Удельной теплоемкости на понижение температуры смеси

Стехиометрического состава при нормальных условиях

Топливо	Теплота испарения топлива, кДж/кг	Удельная теплоемкость, кДж/кг×К	Понижение температуры горючей смеси, К
Бензин А-80		2,09	17,7
Бензин А-92		1,97	18,8
Дизельное		1,88	18,2
Этиловый спирт		2,39	80,4
Метиловый спирт		2,34	123,1

Перечисленные показатели топлива из-за сложности протекания процесса испарения могут быть использованы только для сравнительной оценки испаряемости различных топлив. Динамический характер процесса испарения топлива, определяющий скоростные возможности двигателя и развивающийся в реальном времени, поставил задачу разработки метода прямой оценки испаряемости, максимально приближенного к реальным условиям смесеобразования.

На рис. 12 показана схема установки для исследования процессов динамической испаряемости, предложенная профессором А.С. Ирисовым [3] и значительно усовершенствованная в настоящее время. В данной установке топливо, распыленное карбюратором, испаряется в трубе в турбулентном потоке подогретого воздуха, который прокачивается через полости установки при помощи мощного вентилятора. Далее по ходу потока установлены специальные уловители неиспарившегося топлива из пленки и воздушного потока. Изменяя скорость потока воздуха, его температуру и состав подаваемой смеси, можно моделировать процесс испарения топлива, максимально приблизив его к реальным условиям.

 

 

Количественную оценку проводят по показателю динамической испаряемости, выражаемому в процентах от поданного топлива. По результатам испытаний строят скоростные характеристики данного параметра при фиксированных температурах потока и коэффициенте избытка воздуха либо зависимости динамической испаряемости от температуры или давления и т.д. Определяют также и скорость динамического испарения [31], оцениваемую количеством вещества, которое испаряется в единицу времени в единице объема пространства (или с единицы поверхности жидкости). На скорость испарения оказывают влияние все рассмотренные в этом разделе величины.

3.3. Нормальное и аномальное сгорание
гомогенных горючих смесей

При нормальном сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя с искровым зажиганием фронт пламени распространяется от свечи к периферии цилиндра со скоростью 20…40 м/с. Эта так называемая турбулентная скорость движения фронта пламени связана главным образом с интенсивностью турбулизации заряда. В отличие от турбулентной нормальная, или ламинарная, скорость движения фронта пламени в неподвижной топливовоздушной смеси (ТВС) составляет 1…2 м/с и зависит от состава топливовоздушной смеси (см. рис. 4). Турбулентная скорость зависит от состава ТВС аналогичным образом. Между локальными скоростями течения газа в цилиндре и средней скоростью поршня существует практически прямая зависимость. Следовательно, турбулентная скорость сгорания также зависит от скоростного режима работы двигателя и увеличивается с ростом оборотов коленчатого вала. Это позволяет бензиновому двигателю работать в широком диапазоне оборотов при практически неизменной продолжительности процесса сгорания при повороте коленчатого вала на 50…70 градусов (град. п.к.в.) с тенденцией к уменьшению с ростом оборотов.

При аномальных видах сгорания либо существенно растет скорость распространения фронта пламени, либо сокращается продолжительность сгорания, выраженная в град. п.к.в., участок видимого сгорания при этом может смещаться относительно оси углов поворота вала.

Основные виды аномального сгорания ТВС в бензиновых двигателях – детонационное сгорание (воспламенение от сжатия) и калильное зажигание.

Детонационное сгорание

Детонация – наиболее часто встречающийся вид аномального сгорания рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием. Физические условия возникновения детонации заключаются в том, что некоторая часть смеси нагревается до температуры, превышающей температуру самовоспламенения, до того, как до нее дошел фронт пламени от очага воспламенения. Возникающее при этом самовоспламенение приобретает взрывной характер и распространяется по несгоревшей части смеси со сверхзвуковой скоростью в виде ударной (детонационной) волны. Во фронте ударной волны температура и давление оказываются существенно выше, чем в среднем по цилиндру. При прохождении волны выгорает не вся, а наиболее подготовленная к сгоранию часть смеси. Это создает условия для неоднократного прохождения волны по одному и тому же месту, так как в интервале между двумя последовательными волнами порции несгоревшей смеси успевают пройти предпламенную подготовку (рис. 13).

 

Химическая причина возникновения детонации заключается в том, что в период сжатия смеси в цилиндре под действием высокой температуры и давления возникают термическая диссоциация и частичное окисление углеводородов топлива, дающие в результате химически неустойчивые, склонные к дальнейшему окислению гидроперекиси вида ROOH [31], где R – углеводородный радикал. Чем ниже термическая стабильность то плива и чем дольше горючая смесь находится под воздействием высоких температур и давлений, тем больше количество предокислившихся неустойчивых соединений (гидроперекисей, альдегидов, оксида углерода и свободных радикалов).

При определенных условиях температура некоторой части смеси поднимается выше температуры самовоспламенения. Обычно это происходит на участках камеры сгорания, наиболее удаленных от свечи зажигания и подвергающихся адиабатическому сжатию в процессе нормального сгорания. Толчком к самовоспламенению служат повышение давления и теплота, получаемая лучеиспусканием от фронта пламени, который уже подходит к периферии КС. Таким образом, детонация является следствием распада и выгорания образующихся при первичном окислении топлива неустойчивых соединений, обладающих большим запасом энергии.

Внешние признаки детонации начинают проявляться, когда детонирует около 5 % смеси. При детонации средней интенсивности детонирует 10…15 % рабочей смеси; детонация становится очень сильной, если детонирует 20 % смеси и более. Для детонации характерен звонкий металлический звук относительно высоких тонов, возникающий из-за отражения детонационных волн от стенок камеры сгорания. Слабые детонационные стуки в двигателе прослушиваются при скорости волн 1200…1500 м/с. При сильных стуках скорость детонационной волны может достигать 2500…3500 м/с, давление во фронте при этом увеличивается в 1,5…2 раза.

Длительная работа двигателя с детонацией недопустима, поскольку ударные волны разрушают пограничный слой газа на стенках камеры сгорания, интенсифицируя теплоотдачу и вызывая перегрев двигателя. Сильные детонационные волны вызывают возникновение местных разрушений – каверн – на металлических поверхностях, чему в большей степени подвержены поршни из алюминиевых сплавов, которые легко разрушаются. При детонации происходит падение мощности двигателя, возникает вибрация, периодически появляется черный дым отработавших газов. При длительной работе двигателя с детонацией происходят перегрев и прогар поршней, клапанов, пригорание поршневых колец, нарушение изоляции свечей и оплавление их электродов, растрескивание рабочих поверхностей вкладышей шатунных подшипников. При отрыве частиц нагара детонация может сопровождаться калильным зажиганием, такой процесс называют перемежающейся детонацией, также имеющей аналогичные последствия.