще до момента появления искры. Воспламенившаяся от накаленных поверхностей (t_ст > 700 — 800°С) смесь сгорает затем с нормальной скоростью, однако момент такого воспламенения оказывается неуправляемым и наступает по мере саморазвития процесса все раньше и раньше. Обнаружить по внешним признакам преждевременное воспламенение затруднительно, так как сопровождающие его шумы глухие.

При раннем возникновении преждевременного воспламенения сильно увеличиваются давление и температура, максимумы которых могут достигаться еще до прихода поршня в в. м. т. (рис. 2.25,в), что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Начавшееся преждевременное воспламенение выключением зажигания устранить нельзя, поэтому в таких случаях необходимо быстро закрыть дроссельную заслонку, иначе возможен выход двигателя из строя в результате прогара поршня.

Чтобы предупредить появление преждевременного воспламенения, следует подбирать свечи по калильному числу, характеризующему их стойкость против перегрева, и не допускать эксплуатации двигателя со свечами с недостаточно высоким калильным числом.

Характеристики выделения теплоты. Расчет параметров в начале процесса расширения. Используя индикаторную диаграмму, можно установить закономерности выделения и использования теплоты и составить внутренний тепловой баланс двигателя. На рис. 2.23,а совмещены индикаторная диаграмма и характеристики ввода и выделения теплоты. Под характеристикой ввода теплоты понимают зависимость отношения s = V_вп r_т H_u/(V_п r_т H_u) от угла поворота коленчатого вала или времени, совпадающую с интегральной характеристикой впрыскивания. Введем понятие коэффициента выделения теплоты и обозначим его c_x = Q_x / Q₁, где Q_x — количество теплоты, выделившейся к текущему моменту; Q₁ = V_ц r_т Н_u — вся теплота, вводимая с топливом в цикл.

Под характеристикой выделения теплоты понимают зависимость коэффициента выделения теплоты c_x от угла поворота коленчатого вала или от времени. Чтобы рассчитать характеристику выделения теплоты, используют уравнение баланса Q_x = DU_с’-x+ L_c'-x - Q_{пот х}. Здесь DU_с’-x — изменение внутренней энергии заряда от момента воспламенения до текущего момента; L_{c'— х} — работа, совершенная газами от момента воспламенения до текущего момента; Q_{пот х} — количество теплоты, переданной от заряда к деталям, окружающим его, за период от момента воспламенения до текущего момента. Введем понятие коэффициента использования теплоты x_x как долю теплоты, израсходованной к рассматриваемому моменту на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы, от всей введенной за цикл теплоты:

x_x = (DU_с’-x + L_c'-x)/Q₁.

Разделив выражение для Q_x на V_ц r_т Н_u получим c_x == x_x + О_{пот x} / (V_ц r_т H_u). Разность 1 — c_x характеризует относительную долю теплоты, не выделившейся к рассматриваемому моменту времени.

Рис. 2.27 иллюстрирует внутренний тепловой баланс двигателя в функции объема заряда. Определение L_c'-x при наличии индикаторной диаграммы трудностей не представляет. Как известно, , т. е. определяется площадью под графиком процесса. На участке до в. м. т. L_{c'— х} отрицательна, так как работа затрачивается на сжатие заряда. В какой-то момент после в. м. т. положительная работа компенсирует отрицательную и L_c'-x = 0. В дальнейшем, вплоть до конца расширения, L_c'-x возрастает. DU_c'-x увеличивается до момента достижения максимума температуры. При определении DU_c'—х приближенно можно для всего процесса считать, что состав заряда соответствует теоретическим продуктам сгорания при данном значении коэффициента избытка воздуха a. Для вычисления количества теплоты, переданной от заряда в стенки, можно воспользоваться, например, формулой Эйхельберга

где A — коэффициент, зависящий от единиц физических величин и типа двигателя; С_п—средняя скорость поршня; р, Т—текущие давление и температура заряда соответственно; Т_ст.ср — средняя температура поверхности деталей: F — поверхность теплообмена, зависящая от положения поршня.

На рис. 2.27 (Q_неп.сг — количество теплоты, которое не выделилось в результате неполного сгорания. Его можно определить по анализу отработавших газов. Внутренний тепловой баланс дает наглядное представление о динамике выделения и превращения тепловой энергии в механическую, а также о динамике тепловых потерь. В поршневых двигателях тепловые потери происходят в охлаждающую среду, с отработавшими газами, а также в результате несвоевременного и неполного сгорания. Отрезок а-б на рис. 2.27, в частности, характеризует несвоевременность выделения теплоты. Внутренний тепловой баланс позволяет, следовательно, установить также своевременность завершения тепловыделения.

При исследовании тепловыделения получены данные, используя которые можно рассчитать индикаторную диаграмму вновь проектируемого или модернизируемого двигателя. Рассмотрим метод расчета параметров состояния в начале процесса расширения — в точке z.

На рис. 2.28,б приведены действительная (сплошные линии) и расчетная (штриховые линии), несколько идеализированная, диаграммы сжатия — расширения дизеля. На расчетной диаграмме принято, что сгорание начинается в в. м. т. и вызывает изменение давления, как в термодинамическом цикле со смешанным подводом теплоты. Расчетная диаграмма не учитывает также изменение в характере снижения давления при открытии выпускного клапана. По отношению к расчетной диаграмме действительная является «скругленной». Точка z примерно соответствует на действительной диаграмме дизеля окончанию третьей фазы сгорания. По первому закону термодинамики для точки z можно записать (для упрощения уравнений рассматривают сгорание 1 кг топлива)

x_x H_u =DU_с’-x + L_{c'— х} (2.18)

где DU_с’-x = U_z —U_с, причем U_z = u_z’’(М₂ + M_r) (u_z’’ — внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания при температуре T_z в точке 2; подсчитывается по значениям внутренних энергий газов, приводимым в справочниках); U_с = u_c M₁ + u_c’’ М_r (u_c и u_c’’— внутренняя энергия 1 кмоля воздуха и продуктов сгорания при температуре Т_c в точке с).

На участке с — z ' (рис. 2.28,6) работа не совершается. Работа газов на участке z' — z будет

L_c-z = L_z’-z = p_z V_z – p_z’V_c.

Так как р_z’ = р_c l, то

L_c-z.= pzVz.-l p_c V_c

По уравнению состояния, p_zV_z = 8314(M₂ -М_r)Т_z и р_с V_c = 83l4(M₁+M_r)Tc. С учетом этих выражений уравнение (2.18) можно представить как

x_x Н_u + М₁u_c + М_r u_c” + 8314(M₁ + М_r)lТ_z = (M₂ + М_r)u_z”+ 8314 (М₂+М_r) Т_z,.

Разделив последнее выражение на M₁ + М_r, и учитывая, что Mr/M₁ == Y_ocт и (М₂ + M_r)/(M₁ + М_r) = m, получим

x_x Н_u /[M₁ (1 + gост)] + (u_с + g_ocт u_c”)/(1 + g_ост) + 8314lT_c=m(u_c”+8314T_z). (2.19)

На рис. 2.28,а приведены действительная и расчетная диаграммы сжатия — расширения карбюраторного двигателя; в этом случае x_x Н_u = U_z — U_c. При a > 1 конечное уравнение примет вид

, (2.20)

При a < 1 часть теплоты сгорания топлива (DH_u)_хим не может выделиться, тогда уравнение (2,20) приобретает вид

x_x (Н_u -DH_u)/[M₁ (1 + gост)] + (u_с + g_ocт u_c”)/(1 + g_ост) = mu_z”. (2.21)

Уравнения (2.19)—(2.21) решаются методом последовательных приближений или графически[1]. Подсчет u_c и u_z” осуществляется по выражениям и , где r_i — объемные (мольные) доли компонентов продуктов сгорания; u_ci и u_zi — внутренние энергии 1 кмоля компонентов продуктов сгорания соответственно при температурах Т_c и Т_z которые берут из справочников. Для дизеля при подсчете Т_z необходимо задаться степенью повышения давления, которая зависит от типа камеры сгорания. Во всех случаях задаются значением коэффициента использования теплоты x_x. Рекомендуемые значения l и x_x для номинального режима работы двигателя приведены в табл. 2.3.

Для карбюраторных двигателей l = mТ_z/Т_с, тогда расчетное давление р_z = lp_c. Действительное значение максимального давления цикла в случае карбюраторного двигателя р_z1 » 0,85 p_z (расчетного давления). Для дизеля объем цилиндра при состоянии, выражаемом точкой z, определяют с использованием уравнений состояния для точек z и с. Если разделить эти уравнения друг на друга, то получим lр = m (T_z / T_c), откуда

r=(m/l)(T_z/T_c), (2.22)

тогда

Vz = V_c r. (2.23)

§ 2.7. Процесс расширения

В процессе расширения совершается основная часть положительной работы цикла. Значительная часть теплоты выделяется в процессе расширения, особенно велико тепловыделение в дизелях с высоким наддувом.

На рис. 2.29 показано изменение давления и температуры в процессе расширения. Средняя температура поверхностей деталей, окружающих внутрицилиндровое пространство, не превышает 300°С. Для обычных двигателей, в которых не предусмотрено ограничение отвода теплоты в систему охлаждения, температура заряда выше. Поэтому часть теплоты от заряда передается через стенки в охлаждающую среду и смазочному маслу конвекцией и излучением. Излучение особенно интенсивно в дизелях, обычно оно практически завершается через 80—90° после в. м. т.

На рис. 2.30 приведены зависимости локальных нестационарных тепловых потоков, передаваемых излучением и совместно излучением и конвекцией, от угла поворота коленчатого вала. Зависимости имеют ясно выраженные максимумы, которые достигаются приблизительно в момент максимальной средней по объему температуры заряда. Следует иметь в виду, что поверхность теплообмена в в. м. т. минимальна. В ходе расширения она растет за счет открытия поршнем поверхности цилиндра. Тем не менее вследствие существенно более высокой интенсивности теплообмена вблизи в. м. т. передается основная часть теплоты, теряемой в стенки деталей. Однако в начале расширения интенсивно также догорание топлива. Поэтому показатель политропы в начале процесса имеет малые значения и увеличивается в ходе расширения. Вследствие преобладающего влияния догорания топлива в начале процесса показатель политропы меньше показателя адиабаты. В конце расширения показатель политропы выше показателя адиабаты. На рис.2.29 приведен примерный характер изменения показателей адиабаты и политропы в ходе расширения.

Показатель адиабаты, определенный по средней температуре процесса, k₂ = 1,25— 1,3. Он зависит не только от средней температуры заряда в ходе расширения (Т_cр = (T_b + T_z)/2, где Т_b— температура заряда в конце расширения), но и от коэффициента избытка воздуха, увеличиваясь с уменьшением Т_cр и ростом a. Приведенные значения k₂ вычислены в предположении, что весь заряд имеет состав теоретических продуктов сгорания.

Как и для процесса сжатия, действительный процесс с переменным показателем политропы может быть заменен условным со средним показателем, который выбирают так, чтобы давления в начале и конце процесса были такими же, как в действительном процессе, а совершенная работа была примерно одинаковой в обоих случаях. Реальные значения среднего показателя политропы расширения для дизелей n₂ = 1,15— 1,28. При этом меньшие значения относятся к высокооборотным дизелям с высоким наддувом и малыми величинами l, а большие значения — к малооборотным дизелям без наддува. Для карбюраторных двигателей n₂ = 1,2— 1,28. Сравнение n₂ и k₂ показывает, что в целом в процессе расширения выделение теплоты в результате догорания топлива больше потерь теплоты в стенки (n₂ < k₂).

При выборе n₂ следует иметь в виду, что n₂. увеличивается при увеличении k₂, времени теплообмена, относительной поверхности теплообмена F/M (М — количество заряда), утечек заряда через неплотности, скорости сгорания и интенсификации охлаждения деталей.

При увеличении частоты вращения уменьшаются потери теплоты в систему охлаждения, утечки заряда и может возрасти догорание топлива в процессе расширения. Поэтому n₂, как правило, снижается при увеличении n. Увеличение нагрузки сопровождается увеличением потерь теплоты и утечек заряда, но одновременно повышается догорание топлива и снижается k₂. В высокооборотных двигателях преобладает влияние последних двух факторов и n₂ уменьшается с ростом нагрузки. При наддуве и увеличении степени наддува, как правило, увеличивается догорание топлива в процессе расширения и уменьшаются относительные потери теплоты в стенки. В результате n₂ уменьшается. Если, однако, при введении наддува приняты меры к тому, чтобы догорание не увеличивалось и степень повышения давления l не уменьшалась, то n₂ может иметь такие же значения, как и без наддува. Выбор n₂ должен быть увязан со значением x _z: чем меньше x _z, тем больше догорание топлива в процессе расширения и поэтому ниже n₂.

Анализ тепловыделения показал, что для конца расширения значение коэффициента использования теплоты x _b = 0,82 — 0,87 для двигателей без наддува и доходит до 0,92 в случае наддува. Эти значения относятся к номинальному режиму работы. Видно, что x _b находится в более узких пределах, чем x _z. Этим можно воспользоваться для более точного расчета параметров состояния в процессе сгорания — расширения с привлечением уравнения баланса теплоты в процессе расширения.

По результатам исследования двигателей получены следующие параметры состояния в конце расширения: для дизелей без наддува р_b = 0.25— 0,6 МПа и Т_b = 1000— 1200 К, а для карбюраторных двигателей р_b = 0,4 — 0,6 МПа и Т_b = 1400 — 1700 К.

Вернуться на главную

---

[1] При использовании эмпирических зависимостей u_z"=f(T_z, a) возможным становится аналитическое решение уравнений.