Текст
055l.5-oi
L И у
МОСКОВСКИЙ
ОРДЕНА ЛЕНИНА
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
имени
Серго Орджоникидзе
Проф.^доктор Н. В. ИНОЗЕМЦЕВ
Проф.-доктор В. К. КОШКИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
СГОРАНИЯ
в карбюраторном двигателе
ТРУДЫ
МАИ
ВЫПУСК
X
МОСКВА
19 4 9
1961 г.'
Нроф.-доктор Н. В. ИНОЗЕМЦЕВ
Проф.-доктор В. К. КОШКИН
туте;
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
СГОРАНИЯ
В КАРБЮРАТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ
озскии
МОСКВА t? STl.S'-O/
19 4 9
Редактор Пратусевич Г. М.
Принято в произя. 18/XII—48 г. Объем ки. 3 п. л.
Л 145208— 12/V—1949 г. Типография МАИ Зак. 862. Тир. 10О~
ВВЕДЕНИЕ
Среди современных двигателей внутреннего сгорания имеется
обширный класс двигателей с внешним смесеобразованием и
принудительным зажиганием. К этому классу двшателей относятся,
как карбюраторные двигатели, так и различные двигатели с пода-
чей легкого топлива посредством топливного насоса непосред-
ственно в цилиндре двигателя. Все эти двигатели работают на лег-
ких погонах нефти, различных сортов бензина и керосина.
Характер процесса сгорания однородной смеси воздуха и газа
или паров топлива в двигателях с принудительным зажиганием
значительно отличается от сгорания топлива в дизелях и тесно
связан с общей теорией процессов сгорания.
Основные особенности процесса сгорания однородной смеси
воздуха и паров топлива в двигателях с принудительным зажига-
нием заключаются в одновременном сочетании процессов окисле-
ния молекул горючего с явлением распространения фронта пла-
мени в пространстве и времени.
Исследование и расчет динамики рабочего процесса двигателя
могут быть произведены на основе положений современной теории
сгорания. Причем, в зависимости от типа теплового двигателя и
характера его рабочего процесса, в исследовании могут быть
применены различные теоретические методы.
Первая группа двигателей характеризуется автопроцессом
сгорания, начинающимся при высоких температурах окислителя,
намного превышающих температуру самовоспламенения топлива.
К этой группе относятся все дизели.
Процесс сгорания в этой группе двигателей осуществляется
при достаточно подготовленных условиях для начала сгорания и
отличается одновременным появлением очагов горения в различных
местах камеры сгорания (объемное сгорание).
Вторая группа двигателей с принудительным зажиганием
характеризуется следующими специфическими явлениями:
во-первых в этих двигателях, как правило, имеет место искусствен-
ное поджигание заранее перемешанной газовой горючей смеси;
во-вторых, развитие самого процесса сгорания характеризуется
процессом сгорания в гомогенной смеси, происходящим в слое
фронта пламени и вследствие этого распространением фронта в
3
пространстве и времени. При этом действительный процесс сгора-
ния газовой смеси всегда сопровождается появлением движения
газа, вызываемого искусственными причинами (движением
поршня и пр.) или являющегося следствием простого термичес-
кого расширения газовых масс.
Появление этих гидродинамических явлений при сгорании
газовой смеси приводит к деформации фронта пламени.
Следовательно, процесс сгорания в этих двигателях характе-
ризуется теми же факторами, что и сгорание готовых газовых
смесей.
Таким образом, процесс сгорания и скорость распространения
фронта пламени при сгорании смеси в карбюраторном двигателе
определяются как физико-химическими свойствами смеси, так и
свойствами газового потока.
В связи с этим, исследование процесса сгорания в карбюратор,
ном двигателе может быть произведено с помощью положений
современной теории горения в газовых смесях.
Современная теория сгорания фундаментально разработана в
трудах советских ученых. Исследования школы акад. Семенова
[1, 2, 3 и др.], работы Зельдовича [4] и др. позволили создать
подробно разработанную теорию сгорания, положения которой и
приняты в ниже следующем исследовании.
Основные положения этой теории сводятся к следующему:
в ламинарном потоке скорость распространения пламени относи-
тельно газа, так называемая, нормальная скорость По зависит
только от физико-химических свойств смеси и не зависит от газо-
динамических свойств потока. Следовательно, в ламинарном потоке
данной смеси на единице поверхности фронта за единицу времени
сгорает одно и то же количество смеси.
Uъ Ро
где Um — массовая скорость сгорания,
р0 — плотность исходного (холодного) газа.
Тогда скорость тепловыделения будет-.
-^ = (7тЛ0//см
d~
где Го — текущее значение поверхности фронта пламени,
//см — теплотворная способность смеси.
В ламинарном потоке фронта пламени в каждый момент пред-
ставляет гладкую поверхность.
В турбулентном потоке газа поверхность фронта не остается
гладкой. Под влиянием турбулентности на поверхности фронта
появляются искривления и поверхность фронта увеличивается.
Если при этом считать, что нормальная скорость распростране-
ния фронта пламени не изменяется, т. е. остается такой же, как и
4
у ламинарного потока, то скорость тепловыделения найдете* из
соотношения:'
— - UmFtH^
dt
где Um — массовая скорость сгорания,
Fi — поверхность фронта турбулентного потока.
Практически использовать это уравнение нельзя, так как при
существующих методах исследования невозможно точно опреде-
лить величину поверхности фронта Ft со всеми искривлениями и
разрывами фронта, вызываемыми турбулентными явлениями.
Поэтому, если отвлечься от подобных искривлений поверхности
фронта пламени и рассматривать какую то большую осредненную
поверхность, то массовая скорость Um за счет уменьшения дей-
ствительной поверхности фронта пламени, будет как-бы увеличи-
ваться, т. е. как-бы будет увеличиваться нормальная скорость UD.
В этом случае скорость тепловыделения будет
- Q = U'mt Fcp Нем = U'ot р0 Fcp Нем
d~
Согласно Щелкину [5] связь между нормальной скоростью U'ot
в турбулентном потоке и нормальной скоростью (70 в ламинарном
потоке может быть дана в виде уравнения
иг
где К — число Кармана,
W — средняя скорость потока,
В — коэфициент пропорциональности.
Однако, исследования турбулентного горения в ряде случаев—
особенно при малом масштабе турбулентности, когда масштаб
турбулентных возмущений мал, по сравнению с шириной зоны
ламинарного горения, показывают, что увеличение нормальной
скорости распространения фронта определяется не только воз-
растанием поверхности фронта пламени, но и увеличением нормаль-
ной скорости Uq
Это увеличение £70 происходит потому, что все процессы об-
мена между зоной реакции и подготовительной зоной усиливаются,
благодаря микротурбулентному перемешивающему движению, из-
меняющему характер процессов в самом фронте пламени.
Таким образом для этого случая
^-=UmtFtHeM
dt
где £7тт = Uot —массовая скорость в турбулентном потоке,
Ft — поверхности фронта турбулентного потока.
Бугров [6], утверждающий на основании своих исследований,
такой характер сгорания турбулентной смеси, Дает зависи-
мость между Uох и (70 в виде уравнения
t/oT = t/0
126'J
При применении рассмотренных методов описания процесса
сгорания в турбулентном потоке к исследованию процессов сгора-
ния непосредственно в двигателях следует прежде всего учесть
невозможность получения истинной конфигурации фронта пламени.
До настоящего времени эта задача не решена.
В связи с этим при исследовании процесса сгорания в двига-
теле приходиться пользоваться лишь осредненными значениями
поверхности фронта пламени Fcp. В этом случае, очевидно, вели-
чина нормальной скорости в турбулентном потоке должна отражать
влияние на развитие процесса во-первых — неучтенной части
поверхности фронта пламени и во-вторых — возможного изменения
нормальной скорости за счет микротурбулентных явлений в зоне
фронта.
Тогда —— — U тт0 /"ср Ясы
di
где t7mT0—массовая скорость сгорания, полученная опытным
путем по средней величине поверхности фронта.
G
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В КАРБЮРАТОРНОМ
ДВИГАТЕЛЕ МЕТОДОМ ФОТОГРАФИРОВАНИЯ И ИНДИЦИ-
РОВАНИЯ
Экспериментальное исследование, проведенное по изучению
процесса сгорания в карбюраторном двигателе, заключалось в
обработке опытных материалов Уитроу полученных при помощи
фотографирования пламени и индицирования двигателя.
Фиг. 1. Последовательное расположение линии фронта
пламени по камере сгорания для а - 0,865.
Результаты нашего исследования сводятся к следующему!
на фиг. 1 показаны последовательные положения фронта пламени,
полученные на основании отдельных снимков для а =0,865, с
помощью которых были определены скорости распространения
фронта пламени в произвольных направлениях — U и нормальные
скорости — Ut относительно стенок камеры.
7
На фиг. 2 показано изменение скорости распространения
фронта пламени по времени — и для центрального луча. Пунктир-
ные линии дают истинное изменение величины U, а сплошное
усредненное протекание [U - /(т)].
Фиг. 2. Изменение скорости распространения фронта пла-
мени U относительно стенок камеры по времени процесса
для луча 10 (а -0,865).
Колебания в значениях истинных величин U объясняется нали-
чием в камере вихревых движений, эффект которых меняется по
времени.
Скорость U меняется по времени, достигая максимума при
определенном угле поворота кривошипа ->
Фиг. 3 Изменение максимальных и средних значений
скоростей распространения фронта пламени в зависи-
мости от ко^фициента избытка воздуха а для луча 10.
На фиг. 3 показано изменение максимальных значений скоро-
сти распространения фронта б/max в зависимости от ?. На этом же
графике дано изменение средних величин б/ср.
Как видно, величины б/max и (Jen уменьшаются с увеличением а.
На фиг. 4 дается изменение средних значений <Jcp в каждом
направлении (для каждого луча) за весь период сгорания в зави-
симости от направления лучей.
Максимальные скорости распространения фронта пламени
наблюдаются в направлении лучей, проходящих через центральную
часть камеры (лучи 8, 9, 10, 11, 12).
Фиг 4. Изменение средних (за весь период сгорания) значения скоро-
стей распространения фронта пламени Йср. в зависимости от направле-
ния луча для а -0,865
При а =0,865 скорости U в зависимости от направления
имеют значения:
Umax =25 — 35 м/сек.
£7ср=15— 18 м/сек.
При а =1,27
Umax =15—18 м/сек.
Мер =6 — 12 м/сек.
На фиг. 5 показано изменение нормальной скорости Uy для
нормального направления VI при а =0,865.
Закон изменения нормальных скоростей Ut аналогичен
изменению U.
Полученные скорости Uy представляют собой скорости нор-
мальных перемещений фронта пламени относительно стенок
камеры.
Скорость перемещения фронта по нормали может быть пред-
ставлена геометрической суммой:
£7т = £7от+>п
где Uot — нормальная скорость распространения фронта относи-
тельно газа,
Wn — нормальная составляющая газодинамической скорости
газа.
9
Значение Uot находилось по закону сгорания.
Так как -^ = £/тт0 ^ср Нем
dx
dQ
,.dx
То Отт0 ——л—»_
7 ср Лем
Фиг. 5. Изменение нормальной скорости распространения
фронта пламени UT по углу поворота коленчатого вала
для VI направления (а 0,865).
Величина находилась из закона сгорания %-=/№) [фиг. 6]
dx dx
где G — вес смеси, поданной в цилиндр за один цикл.
Нем — теплотворная способность смеси,
dx
- — относительная скорость тепловыделения, найденная
по данным индицирования давления.
„ ... dx G
Тогда с/ттп =-------
dx Pep
Так как Г/гпт0 - t/от?
-г . г С/ттп dx G
7 dx Pep 7
где 7 = То
р) "
— удельный
70 — удельный
Ро — давление
вес несгоревшей смеси,
вес смеси в момент воспламенения,
смеси в момент воспламенения,
Р — текущее давление.
10
На фиг. 6 представлены законы сгорания, найденные из инди
каторных диаграмм, а на фиг. 7 — абсолютные скорости сгорания
Фиг. 6. Законы сгорания по данным индикаторных диаграмм
для трех режимов работы двигателя.
по углу поворота коленчатого вала для трех режимов
работы двигателя.
„ . o (dxBn\ /dxB0\
На фиг. 8 показано изменение I----- и (--------I по а.
\ d~ /max \ d~ /ср
Следует обратить внимание, что характер изменения скоростей
сгорания по а полученный по данным индикаторных диаграмм
соответствует изменению скоростей распространения фронта пла-
мени, определенных по фотоснимкам пламени.
Фиг. 8. Изменение максимальных значений скорости
сгорания \——/мах и ее средчих значений (—
в зависимости от коэфициента избытка воздуха
На фиг. 9 даны изменения поверхности фронта пламени по
времени процесса для а =0,865, а ==1,07 и а = 1,27, найденных
по фотоснимкам.
Максимальные значения Fcp на всех режимах остаются, при-
мерно, одинаковыми и лежат в пределах (Лср)тах =0,0035—0,0040 м2.
Это указывает на то, что при данном числе оборотов
(п =900 об/мин.) характер газодинамических процессов очень
мало зависит от качества смеси. Вместе с тем, развитие фронта
пламени по времени зависит от а.
Например, при а=1, 27 (бедная смесь) имеет место самое
медленное развитие фронта пламени (фиг. 9).
Полученные по снимкам изменения поверхности фронта хорошо
увязываются с законами сгорания, полученными по индикаторным
диаграммам.
Следует указать также, что окончание процесса сгорания,
полученное по расчету процесса сгорания с помощью индикаторной
диаграммы совпадает с окончанием сгорания, определенным не-
посредственно по снимкам пламени.
На фиг. 10 построено изменение нормальной скорости распро-
странения фронта пламени Нот относительно газа, определенные
указанным выше методом. Найденные значения Нот представляют
12
собой средние значения нормальной скорости, для всей поверхности
фронта в каждый момент. Поэтому величины этих скоростей,
конечно не являются точными значениями нормальной скорости в
коленчатого вала для трех режимов работы двигателя.
каждом элементе фронта пламени. Однако и средние значения Uo
дают представление о нормальных скоростях распространения
фронта при турбулентном горении смеси в двигателе.
Как показывают графики, нормальные скорости изменяются
по ходу процесса, достигают максимальных значений при опреде-
ленных углах поворота кривошипа.
Фиг. 10. Изменение нормальной скорости распространения
фронта пламени (Uot) в зависимости от угла поворота
коленчатого вала для трех режимов работы двигателя.
При а =0,865, а = 1,07 значения Uot близки друг к другу,
при я =1,27 нормальные скорости уменьшаются и изменяются по
ходу процесса более медленно.
13
График изменения (Uor)max=/(a) показан на фиг. II. С увели-
чением а, т. е. с обеднением смеси нормальные скорости распро-
странения фронта пламени уменьшаются.
Фиг. 11. Изменение максимальных значений величин (иОт)мах
и (Ит^Лиах в зависимости от коэфициента избы, кг воздуха.
На фиг. 12 изображено изменение нормальной составляющей
скорости движения газа Wn для а =0,865 (но направлению VI).
Пунктирные линии дают истинные изменения VVzn, а сплошная
линия — изменения средних значений IY п по ходу процесса.
говорота коленчатого вала для VI направления (а = 0,86 ).
Полученные результаты показывают, что истинные значения Пт,
приведенные на фиг. 5 пунктирными линиями, претерпевают зна-
чительные колебания в ходе процесса в связи с наличием в камере
неупорядоченного вихревого движения газа, которое характе-
ризуется мгновенными значениями нормальных, составляющих IVn,
также сильно меняющихся по времени.
14
Следует отметить, что характер изменения IVn хорошо увязы-
вается с конфигурацией фронта пламени, найденной по фото-
снимкам.
Так, там где появляются отрицательные значения U7n во фронте
пламени обнаруживаются вогнутые поверхности, говорящие о влия-
нии местного вихря в сторону противоположную развитию процесса
сгорания (например, для направления VI на режиме а =0,865
при 7=10°).
Фиг. 13. Совместное изменение величин (UT) и (Uot)
в зависимости от угла поворота коленчатого вала
для VI направления.
На фиг. 13 показано совместное протекание величин Нт и Нот
По этой диаграмме и проводилось нахождение скорости U7n
(а =0,865 направление VI).
Изменение величин Ut и Пот аналогичны друг другу, при
этом изменение Uot в значительной степени следует за измене-
нием Ut, при этом моменты, соответствующие максимумам Ut и Uot
близки друг другу.
Абсолютные значения скоростей оказываются следующими:
На режимах а =0,865 и а = 1,07 максимальные величины
UrUor и IFn колеблятся в пределах:
(Нт) max =26 — 30 м/сек.
(UoT)max =12— 15 м/сек,
(lUn )шах==12—• 15 м/сек.
При а =1, 27
(Пт)тах =22 — 27 м/сек.
(Uor)max =9 — 10 м/сек.
(Шп)тах = 12—17 м/сек.
15
На фиг. 14 даны изменения массовой скорости
для различных значений коэфициента избытка воздуха.
Несмотря на увеличение удельного веса несгоревшей смеси по
ходу сгорания, массовые скорссти на всех режимах имеют
максимумы, после которых во второй половике процесса начинают
уменьшаться.
от угла поворота коленчатого вала для трех режимов
работы двигателя.
Изменение (t/m-rlcp — f (а.) показано на фиг. 15.
Абсолютные массовые скорости сгорания имеют следующие
значения:
а =--0,865 (£Лпт)ср =44 кг/м2 сек.
а =1,07 (£/тт)ср =35 кг/м2 сек.
а =1,27 (t/m-r)cp =26 кг/м2 сек.
Фиг. 15. Изменение максимальных и средних значений
величин (игат)мах и (Umr)cp в зависимости ог коэфициента
избытка воздуха
На основании проведенного исследования туроулентного горе-
ния в гвигателе с помощью фотоснимков пламени и индикаторной
диаграммы можно притти к следующим основным выводам.
Прежде всего исследования с несомненностью показывают, что
турбулизация потока влияет на процесс сгорания.
16
Для рассматриваемого двигателя турбулентность в процессе
сгорания характеризуется скоростями передвижения газа относи-
тельно стенок. Исследования показали, что средние значения
скоростей передвижения газовых масс в период сгорания лежат в
пределах Wzncp=12—16 м/сек., в то время как в течение процесса
всасывания газодинамические процессы протекают с значительно
большими скоростями. У всасывающих клапанов эти скорости
обычно достигают 70 — 80 м/сек.
Таким образом, можно полагать, что газодинамические про-
цессы, протекающие с большими скоростями в период всасывания,
уменьшаются к концу процесса сжатия и в период сгорания имеют
скорости, примерно, в 4 — 5 раз меньше.
Полученные результаты согласуются с данными многих иссле-
дователей газодинамических процессов в цилиндре двигателя. Так
по опытам проведенным в прозрачных цилиндрах, как без сгорания,
так и при сгорании смеси, было установлено, что газодинамические
процессы сильно затухают к концу процесса сжатия.
Однако, следует отметить, что уменьшаясь к концу сжатия,
газодинамические явления сохраняются в период сжатия и имеют
достаточные скорости для турбулизации процесса сгорания, в
результате чего имеет место сильное увеличение нормальных
скоростей распространения фронта пламени.
Исследования показывают, что нормальные скорости рас-
пространения фронта пламени в процессе сгорания бензовоздушной
смеси достигают значений бАл =10—15 м/сек., в зависимости от
состава смеси, в то время как при ламинарном горении средние
'нормальные скорости составляют величину Uo=O,7 — 0,8 м/сек.
в лабораторных условиях при . начальной температуре бензо-
воздушной смеси около 150°С.
Таким образом, полученные в двигателе средние нормальные
скорости распространения фронта пламени при турбулентном горе-
нии оказываются в 15 — 25 раз большими.
Это весьма важный вывод, свидетельствующий о влиянии
турбулентности на скорости сгорания в двигателе.
Как уже указывалось ранее, увеличение нормальной скорости
распространения фронта пламени в турбулентном потоке может
быть объяснено или влиянием на величину нормальной скорости
неучтенной микродеформации фронта или изменением нормальной
скорости при турбулентном горении за счет изменения условий
теплообмена в каждом элементе фронта пламени.
Проведенные исследования не дают возможности точно уста-
новить причины увеличения нормальной скорости распространения
фронта пламени при турбулентном горении. То обстоятельство, что
изменение нормальной скорости распространения фронта пламени
б/от, полученное при исследовании двигателя, согласуется с измене-
нием скорости движения газов в камере 1Гп, позволяет сделать
предположение о том, что нормальные скорости при турбулентном
2 • 17
сгорании могут увеличиваться с одной стороны за счет увеличения
микродеформации фронта при возрастании скорости движения
газов, и с другой стороны за счет увеличения теплообмена в
каждом элементе фронта.
Если предположить, что полученное увеличение нормальной
скорости распространения фронта происходит исключительно за
счет неучтенной деформации поверхности фронта при действующем
значении нормальной скорости распространения пламени, соответ-
ствующей ламинарному горению, то поверхность фронта пламени
должна быть во много раз большей, чем величина, определенная
по микроснимкам пламени.
На фиг. 16 показаны изменения поверхности фронта пламени
в зависимости от величины нормальной скорости распределения
фронта пламени, для различных моментов времени.
dQ
Подсчет производился по уравнению: F = —
иот 7 г/см
Величина t/от менялась от значения Uoi=U0 для ламинарного
горения до значений, полученных из опытов по макроснимкам
фронта пламени.
Полученная диаграмма F=/(Uot) показывает, что при значе-
нии нормальной скорости распространения фронта пламени равной
нормальной скорости ламинарного горения Un =0,35 м/сек., поверх-
ность фронта для средних периодов процесса о =5,4° получается
равной F=0,116 м2, что почти в 40 раз больше поверхности,
получающейся по снимкам пламени и дающей нормальную ско-
рость турбулентного горения Uot =14—15 м/сек.
Эти результаты показывают, что столь значительное возраста-
ние фронта пламени по сравнению с поверхностью фронта, получен-
ной по данным фотоснимкам, возможно лишь при условии разрыва
фронта на элементарные объемы газа, как это предполагается
Щелкиным [5].
Однако в двигателе, у которого скорость перемещения газа
составляет V7n = 10—15 м/сек., вряд ли возможно возникновение
таких турбулентных пульсаций, которые привели бы к подобному
разрыву фронта.
Если во фронте пламени такие разрывы исключить, то получа-
ющееся увеличение нормальной скорости турбулентного горения в
двигателе до величины порядка Uot =10—15 м/сек, может быть
объяснено увеличением нормальной скорости вследствие измене-
ния теплообмена во фронте при турбулентности.
Однако 20 — 30-ти кратное увеличение Uot по сравнению с Un
ламинарного потока нельзя объяснить только изменениями тепло-
обмена во фронте.
В опытах Дамкеллера [10] исследовался механизм горения газо
вой смеси при условиях, главным образом, мелкомасштабной турбу
18
I
лентности. При этом для чисел Рейнольдса от Ре=4,10') до
Ре=23,3.103 увеличение нормальной скорости турбулентного горе-
Фиг. 16. Изменение поверхности фронта пламени в зави-
симости от величины нормальной скорости распростране-
ния фронта пламени
Уже это увеличение нормальной скорости сгорания в турбулентном
потоке в указанных пределах изменений чисел Рейнольдса не
соответствовало полностью тому увеличению скорости, которое
должно было бы получиться в случае только мелкомасштабной
турбулентности изменяющей лишь все процессы обмена в зоне
2*
19
горения. Это заставило Дамкеллера сделать предположение о том
что уже в этих пределах изменений нормальной скорости горени
имело место и неучтенное частичное влияние крупномасштабно!
турбулентности, приводящей к возрастанию скорости сгорания
вследствие неучтенной деформации фронта.
При определении поверхности фронта по фотоснимкам, в наши;
исследованиях несомненно часть поверхности не могла бып
учтена.
Поэтому частичное увеличение нормальной скорости Uot пр,
турбулентном горении является следствием неучтенной поверх
ности фронта.
Вместе с тем, полученные результаты указывали на то, чт.
при турбулентном горении имеет место увеличение нормально;
скорости распространения фронта пламени за счет увеличена
теплообмена во фронте при турбулентности.
Таким образом, полученное в исследованиях авторов увеличе
ния нормальной скорости является следствием совокупного дей
ствия, как неучтенной поверхности фронта пламени, так и измене-
ния теплообмена во фронте пламени. А это означает, что пр;
турбулентном.горении Пот > Un, т. е. турбулентность потока при
водит к изменению физико-химических преобразований в зон;
фронта, за счет микротурбулентных процессов в зоне
Вопрос же о том, какой фактор — неучтенная поверхность ил;
изменение теплообмена в зоне оказывает решающее значение на
характер распространения фронта пламени в двигателе и каковг
зависимость между Uo и Uot может быть решен лишь путем даль
нейших более точных исследований при помощи подробных микро-
снимков пламени.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРА-
НИЯ В КАРБЮРАТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ПОМОЩИ ИНДУ-
ЦИРОВАНИЯ, СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО АНАЛИЗА
И ИОНИЗАЦИОННОГО МЕТОДА
В качестве опытной установки была использована одно-
цилиндровая установка, специально выполненная в лаборатории
кафедры Тепловых двигателей МАИ, представляющая собой
одноцилиндровый четырехтактный карбюраторный двигатель с
Г-образной камерой сгорания (фиг. 17, 18).
Основные данные двигателя:
Эффективная мощность...............
Число оборотов .
Удельный эффективный расход топлива.
Степень сжатия
Номинальный угол опережения сжатия . .
Диаметр цилиндра .......................
Ход поршня...................... . . .
Рабочий объем цилиндра .................
Отношение длины шатуна к радиусу
кривошипа .
Топливо
Удельный вес топлива ..................
Рабочая теплотворная способность двигателя
Теоретическое количество воздуха, необходи-
мое для сгорания кг. топлива ....
Охлаждение двигателя
Ne = 9,25 л/с.
п — 1300 об/мин.
Се -0,368
’ эл.с.ч.
е = 5
р = — 55°
D — 102 мм.
S — 152 мм.
Vtl = 1,242 литр.
бензин
р =0,74
Ни =10500 кал/кг.
. 1 с кг возд.
э кг. топ.
водяное
Для того, чтобы осуществить исследование процесса сгорания
методами индицирования, стробоскопического газового анализа и
ионизационным методом была сконструирована специальная голов-
ка, позволяющая производить одновременное индицирование
Двумя типами индикаторов и стробоскопический газовый анализ с
помощью пяти отборочных клапанов (фиг. 19), или индицирование
двигателя и определение скорости пламени ионизационным методом
при помощи пяти специальных приемников.
21
Ф г. 7 От Ви цЭцнлИ .J2
2'2
Фиксирование открытия и закрытия газоотборочных клапанов
для стробоскопического отбора газов осуществлялось при помощи
специального отметчика электроемкостпого типа.
Фиг. 18. Головка одноцилиндрового двигателя.
На шестишлейфном осцилографе типа «Хэти» записывались
одновременно осцилограммы отметок углов поворота коленчатого
пала, В. М. Т., моментов зажигания {подачи искры) и моментов
открытия и закрытия газоотборочных клапанов.
На фиг. 20 представлена примерная осцилограмма подобной
записи.
23
Фиг 19. Головка опытного двигателя с газоотборочными клапанами.
1__электроемкостный отметчик, 2—топливо от топливного насоса, 4 м сто
под свечу, 5—место под приемники индикаторов, 7—выход газа, 8—подвод
охлаждающей воды, 9—электропровод на осциллограф.
24
Отбор проб газа производился по всей линии сгорания, а так
же частично по линии сжатия и в период индукции.
В камере сгорания одноцилиндрового двигателя было установ-
лено пять отборочных клапанов (фиг. 19). Все клапаны были раз-
мещены в головке двигателя по направлению наиболее длинного
пути, проходимого фронтом пламени.
Фиг. 20. Осциллограмма начала открытия и закрытия
газоотборочного клапана
Открытие клапанов осуществлялось, гидравлическим способом
от специального нефтяного насоса.
Продолжительность открытия отборочных клапанов, при взя-
тии проб, составляла 3 — 5° угла поворота коленчатого вала.
Втулки газоотборочных клапанов на одноцилиндровом двига-
теле имели независимое водяное охлаждение.
Фиг. 21 Конструкция газоотборочного клапана для одноцилиндровой
карбюраторной установки.
Конструкция газоотборочного клапана для одноцилиндрового
двигателя дана на фиг. 21.
Тепловое состояние втулок газоотборочных клапанов контро-
лировалось специальными термопарами.
Для подтверждения правильности результатов, полученных с
помощью стробоскопического газового анализа, на одноцилиндро-
25
вой установке был применен третий независимый эксперименталь-
ный метод исследования способов определения скорости пламени
при помощи ионизационного прибора.
Для проведения исследования все газоотборочные клапаны в
опытной головке были заменены специальными приемниками, у
которых участок ионизации был образован изолированным от
массы средним электродом и боковым электродом соединенным с
массой (фиг. 22).
Дальнейшая методика определения движения пламени иониза-
ционным способом общеизвестна. Напряжение, приложенное к
электродам искрового промежутка дает в момент прохода пламени
Фиг. 22 Ионизационный приемник.
разрядный ток, действие которого через специальный усилитель
передается на соответствующий шлейф осциллографа, который и
регистрирует этот момент.
Таким образом ионизационный метод позволяет определить
истинную скорость пламени и положение фронта в единичном
цикле.
Разброс же точек положения фронта в различных циклах поз-
воляет оценить эффект флуктуации пламени, которая искажающим
образом может действовать на результаты стробоскопического
газового анализа.
Примерная осцилограмма с ионизационной отметкой момента
появления пламени у приемника приведена на фиг. 22-а.
Процесс сгорания в одноцилиндровом двигателе исследовался
в зависимости от коэфициента избытка воздуха а и числа оборо-
тов двигателя п.
При проведении исследования коэфициента избытка воздуха
менялся в пределах от а =0,78 до а =1,22 при постоянном
числе оборотов «=1300 об/мин.
Для определения влияния числа оборотов на характер разви-
тия процессов сгорания было проведено исследование развития
26
процесса сгорания по внешней характеристике двигателя в диапа-
зоне изменения оборотов от /г=1100 об/мин. до /. ==1500 об/мин.
при а = 0,92.
Фиг. 22а. Осциллограмма с ионизационной отметкой момента
появления пламени у приемника.
На фиг. 23 показано изменение периода задержки воспламене-
Фиг. 23. Изменение периода задержки ввспламенения тг
в зависимости от коэфициента избытка а.
Сопоставление полученных результатов по изменению периода
задержки воспламенения г, в зависимости от изменения коэфи-
циента избытка воздуха а в двигателях с принудительным
зажиганием с аналогичным изменением по а в дизелях указы-
вает на заметное различие в степени влияния а по т, в обоих
типах двигателей.
Изменение коэфициента избытка воздуха в дизелях практи*-
чески не сказывается на величину периода задержки воспламене-
ния— Tj при данном сорте топлива и постоянном угле опережения
впрыскивания [7].
27
Решающее влияние на период задержки воспламенения для
данного дизеля оказывает сорт топлива и его характеристика само-
воспламеняемости (цетановое число [7])
Как видно из фиг. 23, в двигателе с принудительным зажига-
нием с увеличением коэфициента избытка воздуха а, то-есть с
обеднением смеси, наблюдается непрерывное заметное увеличение
периода задержки воспламенителя — т,.
Так, изменение коэфициента избытка воздуха от а =0,78 до
°- =1,22 приводит к соответствующему увеличению периода
задержки воспламенения от ^ = 3,75- 10~3сек. до ^ = 5,75- 10-3сек.
Полученные результаты говорят о том, что в двигателях с
принудительным зажиганием состав смеси (коэфициент избытка
воздуха а ) является одним из основных факторов определяющих
Фиг. 24. Изменение абсолютных скоростей сгорания
d(xB0)
d-
для различных коэфициентов избытка воздуха а.
Г кг
сек
характер развития начальных
время как в дизелях такими
стадий процесса сгорания, в то
факторами является температура
сжатого воздуха и химическая стабильность молекул топлива.
На фиг. 24 представлены изменения абсолютных скоростей
фсВ0)
б/т
сгорания
кг
сек
полученных с помощью закона сгорания по
данным индикаторных диаграмм для различных коэфициентов
воздуха
Как видно из этих диаграмм максимальные значения скоростей
сгорания соответствуют режиму а =? 0,9. С увеличением коэфи-
циента избытка воздуха при а > 1 имеет место заметное пониже-
d
ние скорости сгорания —— вследствие уменьшения концентра-
и ь
ции топлива в горючей смеси.
28
На фиг. 25 представлены изменения обсолютных Скоростей
d (Вох)
сгорания —’ Рассчитанных [1° закону сгорания по данным
индикаторных диаграмм для различных чисел оборотов двигателя.
Фиг. 25. Изменение абсолютных скоростей сгорания
d(xB0) Г кг топл.
</т I СеК
по данным индикаторной диаграммы для различных
чисел оборотов двигателя.
Как видно из этого графика, увеличение числа оборотов дви-
гателя — п приводит к более ускоренному развитию процесса
тепловыделения, что является подтверждением выводов о влиянии
турбулентности на процесс сгорания.
Перейдем к рассмотрению результатов исследования процесса
сгорания с помощью стробоскопического газового анализа.
Выше на фиг. 19, была представлена схема расположения
клапанов в камере одноцилиндрового двигателя. Отбор проб из
камеры сгорания производился через пять клапанов, расположен-
ных вдоль наиболее длинного пути проходимого фронтом пламени
по камере сгорания.
Клапан № 1 расположен у свечи. Клапаны с последующими
номерами располагаются последовательно от источника зажигания.
На фиг. 26 — 30 представлены результаты исследования раз-
вития процесса сгорания по данным стробоскопического газового
анализа для режима а =0,93.
На каждом графике приведено изменение О2, СО2 и СО для
каждого клапана.
29
К лапан //*/
о +-ю‘э ело3 ай7* шю3 Г?.ю'3
Фиг. 26. Изменение СО2, СО, О2 но данным стробоско-
пического газового анализа для’ одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Клапан Xs 1.
(Режим а = 0,93 п = 1300 об[мин).
Фиг 27. Изменение СО2. СО, О2 по данным стробоско-
пического газового анализа для одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Клапан № 2.
(Режим а-0,93 п = 1300 об!мин).
30
Фиг. 2d. Изменение СО2. СО, О2 по данным стробоско-
пического газового анализа для одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Клапан Ns 3.
(Режим а~0,93 п - 1300 об'мин).
Фиг. 29. Изменение СО2. СО, О2 по данным стробоско-
пического газового анализа для одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Клапан № 4.
(Режим а = 0,93 п-1300 об[мин)
31
На фиг. 31, 32 дано совмещенное изменение реагентов в ход
сгорания для всех пяти газоотборочных клапанов.
В качестве основного показателя подхода фронта пламени ।
данному клапану может быть принят начальный момент убыл:
------ , г-----,------—---- — - Z сек
О 2Ю'9 4iD~3 6Ю~3 fljO* iQW tg-10'3
Фиг. 20 Изменение СО2. СО, О2 по данным стробоско-
пического газового анализа для одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Клапан № 5
(Режим а-0,93 п-'13С)0 об/мин).
Фиг. 31. Совмещение кривых изменений реагентов
в ходе сгорания для пяти газоотборочпых клапанов.
(Режим а = 0,78 п = 1300 об/мин).
кислорода в горючей смеси. Как видно из приведенных графиков
этот момент достаточно четко выражен для всех мест камеры, гд<
расположены газоотборочные клапаны. Начало убыли кислород;
32
у данного клапана указывает на момент подхода начальной зоны
фронта пламени к клапану.
Обращаясь к анализу данных, полученных с помощью стробо-
скопического газового отбора, видно, что на линии сжатия
содержание кислорода О2, двуокиси углерода СО2 и окиси угле-
рода СО зависит от общего коэфициента избытка воздуха а:
Фиг. 32. Совмещение кривых изменений реагентов
в ходе сгорания для пяти газоотборочных клапанов.
(Режим а-1,22).
С увеличением а содержание кислорода на линии сжатия
несколько увеличивается, а содержание СО2 и СО несколько
уменьшается. В среднем на линии сжатия содержание кислорода
в зависимости от а получается порядка О2 = 17,4 % — 18 %,
СО2=1% — 2,2% и СО—0,2% — 1,5%.
Согласно этим данным, коэфициент остаточных газов оказы-
вается равным 7 =0,15—0,2, что достаточно хорошо согласуется
с коэфициентом наполнения для этого двигателя.
При а > 1 обнаруживается резкое уменьшение образования СО2
в ходе сгорания за счет большего количества образующегося СО,
что указывает на зачительную неполноту сгорания.
Образующееся количество СО в ходе сгорания не уменьшается
к концу сгорания, а сохраняет свое максимальное значение при
дальнейшем ходе процесса.
При а> 1 образование СО в ходе процесса становится мало-
заметным и при а =1,22 образование СО практически прекра-
щается.
В отличие от развития процесса сгорания в дизеле, при сгора-
нии топливо-воздушной смеси в карбюраторном двигателе в любом
месте камеры наблюдается непрерывное нарастание СО2 и СО и
непрерывная убыль О2 без заметных колебаний в ходе развития
процесса. Развитие же процесса сгорания в каждом данном месте
3 33
кймеры дизеля, отличается значительной неравномерностью в ходе
изменения реагентов [7].
Эти результаты указывают на значительно большую равномер-
ность состава и распределение топливо-воздушной смеси в камере
карбюраторного двигателя.
Скорость распространения фронта пламени зависит от коэфи-
циента избытка воздуха.
Фиг 3 5. Совмещение кривых изменений реагентов
в ходе сгорания для различных а. Клапан № 1.
На графиках 33 и 34 представлено совмещенное изменение
реагентов в ходе сгорания для клапанов № 1 и № 5 для двух зна-
чений коэфициента избытка воздуха а =0,78 и а =1,22.
Как видно из этих диаграмм увеличение коэфициента избытка
воздуха, то-есть обеднение смеси приводит к более замедленному
движению фронта пламени по камере сгорания, следствием чего и
является более позднее начало развития процесса у каждого из
клапанов при увеличении а.
Так, у первого клапана расположенного около свечи при
а=0,78 начало развития процесса наступает через Аср =12°
угла поворота коленчатого вала после начала зажигания, что соот-
ветствует времени т=1,54 • 10 3 сек., а при а = 1,22 этот момент
соответственно наступает через А® =20° и т =2,56 • 10 3 сек.,
то-есть в 1,65 раза позднее.
Для наиболее удаленного от свечи пятого клапана при
а =0,78 начало развития процесса наступает спустя время
т=6,15 10’3сек., а при а = 1,22 соответственно т=7,8 10~3сек„
то-есть в 1,27 раза позднее.
На фигурах 35 и 36 дано совмещенное изменение реагентов у
каждого из клапанов, полученных при различных числах оборотов
двигателя.
34
Эти Данные наглядно показывают, что увеличение числа оборо-
тов двигателя приводит к более ускоренному распространению
пламени по камере сгорания. Так, если у первого клапана при
п = 1100 об'мин. начальная зона фронта появляется спустя время
т=2.3 10-3 сек., после момента зажигания (подачи искры), то при
п = 1500 об/мин. она появляется через время т =1,2 10-3 сек.
в ходе сгорания для различных а. Клапан № 5.
У четвертого клапана при «=1100 об/мин. начальная зона
фронта пламени появляется через время т =7.1.10 3 сек. после
момента зажигания (подачи искры), а при п = 1500 об/мин. начало
появления фронта у этого клапана получается спустя время
т =5 . 10~3 сек.
Таким образом, возрастание оборотов в двигателе на 36% при-
водит к сокращению времени движения фронта пламени по камере
у различных клапанов в 1,4— 1,9 раза.
Полученные результаты указывают на то, что развитие про-
цесса сгорания в карбюраторном двигателе характеризуется рас-
пространением фронта пламени по камере сгорания. При этом
характер распространения фронта зависит от числа оборотов и
состава смеси.
Приведенные данные развития процесса сгорания с помощью
стробоскопического газового анализа позволяют оценить основ-
ные параметры, характеризующие развитие сгорания в камере дви-
гателя с точки зрения распространения фронта пламени.
Так, при помощи полученных данных можно определить одну
из основных характеристик процесса сгорания горючей смеси в
двигателе — скорость распространения фронта пламени относи-
тельно стенок камеры.
3*
35
Средняя скорость распространения фронта пламени от момента
зажигания до момента подхода начальной зоны фронта к данному
клапану приближенно может быть определена как отношение пути,
Фиг. 35. Сопоставление изменений реагентов у каждого
клапана при различных числах оборотов двигателя.
Клапан № 1.
Фиг. 36. Сопоставление изменений реагентов у каждого
клапана при различных числах оборотов двигателя.
Клапан № 4.
пройденного фронтом за этот промежуток, к времени этого
прохождения.
36
где; U—средняя скорость распространения фронта пламени в
мет
--ек для данного клапана, относительно стенок камеры.
I — расстояние от электродов свечи до данного клапана
в метрах.
с — время в сек. прошедшее от момента зажигания (подачи
искры) до момента начала сгорания у данного клапана.
Фиг. 37. Изменение местных скоростей распростра-
нения пламени относительно стенок камеры и по
времени процесса для различных режимов двигателя
при п = 1300 об/мин.
Согласно полученным данным можно определить и местное
значение скорости движения фронта пламени между двумя сосед-
ними клапанами по уравнению.
ГТ ___ ^1—2 Г М 1
A/kj-» L сек ]
где; — средняя скорость распространения фронта пламени
мет
между двумя соседними клапанами в — относи-
тельно стенок камеры.
A/j-2— расстояние в м. между двумя соседними клапанами.
Atkj-, — время в сек. прохождения начальной зоны фронта
пламени (линии A-Ai фиг. 26 — 30) между двумя
соседними клапанами.
На фиг. 37 и 33 представлены изменения местных скоростей
сгорания во времени процесса для различных режимов двигателя.
Диаграммы 37 и 38 показывают, что распространение пламени
в первой половине процесса сгорания сопровождается ускоренным
движением пламени по пространству сгорания.
37
Эти результаты хорошо согласуются с рассмотренным исследо-
ванием процесса сгорания методом фотографирования пламени,
а также с исследованиями и расчетами Бугрова [6] и Карпова [8].
Фиг 38. Изменение местных скоростей относительно
стенок камеры и по ходу процесса для различных
чисел оборотов.
Ускоренное распространение фронта пламени в первой поло-
вине процесса может быть объяснено тем, что по мере перемеще-
ния фронта пламени происходит сжатие и подогрев несгоревшей
части смеси, следствием чего и является общее ускорение физико-
Фиг. 39. Изменение скоростей распространения фронта
пламени относительно стенок камеры и в зависимости
от коэфициента избытка воздуха а у каждого клапана
(по данным таблицы 34).
На фиг. 39 представлено изменение скоростей распространения
фронта пламени 0 в зависимости от коэфициента избытка воздуха
а — для каждого клапана.
Из этих графиков видно, что увеличение коэфициента избытка
воздуха то-есть обеднение смеси, приводит к снижению скорости
распространения пламени по пространству сгорания.
38
Как видно, в пределах а =0,78 — 0,93 скорости движения
пламени практически не изменяются, дальнейшее же увеличение а,
то-есть обеднение смеси, приводит к снижению скоростей сгорания
и распространения фронта пламени вследствие резкого уменьшения
концентрации горючего в атмосфере цилиндра двигателя.
На фиг. 40 показано изменение этих скоростей в зависимости
от числа оборотов двигателя.
Эти данные показывают, что увеличение оборотов двигателя
вызывает возрастание средней скорости двигателя фронта около
каждого клапана.
Фиг. 40. Изменение скоростей распространения фронта
пламени в зависимости от числа оборотов двигателя
у каждого клапана.
Кроме расчета значений скоростей движения фронта пламени
по камере, данные стробоскопического газового анализа развития
процесса сгорания в двигателе с принудительным зажиганием
позволяют оценить в первом приближении также ширину зоны
превращения реагентов Л/ где наблюдается убыль О2 и нараста-
ние СО2 и СО.
Как показывают все результаты газового анализа за промежу-
ток времени Д~ изменения реагентов в данном месте камеры
полностью заканчиваются. Поэтому можно полагать, что этот
промежуток времени — соответствует времени прохождения зоны,
превращения около данного места камеры.
Это означает, что ширину этой зоны — Д/ , в данном месте
камеры, можно определить в виде произведения времени прохожде-
ния зоны на скорость движения зоны.
Однако, вследствие наличия определенной ширины зоны и ее
возможной деформации в течение процесса, под скоростью движе-
ния зоны, в этом случае, более правильно понимать скорость
движения ее средней точки, а не начального слоя.
Эту скорость мы в дальнейшем будем обозначать через UF.
39
м
Uf =
С достаточной степенью приближения, величина Uf
быть определена по уравнению:
£_______
Дт Lсек
~2~
может
где: Uf—скорость распространения фронта пламени в данном
мет
месте камеры, отнесенная к средней части зоны в
I — расстояние от электродов свечи до данного клапана в
метрах.
т — время в сек., прошедшее от момента зажигания (по-
дачи искры) до момента начала убыли у данного
клапана.
Дт — время развития процесса изменения реагентов в зоне
горения у каждого клапана в сек.
Тогда ширина зоны определиться по формуле:
Д/ = Дт • Uf
Определив текущее значение Up и Дт можно определить ширину
зоны Д/ около каждого клапана-в данном месте камеры сгорания.
На фиг. 41 и 42 показано изменение ширины зоны Д/ по мере
перемещения фронта пламени по камере сгорания для различных
кээфициентов избытка воздуха и различных чисел оборотов.
На этих диаграммах по оси абсцисс отложены текущие линей-
ные размеры камеры сгорания в мм. в направлении расположения
газоотборочных клапанов с отметкой расположения каждого
клапана.
Как видно из этих диаграмм по мере продвижения фронта
пламени по камере двигателя, происходит непрерывное увеличение
ширины зоны, где наблюдаются изменения реагентов.
Так, если у первого клапана Д/~ 23 мм, то у пятого клапана
Д/ я 55 мм.
Подобное изменение зоны превращения Д/ по ходу процесса
указывает на то, что даже при наличии дефекта флуктуации пламени
некоторая часть величины Д/ все же определяется догоранием
смеси за начальной поверхностью фронта пламени.
Можно предположить, что по мере движения фронта эта часть
зоны, связанная с горением, деформируется под действием газо-
динамических факторов завихренной смеси.
В отношении результатов, полученных по данным стробоскопи-
ческого газового анализа, следует сделать следующие замечания.
Первое замечание касается достоверности результатов, полученных
по данным стробоскопического газового анализа.
40
При отборе проб газа через клапаны может возникнуть ряд
погрешностей, вследствие неточностей газоанализаторов, догорания
в клапане, влияния холодных стенок камеры, пограничного слоя
на состав пробы и пр.
п • /зоо
Фиг. 41. Изменение ширины зоны А/ по мере перемещс
нпя фронта пламени по камере сгорания для а -0,93.
Для того, чтобы выяснить влияние всех этих погрешностей
пришлось провести специальное исследование.
Дак уже указывалось перед экспериментами все газоанализа-
торы были смонтированы так, чтобы максимально уменьшить
Фиг. 42. Изменение ширины зоны ' I по мере перемещения
фронта пламени по камере сгорания для различных чисел
оборотов— п для а -0,93.
объемы мертвого пространства. В частности в простых газо-
анализаторах, которыми и производились основные анализы, объем
мертвого пространства был уменьшен до 1,2 см3.
41
Абсолютная ошибка в определении состава газов этими прибо-
рами лежит в пределах 0,2% от полного объема взятого для
анализа газов.
При такой погрешности газового анализа величина относитель-
ной ошибки в определении суммы CO2+O2+N2 согласно теории
погрешностей не превосходит величины 0,4%, а величина относи-
тельной ошибки в определении суммы СО2+О2 не превосходит
2,5 — 3%, что вполне обеспечивает требуемую техническую точ-
ность исследования процесса сгорания.
Вопрос о догорании в клапане был исследован путем контроля
за тепловым состоянием втулок газоотборочных клапанов, который
осуществляется специальными термопарами, впаянными во втулки
клапанов. Поскольку втулки клапанов имели независимое охлажде-
ние проточной водой температура их при работе не превышала
120° С— 130° С в нижней части у седла клапана.
Кроме того, были так же приведены проверочные опыты с
определением температуры отбираемых газов при помощи специ-
альной термопары непосредственно за отборочным клапаном.
Температура отбираемых газов оказалась не выше 250° С.
Эти результаты являются достаточной гарантией отсутствия замет-
ного догорания или наоборот чрезмерного переохлаждения газов
за клапаном.
Для выяснения влияния холодных стенок камеры и погранич-
ного слоя на состав отбираемых проб был проведен опыт, при
котором газоотборочные клапаны выдвигались на 8 мм. в камеру
сгорания, что составляет почти половину толщины камеры. При
этом заметного различия в ходе изменения реагентов не было
обнаружено. Эти опыты показывают, что анализ отбираемых проб
газов представлял собой характеристику средних составов газа
в камере, а не в пограничном* слое.
Кроме того сами результаты стробоскопического газового
анализа говорят о том, что полученные составы газов в достаточ-
ной степени отражаю'7' суммарное состояние реагентов во всей
камере сгорания. Основанием к этому могут послужить следующие
данные
1. Количество газов отбираемых за каждый цикл составляет
около 250 — 300 куб. мм., что составляет уже значительно большую
величину, чем объем пограничного слоя около отборочного клапана.
2. При моменте открытия газоотборочного клапана и отборе
газа из камеры получается большой перепад давления в десятки
атмосфер, безусловно приводящий к разрушению пограничного
слоя.
3. В случаях большого догорания за отборочным клапаном,
отбор газа из пограничного слоя или значительного искажающего
влияния относительно холодных стенок камеры:
а) не получилось бы заметного изменения СО2 и О2 по процессу
сгорания.
42
б) Не было бы заметного смещения изменений СОг, СО и Ог у
различных клапанов, которое наблюдается в действительности.
в) Не могли бы быть обнаружены полученные изменения
характера распространения процесса сгорания в зависимости от
коэфициента избытка воздуха и числа оборотов.
г) Не могло быть столь хорошего соответствия между измене-
нием скоростей движения фронта пламени по данным стробоскопи-
ческого газового анализа и характеристикой развития процесса
сгорания по данным индикаторных диаграмм.
Таким образом, проведенный анализ говорит о достаточной
достоверности разультатов газового анализа.
, Второе замечание касается определения ширины зоны А/ в
которой наблюдается изменение реагентов. Является ли эта вели-
чина только характеристикой развития процесса сгорания за
начальной поверхностью фронта пламени или эта величина
содержит в себе и ряд других неучтенных влияний?
Исследование процесса сгорания методом стробоскопического
газового анализа содержит в себе одну принципиальную погреш-
ность при применении этого метода к исследованию процесса
сгорания в карбюраторном двигателе.
Эта погрешность вытекает из специфических свойств рабочего
процесса карбюраторного двигателя и заключается в следующем.
Полученные с помощью стробоскопического газового анализа
законы изменения реагентов по существу являются усредненными
данными большого числа циклов (порядка 1500 циклов). Усредне-
ние же данных процессов сгорания в карбюраторном двигателе
отличается значительно меньшей точностью, чем подобное усред-
нение данных при исследовании дизеля. Основанием к этому
является зависимость процесса сгорания в карбюраторном двига-
теле от целого ряда факторов, как-то: мощности искры, коэфи-
циента избытка воздуха, коэфициента наполнения, коэфициента
остаточных газов и пр.
Все эти факторы при сравнительно небольших своих измене-
ниях в отдельных циклах вызывают заметное изменение характера
распространения пламени, то-есть вызывают значительный разброс
фронта пламени при переходе от цикла к циклу.
В дизеле одним из решающих факторов, определяющим
характер развития сгорания является температура сжатого воздуха,
которая намного превышает температуру самовоспламенения
топлива. Кроме того такой важный для карбюраторного двигателя
фактор, как мощность искры в дизеле вообще отсутствует.
Поэтому и разброс максимальных давлений в отдельных циклах у
дизеля не велик и лежит в пределах 4 — 8%.
Таким образом, отдельные циклы в карбюраторном двигателе
вообще могут отличаться значительной неравномерностью в ходе
развития процесса сгорания и один и тот же момент открытия
43
газоотборочного клапана может соответствовать весьма различным
состоянием газа в цилиндре двигателя.
Так, в среднем для карбюраторного двигателя неравномерность
по максимальному давлению в отдельных циклах может достигнуть
20 — 30%. Явление же разброса пламени при этом может быть
еще большим и дойти до 40 — 50% той ширины зоны превращения,
которая была найдена по данным стробоскопического газового
анализа. Этот факт может привести к тому, что 40 — 50% получен-
ной ширины зоны превращения— Л/ является лишь простым
эффектом действия разброса пламени.
Однако даже подобная поправка все же говорит о том, что
значительная часть полученных размеров зоны превращения
(50 — 60% Д/) может относиться к явлению догорания за началь-
ной поверхностью фронта пламени.
Фиг. 43. Сопоставление результатов определения ширины зоны
превращения по данным стробоскопического газового анализа
и ионизационного ме-одз.
Кроме того, полученные значительные изменения ширины зоны
по ходу процесса при данном режиме работы двигателя, а также
обнаруженное сильное влияние на размер этой зоны числа оборо-
тов двигателя указывают на то, что некоторая часть полу ценных
размеров зон превращения, является функцией турбулентности,
то-есть может быть связана с собственно процессом сгорания за
начальной поверхностью фронта пламени.
В целях непосредственной проверки результатов стробоскопи-
ческого газового анализа дополнительно были проведены опыты
с определением скорости распространения фронта пламени с
помощью ионизационного метода.
Для проведения исследования этим методом все газоотбороч-
ные клапаны в опытной головке двигателя были заменены
специальными ионизационными приемниками, которые в момент
прохождения около них пламени подавали соответствующие
сигналы на шлейфный осцилограф.
Таким образом, ионизационный метод позволяет определить
скорость пламени и положение фронта в единичном цикле.
44
Для выяснения величины разброса пламени у каждого
ионизационного приемника снималось большое число пленок с
положением пламени в различных циклах (около 60 циклов для
каждой точки камеры).
Результаты исследований по ионизационному методу показали,
что область разброса пламени располагается в середине получен-
ных зон превращения реагентов и составляет около 50% их
размеров (фиг. 43).
На основании этих данных можно полагать, что полученные
значения размеров зон превращений примерно на 50% определяется
действием эффекта разброса пламени и на 50% развитием
процесса сгорания за начальной поверхностью фронта пламени.
Что касается значений скоростей движения фронта пламени,
относительно стенок камеры, то их значения, полученные при
помощи стробоскопического газового анализа, соответствуют с
точностью до 5 — 8% значениям скоростей, полученным с помощью
ионизационного метода.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
На основании проведенных исследований можно сделать сле-
дующие главные выводы в отношении динамики сгорания в двига-
телях с принудительным зажиганием.
I. Особенности процесса сгорания в двигателе с принудитель-
ным зажиганием позволяют охарактеризовать развитие процесса
сгорания в этих двигателях теми же основными параметрами,
которые определяют развитие процесса сгорания в газовых смесях.
2. Проведенное исследование показало, что развитие процесса
сгорания в двигателях с принудительным зажиганием характе-
ризуется нормальной или массовой скоростями турбулентного
сгорания и развитием поверхности фронта пламени по пространству
сгорания.
При этом скорость тепловыделения может быть определена по
общим уравнениям современной теории сгорания.
^ = Urar
Йт сек
,, ,, Г кг. гор. смеси
L)nr. = (Jot • 7 - — ------------ -
1 | м2 сек
3. Полученные при помощи стробоскопического газового ана-
лиза, ионизационного метода и фотографирования данные о скоро-
с'гях движения фронта пламени по камере двигателя позврляют
обнаружить значительное влияние туобулентности на характер
развития сгорания в двигателе с принудительным зажиганием.
45
4. Проведенное исследование показало, что величины нормаль-
ной скорости турбулентного сгорания Uot в двигателях с принуди-
тельным зажиганием достигают значений Uot =10—15 м/сек.,
что в десятки раз больше значения нормальных скоростей при
ламинарном сгорании газовых смесей.
5. Подобное увеличение нормальной скорости сгорания говорит
о влиянии турбулентности на скорость распространения пламени в
двигателях с принудительным зажиганием.
Увеличение нормальной скорости распространения фронта
пламени вследствие турбулентности может быть объяснено как
влиянием неучтенной микродеформации фронта, которую нельзя
определить по микроснимкам пламени, так и изменением нормаль-
ной скорости при турбулентном горении за счет изменения условий
теплообмена в каждом элементе фронта пламени.
6. Данные исследования процесса сгорания с помощью стробо-
скопического газового анализа и ионизационного метода позволяют
предполагать наличие явлений догорания за начальной поверх-
ностью фронта пламени. Эти данные указывают на то, что ширина
зоны горения во фронте пламени в двигателе может достигать
нескольких миллиметров.
7. Раскрытие механизма микротурбулентных явлений во фронте
пламени и уточнение современных воззрений на законы управляю-
щие процессом сгорания в двигателях с принудительным зажига-
нием требуют дальнейших исследований процесса сгорания в этих
двигателях с применением экспериментальных методов, обеспечи-
вающих более детальное изучение всех явлений, происходящих в
движущемся фронте пламени.
/2 66/
46
БИ Б Л ИОГРАФИЯ
1. И. И. Семенов. — Цепные реакции.
Госхимтехиздат 1934.
2. И. Н. Сеченов. — Тепловая теория горения и взрывов.
Журнал „Успехи физик, наук" 1940, том XXIII, вып. 3.
3. А, С. Соколик. — Самовоспламенение и сгорание в газах.
Журнал „Успехи физик. наук“ 1940, том XXIII, вып. 3.
4. Я- Б. Зельдовик.—Теория горения и детанации газов.
Издание А. И. СССР. 1944.
5. К. Щелкин. — О сгорании в турбулентном потоке.
Журнал техникеской физики 1943, т. VIII, вып. 9—10.
6. Е. П. Бугров. — Теоретикеские и экспериментальные исследо-
вания горения газовой смеси в закрытом сосуде.
Труды краснознаменной ордена Ленина Военно-Воздушной
Академии им. И. Е. Жуковского. Выпуск 180, 1947.
7. В К. Кошкин. — Динамика процесса сгорания в быстроход-
ном дизеле.
Докторская диссертация. Ученый совет МАИ. 1947.
8. В. П. Карпов. — Основы технической термодинамики.
Машгиз 1948.
9. G. Rassweiler, L. Withrow and W. Cornelius — Engine Combu-
stion and Pressure Development.
S. A. E. Journal 1940, Vol. 46, № 1.
10. G. Damkohler — Der Einfluss der Turbulenz auf die Flamenges-
chwindigkeit in Gasgemische. Zeitschrift fur Glektrochemie.
1940, Bd. 46, № 11.
47