Процессы сгорания в двигателях - Кошкин В.К., Иноземцев Н.В.

Автор: Кошкин В.К. Иноземцев Н.В.

Теги: двигатели двигатели внутреннего сгорания

Год: 1949

Похожие

Введение в химмотологию

Судовые силовые установки речного флота (труды ЦНИИРФ)

Двигатели армейских машин. Часть 1. Теория.

Сильнее Геркулеса

Текст

Н.В.ИНОЗЕМЦ.ЕВ, В.К.КОШКИН
ПРО1 ЕССЫ СГОРАНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ
МАШ ГИ 3
1д4д
4
Л9в1 Г,’
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА АВИАЦИОННЫЙ
имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
Н. В. ИНОЗЕМЦЕВ, В. К. КОШКИН
ПРОЦЕССЫ СГОРАНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ
Под общей редакцией Н. В. ИНОЗЕМЦЕВА
Гкиавсний Институт *
KBB-rW'K.'-H
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 1949
Настоящая работа представляет монографию, посвя-
щенную исследованию процессов сгорания в двигателях.
Данная работа может служить пособием для уточ-
ненного теплового расчета и правильной оценки дей-
ствительного протекания прсцессов в быстроходных
двигателях.
Книга предназначена для инженерно-технических
работников конструкторских отделов автомобильных и
авиационных заводов, научно-исследовательских инсти-
тутов, а также студентов, специализирующихся в обла-
сти двигателей.
Рецензенты: проф. Б. Г. Либрович и проф. А. С. Орлин
Редактор проф. В. И- Сороко-Новицкий
Главная редакция
литературы по автотракторной промышленности
Главный редактор инж. В. В. БРОКШ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная монография посвящена исследованию процессов сгорания
в двигателях. В работе излагаются основные положения современной
теории сгорания, разработанной советскими учеными, приводятся экспе-
риментальные материалы по сгоранию в двигателях и делаются попытки
использования некоторых общих соотношений теории горения и хими-
ческой динамики для описания суммарного протекания процессов сго-
рания в двигателях.
Авторам книги пришлось не только систематизировать имеющуюся
техническую литературу по вопросам сгорания в двигателях, но и до-
полнительно провести ряд теоретических и экспериментальных исследо-
ваний.
Для расчета процессов сгорания наиболее важной характеристикой
является изменение скорости тепловыделения в период сгорания. Зна-
чения этой скорости в двигателях могут быть получены ресчетным пу-
тем лишь на основании подробного изучения процесса сгорания с уче-
том всех факторов, определяющих развитие процесса по времени (кине-
матика химических реакций, газодинамические явления, испарение,
смесеобразование и др.).
Однако современное состояние теории сгорания еще не позволяет
решить эту задачу в таком общем виде. Поэтому в технических целях,
как это часто делается при исследовании сложных химических процессов,
Для суммарного расчета скорости тепловыделения в дизелях были исполь-
зованы общие соотношения химической динамики и теории сгорания.
В отношении этого метода, подробно изложенного в § 6 и 9 на-
стоящей книги, необходимо сделать следующие весьма существенные
замечания:
1- В связи с тем, что метод суммарного расчета процесса предусма-
тривает использование ряда эмпирических коэфициентов и величин, этот
метод следует отнести к экспериментальной теории сгорания в двига-
телях.
2. Метод суммарного описания динамики сгорания не позволяет
вскрыть отдельных стадий процесса и влияния на них ряда факторов.
3
3. Метод описания процесса сгорания в дизелях с помощью некото-
рых кинетических соотношений не указывает на исключительно хи-
мическую природу преобразования в процессе сгорания, так как кон-
станты, входящие в эти соотношения и полученные опытным путем,
отображают не только химический характер процесса, но и воздействие
на процесс физических факторов.
4. Метод суммарного расчета процесса лишь ориентировочно опи-
сывает динамику сгорания в двигателе и не может рассматриваться как
строгий теоретический метод расчета процесса сгорания.
5. Дальнейшие подробные исследования процессов сгорания в дви-
гателях должны привести к более строгой теории этого вопроса.
Проведение работ по исследованию процессов сгорания в двигате-
лях представляет большие трудности. Поэтому авторы просят все кри-
тические замечания по данной работе направлять по адресу: Москва,
171, почтовый ящик 4023.
Авторы приносят благодарность проф., д-ру техн, наук Б. Г. Либро-
вичу и проф., д-ру техн, наук А. С. Орлину за ценные указания,
сделанные при просмотре работы, а также инж. А. М. Шведову,
Г. М. Гольдбергу и И. П. Гонтаревой за помощь при проведении экспе-
риментальных исследований.
Н. Иноземцев
В. Кошкин
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ
ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
ГЛАВА I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ
До настоящего времени при теоретическом расчете рабочего про-
цесса и построении предполагаемой индикаторной диаграммы двигателя
пользуются тепловым расчетом, разработанным русским профессором
В. И. Гриневецким [1] и усовершенствованным трудами советских
ученых проф. Е. К. Мазинга [2] и проф. Н. Р. Брилинга [3] Этот
тепловой расчет, несмотря на его большое значение для двигателестрои-
тельной техники, сейчас не может считаться полноценным методом ис-
следования и расчета рабочего процесса, так как он ограничивается
определением конечных состояний на отдельных участках диаграмм,
совершенно не затрагивая вопроса о протекании процесса по времени
и не давая динамической картины наиболее важного процесса сгорания.
Расчет и исследование рабочего процесса в двигателях базировались
на положениях классической термодинамики. При этом для приближе-
ния расчетных циклов к действительным процессам в цилиндрах двига-
теля предполагалось наличие на линии расширения так называемого до-
горания топлива и, следовательно, неполного (в смысле окончания про-
цесса) сгорания на участках расчетного сгорания. Это учитывалось
в расчете выбором соответствующих значений коэфициента использова-
ния тепла £ и показателя линии расширения и2.
Указанные методы расчета рабочего процесса двигателя, основанные
лишь на определении параметров отдельных точек расчетной диаграммы,
не могут дать описания развития по времени действительного процесса
и вскрыть правильной картины динамики процесса сгорания. В действи-
тельном двигателе процесс сгорания топлива протекает во времени и
подчиняется определенным физико-химическим закономерностям. Изуче-
ние и исследование этого процесса могут быть произведены только на
базе современного аппарата физической химии, химической динамики и
газодинамики.
§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Процесс сгорания в двигателях представляет собой экзотермическую
Реакцию окисления топлива кислородом. С начала создания тепловых
Двигателей этот процесс является основным объектом для постоянных
----------
Основы теплового расчета воздушно реактивных двигателей заложены
проф. б. с. Стё чкиным.
5
исследований. В настоящее время мы располагаем обширным экспери-
ментальным материалом, освещающим различные вопросы, связанные
с развитием процесса сгорания топлива в двигателях. И все же до
настоящего времени процесс сгорания изучен далеко не достаточно.
Трудность в решении проблемы сгорания топлива в двигателях заклю-
чается в сложности этого процесса.
Сгоранию топлива в двигателях, как правило, предшествует некото-
рый скрытый период замедленной подготовки топлива —период задержки
воспламенения, в течение которого может происходить ряд сложных
физико-химических изменений. Непосредственный процесс окисления
топлива после начала сгорания представляет собой непрерывную слож-
ную смену целого ряда физических и цепи химических превращений,
промежуточные стадии которых накладываются друг на друга.
Характер развития процесса сгорания в двигателях в значительной
степени определяется рядом переменных физических факторов, к числу
которых относятся: температура, давление, объем смеси, а также явле-
ния газодинамики, диффузии и теплопередачи. Ко всему этому следует
добавить, что процессы сгорания в современных двигателях протекают
в чрезвычайно малые промежутки времени (тысячные доли секунды).
Данная общая характеристика процессов сгорания топлива в двига-
телях, подчеркивающая сложный характер реакций сгорания, под-
тверждается многочисленными экспериментальными работами большого
числа исследователей. Однако, несмотря на всю сложность процессов
сгорания, эти процессы в двигателях можно разбить по характеру раз-
вития на две основные группы.
К первой группе процессов сгорания в двигателях относятся такие
процессы, у которых самопроизвольное начало процесса сгорания то-
плива происходит вследствие высоких начальных температур окислителя
(дизели) или вследствие большой химической неустойчивости топлива,
которое при соприкосновении с окислителем начинает реагировать само-
произвольно без внешнего возбуждения (некоторые ракетные дви-
гатели). Эта группа процессов характеризуется, как правило, раздельным
поступлением топлива и окислителя в топочное устройство (камеру
сгорания). При развитии подобных процессов сгорания будут происхо-
дить сложные сочетания самых различных физико-химических явлений:
газодинамики, процессов перемешивания топлива с воздухом и химиче-
ской кинетики. При этом в зависимости от начальной температуры то-
плива и окислителя, конструкции камеры сгорания, типа и числа форсу-
нок, способов смесеобразования и пр. может иметь место преобладаю-
щее влияние на процесс сгорания гидродинамических факторов и
процессов перемешивания топлива и окислителя или факторов, связан-
ных с химическими превращениями.
Ко второй группе процессов относятся такие, у которых к началу
процесса сгорания имеется готовая гомогенная смесь топлива и окисли-
теля, воспламеняемая принудительным путем от электросвечи или нака-
ленного тела (карбюраторные двигатели, некоторые типы двигателей
с непосредственным впрыском легкого топлива).
Развитие процессов сгорания этой группы характеризуется двумя
различными явлениями: во-первых, при сгорании гомогенной газовой
смеси будут иметь место химические процессы окисления топлива, проис-
6
ходящие как в тонком слое фронта пламени, так и частично за ним;
кО-вторых, горение гомогенной газовой смеси будет сопровождаться
движением фронта пламени по пространству сгорания, зависящим от
газодинамических факторов. Поэтому полное описание подобных про-
цессов сгорания может быть получено путем рассмотрения всего про-
цесса сгорания как одновременного сочетания двух процессов: хими-
ческого и газодинамического. Для точного определения закона сгорания
в этом случае необходимо применить совместное решение уравнений
химической динамики и уравнений движения газовой смеси.
Между этими двумя основными типами процессов сгорания в двига-
телях могут происходить и различные промежуточные процессы, особый
характер протекания которых зависит от конструктивных особенностей
двигателя. Например, процессы сгорания в воздушно-реактивных двига-
телях, где имеют место раздельная подача топлива и окислителя и при-
нудительное зажигание смеси.
Таким образом, изучение процессов сгорания в современных двига-
телях и получение математического аппарата для расчета этих процессов
требуют в общем случае как применения современных положений хими-
ческой динамики, так и привлечения соответствующих положений газо-
динамики.
В исследовании процессов сгорания в двигателях отечественная наука
завоевала бесспорный приоритет по выдвинутым ею фундаментальным
научным положениям современной теории сгорания. Поэтому при даль-
нейшем изложении вопросов, связанных с теорией и расчетом процессов
сгорания в двигателях, основой для исследований служат научные работы
советских ученых.
§ 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ СГОРАНИЯ
Теоретические положения химической динамики базировались на
законе действующих масс и теории активации, при помощи которых
расчет кинетики химических реакций строился на следующих общих
уравнениях.
Если имеется реакция вида
аА-\-ЬВ сС-\-dD, (1)
то скорость превращения этой реакции определится как
= (2)
где С— текущие концентрации реагентов;
К— постоянная, называемая константой скорости, определяется по
уравнению
, (3)
ГДе — энергия активации;
Т— температура процесса.
7
Общее выражение для скорости реакции в относительных количе-
ствах реагирующих веществ:
Qa
= , (4)
где л=2— для бимолекулярных реакций;
я=1—для мономолекулярных реакций;
х — относительное количество прореагировавшего вещества к дан-
ному моменту времени.
Дальнейшее развитие кинетических исследований показало, что
многочисленные реальные химические реакции, представляющие собой
сложные процессы, слагающиеся из ряда элементарных стадий, не мо-
гут быть описаны уравнениями кинетики, основывающейся на понятиях
моно-, би- и полимолекулярных реакций.
В таких сложных реакциях также наблюдается зависимость скорости
реакции от температуры, причем эта зависимость часто может быть
Qa
представлена в виде аналогичной показательной функции типа е .
Однако Qa в этом случае не всегда будет иметь простое значение те-
плоты активации. При наслоении нескольких стадий реакции в различных
интервалах температур могут преобладать превращения с различными
механизмами. Вследствие этого могут возникнуть и различные зависи-
мости скорости реакции от температуры.
В подобных случаях, если и обнаруживается степенная зависимость
скорости реакции от температуры, величину Qa следует определять
как „кажущуюся" теплоту активации.
Эксперименты показывают, что многие химические реакции в своей
кинетике обнаруживают ряд особенностей и не только не следуют выше-
упомянутым простым законам, но иногда даже противоречат им. Эти
особенности реальных химических процессов заключаются, как выясни-
лось в дальнейшем, главным образом в появлении в ходе реакции про-
межуточных продуктов.
Наиболее широкое изучение кинетики сложных химических процес-
сов произведено советскими учеными. За последние десятилетия советские
ученые (акад. Н. Н. Семенов и его школа) дали глубокую теоретическую
разработку кинетики сложных реакций и создали новую, признанную во
всем мире цепную теорию химических процессов [4, 5].
Согласно этой теории большинство химических реакций является
реакциями цепными. Цепной процесс является случаем химического пре-
вращения, при котором конечный продукт реакции получается за счет
взаимодействия исходного реагента с промежуточным продуктом.
Современная теория химической динамики дает характеристику не-
скольких типов химических процессов.
Теория формального автокатализа в общем случае для изотермиче-
ских процессов может быть представлена уравнением
Яг
= (5)
8
где X— относительное количество прореагировавшего вещества (катали-
зирующего продукта);
п — постоянные.
Эта формула химической динамики справедлива для автокатализа
конечным продуктом, но может быть также применена и к случаю авто-
катализа промежуточным продуктом в цепной реакции при условии, что
Промежуточный продукт обладает достаточной степенью стабильности.
При анализе уравнения (5) видно, что для автокаталитических про-
цессов весьма существенным является величина начальной концентрации
катализирующего продукта, без наличия которого процесс вообще
начаться не может. Поэтому уравнение (5) может быть справедливо
при условии т = 0 при х0 У 0.
В дальнейших исследованиях Семенова [4, 6] было показано, что
в случае чисто цепного изотермического процесса, не осложненного
энергетическими воздействиями выделяющейся теплоты, химическая
динамика может быть описана уравнением, аналогичным по форме
уравнению формального автокатализа. Эти процессы по существу
представляют собой случай химических процессов, когда последние
могут автоускоряться путем изотермического разветвления цепей. Эту
группу процессов Семенов [4] называет чисто цепным взрывом. Кинетика
таких процессов может быть представлена формулой
(6)
где х — относительное количество конечного продукта;
Кй и Ki — постоянные.
Уравнение (6) может быть применено для цепных процессов, считая,
что Ко пропорционально начальной затравке [7].
- Дальнейшим типом цепных процессов являются комбинированные
процессы цепочно-теплового взрыва, наиболее отвечающие реакциям
горения и взрывов. Этот тип химических процессов представляет собой
более общий случай цепного процесса, осложненного энергетическими
воздействиями выделяющейся теплоты, приводящей к повышению тем-
пературы (экзотермические реакции горения).
Большинство реальных химических реакций представляет собой сово-
купность целого ряда элементарных стадий и подчиняется значительно
более сложным закономерностям, нежели моно- и бимолекулярные
законы.
В работах Семенова [5] для многих случаев реакций горения в кис-
лороде и в воздухе приводится диференциальное уравнение для сум-
марного описания кинетики процесса:
Оа
^^=K1(l-x)xe~RT, (7)
которым может быть обобщен весь ход превращений
Для многих сложных реакций горения в данном уравнении, явля-
ющемся по существу уравнением автокатализа первого порядка, кон-
станта не имеет обычного кинетического толкования, а величина Qa
представляет сумму энергий активизации элементарных процессов,
составляющих данную сложную реакцию.
9
В общем случае для комбинированных процессов цепочно-теплового
взрыва обычные уравнения автокатализа необходимо дополнить уравне-
ниями теплопередачи и закона Аррениуса. Однако решение системы
таких уравнений наталкивается на большие математические трудности
и может быть получено в законченном виде только лишь для некоторых
частных случаев.
По теории Акулова [7, 8, 9] скорость реакции зависит не только
от концентрации различных веществ, присутствующих в реагирующей
системе, но и от характера развития процесса по времени. Другими
словами, любой химический процесс рассматривается в виде совокупности
двух одновременных процессов—процесса автокатализа или распростра-
нения реакции из возникающих центров, и процесса автогенезиса, возни-
кающего при наложении энергетического ускорения на цепное ускорение.
Положив в основу уравнение динамики изотермического цепного
процесса
^==Аоп(со-х), (8)
где п — количество промежуточного продукта,
и выражая количество промежуточного продукта через относительное
количество прореагировавшего продукта как
й = «о+^+М2 + -- ,
получим из выражения (8) в окончательном виде уравнение химической
динамики
^=А'0(«о4-М + ^2+---)-(со —х) (9)
или после интегрирования и ряда преобразований
° Ио + WjX -f- + Пз№ '
где т — время процесса, начиная от момента соприкосновения реаген-
тов;
х — относительное количество уже прореагировавшего вещества по
отношению к максимально возможному;
(1 — х)— относительное количество еще непрореагировавшего реагента;
Кй — постоянная, называемая константой реакции;
п0, nlt п2, ns и т. д.—постоянные.
Проблема создания теории сгорания тесно связана с развитием
учения о химической динамике. Основы современной теории сгорания
исходят из предположения о цепном характере горения, на который
обратил внимание еще Д. Менделеев [10], исследуя механизм сгорания
окиси углерода. Основным результатом, характеризующим цепное
развитие процесса, является возникновение в ходе горения промежуточ-
ного продукта. Каждый химический процесс, в том числе и процесс
сгорания, представляет собой совокупность ряда превращений, в течение
которых происходит возникновение промежуточных неустойчивых соеди-
нений. Изучение этих неустойчивых промежуточных продуктов и является
одной из самых сложных и трудных проблем современной химической
динамики [11].
10
Первенствующее место в создании современной теории сгорания
принадлежит советской школе исследователей. Фундаментальные работы,
в особенности в области газовых реакций [4, 5, 6, 12, 13, 14, 15],
показали, что подавляющее большинство реакций, особенно реакций
горения, идет по цепному механизму.
В последние годы в работах советских ученых появились многочислен-
ные попытки представить результаты этих исследований в виде некоторых
законченных теорий сгорания и распространения пламени в горючих газо-
вых смесях. Зельдович и Франк-Каменецкий [14, 12] развили теорию
о тепловом распространении пламени в ламинарном потоке. В основу своей
новой теории теплового распространения пламени авторы положили метод,
согласно которому кинетика химической реакции выражается как
функция температуры и концентрации реагирующих веществ. Авторы в
создании своей теории применяют метод подобия полей концентраций
и температур и при некоторых упрощающих предположениях (равенство
коэфициентов температуропроводности и диффузии, отсутствие тепло-
передачи излучением и пр.) получают аналитические выражения для
нормальной скорости распространения пламени относительно исходной
смеси. При этом авторы не рассматривают сложные химические про-
цессы цепного характера, а ограничиваются рассмотрением лишь простей-
ших кинетических схем.
Так, для реакций первого порядка нормальная скорость распростра-
нения пламени относительно исходной смеси, по Зельдовичу и Франк-
Каменецкому [14], имеет выражение
и = ]/_2W~ . (]1)
0 ' ?0Нсм(Тг-Т0)\ Qal
Для реакции второго порядка
I/ 4^ RTa0
Г ^см{Тг-Тоу
(12)
В этих формулах:
Тг— теоретическая температура горения;
^1 — коэфициент теплопроводности продуктов реакции при темпера-
туре Tz ;
“ел — теплотворная способность смеси;
Т'о — температура исходной смеси;
Qa — теплота активации;
R — газовая постоянная;
— константа скорости реакции первого порядка;
^2 — константа скорости реакции второго порядка;
со — начальная концентрация реагирующего вещества.
В исследованиях Зельдовича и Семенова [15] теория распростране-
ния пламени получила дальнейшее развитие. В этой работе было
Рассмотрено протекание цепных процессов при сгорании и дано обосно-
вание метода стационарных концентраций в применении к реакциям,
11
протекающим в пламенах, с одновременным анализом реакций с раз-
ветвленными цепями. В результате исследования получены методы
определения скорости пламени из уравнений диффузии, теплопровод-
ности и химической кинетики и приводятся формулы скорости
пламени.
В отдельном исследовании Семенов [5] дает систематическое изложе-
ние современного учения о процессах горения и взрывов. В этой работе
Семенов рассматривает процессы теплового воспламенения и горения,
дает критику старых теорий распространения пламени и разви-
вает новую теорию. В старых теориях распространения пламени исхо-
дили из двух предположений: 1) смесь начинает реагировать по дости-
жении температуры самовоспламенения; 2) смесь реагирует с постоянной
скоростью.
Однако температура самовоспламенения не является величиной
постоянной, а зависит от условий опыта и в первую очередь от условий
теплообмена. Поэтому в новой теории распространения пламени рас-
сматривается температура самовоспламенения не как физическая
константа, а как некоторая переменная величина того значения тем-
пературы, ниже которого реакция не успевает происходить вовсе. Кроме
того, предполагается, что скорость реакции изменяется от температуры
по закону
w = Se кт , . (13)
где S — константа скорости.
На основании материального баланса расхода вещества вследствие
реакции и притока вещества как вследствие потока газа, так и вслед-
ствие диффузии Семенов получает диференциальное уравнение, описыва-
ющее процессы горения во фронте пламени,
а . а
— d
---—W = 0, (14)
где z — координата фронта пламени;
а —текущая концентрация топлива в смеси;
р — плотность газа при данной температуре;
и — скорость газа относительно фронта пламени внутри зоны го-
рения при данной температуре;
D — коэфициент диффузии;
_<?«
® = Капе ЯТ — скорость соответствующей реакции, выраженная в
количестве молекул топлива, прореагировавших за еди-
ницу времени в единице объема.
Последнее уравнение получено в результате анализа одновремен-
ного влияния на развитие процесса горения явлений диффузии, тепло-
проводности и химической кинетики. Интегрирование этого уравнения
при определенных условиях приводит к общему уравнению
(15)
12
где срТ — тепло, содержащееся в единице массы смеси;
а — число молекул топлива в единице объема;
Q' — энергия, выделяющаяся при химической реакции одной
молекулы;
у Т и Тг — начальная температура исходного газа, текущая температура
в ходе сгорания в разных точках зоны пламени и макси-
мальная температура сгорания без учета теплопотерь;
л0, а — числа молекул в единице объема горючего вещества в
исходной холодной смеси и в разных местах зоны горения;
р0, р — плотности газа при температурах То и Т.
В заключение Семенов дает количественное выражение для нормаль-
ной скорости распространения пламени и сопоставляет полученные
теоретические зависимости с экспериментальными результатами.
Общее выражение для нормальной скорости распространения фронта
пламени имеет вид
«о =
2Хк> #I г
Qa
16)
где w— скорость химической реакции, зависящая от температуры
по уравнению (13).
В случае мономолекулярной реакции скорость реакции определяется
уравнением
w = Kxae RT, (17)
а нормальная скорость распространения пламени — и0, т. е. скорость
движения фронта пламени относительно холодного несгоревшего газа
по нормали к поверхности фронта в данном месте определяется урав-
нением
Для бимолекулярной реакции
w = К2а2е Rr ,
и нормальная скорость распространения пламени
(18)
(19)
(20)
Во всех этих формулах:
Л> — начальная температура исходного газа;
— теоретическая температура сгорания без учета теплопотерь;
со—число молекул в единице объема горючего вещества в исходной
холодной смеси (начальная концентрация);
— коэфициент теплопроводности газа;
ср теплоемкость единицы массы газа при р — const;
13
р0 — плотность газа при температуре То;
и0— нормальная скорость распространения пламени;
Н — теплотворная способность (теплота сгорания) исходной горючей
смеси;
Qa — энергия активации, характерная для данного топлива;
R — газовая постоянная;
— константа скорости реакции первого порядка;
К2 — константа скорости реакции второго порядка.
Попытки создания теории горения на основе цепной теории даются
и в работах Акулова [7, 8, 9, 16]. В этих работах исследуются основ-
ные вопросы сгорания газовых горючих смесей: определение времени
задержки воспламенения и взрывов как функции давления и темпера-
туры, определение границ области самовозгорания, включая все три ее
предела.
Акулов [16] рассматривает два состояния химически активных газов:
1) состояние пассивности, когда реакция в данных условиях не может
возникнуть самопроизвольно, и 2) состояние автогенезиса, когда реак-
ция, спустя некоторое время задержки, может возникнуть самопроиз-
вольно по всему объему газа.
Состояние пассивности рассматривается для двух случаев: 1) состоя-
ние гашения реакции или безопасности, когда реакция, созданная
в некоторой части газовой смеси, не может распространяться на сосед-
ние области и через некоторое время затухает, и 2) состояние рас-
пространения реакций или горючести, когда зона, где идет реакция,
начинает распространяться из предварительно созданного центра с не-
которой скоростью и.
Состояние же автогенезиса делится на область самовозгорания и
область взрывов или детонации.
Для расчета скорости распространения фронта пламени относительно
газа Акулов дает следующее исходное соотношение:
= (21)
где L — ширина зоны пламени, т. е. расстояние между слоем газа, где
реакция начинается, и слоем, где она кончается;
а — коэфициент пропорциональности;
т;— период запаздывания воспламенения (период индукции), связан-
ный с химизмом протекающих реакций.
Период задержки воспламенения т£ может быть определен путем
рассмотрения химического процесса как процесса цепного.
В результате исследования даются общие диференциальные урав-
нения горения газовых смесей, условия самовозгорания и условия
распространения пламени, а также проводится анализ всех трех преде-
лов воспламенения и взрыва.
В последние годы получили большое распространение работы, по-
священные турбулентному горению газовых гомогенных смесей. Горе-
ние газовых смесей в действительных условиях всегда осуществляется
при наличии турбулентности потока. Поэтому весьма существенно изу-
14
чить законы турбулентного горения в зависимости от свойств газового
потока-
При теоретических исследованиях турбулентного горения могут быть
пассмотрены два характерных типа турбулентного потока, определяю-
щихся масштабом турбулентности. В первом типе при большом масш-
табе турбулентности теоретические исследования исходят из того, что
турбулентность крупного масштаба увеличивает поверхность фронта за
счет деформации его, в результате чего увеличивается общая скорость
сгорания. Методы определения скорости сгорания в этом случае строятся
на предположении неизменяемости нормальной скорости распростране-
ния фронта пламени и увеличении лишь поверхности фронта или уве-
личении нормальной скорости за счет осреднения поверхности фронта
при турбулентном горении. Во втором типе при мелкомасштабной тур-
булентности в теоретических исследованиях предполагается увеличение
нормальной скорости горения за счет микротурбулизаций в зоне пла-
мени^
К подобным исследованиям, дающим качественные характеристики
турбулентного горения газовых смесей, относятся работы целой группы
советских ученых, например исследования Франк-Каменецкого [17],
Щелкина [18], Бугрова [19] и др.
В теоретических исследованиях Франк-Каменецкого рассматривается
метод описания турбулентного горения, при котором фронту пламени
приписываются определенное среднее положение и „толщина", а ско-
рость сгорания предполагается увеличенной за счет определения по-
верхности фронта.
При этом для определения такой скорости турбулентного сгорания
дается следующее выражение:
где I—масштаб турбулентности;
и — средняя квадратичная пульсационная скорость;
т—время сгорания.
Щелкин также проводит исследование процессов сгорания в турбу-
лентном потоке и дает выражения для скорости распространения пла-
мени для двух случаев малого и большого масштабов турбулентности
по сравнению с шириной фронта пламени. В результате исследования
Щелкин делает выводы, что при сильной турбулентности по мере роста
масштаба турбулентности до величины, сравнимой с шириной фронта
пламени нормального горения, скорость реакции сгорания во фронте
пламени начинает определяться смешением, т. е. диффузией.
Ландау и Лифшиц [20] дают наиболее общее изложение теорети-
ческих основ гидродинамики процессов горения готовых топливовоз-
Душных смесей, воспламеняемых от постороннего источника. Отвлекаясь
°т описания собственно химического процесса, Ландау и Лившиц дают
общенное толкование детонационного сгорания как результата воз-
никновения и движения ударной волны и следующего за ней фронта
пламени. При достаточно больших характеристических размерах фронта
г°рения можно рассматривать ударную волну вместе со следующим
а ней фронтом пламени как одну поверхность разрыва, отделяющую
1S
несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Такую поверхность
разрыва авторы называют детонационной волной и рассматривают гидро-
динамические условия ее распространения.
Бугров провел широкое экспериментально-теоретическое исследова-
ние процессов сгорания газовых смесей для случая турбулентного горе-
ния и дал подробное гидродинамическое исследование изменения ско-
рости горения смеси, скорости движения несгоревшей смеси перед
фронтом пламени, скорости перемещения поверхности фронта пламени
относительно стенок сосуда, а также изменения температуры и давления
смеси по мере ее горения в закрытом сосуде.
В частности, для нормальной скорости сгорания в турбулентном
потоке Бугров дает следующее приближенное уравнение:
«о туръ. — ий jX-[geo ’ (23)
где п0 — нормальная скорость распространения фронта пламени для
ламинарного течения;
Re — критерий Рейнольдса.
В работе Бугрова приводится приближенное диференциальное урав-
нение поверхности фронта пламени, которое проинтегрировано им как
в общем случае, так и для различных частных случаев распространения
фронта пламени. В частности, Бугровым даются уравнения фронта пла-
мени для ламинарного и турбулентного потоков газа и приводятся экспе-
риментальные данные по исследованию горения бензиновоздушной смеси
в данной трубе.
Наконец, в последнее время в связи с изучением процессов сгора-
ния в камерах воздушно-реактивных и жидкостных ракетных двигате-
лях теория сгорания дополнилась теоретическими работами советских
ученых по диффузионному горению. Эти работы основываются на теории
микродиффузионного горения смеси, рассматривающей одновременно
явления смешения топлива и воздуха и сгорания.
К числу таких работ можно отнести исследования Франк-Каменец-
кого [17] и др.
По теории Франк-Каменецкого в случае молекулярной диффузии
скорость сгорания выразится как
v~-^VlDu, (24)
и в случае турбулентной диффузии
где / — масштаб турбулентности;
о — средний размер объемов, на которые раздроблено топливо
в воздухе;
D — коэфициент диффузии;
и — средняя квадратичная пульсационная скорость.
В теории диффузионного горения процесс сгорания рассматривается в
виде сочетания процесса смешения топлива с окислителем и собственно
16
ения и даются методы определения кинетической и диффузионной
Г°Р оСТей сгорания и времени этих процессов.
СК°Приведенный краткий обзор основных положений химической дина-
ми и теории сгорания дает общее представление о возможных мето-
М х описания различных химических процессов и процессов сгорания
Д пючих газовых смесей. Однако непосредственное применение всех
Газобранных общих методов теории горения к анализу процессов сго-
яния в двигателях встречает большие затруднения. Даже в двигателях
с заранее подготовленной гомогенной топливовоздушной смесью и при-
нудительным зажиганием процесс сгорания сильно осложняется целым
рядом дополнительных факторов, меняющихся в ходе процесса. Особые
условия для горения создаются в дизелях, где образование смеси осу-
ществляется при температурах выше температуры самовоспламенения
топлива и процесс смешения топлива с воздухом происходит непо-
средственно в период сгорания, а также в воздушно-реактивных дви-
гателях, в которых процесс сгорания осуществляется путем непрерыв-
ной подачи топлива в горящий факел.
Поэтому исследование процессов сгорания, происходящих непосред-
ственно в двигателях, и создание теоретических основ для расчета этих
процессов требуют в дополнение к существующим положениям теории
сгорания большого экспериментального материала, позволяющего уточ-
нить действительный характер происходящих в двигателе физико-хими-
ческих преобразований и воспользоваться рядом опытных данных.
В связи с этим, прежде чем перейти к изложению теоретических
методов приложения современной теории сгорания к расчету процесса
сгорания в двигателях, рассмотрим методы экспериментальных исследо-
ваний динамики процесса сгорания в двигателях и приведем опытные ма-
териалы, освещающие развитие этого процесса в различных двигателях.
§ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ
ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ
Для исследования динамики процесса сгорания в двигателях можно
применить несколько экспериментальных методов.
1. Измерение давлений в газе, заключенном в цилиндре двигателя,
с последующим исследованием динамики процесса по линии давления,
протекающей во времени. Так как весь процесс сгорания в быстро-
ходном двигателе занимает очень небольшое время, исчисляемое тысяч-
ными долями секунды, то при этом приборы, записывающие столь
ыстрое изменение давления в процессе сгорания по времени,—индика-
торы давления — должны обладать почти полной безинерционностью.
Для индицирования современных быстроходных двигателей применяются
основном два типа индикаторов давления: электропневматические
ровИКаТОРЬ1’ пРеДставляют переходный тип от инерционных индикато-
к безинерционным, и электрические индикаторы давления электро-
ин Стантного, электро-пьезо-кварцевого, электроемкостного и электро-
рами ЦИ°НН0Г0 типов» являющиеся практически безинерционными прибо-
при применении катодного осциллографа.
нИя Следование динамики процесса сгорания по данным линии давле-
Не Дает возможности вскрыть подробную картину цепи химических
Процессы сгорания в двигателях 38!
17
> 1СНЧ
«¥ Irl
превращений, происходящих в действительном процессе. Однако по
данным линии давления можно дать общую характеристику динамики
процесса сгорания, вскрыть влияние ряда факторов на нее и определить
общую количественную и качественную картину превращения топлива
в конечные продукты реакции.
2. Измерение температур газов, заключенных в цилиндре двигателя,
с последующим исследованием динамики процесса по линии температур.
Приборы, записывающие изменение температур в течение процесса сго-
рания, должны обладать такой же безинерционностью, как и индика-
торы давления. Однако точное измерение высоких температур в быстро
протекающих процессах сгорания представляет еще большие трудности,
чем измерение быстро меняющихся давлений. Существует несколько
методов измерения температур в газах.
Во-первых, температуру процесса можно определить из линии да-
вления, если известен состав газов в каждый момент времени и если
предположить, что газ подчиняется законам идеального газа. В этом
случае второй метод исследования динамики процесса сгорания сводится
по существу к первому методу исследования процесса на основе линии
давления.
Во-вторых, существуют методы непосредственного измерения темпе-
ратур. Одним из таких методов является метод измерения температур
посредством термоэлемента или термометра сопротивления, разработан-
ный в НИДИ. Этот метод отличается значительной неточностью,
обусловленной инерцией основной части аппаратуры. Даже если попы-
таться уменьшить инерцию при измерении аппаратуры путем выбора
очень тонких проволок, то остаются еще другие источники ошибок.
В частности, сюда относятся ошибки, обусловленные теплоотдачей и
излучением. Излучение, особенно интенсивное при высоких температу-
рах, не может быть устранено даже путем выбора очень тонких про-
волок.
Так, например, при температурах газа 1600—1800° С и применении
проволок диаметром лишь в 0,025 мм в результате излучения между
проволокой термопары и окружающим газом может возникнуть разность
температур в 180—200° С.
Большая часть других методов непосредственного измерения темпе-
ратур основана на использовании свойств излучения.
Применяются также при исследовании процессов сгорания в двига-
телях внутреннего сгорания методы определения температур с помощью
спектрографирования.
Исследование характера кинетических превращений только по дан-
ным линии температур, так же как и исследование по линии давлений,
не дает возможности вскрыть подробную картину цепи химических
превращений, происходящих в реальном процессе сгорания. Основываясь
на исследовании линии температур, можно дать общую характеристику
динамики процесса сгорания, вскрыть влияние ряда факторов на нее и
дать общую количественную и качественную картину превращений
топлива в конечные продукты реакции, подобно тому как это можно
выполнить и на основе исследования линии давления. Однако имею-
щиеся исследования по измерению быстро меняющихся температур
говорят о том, что эти измерения не отличаются еще пока достаточной
18
чностью и надежностью по сравнению с методами измерения быстро
Т°няютихся давлений процесса сгорания.
Спектрографическое исследование процесса сгорания в карбюратор-
ном двигателе хотя и говорит о возможности использования этого
метода для измерения температур в двигателе, однако указывает на то,
что этот метод не обладает еще достаточной достоверностью, особенно
для оценки средней температуры всего газа, заключенного в камере
сгорания.
Что касается исследования динамики сгорания в камерах реактивных
двигателей, то здесь может быть с успехом применен способ непосред-
ственного измерения температур газа с помощью термоэлемента. В дан-
ных двигателях возможность использования этого метода объясняется
тем что при установившемся режиме работы камеры в различных ее
сечениях устанавливается поле температур, которое можно считать ста-
ционарным по времени.
Исследования температур в факеле пламени показали, что примене-
ние отсасывающего пирометра оказывается вполне пригодным для из-
мерения температур в факеле пламени и дает результаты, соответствую-
щие данным о температурах, полученным методом инверсии спектраль-
ных линий.
При исследовании динамики процесса сгорания в камере воздушно-
реактивного двигателя авторами также был применен метод термометрии
в потоке горящего пламени [21]. Согласно этим опытам применение
специальных термопар с экранами может дать результаты измерения
температур газа, весьма приближающиеся к действительным темпера-
турам.
Бугров [19] провел подробное экспериментальное измерение темпера-
тур горения газовых смесей с помощью термометров сопротивления из
вольфрамовой проволоки диаметром 10 р.
3. Метод фотографирования пламени в различные промежутки вре-
мени и исследование динамики процесса по полученным снимкам разви-
тия процесса. Сюда же можно отнести предложенный в последнее
время метод исследования быстро протекающих процессов с помощью
рентгенограмм.
Исследования процесса сгорания методом фотографирования, про-
веденные многими исследователями как непосредственно на двигателях
так и в бомбах, показали, что с помощью фотоснимков процесса сго-
рания можно вскрыть динамическую картину развития процесса и дать
некоторые качественные характеристики реакций.
С помощью фотографирования определяется одна из важнейших
характеристик процесса сгорания готовых газовых смесей — скорость
Движения пламени в камере сгорания. Метод фотографирования может
Дать ценные результаты, в особенности в том случае, если его до-
полнить параллельными исследованиями по индикаторной диаграмме
Давление — время.
Метод исследования процесса сгорания фотографированием получает
Значительное усовершенствование благодаря применению фотоаппара-
туры, позволяющей производить съемку процесса со скоростью 200 000
°льше кадров в секунду.
последнее время для изучения быстро протекающих процессов
19
начинают применяться методы непосредственного наблюдения за разви-
тием процессов с помощью рентгенографирования.
4. Метод проведения качественного химического анализа реакций,
протекающих в течение всего процесса сгорания. Этот метод позволяет
непосредственно установить природу и характер химических превраще-
ний и в свою очередь может быть осуществлен тремя способами: кине-
тическим, спектроскопическим и химико-аналитическим. Обзор этих
способов подробно дается в статье Семенова [11].
Кинетический способ, разработанный Семеновым и Эммануэлем [22],
заключается в исследовании активных промежуточных продуктов и со-
стоит в том, что из зоны реакции отбирается некоторая часть смеси,
содержащая промежуточные продукты реакции и добавляется к свежей
смеси, находящейся в другом сосуде. По изменению скорости реакции,
которое при этом получается, можно судить о значении активных про-
дуктов в отобранной части смеси. Однако для непосредственного ис-
следования кинетики процесса сгорания в двигателе применение этого
способа весьма затруднительно.
Второй способ спектроскопического исследования может дать значи-
тельно больше сведений о характере кинетических превращений в про-
цессе сгорания топлива в двигателе, особенно в отношении наличия
свободных радикалов в зоне реакции. Так, например, во многих иссле-
дованиях анализ процесса сгорания в двигателе основывается на спектро-
скопическом методе.
Наблюдение спектра горящего пламени является весьма точным
методом для исследования процессов превращения топлива, происходя-
щих в цилиндре двигателя. Однако так как при этом методе произво-
дится спектральный анализ излучаемого света, то та часть химических
превращений, которая совершается без световых явлений, остается не-
доступной для исследования. Большие затруднения встречаются также
при приведении спектра в соответствие с протеканием реакции. Кроме
того, присутствие ряда радикалов в зоне пламени, легко устанавливаемое
простым анализом спектра, испускаемого пламенем, еще не дает права
сделать вывод, что данный радикал принимает участие в химическом
механизме реакции. Этот радикал может образоваться вследствие обыч-
ной термической диссоциации благодаря высоким температурам, раз-
вивающимся в пламени.
Для доказательства того, что радикалы имеют значение в проме-
жуточных химических превращениях процесса сгорания, необходимо
спектроскопический метод сделать количественным с тем, чтобы изме-
рить концентрацию радикалов.
Наконец, третьим возможным способом изучения качественных пре-
вращений в химическом процессе является химико-аналитический способ,
заключающийся в непосредственном извлечении промежуточных про-
дуктов из зоны реакций, быстрым охлаждением (закалке) их для фиксиро-
вания состава в момент реагирования и последующем химическом анализе.
Этот метод, применимый только к достаточно устойчивым продуктам
химических превращений, может дать сравнительно широкое освещение
природы химической кинетики процесса сгорания топлива в двигателе.
При помощи специального газоотборника, производящего стробо-
скопический отбор газа из камеры сгорания, можно произвести доста-
20
точно подробный качественный анализ превращений реагентов в ходе
сгорания.
Впервые подобный метод был применен проф. Малеевым, который
исследовал рабочий процесс двухтактного дизеля в 1912 г. Подобный
метод изучения процесса сгорания в двигателях был применен в ряде
исследований [23 и др.].
Газ отбираемый в процессе сгорания из цилиндра двигателя, может
быть подвергнут различным методам химического анализа для устано-
вления природы промежуточных продуктов реакции сгорания. Так, на-
пример, можно применить полярографический метод для определения
промежуточных продуктов — органических перекисей — при исследова-
нии механизма образования холодного пламени бутана, а также ис-
следовании продуктов, образующихся в процессе сгорания в двигателе.
Для общей характеристики развития процесса сгорания отбираемые
продукты сгорания могут быть подвергнуты анализу в газоанализаторах.
Следует отметить, что перечисленные методы химического анализа
при помощи отбора промежуточных продуктов реакции создают для
экспериментатора большие трудности и требуют проведения тщательных
и трудоемких экспериментов. Однако в случае преодоления этих трудно-
стей при исследовании процессов сгорания топлива в двигателе газовый
анализ может дать результаты, вполне отвечающие поставленной задаче.
При дальнейшем исследовании динамики процессов сгорания в раз-
личных двигателях будут использованы опытные данные автора и ряда
исследователей, полученные с помощью всех вышеперечисленных экспери-
ментальных методов.
§ 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАКОНА СГОРАНИЯ В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ
Исследование процесса сгорания в технических целях заключается
в основном в определении результатов суммарного развития процесса
сгорания, т. е. в определении скоростей тепловыделения, характеризую-
щих качество процесса. Тепловыделение при сгорании по времени
определяется химическими превращениями реагентов и характеризует
собой закон сгорания Ч В зависимости от способа осуществления рабо-
чего процесса при определении закона сгорания в настоя щее время
могут быть применены различные методы экспериментального исследо-
вания. в поршневых двигателях при исследовании динамики процесса
сгорания наиболее достоверным и ценным в настоящее время следует
признать метод исследования, базирующийся на записи протекания
линии давления.
Однако для более полного вскрытия характера кинетических превра-
щений в процессе сгорания и проверки достоверности закона сгорания,
1 Г)
Ния“ 31 Ои KI™re, как и в предыдущих работах авторов, термин «закон сгора-
терМ1/ПОтРе^ляется Для краткого обозначения динамики тепловыделения. Этот
зыбпе* Отнюдь не может быть рассмотрен, как понятие, относящееся к не-
Наоб МОмУ закону, которому подчиняются всевозможные процессы сгорания.
фиЗИ1°РОт’ Динамика тепловыделения („закон сгорания") зависит от целого ряда
технич ХИМИЧеских Факторов, определяющих развитие сгорания в различных
ческих устройствах.
21
полученного по индикаторной диаграмме, может быть применен метод
качественного химического анализа с помощью стробоскопического от-
бора газов.
Наконец, совместно с анализом закона сгорания по индикаторной
диаграмме в поршневых двигателях с успехом может быть также исполь-
зован метод исследования линии сгорания при помощи стробоскопиче-
ского фотографирования.
Анализ индикаторной диаграммы двигателя
Перейдем к изложению метода анализа процесса сгорания по данным
индикаторной диаграммы.
Фиг. 1. Индикаторная диаграмма двигателя в координатах р = /(<?).
Пусть дана индикаторная диаграмма двигателя (фиг. 1), представляю-
щая зависимость давления газа р от угла поворота кривошипа <р, или,
что одно и то же, от времени т:
Р=/(?) или Р = Ф(Т)-
Методы первичной обработки индикаторных диаграмм достаточно
унифицированы [24]. С помощью индикаторной диаграммы, снятой
с двигателя, можно сравнительно просто определить количество тепла,
воспринимаемого газами. На основе первого закона термодинамики
применение этого метода дает возможность определить закон сгорания
топлива в дизеле [24, 25].
Тепло сгорающего топлива dQx за элемент времени может быть
представлено в виде суммы теплот
dQx = dU + Apd V + dQw dQa , (25)
где dU—изменение внутренней энергии газа;
ApdV—тепло, соответствующее механической работе расширения газа;
— потеря тепла на теплопередачу;
— потеря тепла на диссоциацию молекул продуктов, находя-
щихся в цилиндре двигателя в момент сгорания.
22
Преобразование этого уравнения приводит к интегральному выраже-
нию
QX = A f f prfV+Q^ + Q.
PoV Vo
(26)
При помощи последнего уравнения можно определять тепло, выде-
ляющееся при сгорании топлива, непосредственно из индикаторной
диаграммы двигателя.
Однако при обработке индикаторных диаграмм для получения более
тОчных результатов нужно вести расчет путем интегрирования по от-
дельным элементарным участкам индикаторной диаграммы, причем вели-
чина каждого участка не должна превышать 5—8° угла поворота
коленчатого вала (фиг. 1).
Тогда для каждого последующего момента времени тепло, выделяю-
шееся от сгорания топлива, может быть подсчитано по уравнению
п
q,=а 2 +al+> <27)
о
где pJVi и p2V2 — давления и объемы в начале и в конце рассматри-
ваемого участка индикаторной диаграммы;
L — работа газов от начала сгорания до конца рассматри-
ваемого участка индикаторной диаграммы;
k — среднее значение показателя адиабаты на участке;
Qw — тепло, отданное посредством теплопередачи в стенки;
Qa — потеря тепла на диссоциацию молекул газов.
Тепло Qx, выделяющееся от сгорания топлива для каждого момента
времени, может быть выражено в относительных долях от всего рас-
полагаемого тепла топлива:
Г п
+ £тГ + ^, (28)
О
где Во — количество топлива, подаваемого на каждый цикл, в кг-,
Ни — теплотворная способность топлива в ккал{кг.
Для полученного уравнения (28), принимаемого в дальнейшем за
закон сгорания, необходимо сделать следующее принципиальное заме-
чание. Уравнение (28) будет представлять собой действительный закон
сгорания только в том случае, если количество выделяющегося тепла
определяется полностью только исчезновением исходного реагента — то-
плива в каждый данный момент процесса сгорания.
В Действительности же при цепочно-тепловом характере процесса
сгорания количество выделяющегося тепла в каждый момент реакции
может не определяться количеством исчезнувшего исходного реагента —
топлива, а определяется ходом реакций промежуточных продуктов.
В этом случае протекание действительного закона сгорания не будет
тветствовать закону сгорания, определяемому по уравнению (28).
23
Точным уравнением закона сгорания в двигателе является уравнение
Qx
х= ,
Я>н
(29)
где b— количество промежуточных реагентов на участке;
Н — тепловой эффект промежуточного реагента.
Однако вследствие незначительной концентрации промежуточных
продуктов и относительно малых значений их тепловых эффектов вли-
яние на суммарный закон тепловыделения с учетом промежуточных про-
дуктов не будет значительным.
Поэтому уравнение (28) с достаточной степенью точности может
быть принято за закон сгорания.
Первый член в правой части формулы (28) представляет собой
тепла топлива, использованную рабочим телом и пошедшую на
нение внутренней энергии и совершение механической работы.
Обозначим эту долю через х{, тогда
„ А РчУъ — Р1^1 | J
1 Вони л-1 •
о
Доля тепла топлива, потерянная вследствие теплопередачи,
v ____________________________ Qin
ЬйНи
Доля тепла, расходуемая на диссоциацию газов,
<?«
х° ~ вони
долю
изме-
(30)
31)
(32)
При принятых обозначениях всех величин уравнение закона сго-
рания (28) примет вид:
(33)
где Xt—доля тепла, пошедшая на повышение внутренней энергии и
совершение работы на рассматриваемом участке;
xw— доля тепла, потерянная вследствие наличия теплопередачи на
этом же участке;
ха — доля тепла, пошедшая на диссоциацию молекул.
Долю тепла, пошедшую на изменение внутренней энергии рабочего
тела и совершение внешней работы (так называемый коэфициент ис-
пользования тепла), для каждого угла поворота коленчатого вала легко
подсчитать по формуле (30).
Доля тепла, ушедшая на теплопередачу, определяется также
по данным индикаторной диаграммы методом, разработанным Брилин-
гом [26] и примененным в дальнейшем в работах Шереметьева [27],
Дибрович и Брызгова [28], Иноземцева [24, 25].
Величина тепла ха, расходуемого на диссоциацию газов, может быть
определена известными методами, достаточно полно представленными
в трудах Иноземцева [24, 25].
Определяя для каждого угла поворота кривошипа значения xz, xw
и ха, можно найти для каждого участка доли тепла, полученные от
24
превшего топлива, т. е. подсчитать доли сгоревшего топлива и по-
поить закон сгорания по углу поворота кривошипа х = /(<р) или по
пемени х = ф1(т)- Таким образом, при помощи линии давления (инди-
аторной диаграммы) определяется закон сгорания топлива.
Пользуясь полученным законом сгорания, можно провести в даль-
нейшем кинетическое исследование процесса сгорания топлива в дви-
гателе.
Стробоскопический газовый анализ
Достоверность полученного выше закона сгорания может быть под-
тверждена стробоскопическим газовым анализом.
При помощи анализа проб газов, отбираемых специальными отбо-
рочными клапанами в течение весьма малых промежутков времени
(около 0,0005—0,0006 сек.), можно получить качественную и количе-
ственную характеристики превращений веществ в процессе сгорания
и тем самым сделать все исследование значительно более достоверным.
Кроме этого, стробоскопический газовый анализ дает более подробную
характеристику качественных превращений в процессе сгорания и осо-
бенно в период задержки воспламенения. С помощью стробоскопиче-
ского газового анализа можно определить относительный суммарный
закон сгорания независимо от данных индикаторной диаграммы.
В случае равномерного распределения смеси по камере по газовому
анализу для каждого момента процесса сгорания могут быть определены
количественные значения и концентрации всех реагентов, входящих
в смесь в данный момент. Будем считать, что конечными продуктами
сгорания в каждый момент являются СО2, Н2О и СО.
Введем следующие обозначения:
/Дсо2— текущие количества образующегося СО2
в молях;
/Пнао— текущие количества образующегося Н2О
в молях;
/Исо — текущие количества образующегося СО
в молях;
то,— текущие количества расходуемого О2 в молях;
Мсоа, Мню, Afco, Мо2 — количества СО2, Н2О, СО и О2 в молях
в конце процесса сгорания по стехиометрическим
соотношениям;
Т/со2, ННго, Нсо — соответствующие тепловые эффекты образо-
вания 1 моля СО2, НгО и СО.
Тогда для каждого момента процесса сгорания текущее количество
ВЬ1Делившегося тепла найдется по соотношению:
qx = /Исоа Tfco„ + «1н2о Т/н2о + игсо Т/со - (34)
Общее количество тепла, выделяющееся за процесс сгорания,
Qx = Л1соаТ/со2 + Л1наоТ/н2о- (35)
Закон сгорания по тепловыделению в этом случае определяется по
Уравнению
_ дх _ тсо,нсо, + ти;о "н,о + mCo со
Qx AtCOa/?COi + MHaO//HsO ’ 1 >
25
следствие этого — различная концентрация
Фиг. 2. Изменение количества кислорода
О2о/0 и СОао/о по углу поворота коленчатого
вала 1—Г — начало сгорания.
Если считать, что количество выделившегося тепла определяется
в каждый момент только исчезновением исходного реагента — топлива,
то, пренебрегая тепловыми эффектами промежуточных реакций, закон
сгорания может быть определен по нарастанию продуктов реакции или
по исчезновению второго исходного реагента — кислорода.
Однако исследования показывают, что в камере сгорания бывает
значительная неравномерность качества топливо-воздушной смеси и как
получающихся продуктов
в объеме камеры. Поэтому
непосредственное примене-
ние полученных выше вы-
ражений для закона сгора-
ния не может дать правиль-
ных результатов. Для этого
случая по стробоскопиче-
скому газовому анализу
можно найти частные за-
коны сгорания для отдель-
ных частей камеры сгора-
ния следующим образом.
Пусть на фиг. 2 пред-
ставлены замеренные газо-
вым анализом изменение О2
и нарастание СО2 в про-
цессе сгорания. Будем счи-
тать, что конец сгорания со-
ответствует максимальному
значению СО2, которое дол-
жно отвечать минимуму О2.
В случае полного сгорания для этого момента теоретическое коли-
чество СО2 может быть найдено по стехиометрическому соотношению
для сухих продуктов сгорания.
С
СО % полн = q-------------------- , (37)
|2 “Ь 0,79 ceT-q 0,21 (ct — 1)
где а — коэфициент избытка воздуха, определенный по данным газового
анализа для точки СО2 максимум.
Теоретическое количество воздуха в килограмм-молях найдется для
данного топлива по соотношению
^=й(4+4-£)- w
В этом случае частный закон сгорания по СО2 найдется по отноше-
ниям величин СО2тек, взятых из кривой газового анализа, к вели-
чине СО2полн за вычетом количества углекислоты, содержащейся в оста-
точных газах, COiOcm, т. е.
<39>
где СО2ост берется по данным газового анализа на линии сжатия.
26
Частный закон сгорания по кислороду найдется аналогичным образом
отношение текущего количества израсходованного кислорода О,2тек
тому максимально израсходованному количеству кислорода, которое
должно было быть при условии полного окисления всех составных
частей топлива.
Полный расход О2 найдется также ijo стехиометрическому соотно-
шению для сухих продуктов сгорания
12 4 *"
02ПОЛН = —Q * • (40)
-jj + O,79aLo 4-0,21 (a - 1) Lg
Следовательно, закон сгоранйя по кислороду найдется как отно-
шение 1
v (@2)тек /Д|\
Дальнейшее сопоставление частных законов сгорания, полученных из
превращений отдельных реагентов в данных местах камеры, с законом
сгорания, полученным по данным индикаторной диаграммы двигателя,
может указать на особенности развития процесса сгорания во времени
и в пространстве.
Анализ процесса сгорания с помощью фотографирования
Использование при исследовании процесса сгорания фотографии дает
возможность наглядно проследить за развитием процесса сгорания и его
динамикой в области свечения пламени.
Хотя развитие пламени и не является полным показателем начала и
конца химической реакции, все же оно может служить физическим
признаком развития реакции сгорания и характеризовать ее динамику.
До настоящего времени уже проведено большое количество иссле-
дований процесса сгорания в бензиновых двигателях с помощью фото-
графирования.
Для этих двигателей определение динамики сгорания с помощью по-
лученных фотоснимков заключается в нахождении объемов воспла-
мененной части смеси по отношению к общему объему смеси [29].
Динамика сгорания определится соотношением
* = (42)
* т.
где Vx — текущий объем воспламененной смеси, определенный по фото-
снимкам;
К — общий объем камеры в данный момент.
Определение объемов Vx и К производилось следующим методом,
каждого момента фотографирования делались гипсовые слепки
0 ъема пространства сгорания в натуральную величину. На верхнюю
верхность каждого слепка наносилось соответствующее положение
Фронта пламени с изображением площади воспламененной части смеси.
и теы слепок разрезался по границе поверхности воспламененной части
е части взвешивались. Процент по весу части слепка, прикрытый
27
изображением воспламененного газа, от веса всего слепка, т. е. суммы
двух разрезанных частей, и представляет собой величину, характеризу-
ющую динамику сгорания по уравнению (42).
Недостатком подобной оценки динамики сгорания является то обсто-
ятельство, что действительная конфигурация фронта пламени не всегда
точно отражается на фотоснимках. Кроме этого, снимки дают проекцию
воспламененных частей смеси и не дают правильного представления о
развитии фронта пламени по объему камеры сгорания. Наконец, полу-
ченная по фотоснимкам динамика сгорания все же не является действи-
тельным законом сгорания, так как по свечению пламени еще нельзя
судить о полном количественном превращении реагентов в этой части
смеси. Остаются также невыясненными процессы, предшествующие ви-
димому воспламенению.
Поэтому динамика сгорания, определенная по уравнению (42),
является лишь приближенным законом сгорания, характеризующим
в некоторой степени развитие процесса сгорания в цилиндре.
Для проверки полученного закона сгорания можно произвести сра-
внение его с законом сгорания, определенным по индикаторной диа-
грамме [29].
При этом используются два уравнения:
1 — 1
где и Pj — объем и давление газа в момент зажигания;
Ут и Дт2 — объем и давление газа в конце сгорания;
Vx и рт — общий объем и давление газа в данный момент;
п — показатель политропы;
А и С — постоянные, определяемые из уравнения (44) х.
Следует отметить, что для сравнения можно также использовать
метод определения закона сгорания по индикаторной диаграмме, изло-
женный ранее [уравнение (28)], а также по результатам стробоскопи-
ческого газового анализа [уравнение (36)].
Большое количество исследований процесса сгорания методом фото-
графирования проведено также в дизелях. Эти исследования показали,
что по полученным фотоснимкам можно наглядно проследить за каче-
ственным развитием процесса сгорания в дизеле.
1 Подробный метод определения постоянных А и С дан в работе Уитроу
и др. [29].
28
Однако в связи с тем, что в дизеле процесс сгорания, основанный
самовоспламенении топлива, протекает одновременно в различных
Н^Стях камеры, дать оценку количественному развитию процесса только
0 фотоснимкам процесса сгорания без специальных дополнительных
исследований, в частности спектрографических, не представляется воз-
можным.
Определение закона сгорания по температурам газа
В поршневых двигателях определение температур газа в процессе
сгорания посредством термоэлементов в настоящее время не дает поло-
жительных результатов. Поэтому измерение температур газов при сго-
пании в цилиндре поршневого двигателя сейчас базируется в основном
на методе спектрографического
исследования пламени.
Многие исследования показа-
ли что по спектрограммам про-
цесса сгорания может быть по-
строена линия температур. В этом
случае закон сгорания определится
обычными методами как отно-
шение
Qx
Х- В^Ни •
Фиг. 3. Изменение давления и темпе-
ратуры в камере сгорания по длине
камеры.
Следует отметить, что до на-
стоящего времени спектрографи-
ческое определение температуры
не отличается еще требуемой точностью, в особенности при оценке
средней температуры газа, заключенного в пространстве сгорания.
В камерах сгорания реактивных двигателей и газовых турбин иссле-
дование динамики сгорания может основываться на определении темпе-
ратур газа в потоке с помощью непосредственного замера специальными
термоэлементами.
При наличии поля температур газа в различных сечениях камеры
закон сгорания может быть определен следующим методом [30].
Допустим, что на фиг. 3 представлены давления и температуры
в камере сгорания, полученные непосредственным измерением (индика-
торная диаграмма) как функция длины камеры (^/-диаграмма).
Для бесконечно малого участка процесса количество выделившегося
пРи сгорании тепла в газовом потоке может быть найдено по уравнению
— du -J- Ad (р V) —AGd ( j dQw -J- dQa , (45)
где Tot
скорость течения потока в данный момент;
Р секундный расход газа.
дОлюУММа ПеРвых трех членов уравнения (45) представляет собой ту
Рабо Тепла> которая соответствует повышению внутренней энергии
ei ° тела и совершению работы против внешних поверхностных сил.
29
Преобразуем полученное уравнение (45):
dQ = GcydTA (pdV+ Vdp) 4 AGd (g) 4 dQw 4 dQa.
В этой формуле попрежнему сумма первых трех членов представляет
собой ту долю выделившегося тепла, которая пошла на повышение
внутренней энергии рабочего тела и совершение работы против внеш-
них поверхностных сил. Величина dQw представляет собой долю тепла,
потерянного на теплопередачу, a dQa представляет собой долю тепла,
затраченную на диссоциацию молекул тех продуктов, которые имеются
в камере в данный момент сгорания.
Величина Gcydl может быть заменена выражением
GcvdT— Gcvd I = -gd (pV)
GcvdT = (Pd И 4 Vdp)
Су Л
Я’T—i
или
А
GcydT = -—у (pdVVdp).
Кроме того, согласно основному соотношению газодинамики
4Grf(g) = — A Vdp.
Отсюда, подставляя полученные выражения в основное уравнение
тепла (45), будем иметь
dQ = (kpd V+ Vdp) 4 dQw4 dQa. (46)
Интегрирование дает
г р
Q-=k^ifpdV+AkhiJ‘ w + <?«>+ <?«• (47)
Ц. Ро
Закон сгорания будет определен по соотношению
Q
Grn^u
k -
где Gm — секундное количество топлива;
Ни — теплотворная способность топлива.
30
Обозначая
1
GmHu
A-k
Ak-
(49)
(50)
Qw
бт^и.
(51)
получим следующее выражение закона сгорания, аналогичное урав-
нению (33):
В этой формуле величина х представляет собой относительную долю
выделившегося тепла от всего секундного количества тепла, введенного
в камеру сгорания в виде топлива.
Величина хг представляет собой, так называемый, коэфициент ис-
пользования тепла, характеризующий собой ту долю секундного тепла,
вводимого в камеру сгорания в виде топлива, которая пошла на изме-
нение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы по
преодолению внешних сил сопротивления. Величина хт представляет
собой относительную долю тепла, потерянного благодаря эффекту те-
плопередачи, а хл характеризует ту относительную долю тепла, кото-
рая затратилась на диссоциацию молекул продуктов, имеющихся в мо-
мент сгорания в камере.
Конечно, терминология изменения величины х по времени процесса,
как „закон сгорания", означает не что иное, как динамику тепловыде-
ления.
Эту терминологию отнюдь не следует рассматривать, как какой-то
универсальный закон, вскрывающий истинный механизм процессов сго-
рания в двигателе.
Однако, развитие тепловыделения в камере является одной из ос-
новных технических характеристик процесса сгорания.
Вскрытие влияния на динамику тепловыделения различных факторов
может дать в руки конструктора материалы, необходимые для созда-
ния эффективного рабочего процесса двигателя.
Для использования приведенных уравнений при расчете закона сго-
рания индикаторная диаграмма pl, полученная из непосредственных
экспериментальных данных, должна быть перестроена в р V-диаграмму.
г,т° может быть сделано следующим путем.
Объем газа в начале сгорания найдется по уравнению
у G Gm (1 + д1р) (52)
31
где а — коэфициент избытка воздуха в камере;
Le — теоретически необходимое количество воздуха;
— удельный вес воздуха в начале сгорания, определяемого по
параметрам воздуха перед сгоранием.
Последующие объемы по сечениям
Р камеры найдутся по соотношению
Фиг. 4. pV-диаграмма рабочего
процесса в камере.
<53>
где р2 и Г2 — давление и температура
газа в текущих сечениях камеры.
По уравнению (53) может быть по-
строена рV-диаграмма (фиг. 4).
В р У-диаграмме слагаемые уравне-
г*
ния (48) j pdV и J Vdp представляют со-
и, Р1
бой площади L и L' (фиг. 4).
Поэтому определение закона сгора-
ния по диаграмме практически можно
вести по уравнению
х= g^h~u [лй—+ iL ] > (54)
где L и L' берутся непосредственно из рУ-диаграммы, Qw и Qa нахо-
дятся по уравнениям теплопередачи и физико-химического равновесия.
Для закона сгорания, определенного по уравнению (54), необходимо
иметь в виду замечания об условности этого закона как действитель-
ного закона сгорания, которые были сделаны выше при анализе ди-
намики сгорания по диаграмме давление — время в поршневых двигателях.
Закон сгорания в камере реактивных двигателей и газовых турбин
может быть найден также по данным стробоскопического анализа газов
для различных сечений камеры.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ
Современное состояние динамики химических реакций и теории сго-
рания, а также наличие надежного экспериментального материала, по-
зволяющего опытным путем определить закон сгорания в двигателях,
дают возможность создать инженерные методы расчета процесса сгорания
с учетом физико-химических преобразований этого процесса по времени
и тем самым теоретическим путем более точно определить протекание
параметров индикаторной диаграммы по времени.
Рабочий процесс в различных двигателях осуществляется разными
путями в зависимости от способа смесеобразования, способа воспламе-
нения, физико-химических параметров, конструкции двигателя, условий
развития процесса и т. д.
Поэтому физико-химические исследования процесса сгорания ка-
ждого типа двигателя должны вестись своими отличными методами и при-
вести для каждого типа двигателя к различным теоретическим соотноше-
ниям, использующим те или иные положения современной теории сгора-
ния и химической динамики.
В связи с этим в дальнейшем физико-химические исследования про-
цесса сгорания проводятся отдельно для различных типов двигателей.
ГЛАВА 11
•
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ
§ 5. КРАТКИЙ АНАЛИЗ ИМЕЮЩИХСЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Современное развитие быстроходных дизелей предъявляет к конструк-
торам их все большие требования в отношении рационального решения
конструкции современного быстроходного дизеля как мощного, ком-
пактного и экономичного теплового двигателя.
Одним из основных и наименее изученных звеньев в решении этой
проблемы является процесс сгорания топлива в дизеле. У дизелей про-
цессы смесеобразования и сгорания накладываются друг на друга. На
подготовку топлива к сгоранию и на процесс смесеобразования в дизе-
лях отводится чрезвычайно малое время.
Действительный процесс сгорания в дизелях представляет собой слож-
НЬ1Й комплекс различных физико-химических процессов, протекающих
Во премени, исследованию которых посвящено большое количество
опубликованных работ. Однако большая часть этих работ относится
исследованию частных особенностей процесса сгорания (например
ССлеДование начальных процессов испарения топлива, характеристика
3 Процессы сгорания в двигателях 3896 33
образования топливо-воздушной смеси, характер реакций при видимом
горении топлива, период задержки самовоспламенения, изменение да-
вления и температуры при сгорании и пр.).
Другая же, весьма небольшая часть работ относится к попыткам
дать общий кинетический анализ процесса сгорания на основе теории
химической динамики. Много работ [24, 25, 32, 31 и др.] посвя-
щено вопросам влияния различных факторов на процессы смесеобразо-
вания и сгорания топлива в быстроходных дизелях.
Сгорание в дизеле зависит как от качества самого топлива, так и в
значительной степени от процесса смесеобразования.
Воззрения на вопросы смесеобразования и испарения топлива в ди-
зеле на протяжении существования этого двигателя претерпели значи-
тельное изменение. В начальный период развития дизелестроения неко-
торые исследователи считали, что процесс сгорания топлива в дизелях
проходит четыре отдельные фазы: впрыскивание, испарение, воспламе-
нение и сгорание [33]. В дальнейшем многие исследователи пришли
к заключению, что процесс испарения не является обязательным для вос-
пламенения и горения топлива, вследствие того что процесс испарения
топлива перед воспламенением весьма незначителен. Согласно работам
этих исследователей установилось мнение, что процесс воспламенения
должен начинаться с наружной поверхности жидкой капли топлива.
Однако затем и эта точка зрения на горение топлива в жидкой фазе
подверглась критическому пересмотру благодаря целой серии новейших
исследований [24, 32, 35 и др.]. Эти работы, проведенные с большой
тщательностью, показали, что процесс испарения за период задержки
воспламенения и в период воспламенения и сгорания имеет большое
значение. Было доказано с несомненностью, что процесс испарения
капелек топлива должен иметь существенное значение в процессе
сгорания.
Фотографирование процессов впрыска и сгорания топлива в дизеле,
проведенное рядом исследователей, подтвердило предположение о том,
что процессу воспламенения предшествует определенный процесс испаре-
ния топлива. Процесс испарения топлива оказывает влияние на ход сго-
рания уже по одному тому, что при этом могут наступить местные
охлаждения.
Однако даже при условии значительного испарения впрыснутого
топлива протекание реакции будет иным, ч^м в^условиях гомогенной
газовой фазы.
Так, например, по ,окончании испарения начинает сказываться еше
и явление диффузии паров испарившегося топлива ,в близлежащие об-
ласти окружающей атмосферы. По ориентировочным подсчетам время,
потребное на эти процессы диффузии, может составить 0,001 сек., т. е.
такую величину, которой нельзя пренебречь. Многочисленные исследо*
вания показывают, что качество воспламеняемости дизельных, топлив
зависит не только от их химической активности, но и от испаряемости
этих топлив [32].
Большое число исследований рабочего процесса дизелей посвящен0
анализу развития процесса сгорания. Исследования процесса сгораний
топлива в дизеле методом фотографирования привели к выводу о тоМ,
что характер сгорания определяется как химическими свойствами то'
34
рлива,
вЛениями
сгорания
также I-
замеров
так и величинами физического порядка: температурами и да-
в камере сгорания, распределением капель топлива к началу
и периодом задержки самовоспламенения. Были проведены
исследования пламени газойля на специальных установках путем
давления, температуры, скорости и состава газов, образую-
замСс"~ПрИ сгорании. Такие исследования позволили определить ко-
^и' ственные данные о паровой и газообразной фазах, а также дать
Л* инУ совершающегося химического превращения. В этих работах
било проведено сравнение существующих теорий химического пре-
вращения и спектральных явлений при превращении углеводоро-
дов. ,
Согласно спектрографическим исследованиям сгорание в дизеле ха-
рактеризуется спектрограммой температурного излучения. Углеводороды
в дизеле подвергаются химическому превращению через дегидрирование
и расщепление (крекинг), а не через образование радикалов и активи-
рование, как это происходит в карбюраторных двигателях. Причиной
этого можно считать плохое смесеобразование и своеобразность про-
цесса воспламенения в дизеле. Суммируя результаты современных воз-
зрений на теорию сгорания топлива в дизеле, авторы некоторых ра-
бот полагают, что реакция начинается при подводе энергии с отщепле-
ния одного или нескольких атомов водорода и распада соединений СН
и СС в молекуле.
Было проведено исследование процесса сгорания в дизеле с
целью выяснить вопросы превращения топлива от начала его введения
в пространство сгорания до полного превращения его в конечные про-
дукты сгорания путем измерения давления по времени, а также путем
спектральных исследований. На основании проведенного исследования
был получен закон сгорания. Вследствие результатов спектральных
исследований был сделан вывод, что превращение углеводородов в ди-
зеле проходит через радикалы ОН, СН и СС, как и в условиях других
технических пламен.
На основе полученных результатов была разработана схема проте-
кания процесса сгорания в дизеле, согласующаяся с наблюдениями.
Многочисленные исследования рабочего процесса дизелей проведены
советскими учеными.
В классическом исследовании рабочего процесса дизеля, проведен-
сим Рилингом [26], дается характеристика рабочего процесса в зави-
! По ™ °Т РЯДа Факт0Р0В и устанавливается закон развития сгорания
теля КСПеРИМентальнь,м данным для различных режимов работы двига-
йокач°ЛУЧИВ опытным путем значения коэфициентов выделения тепла,
рабоч Телей линии расширения и потерь тепла в период осуществления
реальн пР°иесса, Брилинг в значительной степени уточнил развитие
Бо°Г° Раб°чег0 процесса дизеля.
ДизелейЬи«Ие Ра^оты по исследованию рабочего процесса авиационных
СкОго [ад ,1И проведены в ЦИАМ. В частности, в работах Чаром-
Качества ’ показано влияние на развитие процесса сгорания
сМеси с Смесе°бразования, установлено неравномерное по качеству
Ме>кду °Рание топлива в цилиндре двигателя и обнаружена связь
Р звитием процесса сгорания и его степенью управляемости.
35
По мнению Чаромского, полным управляемым процессом следует
считать такое сгорание, когда каждая капля впрыснутого топлива
только быстро воспламеняется, но и быстро сгорает. Управляемое сгц,
рание этих капель топлива по Чаромскому определяется: состояние
воздуха (давление, температура), условиями подвода капель топлива
кислороду воздуха (смесеобразование, вихревые движения) и относц,
тельной скоростью движения капель в воздухе. На основании исслед0
ваний Чаромский приходит к выводу, что развитие процесса сгорании
в дизелях подчиняется физико-химическим соотношениям, применение
которых является совершенно необходимым при детальном анализе
процесса сгорания.
Мелькумов [37] дает широкий обзор существующих работ по иссле.
дованию процесса сгорания в дизелях и приходит к выводу, что в тече.
ние периода задержки самовоспламенения протекают как физические
процессы нагревания и испарения части топлива, так и химические про.
цессы, заключающиеся в расщеплении сложных молекул и частичном
сгорании выделяющегося водорода.
Кроме большого числа вышеприведенных работ, посвященных раз-
личным вопросам исследования процесса сгорания, имеется сравнительно
небольшая часть исследований процесса сгорания топлива в дизеле,
относящаяся к попыткам дать общий анализ динамики процесса сгора-
ния на основании соотношений химической динамики. К этим работам
относятся исследования Неймана [38], Иноземцева [24, 25], Федорова,
Кошкина [39], Либровича [40].
К. Нейман [38] положил в основу представления о динамике про-
цесса сгорания топлива в дизеле бимолекулярный характер реакций
сгорания
— = кСвСо3 кг-моль/м^сек, (55)
где -----уменьшение концентрации топлива за единицу времени, полу-
чающееся в результате сгорания;
Сд и СОа—текущие значения объемно-молярных концентраций топлива
и кислорода в атмосфере цилиндра;
К — константа скорости реакции.
На основе этого уравнения второго порядка Нейман дает аналити-
ческое выражение для закона сгорания. Однако в данном уравнеН®11
Неймана константа скорости К. остается величиной неизвестной.
В работах Иноземцева [24] были даны понятия кажущихся конста®
скорости реакции для двух крайних случаев гетерогенного и гомоге®'
ного горений топлива, теоретические методы их расчета на всем протЯ’
жении процесса сгорания и тем самым создана возможность теорет®
ческого расчета закона сгорания и построения индикаторной диагра**^
двигателя на основе положений химической динамики.
Федоров провел экспериментальное и теоретическое исслеД0®3
ние закона сгорания топлива на форсированных режимах работы ди3® ,
на основе теоретических соотношений Иноземцева. Согласно этим исС®
дованиям Федоров дает опытные значения теплоты активации и ,;0
станты скорости.
36
п работах Кошкина [39] была показана возможность примене-
некоторых общих положений цепной теории химической динамики
НйЯ асЧету процесса сгорания топлива в дизеле. В его работе дается
К од расчета закона сгорания при помощи применения автогенетических
Функций цепной теории.
ч'Л дибрович [40] на основе предположения о том, что реакция сгора-
топлива в дизеле протекает исключительно в гомогенной фазе, про-
«й« расчет закона сгорания только по одной константе Иноземцева
В я гомогенной реакции. При этом Либрович считает, что в каждый
Д осматриваемый момент в сгорании участвует только испарившаяся
Есть топлива.
Перечисленными выше работами можно ограничить обзор имеющихся
исследований по дизелям. Анализ большинства приведенных работ по
исследованию процесса сгорания в дизелях устанавливает, что вопрос
об изучении динамики процесса сгорания в этих двигателях тесно связан
с законами химических превращений.
В заключение следует указать, что проведенные исследования рабо-
чего процесса авиационных дизелей подтверждают несомненный приори-
тет советских ученых в разработке теории авиационных дизелей.
§ 6. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ
Многочисленные исследования процесса сгорания в дизелях показы-
вают, что механизм химических реакций, происходящих в двигателе,
может быть представлен последовательной цепью ряда промежуточных
превращений.
В спектрах пламени углеводородов наблюдаются линии двух проме-
жуточных соединений, имеющие большое значение, а именно молекулы
двууглерода С2 и радикала СН, которые образуются в пламени вслед-
ствие постепенной потери углеводородами водорода. Развитие реакции
может происходить при помощи двух различных цепных механизмов.
Водород расщепляется на атомы под действием энергии активации
Нг + <2Л = 2Н. (56)
Возникающие при этом активные атомы водорода Н дают начало
следующим цепным реакциям:
н 4-о2 4-Н2 = Н2О +ОН-|-100 ООО кал; (57)
ОН 4-Н2 = Н2О 4-Н 4-150 000 кал. (58)
п Таким образом, реакция может продолжаться, так как на
гцч °начальный атом Н воспроизводится другой атом водорода.
ЧНОе ЯВЛРПЧО К...-----------— „г. ГЛГТХГи Vi
каждый
. Анало-
явление будет происходить и в случае сгорания окиси углерода:
н 4- О2-|- СО = СО24- ОН 4-116 000 кал; (59)
OH4-CO = COs4-H4-25 000 кал. (60)
37
*
Следовательно, химический процесс сгорания может развиваться ц
без привнесения извне дополнительных количеств энергии, реакция раз>
вивается по цепочке атома и радикалов, определяя собой механизм
горения, именуемый реакцией по материальной цепи.
Однако в действительности непосредственно после завершения первых
этапов реакции молекулы, явившиеся ее продуктами, будут обладать
кроме энергии активации Qa, еще дополнительной энергией Q, получен,
ной вследствие развития самой реакции. Эти молекулы, соударяясь
с другими молекулами газовой смеси, отдают им эту энергию, становясь
более устойчивыми. Между тем как молекулы, приобревшие энергию
возбуждаются и становятся в свою очередь активными, обеспечивается
дальнейшее развитие реакции:
2ОН-|-Н2 = 2Н2с/?о+<? ; (61)
2H2OVc v + Н2 = 2Н,0 + 2Н. (62)
В этом случае появление реакционно-способных атомов и радикалов
объясняется энергетическим воздействием и создает так называемую
энергетическую цепь. Конечно, в действительном процессе действие
обеих цепей переплетается. Кроме того, на весь ход реакции большое
влияние могут оказать посторонние включения, стенки сосуда и темпе-
ратуры смеси. Разветвление цепи химического процесса может быть
прервано возмущающими действиями стенок (обрыв цепи).
Одним из видов энергетического ускорения процесса является случай,
когда в ходе процесса повышается температура (экзотермические
реакции сгорания). В этом случае обычное уравнение автокатализа
необходимо дополнить уравнениями теплоотдачи и закона Аррениуса.
Однако решение системы таких уравнений наталкивается на большие
математические трудности и может быть получено в законченном виде
только для отдельных частных случаев. При расчете процесса сгорания
в дизеле сложность решения этой системы уравнений еще более воз-
растает, если учитывать возможность нарушения максвелловского закона
распределения скоростей, неоднородность температурного поля, не вполне
гомогенный характер процесса, осложненного диффузионными явлениями,
и пр.
Кроме того, для четкой характеристики химической реакции решаю-
щее значение имеют исходные вещества: воздух и топливо. Дизельное
топливо—газойль—обычно состоит из парафиновых углевородов от СИН24
до С18Н38. Но, кроме того, в нем всегда имеется целый ряд примесей
ароматических, нафтеновых и олефиновых углеводородов. Поэтому
установить определенный химический состав топлива как однородного
химического вещества невозможно. Если, кроме того, принять во вни-
мание сложную и разнообразную структуру молекул этой смеси, то
опять будет понятна та большая трудность, которая стоит перед по-
пыткой установления какой-либо полной теории химической реакций
сгорания топлива в дизеле.
В процессе сгорания топлива в дизеле возникновение и протекание
одного какого-нибудь этапа процесса обусловливаются изменением дрУ'
гих, предшествующих ему и сосуществующих совместно с ним фактО'
ров. Так, например, окисление капель топлива сопровождается преД'
38
чествующими и сопутствующими ему нагреванием, испарением этих
апель и пр. Таким образом, любой реальный химический процесс, а
том числе и процесс сгорания топлива в дизеле является по существу
своему процессом физико-химическим, связанным большим числом фак-
тор013 чист0 физических и химических.
Если время сгорания топлива определяется главным образом физи-
ческими факторами смешения, т. е. если скорость чисто химической
еакции намного выше скорости смешения, то процесс сгорания пред-
ставляет собой случай, так называемого, диффузионного горения. Если же
скорость сгорания лимитируется кинетическими факторами, т. е. если
химическая скорость намного меньше скорости смешения, то процесс
сгорания представляет собой случай кинетического горения. Между
этими двумя крайними случаями горения находится большое количество
промежуточных областей, в которых скорость реакции может одно-
временно определяться и кинетическими, и диффузионными параметрами.
Обращаясь к процессам сгорания в дизеле, можно сказать, что в том
случае, когда до начала горения подготовка смеси в цилиндре двига-
теля проведена настолько полно и физические параметры выбраны та-
ким образом, что скорость сгорания должна определяться главным
образом кинетическими факторами, расчет процесса сгорания может
быть произведен по соотношениям, определяющимся кинетикой хими-
ческих реакций.
Благодаря большим скоростям испарения, вихревым движениям газа
в камере и большим коэфициентам избытка воздуха, местные составы
топливо-воздушной смеси перед воспламенением в камере дизеля обла-
дают достаточным для начала горения количеством кислорода. Поэтому
процесс сгорания в камере дизеля представляет собой совокупность
очагов пламени, появляющихся одновременно в различных местах камеры,
характер развития которых главным образом будет определяться зако-
нами химических превращений (сгорание в объеме). При этом будет
происходить ряд диффузионных и гидродинамических явлений. Однако
эти явления на развитие процесса сгорания в дизеле не оказывают
решающего влияния. Поэтому исследование и расчет закона сгорания
в дизелях с достаточной точностью могут быть приведены, исходя из
принципов и уравнений химической динамики. При этом опытные коэ-
фициенты примененных соотношений химической динамики будут частично
учитывать и некоторое влияние диффузионных и гидродинамических
Факторов.
Как известно, кинетика химических реакций объясняет и позволяет
произвести аналитический расчет сложной химической реакции, проте-
кающей согласно современным взглядам через ряд промежуточных ста-
дий, т. е. обладающей согласно цепной теории определенным механизмом
РеакЦии, в том случае, если для рассмотрения сложной реакции стано-
вятся известными последовательная цепь химических превращений и
ВрСМя Гхп
" '"УЩествования отдельных стадий этой цепи.
с ™еханизм химических реакций в процессе сгорания топлива в смеси
остВОЗдУхом, происходящий в камере сгорания дизеля, до сих пор
лищеТСЯ поли°стью невыясненным. Не исследовано также влияние раз-
рац/Г1Х Фдкторов на продолжительность существования в период сго-
топлива отдельных стадий механизма цепи реакций. Поэтому
39
непосредственное применение кинетических соотношений к расчету про-
цесса сгорания топлива в дизеле встречает пока непреодолимые затруд.
нения. Однако для технического исследования динамики процесса сгора-
ния не требуется знания всех отдельных стадий его. При таком иссле-
довании можно ограничиться несколькими зависимостями, позволяющими
определить расчетным путем основные закономерности процесса сгорания
с достаточной для технических целей точностью, не вдаваясь во все
подробности рассмотрения механизма реакции.
Поэтому применение некоторых обобщающих зависимостей может
позволить описать кинетику процесса сгорания топлива в дизеле, не
прибегая к детальному рассмотрению его и в то же время давая взаимо-
связь между основными параметрами, характеризующими закон сгорания
и, следовательно, индикаторную диаграмму двигателя [39]. К числу
подобных зависимостей могут быть отнесены общие уравнения химической
динамики, автокаталитические уравнения Семенова и автогенетические
функции Акулова. Применимость указанных зависимостей к описанию
процесса сгорания в дизеле обосновывается не только принятым
в основу кинетическим характером превращений в процессе сгорания,
но и тем, что указанные зависимости частично или полностью отобра-
жают характерные черты развития процесса, как-то: периода задержки
самовоспламенения, максимума скорости для некоторого определенного
количества прореагировавшего вещества, затухания скорости в конце
процесса и пр., которыми характеризуется и процесс сгорания в ди-
зеле.
Впервые кинетический анализ процесса сгорания топлива в дизеле
был дан в работах Неймана и Иноземцева [38, 25].
Согласно этим исследованиям уравнение для скорости химической
реакции имеет* выражение, соответствующее уравнениям кинетики для
бимолекулярных реакций.
= ’ ^°а кг~моль1м3сек •
Полагая, что впрыснутое топливо располагается по всему объему
камеры сгорания, можно получить следующее выражение для условной
объемно-молярной концентрации топлива:
Св = -—-х^В<-кг-моль/мя, (63)
где о — доля впрыснутого топлива от всего количества, впрыскивае-
мого за каждый цикл;
х — доля сгоревшего топлива;
Во — количество топлива в кг, впрыскиваемого за каждый цикл
в цилиндр двигателя;
тт — молекулярный вес топлива;
V — текущий объем камеры сгорания.
Текущее значение объемно-молярной концентрации кислорода
в атмосфере цилиндра двигателя может быть подсчитано по уравнению
_ (а •*)' L0B0 кг.моль/мз, (64)
где а — коэфициент избытка воздуха;
, _теоретическое количество воздуха в кг-моль, требуемое для
^0 4
сгорания 1 кг топлива согласно стехиометрическим уравнениям
сгорания.
Подставляя в исходное уравнение (55) для скорости химической
ий текущие значения Св и Со, согласно уравнениям (63) и (64) и
«->»-» о HJCk ГТ ГЛ ПГЛЛТЮГГЧ <Т V ХГГТТХГ ПЛПЛПЛ'ГЮ ПРТЛ Ю'Т'ГХГ’ГХ ППпЛ ГП
переходя * *4, ~ ~
лучаем следующее диференциальное уравнение
сгорания " ~
от времени процесса т к углу поворота коленчатого вала ср,
кинетики процесса
в дизеле:
dx____0,21 L0Bn (а — х) (а — х)
d<f 6п
(65)
V
е п__.обороты двигателя в минуту.
Приближенное интегрирование этого диференциального уравнения
в пределах небольшого интервала угла поворота коленчатого вала
(ср — Т1) пРив0дит к решению
0,21 L0B0 К1 2 (а-а12)
~ ТЭ
а — X. Ьп v i 2
а. 9---------— — а е
112 ’1,2 — Х1
Х =
0,21 Lq £„/<, 2 (а а] 3)
-------------1------------ (<р2 — «Pi)
(66)
«-*1 £ 6nVl,2
’1,2 ~ Х1
где <51,2, Vj,2, К1.2 — средние значения доли впрыснутого топлива, теку-
щего объема цилиндра и константы скорости на рассматриваемом не-
большом участке поворота коленчатого вала (<р2— cpj).
Дальнейшего использования в работах Неймана это уравнение не
получило, так как для
сгорания необходимо
применения его в теоретическом расчете закона
иметь величины констант скорости К процесса
сгорания.
Иноземцев [24, 25] в своем исследовании кинетики процесса сгора-
ния учитывает наличие в период сгорания цепи превращений и предпо-
лагает, что на отдельных участках с различными стадиями химической
реакции, изменяющимися с развитием процесса сгорания, происходит бимо-
лекулярный характер кинетических преобразований отдельных стадий
реакции с некоторыми кажущимися константами скорости, которые
Должны меняться по ходу процесса в связи с сложным характером по-
следнего.
Основываясь на предположении, что сгорание топлива в быстроходном
Дизеле протекает вначале в гетерогенной фазе между жидким топливом
и газ°°бразным кислородом, а в конце сгорания в гомогенной газо-
разной фазе, были найдены аналитические выражения для под-
чета кажущихся констант скорости для этих двух крайних случаев
^Рогенного и гомогенного горений топлива.
гет ЭК’ ДЛЯ начального момента сгорания кажущаяся константа скорости
ерогенной реакции может быть подсчитана по уравнению (60):
/Г = ц_мЛГ- е RT\
'lmrm' тО,
гДе щ
пт молекулярный вес топлива;
(67)
41
Ч1П — удельный вес топлива в кг/л-,
гт — средний радиус капли впрыскиваемого и распиливаемого
топлива в см\
Т—абсолютная температура начала процесса сгорания;
//го, — молекулярный вес кислорода;
Q'— теплота активации в начале процесса сгорания;
R—универсальная газовая постоянная.
Для конечного момента процесса сгорания кажущаяся константа
скорости как для гомогенной газовой реакции определяется по уравне-
нию
Г____________Л
К" = 2,7.10101ЛГ + Кг
| ттмОз ’
где Т"— абсолютная температура конца процесса сгорания;
Q"—теплота активации в конце процесса сгорания.
Для определения промежуточных значений кажущихся констант ско-
рости отдельных стадий процесса на основании теоретических предпо-
сылок и опытных данных было принято экспоненциальное изменение
констант по уравнению [25, 41]
(69)
где А и В — постоянные, определяемые из выражений констант край-
них точек;
— угол поворота коленчатого вала (или время процесса
т сек.).
Таким образом, оказалось возможным рассчитывать константы ско-
рости процесса сгорания, определять предполагаемый закон сгорания
топлива и строить индикаторную диаграмму двигателя с учетом хими-
ческих преобразований, подчиняющихся химической динамике.
Для положенного в основу расчета динамики процесса сгорания
кинетического уравнения второго порядка — = КСв Со. необходимо
«X 2
сделать следующее замечание.
Как известно, порядок реакции определяется уравнением кинетики,
для которого при различных концентрациях реагентов и в различные
моменты времени, но при заданной температуре константа скорости
в уравнении кинетики остается постоянной. Однако в это известное
положение химической динамики в применении уравнения-------=
= /ССдСо3 к динамике процесса сгорания в дизеле необходимо внести
поправку, вытекающую из методики расчета процесса сгорания по этому
уравнению [25].
Как уже указывалось, метод расчета Иноземцева предполагает на-
личие в процессе сгорания цепи реакций, отдельные стадии которой
на различных участках процесса подчиняются кинетическому уравне-
нию второго порядка. В связи с этим кажущиеся константы ско-
рости реакции, могут иметь различные значения на различных участ-
ках процесса при различных концентрациях реагентов и при оДЧ'
паковой температуре, так как эти константы на различных участ-
ках процесса в предположении наличия цепи реакций могут отно-
42
*“к как
эффектами
«ться к различным элементарным реакциям. Кроме этого, значения кон-
стант скорости, в особенности для начальных стадий процесса, зависят
т ряда дополнительных факторов: интенсивности испарения капель
топлива, качества смесеобразования и пр., и поэтому при одних и тех
температурах могут иметь различные значения.
Эти положения подтверждаются проведенными исследованиями [39],
согласно которым величины констант скорости определяются не только
температурой процесса, но и характером промежуточных реакций
в ходе процесса. Вследствие этих особенностей расчет процесса сго-
пания не может быть проведен с одним постоянным значением
константы скорости для всего химического преобразования в целом.
Кроме того, как показали исследования авторов [25 и 39], ука-
занные теоретические положения являются справедливыми для процес-
сов сгорания в дизеле при условии большой степени управляемости
процессом. Отклонение действительного сгорания от схемы управляе-
мых процессов затрудняет расчет по предлагаемому им методу и делает
этот расчет менее достоверным. В этом случае полученные теоретиче-
ским путем условные константы реакции сгорания, в особенности
в первые периоды неустойчивого процесса, имеют значения, приводя-
щие к нереально быстрому развитию сгорания [25, 39].
Таким образом, кинетический метод расчета сгорания в дизеле,
давая хорошие результаты для управляемых процессов, не приводит
к желаемым результатам в случае осуществления в цилиндре двигателя
рабочего процесса с малой степенью управляемости. Это обстоятельство
требует уточнения существующего кинетического метода расчета и его
дополнения. Однако независимо от этого следует работать над созда-
нием других возможных схем расчета процесса сгорания, тем более,
что современные данные химической динамики, построенной на базе
цепной теории реакций, позволяют исследователю использовать неко-
торые другие соотношения для расчета процесса сгорания [39].
При исследовании многих окислительных реакций, теория которых
разработана русскими учеными Шиловым [42] и Орловым [43] видно, что
большинство из них может быть описано простейшими уравнениями
автокатализа. Предполагая, что процесс сгорания топлива в дизеле
имеет автокаталитический характер, подтверждаемый рядом исследова-
ний, теоретическое исследование его в первом приближении можно
произвести по простейшему уравнению автокатализа первого порядка
по активному продукту.
В этом случае диференциальное уравнение закона сгорания можно
представить в виде:
В/ ^ = Dx(l-x), (70)
гДе £) — коэфициент пропорциональности;
х — доля сгоревшего топлива.
процесс сгорания в двигателе усложняется энергетическими
экзотермических реакций (переменная температура), то коэ-
g ЦИент пропорциональности D в последнем уравнении должен ото-
бразить изменение энергетических условий развития реакций и изменяться
ходу процесса. Если экспериментальным путем при исследовании
43
законов сгорания в двигателе будет определена зависимость коэфици-
ента D от основных параметров процесса, то, при помощи уравне-
ния (70), возможно использовать уравнение автокатализа для расчета
процесса сгорания.
В работах Семенова для расчета реакций сгорания приводится урав-
нение автокатализа, содержащее дополнительный множитель, учитываю-
щий изменение температуры в процессе [уравнение (7)].
Предполагая, что процесс сгорания в дизелях как процесс авто-
каталитический, протекающий при переменных температурах, может
быть описан уравнением Семенова, необходимо на основании экспери-
ментальных данных определить граничные условия, при которых взятое
уравнение будет удовлетворять протеканию процесса сгорания в дизеле.
Для этого могут быть использованы экспериментальные данные по
определению кажущихся теплот активации в граничных условиях на
основании обычных кинетических методов.
По найденным значениям Qa для начальных и конечных стадий про-
цессов могут быть определены граничные значения констант уравнения
и после этого произведен расчет всего процесса сгорания при соот-
ветствующем предположении изменения величины по ходу процесса.
Согласно исследованиям Акулова [7, 8], общее течение химической
реакции описывается уравнением (10)
д-______________In (1 —-О______
о" Ло + nlx + n2x2 + «3Jf3 + --‘
Согласно теории Акулова его формула хорошо описывает динамику
цепных процессов взрывов и горений, которые, как правило, характе-
ризуются резким переходом от отсутствия процесса к его появлению,
причем течение этих процессов осложнено дополнительными энергети-
ческими воздействиями выделяющейся теплоты.
Для процессов, у которых в течение периода задержки образование
конечного продукта весьма незначительно (х 0), п0 — 0, так как эта
величина пропорциональна скорости реакции в течение указанного на-
чального периода задержки самовоспламенения. В дизелях период за-
держки самовоспламенения резко выражен и количество конечного про-
дукта, образовавшегося за это время задержки, практически равно
нулю (х = 0). Поэтому при применении закона генезиса для исследова-
ния кинетики сгорания в дизеле мы должны считать, что по = О.
В таком случае уравнение автогенетических функций (10) примет
вид:
Д’ ___________1п (1 х)______ 1 \
° _ ntx + П2х2 + П3х3 + ... w '
ИЛИ rz 1п(1 — х) п.Кл = - Х-Р-- Х‘-\-~ 3 xs+... «1 «1
Обозначим: -~ = а; — = Ь и т. д тогда П1
___ In(lj-X)_____
х -р ах2 -р bjfi -р.’
=
(72)
44
иметь для
задержки
вид:
Разлагая в последнем уравнении In (1 — х) в ряд, будем
малых значений х
„ 1+’2-+--
1-рах4-6х8 + ... >
откуда при х -> О
«lA'o't -> 1 •
Следовательно, при х = 0
1
T = Т- =---,
«1^0
где т. — период задержки самовоспламенения.
Последнее уравнение (74) дает выражение для периода
самовоспламенения т;. Таким образом, уравнение (10) примет
т = _ 1п(1—Л)
т,- х + «л2 + bxs +... ‘
Полученное при помощи автогенетических функций уравнение (75)
химической динамики содержит все основные характерные параметры,
свойственные процессу сгорания топлива в дизелях: период задержки
самовоспламенения, переход скорости превращения через максимум для
некоторого количества прореагировавшего вещества, затухание скорости
процесса в конце сгорания, и может быть применимо для описания
динамики процесса сгорания топлива в дизеле.
Исследования Семенова [4] и Акулова [9] показывают, что период
задержки самовоспламенения является одним из основных параметров,
характеризующим развитие реакций цепного типа и, в частности, реак-
ций горения, идущих через промежуточные продукты.
Согласно основным положениям цепной теории Семенова [4] при
условии разветвления цепей при Т = const (чисто цепной взрыв) ско-
рость начала реакций выражается уравнением
•w = А — 1) , (76)
где величина ср может быть выражена как
_ »
ср = const рпе RT. (77)
После очень небольшого времени т может быть представлена урав-
НеНием
(73)
(74)
w = Aevt. (78)
Когда же скорость реакции достигает некоторого критического зна-
чения ъик, выделяющееся при реакции тепло не успевает отводиться,
температура при этом начинает заметно возрастать, тепловое равновесие
наРУшается и вместо .изотермического" взрыва получается цепочно-
тепловой взрыв.
В Дизелях начало заметного процесса сгорания (начало сгорания по
индикаторной диаграмме и по данным стробоскопического газового
Нзлиза) наступает, спустя некоторый промежуток времени т, от начала
45
впрыскивания, в течение которого скорость реакции увеличивается до
величины п)к. Это время называется периодом задержки самовоспламе-
нения. Таким образом, для этого периода процесса сгорания в дизеле
скорость реакции может быть выражена уравнением
'W = wK = Aer't .
(79)
Так как в периоде задержки самовоспламенения т; в дизеле не
наблюдается большого изменения давления и температуры, то согласно
исследованиям Семенова [4] мы можем с достаточной точностью пола-
гать, что в течение этого времени А = const. Кроме того, сама вели-
чина для данной реакции при небольших изменениях р и Т может
считаться величиной постоянной.
Следовательно,
wK = Ае1 = const. (80)
Из совместного решения уравнений (80) и (77) получаем следующее
выражение: „ RT рпе ъ = const.
Тогда £ const RT ,С1Ч xi = ~^n-e • (81)
Обозначая в последнем уравнении
. Е
const через ct и величину -
через с2, получим следующее окончательное выражение для периода
задержки самовоспламенения в дизелях:
С1 . г т in -з
~п е •1и сек.
(82)
где р — давление воздуха, поддерживающего сгорание, в кг/см2;
Т — температура воздуха, поддерживающего сгорание, в ° К;
с1> с2» п — постоянные.
Согласно опытных данных для быстроходных дизелей могут быть
приняты следующие величины этих постоянных:
с1 = 0,44; с2 = 4650; п =1,19.
Следовательно, рассматривая период задержки самовоспламенения
как период, в течение которого скорость реакции в основном возра-
стает вследствие цепных процессов, можно получить теоретическую
формулу для расчета величины периода задержки самовоспламенения т;.
Для возможности применения основного уравнения (75) химической
динамики, полученного при помощи автогенетических функций, к расчету
закона сгорания в дизеле необходимо дать правильную оценку в выборе
величин Тр а и Ь.
Расчетное выражение для скорости процесса может быть найдено
ем диферен цирования уравнения (75):
1 rfr _
zt dx
__ (х + ах* 4- 6л3 + — (1 + Чах + 36х2 4- ...) In (1 — х)
—- (х + ах2 4- Ьх3 4-. • .)2
dx
dz ~~
J (83)
t г ___________(1 —х)(х+ ах2 4- 4- ., -У2______
^[(7+ ax* + bx3 + ...) + (l—x)(l ~ 2ax 4- З&х2 4- ...) In (1 — х)
(84)
Основные уравнения динамики (75) и (84), выраженные при помощи
автогенетических функций, могут быть обобщены, если рассматривать
зависимости
При таком рассмотрении могут быть получены более универсальные
кривые динамики процесса сгорания в дизеле.
После расчета закона сгорания и скорости сгорания согласно выше-
изложенным методам можно перейти к определению скорости нараста-
ния давления в цилиндре двигателя, т. е. к построению индикатор-
ной диаграммы двигателя.
В работах [24, 25] было показано, что для случая расчета те-
оретической индикаторной диаграммы двигателя без учета потерь в
стенки и на диссоциацию можно получить на основе первого закона
термодинамики следующее выражение для скорости нарастания да-
вления:
dP_k-\ BeH„dx р dV I г /85ч
dz — AV dz k V dz K2!Mceh' W
или по углу поворота кривошипа
dp k — 1 „ . , dx , • p d V , v i
~ ли' кг M Pad,
dy AV о « tfcp' у ay 11
(86)
где BQ—количество топлива, впрыскиваемого за каждый цикл, в кг\
— теплотворная способность топлива в кал[кг-,
k — показатель адиабаты;
dV
-скорость изменения объема цилиндра по времени в м3/сек;
dV
а*— скорость изменения объема цилиндра по углу поворота криво-
шипа в м-Vpad:
Р — давление газов в начале каждого рассматриваемого элемен-
тарного ^участка процесса сгорания в кг/лг2.
Скорости изменения объема цилиндра ~ ц могут быть полу-
^йзм ПР°СТЬ1М путем из соотношений для кривошипношатунного меха-
а Данного двигателя.
47.
Расчет по уравнениям (85) и (86) показывает, что определение
через каждые 2 — 3° поворота кривошипа дает вполне удовлетворите^
ные результаты [25].
Таким образом, уравнения (85) и (86) дают возможность опреде
лить изменение скорости нарастания давления и построить зависимости'
интегрирование которых дает функции
Р = ЬрЬ) или Р =
представляющие собой индикаторную диаграмму двигателя.
Для перехода от теоретической индикаторной диаграммы к действи-
тельной необходимо учесть потери тепла на теплопередачу в стенки
цилиндра и на диссоциацию.
Расчеты теплопередачи и диссоциации по теоретическим формулам
как это сделано ниже при экспериментальном исследовании рабочего
процесса двигателя, весьма громоздки, требуют наличия точных данных
по температурам газов и стенок и не могут быть применены при тре-
бовании быстрого расчета индикаторной диаграммы. В этом случае для
более быстрого расчета индикаторной диаграммы следует воспользо-
ваться методом, согласно которому величина суммы этих потерь на
любом участке процесса сгорания колеблется в небольших пределах [25].
В этом спучае доля сгоревшего топлива, соответствующая тому выде-
лившемуся теплу, которое идет на повышение внутренней энергии и
совершение работы,
X; — фх . (87)
Величина ф может быть названа коэфициентом использования тепла
в реальном процессе. В работах Иноземцева [36] было показано, что
для любого участка процесса сгорания величина ф колеблется в не-
больших пределах (0,88 — 0,95). Поэтому в среднем можно считать вели-
чину ф = 0,9.
Подставляя это соотношение (87) в уравнение (85) и (86) для ско-
рости нарастания давления процесса, получим
(8”
По этим уравнениям и можно построить действительную индика
торную диаграмму двигателя."
§ 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАН^
Создание достоверного метода расчета закона сгорания в дизеЛ^
основанного на теоретических положениях химической динамики, ГР
бует для проверки наличия большого и надежного экспериментальна
материала по процессу сгорания, с помощью которого можно было 6
48
тановить возможность применения к 'расчету тех или иных теорети-
£киХ предпосылок.
Намеченные теоретические методы расчета процесса сгорания ниже
проверены на большом экспериментальном материале, приведен-
м в работах по динамике процесса сгорания в дизелях авторов [25],
%q| Федорова и др. Кроме этого, в целях использования для
оверки теоретических методов расчета более достоверных эксперимен-
льных данных в настоящей работе приводятся результаты эксперимен-
ального исследования процесса сгорания в дизеле, полученные на осно-
ании специально проведенных для этой цели опытов с анализом дина-
мики сгорания двумя методами: обработки линии давления индикатор-
ной диаграммы и данных стробоскопического анализа газов.
Из рассмотренных выше возможных методов исследования динамики
процесса сгорания в быстроходном дизеле наиболее достоверным и точ-
ным в настоящее время является первый метод исследования, базирую-
щийся на записи давления при помощи безинерционного индикатора.
Однако, для того чтобы иметь возможность более полно вскрыть ха-
рактер кинетических превращений и понять механизм процесса сгорания
топлива в дизеле, а также для того чтобы сделать результаты исследо-
вания более достоверными, в представленной работе при исследовании
процесса сгорания топлива в дизеле был применен также метод стробо-
скопического анализа газов. Сочетание обоих методов исследования по-
зволило значительно полнее произвести исследование динамики процесса
сгорания и сделать это исследование более достоверным. Кроме того,
результаты обработки ‘Материалов по обоим экспериментальным методам
одновременно позволяют дать сравнительную оценку качества каждого
из применяемых методов.
На основе полученного из индикаторной диаграммы закона сгорания
могут быть определены некоторые величины, характеризующие динамику
процесса сгорания топлива в дизеле.
1. Между началом подачи топлива в цилиндр двигателя и заметным
началом подъема линии сгорания над линией сжатия, т. е. началом ви-
димого сгорания, имеется некоторый период физико-химической подго-
товки топлива для его воспламенения. Обычно период или тг сек.
называют периодом задержки самовоспламенения.
Период задержки самовоспламенения может быть определен по инди-
каторной диаграмме как промежуток времени в секундах от момента
начала впрыска до момента начала подъема линии сгорания над линией
сжатия.
Выбранное определение для периода задержки самовоспламенения
согласуется с результатами других методов определения этой величины
”РИ помощи оптического измерения, ионизационного метода и по месту
оявления первого свечения.
Так как индикаторная диаграмма не дает подробной качественной
3 Нки процессов, протекающих в цилиндре дизеля в течение периода
кат РЖки самовоспламенения, то за начало
Лии РНой Диаграмме принимается начало
инией сжатия.
гРаммаТ МОмент Достаточно ясно выражен
4 г.
Процессы
процесса сгорания по инди-
подъема линии сгорания над
на всех индикаторных диа-
49
сгорания в двигателях. 3896
3. Условно за конец сгорания принимается положение кривошипа
при котором доля сгораемого топлива х = 1.
4. Продолжительность процесса сгорания тг сек. или <р° найдется
как период времени или величина угла поворота кривошипа от момента
х = 0 до момента, когда х ~ 1. Величина продолжительности сгорания
легко найдется по полученному закону сгорания.
5 Скорость нарастания давления ч)р кг)см2 град или -г/ кг1см2‘ 104 сек
найдется непосредственно из индикаторной диаграммы.
6. Давление вспышки рг в атмосферах получается непосредственно
из индикаторной диаграммы.
„ _ dx dx
7. Скорость сгорания и — определяется по закону сгорания
8. Угол между точкой максимального давления и точкой максималь-
ной температуры ср найдется по индикаторной диаграмме.
Ртах — Т max
9. Угол между точкой максимального давления и точкой, где хтах=:Ь
'Рр шах —max’ иайлется по индикаторной диаграмме и закону сгорания.
10. Изменения количества реагентов и конечных продуктов в про-
цессе сгорания найдутся по закону сгорания:
Geo, = 1 СВох кг ;
(90)
Gh2o = 9HB0x кг\
Go, = 0,23 (G — L0xB0) кг
(91)
(92)
где С — доля углерода, содержащегося в 1 кг топлива;
Н — доля водорода, содержащегося в 1 кг топлива;
Ьо — теоретическое количество воздуха в кг, требуемое для сгора-
ния 1 кг топлива согласно стехиометрическим уравнениям сгорания;
G — количество воздуха в кг, засасываемое в цилиндр двигателя
за каждый такт впуска;
— количество топлива в кг, поданное за каждый цикл;
х — доля сгоревшего топлива.
11. Изменения концентраций реагентов в процессе сгорания найдутся
по закону сгорания согласно уравнениям (63) и (62):
Св
_ (д —х)50 .
(a — x)-O21LoBo
Со, =--------р------- кг-моль/м2.
Текущее значение концентрации двуокиси углерода в атмосфере ШТ
линдра двигателя:
ССо, = ^|^ кг-моль м2. (93)
Текущее значение концентрации Н2О в атмосфере цилиндра двига'
теля
Сн,о = кг-моль/м2. (9^)
50
'Таким образом, можно получить графики функциональных зависи-
ей изменения концентраций реагентов и конечных продуктов в про-
М°С ’сгорания от времени:
Со,=/2(т);
Ссог=/3(т);
сн3о=/4(т).
12. На основании данных пунктов 10 и И можно определить скорости
певрашений веществ, участвующих в процессе сгорания.
По данным стробоскопического газового анализа, кроме полученных
выще данных процесса сгорания, могут быть найдены дополнительно
местные значения коэфициента избытка воздуха а и коэфициента оста-
точных газов. Кроме того, стробоскопический анализ газов дает непо-
средственное изменение реагентов в процессе сгорания и позволяет так-
же рассчитать ряд характерных параметров динамики процесса сгорания.
Экспериментальная установка и методика получения
и обработки опытного материала
В качестве опытной установки был использован быстроходный авто-
мобильный дизель.
Опытный дизель является четырехтактным двигателем со струйным
смесеобразованием. Форсунка имеет пять сопловых отверстий диаметром
0,25 мм каждое. Топливо подается в цилиндр двигателя под начальным
давлением в 250 кг)см2. *
Основные данные двигателя
Эффективная мощность.............................
Число оборотов....................... ...........
Удельный эффективный расход топлива..............
Степень сжатия...................................
поминальный угол опережения впрыскивания . . . .
число цилиндров..................................
Диаметр цилиндра..................
*од поршня....................
Щии литраж двигателя..........................
Отношение длины шатуна к радиусу кривошипа . . .
Топливо
CHCTetAeHHe Двигателя............................
истема смазки . .
Ne — 65 л. с.
п — 1600 об/мин
ge=215 г/ э. л. с. ч.
е = 15,6
Р=26°
1 = 4
D = 125 мм
5=170 “
Vh = 8,34 л
газойль
водяное
циркуляционная
под давлением
в 3 кг/см*
меры РИ1 чэкспеР™ентироваиии двигателя производились
до 0 '50 ' эффективная
п°мощи
следующие за-
мощность двигателя определялась с точностью
ю при помощи электротормоза; 2) число оборотов двигателя при
1 стационарного и контрольного тахометров с точностью до
* Г?
(уЙЧтаний е п°ДР°бное конструктивное описание см. «Результаты конкурсных
1337 автомобильных дизелей" под редакцией проф. Н. Р. Брилинга,
51
10 об/мин; 3) расход топлива определялся весовым способом с точность^
до О,5°/о; 4) расход воздуха определялся по мерному насадку, тарирован
ному в аэродинамической лаборатории МАИ, точность замера—•2°/1
5) состав отработавших газов по анализу прибором Орса; 6) темпе/
ратура отработавших газов при помощи тарированных термопар; 7) тем.
Фиг. 5. Схема воздушной, выпускной и топливной систем опытного двигателя:
1 — двигатель; 2 — пендель-динамо; 3 — мерная шайба; 4 — манометр; 5 — ресивер; 6 — термо-
метр; 7 — впускной патрубок; 8 — гальванометры термопар выпуска; 9 —выпускной патрубок;
10 — штуцер для отбора выпускных газов; 11 — топливный насос; 12— топливный бак; 13— весо-
вой замер расхода топлива; 14 — топливный фильтр; 15 — топливный насос.
пература воздуха на входе в двигатель по ртутному термометру; 8) тем-
пература входящей в двигатель воды по тарированному термометру
сопротивления; 9) температура выходящей воды из двигателя по такому
же термометру; 10) температура охлаждающей воды на входе в радиа-
тор по ртутному термометру; 11) температура охлаждающей воды иа
выходе из радиатора по ртутному термометру; 12) температура головки
двигателя на среднем радиусе по размеру цилиндра тарированной термО'
парой; 13) температура стенок цилиндра тарированными термопарам*1-
а) в середине камеры сгорания, б) в месте положения поршня на 120 №
от в. м. т.; 14) количество воды, циркулирующей в охлаждающей си-
стеме двигателя; 15) количество охлаждающей воды, прошедшей чере3
радиатор; 16) характеристика топливоподачи в двигателе (закон пода41’’,
осциллограммы впрыска, давление затяжки пружины иглы форсунки и пр-/’
17) индикаторная диаграмма двигателя, снятая электропневматическ*1”3
и пьезокварцевыми индикаторами давления; 18) изменение реагентов в пР°1
цессе сгорания при помощи стробоскопического газового анал*133’
19) данные окружающей среды. g
Общая схема экспериментальной установки приведена на фиг. 5 И
52
расчет и обработка данных эксперимента производились обычными
1отодам*1-
Ме* Пои расчете тепловых балансов двигателя теплосодержание продук-
сгорания определялось по таблицам с учетом переменной теплоем-
Т°Б Для подсчета доли тепла, потерянной вследствие теплопередачи,
*<0 мялись методы, разработанные Брилингом [26], и данные Шере-
ПР ева [27], Брызгова [28], Иноземцева [25]. Согласно Брилингу
ь’е ное количество тепла, переданное от рабочих газов в окружающую
среДУ> может быть опРеДелено по уравнению
dQw = dQa + dQconp = 0,362 [ ( ^)
4-0,99
(95)
где 7i—абсолютная температура газа;
__ абсолютное давление газа;
р—поверхность теплопередачи;
у —абсолютная температура поверхности стенки;
с —средняя скорость поршня;
т— время теплообмена;
а и —коэфициенты, учитывающие влияние вихревых
в цилиндре двигателя на теплопередачу.
движений газа
Фиг. 6. Схема охлаждения двигателя:
меРный бачок; 2 — водяной радиатор; 3 — термометры; 4 — расширительный бачок; 5 — водя-
н°и насос; б — гальванометры; 7 — двигатель; 8 — термопара; 9 пендель-динамо.
b Данным Брызгова [28], для предкамерных дизелей а = 3,5;
Дан а для дизелей с вихревой камерой а = 4,2; Ь = 0,185. По
Иноземцева [25], для двухтактного авиационного дизели
и'4 а = 5; д = 0,185.
53
Вследствие значительной зависимости коэфициентов а и b вынужде(,
ной конвективной теплопередачи от конструкции двигателя и его быстро,
ходности было произведено определение этих коэфициентов для эксперт,
ментируемого дизеля по методу, примененному рядом вышеперечислец.
ных исследователей. На основании этих исследований и расчетов по.
лучено: а = 3,2; b = 0,19.
Окончательно уравнение для определения количества тепла, потерян,
ного благодаря теплопередаче, будет
^.=°.364(ш)'-(то)*]'г‘г’+
3 _
+ 0,99 (3,2 +0,19ст) (Т, - TJ Fdx .
(96)
Для любого момента процесса сгорания, начиная от его начала
количество тепла, потерянного через теплопередачу,
0,362
хо
+ 0,99 у^ГТ1 (3 2 + 19Си) (Г1 _ Fdx _ (97)
to
В относительных величинах доля тепла, потерянного на теплопере-
дачу в окружающую среду, определится по уравнению
= Ж = Лг { [ 0,362 Г(A? - Fdx +
+ J 0,99 /^(3,2 + 0,19^) (Л- TJFdx}' (98)
ч
Величина относительных потерь на диссоциацию определялась по
уравнению, данному в работе [25],
Ха = т{тги = 2.102/4 G15 600 ^H,o «н,о + 136 440 Мсоя “со,) , (99)
где 7Ин.,о и Л1со, — число молей Н2О и СО2;
®н2о и “со, — степень диссоциации Н20 и СО2-
Последняя формула получена для учета явления диссоциации только
двух газов: Н2О и СО2, которые и диссоциируют главным образе»
в цилиндре дизеля при тех температурах, которые там развиваются
(Г к» 1800—2300° К).
По опытным данным [25] для авиационного двухтактного дизеля
с наддувом максимальное значение доли тепла, потерянной на диссоПЧ'
ацию, достигает 2—3% при температурах газа 2200—2300° К. В экспё'
риментируемом дизеле максимальные температуры цикла достигают
1600 —1800° К, и, следовательно, величина этой доли тепла ха буДеТ
еще меньше и практически выйдет за пределы точности расчетов. П°'
этому определение этой величины для экспериментируемого двигателя
54
является обязательным, особенно для режимов с низкими температу-
рами цикла.
Ц Относительная величина тепла, воспринятого рабочим телом и по-
„шая на увеличение внутренней энергии и совершение механической
аботы (коэфициент использования тепла), находилась по ранее приведен-
доЯ формуле (30):
»,= в4п +П-
' Oo“u I “ & — 1 1
0 J
Определение в относительных величинах всего тепла, выделившегося
от сгорания топлива, производилось по сумме
Частные законы сгорания находились по данным стробоскопического
газового анализа по формулам (39) и (41):
У __________СО% тек____ .
СО2полн-СО2ост’
„ 0-2 тек
х°- — О
'-'i ПОЛИ
Изменения местного действительного коэфициента избытка воздуха
в процессе сгорания определялись по данным стробоскопического газо-
вого анализа.
Характеристика топливоподающей системы
Система топливоподачи (насос, форсунка) была подвергнута отдель-
ному исследованию.
Характеристики впрыска определялись на специальной установке
методом улавливания топлива, подаваемого форсункой в ячейки,
размещенные радиально в роторе, движущемся мимо форсунки с постоян-
ной скоростью. Описание подобной установки дано в трудах ЦИАМ [44].
При снятии характеристики впрыска применялась форсунка, эквивалент-
ная по проходному отверстию сопла распылителя форсунке исследуе-
мой топливной системы. Приставное сопло эквивалентной форсунки
присоединялось к корпусу, конструкция которого отличалась от кон-
струкции заводского распылителя только срезанным носком.
Эта же эквивалентная форсунка применялась и при осциллографи-
Ровании давления топлива в нагнетательном трубопроводе. Осциллогра-
фирование производилось при помощи пьезокварцевого датчика, по-
мещенного в тройнике, включенном между нагнетательным трубопро-
водом и штуцером форсунки. Удлинение нагнетательного трубопровода
счет этого тройника было компенсировано постановкой укороченного
тУЦера форсунки, благодаря чему включение датчика для замера да-
в ения топлива не могло сколько-нибул^ существенно исказить процесс
Рыска топлива. Начало подачи топлива по насосу определялось по
менту перекрытия плунжером впускного окна, указанием чего служило
Рекращеиие истечения топлива из штуцера насоса при вынутом из
ег° Клапане.
55
Результаты испытаний топливной системы экспериментируемого
дизеля позволили получить необходимые характеристики топливоподачр
для различных режимов работы двигателя. Были получены законы по.
дачи и осциллограммы давления топлива в нагнетательном трубопроводе
для всех режимов испытания двигателя. Данные результатов эксперимента
приведены в соответствующих разделах экспериментальных характеристик
Индицирование и отметки углов поворота коленчатого вала,
начала впрыскивания и моментов открытия и закрытия отборочных
клапанов
Одним из основных методов исследования динамики процесса сгора-
ния топлива в двигателе является анализ индикаторных диаграмм,
дающих запись изменения давления по времени. Для получения доста-
точно надежных результатов такого исследования необходимо было
к индицированию предъявить требования значительной точности замеров
протекания давления в цилиндре двигателя.
Индицирование современных быстроходных двигателей «>1000 об/мин
может быть в основном осуществлено с помощью двух типов индика-
торов давления: электропневматических индикаторов, представляющих
собой переходной тип от инерционных индикаторов к безинерционным,
и электрических индикаторов давления, практически безинерционных — I
электрорезистантного, электропьезокварцевого, электроемкостного и
электроиндукционного типов.
Исследования, имеющиеся в области определения точности показаний
различных типов индикаторов [45], не дают еще пока достаточно
полной оценки качества каждого типа индикатора, с помощью которых i
можно было бы отдать предпочтение тому или иному типу индикатора.
Поэтому в исследовании было применено три типа индикаторов давления
с целью выявления относительной картины надежности каждого из них:
1) электропневматический индикатор типа ТЛ-2 конструкции тепловоз-
ной лаборатории МВТУ им. Баумана; 2) электропневматический индика-
тор типа ТЛ-2 с тиратронным реле конструкции ЦИАМ; 3) пьезокварце-
вый индикатор ПИ-1, изготовленный в лаборатории тепловых двигате-
лей МАИ по типу индикаторов, употребляемых ЦИАМ и НИДИ.
При экспериментировании индицирование проводилось всеми тремя
типами индикаторов одновременно. Перед началом основных эксперимен-
тальных работ было проведено исследование по уточнению различных
методов индицирования и выявлен ряд искажений индикаторных диаграмм,
получающихся при применении вышеуказанных типов индикаторов.
Так, при предварительных опытах с электропневматическими инди-
каторами были выявлены и устранены погрешности, свойственные этим
типам индикаторов. Во-первых, были подобраны правильные
размеры газопроводящего канала, не вызывающие искажения линии да-
вления 45. Во-вторых, были определены ошибки в положений
в. м. т. и возможные искаже(^ия линии давления.
На фиг. 7 схематически изображена мембрана прерывателя индика-
тора ТЛ-2. В указанном положении мембраны давление в цилиндр^
больше, чем давление воздуха в баллоне. Так как давление газа из
цилиндра действует на площадь, значительно большую, чем та плошадь
56
Фиг. 7. Схема мембранного
прерывателя:
1— воздух из баллона, 2—мембрана
прерывателя; 3 — давление из цилин
дра двигателя.
на которую действует давление из баллона, то, для того»
мембраны, летЬ ЭТу большую силу, давление воздуха из баллона*
чтобы пРыть соответственно несколько большим, чем давление в ци-
должно ^aogOpOTj при обратном положении мембраны понадобится не-
гколько большее давление в цилиндре.
ск ОТСюда возникает некоторая ошибка в точной регистрации мгновен-
значения измеряемого давления газа в цилиндре. Для определения
Н°Гй ошибки была сделана специальная установка. Испытания прерывателей
ЭТ° катора ТЛ-2 на этой установке показали, что различие в величине
И Д ения при размыкании и замыкании контактов прерывателя получается
порядка 0,15—0,2 ат.
Вторая причина искажения точной регистрации линии давления заклю-
чается в большой жесткости мембраны, благодаря которой в области,
большой частоты колебаний (момент сго-
рания около в. м. т.) мембрана не успе-
вает произвести полное колебание с ам-
плитудой, нужной для замыкания и раз-
мыкания контактов, в результате чего
вершина индикаторной диаграммы не от-
мечается и индикаторная диаграмма полу-
чается срезанной (фиг. 8).
Указанное искажение было устранено
при помощи применения тонких мембран
(около 0,1 мм) и облегченного клапана в
приемниках типа индикатора ТЛ-2.
Третья причина ошибок в отмет-
ке положения в. м. т. и искажения
индикаторной диаграммы заключается в запаздывании проскакивания
искры на барабане по сравнению с моментом разрыва первичного тока
в прерывателе. Для определения этого запаздывания проскакивания
искры, которое зависит от свойств бобины индикатора, качества кон-
тактов прерывателя и числа оборотов двигателя, индикатор ТЛ-2 был
подвергнут испытаниям на шлейфном осциллографе типа ХЭТИ Было
установлено, что для примененного индикатора и выбранного прерыва-
теля это время запаздывания составляет 3—3,1 м)сек. Определение этого
времени запаздывания дало возможность найти смещение в. м. т. в гра-
дусах угла поворота коленчатого вала в зависимости от числа оборотов
(Фиг. 9). Так, для п= 1600 об/мин смещение в. м. т. составляет Дср=Зс“
Угла поворота коленчатого вала
Вторым типом примененного в исследовании индикатора был электро-
пневматический индикатор ТЛ-2 с тиратронным реле конструкции
типа ЦИАМ. Применение тиратронного реле в электропневматнческом,
Индикаторе ТЛ-2 позволило использовать одноконтактный тип преры-
нителя, дающий меньше погрешности в форме индикаторной диаграммы
счет возможного сокращения газоподводящего канала, уменьшения
^нертности мембраны и амплитуды колебания, необходимой для замыкания
На фиг. ю приведены для сравнения две индикаторные диаграммы..
1 Харьковский Электротехнический Институт.
57
Первая снята обычным электропневматическим индикатором ТЛ-2 с учетом
тех поправок, о которых было сказано выше, а вторая — электроппевма.
тическим индикатором с тиратронным реле. Обе индикаторные диаграммы
дают вполне удовлетворительное соответствие. Дальнейшая обработку
индикаторной диаграммы показала такую же хорошую сходимость по.
Фиг. 8. Индикаторная диаграмма со срезанной вершиной.
казаний’электропневматического индикатора ТЛ-2 и индикатора с тира-
гронным реле для всех режимов работы двигателя.
£*Третьим, принципиально отличным от первых двух типов индикатора
<»ыл пьезокварцевый индикатор ПИ-1, изготовленный в лаборатории
Фиг. 9. Сдвиг индикаторной диаграммы относительно
ее действительного положения при постоянном вре-
мени запаздывания появления искры т = 0,3 м!сек.
тепловых двигателей МАИ по типу индикаторов, употребляемых ЦИАМ
И НИДИ (фиг. 11). В качестве приемного элемента употреблялись
пьезоэлементы типа ЦИАМ. Приемник ввертывался в опыт*
ный дизель в специальное отверстие в головке двигателя-
Усилитель пьезотоков индикатора представлял собой четырехлампо*
вый усилитель постоянного тока с входной лампой СИ-3 и выхоД'
ной лампой 6Л6. Применение четырех ламп в усилителе позвО'
лило получить от него несколько большую крутизну характеристик11
усилителя (~ 400 ма/в) по сравнению с характеристикой обычное0
двухлампового усилителя. Больший коэфициент усиления усилителя лаЛ
возможность работать с большой емкостью ( ~ 15 000 ммкф) на вхоДе
усилителя, что особенно важно для точного тарирования индикатор3
58
уСТранения паразитных явлений. Запись индикаторных диаграмм произ-
водилась шестишлейфным осциллографом типа ХЭТЙ.
В Несмотря на почти полную безинерционность в записи линии давления
ьезокварцевым индикатором, последний все же обладает целым рядом
„остатков, достаточно подробно описанных в работе Волчка [45].
g основном эти ошибки объясняются искажениями, вносимыми шлейфным
Фиг. 10. Совмещенные индикаторные диаграммы, снятые электро-
пневматическим индикатором и индикатором с тиратронным реле:
1 — индикатор с тиратроном; 2 — электропневматический индикатор ТЛ-2.
осциллографом, усилительным устройством, масштабными искажениями
и пр. Применяющиеся методы статической тарировки масштабов инди-
каторной диаграммы, полученной пьезокварцевым индикатором, обладают
значительной неточностью и не дают исходной нулевой (атмосферной)
Фиг. 11. Схема пьезокварцевого индикатора давления:
1 — двигатель; 2 — пьезокварцевый элемент; 3 — отметчик начала
подачи топлива; 4 — отметчик углов поворота коленчатого вала
и в. м. т.
даетИ ДЛЯ ОТСчета давления. Кроме того, пьезокварцевый индикатор
Пик ИНДивидУальную линию давления, соответствующую только одному
необ^ В ДВигателе> и Для представления о среднем характере процесса
лУчать ДИМ° снимать несколько индикаторных диаграмм, а затем уже по-
тами И3 НИХ сРедние значения. Поэтому перед основными эксперимен-
и ут "Рншлось провести большое исследование по выявлению ошибок
нению показаний пьезокварцевого индикатора.
59
Во-первых, было выяснено влияние различного расположения пьезо-
элемента в головке двигателя на форму индикаторной диаграммы. Было
выявлено влияние зазора Д между приемной поверхностью пьезоэлемента
и стенкой приемного штуцера (фиг. 12).
При достаточно большой величине зазора (Д > 0,5 мм) сильно про-
является дросселирование, происходящее при перетекании газа из цилиндра
в полость в конце канала или обратно. При очень малых величинах за-
зора (Д < 0,2 мм) нарушалась правильная работа пьезокварцевого дат-
чика благодаря соприкосновению его приемной поверхности с поверх-
ностью штуцера при разогреве двигателя. После целого ряда экспери-
ментов было найдено оптимальное значение зазора Д я: 0,3 мм.
Фиг. 13. Схема показаний
пьезокварцевого датчика при
его тарировке на прессе.
Фиг. 12. Схема расположения пьезоэлемента
в головке двигателя:
1 — пьезокварцевый датчик.
Во-вторых, была проведена большая работа по уточнению методов
тарирования пьезокварцового индикатора, которая привела к необходи-
мости применения в работе двух методов тарирования: статического
и динамического.
Статическая тарировка индикатора проводилась обычным способом
при помощи масляного пресса.
При многочисленных экспериментах по проведению статической та- I
рировки были обнаружены значительные отклонения в данных одной
статической тарировки от другой. При детальном исследовании было
обнаружено, что подача давления на пьезокварцевый датчик сопрово-
ждается в масляном прессе появлением ряда волн давления, которые
значительно искажают данные тарировки. На фиг. 13 приведены пока-
зания пьезокварцевого датчика при его тарировке на прессе.
Ломаная линия abed представляет процесс подачи давления на пьезо-
кварцевый датчик и последующий процесс—выравнивания этого давления.
Регистрация же давления, как известно, производится обычным мано-
метром, инерционность которого так велика, что никаких процессов ко-
лебания давлений при этом он не регистрирует.
Таким образом, оставалось совершенно невыясненным, где же на
линии bed будет точка, соответствующая показанию манометра (рман)'
результатом чего являлось отсутствие стабильности в показаниях стати-
ческой тарировки.
Для устранения этого недостатка было применено простое автома-
тическое устройство, заключавшееся в следующем: при повороте рУ'
коятки масляного насоса для включения полости пьезокварцевого дат'
60
ка в систему высокого давления и установления показания давления
манометру автоматически подавался сигнал на шлейфный осциллограф
одновременно с записью линии давления (точка с, сигнал е, фиг. 13).
факим образом, при каждой тарировке взятая величина показания ма-
нометра рман соответствовала одному и тому же положению на линии bed.
Это мероприятие устранило различие в показаниях статических тариро-
вок, и все тарировки получили полное совпадение.
Абсолютное значение показаний статической тарировки при этом
осталось невыясненным, и дальнейшая обработка пьезокварцевых
диаграмм показала неудовлетворительность данных этого метода тари-
ровки. Поэтому для получения большой точности при обработке инди-
каторных диаграмм был применен второй метод динамической тарировки,
давшей значительно большую точность.
Фиг. 14. Схема динамической тарировки пьезокварцевого индикатора.
Метод динамической тарировки индикатора заключался в следующем.
Как уже было указано, индицирование проводилось одновременно
тремя типами индикаторов. При снятии индикаторной диаграммы п0езо-
кварцевым индикатором датчик электропневматического индикатора
временно превращался в максиметр, работающий под различными да-
влениями воздуха из баллона: 10, 20, 30 кг1см2 и т. д. Моменты за-
мыкания и размыкания прерывателя датчика при этих давлениях в виде
сигналов записывались одновременно с индикаторной диаграммой на
шлейфном осциллографе.
Таким образом, масштабная сетка давлений получалась при снятии
индикаторной диаграммы пьезокварцевым индикатором непосредственно
пРи работающем двигателе (фиг. 14).
На фиг. 14 точками аа, а'а', а"а" и т. д. отмечены моменты, соот-
ветствующие размыканию и замыканию контактов прерывателя при
соответствующих давлениях воздуха из баллона 10, 20, 30 кг/см? и т. д.
и Аналогичным способом была получена на индикаторной диаграмме
нулевая (атмосферная) линия. Для этого приемная воздушная полость
РеРывателя соединялась с атмосферой, подача воздуха из баллона пре-
вращалась и давление в полости становилось равным атмосферному да-
опят*110’ СоответствУюЩие моменты размыкания контактов прерывателя
То ь записывались на шлейфном осциллографе и представляли собой
и атмосферного давления.
61
Таким образом* при помощи описанного метода удалось осуществить
динамическую тарировку пьезокварцевого индикатора непосредственно
в рабочих условиях и тем самым избавиться от основных недостатков
статической тарировки, заключающихся в утечках заряда, приводящих
Фиг. 15. Результаты динамических
тарировок пьезокварцевого инди-
катора.
Однако и после всех этих
к амплитудным ошибкам измерения, в
отсутствии нулевой линии, в нерабочих
условиях тарирования пьезокварцевого
датчика и пр.
Проведенное сравнительное инди-
цирование двигателя пьезокварцевым
индикатором с последующими двумя
методами тарирования выявило значи-
тельные преимущества динамической
тарировки индикатора.
Динамическая тарировка имела хо-
рошую повторяемость от опыта к опы-
ту, так как данные тарировок, полу-
ченные при различных экспериментах,
ложились на одну и ту же кривую
фиг. 15.
уточнений было обнаружено, что инди-
каторная диаграмма, снятая пьезокварцевым индикатором ПИ-1, давая
удовлетворительное совпадение с индикаторными диаграммами первых
Фиг. 16. Схема отметчика углов поворота коленчатого вала и в. м. т.:
1—диск с вырезами через 10° и около в. м. т. через 5°; 2 — фотоэлемент; 3 — осветительная
лампа.
двух типов индикаторов по линии сжатия, в то же время дает нереаль-
ное протекание линии расширения, выходящее из технически возмож-
ных пределов. Линия расширения по пьезокварцевому индикатору полу-
чалась со стабильно заниженными значениями давлений. Это явление
не может быть объяснено только несовершенством методов тари-
ровки и требует дальнейшего исследования всех составных частей
пьезокварцевого индикатора.
62
Поэтому в дальнейших исследованиях экспериментальное определение
закона с .
С —
в зОваны только лишь для качественной
1° еделение периода задержки самовоспла-
( ения, момента начала сгорания, скорости
врастания давления и пр.).
нДля проверки показаний индикаторных
аграмм на опытном дизеле были точно опре-
я лень1 значения индикаторных давлений
как суммы среднего эффективного давления ре
---------- давления трения ртр.
Pi = Pe + Prrp-
давление трения ртр определи -
прокрутки двигателя от электро-
а сгорания велось только по данным первых двух индикаторов ТЛ-2
тиратронным реле. Данные пьезокварцевого индикатора были ис-
------------- ----- ------------------ характеристики процесса
и среднего
(100)
Среднее
лось путем
двигателя при установившемся тепловом ре-
жиме двигателя, соответствующем определен-
ному тепловому состоянию при данном режи-
ме его работы.
Различие между значениями индикатор-
ного давления, полученного по индикаторной
диаграмме и полученного из прокрутки дви-
гателя в виде суммы ре -}- ртр, не превы-
шало 2—3°/0.
Сх
К индикатору
Н3' 4
Фиг. 17. Электрическая
схема емкостного дат-
чика.
Фиг. 18. Конструкция отмет-
чика:
1 — корпус; 2 — корпус ^верхний;
3 — шток; 4 — крышка е корпуса;
5—втулка гребенчатая;!) 6—цен-
трирующая шайба нижняя; у—кар-
кас катушки; 8 — центрирующая
шайба верхняя; 9~ втулка;
10 — контргайка; 11 — гайка накид-
ная; 12 — контргайка; —втулка.
Обработка индикаторных диаграмм и послед'
Тв 1Х с Данными стробоскопического газового
последующее сопоставление их
’ *м*пшмми с грииисконическиги I азиыл о анализа вторично под-
Рдили ИХ ТОЧНОСТЬ.
гРаФДновРеменн° с фотографированием индикаторной диаграммы фото-
и Че ₽Овались отметки углов поворота коленчатого вала через каждые 5°
Подачц3 Ю° в^лизи в. м. т., а также фотографировались отметки начала
и в т°плива форсункой. Отметки углов поворота коленчатого вала
фотоэ ’ Т‘ на опытном дизеле производились одновременно с помощью
0т ктРического и контактного отметчиков (фиг. 16).
I Метки начала подачи топлива осуществлялись с помощью специ-
6
сального контактного отметчика. Запись отметки производилась одним
из шлейфов осциллографа.
Особенную трудность представляла проблема фиксирования моментов
•открытия и закрытия газоотборочных клапанов для стробоскопического
отбора газа. Эти клапаны были смонтированы в головке двигателя (фиг. 20)
и имели ход не более 0,1 мм. При столь малом перемещении штока
газоотборочного клапана сам клапан вместе с головкой двигателя под-
вергался несравненно большим вибрациям при работе двигателя. Все это
приводило к значительным трудностям в создании надежной отметки мо-
ментов открытия и закрытия газоотборных клапанов. После применения
ряда методов контактного, электромагнитного и др. был выбран для этих
клапанов отметчик электроемкостного типа. Присущая емкостному методу
высокая чувствительность при достаточной точности делает этод метод осо-
бенно пригодным в применении его к фиксированию малых переме-
щений.
Основным недостатком емкостных систем является паразитная емкость
кабеля, соединяющая датчик с остальной частью электрической схемы.
В разработанной системе емкостного датчика указанный недостаток был
устранен введением связи кабеля с датчиком при помощи повышающего
автотрансформатора.
На фиг. 17 дана электрическая схема емкостного датчика отборочных
клапанов, а на фиг. 18 дана конструкция всего отметчика.
Фиг. 19. Осциллограмма одновременных отметок углов пово-
рота коленчатого вала и в. м. т.
На фиг. 19 дана примерная осциллограмма одновременных отметок
углов поворота коленчатого вала, в. м. т., моментов начала впрыски-
вания топлива и моментов открытия и закрытия газоотборного клапана.
Стробоскопический отбор газа из камеры сгорания и газовый
анализ
Как выше указывалось, отбор проб газа по линии сгорания и их
последующий анализ в газоанализаторах явились вторым независимым
экспериментальным методом исследования динамики процесса сгорания,
дающим возможность уточнить качественную и количественную характе-
ристики этого процесса.
В камере сгорания экспериментируемого дизеля было установлено
два отборочных клапана (фиг. 20). Первый отборочный клапан игольча-
того типа (фиг. 21) был установлен вблизи центра камеры сгорания на
64
Процессы
сгорания в двигателях 3896
5
65
расстоянии 23 мм от центра камеры, другой отборочный клапан тарель-
чатого типа (фиг. 22) был установлен у периферии камеры сгорания на
расстоянии 55 мм от центра камеры. Оба клапана были смонтированы
в головке двигателя, так как при верхнем мертвом положении поршень
подходит к внутренней поверхности головки
на 1,5 мм, вследствие чего боковое распо-
ложение клапанов в гильзе цилиндра исклю-
чалось.
Фиг. 22. Грибковый от-
борочный клапан:
1 — выход газа в газоанали-
затор.
Фиг. 21. Игольчатый отборочный клапан:
1 — выход газа в газоанализатор.
Выбор игольчатого или грибкового типов клапанов определялся прак-
тической возможностью размещения этих клапанов в головке двигателя.
Открытие обоих клапанов осуществлялось гидравлическим способом
от специального нефтяного насоса. Привод от коленчатого вала двига-
теля к распределительному валу насоса осуществлялся при помощи ди-
ференциальной передачи, позволяющей менять момент открытия и закры-
тия клапана непосредственно на работающем двигателе.
66
Как уже было указано, отметка моментов открытия и закрытия кла-
панов, а также продолжительность их открытия осуществлялись при по-
мощи указанного выше электроемкостного отметчика, показания которого
записывались на шлейфовом осциллографе одновременно с отметкой
в. м. т., углов поворота коленчатого вала и начала впрыскивания топлива
(см. фиг. 19).
Отбор проб газа из камеры сгорания производился по всей линии
сгорания, а также частично по линии сжатия и в период задержки само-
воспламенения .
На фиг. 23 приведена примерная схема порядка отбора проб газа
клапанами. Номерами 1, 2, 3, 4,5 к т. д. показаны участки отбора проб
Фиг. 23. Схема отборов проб газов клапанами.
газа из камеры. Первый участок отбора проб газа лежит на линии сжа-
тия. Последующие отборы начинаются от момента впрыска и идут по
всей линии сгорания—расширения (примерно на 100—120° угла пово-
рота коленчатого вала после в. м. т.).
Продолжительность открытия отборочных клапанов при взятии проб
составляет 3—5° угла поворота коленчатого вала, что дает по времени
продолжительность величиной 0,0003—0,0009 сек.
Отборочные клапаны (см. фиг. 20) проходят через водяную рубашку
головки, благодаря чему имеют интенсивное охлаждение. Вначале пред-
полагалось, что при выходе из клапана газ должен был бы поступать
в Добавочный холодильник, а из него уже направляться в газоанализа-
т°р. Однако, как показали предварительные эксперименты, добавочный
Холодильник оказался ненужным, так как степень охлаждения втулок
отборочных клапанов должна регулироваться так, чтобы температура
клапана была достаточно высокой с тем, чтобы не происходила интен-
оивная конденсация паров отбираемых продуктов, в то же время она
в л>Кна быть достаточно низкой, чтобы препятствовать горению газов
отборочном клапане. Этому условию вполне соответствовало охлажде-
Зае клапанов водой, циркулирующей в головке двигателя. Для контроля
сп Тепловым состоянием втулки отборочных клапанов в них были впаяны
к е^Иальные термометры, которые регистрировали температуру втулок
апанов (см. фиг. 20). При опытах температура втулок не превышала
67
100—120° С в верхней части и 160—180° С — в нижней части у седла
клапана. Кроме этого, был проведен проверочный опыт с определением
температуры отбираемых газов непосредственно за отборочным клапаном.
Температура газов оказалась не выше 230—270° С.
Клапаны закрывались сильными пружинами и после каждого экспе-
римента подвергались испытанию на герметичность. Для быстрого про-
хода газов через клапан газовое пространство было сделано весьма ма-
лым (около 3,5 сл;3), что давало при подачах газа 5,5—13,5 смл[сек,
скорость газа примерно 17—45 см!сек.
Точность определения параметров процесса сгорания по данным га-
зового анализа зависит от ряда причин: точности определения состава
проб газа газоанализатором, соответствия состава отбираемых проб сред-
нему составу газа в камере сгорания, а также от допущений о характере
сгорания, которые были положены в основу исследований и пр.
Для того чтобы исследование процесса сгорания при помощи стро-
боскопического газового анализа имело достаточную обоснованность и
точность, пришлось применять различные методы газового анализа на
различных участках процесса сгорания. Для начальных участков процесса
сгорания от момента впрыскивания топлива до момента достижения
максимального давления применялись одновременно два метода газового
анализа: сложный газовый анализ на приборе ТИ и простой газовый
анализ на приборах Орса-Фишера. Остальные пробы подвергались газо-
вому анализу на приборах Орса-Фишера.
Перед экспериментами приборы ТИ и Орса-Фишера были смонтиро-
ваны и проверены согласно исследованиям Лебедева [46]. Так, на-
пример, были возможно максимально уменьшены объемы мертвого про-
странства в приборах Орса-Фишера — до 1,2 см\ в приборе ТИ— i
до 3 см3; была проведена тарировка мерных бюреток; проведена про- I
верка на герметичность поглотительных сосудов и бюреток и пр.
Ошибка в определении состава газов приборами ТИ и Орса в среднем
колеблется от 0,1 до О,2°/о от полного объема, взятого для анализа
газов.
При такой неточности газового анализа величина относительной
ошибки в определении суммы СО2 -|- О2 N2 не превосходит величины i
0,4°/0, а величина относительной ошибки в определении суммы СО2-]-О2
не превосходит 2,5—3°/0, что вполне обеспечивает требуемую техниче-
скую точность исследования.
Кроме того, для каждого газового анализа определялся материальный
баланс кислорода [46]. Невязка баланса не превышала 0,8—1°;0.
Для подтверждения стабильности и надежности результатов газового (
анализа и индицирования каждый режим двигателя повторялся 3—4 раза
и результаты этих повторений накладывались друг на друга. Повтор*
ные режимы также показали вполне удовлетворительную сходимость-
§ 8. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Процесс сгорания в экспериментируемом дизеле был подвергнут ио*
следованию при работе двигателя по различным характеристикам —внеШ'
ней, нагрузочной, по углу опережения впрыскивания. Кроме этого, иС'
следования были проведены для различных сортов топлива.
68
Исследование динамики процесса сгорания по внешней1
характеристике
Исследование динамики процесса сгорания по внешней характери-
стике позволяет выявить
характер процесса сгора-
ния.
В табл. 1 и 2 пред-
ставлены основные пара-
метры двигателя по внеш-
ней характеристике. В
табл. 3 приведены те-
пловые балансы этой ха-
рактеристики, а в табл. 4
даны основные параме-
тры процесса сгорания.
На фиг. 24 и 25 пока-
заны места замера тем-
пературы и индикатор-
ные диаграммы этой ха-
рактеристики.
непосредственное влияние числа оборотов на
Фиг. 25. Индикаторная диаграмма в рУ-коорди-
натах.
Режимы: а — BH-I (п = 1600 об'мии); Р^ =6,34 кг]слр;
К-=94л. с.; б — ВН-П (п=1200 об/мин) - 6,45 кг/см*;
Д\-71,6 л. с.-, в — ВН-Ш (п-1000 об/мии);-,pi = 5,7 кг/сл2.
N. = 52,6 л. с.
фиг. 24. Места замера
температуры головки и
Цилиндра двигателя:
—- температура головки па
‘реднем радиусе; tt — темпе-
ратура цилиндра на середине
амеры сгорания; t3 — темпе-
ратура цилиндра на расстоя-
нии 120 мм от в. м. т.
Пользуясь полученным материалом, можно дать краткий анализ из-
Менения основных факторов рабочего процесса по внешней характери-
стике.
^Некоторое возрастание коэфициента избытка воздуха с уменьшением
Ст 1 Под внешней характеристикой дизеля условно понимается характери-
"ка по оборотам при постоянном положении регулировочной рейки топлив-
г° насоса.
* 69
7 аблица 1
Температуры головки и цилиндра двигателя по режимам внешней
характеристики
Режим Число оборотов п в минуту Температура в °C
6 ^2 ^3
BH-I 1600 181 170 86
BH-II 1200 172 156 86
BH-II1 1000 165 144 86
Основные параметры двигателя по
Режим | ЧИСЛО оооротов П в Мппу 1 _ Эффективная мощность N е в л. с. Средний эффективный расход топли- ва ge в «г/э. л. с. ч. Среднее эффективное давление Ре в кг[см? Эффективный к. п. д т; в % Среднее индикаторное давление р. в кг/см* Индикаторная мощность N. в л, с. Индикаторный к. п. д. в % 1 Индикаторный расход топлива g-t ' в кг!и.л.с.ч Механический к. п. д. rjm в % /
BH-I 1600 65,6 0,219 4,43 28,6 6,34 94,0 41,0 0,153 69,8
вн-п 1200 51,6 0,198 4,65 31,6 6,45 71,6 43,8 0,143 78,0
BH-I1I 1000 40,7 0,204 4,40 30,7 5,70 52,6 39,6 0,158 77,6
числа оборотов, отмечаемое как по замеру расхода воздуха и топлива,
так и по данным газового анализа, объясняется некоторым износом ра-
бочей пары насоса (плунжер и втулка), вследствие чего с уменьшением
оборотов относительная величина топлива, перепускаемого вследствие
уменьшения гидравлической плотности рабочей пары насоса, возрастала,
что приводило к некоторому уменьшению количества топлива Во, по-
даваемого на каждый цикл (табл. 2).
Понижение температуры Тг отработавших газов с уменьшением обо-
ротов объясняется в основном большим временем, отводимым на про-
цесс сгорания, и соответственным уменьшением догорания. Средний по-
казатель политропы сжатия сохраняет для всех чисел оборотов примерно
постоянное значение «1 = 1,39—1,41.
Показатель линии расширения пг несколько уменьшается с увеличе-
нием числа оборотов, что достаточно хорошо увязывается с тепловым
балансом этой характеристики. С увеличением оборотов относительная
потеря тепла в воду уменьшается, следовательно, уменьшается и ns.
Кроме того, с увеличением оборотов двигателя процесс сгорания рас-
пространяется в большей степени на линию расширения, что также при-
водит к понижению показателя п2.
70
Скорость нарастания давления vp тесно связана с углом опережения
впрыскивания [i и периодом задержки самовоспламенения ф°(т,). По-
скольку для всех режимов внешней характеристики угол опережения
впрыскивания (i = 24°=const, можно считать, что каждая порция
топлива, впрыснутого в двигатель, попадала в среду с примерно оди-
наковыми параметрами р и Т. С уменьшением оборотов коленчатого
вала увеличивается доля топлива, сгорающая около в. м. т., результа-
том чего является некоторое повышение давления вспышки рг. Однако
одновременно с уменьшением оборотов ухудшается процесс смесеобразо-
вания как вследствие уменьшения завихрений газа в камере сгорания,
так и вследствие уменьшения давления распыливания, в результате чего
Таблица 2
режимам внешней характеристики
Режим Часовой расход воздуха В Я'2 Коэфициент наполнения т;у Действительный расход воздуха на 1 кг топлива в кг возд!кг топл Коэфициент избытка воздуха Количество топлива на 1 цикл Во в кг топл/цнкл Количество воздуха, засасываемого на 1 цикл, Gfi в кг Средний пока- затель поли- тропы Температура отработавших газов Г в °К г
VOW Ог/7 I по данным окружающей 1 среды Lf,g по мерной шайбе о ш по прибору Орса ар д. сжатия пх । 1 • X •
BH-I 420 424 0,850 29,6 2,02 2,11 0,746-10-4 2,2-10-3 1,40 1,15 810
вн-п 315 326 0.860 31,8 2,18 2,28 0,710-Ю-4 2,26.10-3 1.41 1,19 710
BH-III 260 268 0,850 32,2 2,21 2,30 0,700-Ю'4 2,23-10 3 1,39 1,19 695
Таблица 3
Тепловой баланс по режимам внешней характеристики
Режим Число оборотов п в минуту Полное количество тепла, эквивалентного часовому рас- ходу топлива, Qm в кал!час Тепло, эквивалентное эффек- тивной работе, Qe в кал!час Тепло, ушедшее в охлаждаю- щую воду, Qeog в кал/час Тепло, ушедшее с отрабо- тавшими газами, Q в кал!час от- газ Тепло, ушедшее на луче- испускание и прочие потери, Qnorn в калчас Относительный тепловой баланс QOT=100%
Ч, «л. в % газ е £ О CQ
Слот Е О
вн-1 1600 145 000 41 500 31600 62500 9400 26,6 21,8 43,1 6.5
ВН-П 1200 103300 32 600 25 200 38 800 6709 31,6 24,3 37,6 6,5
ВН-1И 1000 84 000 25 800 21800 30 600 5800 30,7 25,9 36,5 6,9
71
Таблица 4
Основные параметры процесса сгорания по режимам внешней
характе ристин и
инуту S Ьй 2 XBlUtf явления Продолжительность процесса сгорания Период задержки самовоспламенения
отов п в м вспышки р Е СО СК S X V £ j точками шах- Лпаз врастания д; град
Режим Число обор Давление В KZlCM1 Угол опере: вания Угол междз и Лпах Скорость НЕ v в кг(см* xz в сек. к в сек.
BH-I 1600 58,9 24 37 4,10 85 8,85-10“3 19 1,98-Ю"3
ВН-П 1200 61,5 24 32 4,00 77 10,7-10 3 17 2,36-10 3
BH-III 1000 63,0 25 10 3,95 70 11,7-10 3 15 2,50-10—3
уменьшается скорость сгорания топлива. Таким образом, возрастанию
рг с уменьшением оборотов соответствует одновременное увеличение
продолжительности сгорания, в результате чего vp остается величиной
почти неизменной (ур =4 кг/смгград\
Законы изменения величин продолжительности сгорания и периода
запаздывания воспламенения с изменением числа оборотов двигателя
Фиг. 26. Изменение продолжительности процесса сго-
рания тг и периода задержки самовоспламенения т/
в зависимости от числа оборотов.
имеют различный характер в зависимости от выражения этих величин
или в градусах угла поворота коленчатого, или времени его пово-
рота в секундах.
72
Фиг. 27. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы для режима BH-I
(л =1600 об/мин).
Изменение давления р, температуры Т, закона подачи а.
dx
закона сгорания х и скорости сгорания в зависимости
от угла поворота коленчатого вала <f° (времени т); N =
~ 65,6 л. с.; pi=6,34 кг!см,‘, Во=0,746-Ю-4 кг топл/цикл;
0^=2,2 -10—3 кг возд^цикл; <р^—19°; топливо — газойль.
dx у
di /сек
300
гоо
<оо
30 20-30 0 30 20 30 4(7 50 60 <р°
О 2 Ю' 030 3б'<0-’ 8.30'3 3030 1 Т сек
Фиг. 28. Динамика процесса сгорания по данным
индикаторной диаграммы для режима BH-II
(л =1200 об/мин):
IV =51,6 л. с.; о. — 6,45 кг/СЛ1; В0=0,71 • 10—4 кг
в 1 Л
топл/цикл-, Gfl=2,26 • 10~d кг возд/цикл’ = 17°;
топливо —• газойль.
73
По углу поворота коленчатого вала продолжительность сгорания <р2
и величина периода задержки самовоспламенения уменьшаются с умень-
шением оборотов, а по времени эти величины возрастают (та(ут. 4,
фиг. 26). Исследование законов динамики процесса сгорания в дизеле
при переменных оборотах надлежит вести, пользуясь в качестве аргу-
мента фактором времени. Поэтому дальнейший анализ динамики процесса
сгорания проводится в виде исследования развития процесса по вре-
мени.
На фиг. 27, 28 и 29 представлены индикаторные диаграммы
в координатах рх. Для каждого режипа приводятся изменения давле-
0 гИГ3 ШОЧИТ3 ВЮ'310КГ3И10'3 т сек
Фиг. 29. Динамика процесса сгорания по данным
индикаторной диаграммы для режима BH-III
(п —1000 об/мин):
N =40,7 л. с.-,р, — 5,7 кг/см-’; /3„0.7 10~4 кг топлЩикл;
Ofl=2,23 10—° кг возд/цикл; Vi=15c; топливо — газойль.
один впрыск), а также построены законы сгорания х, подсчитанные
по вышеприведенным уравнениям (28), (30) и (98), и скорости сгора-
dx
НИЯ — .
dx
Ниже приводятся данные расчета закона сгорания по индикаторным
диаграммам для всех режимов внешней характеристики. В табл. 5
приводятся цифровые значения величин xb xw и х для различных
моментов развития процесса.
Из этих материалов видно, что среднее значение коэфициента
х-
использования тепла в реальном процессе <р= несколько уменьшается
с уменьшением оборотов от величины ф = 0,95 при п — 1600 об/мин
до величины = 0,9 при и= 1000 об/мин. Указанное изменение сред-
него значения величины достаточно хорошо увязывается с тепловым
балансом этой характеристики. С уменьшением оборотов относительные
потери тепла в воду растут, благодаря чему величина уменьшается.
74
Таблица 5
Динамика процесса сгорания по данным индикаторной диаграммы
(для различных режимов)
ч>° т в сек. от на- чала впрыска т/т; xi X , Xi
Режим BH-I при п - 1600 об/мин
—24 0 0 — — - —
— 5 0,00198 1 0 0 0 —
0 0,00250 1,262 0,24 0,001 • 0,241 —
10 0,00354 1,790 0,374 0,009 0,383 0,976
20 0,00458 2,310 0,472 0,016 0,488 0,966
30 0,00562 2,840 0,56 0,023 0,583 0,961
40 0,00667 3,370 0,64 0,029 0,669 0,956
50 0,00770 3,890 0,713 0,034 0,747 0,954
60 0,00875 4,420 0,78 0,038 0,818 0,953
70 0,00980 4,950 0,84 0,043 0,883 0,952
80 0,01083 5,470 0.895 0,047 0,942 0,950
Режим ВН-П при «=1200 об/мин
—24 0 — — — — —
-7 0,00236 1 0 0 0 —
0 0,00333 1,41 0,27 0,005 0,275 —
10 0,00473 2,00 0,40 0,015 0,415 0,964
20 0,00611 2,59 0,52 0,03 0,55 0,945
30 0,0075 3,18 0,625 0,037 0,662 0,940
40 0,0089 3,77 0,71 0,050 0,760 0,934
50 0,01027 4,35 0,777 0,055 0,832 0,931
60 0,01165 4,94 0,816 0,062 0,878 0,928
70 0,01304 5,53 0,83 0,070 0,900 0,922
Режим ВН-Ш при п=1000 об/мин
-25 0 0 — — — —
—10 0,0025 1,0 0 0 0 —
0 0,00416 1,66 0,36 0,018 0,378 —
10 0,00584 2,34 0,500 0,039 0,539 0,927
20 0,0075 3,00 0,61 0,059 0,669 0,913
30 0,00916 3,66 0,71 0,075 0,785 0,905
40 0,01081 4,34 0,78 0,087 0,867 0,900
50 0,0125 5,00 0,84 0,098 0,938 0,896
60 — 0,01417 5,66 0,87 0,108 0,978 0,890
75
Для данного режима двигателя величина ф почти не меняется с разви-
тием процесса сгорания.
Коэфициент использования тепла рабочим телом в реальном про-
цессе ф не тождественен с коэфициентом xt. Величина xt в каждый
момент сгорания определяется долей сгорающего топлива и зависит не
только от потерь в стенки и на диссоциацию, но и развития процесса,
т. е. закона сгорания. Величина коэфициента ф определяется только
потерями тепла в стенки и на диссоциацию. Ход реакции сгорания на
величину этого коэфициента не оказывает решающего влияния,
поэтому, как видно из представленных данных табл. 5, величина ф
мало изменяется, по ходу процесса. Совпадение ф с коэфициентом xt
ных диаграмм для внешней характеристики:
I - д - BH-I; tz=-l,58 - IO-3 сек.; 2 - о - ВН-П; ^=2,36 10~3 сек.;
3 - х - ВН-Ш; TZ=2,5 10~3 сек.
наступает лишь при х=1, т. е. в конце сгорания ф = х/, во всех
остальных промежуточных стадиях развития сгорания ф ф xt.
На фиг. 30 представлены кривые протекания законов сгорания
по тепловыделению, полученные по данным индикаторных диаграмм для
всех режимов внешней характеристики, а на фиг. 31 приведено измене-
ние максимальной скорости сгорания в зависимости от числа оборотов.
Уменьшение максимальной скорости сгорания с понижением оборотов
согласуется с уже данным выше анализом этой характеристики. Умень-
шение скорости сгорания с понижением числа оборотов коленчатого
вала в основном определяется ухудшением смесеобразования на малых
оборотах.
На фиг. 32, 33 и 34 представлены результаты исследования дина-
мики процесса сгорания по данным стробоскопического газового анализа.
На указанных фигурах даны нарастание СО2, СО и изменение О2 как
для центрального клапана (23 мм от центра камеры), так и для пери-
ферийного клапана (55 мм от центра камеры). Стробоскопический
газовый анализ проводился одновременно с индицированием.
Помимо определения изменения основных реагентов, в течение
периода индукции и в начале сгорания производился сложный газовый
76
анализ на приборах ТИ. Результаты этих исследований показали, что
к концу периода задержки самовоспламенения, а также в первые мо-
менты сгорания в газах содержатся непредельные углеводороды в коли-
честве 0,3 — 0,5%, водород в количестве 0,2—04%, метан — 0,4—1,2%
и более тяжелые углеводороды, которые при сжигании в кислороде
образовали до 2,5% углекислоты.
Из указанного выше видно, что на линии сжатия содержание кис-
лорода и СО2 остается практически постоянным и равным в среднем
О2—20,6%—20,7% и СО2—0,15%—0,25%. Согласно этим данным
можно определить коэфициент остаточных газов [23] в среднем
Y = 0,03—0,05.
Кривые изменения двуокиси углерода противоположны кривым из-
менения кислорода. Максимальное содержание СО2 совпадает с областью
минимального содержания кислорода.
Фиг. 31. Изменение максимального значения
(dx\
скорости сгорания I— I в зависимости
от числа оборотов коленчатого вала п.
Период задержки самовоспламенения, определенный по индикатор-
ным диаграммам, соответствует периоду задержки самовоспламенения
по данным газового анализа для всех режимов внешней характеристики.
По кривым изменения СО3 видно, что этот реагент образуется
в качестве некоторого промежуточного продукта реакции сгорания,
исчезающего к концу сгорания.
Общее течение кривых СО2, О2 и СО в центре камеры резко
отлично от их изменения на периферии камеры. Как видно, процессы
в центре камеры совершаются значительно медленнее, чем на перифе-
рии. Так, например, для п = 1600 об/мин. нарастание СО2 в центре
камеры заканчивается около 70—80° после в. м. т., а на периферии—
около 25° после в. м. т. Анализ течения кривых СО2, О2 и СО, а так-
же и изменения минимальных значений коэфициентов избытка воздуха
в центре и на периферии (фиг. 35) показывают, что после первого
воспламенения топлива происходит большое колебание состава газов,
объясняемое наличием вихревых движений газа в камере сгорания. На
периферии изменение состава газов выражено более резко, чем
в центре. Как видно из фиг. 32, 33 и 34, после первого воспламене-
ния на периферии наблюдается сильный приток свежего воздуха,
размывающего образовавшиеся продукты сгорания и приводящего
к возрастанию содержания кислорода и уменьшению СО2. То же явле-
ние наблюдается и в центре камеры, но с значительно меньшим эффек-
том. Таким образом, действие газовых потоков усиливается от центра
77
-во -«о -го о го ы 60 То too too Ло /во д>°
О 0-I01<i-J0s6i0'j0l0,/0-I0,i0i0^ т сек
Фиг. 32. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа. Режим ВН-1 (п=1600 об/мин):
I — центральный клапан; II — периферийный клапан; 1—1 — начало впрыскива-
ния; 2 2— начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
78
—во -и -го о го оо во во юо <го too <р°
о гю^о'в^вюЧо^гю^ г сек
Фиг. 33. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа. Режим ВН-Н (я = 1200 об/мин):
В — центральный клапан; II — периферийный клапан; 2-7 — начало впрыскива-
ния; 2—2— начало воспламенения по индикаторной диа) рамме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
79
-® -ад -го ~о То ад ад ~ео too й? /ад /во <р°
О 210} ЧЮ~3 BUT3 8-i03tcek.
Фиг. 34. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопического
газового анализа. Режим BH-III (п = 1000 об/мин):
I — центральный клапан; //--периферийный клапан; /—/ — начало впрыскивания;
2—2—начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром показано содер-
жание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
80
Фиг. 35. Изменение коэфициента избытка воздуха по дан-
ным газового анализа для центра и периферии камеры.
Режимы: а—BH-I (п-1600 об/мин); б—ВН-П
(« = 1200 об/мин); в ВН-Ш (и =1000 об/мин):
•п — отбор газов из периферийного клапана; — отбор газов из цен-
1_ трального клапана.
Процессы сгорания в двигателях 3896 81
к периферии камеры. Полученные результаты хорошо согласуются
с данными о неравномерном распределении топливо-воздушной смеси
в цилиндре дизеля [35].
Переходя к рассмотрению данных стробоскопического газового
анализа по внешней характеристике, видно, что с уменьшением оборотов
то 1200 1W0 1600 п об/мин
Фиг. 36. Зависимость максимальных
значений:
а Osmin ’ 6 СС?п1ах; в СОтах от числа
оборотов кол-.нчатого вала для центра (кри-
вая 1) и периферии (кривая 2) камеры.
меняется и характер изменения
основных реагентов О2, СО2 и СО
в процессе сгорания. Так, например,
если для п = 1600 об/мин нара-
стание COS в центре камеры закан-
чивается около 70—80е после
в. м. т., а на периферии—около
25° после в. м. т., то для п =
= 1000 об/мин нарастание СО2 в
центре камеры заканчивается к 40°
после в. м. т., а на периферии —
в 16—17° после в. м. т. Одновре-
менно с уменьшением числа оборо-
тов коленчатого вала неравномер-
ность в максимальных значениях СО2
и минимальных значениях О2 в цен-
тре камеры сгорания и на перифе-
рии увеличивается.
С уменьшением числа оборотов
коленчатого вала с п = 1600 об/мин
до п = 1000 об/мин максимальное
количество СО2 на периферии ка-
меры снижается с 10 до 8°/0, а
Фиг. 37. Зависимость минимальных
значений коэфициента избытка воз-
духа amin от числа оборотов колен-
чатого вала п.
минимальное количество остающегося кислорода возрастает с 6 ДО
1О«/о (фиг. 36).
В центре камеры наблюдается противоположное явление. С умень-
шением оборотов коленчатого вала от п = 1600 об, мин Д°
п = 1000 об/мин максимальное количество образующейся двуокиси
82
углерода возрастает с 10 до 11,5%, а минимальное количество
остающегося кислорода снижается с 5,5—6 до 2—2,5%.
Следовательно, с уменьшением числа оборотов коленчатого вала
все большие порции сгорающего топлива группируются в центре камеры
и все меньшие доли топлива попадают на периферию камеры. Процесс
сгорания в центре камеры ухудшается, так как получается недостаток
кислорода, приводящий к неполному окислению топлива и резкому
возрастанию СО с 2,0% при л =1600 об/мин до 6% при п =
ж=100() об/мин. Этот же характер ухудшающегося смесеобразования
подтверждается изменениями минимальных значений коэфициентов из-
бытка воздуха в центре камеры и на периферии, представленными на
фиг. 35, 36 и 37.
С уменьшением числа оборотов коленчатого вала с л = 1600 об/мин
до п = 1000 об/мин минимальное значение коэфициента избытка воздуха
в центре камеры уменьшается с яц = 1,25 до ац = 1,0, а на периферии
камеры соответственно возрастает с ап=1,35 до ап = 1,85 (фиг. 37).
Таким образом, проведенный обзор результатов стробоскопического
газового анализа с наглядностью выявляет влияние числа оборотов
коленчатого вала дизеля на качество смесеобразования.
Уменьшение оборотов приводит к снижению вихревых движений
газа в камере, к уменьшению давления распыливания и как следствие
этого — к ухудшенному распределению топлива в камере. С уменьше-
нием числа оборотов коленчатого вала все меньшие доли топлива про-
никают к периферии камеры и все ббльшие порции топлива начинают
сгорать в ее центре, ухудшая процесс сгорания и делая его менее
полным.
Эти результаты целиком соответствуют выводам о влиянии смесе-
образования на качество рабочего процесса дизеля, которые были
сделаны многими исследователями.
Полученные материалы по стробоскопическому газовому анализу,
кроме общей характеристики развития процесса сгорания, могут послу-
жить и для уточнения современных представлений о механизме развития
этого процесса как процесса, подчиняющегося определенным соотноше-
ниям химической кинетики.
До сего времени изучение законов сгорания в двигателях по су-
ществу базировалось на экспериментальном исследовании при помощи
индицирОвания двигателя. По данным индикаторной диаграммы двига-
теля определялся закон тепловыделения в цилиндре двигателя [уравне-
ние (28)], который и принимался за закон сгорания.
В химической кинетике, как правило, изучаются законы превраще-
ний, определяемые по изменению реагентов. Поэтому весьма интересным
является выяснение вопроса о соотношении динамических кривых
превращений веществ в течение процесса сгорания с кривыми тепло-
выделений, полученными по данным индикаторной диаграммы. При
этом необходимо отметить, что закон сгорания по тепловыделению,
Даваемый индикаторной диаграммой, является наименее локальным.
Метод построения динамических кривых превращений реагентов по
Данным стробоскопического газового анализа, разобранный в § 4,
является по существу методом исследования процесса сгорания в данном
месте камеры.
83
На фиг. 38 приведено сопоставление законов сгорания, получен-
ных по данным индикаторных диаграмм и по данным стробоскопиче-
Фиг. 38. Законы сгорания по данным индикатор-
ной диаграммы и стробоскопического газового
анализа для центра камеры.
Режимы: а — BH-I; б — ВН-П; в — ВН-Ш.
вала
то-
цен-
сго-
ка-
ского газового анализа
для центра камеры сго-
рания.
Как видно из фигуры,
законы сгорания по инди-
каторным диаграммам и
по данным стробоскопи-
ческого газового анализа
в центре камеры в до-
статочной степени соот-
ветствуют друг другу.
Причем, это соответствие
увеличивается с увеличе-
нием времени, отводимого
на процесс сгорания, т. е.
с уменьшением числа обо-
ротов коленчатого
и увеличением доли
плива, сгорающей в
тре камеры. Законы
рання на периферии
меры значительно отли-
чаются от законов сго-
рания, полученных по
индикаторным диаграм-
мам, так как на перифе-
рии сгорает лишь неболь-
шая часть всего впрысну-
того топлива, в основном
не определяющая нара-
стания давления в цилин-
дре двигателя.
Частный закон сгора-
ния по образованию СО2
отличается от закона сго-
рания по изменению О2,
отставая несколько от по-
следнего по времени. Это
отличие объясняется тем,
что закон изменения О2
охватывает превращение
всех составных частей
топлива, участвующих в
окислении, а закон сго-
рания СО2 дает харак-
теристику превращения
только той части углерода топлива, которая полностью окисляется в
двуокись углерода.
84
Несмотря на полученные положительные результаты сопоставления
законов сгорания, найденных по индикаторным диаграммам и данным
стробоскопического газового анализа, следует отметить, что частные
законы сгорания в отдельных местах камеры не представляют, конечно,
общего закона сгорания топлива в камере, который определяется по
индикаторным диаграммам, отображающим общее протекание процесса
во всей камере.
Поэтому нельзя отождествлять динамику процесса сгорания, най-
денную по индикаторным диаграммам, с динамикой процесса по данным
стробоскопического газового анализа для отдельных мест камеры.
Однако сопоставление найденных различными методами законов сгорания
свидетельствует о том, что с помощью стробоскопического газового
анализа, в случае осуществления его для многих мест камеры и полу-
чения осредненного газового анализа по полю стробоскопических
данных в камере, можно построить общую характеристику динамики
процесса сгорания, которая будет соответствовать динамике сгорания,
найденной по индикаторным диаграммам. В этом случае частные законы
сгорания, полученные но стробоскопическому газовому анализу для
отдельных частей камеры, являются дополнительным материалом для
изучения вопросов смесеобразо-
вания и общей характеристики
развития процесса сгорания.
Таким образом, проведенные
исследования показывают, что
стробоскопический газовый ана-
лиз процесса сгорания является
ценным дополнительным материа-
лом для более глубокого и под-
робного исследования динамики
процесса сгорания в двигателях
и более детального изучения ло-
кальных характеристик процесса.
Исследование динамики про-
цесса сгорания по нагругочной
характеристике
Снятие этой характеристики
производилось путем уменьшения
подачи топлива с одновременным
уменьшением нагрузки на пендель-
динамо, в результате чего число
оборотов коленчатого вала оста-
валось постоянным. Количество
подаваемого воздуха при п = const
не меняется по этой
характеристике,
Фиг. 39. Индикаторная диаграмма
врК-координатах (п= 1690 об/мин):
а — режим НГ-1; а=2,02; Р,- = 6.34 кг/сл(2;
Д9 = 94 л. с.', б — режим НГ-IV; а = 4,6;
pz=3.94 кг'слД; Л'(- = 58,4 л. с.
а подача топлива изменяется в
широких пределах, вследствие чего нагрузочная характеристика у ди-
зеля является характеристикой по коэфициенту избытка воздуха.
В экспериментах изменение нагрузки давалось в пределах от 100
До 25°/0 включительно, что соответствовало изменению коэфициента
85
Основные параметры двигателя по
Режим Нагрузка в % Число оборотов п в минуту Эффективная мощ- ность Ne в л. с. Средний эффектив- ный расход топлива ge в кг/э, л. с. ч. Среднее эффективное давление ре в кг/см* 1Й к. п. д. Среднее индикатор- ное давление pi в кг!см* Индикаторная мощ- ность Щ в л. с. Индикаторный к. п. д. т,(- в % Индикаторный рас- ход топлива gj в кг.и. л. е. ч. Механический к. п. д. в %
• л В а Е 1) Э* га &
НГ-1 100 1600 65,6 0,219 4,43 28,6 6,34 94,0 41,0 0,153 69,8
нг-п 75 1600 49,3 0,228 3,32 27,3 5,38 79,7 48,5 0,129 56,4
НГ-П1 50 1600 33,3 0,267 2,25 23,4 4,92 72,9 51,3 0,122 45,6
НГ-IV 25 1600 16,8 0,380 1,13 16,4 3,94 58,4 57,0 0,110 28,8
избытка воздуха от а~2 до а— 4,6. Таким образом, исследование
динамики процесса сгорания по нагрузочной характеристике позволяет
выявить непосредственное влияние коэфициента избытка воздуха на
характер процесса сгорания.
В табл. 6 представлены основные параметры двигателя по нагру-
зочной характеристике. В табл. 7 приведены тепловые балансы этой
характеристики, а в табл. 8 даны основные параметры процесса сгора-
ния. На фиг. 39 показаны индикаторные диаграммы в рУ-координатах.
На основании указанного выше можно сделать краткий анализ из-
менения основных факторов рабочего процесса по нагрузочной харак-
теристике. Как видно из табл. 6, общие зависимости основных факторов
рабочего процесса являются обычными для нагрузочной характеристики
дизеля.
Таблица 7
Тепловой баланс по режимам нагрузочной характеристики
Режим Нагрузка в % Полное количество тепла, эквивалентное часовому расходу топлива Qm в кал;час Тепло, эквивалентное эффективной работе, Qe в кал[час § <У О-*. Ш Г и е и ал! час Тепло, ушедшее на лучеиспускание и прочие потери, Qnom в нал!час Относительный тепловой баланс @02 = 100%
Тепло, ушедше с отпяботжпптим газами, Qom в к
Тепло, ушедш! R ОХЛЯЖЛЯЮШУ 'ох а 'Xttos со *1 £ О' 1о и ть 1 О г- со I fc су |су Qom газ в % Qm Я СП § £ О IO
НГ-1 100 145000 41500 31600 62 500 9400 28,6 21,8 43,1 6.5
нг-п 75 113900 31 200 25700 47 700 9300 27,4 22,6 41,9 8,1
нг-ш 50 89 690 21000 19 950 40 700 8040 23,4 22.2 45,5 8,9
НГ-IV 25 64540 10 600 15720 32700 5520 16,4 24,4 50,6 8,6
86
Таблица 6
режимам нагрузочной характеристики
режим Часовой рас- ход воздуха в кг Коэфициент напол- нения 7) у Действительный рас- ход воздуха на 1 «г топлива L$ в кг Коэфициент избытка воздуха Количество топлива на цикл в кг Количество воздуха, засасываемого за 1 цикл, Gg в кг Температура отрабо- тавших газов Тг в ПК Отношение а
по MCA ЬЛО по данным ок- ружающей среды Lhd по мерной шайбе аш по прибору Орса ау-_ д
НГ-1 420 424 0,850 29,6 2.02 2.11 0,746-10-4 2,2-103 810 0,203
нг-п 419 428 0,850 38,0 2,6 2,72 0,587-10 4 2,23-10 3 706 0,187
нг-ш 420 432 0,850 48,6 3,32 3,58 0,462-10 4 2,25-10~3 642 0,155
НГ-IV 420 431 0,850 67,5 4,62 4,80 0,332-10 4 2,25-10 3 575 0,124
На фиг. 40, 41, 42 и 43 представлены индикаторные диаграммы
в координатах рх. Для каждого режима, как и ранее для внешней
характеристики, приводятся изменения давления р, температуры Т,
подачи топлива а (в долях от общей подачи на один впрыск), закона
dx
сгорания х и скорости сгорания — .
В табл. 9 приводятся данные расчета закона сгорания по индика-
торным диаграммам для всех режимов нагрузочной характеристики.
На фиг. 44 дана диаграмма изменения количества сгоревшего
топлива по времени в абсолютных величинах х-В0 кг. Количество
сгоревшего топлива в абсолютных величинах для соответству-
Таблица 8
Основные параметры процесса сгорания по режимам нагрузочной
характеристики
1 Режим Нагрузка в % Давление вспышки Pz в кг!см? Угол опережения впрыскивания 1 Угол между точками 1 Ртах и 'шах ^Ртах — Лпах Скорость нарастания давления vp в кг/см^град Продолжитель- ность процесса сгорания Период задержки самовоспламенения
в сек. vi в сек.
НГ-1 100 58,9 24 37 4,10 85 8,85-10-3 19 1,98-10-3
НГ-П 75 57,0 25 30 4,2 75 7,82-ю-3 20 2,08-10—3
нг-ш 50 58,4 26 10 4,00 70 7,3-10-3 21 2,18-10-3
НГ-IV 25 60,4 28 1 4,03 67 6,98-10-3 21 2,18-10-3
87
Таблица 9
Динамика процесса сгорания по данным индикаторной диаграммы
(для различных режимов)
•с в сек. от началг впрыска XI X
—24 0 Рс 0 жим НГ-]
—5 0,00198 1 0 0 0 —
0 0,00250 1,262 0,24 0,001 0,241 —
10 0,00354 1,790 0,374 0,009 0,383 0,976
20 0,00458 2,310 0,472 0,016 0,488 0,966
30 0,00562 2,840 0,56 0,023 0,583 0,961
40 0,00667 3,370 0,64 0,029 0,669 0,956
50 0,00770 3,890 0,713 0,034 0,747 0,954
60 0,00875 4,420 0,78 0,038 0,818 0,953
70 0,00980 4,950 0,84 0,043 0,883 0,952
80 0,01083 5,470 0,895 0,047 0,942 0,950
—25 0 Реж1 IM НГ-П , ,
—5 2,08-10 3 1,00 0 0 0 —.
0 2,6-10’3 1,25 0,285 0,005 0,290 —
10 3,65-10-3 1,755 0,389 0.016 0,405 0,960
20 4,7-10-3 2,26 0,529 0,026 0,555 0,954
30 5,73-10 3 2,76 0,641 0,034 0,675 0,949
40 6,78-10—3 3,26 0,739 0,041 0,780 0,947
50 7,81-Ю"3 3,755 0,823 0,047 0,870 0,945
60 8,85-10—3 4,205 0,867 0,058 0,920 0,942
70 9,9-10 -3 4,76 0,883 0,057 0,940 0,940
-26 0 Ре? ким НГ-П
— 5 2,18 -10~3 1,00 0 0 0 —
0 2,7-10-3 1,24 0,342 0,008 0,350 '> -
10 3,74.103 1,72 ' 0,435 0,020 0,455 0,956
20 4,78-10 3 2,195 0,554 0,032 0,586 0,945
30 5,82-10" 3 2,67 0,647 0,043 0,690 0,938
40 6,87-10“3 3,15 0,718 0,052 0,770 0,932
50 7,9-10 3 3,62 0,771 0,059 0,830 0,929
60 8,94-10-3 4,10 0,805 0,064 0.870 0,926
65 9,46-10-3 4,34 0,814 0,066 0,880 0,925
88
Продолжение табл. 9
{рО т в сек. от начала впрыска -7 Х1Л> X
Режг iM НГ-IV
—28 0 — — — — —
—7 2,19.10-3 1,00 0 0 0 —
0 2,92-10-3 1,33 0,463 0,012 0,475 —
10 3,96.10“ 3 1,81 0,499 0,031 0,530 0,941
20 5,00-10”3 2,28 0,565 0,045 0,610 0,926
30 6,04-10“3 2,76 0,660 0,056 0,705 0,936
40 7,10-10 3 3,24 0,731 0,064 0,795 0,919
50 8,13-Ю“3 3,71 0,799 0,071 0,870 0,918
60 9,17-10“3 4,18 0,843 0,077 0,920 0,916
ющего времени уменьшается с увеличением коэфициента избытка
воздуха а. Одновременно уменьшается и продолжительность сгорания т2.
На фиг. 45 приводятся кривые изменения по времени абсолютных
dCB
значений скоростей сгорания - -, а на фиг. 46 — изменение максимальных
[dCB\ [dCB\
значений -г- и средних значений —— I в зависимости от а. Как
\ иХ /max \ их J ср
Л и (аСв
видно, оба значения скорости сгорания топлива у х и /е
уменьшаются с увеличением а, что является следствием уменьшения
средней температуры процесса на малых нагрузках и соответствующего
уменьшения концентрации топлива.
Среднее значение коэфициента использования тепла в реальном
процессе уменьшается с ф = 0,95 при ЮО°/о нагрузки до <Ь=0,935 при
25°/0 нагрузки. Указанное изменение среднего значения величины ф
достаточно увязывается с тепловым балансом этой характеристики.
С уменьшением нагрузки относительные потери тепла в воду растут,
благодаря чему величина несколько уменьшается.
На фиг. 47, 48, 49 и 50 представлены результаты исследования
динамики процесса сгорания по данным стробоскопического газового
анализа.
Так же как и по данным внешней характеристикй, изменение
СО2, О2 и СО в центре камеры отличается от их изменения на пери-
ферии камеры. Однако это изменение реагентов в центре камеры и на
периферии резко отличается от изменений, наблюдавшихся по внешней
характеристике. В то время, как по внешней характеристике в центре
камеры с уменьшением оборотов количество СО2 увеличивалось, а на
периферии уменьшалось, по нагрузочной характеристике с уменьшением
нагрузки количества СО2 уменьшаются как в центре камеры, так и на
периферии.
Так, например, с изменением нагрузки двигателя от 1ОО°/0 (ре =
= 4,43 кг-см2, аш = 2,02) до 25°/0 (ре = 1,13 кг)см\ = 4,62) макси-
89
р^1см3Т°К
о гю> и-ш 3 ею1 ею3 юю^сек.
Фиг. 40. Динамика процесса сгорания по данным инди-
каторной диаграммы (режим НГ-1; а = 2,02).
Изменение давления р, температуры Г. закона подачи о, закона сгора-
dx
ния х, скорости сгорания — в зависимости от угла поворота коленча-
того вала <р (времени т). Л^>=>65 л. с.; п = 1600 об/мин; р^=6,34 кг[см*\
Во=0,746 10~4кг топл/цакл; Ge=2,2 10-3 «г возд/цикл; <р=19“; топли-
во — газойль.
Фиг. 41. Динамика процесса сгорания по данным
индикаторной диаграммы (режим НГ-П; а = 2,6;
jVe = 49,2 л. с.):
п=1600 об/мин.; pt.=5,38 кг/сл=; Во==О,587 • 10“4 кг топл/цикл;
G g =2,25 10—3 кг возд/цикл; <pz-=20°; топливо — газойль.
80
Фиг. 42. Динамика процесса сгорания по данным инди-
каторной диаграммы, режим НГ-Ш; а = 3,32;
Ne = 3,33 л. с.;
«=1600 об/мин.; pt-=4,92 кг/см2; Д>=0,462 • 10~4 кг топл/цикл;
Ge'= 2,25 10—3 кг возд/цикл; топливо — газойль.
Фиг. 43. Динамика процесса сгорания по данным инди-
каторной диаграммы, режим НГ-IV; а = 4,6,
2VC =16,8 л. с.;
п-1600 об/мин.; pt.=3,94 кг/см*; В„=0,332 10~4 кг топл/цикл;
G = 2,25 • 10-3 кг возд/цикл; - 21°; топливо - газойль.
91
Фиг. 44. Изменение количества сгоревшего то-
плива в абсолютных величинах по углу пово-
рота коленчатого вала у для нагрузочной харак-
теристики.
Фиг. 45. Изменение абсолютной скорости сгорания
для различных режимов нагрузочной характеристики:
1 - НГ-1; 2 - НГ-П; 3 - НГ-Ш; 4 - НГ-IV.
Фиг. 46. Изменение
Мии “ СРеДНеИ
максимальной скорости сгорания
fdCB\
скорости j р в зависимости
ОТ а.
02
-60 -W -20 0 20 40 60 во 100 120 140 iaO ya
о г-ю'^ю^'ю^в-^ю-ю^г-ю'3 г сел.
Фиг. 47. Динамика процесса сгорания по дан, ым стробоскопиче-
ского газового анализа (режим НГ-1; а = 2,02):
— центральный клапан; // — периферийный клапан; 1—1 — начало впрыски-
вания; 2—2 _ начало воспламенения но индикаторной диаграмме (пунктиром
показано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубо-
проводе).
93
Фиг. 48. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим НГ-П; а = 2,6):
/—центральный клапан; // — периферийный клапан; 1—2 — начало впрыскива-
ния; 2—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
•94
0 2101 Ц103Ь10~3 BI03lbl0'312-tO3T cdf.
Фиг. 49. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим НГ-1П; а = 3,32):
/ — центральный клапан; // — периферийный клапан; 1—1 — начало впрыски-
вания; 2—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
95
-во -оо -го о го w оо во юо io ш sin у °
О г'ю^ш^б-ю^е-ю^'о^г^гсек
Фиг. 50. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим НГ-IV; а = 4,6):
I — центральный клапан; //—периферийный клапан; 7—7 — начало впрыскивания;
2 -2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром показано
содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
96
мальное количество СО2 в центре камеры снижается с 10 до 4,5°/0.
Одновременно минимальное количество остающегося кислорода возра-
стает от 5,3 до 15,О°/о (фиг. 51).
Такой же характер одновременного изменения составов газа в центре
камеры и на периферии ее отмечается и в соответствующих изменениях
значений коэфициентов избытка воздуха для отдельных частей камеры
сгорания.
На фиг. 52 представлены изменения коэфициентов избытка воздуха,
подсчитанные по 'данным стробоскопического газового анализа.
Из приведенных кривых видно, что с уменьшением нагрузки происхо-
дит параллельный рост минимальных значений коэфициентов избытка
воздуха как в центре камеры, так и на периферии. Так, с изменением
нагрузки от 1ОО°/о (ре =4,43 кг {см2, а„(=2,02) до 25°/0 (ре =1,13 кг! см2,
аш=4,62) минимальное значение коэфициента избытка воздуха в центре
в зависимости от общего коэфициента избытка
воздуха аш для центра камеры сгорания.
камеры изменяется от а((=1,25 до ац =3,7, т. е. почти в 3 раза,
а на периферии минимальное значение коэфициента избытка воздуха
при этом возрастает с ап =1,35 до «„=3,95, т. е. тоже в 3 раза
(фиг. 53).
Таким образом, можно сделать вывод, что по нагрузочной характе-
ристике, т. е. при п = const, характер процессов смесеобразования
остается неизменным, поскольку неизменными остаются и процессы
вихреобразовапия в камере сгорания, зависящие главным образом от
числа оборотов коленчатого вала.
Из фиг. 47, 48, 49 и 50 видно также, что с уменьшением нагрузки,
т' е- с уменьшением количества поданного топлива, уменьшается
и процесс колебания составов газа после первого воспламенения, что
’Ъясняется исключительно уменьшением концентрации топлива в атмо-
сФеРе камеры сгорания.
На фиг 54 приведены законы сгорания, полученные по данным
стробоскопического газового анализа для
сфере камеры сгорания.
нДикаторных диаграмм и
нтра камеры сгорания.
° Центре камеры сгорает основное количество впрыснутого топлива,
тому частный закон сгорания по газовому анализу для центра
Процессы сгорания в.двигателях 3896 97
а
Фиг. 52. Изменение коэфициента избытка
воздуха а поданным газового анализа для
центра и периферии камеры. Режимы:
а - НГ-I; б- НГ-П; в -НГ-Ш; г — НГ-IV.
Фиг. 53. Зависимость минимальных значений
коэфициентов избытка воздуха ат|п в центре
камеры и на периферии в зависимости от
общего коэфициента избытка воздуха аш.
Фиг. 54. Законы сгорания по данным индикаторной диа-
граммы и стробоскопического газового анализа для цен-
тра камеры. Режимы:
а - НГ-I; б-НГ-П; в - НГ-П1; г - НГ-IV.
99
камеры приближается к закону сгорания, найденному по индикаторной
диаграмме.
Следует отметить хорошую сходимость числовых значений периода
задержки воспламенения, найденных по индикаторной диаграмме и по
данным стробоскопического газового анализа. Это видно из фиг.
47—50, на которых вертикальной линией 7—7 обозначен момент начала
впрыскивания топлива, а линией 2—-2—отмечен момент начала воспла-
менения по индикаторным диаграммам.
Исследование динамики процесса сгорания по характеристике
опережения впрыскивания
Характеристика по углу опережения впрыскивания представляет
собой изменение мощности двигателя, удельных расходов топлива
и других параметров рабочего процесса по изменению угла опережения
впрыскивания при постоянном числе оборотов коленчатого вала
п=1600 об/мин и при постоянном расходе топлива, соответствующем
номинальному режиму двигателя (Gm~ 14,4 кг топлива в час).
В табл. 10 представлены основные параметры двигателя по этой
характеристике. В табл. 11 приведены тепловые балансы всех режимов,
а в табл. 12 даны основные параметры рабочего процесса двигателя.
Основные параметры двигателя по
Режим Угол опережения впрыскивания 3 ° Число оборотов п в минуту Эффективная мощ- ность Ne в л. с. Средний эффектив- ный расход топлива ge в кг/э. л. с. ч. Среднее эффективное давление ре в кг/см? Эффективный к. П. Д. Т]е в % Среднее индикатор- ное давление pt в дг/сл’ Индикаторная мощ- ность в л. с. Индикаторный К. П. Д. TJ в % Индикаторный рас- ход топлива gj в кг!и, л. с. ч. Механический , к. П. Д. 'f)m в %
О П-1 24 1600 65,6 0,219 4,43 28,6 6,34 94,0 41,0 0,153 69,8
ОП-П 18 1600 60,5 0,238 4,08 26,5 6,20 91,8 40,0 0,157 66.2
оп-ш 13 1600 56,8 0,254 3,84 24,6 6,0 88,8 38,6 0,162 63,71
На фиг. 55 показаны совмещенные индикаторные диаграммы всех
режимов этой характеристики в координатах pf.
По данным табл. 10, 11 и 12 видно, что общие зависимости основ-
ных параметров рабочего процесса дизеля следуют обычным законам
при изменении угла опережения впрыскивания.
С уменьшением угла опережения впрыскивания (при более позднем
впрыскивании топлива) уменьшается полнота индикаторной диаграммы,
что приводит к уменьшению как эффективных, так и индикаторных
величин мощностей и экономичности дизеля. Процесс сгорания все
в большей степени перемещается на линию расширения, в результате
100
чего возрастает догорание на линии расширения и увеличиваются
потери с выпускными газами.
При уменьшении угла опережения впрыскивание уменьшается рг.
угол между точками ртах (рг) и Ттах увеличивается, а скорость нараста-
ния давления резко уменьшается. Продолжительность сгорания при этом
возрастает, так как процесс сгорания значительно перемещается на
линию расширения (фиг. 56).
Период задержки самовоспламенения при взятых пределах изменения
угла опережения впрыскивания почти не меняется, поскольку почти не
меняются давление и температура сжатого воздуха в момент впрыскивания.
На фиг. 57, 58 и 59 приведены развернутые индикаторные диа-
граммы в координатах /к и полученные из них законы сгорания х и
dx
скорости сгорания .
В табл. 13 приводятся данные расчета сгорания по индикаторным
диаграммам для всех режимов характеристик по углу опережения
впрыскивания.
На фиг. 60 показано изменение максимального значения скорости
сгорания! ) в зависимости от угла опережения впрыскивания. Как
\ az /max
видно, с уменьшением угла опережения впрыскивания максимальная
Таблица 10
режимам опережения впрыскивания
Режим Часовой рас- ход воздуха в кг{час Коэфициент наполне- ния 7)о Действительный рас- ход воздуха на 1 кг топлива Lg в кг/час Коэфипиент избытка воз- духа Количество топлива на цикл Во в кг)час Количество воздуха, засасываемого за 1 цикл, G в яг/цикл Температура отрабо- тавших газов Тг в ° К
по MCA £Ло по данным ок- ружающей среды Lh д по мерной шайбе чш по прибору Орса яг л.
ОП-1 420 424 0,850 29,6 2,02 2,11 0,746 10~4 2,2 10-3 810
ОП-П 416 435 0,850 30,3 2,07 2,П 0,749 • 10 -4 2,26 10-3 830
ОП-П1 416 435 0,850 30,2 2,06 2.11 0,750 • 10'4 2.26 • 10"3 840
скорость сгорания уменьшается, что является следствием большого
перемещения процесса сгорания на линию расширения в область боль-
ших объемов цилиндра и пониженных температур процесса сгорания.
Изменению — соответствует и изменение абсолютных значений скорости
dz
Сгорания - d^B- - так как по данной характеристике количество пода-
dz
ваемого топлива не меняется.
На фиг. 61, 62 и 63 представлены результаты исследования дина-
мики процесса сгорания по данным стробоскопического газового анализа.
* 101
Фиг. 55. ' овмещенные индикаторные диаграммы режимов — X — Х~ОП-1;
— ОП-П и - - - ОГНИ три углах опережения зажигания соответственно
₽1 = 24°, ₽2=18°, % =13“
Фиг. 56. Изменение продолжи-
тельности процесса сгорания хг
в зависимости от угла опере-
жения впрыскивания топлива.
О 2 ИГ3 4 IO ’3 6-10'' 8Ю~3 10-10 сек
Фиг. 58. Динамика процесса сгорания г > данным инди-
каторной диаграммы (режим ОП-П; ₽= 18°).
N = 60,5 л. с--, п = 1600 об/мин; р( = 5,5 кг/сла; Во = 0,749 10 ~4 кг топл/цикл;
Gg = 2,26 • 10—3; = 18°; топливо — газойль.
Фиг. 57. Динамика процесса сгорания по данным индикаторной диагоаммы
(режим ОП-1; g1 = 24°).
Изменение давления р, температуры Т, закона подачи а, закона сгорания и скорости сгора
иия в зависимости от угла поворота коленчатого вала р (времени т). Л' «. 6,Б6 л. с. • п —
- 1600 об/мин; р. = 6,34 кг/сл<2; - 0,746 • 10-4 кг топлЩикл-, Ое = 2,2 . 10~3 кг возд/цикл;
<р° = 19°; топливо — газойль.
Фиг. 59. Динамика процесса 'сгорания по данным \ииди-
каторной диаграммы (режим ОП-Ш; р = 13 ).
N = 56,8 л. с.; п = 1600 об/мин; = 6,27 кг1сгС‘\ Бо = 0,75 -10 4 кг топл/цикл;
а = 2 26 • 10—3 кг возд/цикл; <р; = 19°; топливо — газойль.
Й ь
102
103
Таблица 11
Тепловой баланс по режимам опережения впрыскивания
Режим Угол опережения 1 впрыскивания 0 0 Полное количество тепла, эквивалентное часовому расходу топлива Q в кал/час> Тепло, эквивалентное эффективной работе, Qe в калчас Тепло, ушедшее в охлаждающую воду Qsod в кал, час Тепло, ушедшее с от- работавшими газами, Qom в кал!час Тепло, ушедшее на лучеиспускание и прочие потерн, Q„om в кал час Относительный тепловой баланс Qm = 100%
№ «1 Е о- |о- СЙ 11 е О' ,О ш IIЕ О' |о И Il 6 О' |о
ОП-1 оп-п ОП-111 24 18 13 145 000 145 200 145 600 41 500 38 400 35800 31600 30600 29 900 62500 67 000 67 400 9 400 9 200 12 500 23,6 26,5 24,6 21,8 21,1 20,6 43,1 46,1 46,2 6,5 6,3 8,6
Таблица 12
Основные параметры процесса сгорания по режимам опережения
впрыскивания
Режим Угол опереже- ния впрыски- вания р° Давление вспышки рг в кг/см1 Угол между точками ртах1 и Лпах 9 о -Т /'max 1 max Скорость на- растания давле- ния V& в кг!см* град Продолжительность процесса сгорания Период задержки самовоспламенения
в сек. 4°t т. в сек.
ОП-1 оп-п ОП-1П 24 18 13 58,9 46,0 43,0 37 42 45 4,10 2,23 1,28 85 90 95 8,85-Ю-3 9,38-10—3 9,9-10"3 19 18 19 1,98 -10”3 1,88-10~3 1,98-103
Как видно из полученных материалов, с уменьшением угла опереже-
ния впрыскивания картина изменения основных реагентов в процессе
Фиг. 60. Изменение максимального значения скорости
( dx\
сгорания ) в зависимости от угла опережения
впрыскивания (3.
сгорания в центре камеры и на периферии получается различной. При
позднем впрыскивании все большие доли сгорающего топлива группи-
руются в центре камеры и все меньше тррдцвз проникает к периферии
104
Таблица 13
Динамика процесса сгорания по данным индикаторной диаграммы
(для различных режимов)
и в сек. от начала впрыска т/т. X- Xw X Л/ ф= —L X
Режим ОП-1 при п = 1600 об/мин
—24 0 0 — — — —
—5 0,00180 1 0 0 0 —
0 0,00250 1,202 0,24 0,001 0,241 —
10 0,00354 1,790 0,374 0,009 0,383 0,976
20 0,00458 2,310 0,472 0,016 0,488 0,966
30 0,00562 2,840 0,56 0,023 0,583 * 0,961
40 0,00667 3,370 0.64 0,029 0,669 0,956
50 0,00770 3,890 0,713 0,034 0,747 0,954
60 0,00875 4,420 0,78 0,038 0,818 0,953
70 0,00980 4,950 0,84 0,043 0,883 0,952
80 0,01083 5,470 0,895 0,047 0,942 0,950
Режим ОП-П
-18 0 — — — — —
0 1,88-ЮГ3 1,00 0 0 0 —
10 2,92.10~3 1,547 0,216 0,009 0,225 0,959
20 3,96-1 (Г3 2,10 0,384 0,016 0,400 0,960
30 5,0-10“3 2,65 0,539 0,023 0,562 0,960
40 6,05-10~3 3,45 0,661 0,029 0,690 0,959
50 7,08-10-3 4,185 0,746 0,034 0,780 0,957
60 8,125-10—3 4,315 0,797 0,038 0,835 0,955
70 9,15-10—3 4,85 0,837 0,043 0,880 0,952
80 10,2-10-3 5,41 0,863 0,047 0,910 0,949
90 11,25-10 3 5,95 0,869 0,051 0,920 0,945
Режим ОП-Ш
-13 0 — — — —
6 1,98-10~3 1,00 0 0 0 —
10 2,40-10“3 1,21 0,140 0,009 0,149 0,940
20 3,44-10—3 1,74 0,314 0,016 0,330 0,952
30 4,48-10~3 2,26 0,462 0,022 0,484 0,955
40 5,52-10—3 2,79 0,580 0,028 0,608 0,954
50 6,56-Ю-3 3,32 0,668 0,033 0,701 0,953
60 7,60-10-3 3,84 0,721 0,038 0,759 0,950
70 8,65 -КГ3 4,37 0,769 0,043 0,812 0,947
80 9,68-10—3 4,89 0,808 0,047 0,855 0,945
90 10,72-10-3 5,42 0,834 0,051 0,885 0,943
100 11,77-Ю-3 5,94 0,850 0,055 0,905 0,940
105
-во -w ~го о го w со во too /го too ten tea <p°
о гю^иг^ю-^ючо-яраю1 c cek
Фиг. 61. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим ОП-1):
/—центральный клапан; //—периферийный клапан; 1—/—начало впрыскивания;
2—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром показано
содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
106
-во -чо -го о го чо во ео юо гго то юо ко у>°
о гю^ого^вю^вю^ою^игоI * 3 г сек
Фиг. 62. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим ОП-П):
I — центральный клапан; II — периферийный клапан; 1-1 — начало впрыскива-
ния^—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
107
——I----------1---1--1---1--1---- ,------1---1---
^оо-чо-го о го w во во too teo too >60 /во
0 ZIO’OiO’BiFe 'ючоигш ю-1 r cek ~
Фиг. 63. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим ОП-1П):
I—центральный клапан; II—периферийный клапан; 1—1 — начало впрыскива-
ния; 2—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром пока-
зано содержание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
108
а
Sff
40
3.0
2Р
Ю
а
5.0
S.0
т
2,0
1.0
ее. Это может быть объяснено частичным переходом процесса впрыски-
вания на линию расширения (см. фиг. 58 и 59), где энергия вихре-
образования может быть несколько пониженной.
На периферии условия процесса сгорания при малых (3 значительно
ухудшаются, так как, во-первых, процесс переходит в область быстро
расширяющихся объемов и понижающихся температур и, во-вторых,
этой области камеры. Резуль-
татом этого является зна-
чительное замедление про-
цесса сгорания на перифе-
рии, приводящее к удвоен-
ной продолжительности на-
растания СО2 до его макси-
мального значения при сни-
жении угла опережения
впрыскивания с р = 24° до
(3=13° (см. фиг. 61 и 63).
В центре камеры сго-
рания с уменьшением угла
опережения впрыскивания р
да го зо «о so to ?о во so wo /да по но у
Фиг. 64. Изменение коэфициента избытка
воздуха по данным стробоскопического
газового анализа для центра и периферии
камеры. Режимы:
а - ОП-1; б — ОП-И; в — ОП-П1.
Фиг. 65. Зависимость ми-
нимальных значений ко-
эфициента избытка воз-
духа amin от угла опере-
жения впрыскивания (3.
также наблюдается увеличение продолжительности процесса сгорания.
Однако оно менее резко выражено, чем на периферии.
По мере уменьшения угла опережения впрыскивания и перехода
процесса сгорания в область глубоких расширений (свыше 100° после
в. м. т.), при которых вихревые движения газов в цилиндре затухают,
происходит и соответствующее уменьшение колебаний в составах газов
после первого воспламенения как в центре камеры, так и на периферии
ее. Изложенное также хорошо подтверждается изменениями коэфициен-
тов избытка воздуха, полученными по данным стробоскопического
газового анализа и представленными на фиг. 64.
Как видно из кривых, с уменьшением угла опережения впрыскивания
минимальное значение коэфициента избытка воздуха на периферии
возрастает с а„ =1,35 при р = 24° до а„ = 2 при р=13°. Одно-
временно в центре камеры минимальное значение коэфициента избытка
109
воздуха уменьшается от ац = 1,25 при [3=24° до ач= 1,06 при
(3=13° (фиг. 65). При этом изменение коэфициента избытка воздуха
после первого воспламенения получается все более незначительным
Фиг. 66. Законы сгорания по данным индикаторной
диаграммы и стробоскопического газового анализа для
центра камеры. Режимы:
а - ОП-1; б— ОП-П; в — ОП-Ш.
Как и в предыдущих опытах, наблюдается хорошая сходимость
числовых значений периода индукции, найденных по данным индикатор-
ных диаграмм и по результатам стробоскопического газового анализа.
На фиг. 66 представлены совместно законы сгорания, полученные
110
как по данным индикаторных диаграмм, так и по результатам изменения
реагентов О2 и СО2 в центре камеры сгорания. Как и в случае первых
двух характеристик, видно определенное соответствие этих законов.
Исследование динамики процесса сгорания в зависимости
от сорта топлива
Для того чтобы исследовать влияние фракционного состава топлива
на характер процесса сгорания, были взяты три вида дизельного топлива:
1) керосин, 2) газойль, 3) тяжелое дизельное топливо.
В табл. 14 представлены
основные физико-химические
данные испытуемых топлив, а
на фиг. 67 приведены^ для всех
топлив кривые разгонки.
Часть физико-химических
данных топлива была опреде-
лена непосредственно из экс-
перимента. В первом прибли-
жении цетановое число топлив
определялось по эмпирическим
формулам.
Из табл. 14 видно, что
экспериментируемые образцы
топлив изменяются по своему
фракционному составу, по
удельному весу, а также и по
своей химической природе.
Газойль и тяжелое дизельное
природе, но отличаются друг от друга своим фракционным составом.
Керосин резко отличается от первых двух топлив и своим фракци-
онным составом и химической природой.
Основные данные экспериментального исследования представлены
в табл. 15, 16 и 17. Все опыты проводились на нормальном режиме
работы двигателя.
Фиг. 67. Кривые фракционной разгонки
испытуемых топлив.
Т-1 — керосин; Т-П — газойль; Т-1П — тяжелое ди-
зельное топливо.
топливо достаточно близки по своей
Таблица 14
Физико-химические свойства испытуемых топлив
Режим Наименование топлива Удельный вес Удельный вес Вязкость при 37,8'С в стоксах Вязкостно-весовая константа А Температура ки- пения 50% 40 в °C Цетановое число ацетан Низшая тепло- । творная способ- ность И в кал[кг Процент водорода в 1 «г топлива Процент углерода в 1 кг топлива
Т-1 Керосин 0,8304 0,8348 0,0174 0,845 224 45 10 200 13,5 86,5
Т-П Газойль 0,8429 0,8472 0,0355 0,836 276 53 10 200 13,3 86,7
T-I1I Тяжелое ди- зельное топливо 0,8781 0,8822 0,1306 0,847 334 48 10100 12,8 87,2
Ш
Основные параметры двигателя в зависи
Режим Наименование топлива Число оборотов ко- ленчатого вала п в .ми- нуту Эффективная мощ- ность Ng в л. с. Средний эффективный расход топлива gg к.кг!э. л, с. ч. Среднее эффективное давлениер^в кг}см- Эффективный к. п. д. ’le в 0/° Среднее индикаторное давление р. в кг/см- Индикаторная мощ- ность ЛГ. в л. с. Индикаторный к. п. д. в °/о Индикаторный расход топлива а- в «г/«. л.с.ч. . Механический к. п. д.
Т-1 Керосин 1600 64,0 0,223 4,31 28,2 6,0 89 39,4 0,159 71,5
т-п Газойль 1600 65.6 0,219 4,43 28,6 6,34 94,0 41,0 0,153 69,8
T-III Тяжелое дизельное топливо 1600 64,4 0,225 4,34 27,9 6.2 92 39,9 0,157 70,0
Таблица 16
Тепловой баланс двигателя на режимах с различным фракционным
составом топлива
Режим Наименование топлива ство тепла, часовому a Qm в кал[час Тепло, эквивалентное эффек- тивной работе, Qe в кал/час Тепло, ушедшее в охлажда- ющую воду, Qeod в кал/час Тепло, ушедшее с отрабо- тавшими газами, Qom в кдл ;час Е Относительный тепловой баланс Qztt=100°/o
шедшее на лучещ прочие потери, кал)час

Qe Qeod Qom Qnoe
SoS S ° * £ С Й I с
со S' Э Qm в % Qm в % Qm в “/о
® OJ fr" Тепло, у скание и Qnom в
Полное эквивал । oacxoav
т-1 Керосин 143 100 40 500 30 600 63300 8700 28,2 21,4 44,4 6,0
т п Газойль 145000 41 500 31600 62500 9400 28,6 21,8 43,1 6,5
Т-111 Тяжелое дизельное топливо 146 000 40 700 29 200 66 300 9800 27,9 20,0 45,4 6,7
На фиг. 68 представлены совмещенные индикаторные диаграммы
в координатах /?ср.
На фиг., 69, 70 и 71 представлены развернутые индикаторные
диаграммы в координатах pi и полученные из них законы сгорания х
dx
и скорости сгорания .
Из данных табл. 17 видно, что основные параметры рабочего про-
цесса значительно зависят от фракционного состава топлива.
Сравнивая близкие по своей химической природе топлива — газойль
и тяжелое дизельное топливо, видно, что наличие тяжелых фракций
112
мости от фракционного состава топлива
Таблица 15
режим Наименование топлива Часовой рас- ход воздуха в кг Коэфициент наполне- ния Цу Действительный рас- ход воздуха на 1 кг топлива L& в кг Коэфипиент избытка воз- духа Количество топлива на 1 цикл в кг Количество воздуха, засасываемого за 1 цикл Gв кг Температура отрабо- тавших газов Тг в °К
no MCA по данным ок- ружающей среды по мерной шайбе ПО Прибору ! Орса алл.
Т-1 Керосин 420 437 0,850 30,9 2,11 2,22 0,736-10 "4 2,27-10“3 795
т-п Газойль 420 424 0,850 29,6 2,02 2,11 0,746-10“4 2,2-10“3 810
Т-Ш Тяжелое ди- 420 434 0,850 29,9 2,05 2,20 0,754-10-4 2,26-10“3 825
зельное топливо
Таблица 17
Основные параметры процесса сгорания двигателя на режимах
с различным фракционным составом топлива
Режим Наименование топлива Давление вспышки рг в кг/см* Угол опережения впрыскива- ния^ Угол между точками ^тах Лпах ^Рщах“ щах Скорость нарастания давления я? в кг!см? град Продолжительность процесса сгорания Период задержки самовоспламенения
*2 в сек. т. в сек.
Т-1 Керосин 57,5 24 30 6,2 80 8,34-103 24 2,5-10-3
Т-П Г азойль 58,9 24 37 4,10 85 8,85-10-3 19 1,98-10“3
Т-Ш Тяжелое
дизельное топливо 57,0 24 37 3,8 95 9,9-10"3 19,5 2,03-10—3
в топливе, не влияя заметно на период задержки самовоспламенения,
все же тормозит общее развитие процесса сгорания, заметно увеличивая
его продолжительность.
Так, например, если газойль дает продолжительность сгорания
'cz=8,85- IO-3 сек., то тяжелое дизельное топливо дает продолжитель-
ность сгорания тг=9,9. 10“3 сек. При этом тяжелое дизельное топливо
сгорает с наименьшей средней скоростью сгорания (фиг. 72 и 73).
В то же время наблюдается заметное влияние фракционного состава
топлива на скорость сгорания. Средняя скорость сгорания увеличивается
8 Процессы сгорания в двигателях 3896 11
с уменьшением „средней температуры кипения" (fsoQ. Особенно это
ясно выражено для газойля и тяжелого дизельного топлива, дающих
примерно одинаковые периоды задержки самовоспламенения и заметно
отличающихся по своему фракционному составу.
На фиг. 74, 75, 76 и 77 представлены результаты стробоскопи-
ческого газового анализа процесса сгорания для всех трех топлив.
Общий ход кривых изменения СО2, О, и СО подтверждает выше-
приведенный анализ влияния фракционного состава топлива на процесс
сгорания.
Сравнивая результаты исследования газойля и тяжелого дизельного
топлива, видно, что наличие тяжелых фракций в дизельном топливе
Фиг. 68. Совмещенные индикаторные диаграммы в координатах (ру):
Т-1 — керосин; T-II — газойль; Т-III — тяжелое дизельное топливо.
к большей группировке топлива в центре камеры. Так, например,
если для газойля минимум кислорода в центре камеры составляет 5°/0,
то для тяжелого дизельного топлива получается 3,5°/0- Соответственно
максимум СО в центре камеры для газойля составляет 2,5°/0, а для
тяжелого дизельного топлива — 3,5°/0. Эта тенденция увеличения неравно-
мерности смесеобразования отражается и на изменении минимальных
значений коэфициента избытка воздуха в центре камеры и на ее пери-
ферии (фиг. 77).
Для газойля минимальное значение коэфициента избытка воздуха
в центре камеры ац = 1,25, а для тяжелого дизельного топлива ац = 1,1.
На периферии для газойля ап = 1,3, для тяжелого дизельного топлива
а„ = 1,6. Таким образом, увеличение тяжелых фракций в дизельном
топливе и возрастание его вязкости ухудшают равномерность смесе-
образования в камере сгорания и, следовательно, приводят к большей
продолжительности процесса сгорания.
Сравнение результатов процесса сгорания для керосина и газойля
позволяет выявить влияние на динамику сгорания химической природы
топлива. Как уже отмечалось, при сгорании газойля и тяжелого дизель-
ного топлива, несмотря на значительное различие в их фракционном
составе, получаются примерно одинаковые периоды задержки само-
воспламенения. Керосин, несмотря на наибольшее количество легко
кипящих фракций, дает значительное увеличение периода задержки
самовоспламенения и последующее резко выраженное взрывное сгорание.
Этим подтверждается, что продолжительность периода задержки само-
114
о на1 ыа} 6./S3 еш1 ш./о1 т/ек
Фиг. 69. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы (режим Т-I; то-
пливо— керосин).
Изменение давления р, температуры Т, закона подачи а,
dx
закона сгорания х, скорости сгорания . в зависимости
от
от угла поворота коленчатого вала у (времени -). =
—64 л. с.; п = 1600 об/мин; р^= 6,0 кг'см ; Вс 0,7.'6х10 ^
кг топл'цикл-, Ge = 2,27 10~3; у(. = 24°.
Фиг. 70. Динамика процесса сгорания поданным
индикаторной диаграммы (режим Т-П; топливо—
газойль).
ДГ » 65.6 л. с.; п = 1600 сб/мин.; р. = 6,34 кг!см?\ В„=
=0,746 10кг топл/цикл; - 2,2 • 10~3 кг воздщикл-,
- 19°.
115
воспламенения при тех начальных температурах и давлениях, которые
существуют в дизеле, определяется главным образом не физическими
процессами испарения и смесеобразования, а химическими процессами,
отражающими начальное развитие цепи реакций.
Интересно отметить связь между качеством процесса сгорания
в дизеле и цетановым числом топлива. Основные данные и анализ
экспериментального процесса сгорания показывают, что с увеличением
цетанового числа топлива уменьшается период задержки самовоспламе-
нения и процесс сгорания может быть осуществлен с большой степенью
управляемости. Сравнивая разультаты исследования при работе дизеля
на керосине и газойле, имеющих соответствующие цетановые числа 45
Фиг. 71. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы (режим T-III;
топливо — тяжелое дизельное).
/V = 64.4 л. с., п - 1600 об/мин.; pt = 6,2 кг/см-', Во = 0,754 10~4 кг топл/цикл',
Ов = 2,26 • 10—3 кг возд/цикл; = 19,5°.
вается для керосина, т. е. для топлива с малым цетановым числом.
Применение топлива с малым цетановым числом (керосин) приводит
после большого периода задержки самовоспламенения к резко выражен-
ному взрывному характеру воспламенения и малой степени управляе-
мости процесса сгорания.
Изложенные данные по результатам экспериментального исследования
динамики сгорания различных топлив в быстроходном дизеле свидетель-
ствуют о том, что развитие процесса сгорания в дизеле наряду с физи-
ческими факторами в значительной степени определяется химической
природой топлива, характером начальных стадий развития процесса
сгорания и, следовательно, в целом химическим механизмом процесса.
Результаты экспериментального анализа динамики сгорания
в дизелях по данным других исследователей
Помимо приведенных выше результатов экспериментального иссле-
дования динамики процесса сгорания, при дальнейшем изыскании
методов возможных расчетов процесса сгорания с помощью соотноше-
116
Фиг. 72. Зависимость
и периода задержки
средней скорости сгорания |-| (-т--)
— \ОТ /ср
самовоспламенения 0 т/ от удельного
веса топлива .
Й t/
Т,сек
®1
130
7.8103
2.710 3
7,6-tt1
2J103
20
24 Ю'3-
2,3 IO3
2,2 «Г3-
2,1 10 3-
2,010'3 -
1.9 iO 3 -
220 240 260 280 300 320 340 tso °C
(dx\
Фиг. 73. Зависимость средней скорости сгорания
и периода задержки самовоспламенения т,- от «средней тем-
пературы выкипания" 50%—*50 С.
117
О -----------—---------------------------------------------
-co -co -го о го ио co во too no ico no g>°
0 H0'J С104Ш8 HMD tO11 ceh
Фиг. 74. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопиче-
ского газового анализа (режим Т-I; топливо — керосин):
/ — центральный клапан; // — периферийный клапан; 1—/ — начало впрыски-
вания; 2—2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме; - - - содержа-
ние в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе.
118
•М-оа-го о ' го со so во то /го /со /во у>°
о гю1 dufli-uPen^.m-^aju'3 г сек
Фиг. 75. Динамика процесса сгорания по данным стробоско-
пического газового анализа (режим T-II; топливо—газойль):
1 — центральный клапан; II — периферийный клапан; 1—1 — начало впры-
скивания; 2—2—начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пункти-
ром показано содержание в процентах соответствующих газов в выпуск-
ном трубопроводе).
119
Фиг. 76. Динамика процесса сгорания по данным стробоскопического
газового анализа (режим T-III; топливо — тяжелое дизельное):
/—центральный клапан; //—периферийный клапаи; /—/ —начало впрыскивания;
2 —2 — начало воспламенения по индикаторной диаграмме (пунктиром показано содер-
жание в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
120
Фиг. 77. Изменение коэфиииента избытка воздуха
по данным стробоскопического газового ана-
лиза для центра и периферии камеры. Режимы:
с — Т-I, топливо — керосин; б — Т-П, газойль; в — Т-Ш,
тяжелое дизельное топливо.
121
ний химической динамики были использованы также материалы иссле-
дований ряда авторов.
Ниже приводятся основные результаты указанных исследований.
На фиг. 78 приводятся экспериментальные и расчетные данные по
Фиг. 78. Динамика процесса сгорания
по данным индикаторной диаграммы для
двигателя Дейтц:
= 47,1 л, с.', п «= 300 об/мин; = 6,7 kzIcm2*
Во = 0,994 • 10~3 кг щопл!цикл\ Ов=31 • 10—3 кг
возд!цикл\ у. — 10°; топливо — газойль.
же дизеля приведены на фиг. 88,
даются результаты экспериментальных исследований и расчетов закона
сгорания, полученных Федоровым на быстроходном дизеле ОД.
Кроме этого, для ряда расчетов в дальнейшем будут использованы
экспериментальные данные и других авторов.
процессу сгорания, полученные
в опытах Неймана на тихоходном
дизеле Дейц-VM, Ne = 50 л. с.
при п = 300 об/мин.
На фиг. 79 и 80 представле-
ны опытные данные ЦИАМ по
исследованию авиационного дизеля
ЮМО-4 для некоторых режимов
винтовой характеристики, обра-
ботанные Иноземцевым [25] по
анализу динамики сгорания. На
фиг. 81 и 82 приведены получен-
ные для этого двигателя законы
сгорания, а на фиг. 83, 84 и 85 —
относительные и абсолютные ско-
рости сгорания (опыты ЦИАМ).
Изменения концентраций Сц
и СЬ3> полученных по данным
индикаторным диаграммам, пред-
ставлены на фиг. 86 и 87.
Аналогичные результаты по
опытным данным ЦИАМ и рас-
четам Иноземцева для трех точек
нагрузочной характеристики того
На фиг. 94
89, 90, 91, 92 и 93.
§ 9. ОПИСАНИЕ ЗАКОНА СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ С ПОМОЩЬЮ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ
Выше было отмечено, что целью исследований процессов сгорания
являются: изучение динамики сгорания, определение закономерностей
при развитии процесса сгорания, вскрытие кинетики химических пре-
образований и определение возможности использования для расчета
динамики сгорания существующих общих положений и функциональных
зависимостей химической динамики. В связи с последним в наших
исследованиях по дизелям делается попытка проверить возможность
описания химических преобразований в период сгорания топлива
в дизелях с помощью четырех основных соотношений современной
химической динамики: 1) кинетических уравнений, основанных на законе
действующих масс и теории активации; 2) автокаталитического уравне-
ния первого порядка; 3) автогенетических функций Акулова для цепочно-
тепловых реакций горения и взрывов.
122
Фиг. 79. Опытные данные ЦИАМ
по исследованию рабочего про-
цесса авиационного дизеля
ЮМО-4 для режима винтовой
характеристики (режим Ne =
= 700 л. с.; п = 1700 об/мин).
Фиг. 80. Опытные данные
ЦИАМ по исследованию ра-
бочего процесса авиацион-
ного дизеля ЮМО-4 для ре-
жима винтовой характери-
стики (режим 7Ve = 392 л. с.;
л —1400 об/мин).
Фиг. 81. Изменение закона
сгорания для режимов
винтовой характеристики
дизеля ЮМО-4 по опыт-
ным данным ЦИАМ в за-
висимости от угла пово-
рота коленчатого вала
Фиг. 82. Изменение закона сгорания
для режимов винтовой характери-
стики дизеля ЮМО-4 по опытным
данным ЦИАМ в зависимости от
времени процесса т.
123
Фиг. 83. Изменение отно-
сительных скоростей его-
dx
рания — для режимов
винтовой характеристики
дизеля ЮМО-4 по опыт-
ным данным ЦИАМ.
Фиг. 84. Изменение
действительных ско-
dc
ростеи сгорания —
для режимов винто-
вой характеристики
дизеля ЮМО-4 по
опытным данным
ЦИАМ в зависимо-
сти от угла пово-
рота коленчатого
Фиг. 85. Изменение
действительных ско-
dc
ростей сгорания —-
для режимов винто-
вой характеристики
дизеля ЮМО-4 по
опытным данным
ЦИАМ в зависимо-
сти от времени про-
цесса^.
вала.
Фиг. 86. Изменение концен-
трации Св кг моль/м^, полу-
ченных по данным индикатор-
ной диаграммы для режимов
винтовой характеристики ди-
зеля ЮМО-4.
Фиг. 87. Изменение концентра-
ции Cq2 кг моль/м3, получен-
ных по данным индикаторной
диаграммы для режимов вин-
товой характеристики дизеля
ЮМО-4.
124
б
о.оою
OfiOtO
0,0012
->.о 0,0010
0,8 0.0008
0.8 0J0006
0,4 0,0004
0,2 0.110112
f, кг/см
200080
№00 70
1000 80
1400 50
1200 40
30
20
10
Э
-.iO-ZO-'C 0 № 20 10 40 50ф‘
Фиг. 89. Опытные дан-
ные ЦИАМ по иссле-
дованию рабочего про-
цесса авиационного ди
зеля ЮМО-4 для ре-
жима нагрузочной ха-
рактеристики (режим
74 = 616 л. с.-, п=1700
об/мин).
Фиг. 88. Опытные данные ЦИАМ
по исследованию рабочего про-
цесса авиационного дизеля ЮМО-4
для режима нагрузочной характе-
ристики (режим Л/, = 700 л. с.;
п = 1700 об/мин).
Фиг. 90. Опытные дан-
ные ЦИАМ по иссле-
дованию рабочего про-
цесса авиационного ди-
зеля ЮМО-4 для режима
нагрузочной характери-
стики (режим Д/е = 437
л. с.; п=1700 об/мин).
Фиг. 91. Законы сго-
рания для режимов на-
грузочной характери-
стики дизеля ЮМО-4
по опытным данным
ЦИАМ.
125
Фиг. 92. Действи-
тельная скорость
de
сгорания для ре-
жимов нагрузочной
характеристики ди-
зеля ЮМО-4.
Фиг. 93. Изменение кон-
центраций Св и Со2.
полученных по данным
индикаторной диаграммы
для режимов нагрузоч-
ной характеристики ди-
зеля ЮМО-4.
О I m32tO'i3IO!4-IO'15IO,6W17№1Tcek^
Фиг. 94. Динамика про-
цесса сгорания по дан-
ным индикаторной диа-
граммы для одноцилин-
дровой установки ОД;
топливо — газойль.
Режимы:
а — р = 2,5 кг/см*; п *= 2000
об/мин; Во = 0,367-10“3 кг
топл/цикл; а = 1,9; = 14°;
G = ю,5 - Ю—3 кг возд/цикл;
бв— рк = 2,0 кг/см~; п = 2000
об/мин; Во = 0,367 • 10 3 кг
топл/цикл; а = 1,52; ^=21,5°.
126
Теория сгорания в дизелях по общим уравнениям кинетики
На основании предположения о наличии в цилиндре дизеля в начале
сгорания гетерогенных реакций, а в конце сгорания — гомогенных
реакций и протекания процесса сгорания в соответствии с цепным
характером реакции через промежуточные стадии, подчиняющиеся
бимолекулярному химическому закону, скорость сгорания найдется по
формуле (54):
Фиг. 95. Изменение константы скорости К
в зависимости от температуры процесса
для опытного дизеля. Режимы:
BH-I, п == 1600 об/мин; ВН-Ш, п = 1000 об/мин; НГ-П,
п = 1600 об/мин; нагрузка 75%.
Определение констант скорости в начале и конце процесса произ-
водится теоретическим уравнением (67) и (68):
____________________________________
К' = ll-r^-']/2Le RT'
tmrт г то
Л7'= 2,7-
тт + то RT"
тт «го2
Изменение констант скорости реакции К по ходу процесса, знание
которого необходимо для производства расчета динамики сгорания,
в соответствии с теоретическими предпосылками для цепного механизма
Реакции, а также на основании экспериментальных данных принимается
в виде экспоненциальной функции (69):
К=Аев\
Проверка этой теории на ряде двигателей показала, что с помощью
ее можно достаточно правильно описать динамику процесса сгорания
•Чизелей с высокой степенью управляемости рабочего процесса, но она
127
не дает хороших результатов для двигателей с малой степенью упра-
вляемости.
Последние исследования и большой экспериментальный материал
позволили уточнить возможность применения этой теории к расчету
процесса сгорания в дизелях и привели к дальнейшему вскрытию
картины химических преобразований в период сгорания в дизелях.
Основные результаты этих исследований сводятся к следующему.
Как видно из фиг. 95, 96, 97, на которых построены изменения кон-
станты К в зависимости от температуры газов, константа скорости /<
в первой половине развития процесса (до х=0,5—0,7) увеличивается
с увеличением температуры. При этом закон изменения 1g Д'= /1-^-1
на отдельных участках процесса,
как это видно из фиг. 98, 99, 100,
подчиняется экспоненциальной зави-
симости, согласно которой должно
Фиг. 96. Изменение константы ско-
рости Д’ в зависимости от темпера-
туры процесса для дизеля ОД.
Л №000

15000

17000

11000

10000

9000

0000

7000

6000

5000

0000

3000

7000 1000 п

- - №оо, « . 7000 ггоо г к
Фиг. 97. Изменение константы скоро-
сти К в зависимости от температуры
процесса Т для дизеля ЮМО-4.
происходить линейное изменение функции lgK=/^yj • Во второй по-
ловине процесса (при х >0,5—0,7) при незначительном увеличении-
температуры и в дальнейшем даже при понижении температуры про-
цесса происходит резкое увеличение константы скорости К.
В соответствии с этим в диаграмме lg — в конечной ста-
дии процесса величина 1g Д’ резко увеличивается, а кривая lg#=/^-^
меняет свое направление. Полученный характер изменения величин К
и 1g К свидетельствует о том, что в первой половине процесса сго-
рания для отдельных участков процесса происходит подчинение кинети-
ческих преобразований экспоненциальному закону. Однако, так как
128
каждый последующий участок имеет свой наклон кривой lgAT= f
\7 /’ т°
и в этот первый период сгорания изменение определяется не только
энергетическим фактором изменяющейся температуры, но и развитием
для опытного дизеля. Режимы:
а- ВН-1; <J-BH-III.
для двигателей:
а—ОД (дянные Федорова), /г—2000 об/мин;
опытный дизель. Режим НГ-П.
цепным характером развития про-
Фиг. 100. Зависимость
\eK = f (4^) для ЮМО-4.
материальной цепи реакции, т. е.
цесса. Тем более это наблюдается во второй половине процесса и
особенно на конечных участках процесса сгорания. На этих участках
процесса, как уже указывалось, константа
скорости резко возрастает, несмотря на то.
что температура процесса меняется весьма
незначительно, а к концу процесса даже
уменьшается. Поэтому здесь нет подчинения
кинетических преобразований экспоненциаль-
ному закону, и развитие процесса на этих
участках определяется не температурой, а
главным образом развитием материальной
Цепи реакции, отдельные стадии которой
обладают
скорости.
Таким
изменений
процесса
что во время сгорания углеводородистых соединений топлива происхо-
дит развитие цепей реакции, и, следовательно, процесс сгорания в ди-
зеле представляет собой развитие материальной цепи, интенсивность
которой увеличивается по мере развития процесса. Это весьма важный
вывод, подтверждающий цепное развитие реакции сгорания и спра-
9 Процессы сгорания в двигателях 3896 129
высокими значениями константы
образом, из полученного анализа
величин констант скорости по ходу
и по температуре процесса видно,
ведливость принятого в расчете экспоненциального закона изменения
константы скорости по времени.
Фиг. 101. Изменение константы скорости К по углу по-
ворота коленчатого вала <р° для опытного дизеля Режимы:
BH-I, п = 1600 об/мин; ВН-Ш, п = 1000 об/мин.
Экспоненциальное изменение констант скорости по времени по
экспериментальным данным и, следовательно, линейная зависимость
функции lg/< = /(<p) были полу-
чены в исследованиях Инозем-
цева [25], Неймана [38] и др.
Последние исследования авто-
ров еще раз подтвердили
такую зависимость (фиг. 101,
102, 103, 104, 105, 106, 107),
позволили уточнить полученные
ранее результаты и внести
рости К по углу поворота колен-
чатого вала ср° для дизеля ОД.
фиг. 103. Изменение константы скоро-
сти К по углу поворота коленчатого
вала <р° для дизеля ЮМО-4.
130
станты скорости К по углу
поворота коленчатого вала
для двигателя Дейтц-VM.
коррективы в расчет процесса сгорания по указанному выше ме-
тоду-
При более детальном исследовании величин К в начале процесса
видно, что в пределах первых 3—5° угла поворота кривошипа про-
исходит достаточно резкое возрастание
величины 1g АГ и вследствие этого нару-
шение общего линейного закона изменения
функции lg При этом подобное
возрастание величин констант скорости
в начале процесса наблюдается у дизелей
с неуправляемым процессом сгорания и
тем более заметно, чем больше степень
неуправляемости процесса.
Зависимости lgA'=/(<p), представлен-
ные на фиг. 105, показывают, что для
опытного дизеля, обладающего наиболь-
шей степенью неуправляемости, скачок
величин 1g К в начале процесса имеет
наибольшее значение, наоборот, для ди-
зеля ЮМО-4, имеющего почти управляе-
мый процесс, увеличения величины 1g К,
нарушающего общее протекание функции lgM=/('p) по закону прямой,
Фиг. 105. Зависимость 1g/<=/(9) для опытного дизеля.
Режимы:
BH-I, п=1600 об/мин; BH-III, л=1000 об/мин.
сти указывает на то, что первые периоды сгорания непосредственно
СлеДующие за периодом задержки самовоспламенения, отличаются, оче-
ВиДно, весьма неустойчивым протеканием реакции, когда процесс сгора-
ния не подчиняется общим закономерностям кинетических преобразова-
ний второго порядка, наблюдаемым на протяжении остальной части про-
веса сгорания.
Поэтому эта неустойчивая часть процесса для дизелей с большей
131
степенью неуправляемости должна быть исключена из расчета устано-
вившегося кинетического хода развития процесса.
В этом случае, очевидно, и подсчет энергии активации для начала
процесса также следует вести по значениям констант скорости, полу.
ченным опытным путем для участков
процесса после 3—5° поворота кри-
вошипа с момента вспышки то-
плива.
Произведенные подсчеты энер-
гии активации (табл. 18) для этих
участков процесса сгорания дают
значения энергии активации Q'a =
=19 000—22 000 кал1мом, в то вре-
мя как значения энергии активации,
Фиг. 106. Зависимость lg для
дизеля ОД.
Фиг. 107. Зависимость 1g/<=/(?)
для двигателя Дейтц-VM.
определенные для действительного начала процесса, Qo= 6000—
10 000 кал/моль. Значения энергии активации в конце процесса сгора-
ния, как и в ранних исследованиях Иноземцева, Неймана и Федорова,
Q'a — 40000—50000 кал!моль.
Таблица 18
Значения теплот активации, найденных по уравнениям
(67) и (68)
Двигатель и режим Топливо Qa начало сгорания 7/ Qa конец сгорания
Опытный 1 ‘I дизель 1 у" jji ЮМО-4 ОД Газойль Керосин Тяжелое дизельное топливо Газойль рк = 2,5 кг/см3 22000 19500 22000 22 000 22 000 41 000 38 000 38000 53090 44000
Достоверность полученных значений энергии активации в начале
процесса и в конце его определяется тем, что нахождение величий
энергии активации производилось двумя методами: из графиков
= и непосредственно из уравнений (67) и (68) для констант
скорости К' и К", найденных теоретическим путем.
132
Произведенные расчеты закона сгорания нескольких дизелей, в том
числе и дизелей с неуправляемым рабочим процессом, с учетом отме-
ченных выше поправок на начало процесса и величину начального зна-
чения энергии активации Q'a показали, что эти поправки приводят
к значительно лучшим результатам и дают расчетную диаграмму, хо-
рошо совпадающую с действительной индикаторной диаграммой дви-
гателя (фиг. 108 и 109).
Таким образом, второй весьма важный вывод, полученный в по-
следних исследованиях, заключается в том, что в расчет процесса сго-
рания, базирующийся на общих кинетических соотношениях, вводятся
существенные поправки, полученные
дования динамики сгорания в началь-
ной стадии процесса. Следует от-
на основании тщательного иссле-
fl /./fl'* «//Г* 5Ю3 MT’tcek
го io о ю ~го зо оо so оо~^°
Фиг. 1С8. Экспериментальная и теоре-
тическая индикаторные диаграммы.
Опытный дизель, п = 1600 об/мин.
• действительная индикаторная диаграмма;
XXX — теоретическая индикаторная диаграмма
по теории Иноземцева.
-20-Ю 0 10 20 30 00 SO <0°
Фиг. 109. Экспериментальная
и теоретическая индикаторные
диаграммы. Дизель ОД
рк = 2,5 кг/см2.
------действительная индикаторная
диаграмма; XXX — теоретическая
индикаторная диаграмма по теории
Иноземцева.
метить, что изменения в расчете, полученные в результате этих попра-
вок, приближают результат теоретического расчета процесса сгорания
к данным расчета, если весь процесс сгорания, как это было предло-
жено проф. Либровичем, подчинить реакции в гомогенной фазе [40].
Отметим также, что для случая только одной гомогенной фазы энер-
гия активации в начале процесса, подсчитанная из уравнения К' для
гомогенных реакций, получается слишком большой (Qla ~ 30 000 кал! моль)
и не соответствующей действительным значениям Qa, определенным
опытным путем для многих дизелей (Qa^20 000 кал/моль).
Наконец в исследованиях косвенно подтверждается справедливость
выведенных ранее уравнений для подсчета константы скорости в начале
и конце процесса сгорания. Сходимость числовых значений энергии
активации Q'g и Q", полученных непосредственно из кривой 1g =/
133
и из теоретических уравнений для подсчета констант скорости К' и К",
свидетельствует о правильности сделанных предположений при разра-
ботке теории сгорания по бимолекулярным кинетическим соотношениям
и возможности с помощью этой теории рассчитать закон сгорания и
построить индикаторную диаграмму двигателя.
Применение уравнения автокатализа
Рассматривая процесс сгорания в дизеле как автокаталитическую
реакцию первого порядка по активному продукту и предполагая, что
Фиг. ПО. Зависимость коэфициента
пропорциональности D в уравнении
автокатализа от температуры про-
цесса Т для опытного дизеля:
Режим BH-I, п = 1600 об/мин; топливо —
газойль; Б = const •= 8600.
пропорциональности D в уравнении
автокатализа от температуры про-
цесса Т для опытного дизеля:
Режим BH-1II. п = 1000 об/мин; В = const =
= 7300.
автокаталитической реакции в дизеле предшествует в первые периоды
воспламенения реакция неавтокаталитического характера, которая и
Фиг. 112. Зависимость коэфициента пропорциональ-
ности D в уравнении автокатализа от температуры про-
цесса Т для дизеля ЮМО-4.
В = const = 14 500.
поставляет начальные центры реакции, можно воспользоваться дифе-
ренциальным уравнением (70)
= -х).
134
При экспериментальном исследовании характера динамики процесса
сгорания видно, что процесс сгорания топлива в быстроходном дизеле
может быть описан с помощью приведенного уравнения (70) автоката-
лиза. Изменение коэфициента пропорциональности D по времени про-
цесса для каждого двигателя определяется изменением температуры
в ходе процесса [по уравнению (70)] и показано па фиг. ПО, 111 и 112.
Коэфициент пропорциональности D уменьшается с увеличением тем-
пературы процесса, при этом, как это видно из фигур, в начальной
стадии развития процесса при быстром изменении температуры про-
исходит заметное изменение коэфициента пропорциональности D. В по-
следующей области сгорания, когда температура процесса меняется не-
значительно (вблизи 7тах), коэфициент D стремится сохранить постоян-
ное значение.
При экспериментальной проверке уравнения автокатализа видно,
что коэфициент пропорциональности D подчиняется уравнению
в
D — ет, (101)
где В — постоянная;
7 — температура процесса.
Величина В, входящая в уравнение для определения коэфициента
пропорциональности D, представляет собой постоянную величину, не
изменяющуюся по ходу процесса.
Это подтверждается экспериментальными данными, приведенными
в табл. 19. Как видно из этих данных, значение постоянной В для
всех режимов работы опытного дизеля мало меняется по ходу процесса.
Таблица 19
Значения постоянной В для различных режимов работы опытных дизелей
Двигатель и режим Угол поворота коленчатого вала <р°
0 10 20 30 49 50 60 70 80
BH-I 9500 8 900 8500 8 400 8 500 8 500 8600 8 700 —
Опытный вн-ш 8 800 8 300 8 300 7 700 — — — — —
дизель Т-1 7 500 8 500 8 400 8600 8 400 8300 8100 8000 —
Т-П1 8 500 8 300 8100 8 000 7 900 7 800 7 700 7800 8000
ОД 10 400 11 800 11900 11600 11200 — — —
Средние значения постоянной В для всего процесса мало зависят
и от режима работы двигателя. Средние значения постоянной В для
различных дизелей и различных режимов опытного дизеля приведены
в табл. 20. Так, для опытного дизеля в среднем для всех режимов
постоянная В ~ 8000. То же значение постоянной В получилось по опы-
там и для дизеля Дейтц-VM. Большие значения постоянной В оказы-
ваются у дизелей с наддувом. Для дизелей ЮМО-4 и ОД значения
постоянной В получились в пределах В= 12 000 —14 000.
135
Таблица 20
Значения коэфициента В в уравнении автокатализа
Двигатель Режим Топливо Число оборотов коленчатого вала п в минуту Постоянная J3
BH-I Г азойль 1600 8700
Опытный ВН-1П 1000 8 300
дизель Т-1 Керосин 1600 8 200
Т-Ш Тяжелое ди- 1 600 8100
зсльное топли-
во
Дейц-VM — Газойль 300 7900
ЮМО-4 — Газойль 1700 14500
ОД — Г азойль 8 000 11500 ।
В отличие от первого метода расчета, построенного на теоретиче-
ском определении констант скорости, при использовании уравнения
автокатализа приходится пользоваться опытными значениями постоянной В
в уравнении коэфициента пропорциональности D. Поэтому метод ис-
пользования уравнения автокатализа пока еще остается по существу
эмпирическим. Однако преимущество его заключается в том, что урав-
нение автокатализа содержит лишь одну величину, которую достаточно
просто найти по экспериментальным данным.
Описание закона сгорания с помощью автогенетических
функций Акулова
В работах Акулова [7, 8, 9] расчет скорости реакции решается
путем рассмотрения химического процесса как совокупности двух одно-
временных процессов — автокатализа или распространения реакции из
возникающих центров и дополнительного процесса, определяющегося
энергетическим ускорением, которое накладывается на цепное
ускорение.
Эти два эффекта учитываются так называемыми автогенетическими
функциями. Выше были получены уравнения (75) и (84) для закона
сгорания и скорости сгорания топлива в дизеле при помощи этих
функций:
т __________In (1 — х)
т,- х -р ах? -f- 5х3 + ...
dx 1 Г (1 — х) (х + «х2 4-fex3 + ...)
[(х + «х2 + 6х3 + ...)(! — х) (I + 2дх + З&х3 4-...) In (1 — х)
Приведенные уравнения и были положены в основу исследования
динамики сгорания.
Ранее проведенные исследования [39] показали возможность приме-
нения автогенетических функций к описанию динамики процесса сго-
рания в дизеле.
Особенностью автогенетических функций является то, что зависи-
мость х = f исследуется в относительных безразмерных коорди-
136
цатах, при этом по оси абсцисс откладываются относительные величины
, определяющие продолжительность процесса по отношению к периоду
задержки самовоспламенения.
В последних исследованиях авторов удалось установить весьма ин-
тересную и важную связь между развитием процесса и критерием
управляемости процессом, зависящего от периода задержки самовоспла-
менения.
натах времени —.
-----------ОД (рк = 2,5 кг/сж> )
-В— ЮМО-4
X—X—X—х— Дейц-VM
опытный дизель (режимы: BH-I; ВН-П; ВН-Ш, НГ-П; НГ-Ш; НГ-IV Т-I; ОП-Ш).
О НГ-П + I-I
х ВН-П -
. □ НГ-Ш о НГ-IV
О, BH-I D ОП-Ш
. А ВН-Ш '
Под критерием управляемости согласно теории Чаромского пони-
мается соотношение
= !—«-. (102)
где ср( — период задержки самовоспламенения;
<Pg. — период подачи топлива.
Очевидно, чем меньше величина , тем меньше управляемость про-
Чессом. При никакой управляемости процессом нет и = 0.
При = о управляемость процессом наибольшая и = 1.
На фиг. 113 приведены законы сгорания для четырех
Дизелей с различной степенью управляемости. Как видно из этой фи-
ГУРЫ, размещение законов сгорания строго согласуется с значениями
Критерия управляемости различных двигателей [39].
137
Ниже приведены значения критерия управляемости для различных
дизелей.
Опытный дизель..........................= 0,3—0,35
ОД........................................R<? = 0,6
Дейтц-VM ..........................R<f — 0,67
Авиадизель ЮМО-4..........................R<f = 0,9.
Чем больше критерий управляемости, тем более плавно протекает
относительный закон сгорания.
Для опытного дизеля, имеющего наименьшее значение =0,3—0,35,
относительный процесс сгорания протекает наиболее быстро. У ди-
зеля ЮМО-4 с наибольшим значением Rv = 0,9 относительный закон
сгорания дает весьма плавную кривую.
т
в относительвых координатах времени —.
---------ОД (рк = 2.5 кг!см-у
X —X—X— Дейтц-VM
Я—5— ЮМО-4
--------- опытный дизель.
Двигатели ОД и Дейтц-VM, имеющие почти одинаковые
критерии управляемости R,f =0,6—0,65, дают совпадающие кривые
относительных законов сгорания, которые в соответствии с устано-
вленной зависимостью располагаются между законами сгорания ди-
зеля ЮМО-4 и опытного дизеля.
Тот же вывод можно сделать и из отношения —=7 Г— 1 ппед-
ставленного на фиг. 114 и 115.
Как видно из фиг. 115, максимальные значения относительной ско-
рости сгорания для различных дизелей тем выше, чем меньше критерий
управляемости R~. Вместе с тем действительные скорости сгорания,
определяющиеся количеством прореагировавшего вещества по времени,
имеют совсем другой характер и зависят от физико-химических условий,
138
созданных для развития процесса. Очевидно, дизели, обладающие наи-
большим критерием управляемости, должны иметь и большие действи-
тельные скорости сгорания.
Полученные результаты полностью соответствуют представлениям
авторов о развитии процесса сгорания в дизелях с различными перио-
дами задержки самовоспламенения.
Однако использование при исследовании этого вопроса автогенети-
ческих функций позволило не только обосновать эти закономерности,
но и получить некоторые количественные характеристики.
Следующим весьма интересным результатом исследования динамики
сгорания по автогенетическим функциям Акулова явилось определение
для двигателей с различными критериями управляемости вида полинома
знаменателя закона генезиса и значений по-
стоянных коэфициентов. Исследования по-
казали, что вид полинома знаменателя
(хД-ах24-/’х3-|--. ) зависит от критерия
управляемости R? .
Для дизелей с малой степенью упра-
вляемости (Z&J < 0,2) и явно выраженным
взрывным характером сгорания автогенети-
ческая функция имеет вид:
т ______________ 1п(1—х)
х '
Для дизелей с R,f ра0,3—0,5
рания подчиняется уравнению
т 1п (I—х)
т, х + ах2
Наконец, для дизелей с R-f > 0,5—0,6
процесс сгорания может быть выражен ура-
внением
т __ In (1—х)
х + ах2 + Ьхй
(ЮЗ)
закон cro-
ft 04)
Фиг. 115. Зависимость
максимальных значений
dx
скорости сгорания—-—г
d (”)
J max
от критерия управляе-
мости R .
(Ю5)
Исследования показали, что средние значения постоянных коэфи-
циентов а и b полинома на протяжении всего процесса сгорания
остаются постоянными для данного типа двигателя. Так, для опытного
дизеля (7?<р = 0,3) постоянная а ~ —0,6, для дизелей ОД-1 ШАМ и
Дейтц-VM (Rv ра 0,6—0,65) коэфициенты а = —1,8 и />=1,1.
Таким образом, исследования авторов установили, что для различных
Дизелей автогенетические функции, сохраняя свою структуру, приобре-
тают все же различный вид в зависимости от степени управляемости
процессом и что коэфициенты в уравнениях автогенезиса остаются по-
стоянными на протяжении всего процесса. Это весьма важные выводы,
свидетельствующие о применимости автогенетических функций Акулова
к сложным реакциям и о возможности использования их для описания
Динамики процесса сгорания топлива в дизелях.
Для применения автогенетических функций к расчету динамики сго-
рания топлива в дизелях необходимо дать методы теоретического рас-
чета величины периода задержки самовоспламенения
139
Ранее было показано, что при условии рассмотрения периода за-
держки самовоспламенения в дизелях как процесса, в течение которого
скорость возрастает вследствие цепных реакций, можно на основе
теоретических положений Семенова выразить величину по формуле (82)
т. = с) е‘ Ю-3 сек.
1 р
Результаты экспериментального исследования различных дизелей по
проверке указанной формулы приведены в табл. 21.
Таблица 21
Значения постоянной с2 в уравнении (82) для определения
периода задержки самовоспламенения
Дв игатель Режим Топливо
1 Опытный дизель 1 ЮМО-4 ОД Дейтц-VM АЧ-ЗОБ Режим ВН-1 BH-II BH-III НГ-П ОП-П ОП-П1 Т-1 Т-П T-III Газойль » W я Керосин Газойль Тяжелое дизельное топливо Газойль я V » 0,55 0,44 0,45 0,38 0,44 0,47 0,45 0,55 0,45 1,5 0,85 0,85 1,5
Примечание.
Для всех приведенных двигателей и режимов взяты следую-
щие значения для и=1,19 и с2 = 4650.
При практическом применении уравнения (82) для расчета продол-
жительности периода задержки самовоспламенения следует для дизелей
без наддува подставлять значения р и Т, получающиеся для линии
сжатия спустя 8—10° угла поворота коленчатого вала после начала
впрыскивания топлива. Для дизелей с большими степенями наддува
кг'см2 следует подставлять значения р и Т, получающиеся
спустя 2—5° после начала впрыскивания топлива. Эти моменты и
будут примерно соответствовать половине периода задержки самовос-
пламенения.
§ 10. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
На основании проведенного исследования можно сделать следующие
главные выводы по динамике сгорания в дизелях.
1. Сгорание топлива в цилиндре дизеля представляет собой сложный
процесс цепочно-теплового горения в объеме, интенсивность которого
изменяется по мере развития самого процесса. Это очевидное поло-
жение подтверждено в исследовании характером изменения в период
140
сгорания ряда кинетических параметров, в частности изменением кон-
станты скорости по температуре, экспоненциальным изменениям кон-
станты скорости по времени и другим параметрам.
2. Проведенное исследование показывает, что экспериментально
динамика процесса сгорания в дизелях может быть найдена как по ин-
дикаторным диаграммам, так и по данным стробоскопического газового
анализа. Однако для получения действительного закона сгорания по
данным газового анализа необходимо проводить отбор газов из многих
точек камеры и определять динамику сгорания по средним значениям
продуктов реакций во всей камере. Стробоскопический газовый анализ
позволяет также определить частные законы сгорания в различных
местах камеры и тем самым уточнить развитие процесса по объему
камеры.
3. Для описания динамики сгорания можно использовать существую-
щие соотношения химической динамики, в частности общие кине-
тические уравнения, уравнения автокатализа и автогенетические функции.
Исследования показали, что все указанные уравнения описывают сум-
марное развитие процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля и мо-
гут быть использованы при наличии соответствующих эксперимен-
тальных данных для физико-химического расчета индикаторной диа-
граммы дизеля.
’ ГЛАВА III
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ
С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
§ 11. ОБЗОР ИМЕЮЩИХСЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Среди современных двигателей внутреннего сгорания имеется боль-
шое количество двигателей с внешним смесеобразованием и принуди-
дительным зажиганием. К этим двигателям относятся карбюраторные
Двигатели и различные двигатели с подачей легкого топлива посред-
ством топливного насоса непосредственно в цилиндр двигателя и во
впускной трубопровод [41]. Все эти двигатели работают на легких
погонах нефти—различных сортах 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 химической кинетики в пламенах. Основные особенности про-
цесса сгорания однородной смеси воздуха и паров топлива в двигателях
с принудительным зажиганием заключаются в одновременном сочетании
процессов окисления молекул топлива с явлением распространения
Фронта пламени в пространстве и времени. Большие исследования по
Изучению процессов сгорания в бензиновых двигателях были проведены
Советскими учеными
Исследованию процессов сгорания в двигателях с принудительным
зажиганием предшествовало большое число экспериментальных и теоре-
тических исследований в лабораторных условиях.
Первые лабораторные опыты по исследованию сгорания и детона-
ции показали, что в смесях при комнатной температуре могут появляться
141
процессы детонационного характера, которым всегда предшествует
горение с нормальной скоростью. Затем, в области изучения медлен-
ных процессов распространения пламени появились и успешно разви-
вались два различных метода исследования: метод трубки, позволяющий
создать движение пламени, и метод горелки.
Однако одновременно с этими двумя методами исследования про-
цессов сгорания готовых горючих смесей появился еще один метод
исследования процессов сгорания — в бомбах. Этот метод в значитель-
ной степени приближался к исследованиям процессов сгорания в дви-
гателях.
Так, в опытах многих авторов, проведенных по исследованию
процессов сгорания горючих смесей в круглой бомбе, было найдено,
что с повышением сжатия и температуры смеси газа и воздуха воз-
растает и скорость сгорания при одновременной прямой зависимости
ее от концентрации топлива в смеси. Найденные при этом скорости
распространения пламени были весьма малыми по сравнению со ско-
ростью звука. Индикаторная диаграмма фиксировала равномерное воз-
растание давления пропорционально времени. Только при смеси бензина
с воздухом было обнаружено, что в последний момент сгорания про-
исходит внезапное резкое повышение давления, сопровождаемое дето-
нацией.
Развитие двигателестроения и особенно двигателей легкого топлива
привело к необходимости изучения процессов сгорания в этих типах
двигателей. Подобное изучение процессов сгорания имело целью вы-
явление возможности повышения мощности и экономичности бензино-
вого карбюраторного двигателя без появления в нем явлений детонаци-
онного сгорания. Работы, проведенные многочисленными исследователями
и научными учреждениями, позволили выявить характер процесса сго-
рания в карбюраторном двигателе и вскрыть причины, вызывающие
появление детонационного сгорания.
• ‘ При исследовании процессов сгорания в бензиновом карбюраторном
двигателе были обнаружены предельные значения степени сжатия для раз-
личных топлив, при которых не получается детонации. Было найдено,
что ароматические углеводороды обладают наибольшей стойкостью.про-
тив детонации.
В дальнейшем многочисленные опыты по исследованию процессов
сгорания в бензиновых двигателях, проведенные непосредственно на
двигателях в бомбах и трубках, позволили получить достаточно широ-
кое представление о явлениях, наблюдающихся при развитии процесса
сгорания в газовых смесях. Так, было установлено, что развитие про-
цесса сгорания сопряжено с образованием волн давления, длина кото-
рых зависит от давления перед вспышкой.
Опыты по сжиганию газовых смесей в мыльных пузырях позволили
получить зависимость скорости распространения пламени от состава смеси.
Исследования, посвященные изучению детонации и распространению
пламени с помощью фотографирования, дали возможность получить
скорости распространения фронта пламени. В дальнейшем непосред-
ственно на двигателе было исследовано влияние завихрения смеси на
скорость распространения пламени с увеличением числа оборотов колен-
чатого вала.
142
При помощи стробоскопического метода наблюдения за фронтом
пламени было найдено, что для камер сгорания скорость распростра-
нения пламени изменялась от 9 до 90 м/сек при продолжительности
процесса сгорания в 25° угла поворота коленчатого вала при
900 об/мин.
Этими же исследованиями было установлено, что в области за
фронтом пламени отсутствовал кислород, на основании чего было
предположено о сгорании смеси лишь в узкой зоне, расположенной
у фронта пламени.
Исследования процесса сгорания, проведенные непосредственно на
двигателях с помощью стробоскопического газового анализа, позволили
установить наличие в продуктах сгорания альдегидов и пероксидов,
при этом в качестве основного пероксида была обнаружена перекись
азота NO2.
В исследованиях, проведенных с помощью фотографирования фронта
пламени и индицирования двигателя, было изучено развитие процесса
сгорания по времени и сопоставлены законы сгорания, найденные
с помощью анализа индикаторной диаграммы и характеристики разви-
тия фронта пламени.
Исследования показали, что сгорание не заканчивается полностью
в узкой зоне фронта пламени, а продолжается и за фронтом пламени.
Этот вывод подтверждается опытами в бомбе, в которой были подве-
шены частицы пороха, поджигаемые движущимся фронтом пламени.
По ярким следам горящего пороха было установлено наличие дого-
рания смеси за фронтом пламени.
Брилинг [47] проводил исследования процесса сгорания в двига-
телях с принудительным зажиганием. В частности, Брилинг исследовал
вопрос о влиянии качества горючей смеси на скорость распростране-
ния фронта пламени. По его опытам было определено, что при сго-
рании бензиновой и спиртовой смеси качество горючей топливо-воз-
душной смеси оказывает чрезвычайно большое влияние на скорость сго-
рания. Кроме того, было установлено, что скорость сгорания зависит от
сорта применяемого топлива.
Масленников [48] в большой монографии дает обзор исследований,
а также теорию и экспериментальные исследования процессов сгора-
ния в карбюраторных двигателях. В этой работе автор подробно оста-
навливается на вопросах воспламенения, нормального распространения
Пламени, теорий процесса сгорания, теории детонации и пр.
Достаточно подробный анализ процесса сгорания дается Бугровым
П9, 49]. В его работах рассматриваются результаты различных экспе-
риментальных исследований по влиянию различных параметров на ско-
рость и эффективность сгорания в двигателях с принудительным за-
жиганием, а также подробно исследуются гидродинамические условия
сгорания готовых газовых смесей.
Сороко-Новицкий [50] дает освещение процесса сгорания в двига-
Теле с принудительным зажиганием с точки зрения физико-химической
сущности происходящих при этом явлений. На основе приложения за-
конов химической динамики и теории вероятности к процессу сгорания
'-<'Роко-Новицкий получает математическое выражение для закона сго-
Рания. Исходными уравнениями химической кинетики, примененными
143
в его работе, явились некоторые уравнения Акулова, полученные ддя
случая гетерогенных реакций и фазовых превращений [8].
Карпов (51) на основе положений современной теории сгорания дает
техническую методику расчета процесса сгорания в карбюраторном
двигателе.
Важнейшие теоретические и экспериментальные исследования по
сгоранию газовых смесей, положившие основание для создания совре-
менной теории горения, проведены советскими учеными. К этим работам
относятся исследования Семенова [5], Зельдовича [12], Франк-Каменец-
кого [17], Щелкина [18], Акулова [16] и др., основные положения
которых были нами уже рассмотрены выше.
На основании этих фундаментальных исследований, а также опытов,
проведенных непосредственно на двигателях, можно дать следующую
краткую характеристику процесса сгорания в двигателях с принуди-
тельным зажиганием.
В отличие от дизелей в двигателях с принудительным зажиганием
рабочий процесс осуществляется путем искусственного воспламенения
готовой топливо-воздушной смеси. Поэтому процесс сгорания в этих
двигателях по существу представляет собой распространение фронта
пламени по рабочей смеси. Образующийся фронт пламени отделяет
свежую смесь, расположенную перед фронтом пламени, от сгоревших
продуктов, находящихся за фронтом.
В дальнейшем под фронтом пламени мы будем понимать ту зону,
где протекают процессы реакции. Выделяемое в этой зоне тепло идет на
подогрев свежей холодной смеси, находящейся перед фронтом. Кроме
того, благодаря значительной разности температур перед фронтом и за
ним в нем будут итти значительные процессы диффузии. Таким образом,
первым фактором, определяющим динамику сгорания в пламенах,
является скорость химического превращения, происходящего во фронте
пламени и определяемого законами химической кинетики.
Вторым основным фактором, характеризующим динамику сгорания
в пламенах, является процесс распространения фронта пламени в про-
странстве и времени, сопровождаемый гидродинамическими явлениями.
Этот фактор пространственного распространения пламени может быть
охарактеризован рядом специфических понятий. Одним из таких понятий
является представление о нормальной скорости сгорания.
Линейная скорость перемещения фронта пламени относительно не-
сгоревшего газа по направлению нормали к поверхности фронта в дан-
ном месте называется нормальной скоростью распространения пламени [5]
z/0 м!сек. Благодаря тому, что горение в ламинарном потоке происхо-
дит в тонком слое фронта пламени, толщина которого определяется
кинетическими факторами, различные явления турбулизации при горе-
нии будут лишь деформировать поверхность горения, но не нарушать
законов, управляющих горением в самом фронте пламени. Таким об-
разом, для данной горючей смеси на единице поверхности фронта всегда
будет сгорать в единицу времени одно и то же количество топлива.
Процесс сгорания во фронте пламени для данной горючей смеси характе-
ризуется некоторой постоянной физической константой—массовой скоро-
стью сгорания, представляющей собой количество топлива, сгорающего
на единице площади фронта пламени за единицу времени ит кг'м^сек-
144
Общее же количество сгорающего топлива будет пропорционально
общей поверхности фронта пламени и равно
F • ит кг!сек,
где F— поверхность фронта пламени.
§ 12. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Основная цель технического исследования процесса сгорания в дви-
гателях заключается в определении результатов суммарного развития
процесса сгорания и в определении скорости тепловыделения, харак-
теризующей качество рабочего процесса двигателя.
Исследование и расчет динамики рабочего процесса двигателя могут
быть произведены на основе положений современной теории сгорания.
В зависимости от типа теплового двигателя и характера его рабочего
процесса в исследовании могут быть применены различные теоретические
методы. Выше была дана классификация современных тепловых двига-
телей по осуществлению их рабочего процесса.
Первая группа двигателей характеризуется автопроцессом сгорания,
начинающимся при высоких температурах окислителя, намного превы-
шающих температуру самовоспламенения топлива. К этой группе отно-
сятся все дизели. Процесс сгорания этой группы двигателей осуще-
ствляется при достаточно подготовленных условиях для начала сгора-
ния и отличается одновременным появлением очагов горения в различ-
ных местах камеры сгорания.
Процесс сгорания в двигателях с принудительным зажиганием харак-
теризуется специфическими явлениями. Во-первых, в этих двигателях,
как правило, происходит принудительное поджигание заранее переме-
шанной газовой горючей смеси. Во-вторых, развитие самого процесса
сгорания характеризуется процессом сгорания в гомогенной смеси,
происходящим в слое фронта пламени, и, вследствие этого, распростра-
нением фронта в пространстве по времени. При этом действительный
процесс сгорания газовой смеси всегда сопровождается появлением
Движения газа, вызываемого внешними причинами (движением поршня
и пр.) или являющегося следствием простого термического расширения
газовых масс. Появление этих гидродинамических явлений при сгорании
газовой смеси приводит к деформации фронта пламени.
Следовательно, процесс сгорания этих двигателей характеризуется
теми же факторами, что и сгорание готовых газовых смесей. Поэтому
исследование, и описание процесса сгорания двигателей с принудитель-
ным зажиганием должны быть тесно связаны с положениями современ-
ной теории горения в газовых смесях.
Таким образом, скорость распространения фронта пламени при сго-
рании гомогенной смеси определяется физико-химическими свойствами
Смеси и свойствами газового потока.
В ламинарном потоке скорость распространения пламени относи-
тельно газа в направлении, нормальном к поверхности фронта пламени,
зависит только от физико-химических свойств смеси и не зависит от
Газодинамических свойств потока. При данных физико-химических свой-
ствах смеси скорость распространения пламени в ламинарном потоке
ТО Процессы сгорания в двигателях 3896 145
должна оставаться постоянной. Эта скорость носит название нормальной
скорости распространения пламени //0.
Таким образом, в ламинарном потоке данной смеси на единице по-
верхности фронта за единицу времени всегда будет сгорать одно и
то же количество рабочей смеси, представляющее собой так называемую
массовую скорость сгорания:
dm = коРо > (106)
где р0 — плотность исходного („холодного") газа.
Общее количество тепла, выделяющегося при сгорании всей смеси
в единицу времени, которое будем называть скоростью тепловыделения
, dQ
и обозначать через , определится произведением
~~umF0HCM, (107)
где Fo— текущее значение поверхности фронта пламени;
Нсм — теплотворная способность смеси.
В ламинарном потоке фронт пламени в каждый момент горения
будет представлять гладкую поверхность, и скорость тепловыделения
будет пропорциональна текущей поверхности фронта пламени.
В турбулентном потоке газа, характеризующимся хаотическим вих-
ревым движением частиц газа, обладающих в каждый момент случайными
скоростями как по величине, так и по направлению, поверхность фронта
пламени не остается гладкой. Под влиянием турбулентности на поверх-
ности фронта пламени появляются искривления, и поверхность фронта
пламени увеличивается. Кроме этого, при определенных условиях турбу-
лентности может увеличиваться и нормальная скорость распространения
пламени. Таким образом, в турбулентном потоке всегда увеличивается
скорость тепловыделения как за счет увеличения поверхности фронта
пламени, так и в определенных случаях за счет увеличения нормальной
скорости распространения пламени.
На основании имеющихся исследований по турбулентному горению
можно представить два возможных характерных типа турбулентного
потока, в которых увеличение скорости тепловыделения при сгорании
газовой смеси объясняется действием различных факторов.
Первым типом турбулентного потока является поток, в котором
имеет место крупная турбулентность, масштаб которой велик по срав-
нению с шириной зоны ламинарного горения. При крупной турбулент-
ности поверхность фронта пламени претерпевает значительное увеличе-
ние вследствие искривлений поверхности фронта и вследствие возможных
разрывов его и образования отдельных мелких объемов горящей и
свежей смесей, хаотически движущихся относительно друг друга.
Крупная турбулентность в потоке, изменяя поверхность фронта, не
нарушает структуру и характер процессов в самом фронте пламени.
В этом случае, очевидно, нормальная скорость распространения пламени
в турбулентном потоке останется такой же, как и в ламинарном потоке.
Таким образом, скорость тепловыделения и общее количество сго-
рающего вещества в таком потоке будут пропорциональны лишь по-
верхности фронта, величина которой определяется характером крупной
турбулентности потока.
146
Второй тип турбулентного потока характеризуется отсутствием
турбулентности крупного масштаба и наличием турбулентных возмуще-
ний, масштаб которых мал по сравнению с шириной зоны ламинарного
горения. Очевидно, в этом случае влияние турбулентности на увеличе-
ние скорости тепловыделения при сгорании смеси будет сказываться
на возможном увеличении фронта пламени и на увеличении нормальной
скорости распространения фронта пламени.
Увеличение нормальной скорости распространения фронта пламени
в потоке с микротурбулентностью происходит потому, что все процессы
обмена между зоной реакции и подготовительной зоной усиливаются
вследствие микротурбулентного перемешивающего движения, изменяю-
щего характер процессов в самом фронте пламени. Таким образом,
скорость тепловыделения и общее количество сгорающего вещества
в потоке с микротурбулентным характером движения будут пропор-
циональны, главным образом, нормальной скорости распространения пла-
мени, изменяющейся в потоке вследствие микротурбулентных пульсаций
в зоне горения и поверхности деформирующегося фронта пламени.
Помимо разобранных двух характерных предельных типов турбу-
лентного потока, возможны различные промежуточные случаи, когда
в турбулентном потоке в той или иной степени проявляются турбулент-
ные явления крупного и малого масштабов.
Очевидно, в этих случаях увеличение скорости тепловыделения и
общее количество сгорающего вещества будут определяться увеличением
поверхности фронта пламени за счет турбулентности и увеличением
нормальной скорости распространения пламени вследствие микротурбу-
лентных пульсаций.
В первом случае крупномасштабного турбулентного потока влияние
турбулентности на процесс сгорания может быть учтено несколькими
способами.
Согласно теории Семенова [5] турбулентность газовой смеси в про-
цессе сгорания рассматривается только как причина, вызывающая дефор-
мацию фронта пламени, благодаря чему изменяется лишь поверхность
фронта. Процессы, протекающие в слое фронта, считаются не завися-
щими от гидродинамических явлений. Очевидно, это положение является
справедливым для потока с крупной турбулентностью. Таким образом,
полное количество сгорающего вещества при деформации фронта пла-
мени принимается пропорциональным поверхности фронта, величина
которой определяется характером турбулентного движения потока, т. е.
скорость тепловыделения при сгорании в турбулентном потоке должна
определяться по уравнению
? = « mFTHCM. (108)
В этом уравнении величина массовой скорости ит имеет то же зна-
ЧеНие, что и для ламинарного потока. Величина Fm представляет собой
общую поверхность фронта пламени с учетом всех искривлений и раз-
Рь’Вов, получающихся вследствие крупных турбулентных пульсаций.
Практически полученным уравнением для определения скорости
еПловыделения в процессе сгорания в двигателях воспользоваться
е;1ьзя, так как при исследовании сгорания в двигателях невозможно
147
точно найти поверхность фронта пламени с учетом турбулентных ис-
кривлений и возможных ее разрывов.
Второй метод учета действия крупной турбулентности на характер
процесса сгорания состоит в том, что фронт пламени в турбулентном
потоке принимается осредненным, без учета подробных искривлений
которые в нем имеются. Расчет скорости сгорания относится к этому
осредненному фронту.
Если отвлечься от мелких искривлений поверхности фронта пламени
и рассматривать достаточно большую поверхность горения, то массовая
скорость сгорания ит на единице поверхности будет возрастать и зависеть
от скорости турбулентных пульсаций. В этом случае за счет уменьшения
действительной поверхности фронта пламени как бы получается воз-
растание нормальной скорости распространения фронта пламени, при-
нимающей некоторую величину и0^. При этом получится и условное
возрастание массовой скорости сгорания в турбулентном потоке, кото-
рая будет определяться уравнением:
итТ=иоТ?, (Ю9)
где и0?—условная нормальная скорость распространения фронта пла-
мени в турбулентном потоке;
р — плотность исходной несгоревшей смеси.
Согласно теории Щелкина [18] связь между нормальной скоростью
иог в турбулентном потоке и нормальной скоростью в ламинарном по-
токе может быть дана в виде следующего уравнения:
/^rV 11)2
I—I = 14-В№-^, (110)
' «О ll‘
где К—число Кармана;
чо—средняя скорость потока;
В—коэфициент пропорциональности.
При таком методе описания процесса сгорания величина нормальной
скорости теряет характер физико-химической константы и превращается
в функцию, зависящую от свойств турбулентного газового потока.
Тогда скорость тепловыделения при сгорании может быть найдена по
уравнению
d^^=umFHCM, (111)
III у- LJrl \
где UmT—массовая скорость сгорания в турбулентном потоке;
F—поверхность фронта без учета мелких турбулентных искри-
влений;
Нсм—теплотворная способность смеси.
Таким образом Щелкин [18] проводит исследование процессов
сгорания в турбулентном потоке газа для двух случаев малого и боль- I
шого масштабов турбулентности.
Оценка величины масштаба турбулентности производится по отно- I
шению к ширине фронта пламени при ламинарном горении.
148
В результате этих своих исследований Щелкин приходит к выводу,
цТ0 в зависимости от характера турбулентности действие последней
на процесс сгорания может быть различным.
При сильной турбулентности по мере увеличения масштаба турбу-
лентности до величины, сравнимой с шириной фронта пламени при
ламинарном горении, скорость реакции сгорания во фронте пламени
доткет Уже определяться смещением, т. е. диффузией.
В случае малой турбулентности в потоке (второй тип потока) необ-
ходимо учитывать изменение нормальной скорости распространения
фронта пламени.
Принимая во внимание в этом случае усиление процессов обмена
между зонами реакции и подготовки за счет явлений микротурбулент-
цости, Щелкин дает следующее выражение для скорости нормального
распространения фронта пламени в турбулентном потоке:
иог = “о ’ (И2)
В этом уравнении граничные условия соблюдаются и при е = 0.
Влияние турбулентности на скорость сгорания газовой смеси иссле-
дуется также в работах Бугрова [19]. Бугров считает, что турбулиза-
ция при сгорании смеси приводит к изменению основных свойств и струк-
туры самих процессов во фронте пламени независимо от масштаба
турбулентности. Турбулизация смеси приводит в первую очередь к из-
менению условий теплообмена в каждом элементе фронта пламени,
благодаря чему и изменяется нормальная скорость. При этом передача
тепла в движущемся турбулентном потоке газа подчиняется уравнению
dQ=--Kmyp6~, (113)
где \турб — коэфициент, учитывающий передачу тепла за счет тепло-
проводности и конвективного переноса тепла в турбулентном
потоке.
На основании экспериментальных исследований Бугров установил, что
1 __) Re
'тУРб — 1260 ’
(П4)
где а—коэфициент теплопроводности;
Re—критерий Рейнольдса.
В дальнейшем, для получения выражения нормальной скорости рас-
пространения фронта пламени в турбулентном потоке Бугров вводит
в общие уравнения для нормальной скорости распространения фронта
в ламинарном потоке а0 вместо величины X величину ^турб и получает
Уравнение (23) для нормальной скорости сгорания в турбулентном по-
токе
и0г = ио]/1260 ’ 15)
Следовательно, в первом приближении Бугров получает выражение
Г("51 нормальной скорости распространения фронта пламени, исходя из
изменения условий теплообмена при турбулизации газового потока.
149
Очевидно, положения, разработанные Бугровым, отражают особен-
ности турбулентного потока с учетом увеличения нормальной скорости
и деформации фронта пламени. Поэтому для определения скорости
тепловыделения при сгорании необходимо иметь общую величину по-
верхности фронта пламени Fr, соответствующую турбулентному горению.
Таким образом, подсчет скорости тепловыделения в турбулентном
потоке с малой турбулентностью может быть проведен аналогично
уравнению (108):
dQ Г LJ
dx итт^тИСм
При применении рассмотренных выше методов описания процессов
сгорания в турбулентном потоке к расчету процесса сгорания, осуще-
ствляемого непосредственно в двигателе, следует прежде всего учесть
невозможность получения истинной конфигурации фронта пламени как
теоретическим, так и экспериментальным путем. До настоящего времени
эта задача в полном объеме не решена В связи с этим при расчете
процесса сгорания в двигателе приходится пользоваться лишь осред-
ненными значениями поверхности фронта пламени. В этом случае, оче-
видно, величина нормальной скорости в турбулентном потоке должна
отражать влияние на развитие процесса, во-первых, неучтенной части
поверхности фронта пламени, имеющей в действительности многочис-
ленные искривления, и, во-вторых, возможного изменения скорости
распространения фронта за счет микротурбулентных явлений в зоне
фронта.
Обозначая эту скорость турбулентного горения через uqt и соот-
ветствующую ей массовую скорость сгорания через umj., а осредненное
значение текущей поверхности фронта через F, получим расчетное
выражение для скорости тепловыделения (111):
FHrM кал!сек.
Тогда закон сгорания в двигателе определится по уравнению
1
Q ________
Всм^см Всм J
0
u^Fd-,
(П6)
где Всм—количество горючей смеси, поданной в двигатель на один цикл.
Построение индикаторной диаграммы может быть произведено по
уравнению
(117)
d-r А V т йт V dx v
Предлагаемый метод оценки турбулентности горения в двигателе
позволяет при наличии осредненных поверхностей фронта пламени F,
определяемых экспериментальным путем по фотоснимкам пламени, и на-
личии данных по скоростям тепловыделений , определяемых с по-
мощью индикаторной диаграммы, оценить значение величин ит.г и «о/
и произвести анализ полученных скоростей сгорания иот сравнительно
с нормальными скоростями сгорания в ламинарном потоке и величи*
150
нами UoT, найденными и Бугровым, с учетом турбулентного теплообмена.
Полученные результаты такого сравнения дадут возможность ввести
соответствующие поправки к нормальным скоростям сгорания лами-
нарного потока и получить выражения для определения нормальной
скорости сгорания, необходимые для расчета турбулентного горения в
двигателе.
§ 13. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальное исследование было проведено на двух опытных
двигателях, а также путем обработки опытных данных фотографий пла-
мени в двигателе, полученных в работах Рассвелера [29].
Фиг. 116. Головка одноцилиндрового двигателя.
Сопоставление данных по индицированию давления с результатами
стробоскопического газового анализа и ионизационного метода, а также
С фотографированием движения пламени по камере сгорания позволило
определить связь между пространственным распространением процесса
горения и законом тепловыделения, фиксируемым индикаторной диа-
граммой. Сочетание этих методов позволило получить подробную харак-
теристику развития процессов сгорания в этих двигателях.
В качестве первой опытной установки была использована одноци-
линдровая установка, специально выполненная в лаборатории кафедры
тепловых двигателей МАИ, представляющая собой одноцилиндровый
Четырехтактный карбюраторный двигатель с Г-образной камерой сгора-
ния (фиг. 116),
151
3
Фиг. 117. Схемы охлаждения и питания воздухом опытной
установки:
1 — мерный бачок; 2— мерный насадок; 3— ресивер; 4— термометры;
5 —указатель уровня воды; 6— расширительный бачок; 7— радиатор;
8 термометр на выходе воды; 9— насос; 10 —термопара выпуска;
11 — приемник индикатора; 12 — термометр на входе воды; 13 — приборы
для отбора газа; 14 — магнето; 15 — двигатель; 16 — электротормоз.
152
Фиг. 118. Топливная система опытного двигателя:
7 — топливный бак; 2 — весовой замер топлива; 3 — альвейер; 4-штих-
пробер;5-индикатор; 6 — термометр на выходе воды; 7 — фильтр; 8 — тер-
мопара выпуска: 9 — приемник индикатора; 10 — приборы для отбора газа;
И — термометр на входе воды; 12 — магнето; 13 — карбюратор; 14 — двига-
тель; 15 — электротормоз.
153
Основные данные двигателя
Эффективная мощность . , . . ...........Ne = 9,25 л. с.
Число оборотов..............................п = 1300 об/мин
Удельный эффективный расход топлива........&, = 0,368 кг/э. л. с. ч.
Степень сжатия ............................г = 5
Номинальный угол опережения зажигания . ... ₽ = — 55°
Диаметр цилиндра...........................D = 102 мм
Ход поршня...................................S= 152 мм
Рабочий объем цилиндра................... У* — 1,242 л
Отношение длины шатуна к радиусу L
кривошипа...............................= ~р — 4
Топливо.................................... бензин
Охлаждение двигателя........................... водяное
Фиг. 119. Схема опытной головки:
7, 2, 3, 4, 5 — места под газоотборочные клапаны; 6 — место под свечу;
7, 8 — места под приемники индикаторов.
Общие схемы экспериментальной установки представлены на
фиг. 117 и 118.
Для того чтобы осуществить исследование процесса сгорания мето-
дами индицирования, стробоскопического газового анализа и ионизаци-
онным методом, была сконструирована специальная головка, при которой
можно было производить одновременное индицирование двумя типами
индикаторов и стробоскопический газовый анализ с помощью пяти от-
борочных клапанов или индицирование двигателя и определение скоро-
сти пламени ионизационным методом при помощи пяти специальных
приемников (фиг. 119 и 120).
154
Фиг. 120. Головка опытного двигателя с газоотборочными
клапанами:
I — электроемкостями отметчик; 2 — топливо от топливного насоса; 3— ме-
сто под свечу; 4—место под приемники индикаторов; 5 — выход газа;
6— подвод охлаждающей воды; 7 — электропровод на осциллограф.
155
На фиг. 121 показано размещение термопар для замера температур
в опытном цилиндре двигателя.
В качестве второй опытной установки был использован тракторный
двигатель СХТЗ.
Фиг. 121. Размещение термопар для замера темпе-
ратур в цилиндре опытного двигателя:
1, 2, 3 — термопары; 4 — газоотборочный клапан; 5 — место под
приемники индикаторов.
Основные данные двигателя
Эффективная мощность........................Ne = 35 л. с.
Число оборотов.................................. = 1100 об/мин
Удельный эффективный расход топлива.........ge = 0,315 кг/э. л. с. ч.
Степень сжатия..............................е = 4,2
Номинальный угол опережения зажигания . . . (1 = —35°
Диаметр цилиндра . ... ...............£>=115 мм
Ход поршня.................... . .......S = 152 мм
Число цилиндров............. ...............4 = 4
Общий литраж двигателя......................= 6,3 л.
Отношение длины шатуна к радиусу £ _ . ...
кривошипа............................Л
Топливо (основное)............................. тракторный
керосин
Охлаждение двигателя........................ водяное
156
Процесс сгорания в двигателе СХТЗ исследовался при помощи двух
экспериментальных методов: индицирования давления и стробоскопиче-
ского газового анализа. Для осуществления одновременного проведения
исследования обоими методами, экспериментируемый цилиндр двигателя
(четвертый от маховика) был снабжен специальными отверстиями для
индицирования и для проведения стробоскопического газового анализа
двумя газоотборочными клапанами, из которых один был расположен
вблизи свечи, а другой—на противоположной стороне камеры.
Фиг. 122. Схема опытной головки СХТЗ:
1 — место первого газоотборочного клапана; 2 — место второго газоотбороч-
ного клапана; 3— место под свечу; 4 — место под индикатор.
Схема экспериментальной головки приведена на фиг. 122.
Индицирование двигателей проводилось с помощью различных инди-
каторов. В опытах были использованы электропневматический индика-
тор ТЛ-2, индикатор с тиратронным реле и пьезокварцевый индика-
тор ПИ-2, улучшенной конструкции.
При индицировании двигателей были учтены предварительные испы-
тания индикаторов, результаты которых были приведены выше при
исследовании дизелей, а также были проведены дополнительные опыты
По уточнению показаний каждого типа индикатора.
Пьезокварцевый индикатор типа ПИ-2 системы инж. Карягина был
построен в лаборатории тепловых двигателей МАИ и отличался следую-
157
щими особенностями по сравнению с первым типом индикатора ПИ-1,
примененным при исследовании дизеля: 1) для записи применялась
электронно-лучевая трубка телевизионного типа с большим экраном
(rf = 170 мм)', 2) применялся усилитель пьезотоков с большим коэфи-
циентом усиления по сравнению с усилителями других пьезокварцевых
индикаторов; 3) вместо специальной электролампы применялась стан-
дартная радиолампа типа „Жолудь" 954; 4) применялась динамическая
тарирозка с помощью вспомогательного одно контактного датчика с про-
тиводавлением^) применялся метод динамической
компенсации утечек во входной части индикатора
путем создания искусственного натекания за-
Фиг. 124. Схема
отметчика откры-
тия и закрытия
газоотборочных
клапанов
рядов на входящую емкость, этот прием значительно уменьшил пара-
зитное влияние утечек; 6) применялся специальный отметчик углов пово-
рота коленчатого вала и в. м. т., позволяющий наносить непосред-
ственно на линию давления эти отметки в виде светлых точек; 7) при-
менялся специальный коммутатор, позволяющий при снятии индикаторной
диаграммы непосредственно осуществлять контроль за чувствительностью
электрической и регистрирующей аппаратуры индикатора с одновремен-
ным нанесением системы координатных линий на фотографию индика-
торной диаграммы; 8) для фотографирования индикаторных диаграмм
применялся стандартный фотоаппарат.
158
Большой размер диаграммы, высокое качество записи, при наличии
указанных выше особенностей схемы этого пьезокварцевого индикатора,
дают возможность получить более качественные результаты исследования
процесса сгорания с помощью индицирования.
Более подробное описание этого типа пьезокварцевого индикатора
дано в работах кафедры тепловых двигателей МАИ.
Фиг. 125. Осциллограмма отметок [начала открытия
и закрытия газоотборочного клапана.
Электропневматические индикаторы были снабжены усовершенство-
ванными типами прерывателей (фиг. 123). Фиксирование открытия и за-
крытия газоотборочных клапанов для стробоскопического отбора газов
осуществлялось при помощи специального отметчика электроемкостного
типа, примененного и при исследовании дизеля (фиг. 124). На шести-
шлейфном осциллографе записывались одновременно осциллограммы
отметок углов поворота коленчатого вала, в. м. т., моментов зажига-
ния (подачи искры) и моментов открытия и закрытия газоотборочных
клапанов. На фиг. 125 представлена примерная осциллограмма подоб-
ной записи.
Стробоскопический отбор газа из камер сгорания и последующий
газовый анализ
Отбор проб газа, так же как и в дизеле, производился по всей
линии сгорания, а также частично по линии сжатия и в период индук-
ции. В камере сгорания одноцилиндрового двигателя было установлено
пять отборочных клапанов (см. фиг. 120). Все клапаны были размещены
в головке двигателя по направлению наиболее длинного пути, прохо-
димого фронтом пламени. В камере двигателя СХТЗ было установлено
Два отборочных клапана, схема размещения которых показана на фиг. 122.
Открытие клапанов осуществлялось попрежнему гидравлическим спосо-
бом от специального нефтяного насоса.
Первый отбор проб газа брался на линии сжатия. Последующие
отборы газов производились от момента зажигания и продолжались
по всей линии сгорания—расширения.
Продолжительность открытия отборочных клапанов при взятии проб
составляла 3—5° угла поворота коленчатого вала.
В двигателе СХТЗ отборочные клапаны, как и в дизеле, проходят
Через водяную рубашку головки двигателя, благодаря чему и получают
159
Фиг. 126. Конструкция
необходимое охлаждение. Втулки газоотборочных клапанов на одноци.
линдровом двигателе имели независимое охлаждение.
Конструкция газоотборочного клапана
для одноцилиндрового двигателя дана на
фиг. 126.
Конструкции газоотборников для одно-
цилиндрового двигателя отличались положи-
тельными особенностями: 1) газоотборники
имели независимое охлаждение, позволявшее
в более широких пределах регулировать те-
пловое состояние газоотборочного клапана;
2) газоотборники имели наиболее удобное
расположение электроемкостного отметчика
открытия клапана; 3) объем газового про-
странства в газоотборниках имел минималь-
ную величину, причем объем вредного
пространства был практически сведен к
нулю.
Тепловое состояние втулок газоотбороч-
ных клапанов контролировалось специаль-
ными термопарами.
Как и при исследовании дизеля, ото-
бранные пробы газов подвергались одно-
временному анализу в приборах ТИ и Орса-
Фишера.
Для большей надежности полученных
данных, как газового анализа, так и инди-
цирования, каждый режим двигателя повто-
рялся 2—3 раза и результаты этих повто-
рений накладывались друг на друга.
Подсчеты общих данных эксперимента на
одноцилиндровом двигателе и СХТЗ произ-
водились обычными методами.
Количество тепла, переданное от рабо-
чих газов в цилиндре двигателя в окружаю-
щую среду, определялось по формуле (95).
Коэфициенты а и b вынужденной кон-
вективной теплопередачи были определены
экспериментально. На основании исследова-
ний и расчетов были найдены значения этих
коэфициентов: для одноцилиндрового дви-
гателя а = 1,3, b = 0,1.
Расчет закона сгорания по данным инди-
цирования и стробоскопического газового анализа производился по
методам, изложенным в § 4.
При исследовании процесса сгорания в двигателях с принудительным
зажиганием, кроме опытных данных, полученных при собственных
исследованиях двигателей, были использованы также экспериментальные
материалы по анализу процесса сгорания методом фотографирова-
ния (29].
Фиг. 126. Конструкция га-
зоотборочного клапана для
одноцилиндровой карбюра-
торной установки.
160
Ионизационный метод определения скорости пламени
Для подтверждения правильности результатов, полученных с по-
мощью стробоскопического газового анализа на одноцилиндровой уста-
новке, был применен третий независимый экспериментальный метод
исследования — определение скорости пламени при помощи ионизацион-
ного метода.
Для проведения исследования все газоотборочные клапаны в опыт-
ной головке (см. фиг. 120) были заменены специальными приемниками,
у которых участок ионизации был
образован изолированным от массы
средним электродом и боковым элек-
тродом, соединенным с массой
(фиг. 127).
Дальнейшая методика определения
движения пламени ионизационным спо-
собом общеизвестна: напряжение, при-
ложенное к электродам искрового Фиг. 127. Ионизационный прием-
промежутка, дает в момент прохода ник.
пламени разрядный ток, действие кото-
рого через специальный усилитель передается на соответствующий
шлейф осциллографа, который и регистрирует этот момент.
Таким образом, ионизационный метод позволяет определить истин-
ную скорость пламени и положение фронта в единичном цикле.
Фиг. 128. Осциллограмма с ионизационной отметкой
момента появления пламени у приемника.
Разброс же точек положения фронта в различных циклах позволяет
оценить эффект флуктуации пламени, которая искажающим образом
может действовать на результаты стробоскопического газового анализа.
Примерная осциллограмма с ионизационной отметкой момента по-
явления пламени у приемника приведена на фиг. 128.
§ 14. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Первой частью экспериментального исследования является изучение
Развития процесса сгорания в двигателе с принудительным зажиганием,
к°торое было проведено на одноцилиндровой установке.
Исследование проводилось с помощью индицирования двигателя и
стробоскопического газового анализа. Отбор газов осуществлялся, как
Уже указывалось, с помощью пяти клапанов, расположенных в головке
И Процессы сгорания в двигателях 3896 161
двигателя вдоль наибольшего пути, проходимого фронтом пламени. Ско-
рости распространения пламени также определялись ионизационным ме-
тодом. Процесс сгорания в одноцилиндровом двигателе исследовался в за-
висимости от коэфициента избытка воздуха а и числа оборотов двига-
теля п.
Физико-химические константы топлива—бензина—следующие: удель-
ный вес di0 — 0,7389, вязкость при 37,8° С—0,005384 стокса, темпе-
ратура выкипания 50% — t60 = 98° С, низшая теплотворная способ-
ность ha = 10500 ккал, содержание водорода и углерода в % (по
Фиг. 129. Кривая фракционной
разгонки топлива (бензин).
весу) —Н= 15%, С = 85%. На
фиг. 129 приведена кривая разгонки
бензина.
Фиг. 130. Места замера тем-
ператур головки и цилин-
дра одноцилиндровой кар-
бюраторной установки:
ti— температура головку; f2—тем-
пература цилиндра на 60 мм от
в. м. т.; t3 — температура цилин-
дра на 120 мм от в. м. т.
При проведении исследований коэфициент избытка воздуха менялся
в пределах от а = 0,78 до а= 1,22 при постоянном числе оборотов п =
= 1300 об/мин.
Для определения влияния числа оборотов на характер развития про-
цесса сгорания было проведено исследование развития процесса сгорания
по внешней характеристике двигателя в диапазоне изменения оборотов
от п = 1100 об/мин до п = 1500 об/мин при а = 0,92.
На фиг. 130 показаны места замера температур головки и цилиндра
одноцилиндровой карбюраторной установки.
При работе двигателя с коэфициентом избытка воздуха а = 0,93 и
числе оборотов коленчатого вала п=1300 об/мин температуры цилиндра
и головки в указанных местах замера оказались: = 230° С, t2 — 100° С
и Г3 = 88° С.
В табл. 22 представлены основные параметры рабочего процесса
двигателя в зависимости от коэфициента избытка воздуха а.
В табл. 23 приведены тепловые балансы для всех режимов по «
Последняя графа дает сумму потерь вследствие неполноты сгора-
ния и лучеиспускания.
162
В табл. 24 даны основные параметры процесса сгорания двигателя.
На фиг. 131 представлены индикаторные диаграммы двигателя.
Полученные данные позволяют произвести анализ изменения основ-
ных параметров рабочего процесса двигателя с принудительным зажига-
нием в зависимости от коэфициента избытка воздуха.
Фиг. 131. Индикаторная диаграмма для одноцилиндровой карбюраторной уста-
новки в рП-координатах. Режимы:
а — а = 0,78; п — 1300 об/мин; р. = 7,36 кг1СлР', N. = 13,2 л. с.;
б — а = 0,93; п = 1300 об/мин; р. — 7,6 кг[сл&\ N. *= 13,6 л. с,;
в — а = 1,22; п = 1300 об/мин; р. = 6,9 кг[см2\ N = 12,4 л. с.
Данные табл. 22, 23 и 24 показывают, что влияние коэфициента
избытка воздуха на изменение основных показателей рабочего процесса
одноцилиндрового двигателя является обычным для карбюраторного
Двигателя.
Индикаторный к. п. д. т;; увеличивается с увеличением а. Измене-
ние среднего индикаторного давления pt следует за изменением отноше-
ния-^1-, которое получается максимальным для а = 0,9.
Максимальное давление вспышки р убывает с увеличением а, так
Как соответственно уменьшается и скорость тепловыделения.
На фиг. 132, 133 и 134 представлены развернутые индикаторные
Диаграммы в координатах рт.
Одновременно на графиках приводятся средние температуры газов
в Цилиндре в процессе сгорания, законы сгорания х = /(т), рассчитан-
HbIe по данным индикаторных диаграмм согласно уравнениям (28), и ско-
Рости сгорания по тепловыделению .
163
В табл. 25, 26 и 27 приведены данные расчета закона сгорания по
индикаторным диаграммам двигателя.
Фиг. 132. Динамика процесса сгора-
ния по данным индикаторной диа-
граммы для одноцилиндровой кар-
бюраторной установки. Изменение
давления р, температуры Т, закона
dx
сгорания х и скорости сгорания
в зависимости от угла поворота
коленчатого вала.
Фиг. 133. Динамика процесса сгорания
по данным индикаторной диаграммы
для одноцилиндровой карбюраторной
установки.
Режим: а = 0,93; п « 1300 об/мин; = 7,6 кг[см*>
Nе « 9,25 л. с.\ Во == 0,872 10““^ кг шопл/цикл;
Gб = 1,21 • 10—Злг воздщикл} <р=32‘ ; топливо-
бензин.
Режим: а = 0,78; п-1300 об/мин;/ь 7,36; Ng- СреДНЯЯ Величина Коэфициента
-8.51 л. с.',в0-^ 1,026- ю 4 кг топл/цикл использования тепла в реальном про-
О„ = 1.1Й7-10-d кг воздщикл-, ф=29°; то-
пливо - бензин. «ессе в экспериментируемом двига-
теле ф = 0,96—0,97.
Так же как и в дизеле, с уменьшением нагрузки относительные по-
тери тепла в охлаждающую воду в карбюраторном двигателе возрастают,
благодаря чему величина ф с увеличением а несколько уменьшается.
Основные параметры рабочего процесса двигателя
аш Число оборотов коленчатого вала в минуту п Эффективная мощность Ne В 4. с. Средний эффективный расход топлива ge в кг/э. л. с. ч. Среднее эффективное давле- ние ре в KZjCM* Эффективный к. п. д. в °/о Среднее индикаторное давле- ние pi в кг!см* Индикаторная мощность по индикаторной диаграмме ДГ1 в л. с Индикаторный к. п. д. чц в % Индикаторный расход топлива gj в кг/и. л. с. ч. -г -U ’И \
0,78 1300 8,51 0,47 4,75 12,8 7,36 13,2 19,9 0,303 64.5
0,93 1300 9,25 0,368 5,15 16,4 7,60 13,6 24,1 0,250 68,0
1,22 1300 8,3 0,289 4,62 20,8 6,90 12,4 31,2 0,193 66,8
164
На фиг. 135 показано изменение периода задержки воспламенения т
в зависимости от коэфициента избытка воздуха а. Как видно, увеличе-
ние а приводит к резко-
му увеличению т,.
Сопоставление полу-
ченных результатов по
изменению периода за-
держки воспламенения т,-
в зависимости от измене-
ния коэфициента избыт-
Фиг. 135. Изменение пе-
риода задержки воспламе-
нения в зависимости от
коэфициента избытка воз-
духа а при п — 1300 об/мин.
Фиг. 134. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы для одноцилин-
дровой карбюраторной установки.
Режим: а = 1,22; «= 1300 об/мин; = 6,9 кг/сл3; Л’г =
-8,3 л.с.; Во = 0,615 10-кг тпкл'цикл-, 0=1,106 10 ’"кг
возд1цикл\ if = 46' ; топливо — бензин.
ка воздуха а в двигателях с принудительным зажиганием с анало-
гичным изменением по а в дизелях указывает на заметное различие
в степени влияния а на т- в обоих типах двигателей.
Как было видно из результатов исследования сгорания в дизелях,
изменение коэфициента избытка воздуха в широких пределах в этих
Таблица 22
в зависимости от коэфициента избытка воздуха а
аш Часовой рас- ход воздуха в кг 1 час 1 Коэфициент наполнения ц у I Действительный расход воз- духа на 1 кг топлива L$ в возд./яг топл. Коэфициент избытка воз- духа Количество топлива на 1 цикл Во в кг Количество воздуха, заса- сываемого на 1 цикл G в кг с а и : и а D 3 5 Температура отработавших газов Тг в °К
по MCA Lfia * по данным окружаю- щей среды । по мерной шайбе 1 по прибору Орса °г- А
0,78 46,7 46,65 0,788 11,7 0,78 0,805 1,026-10^ —3 1,197-10 0,255 915
0,93 46,7 47,2 0,79 13,9 0,93 0,997 0,872-10~4 1,21-Ю-3 0,260 985
1.22 43,8 43,9 0,74 18,3 1,22 1,23 0,615-10-4 1,106-ю-3 0,256 1080
*
165
Таблица 2з
Тепловой баланс двигателя по коэфициенту избытка воздуха а
аш Число оборотов коленчатого вала в минуту п Полное количество тепла, эквивалентное часовому расходу топлива, в кал час Тепло, эквивалентное эффективной работе, Q в кал/чае Тепло, ушедшее в охлаждающую воду, <?вой В кал!час Тепло, ушедшее с от- работавшими газами. Q в калчас Тепло, потерянное вследствие неполноты сгорания, на луче- испускание и пр., <?лот в кал>час Относительный тепловой баланс
Qm=io°°/o
<4 Qm в % Q д ^вод Qpm Qm в °1о Qnom Qm в Ча
Qm в %
0,78 1300 42000 5380 5260 9 280 22 080 12,81 17,75 31,3 52,36
0,93 1300 35700 5850 6320 10320 13210 16,4 17,7 28,9 37
1,22 1300 25 200 5250 7500 10 220 2230 20,8 29,8 40,6 8,8
Таблица 24
Основные параметры процесса сгорания двигателя
аш Число оборо- тов коленча- того вала в минуту п CD Угол опере- жения зажи- гания 0° Продолжительность процесса сгорания Период задержки воспламенения
в S к ное давлен Р2 в кг!см
в сек. т* в сек.
0,78 1300 25,5 -55 71 9,1-10 -3 29 3,72-10 “3
0,93 1300 26,5 —55 68 8,70-10“ 3 32 4,10-10“ 3
1,22 1300 17,5 -55 75 9,6-10 ~3 46 5,76-10 —3
Таблица 25
Данные расчета закона сгорания при аш = 0,78
т в сек. от момента зажигания Х1 xw X Ф = —
—55 0
—26 3,715-10“3 1 0 0 0 —
-20 4,997-10 “3 1,342 0,03351 0,00049 0,034 0,985
-10 6,279-10 “3 1,69 0,14848 0,00152 0,15 0,99
0 7,561-10 “3 2,025 0,48462 0,00538 0,49 0,988
10 8,843-10 ~3 2,38 0,6971 0,0129 0,71 0,981
20 10,125-10 “3 2,725 0,769 0,023 0,792 0,97
30 ll.407.10 ~3 3,07 0,81444 0,0336 0,848 0,96
40 12,689-10 ~3 3,41 0,8449 0,0431 0,888 0,95
50 13,971-10 ~3 3,76 0,8719 0,0511 0,923 0,945
166
Таблица 26
Данные расчета сгорания при аш = 0,93
<Р" т в сек. от момента зажигания г/г. Xi X Ф=-^-
— -55 0 —
-23 4,11-Ю-3 1,0 0 — 0 0
—20 5,392-10 ~3 1,31 0,0177 0,0003 0,018 0,98
—10 6,674-10 “3 1,62 0,139 0,001 0,14 0,994
0 7,956-10-3 1,93 0,536 0,004 0,54 0,995
10 9,238-10—3 2,245 0,724 0,011 0,735 0,985
20 10,520-10 ~3 2,56 0,78 0,020 0,8 0,975
30 11,802-10 ~3 2,87 0,814 0,030 0,844 0,965
40 13,084-10~3 3,18 0,841 0,038 0,879 0,958
50 14,366-10 ~3 3,5 0,86 0,046 0,906 0,95
Таблица 27
Данные расчета сгорания при аш = 1 22
х в сек. ст момента зажигания г/тг xi xw X
—55 0
— 9 5,9-10 ~3 1 — — 0 —
0 7,182-10 ~3 1,22 0,083 0,002 0,085 0,975
10 8,464-10 ~3 1,43 0,234 0,006 0,240 0,975
20 9,746-10 ~3 1,65 0,459 0,016 0,475 0,966
30 10,028-10 ~3 1,7 0,667 0,023 0,69 0,9675
40 11,ЗЮ-10-3 1,92 0,789 0,041 0,83 0,95
50 12,592-10 “3 2,13 0,853 0,052 0,905 0,943
60 13,874-10 —3 2,35 0,879 0,061 0,94 0,935
двигателях практически не сказывается на величине периода задержки
воспламенения т. при данном сорте топлива и постоянном угле опере-
жения впрыскивания (см. § 8, табл. 8).
Решающее влияние на период задержки воспламенения для данного
Дизеля оказывают сорт топлива и его характеристика самовоспламеняе-
мости (цетановое число).
Как видно из фиг. 135, в двигателе с принудительным зажиганием
с увеличением коэфициента избытка воздуха а, т. е. с обеднением смеси,
наблюдается непрерывное заметное увеличение периода задержки вос-
пламенения тг. Так, изменение коэфициента избытка воздуха от а = 0,78
до а =1,22 приводит к соответствующему увеличению периода за-
держки воспламенения от тг=3,75-10—3 сек. до ^=5,75 • 10—3 сек.
Из полученных результатов видно, что в двигателях с принудитель-
ным зажиганием состав смеси (коэфициент избытка воздуха а) является
одним из основных факторов, определяющих характер развития началь-
167
ных стадий процесса сгорания, в то время как в дизелях такими факто.
рами являются температура сжатого воздуха и химическая стабильность
молекул топлива.
На фиг. 136 представлены изменения абсолютных скоростей сгора-
d (хВ0) ,
ния —кг/сек, полученных с помощью закона сгорания по данным
индикаторных диаграмм для различных коэфициентов избытка воздуха а.
На фиг. 137 приведены изменения максимальной абсолютной ско-
( d (хВп) \ „ l d (хВл) х
рости сгорания (—\ и средней скорости сгорания ( —— 1
в зависимости от коэфициента избытка воздуха а.
Фиг. 136. Изменение абсолютных скоростей фиг. 137. Изменение максималь-
сгорания для различных коэфи- ной передней
циентов избытка воздуха а при я= абсолютных скоростей сгорания
— 1300 об/мин, в зависимости от а при п =
= 1300 об/мин.
Как видно из этих фигур, максимальные значения скоростей сгорания
соответствуют режиму а = 0,9. С увеличением коэфициента избытка
воздуха при а > 1 имеет место заметное понижение скорости сгора-
й(хВй)
ния —— вследствие уменьшения концентрации топлива в горючей смеси.
Рассмотрим результаты исследования процесса сгорания с помощью
стробоскопического газового анализа.
Выше на фиг. 120 была представлена схема расположения клапанов
в камере одноцилиндрового двигателя. Отбор проб из камеры сгорания
производился через пять клапанов, расположенных вдоль наиболее длин-
ного пути, проходимого фронтом пламени по камере сгорания.
Клапан № 1 расположен у свечи. Клапаны с последующими номе-
рами располагаются последовательно от источника зажигания.
На фиг. 138—152 представлены результаты исследования развития
процесса сгорания по данным стробоскопического газового анализа.
На каждом графике приведено изменение О2, СО2 и СО для каждого
клапана.
На фиг. 153, 154 и 155 дано совмещенное изменение реагентов
в ходе сгорания для всех пяти газоотборочных клапанов. В качестве
168
о гиг3 то'3 бю~3 виг3 ю-ю'3ссек.
Фиг. 138. Изменение СО2, О2, СО по данным стробоскопиче-
ского газового анализа для одноцилиндровой карбюраторной
установки. Клапан № 1.
Режим: а = 0,78; п = 1300 об/мин; топливо — бензин»
0 г«Г3 то'3 *610'3.J10'1 Г сек
Фиг. 139. Изменение СО2, О2, СО по данным стро-
боскопического газового анализа для одноцилиндровой
карбюраторной установки. Клапан № 2.
Режим: « = 0,78; п =• 1300 об/мин; топливо — беизии.
169
фиг. 140. Изменение СО2, О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 3.
О 2-Ю~3 ‘ИО'3 6Ю~3 8-Ю'3 10-Ю'31сек
Фиг. 141. Изменение СО2, О2, СО по данным
стробоскоп' ческого газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 4.
Режим: а •= 0,78; п = 1300 об/мин, топливо — бензин.
170
Фиг. 142. Изменение СО2, О2, СО по данным стро-
боскопического газового анализа для одноцилиндровой
карбюраторной установки. Клапан № 5.
Режим; а = 0,78: п = 1300 об/мин; топливо — бензин.
Фиг. 143. Изменение СО2, О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 1.
Режим: а — 0,93; п = 1300 об/мин; топливо—бензин.
17Х
Фиг. 144. Изменение COS, О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 2.
Режим: а = 0,93; п » 1300 об/мнн; топливо—бензин.
Фиг. 145. Изменение СО2, О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№3.
Режим: а =0,93; п =1300 об/мин; топливо—бензин.
172
О 210'3 ijiO'3 BID'3 В К'3 Ю <0 3 reek.
Фиг. 146. Изменение СО2, 02, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 4.
Режим: а = 0,93, п => 1300 об/мин; топливо —бензин.
0 2103 Ч-10~3 М0~3 В10'3 ЮНГ3 Zcelt
Фиг. 147. Изменение СО2, О2, СО по данным стробоско-
пического газового анализа для одноцилиндровой карбю-
раторной установки. Клапан № 5.
Режим: а = 0,93: п = 1300 об/мин; топливо — бензин.
173
о гю'3 но’, ею3 ею3 ю ю 3 t сек.
Фиг. 148. Изменение С02> О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 1.
Режим: а — 1,22; п — 1300 об/мин; топливо — бензин.
о гю-з ею'3 ею3 е-ю3 ссек
Фиг. 149. Изменение СО2, О& СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 2.
Режим: а= 1,22; я= 1300 об/мин; топливо — бензин.
174
со%
20
10
О
1
С;- — 1 -1 в
t J Л tj м -Лй-й |\ I V ь Q— = а-Щ.
е Л о- тгс tf3 °™? к ч Л-а-4

-50 -50 -30 -20 -/О О 10 20 30 ' 50 у
О 210 3 610 3 е/03 ЮК3 г сек
Фиг. 150. Изменение СО2, Os, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одно-
цилиндровой карбюраторной установки. Клапан
№ 3.
Режим: а = 1,22; п = 1300 об/мин; топливо — бензин.
О 2W3 5-1Q'3 6 (О'3 8-Ю'3 Ю-10'3 тсек
Фиг. 151. Изменение СО2, О2, СО по данным
стробоскопического газового анализа для одноцилин-
дровой карбюраторной установки. Клапан № 4.
Режим: а=1,22;п = 1300 об/мин; топливо — бензин.
175
Фиг. 152. Изменение СО2, О2, СО по данным стробо-
скопического газового анализа для одноцилиндровой
карбюраторной установки. Клапан № 5.
Режим: а=1,22; п = 1300 об/мин; топливо — бензин.
Фиг. 153. Совмещение кривых изменений реагентов
в ходе сгорания для пяти газоотборочных клапанов.
Режим: и—0,78; п=1300 об/мин (7— 5— номера клапанов).
176
Фиг. 154. Совмещение кривых изменений реаген-
тов в ходе сгорания для пяти газоотборочных
клапанов.
Режим. а-=о,93; «=1300 об/мин.
О 2Ю3 ‘tip'3 6Ю'3 81р3 10103 Г сек.
Фиг. 155. Совмещение кривых изменений реаген-
тов в ходе сгорания для пяти газоотборочных
клапанов.
Режим: <х=1,22.
12
Процессы сгорания в двигателях 3896
177
Фиг. 156. Совмещение кривых изменений коэфи-
циента избытка воздуха а в ходе процесса сгора-
ния для пяти газоотборочных клапанов.
Режим: а=0,78; л=1300 об мин.
Фиг. 157. Совмещение кривых изменений коэфициента
избытка воздуха а в ходе процесса сгорания для пяти газо-
отборочных клапанов.
Режим а=0,93; п— 13С0 об/мин.
178
основного показателя подхода фронта пламени к данному клапану, может
быть принят начальный момент убыли кислорода в горючей смеси. Как
видно из приведенных фигур, этот момент достаточно четко выражен
для всех мест камеры, где расположены газоотборочные клапаны. На-
чало убыли кислорода у данного клапана указывает на момент подхода
начальной зоны фронта пламени к клапану.
Обращаясь к анализу данных, полученных с помощью стробоскопи-
ческого газового отбора, видно, что на линии сжатия содержание кисло-
рода О2, двуокиси углерода СО2 и окиси углерода СО зависит от
общего коэфициента избытка воздуха а.
Фиг. 158. Совмещение кривых изменений коэфициента
избытка воздуха а в ходе процесса сгорания для пяти
газоотборочиых клапанов.
Режим: а = 1,22.
С увеличением а содержание кислорода на линии сжатия несколько
увеличивается, а содержание СО2 и СО несколько уменьшается. В сред-
нем на линии сжатия в зависимости от а содержание О2 = 17,4—18%,
СО2=1—2,2°/0 и СО = 0,2—1,5%. Согласно этим данным коэфициент
остаточных газов f = 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 значительную неполноту сгорания. Образующиеся количе-
ства СО в ходе сгорания не уменьшаются к концу сгорания, а сохра-
няют свое максимальное значение на всем дальнейшем ходе процесса.
При а > 1 образование СО в ходе процесса становится малозамет-
НЬ1М и при а = 1,22 образование СО практически прекращается.
В отличие от развития процесса сгорания в дизеле, при сгорании
*°пливо-воздушной смеси в карбюраторном двигателе в любом месте
амеры наблюдаются непрерывное нарастание СО2 и СО и непрерывная
У°Ыль О2, без заметных колебаний в ходе развития процесса. Развитие
е процесса сгорания в каждом данном месте камеры дизеля, как было
179
видно выше, отличается значительной неравномерностью в ходе измене-
н реагентов.
Эти результаты указывают на значительно большую равномер.
ность состава и распределения топливо-воздушной смеси в камере кар,
бюраторного двигателя.
Те же результаты подтверждаются и изменениями коэфициента из-
бытка воздуха, представленными на фиг. 156—158.
Как видно из этих фигур, увеличение общего коэфициента избытка
воздуха а, определенного по расходу воздуха и топлива, от а = 0,78
до а = 1,22 приводит к соответствующему увеличению избытка воздуха
на линии сжатия от а = 5 до а = 7. Общее изменение а в ходе сгора-
ния для каждого места
камеры имеет также
одинаковый характер.
Как показывают графи-
ки, коэфициент избытка
воздуха постепенно умень-
Фиг. 160. Совмещение кривых изменений реа-
гентов в ходе сгорания для различных а.
Клапан № 1 (пунктир соответствует а = 0,78; сплошная
линия—а—1,22).
Фиг. 159. Зависимость про-
должительности сгорания
в зоне Дт в сек. от коэфи-
циента избытка воздуха а.
шается по мере продвижения фронта пламени около данного клапана.
Это указывает на то, что по мере передвижения фронта пламени в ка-
ждый момент сгорания в зоне фронта происходит относительно полное
завершение процесса и, следовательно, весь процесс подчиняется закону
сгорания в движущемся фронте пламени.
Начальный момент убыли кислорода указывает на момент подход3
первичной зоны фронта пламени к данному клапану. Таким образом,
перемещение этого момента начала убыли Оа в пространстве будет х3'
рактеризоваться различными моментами времени, при которых будет И3'
мечаться начало убыли О2 у каждого иа клапанов.
Прекращение дальнейшего расхода кислорода указывает на конец
процесса превращения у данного места камеры.
Обозначим начало сгорания в данном месте камеры линией ЛА’
а конец сгорания — линией ВВ1 (см. фиг. 138). Обозначим через
время от момента зажигания (подачи искры) до момента начала crop®
ния у данного клапана, а через Дт— время изменения реагентов у
ждого клапана.
180
Фиг. 161. Совмещение кривых изменений реагентов
в ходе сгорания для различных а.
Клапан № 3.---а — 0,78; — а ~ 1,22.
Фиг. 162. Совмещение кривых изменений реагентов в ходе
сгорания для различных а.
Клапан № 5.---а = 0,78, —а =1,22.
*
181
Продолжительность изменения реагентов при различных значениях коэфициентов избытка воздуха
S’
С
=Г
3
;няя продол- [тельность ащенияв зоне сех клапанов Дт в сек со со со 1 1 1 ООО Г- О О LQ О -ГГ СЧ CN 00
Сред жн превр! ДЛЯ В' Ъ- N сч <
сП винэтпвбяэйи ЧХЭОНЧ1ГЭХ -ижгоКойи О СЧ СЧ 1
а пан винашвба -adu Напоя СО 50 ОО -< со
BHHarnBda -adu oirehEH 1 -0 1
S S га К га винэшь iadu чхэо 'irax -иж vo du о сч 74 N
вн a J -adи Папон ОО :ч —< "Ч 'О
ч X BHHaniBda -adu oirBhBH сч 1 35 ю 1
00 BnHaniBdaadu ЧХЭОНЧ1ГЭХ -HJKL'OtfOdu о сч *ч сч
£ X га С га Biinamcda -adu Папон О о —' сч
Ч BHnaniBda -adu oi/Bhun О ОО сч —< о 1 1 1
OJ а s га К га BHuamcdaadn ЧХЭОНЧ1ГЭХ -HWL'OtfOdu о сч *ч сч
винатп^я -adu панон 1 О 05 1
X винэгпвдя -adu ovbhbh О ОО СО СЧ —* 1 1 1
'лапай № 1 BiiHauiBdaadu ЧХЭОНЧ1ГЭХ -иж votto du BunaUieda -adu Папой с о с* О -21 21 Я 47 Ч 3
unnampda -adu ovphun о- СЧ ю со 1 1
и ЛхХнии а вгее олохеьнэеоя вoxodogо оезиь с с О' с с с 00SI АПО Т
5 о а с с с с Ч СЧ 15 СЧ > —Г
8

Как видно из фиг. 138—152, мо-
мент прекращении расхода кислорода
соответствует моменту окончания на-
растания СО2 и СО. В табл. 28 при-
ведены значения продолжительности
изменения реагентов для каждого от-
борочного клапана. Как видно, про-
должительность изменения реагентов
как по углу поворота коленчатого
вала, так и по времени для данного
режима двигателя остается величиной
постоянной для любой части камеры
(для любого клапана).
Однако величина Дт зависит от ко-
эфициента избытка воздуха. С уве-
личением а продолжительность изме-
нения реагентов Дт увеличивается
(фиг. 159).
Так, при увеличении коэфициента
избытка воздуха от а = 0,78 до а =
= 4-1,22 величина Дт возрастает на
36%
Представленные выше совмещен-
ные фиг. 153 — 155 изменения реаген-
тов в процессе сгорания в различных
частях камеры, а также и определен-
ные по ним изменения коэфициентов
избытка воздуха в ходе горения для
различных режимов двигателя (фиг.
156 — 158) ясно указывают на передви-
жение фронта пламени по камере сго-
рания.
Чем дальше стоит газоотборочный
клапан от свечи, тем позднее начи-
нается около него процесс сгорания.
Так, например, если у клапана
№ 1 около свечи процесс сгорания при
а = 0,78 начинается за 43° до в. м. т.,
то у клапана № 5, в конце камеры,
процесс сгорания начинается за 7° до
в. м. т.
Скорость распространения фронта
пламени зависит от коэфициента из-
бытка воздуха.
На фиг. 160, 161 и 162 предста-
влено совмещенное изменение реаген-
тов в ходе сгорания для клапанов
№ 1, 3 и 5 для двух значений коэфи-
циента избытка воздуха: а = 0,78 и
я= 1,22.
182
Как видно из этих фигур, увеличение коэфициента избытка воздуха,
т е. обеднение смеси, приводит к более замедленному движению фронта
пламени по камере сгорания, следствием чего и является более позднее
начало развития процесса при увеличении а у каждого из клапанов.
Так, у клапана № 1, расположенного около свечи, при а = 0,78
начало развития процесса наступает через Дз>—12° угла поворота ко-
ленчатого вала после начата зажигания, что соответствует времени
t= 1,54-10 3 сек., а при а= 1,22 этот момент соответственно насту-
пает через Дер = 20° и т = 2,56-10-3 сек., т. е. в 1,65 раза позднее.
Для наиболее удаленного от свечи клапана № 5 при а = 0,78 на-
чало развития процесса наступает через время т = 6,15-10—3 сек., а
при а=1,22 — соответственно т = 8,2.10-3 сек., т. е. в 1,33 раза
позднее.
Полученные результаты указывают на то, что развитие процесса
сгорания в карбюраторном двигателе характеризуется распространением
фронта пламени по камере сгорания. При этом характер распростране-
ния фронта при данном числе оборотов зависит от состава смеси — коэ-
фициента избытка воздуха а.
Приведенные данные развития процесса сгорания с помощью стро-
боскопического газового анализа позволяют определить некоторые из
основных параметров, характеризующие развитие сгоран 1я в камере
двигателя.
Так, при помощи полученных данных можно определить одну из
основных характеристик процесса сгорания горючей смеси в двига-
теле — скорость распространения фронта пламени относительно сте-
нок камеры.
Средняя скорость распространения фронта пламени и от момента зажи-
гания до момента подхода начальной зоны фронта к данному клапану
приближенно может быть определена как отношение пути, пройденного
фронтом за этот промежуток, к времени этого прохождения, т. е.
и = -^- м/сек, (П8)
где /—расстояние от электродов свечи доданного клапана в м;
т — время, прошедшее от момента зажигания (подачи искры) до
момента начала сгорания у данного клапана, в сек.
Согласно полученным данным можно определить и местное значение
скорости движения фронта пламени «12 между двумя соседними кла-
панами по уравнению
«1-2 = AZ1~2 м/сек, (119)
2
гДе Д/j —расстояние между двумя соседними клапанами в м;
Дтк1_2 —время прохождения начальной зоны фронта пламени (линии
AAlt см. фиг. 138 — 152) между двумя соседними клапанами
в сек.
В табл. 29 приводятся значения средних скоростей распространения
Фронта пламени и относительно стенок камеры, подсчитанные по урав-
нению (118) для каждого клапана.
183
Таблица 29
Средние значения средних скоростей распространения фронта
пламени относительно стенок камеры сгорания
аш Число оборо- тов колен- чатого вала в минуту п Средняя скорость распространения фронта от момента зажигания до момента начала сгорания и км} сек
клапан № 1 клапан № 2 клапан № 3 клапан № £ клапан № 5
0,78 1300 16,2 18,0 20,1 22,7 26,4
0,93 1300 15,0 16,7 19,0 21,5 24,0
1,22 1300 9,75 П,7 14,4 16,3 18,9
В табл. 30 даются значения местных скоростей распространения
фронта пламени Mj_2; «2_3 и т- д- для отдельных участков ка-
меры, подсчитанные по уравнению (119). При этом, для каждого участка
между клапанами были взяты свои размеры Д/ и соответствующие раз-
меры ДтА, легко “ определяемые по данным совмещенных изменений
реагентов, представленных на фиг. 153--155.
Как видно из данных табл. 29 и 30, средние скорости распростране-
ния фронта пламени для клапана № 5, полученные по первому прибли-
женному уравнению, в достаточной степени соответствуют средним зна-
чениям скорости движения пламени, полученным по данным скоростей
движения пламени на отдельных участках камеры сгорания согласно
уравнению (119).
Таблица 30
Значения местных скоростей распространения фронта пламени
аш Число оборотов коленча- того вала в минуту п Средняя скорость распространения фронта пламени между двумя соседними клапанами и в м[сек Среднее значение для всей камеры и ср в mi сек
участок между све- чей и кла- паном 1 “1-2 “2-3 “3—4 “4-5
0,78 1300 16,2 22,7 24,8 34,1 54,7 30,4
0,93 1300 15,0 21,0 24,8 30,4 45,5 27,4
1,22 1300 9,75 16,0 22,7 24,8 45,5 23,8
Полученные местные значения скоростей распространения начальной
зоны фронта пламени по существу являются средними скоростями дви-
жения пламени между каждой парой соседних клапанов.
Поэтому, согласно данным табл. 30, можно построить график изме-
нения местных скоростей движения начала фронта по времени про-
цесса.
При построении этого графика полученные средние значения скоро-
стей их_2 относились к середине соответствующего промежутка вре-
184
мени Дтя1_2 (см. фиг. 153). To-есть для первого участка от свечи до
клапана № 1 среднее время, к которому должно быть отнесено со-
't,
ответствующее значение и ., составляет величину где "с,—время
с 1 л
от момента зажигания (подачи искры) до момента начала убыли
кислорода у клапана № 1.
Для участка от клапана № 1 до клапана № 2, соответствующее зна-
Дт
. _2
чение местной скорости «12 относится к моменту времени tj -1-----.
Аналогично для участка от кла-
пана № 2 до № 3 значение ско-
рости «2_3 относится к моменту
времени
, Дтк2-3
----2“,
где т2 — время, прошедшее
от момента зажигания
до появления начала убы-
ли кислорода у клапана
№ 2, в сек.;
—время движения этой
начальной зоны фронта от
клапана № 2 до № 3.
На фиг. 163 представлено по-
строенное таким способом изме-
нение местных скоростей сгора-
ния по времени процесса для
различных режимов двигателя.
Данные табл. 30 и фиг. 163
w/сей
60
Фиг. 163. Изменение местных скоро-
стей распространения пламени и отно-
сительно стенок камеры по времени
процесса для различных режимов двига-
теля при п — 1300 об/мин.
показывают, что распространение
пламени в первой половине процесса сгорания сопровождается ускорен-
ным движением пламени по пространству сгорания.
Эти результаты хорошо согласуются с исследованиями процесса
сгорания методом фотографирования пламени, которые будут приведены
в дальнейшем, а также с исследованиями и расчетами Бугрова и Кар-
пова [19, 51].
Ускоренное распространение фронта пламени в первой половине
процесса может быть объяснено тем, что по мере перемещения фронта
пламени происходят сжатие и подогрев несгоревшей части смеси, след-
ствием чего и является общее ускорение физико-химических процессов
во фронте пламени.
На фиг. 164 представлено изменение скоростей распространения
фронта пламени и в зависимости от коэфициента избытка воздуха а
Для каждого клапана, а на фиг. 165 дано изменение средних скоростей
распространения фронта от а, полученных по данным табл. 30.
Из этих фигур видно, что увеличение коэфициента избытка воздуха,
т. е. обеднение смеси, приводит к снижению скорости распростране-
ния пламени по пространству сгорания. Этот результат полностью со-
185
гласуется и с диаграммами, представленными на фиг. 160—162, на ко-
торых было показано совместное протекание кривых изменения О2,
СО2 и СО для различных а.
Как видно, в пределах а = 0,78—0,93 скорости движения пламени
практически не изменяются, дальнейшее же увеличение а, т. е. обедне-
ние смеси, приводит к снижению скоростей сгорания и распростране-
ния фронта пламени вследствие резкого уменьшения концентрации то-
плива в атмосфере цилиндра двигателя.
Так, при увеличении коэфициента избытка воздуха от а = 0,78—0,93
до а =1,22 средняя скорость распространения пламени (см. табл. 30)
снижается от значения «fp=30,4 м сек до иср = 23,8 м]сек.
Кроме расчета значений скоростей движения фронта пламени по
камере, данные стробоскопического газового анализа развития процесса
сгорания в двигателе с принудительным зажиганием позволяют оценить
Фиг. 164. Изменение скоростей рас-
пространения фронта пламени и
относительно стенок камеры в зави-
симости от коэфициента избытка воз-
духа а у каждого клапана (по дан-
ным табл. 29) при п = 1300 об/мин.
Фиг. 165. Изменение средних зна-
чений скоростей распространения
фронта пламени по камере сгорания
двигателя в зависимости от коэфи-
циента избытка воздуха (по данным
табл. 30) при п=1300 об/мин.
в первом приближении также ширину зоны превращения реагентов Д/,
где наблюдаются убыль О2 и нарастание СОа и СО.
Полученные изменения реагентов в ходе сгорания показывают, что
в каждом месте камеры уменьшение О2 и нарастание СО2 и СО проис-
ходят на протяжении некоторого промежутка времени, соответствую-
щего углу поворота коленчатого вала Дер = 20—27°, что дает по
времени Ат = 2,57 -10 3 — 3,46-10 3 сек. (см. табл. 28, фиг. 159).
Как показывают все результаты газового анализа (см. фиг. 138—152),
за промежуток времени А" изменения реагентов в данном месте камеры
полностью заканчиваются. Поэтому можно полагать, что промежуток
времени Ат соответствует времени прохождения зоны превращения около
данного места камеры. Это означает, что ширину этой зоны А/ в дан-
ном месте камеры можно определить в виде произведения времени
прохождения зоны Ат на скорость движения зоны. Однако вследствие
наличия определенной ширины зоны и ее возможной деформации в те-
чение процесса, под скоростью движения зоны в этом случае более
правильно понимать скорость движения ее средней точки, а не началь-
ного слоя, как это было сделано при составлении табл. 29 и 30 по
уравнениям (118) и (119). Эту скорость в дальнейшем будем обозна-
чать через ир.
186
С достаточной степенью приближения скорость распространения
фронта пламени в данном месте камеры, отнесенная к средней части
зоны, может быть определена по уравнению
Uf. ——м/сек, (120)
т + Т
где I — расстояние от электродов свечи до данного клапана в м\
т — время, прошедшее от момента зажигания (подачи искры) до
момента начала убыли у данного клапана, в сек.;
Д? — время развития процесса изменения реагентов в зоне (во фронте
пламени) у каждого клапана в сек.
Тогда ширина зоны определится по формуле
AZ=ufAt. (121)
Определив текущие значения и? и Дт, можно определить ширину
зоны Д/ около каждого клапана в данном месте камеры сгорания.
Величины Дт были определены и представлены в табл. 29
В табл. 31 приведены значения uf и Д/ для различных мест камеры
при различных значениях коэфициента избытка воздуха.
Таблица 31
Значения uF и Д/ для различных мест камеры при п = 1300 об/мин
аш Скорости распространения средней части зоны в данном месте г в м/сек Ширина зоны превращения Д/ в мм
кл. К» 1 КЛ. № 2 КЛ. № 3 КЛ. № 4 КЛ. № 5 кл. № 1 КЛ. № 2 кл. № 3 КЛ. № 4 КЛ. № 5
0,78 8,86 12,75 15,65 18,45 21,5 22,7 32,7 40,1 47,3 55,1
0,927 8,3 11,9 14,8 17,45 20,5 22,3 32,0 39,8 46,9 55,1
1,22 5,8 8,59 11,3 13,3 15,7 20,0 29,7 39,0 46,0 54,25
На фиг. 166 показано изменение ширины зоны Д7 по мере переме-
щения фронта пламени по камере сгорания для коэфициента избытка
воздуха а =0,93.
На этом графике по оси абсцисс отложены текущие линейные раз-
меры камеры сгорания в мм по линии расположения газоотборочных
клапанов с отметкой расположения каждого клапана. Как видно из
этой диаграммы, по мере продвижения фронта пламени по камере дви-
гателя происходит непрерывное увеличение ширины зоны, где наблю-
даются изменения реагентов. Так, если у клапана № 1 Д/=23 мм, то
У клапана № 5 Ы~55мм. Подобное изменение зоны превращения Д/по
Ходу процесса указывает на то, что даже при наличии эффекта флук-
туации пламени некоторая часть величины А/ все же определяет дого-
рание смеси за начальной поверхностью фронта пламени. Можно пред-
положить, что по мере движения фронта эта часть зоны, связанная с го-
рением, деформируется под действием газодинамичдских факторов за-
вихренной смеси.
187
На фиг. 167 представлен график изменения ширины зоны Д/
у каждого клапана в зависимости от коэфициента избытка воздуха а.
Как видно из этих данных, изменение а при данном числе оборотов
почти не влияет на величину Д/. Подобный результат может быть
объяснен тем, что изменение а при данном числе оборотов не влияет
сколько-нибудь заметно на характер турбулизации смеси, вследствие
чего и ширина зоны не претерпевает заметных изменений.

-•₽”*** о а = 0, 18
^5- « а = 0,93
л J

Номера к Папанов
о 2(1 40 60 80 100 120 100 160 1мн
Фиг. 166. Изменение ширины зоны Д/ по мере перемещения
фронта пламени по камере сгорания для а =0,93 при п =
— 1300 об/мин.
Полученные характеристики развития процесса сгорания по данным
стробоскопического газового анализа можно сопоставить с результатами
исследования сгорания по индикаторным диаграммам давления.
Сопоставляя начало сгорания по данным индикаторных диаграмм

"V \ /усу
4 №2

Л1
мм
50
00
30
20
10
0,7 0,8 0,9 1.0 1.1 1.2 а
Фиг. 167. Изменение ширины зоны Д/ для
различных клапанов в зависимости от козфи-
циента избытка воздуха а при п = 1300
об/мин.
(см. фиг. 132, 133 и 134)
с началом появления фронта
у первого клапана (см. фиг.
153, 154 и 155), видно, что
начало сгорания по индика-
торной диаграмме несколько
отстает от момента появле-
ния первичной зоны фронта
у клапана № 1.
При этом можно опре-
делить объем горючей сме-
си, полностью сгоревшей к
началу подъема линии сгора-
ния над линией сжатия, т. е.
к моменту начала процесса сгорания по индикаторной диаграмме двига-
теля. Для этого следует учесть толщину зоны превращения у клапана № 1.
Подсчеты показывают, что к моменту начала сгорания по индикатор-
ной диаграмме объем сгоревшей смеси составляет 6—10%, что можно
считать в первом приближении правильным результатом. Однако в от-
личие от дизеля появление фронта пламени у последних клапанов, уда-
ленных от источника зажигания, обнаруживается значительно позднее,
чем начало сгорания по индикаторной диаграмме. Это подтверждает
сделанные выводы о том, что сгорание в двигателе с принудительным
188
зажиганием представляет процесс, характеризуемый распространением
фронта пламени по горючей смеси.
Процесс сгорания в дизеле начинается одновременно в самых раз-
личных точках камеры сгорания, и период задержки воспламенения по
индикаторной диаграмме дизеля точно соответствует периоду задержки
воспламенения, определенному по каждому клапану (см. § 8). Следо-
вательно, сгорание в дизеле может быть охарактеризовано как сгора-
ние в объеме в отличие от фронтального развития сгорания в двигателе
с принудительным зажиганием.
При расчете местных скоростей распространения фронта пламени по
данным стробоскопического газового анализа (см. табл. 30, фиг. 163)
было обнаружено, что максимальная скорость движения начальной зоны
фронта получается в момент подхода ее к клапану № 5. Если теперь
учесть порядок ширины зоны превращения у клапана № 5 Д/~55 мм,
то оказывается, что полученные максимальные значения скорости движе-
ния начальной зоны фронта соответствуют моменту, когда полностью
сгорает 45—55°/0 всего объема горючей смеси.
Анализ же изменения скоростей сгорания по данным индикаторных
диаграмм также показывает, что максимум скорости тепловыделения
лежит в тех же пределах сгоревших количеств смеси, когда сгорает
45—55°/0 всего количества горючей смеси.
Снижение скоростей распространения фронта пламени при 1,22
также хорошо согласуется с соответствующим уменьшением абсолютной
скорости сгорания по данным индикаторных диаграмм, представленных
на фиг. 136 и 137.
Таким образом, проведенные сопоставления развития сгорания в кар-
бюраторном двигателе по данным индицирования и стробоскопического
газового анализа показывают хорошее соответствие в основных харак-
теристиках процесса сгорания, полученных при помощи обоих методов.
Вторым основным фактором, влияние которого исследовалось на
процессе сгорания, явилось число оборотов коленчатого вала. Для
определения влияния числа оборотов на характер развития процесса
сгорания была снята внешняя характеристика двигателя в диапазоне
изменения оборотов оти= 1100 об/мин доя» 1500 об/мин.
В табл. 32, 33 и 34 представлены основные параметры рабочего
процесса одноцилиндрового двигателя для различных оборотов по его
внешней характеристике. На основании полученного материала можно
дать краткий анализ изменения основных факторов рабочего процесса
по внешней характеристике.
Коэфициент наполнения v]v, среднее индикаторное давление и дру-
гие параметры имеют обычное по оборотам коленчатого вала изменение.
Коэфициент избытка воздуха а на всех оборотах менялся в весьма
незначительных пределах а = 0,86—0,92. Поэтому все полученные
изменения параметров можно отнести за счет влияния изменяющихся
оборотов коленчатого вала.
Температура выпускных газов Тг понижается с уменьшением обо-
ротов вследствие большего времени, отводимого на процесс сгорания,
и соответствующего уменьшения догорания.
Так же как и в дизеле, изменения продолжительности сгорания,
выраженные, с одной стороны, в градусах угла поворота коленчатого
189
Основные параметры рабочего процесса
Число оборотов ко- ленчатого вала п в минуту Эффективная мощ- ность в л. с. Средний эффектов ный расход топлива g в кг/э.л. с. ч. е 1 Среднее эффектив- ное давление ре в кгЦм* Эффективный к.п.д. в "/о Среднее индикатор- ное давление р. в кг см1 Индикаторная мощ- ность N. в л. с. Индикаторный К. П. д. в % Индикаторный рас- ход топлива gj кги.л.с.ч. Механический к. п. д. ’’•гп в% \
1100 7,58 0,374 5,0 16,1 7,16 10,8 22,9 0,263 70,0
1300 9,25 0,368 5,15 16,4 7,60 13,6 24,1 0,250 68,0
1500 9,4 0,367 4,54 16,43 7,04 14,5 25,3 0,238 64,8
вала и, с другой стороны, в секундах, имеют различный характер с изме-
нением оборотов по и т. Продолжительность сгорания, выраженная
в градусах угла поворота коленчатого вала, <pz с уменьшением обо-
ротов сокращается, а по времени в секундах тг , наоборот, увеличивается.
Таблица 33
Тепловой баланс одноцилиндрового двигателя
Число оборотов ко- ленчатого вала п в минуту Полное количество тепла, эквивалентное часовому расходу топлива, Q в кал}час Тепло, эквивалентное' работе. Qe в кал1час Тепло, ушедшее в охлаждающую воду, Qeod ^калЧ1>( Тепло, ушедшее отработавшими газа- ми. Q т в кал\час Тепло, потерянное вследствие неполно- ты сгорания на луче- испускание и пр.» Чаот калчас Относительный тепловой баланс
<?т=100 %
о" И Ы Е о |о __о СП ^1 Л' o' со I Б О О с> S3 Б К О fc с О- О
1100 1300 1500 29 800 35700 36 200 4790 5850 5950 5 810 6 320 6 470 7270 10320 14 630 11 930 13210 9150 16.1 16,4 16,45 19,5 17,7 17,9 24,4 28,9 40,4 40,0 37,0 25,5
Таблица 34
Основные параметры рабочего процесса одноцилиндрового двигателя
Число оборо- тов коленчатого вала п в мину- ту Максимальное давление vz в к г [см2 Угол о пере же- ния зажигания ₽° Продолжительность процесса сгорания Период задержки воспламенения
о fa в сек. о в сек.
1100 21,5 —55 60 9,1 -КГ3 35 5,3 -ИГ3
1300 26,5 —55 68 8,70-10“ 3 32 4,1 .10~3
15С0 23,5 —55 77 8,55-10-3 35 3,88-10*3
190
Таблица 32
одноцилиндрового двигателя
Число оборотов коленчатого вала п в минуту Часовой рас- ход воздуха в кг Коэфициент наполне- ния 7]^ Действительный рас- ход воздуха на 1 кг топлива L& в кг Коэфициент избытка воздуха Количество топлива на один цикл Во в кг Количес! во воздуха, засасываемого за одни цикл, в кг Температура отрабо- тавших газов Tf в ’К
по MCA Lfli по данным окружающей среды Lhd по мерной шайбе пш по прибору Орса аГ А
— — 1100 36,8 36,5 0,735 12,9 0,861 0,870 0,86-10“4 1,105-10 3 973
1300 46,7 47.2 0,79 13,9 0,93 0,997 0,872 -10“ 4 1,21 985
1500 47,5 47,7 0,695 13,85 0,924 0,928 0,766-10 4 1,06-Ю“3 1173
На фиг. 168, 169 и 170 представлены развернутые индикаторные
диаграммы в координатах рт, средние температуры газа в цилиндре 7,
определенные по индикаторной диаграмме, а также законы сгорания
,, ч dx
х=/{т) и скорости сгорания по тепловыделению —.
В табл. 35 приведены данные расчета закона сгорания по инди-
каторным диаграммам двигателя.
Величина коэфициента ip = у и в этих опытах очень мало изме-
няется по ходу процесса, и в среднем = 0,96—0,97.
На фиг. 171 дано изменение периода задержки воспламенения т(-,
определенного по данным индикаторных диаграмм в зависимости от числа
оборотов коленчатого вала п.
Из табл. 35 и фиг. 171 вид*о, что при увеличении числа оборотов
коленчатого вала при неизменном угле опережения зажигания величина
периода задержки воспламенения по времени сокращается.
Это указывает на то, что и начальные процессы сгорания зависят
от степени завихренности смеси, т. е. от числа оборотов коленчатого
вала. Полученная зависимость от п в двигателе с принудительным
зажиганием не подтвердила заключений Рикардо и Пая [52] о том, что
изменение турбулентности не оказывает ускоряющего влияния на началь-
ный процесс сгорания, если под периодом задержки воспламенения
понимать время от момента зажигания (подача искры) до момента,
соответствующего подъему давления над линией сжатия по индикатор-
ным диаграммам двигателя.
Как видно, увеличение числа оборотов коленчатого вала от п =
= 1100 об/мин до «=1500 об/мин приводит к сокращению периода
задержки воспламенения от т. = 5,3-1О—3 сек. до т£=3,88-10-3 сек.,
т. е. увеличение оборотов на 36°/0 вызывает соответствующее сокра-
щение т. тоже на 36° 0.
Следовательно, между числом оборотов коленчатого вала п и пе-
риодом задержки воспламенения х- в сек. существует обратная пропор-
циональность.
Действительно, если бы число оборотов коленчатого вала как вели-
191
Таблица 35
Данные расчета закона сгорания по индикаторным диаграммам двигателя
т сек. от момента зажигания т/Ч xi xw X 4=^
При п = 1100 об/мин
-55° 0 __ —
—20° 5,305-10 "3 1,0 0 0,00033 0 —
—10° 6,821 -10“3 1,284 0,0599 0,0021 0,062 0,965
0 7,337-10“3 1,38 0,21155 0,00345 0,215 0,985
10 8,853-10“3 1,67 0,5068 0,0082 0,515 0,985
20 10,369-10“3 1,954 0,6944 0,0156 0,710 0,977
30 11,885-10“3 2,24 0,8108 0,0242 0,835 0,97
40 13,401-Ю-3 2,53 0,8906 0,0324 0,923 0,965
50 14,917-18 3 2,815 0,9298 0,0402 0,970 0,957
60 16,433-10”3 3,1 0,9364 0.0476 0,984 0,953
При п = 1300 об/мин
—55 0 — — — —
—23 4,11 -IO"3 1.0 0 — 0 0
-20 5,392 -10“3 1,31 0,0177 0,0003 0,018 0,98
—10 6,674-10~3 1,62 0,139 0,001 0,14 0,994
0 7,956-10“3 1,93 0,536 0,004 0,54 0,995
10 9,238-10-3 2,245 0,724 0,011 0,735 0,985
20 10,520-10-3 2,56 0,78 0,020 0,8 0,975
30 11,802-КГ3 2,87 0,814 0,030 0,844 0,965
40 13,084-10“3 3,18 *0,841 0,038 0,879 0,958
50 14,366-IO”3 3,5 0,86 0,046 0,906 0,95
При п = 1500 об/мин
—55 0 0 — — — —
—20 3,89-10“3 1 0 0,00031 0 —
—10 5,00 -10“3 1,29 0,04028 0,00172 0,042 0,96
0 6,11-io-3 1,57 0,35817 0,00683 0,365 0,982
10 7,22-10"3 1,86 0,6088 0,0162 0,625 0,974
20 8,33-10“3 2,14 0,6888 0,0262 0,715 0,963
30 9,44-10“3 2,43 0,7395 0,0355 0,775 0,955
40 10,55-10“3 2,72 0,778 0,044 0,822 0,946
50 11,66-10“3 3,0 0,8085 0,0515 0,860 0,94
чина, определяющая степень завихренности смеси, не оказывала бы
влияния на величину периода задержки воспламенения т;, то при суще-
ствующих значениях в двигателях эта величина даже при незначитель-
ном увеличении оборотов (в 1,5—2 раза) уже являлась бы тем лими-
тирующим звеном, которое препятствовало бы увеличению числа обо-
192
-50 -1/0 -30 -20-Ю 0 10 20 30 00 50 у"
О 210'3 H10'3 6103 в КГ3 Ю КГ1! сек
Фиг. 168. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы для одноцилин-
дровой карбюраторной установки. Изменение да-
вления р, температуры Т, закона сгорания х и
dx
скорости сгорания — в зависимости от угла
поворота коленчатого вала <р° (времени т).
Режим: п = 1500 об/мин; а = 0,924; Ne —9,4 л. с.; =
__4
“7,04 kz/cm'j; J50 «=0,766.10 кг топл/цикл; бв=>1,06«10 кг
возд/цикл; топливо — бензин.
О 210 3 н ю 3 6Ю3 в/О '3 /010 312 Ю ’с сек
Фиг. 169. Динамика процесса сгорания по дан-
ным индикаторной диаграммы для одноцилин-
дровой карбюраторной установки.
Режим: «=1300 об/мин; а=0,93; Ne — 9,25 л. с.; р, =
—7,6 taltM'i В„ = 0,872.10 * кг топл/цикл; Ge = 1,21.10— ®
кг еозд/цикл;<{ = 32°; топливо]—бензин.
13
Процессы сгорания в двигателях 3896
103
ротов коленчатых валов двигателей. Однако многочисленные опыты
и рассматриваемые эксперименты подтверждают, что даже значительное
увеличение числа оборотов коленчатого вала не приводит к заметному
замедлению нарастания давления в цилиндре.
Более того, индикаторные диаграммы, приведенные на фиг. 168—
170, указывают, что увеличение числа оборотов не только не вызы-
вает уменьшения скорости нарастания давления и смещения pz в сторону
больших углов после в. м. т., а, наоборот, как видно из этих фигур,
возрастание оборотов приводит к более ускоренному нарастанию давле-
о гю} 4 ю'3 6 ю'3 ею3 ю ю Чг н 3 ftifi сек.
Фиг. 170. Динамика процесса сгорания по
данным индикаторной диаграммы для одно-
цилиндровой карбюраторной установки.
Режим: л — 1100 об/мин.; а=0,861: р. = 7,16 кг/см; Во=
—4 —ч
=0,86 . 10 кг/топлцикл; Ge = 1,105 - 10 ° кг/возс*
цикл-. <р. = 35; топливо — бензин.
ния в цилиндре двигателя
по углу поворота коленча-
того вала и приближению
Pz в в. м. т.
Все эти данные указы-
вают на то, что увеличе-
ние числа оборотов колен-
чатого вала приводит к уве-
личению турбулентности га-
за в цилиндре двигателя,
которая влияет как на на-
чальный период сгорания
(на тД так и на весь даль-
нейший ход процесса сго-
рания.
На фиг. 172 предста-
влены изменения абсолют-
ных скоростей сгорания
— ' в кг топл/сек,
рассчитанных по закону сго-
рания по данным индика-
торных диаграмм для раз-
личных чисел оборотов ко-
ленчатого вала. Как видно
из этой фигуры, увеличение числа оборотов коленчатого вала п при-
водит к более ускоренному развитию процесса тепловыделения, что
является подтверждением выводов о влиянии турбулентности на процесс
сгорания.
На фиг. 173—177 представлены результаты стробоскопического
газового анализа для всех клапанов при п= 1500 об/мин. Общий ход
изменения реагентов аналогичен выше полученным данным по исследо-
ванию развития процесса сгорания в зависимости от коэфициента избытка
воздуха а.
На фиг. 178, 179 и 180 представлено совмещение кривых изменений
реагентов в ходе сгорания для всех клапанов при каждом числе обо-
ротов. На фиг. 181 показано совмещенное изменение коэфициента
избытка воздуха у каждого клапана при п = 1500 об/мин.
Из фигур видно, что у каждого клапана обнаруживаются равномер-
ное изменение реагентов и уменьшение а по мере перемещения фронта
пламени относительно данного места камеры.
194
Как видно из полученных результатов, у клапанов, более удаленный
от свечи, процесс сгорания наступает в более поздние моменты времени.
Это еще раз указывает на
фронтальный характер распро-
странения пламени по камере
двигателя.
На фиг. 182 дано совме-
щенное изменение реагентов у
каждого из клапанов, получен-
ных при различных числах обо-
ротов коленчатого вала.
Эти данные наглядно по-
казывают, что увеличение чи-
сла оборотов коленчатого вала
приводит к более ускоренному
распространению пламени по
П
сек
ЗЮ '31 I I I I г
11001200130014001500 по1Лшн
Фиг. 171. Изменение периода задержки
воспламенения т. по данным индикатор-
ной диаграммы в зависимости от числа
оборотов коленчатого вала п.
камере сгорания. Так, если у клапана Кв 1 при п = 1100 об/мин началь-
ная зона фронта появляется спустя время т = 2,3-10~3 сек. после начала
зажигания (подача искры),
то при п = 1500 об/мин
она появляется через вре-
мя т = 1,2.10—3 сек.
У клапана № 4 при
п==1100 об/мин началь-
ная зона фронта пламени
появляется через время
т = 7,7-10“3 сек. после
момента зажигания (по-
дачи искры), а при
п = 1500 об/мин начало
появления фронта у это-
го клапана получается
спустя время т = 5-10~3
сек.
Таким образом,возра-
стание числа оборотов
коленчатого вала на36°/0
приводит к сокращению
времени движения фрон-
та пламени по камере у
различных клапанов в
1,4—1,9 раза.
Фиг. 172. Изменение абсолютных скоростей сго-
рания по данным индикаторной диаграм-
мы для различных чисел оборотов коленчатого
вала.
В табл. 36 приведены данные по продолжительности превращений
в зоне для каждого из отборочных клапанов.
Так же как и при характеристике по а, продолжительность превра-
щений реагентов в зоне у каждого клапана при данном режиме
Двигателя практически не меняется и остается величиной постоян-
ной.
В отличие от а, число оборотов коленчатого вала п не оказывает
значительного влияния на величину Дт; для всех исследованных обо-
105
-50 -40 -30 -20-10 О 10 20 30 4/7 50 у'
О г-Ю'1 ~ЧЮ~3 б!с~3 8 10’3 2010 1 г сек
Фиг. 173. Изменение СО, СО2, Оа по данным стробо-
скопического газового анализа для одноцилиндровой
карбюраторной установки. Клапан № 1.
Режим л=1500 об/мин.
Z7 НО'1 4101 610'1 8Ю'1 ЮЮ'1 С-сек.
Фиг. 174. Изменение СО, СО2, О2 по данным стро-
боскопического газового анализа для одноцилиндровой
карбюраторной установки. Клапан № 2.
Режим п “1500 об/мин.
о г-ю-з <tio3 6-ю'3 е-ю 3 юнг* тсек.
Фиг. 175. Изменение СО, СО2, О2 по данным стро-
боскопического газового анализа для одноцилиндро-
вой карбюраторной установки. Клапан № 3.
Режим л«=1Г00 об/мин.
Фиг. 176. Изменение СО, СО2, Ot по данным стро-
боскопического газового анализа для одноцилиндро-
вой карбюраторной установки. Клапан № 4.
Режим п — 1500 об/мин.
197
Фнг. 180. Совмещение кривых ^изменений реагентов
в процессе сгорания для всех клапанов.
Режим л=1500 об/мин.
a
10,0
в,О
6,0
<t,0
2,0
Фиг. 181. Коэфициевт избытка воздуха по данным стро-
боскопического газового анализа для пяти клапанов при
п = 1500 об/мин.
д р
Фиг. 182. Сопоставление изменений реагевтов у каждого клапана при раз-
личных числах оборотов коленчатого вала.
Клапаны: а~№ 1; б—№ З;в-К4 (пунктирная линия—л=1500 об/мин; сплошная — л—
=1100 об/мин).
200
ротов коленчатого вала вели-
чина Дт практически остается
постоянной (табл. 36).
В табл. 37 приведены зна-
чения средних скоростей рас-
пространения фронта пламени
относительно стенок камеры
для каждого клапана, опреде-
ленных по уравнению (118), а
на фиг. 183 показано измене-
ние этих скоростей в зависи-
мости от числа оборотов ко-
ленчатого вала. Из этих дан-
ных видно, что увеличение
оборотов коленчатого вала вы-
зывает возрастание средней
скорости движения фронта
около каждого клапана.
В табл. 38 приведены дан-
ные по местным значениям ско-
ростей движения начальной
зоны фронта пламени относи-
тельно стенок камеры. Мест-
ные скорости определялись по
формуле (119). На фиг. 184
представлены изменения этих
скоростей по ходу процесса
для различных чисел оборотов.
Диаграмма указывает на
ускоренное движение фронта
пламени по камере сгорания.
При возрастании оборотов от
и =1100 об'мин до п = 1500
об/мин темп роста скорости
Движения пламени по камере
значительно увеличивается и
кривая скоростей п = 1500
об/мин лежит намного выше
кривой при п = 1100 об/мин.
Эти результаты хорошо
согласуются с изменениями
скоростей движения пламени
У каждого из клапанов.
На фиг. 185 изображено
изменение средних скоростей,
полученных по данным табл. 38,
в зависимости от числа обо-
ротов. Средние скорости
повышаются с увеличением чи-
сла оборотов.
е 1 CL1 а- <у s а и Я «5 а а со i о со О СО 1 о
to е Ь ня я продол ость превр 1 зоне для клапанов Ат в се 2,73-1 2,69-1 2,89-1
ч а £-S « О Ф ЗС ОО СМ СО сч
ю 2 БИНЭТП -Edsodii чхэон -ч it охи жif о Vod и 1 СМ со сч

0,9 апан БИНЭТП -edsadu пэном 1 со о сч

ДЛЯ 0 БИНЭТП Eds -3du OlfEhEH 1 СО 1 СО 1
зоне 2 БИНЭТП -Eds3du чхэон -чгтэхижгои^н GO т—< см со сч
са
Й2 X X 0) ' лапан БИНЭТП -Eds3du Пэном 1—< см
а rt О. CQ Ф BHHaTnEde -3du OlfEhEH 1 о см 1
& Е X Ф о X апан № 3 БИНЭТП -Edn3dii чхэон -ЧЕЭХИЖЕОТ^П ОО сч со сч
БИНЭП1 -Eds3du поной со со
Ф
н X о кинэтпвёя -adu oifEhBH см 7 ОО 7 сч см 1
О СХ Е клапан № 2 винэт -sdsadu чхэон -ЧЕЭХИЖЕ ого d н ОО см со сч
Е О 3 X БИНЭТП -sdsadu паном 7 ОО со
X сз BMHaTnsds -adu OlfEhEH ю см 1 о сч 1 CM со 1
БИНЭТП -вёяэйи чхэон -4ifaxHJKifotfodu ОО см СО см
а га Е га БИНЭТП -Bdsadu Пэном сч см 1 см 1 ОО 1
Ч X EHHOTnEds -adu OlfEhEH о 7 см 7 7
ЛхЛнии я и BITES OJOX -EhHSIfON SOlod Оро OITOHh ООН р СО о о ю
201
Таблица 37
Значение средних скоростей распространения фронта пламени для
каждого клапана
Число оборо- тов коленчато го вала п в ми- нуту Средняя скорость распространения фронта от момента зажигания до момента начала сгорания в м/сек
клапан № 1 клапан № 2 клапан № 3 клапан № 4 клапан № 5
1100 11,0 12,22 13,86 16,2 —
1300 15,0 16,7 19,0 21,5 24,0
1500 20,4 21,7 24,7 26,2 29,4
Таблица 38
Местные значения скорости распространения фронта пламени при а = 0,9
Число оборотов коленчатого вала п в ми- нуту Средняя скорость распространения фронта пламени между двумя соседними клапанами в м‘сек иср в м!сек
свеча —первый клапан «0-1 “1-2 “2-3 “3-4 “4-5
1100 11,0 15,4 17,8 28,9 — 18,3
1300 15,0 21,0 24,8 30,3 45,5 27,4
1500 20,4 26,2 31,5 35,0 52,5 33,1
Так, при увеличении оборотов коленчатого вала от и = 1100 об/мин
до и = 1500 об/мин средняя скорость сгорания по данным табл. 38
увеличивается от значения иср = 18,3 м1сек до иср = 33,1 м/сек.
Общая тенденция увеличения скорости движения фронта пламени
с увеличением числа оборотов коленчатого вала хорошо согласуется
с ускорением процессов тепловыделения при увеличении оборотов
см. фиг. 172).
Полученные данные по стробоскопическому газовому анализу по-
зволяют определить влияние числа оборотов на ширину зоны Д/, в кото-
рой наблюдаются изменения реагентов. Так же как и в случае характе-
ристики по а, все результаты развития процесса с изменением числа
оборотов по данным стробоскопического газового анализа показывают,
что изменение реагентов в ходе движения пламени происходит на про-
тяжении значительного промежутка времени Дт = 2,73-10~~3 —
—2,89-10— 3 сек. (18—26° угла поворота коленчатого вала). За это
время полностью заканчивается процесс уменьшения О2 и нарастания
СО2 и СО. Поэтому с достаточным основанием можно полагать, что
величина Дт соответствует времени прохождения этой зоны около кла-
пана. Ширину зоны Д/ можно определить прежним методом.
В табл. 39 приведены значения скорости распространения средней
части зоны ир и ширины зоны Д/ для различных мест камеры при раз-
личных числах оборотов коленчатого вала.
202
Таблица 39
Значения скорости распространения средней части зоны и ширина зоны
для разных мест камеры при ак;0,9
Число оборо- тов коленчато- го вала п в минуту Скорости распространения средней части зоны в данном месте up в м!сек Ширина зоны превращения реатентов Д/ в мм
клапан № 1 клапан №2 клапан №3 клапан № 4 клапан № 5 клапан № 1 клапан № 2 клапан № 3 клапан № 4 клапан №5
1100 6,86 9,4 11,45 13,75 — 18,75 25,7 31,3 37,5 —
1300 8.3 11,9 14,8 17,45 20,5 22,3 32,0 39,8 46,9 55,1
1500 9,36 13,9 17,7 20,1 23,2 27,0 40,1 51,1 58,0 67,0
На фиг. 186 показано изменение ширины зоны Д/ по мере переме-
щения фронта пламени по камере сгорания для различных чисел оборо-
тов. На фигуре по оси абсцисс отло-
жены текущие размеры камеры сгора-
ния в миллиметрах по линии распо-
ложения газоотборочных клапанов и
отмечены расположения каждого кла-
пана.
На фиг. 187 показано изменение
ширины зоны у каждого клапана в
зависимости от числа оборотов колен-
чатого вала п.
Анализ полученных результатов
показывает, что ширина зоны является
функцией скорости движения пламени
по камере двигателя.
Так, в среднем для различных
Фиг. 183. Изменение скоростей
распространения фронта пламени
в зависимости от числа оборотов
коленчатого вала у каждого кла-
пана.
чисел оборотов коленчатого вала местная скорость движения фронта
от начального участка камеры (свеча—клапан № 1) до конечного (кла-
Фиг. 184. Изменение местных скоро-
стей и относительно стенок камеры по
ходу процесса для различных чисел
оборотов.
Фиг. 185. Изменение средних скоро-
стей пламени в зависимости от
числа оборотов коленчатого вала
(по данным табл. 38).
в 3—5 раз (табл. 38) и ши-
2—3 раза (табл. 39).
203
пан №4—клапан №5) увеличивается в среднем
Рина зоны горения между этими участками возрастает в
Зависимость ширины зоны от скорости движения фронта может быть
объяснена тем, что скорость распространения фронта пламени зависит
от турбулентности смеси, которая, одновременно влияя на величину
скорости движения фронта, изменяет и ширину зоны. В отличие от а,
Фиг. 186. Изменение ширины зоны Д/ по мере перемеще-
ния фронта пламени по камере сгорания для различных
чисел оборотов п.
изменение числа оборотов коленчатого вала вызывает более широкое
изменение скорости движения пламени по камере сгорания, а это в свою
очередь вызывает и более значительное изменение ширины зоны с изме-
нением оборотов коленчатого вала. Так, при изменении числа оборотов
коленчатого вала от п =1100 об/мин
до и = 1500 об/мин скорость
движения пламени у каждого кла-
пана изменяется примерно в 2 раза
(см. табл. 38) и соответственно ши-
рина зоны в 1,4—1,5 раза (табл. 39).
Изменение коэфициента избытка
воздуха вызывало значительно мень-
шее изменение скоростей распро-
странения пламени (на 25—ЗО°/о),
что приводило к малозаметному
влиянию а на А/.
В отношении результатов, по-
фиг. 187. Изменение ширины зоны Д/
у каждого клапана в зависимости
от числа оборотов п коленчатого
вала.
лученных по данным стробоскопи-
ческого газового анализа, необхо-
димо сделать следующие замечания
При отборе проб газа через кла-
паны может возникнуть ряд погреш
ностей, вследствие неточностей газоанализаторов, догорания в кла-
пане, влияния холодных стенок камеры, пограничного слоя на состав
пробы и Yip.
Для того чтобы выяснить влияние всех этих погрешностей, приш-
лось провести специальное исследование. Как уже указывалось, перед
экспериментами все газоанализаторы ТИ и Орса-Фишера были смонти-
204
рованы так, чтобы максимально уменьшить объемы мертвого простран-
ства. В частности, в приборах Орса-Фишера, которыми и производились
основные анализы, объем мертвого пространства был уменьшен до 1,2слг3.
Абсолютная ошибка в определении состава газов этими приборами ле-
жит в пределах 0,2 °/0 от полного объема взятого анализа газов. При
такой погрешности газового анализа величина относительной ошибки
в определении суммы СО2 -|- О, -ф- Ng согласно теории погрешностей
не превосход ит 0,4%, а величина относительной ошибки в определении
суммы СО2-|-О2 не превосходит 2,5—3°/0, что вполне обеспечивает
требуемую техническую точность исследования процесса сгорания.
Вопрос о догорании в клапане был исследован путем контроля
за тепловым состоянием втулок газоотборочных клапанов, который
осуществлялся специальными термопарами, впаянными во втулки клапа-
нов. Поскольку втулки клапанов имели независимое охлаждение про-
точной водой, температура их при работе не превышала 120—130° С
в нижней части у седла клапана. Кроме того, были также проведены
проверочные опыты с определением температуры отбираемых газов при
помощи специальной термопары, непосредственно за отборочным клапа-
ном. Температура отбираемых газов оказалась не выше 250° С. Эти
результаты подтверждают отсутствие заметного догорания или, наоборот,
чрезмерного переохлаждения газов за клапаном.
Для выяснения влияния холодных стенок камеры и пограничного
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 раз-
личия в ходе изменения реагентов не было обнаружено. Эти опыты
показывают, что анализы отбираемых проб газов представляли собой
характеристику средних составов газа в камере, а не в пограничном
слое.
Кроме того, из результатов стробоскопического газового анализа
видно, что полученные составы газов в достаточной степени отражают
суммарное состояние реагентов во всей камере сгорания. Основанием
к этому могут послужить данные: 1) количество газов, отбираемых за
каждый цикл, составляет около 250—300 мм3, что составляет уже зна-
чительно большую величину, чем объем пограничного слоя около отбо-
рочного клапана; 2) при моменте открытия газоотборочного клапана
и отборе газа из камеры получается большой перепад давлений в
десятки атмосфер, безусловно приводящий к разрушению пограничного
слоя; 3) в случаях большого догорания за отборочным клапаном, отбора
газа из пограничного слоя или значительного искажающего влияния
относительно холодных стенок камеры: а) не получилось бы заметного
изменения СО2 и О2 по процессу сгорания, б) не было бы заметного
смещения изменений СО2, СО и О8 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 изменением скоростей
Движения фронта пламени по данным стробоскопического газового ана-
лиза и характеристикой развития процесса сгорания по данным индика-
торных диаграмм.
205
Таким образом, проведенный анализ дает уверенность в достаточной
точности результатов газового анализа.
Следующее замечание касается определения ширины зоны А/, в ко-
торой наблюдается изменение реагентов.
Исследование процесса сгорания методом стробоскопического газо-
вого анализа содержит в себе одну принципиальную погрешность при
применении этого метода к исследованию процесса сгорания в карбю-
раторном 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 осреднен-
ными данными большого числа циклов (1500 циклов).
Осреднение же данных процесса сгорания в карбюраторном двига-
теле отличается значительно меньшей точностью, чем подобное осред-
нение данных при исследовании дизеля. Основанием к этому является
зависимость процесса сгорания в карбюраторном двигателе от целого
ряда факторов, как-то: мощности искры, коэфициента избытка воздуха,
коэфициента наполнения, коэфициента остаточных газов и пр. Все эти
факторы при сравнительно небольших изменениях в отдельных циклах
вызывают заметное изменение характера распространения пламени, т. е.
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 невелик и лежит в пределах
4-8°/0-
Таким образом, отдельные циклы в карбюраторном двигателе вообще
могут отличаться значительной неравномерностью в ходе развития про-
цесса сгорания, и один и тот же момент открытия газоотборочного
клапана может соответствовать весьма различным состояниям газа
в цилиндре двигателя. Так, в среднем для карбюраторного двигателя
в области максимальных давлений цикла неравномерность по макси-
мальному давлению в отдельных циклах может достигнуть 20—30°/о.
Явление же флуктуации пламени при этом может быть еще большим
и дойти до 40—5О°/о той ширины зоны превращения, которая была
найдена по данным стробоскопического газового анализа. Этот факт
может привести к тому, что 40—5О°/0 полученной ширины зоны пре-
вращения А/ является лишь простым эффектом действия разброса
пламени.
Однако даже подобная поправка все же говорит о том, что зна-
чительная часть полученных размеров зоны превращения (50—6О°/о А/)
может относиться к явлению догорания за начальной поверхностью
фронта пламени. Кроме того, полученные значительные изменения
ширины зоны А/ по ходу процесса, при данном режиме работы двига-
теля, а также обнаруженное сильное влияние на размер этой зоны
числа оборотов коленчатого вала указывают на то, что некоторая часть
полученных размеров зон превращения является функцией турбулентно-
206
сти, т. е. может быть связана с собственно процессом сгорания
за начальной поверхностью фронта пламени.
В целях непосредственной проверки результатов стробоскопического
газового анализа, дополнительно были проведены опыты с определением
скорости распространения фронта
пламени с помощью ионизацион-
ного метода. Для. проведения ис-
следования этим методом все га-
зоотборочные клапаны в опыт-
ной головке двигателя были за-
менены специальными иониза-
ционными приемниками, которые
в момент прохождения около них
пламени подавали соответствую-
щие сигналы на шлейфовый
осциллограф. Таким образом,
ионизационный метод позволяет
определить скорость пламени и
положение фронта в единичном
Фиг. 188. Сопоставление результатов
определения ширины зоны превраще-
ния по данным стробоскопического га-
зового анализа и ионизационного ме-
тода. Д/и — область расположения фрон-
цикле.
Для выяснения величины раз-
броса фронта пламени у каждого
та по ионизационному методу у дан-
ного клапана.
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
Температура
Фиг. 189. Кривые фракционной разгонки опытных
топлив:
1—бензин; 2—керосин.
область разброса пламени располагается в середине полученных зон
превращений реагентов и составляет около 5О°/о их размеров (фиг. 188).
На основании этих данных можно полагать, что полученные значе-
ния размеров зон превращений примерно на 5О°/о определяются дей-
ствием эффекта разброса пламени и на 50°,0 развитием процесса
207
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°/0 значениям ско-
ростей, полученным с помощью ионизационного метода.
Результаты исследований процесса сгорания в двигателе СХТЗ
Исследования процесса сгорания в двигателе СХТЗ были проведены
с помощью обработки индикаторных диаграмм и данных стробоскопи-
ческого газового анализа.
Процесс сгорания в двигателе исследовался в зависимости от изме-
нения коэфициента избытка воздуха а для двух сортов топлива: бензина
и керосина при постоянном числе оборотов и = 1100 об/мин. В табл.
40 представлены некоторые физико-химические данные испытуемых то-
плив, а на фиг. 189 приведены кривые разгонки топлив. В табл. 41
представлены основные параметры рабочего процесса двигателя в
зависимости от коэфициента избытка воздуха а для бензина, а в
табл. 42—для керосина.
Таблица 40
Физико-химические свойства испытуемых топлив
Топливо Удельный вес .20 d4 Удельный вес .15 d15 Вязкость при 100° F (37,8' 0 в стоксах Температура выкипания 5О°/0 в °C Низшая теп- лотворная спо- собность Н в кал/кг и Содержание водорода по весу Н в % Содержание углерода по весу С в %
Бензин .... 0,7485 0,7534 0,005559 96 10 500 0,15 0,85
Керосин . . . 0,8251 0,8295 0,015395 216 10200 0,135 0,865
Основные параметры рабочего
Коэфициент избытка воздуха Число оборотов ко- ленчатого вала п в минуту Эффективная мощ- ность Ne в л. с. Средний эффективный расход топлива ge В К2/Э.Л.С.Ч. • с вреднее эффективное давление рр в кг/см9 Эффективный к. п. д. в J,'o Среднее индикаторное давление р- в кг/см9 Индикаторная мощ- ность N. в л. с. Индикаторный к. п. д. Т)/ В % Индикаторный расход топлива g. вкг/и.л.с.ч Механический к. п. д. ’Im в —
0,81 1100 35,5 0,322 4.60 18,7 5,80 43,8 23,3 0,260 81,0
1,035 1100 31,0 0,301 4,01 20,0 5,66 43,6 28,2 0,214 71,0
1.14 1100 25,5 0,329 3,3 18,3 5,5 42,4 30,5 0,197 60,1
При проведении исследования коэфициент избытка воздуха менялся
в пределах от а = 0,8 до а=1,15.
208
При работе двигателя СХТЗ на керосине, как и обычно, для повы-
шения противодетонационной стойкости топлива производилось допол-
нительное впрыскивание воды в поступающую топливо-воздушную
смесь. Расход воды держался в пределах 35—60°/о от часового расхода
топлива и зависел от величины коэфициента избытка воздуха, на кото-
ром работал двигатель.
В табл. 43 и 44 даны основные параметры процесса сгорания для
обоих испытуемых топлив.
Фиг. 190. Индикаторная диаграмма
двигателя СХТЗ в координатах pV.
Режим: а=1Д4; Я=1100 об/мин; р. = 5,5 кг/см2',
N. = 42.4 л. с.; топливо —бензин.
I
Фиг. 191. Индикаторная диаграмма дви-
гателя СХТЗ в рИ-крординатах.
Режим: в=1,16; п = 1100 об/мин; р. =4,71 кг/см3;
= 42,4 л. г.; теплив о — керосин.
На фиг. 190 и 191 показаны индикаторные диаграммы двигателя
для режима а~1,15 в pV-координатах.
На основании представленных материалов можно дать некоторый
анализ изменения основных параметров рабочего процесса двигателя
в зависимости от коэфициента избытка воздуха и сорта топлива.
По данным табл. 41 и 42 видно, что влияние коэфициента избытка
Таблица 41
процесса двигателя (топливо — бензин)
/ Коэфициент избытка воздуха _> Часовой расход в кг Коэфициент наполне- ния 1 Действительный рас- ход воздуха на 1 кг топлива L& в кг Коэфициент из- бытка воздуха Количество воздуха на 1 цикл Во в кг Количество воздуха, засасываемого за 1 цикл, в кг Температура отрабо- тавших газов Тг в СК
по MCA uo данным ок- ружающей среды Lhd по мерной шайбе л по прибору Орса “Гд-
0,81 146 138,5 0,58 12,15 0,81 0,932 0,865-10 ~4 -3 1,048-10 1024 0,288
1,035 1 150 145 0,59 15,55 1.С35 1,098 0,706-10-4 1,098-10“3 104Э 0,273
1.14 150 143 0,589 17,1 1,14 1,265 0,633-io~4 л-3 1,08 -10 1020 0,267
воздуха на изменение основных показателей рабочего процесса двига-
теля СХТЗ является обычным для карбюраторного двигателя. Инди-
Процессы сгорания в двигателях 3896 -09
Основные параметры рабочего
Коэфнцнент избытка воздуха Число оборотов ко- ленчатого вала п в минуту Эффективная мощ- ность Ne в л. с. Средний эффективный расход топлива g в кг/э.л.е.ч. Среднее эффективное давление р в кг/см"1 ! Эффективный к. п. д. Че в % Среднее индикаторное давление р^ в кг'ем"2 Индикаторная мощ- ность в л. с. Индикаторный к. п. д. 1/ в % Индикаторный расход' топлива gn ккг/и.л.е.ч. 1 Механический к. п. д,| 1 в % /
0,77 нос 29,7 0,42 3,85 14,8 5,46 42 20,82 0,2965 70,8
0,974 1100 30,1 0,33 3,91 18,6 5,34 41,2 25,45 0,2435 73,1 ।
1,16 1100 23,15 0,355 3,005 17,43 4,71 36,2 .27,4 0,226 64,0
Таблица 42
процесса двигателя (топливо — керосин)
Коэфициент избытка) воздуха аш Часовой расход топлива Коэфициент наполне- ния Действительный рас* ход воздуха на 1 кг топлива L& в кг Коэфициент из- бытка воздуха Количество воздуха на 1 цикл Во в кг Количество воздуха, засасываемого за 1 цикл, О в кг Температура отрабо- тавших газов Тг в РК В
по MCA Z;,q по данным ок- ружающей среды Lhd по мерной шайбе а по прибору Орса а-Г л
► 0,77 144 140,9 0,5525 11,3 0,77 0,92 0,945-10-4 1,067*10-3 1030 0,271
0,974 145 144,5 0,5725 14,3 0,974 1,083 0,76 -10-4 1,097-10—3 1040,5 0,262
1,16 144,5 140 0,567 17,05 1,16 1,15 0,622 • 10—4 1,06 -10 3 1026,5 0,236
Таблица 43
Основные параметры процесса сгорания (топливо — бензин)
Коэфи- циент из- бытка воз- духа аш Число оборотов коленча- того вала п в минуту Макси- мальное давление Р* в K2jCMs Угол опе- режения зажигания Продолжительность процесса сгорания Период задержки воспламенения
xz в сек. 1. 1 в сек.
0,81 1100 19 4 -36 55 8,34 • 10 3 11 1,67 • 10“3
1,035 1100 17,8 —30 48 7,27 • 10~3 12 1,82 10~3
1,14 1100 17,4 —33,5 58 8,79 • 10 ~3 13,5 2,04 • 10~3
Согласно обычным методам
показателей политропы сжатия
были определены средние значения
и политропы расширения пг. Для
Таблица 44
Основные параметры процесса сгорания (топливо — керосин)
Коэфи- циент избытка воздуха ш Число оборотов коленча- того вала п в минуту Макси- мальное давление PZ В KZICJH? Угол опе- режения зажигания Продолжительность процесса с: орания Период задержки воспламенения
о ?z В xz о фг ч в сек.
0,77 1100 17,0 - 29 55 8,34 • 10“3 14 2,12 - 10-3
0,974 11С0 16,6 —35 50 7,58 • 10“3 24 3,6 • 10-3
1,16 1100 12 —35 69 10,46 • 10'3 26 3,94 • 10-3
Фиг. 192. Динамика процесса сгора-
ния по данным индикаторной диа-
граммы для двигателя СХТЗ: изме-
нение давления р, закона сгорания х
„ fdXj\
и скорости сгорания I ~~ 1 в зави-
симости от угла поворота коленча-
того вала <р.
Режим: а = 0,81; п = 1100 об/мин; ТУ =
е
35,5 л. с.; р. = 5,7 — 11е: топливо-
бензин; Во = 0,865 -10 кг топл1цикл-г G =
в
. з
= 1,048 • 10 кг топл/цикл.
ветствуют их средним
На фиг. 192—197
0 то'14-Ю3 ЛИГ3 8103 IB W'3iah
каторный к. п. д. vji имеет максимальное значение для режима с а =
= 1,05—1,1. Изменение среднего индикаторного давления pt следует
за изменением отношение , которое получается максимальным для
режима с а = 0,8—0,9. Максимальное давление вспышки pz убываем
с увеличением а, так как соответственно уменьшается и скорость сго-
рания.
210
Фиг, 193. Динамика процесса сгорания
по данным индикаторной диаграммы
для двигателя СХТЗ.
Режим; а=1 035; N = 31 л. г; п=1100 об/мин;
е
г. = 5,66 лг/сл8; у. = 12°; топливо — бензин:
_____________4 _
/?0= 0,706* 13 кг топл/цикл Cg =1,096 • 10
кг во зд/цикл.
линии сжатия и1=1,35, а для ли-
нии расширения п2 = 1,3. Полу-
ченные значения показателей поли-
троп сжатия и расширения соот-
значениям для карбюраторных двигателей,
представлены индикаторные диаграммы в ксорди-
14
211
натах рт. Для каждого режима приводятся изменения давления, закона
dx
сгорания по и скорости сгорания -.
Вследствие того, что двигатель имеет специальный подогрев свежей
смеси на входе в цилиндр от выпускных газов, температура свежей
смеси, поступающей в цилиндр двигателя, получается примерно 180° С,
вследствие чего несколько понижается значение коэфициента наполне-
ния 1^=0,6.
Период задержки воспламенения увеличивается с увеличением а,
что соответствует выше приведенным результатам, полученным на одно-
цилиндровых установках (фиг. 198 и 199).
0 2103 ifiO'36/038i(T3tcek
Фиг. 194. Динамика процесса сгора-
ния во данным индикаторной диа-
граммы для двигателя СХТЗ.
Режим: а=1,14; N =26,5 л. с. Лл=11001об/мин;
е
р. = 5,7 кг/см*; топливо — бензин;
—4
« 13.5°; Во= 0,633 • 10 кг топ а >цикл;
1 __-3
О = 1,08 • 10 кг возд цикл.
Фиг. 195. Динамика процесса его
рания по данным индикаторной диа-
граммы для двигателя СХТЗ.
Режим: а=0,77; N =29,7 л. с; л=1100 об/мин;
е
Р1 = 5,46 кг/см2; топливо —керосин;
—4
<Pi = 14е; Во ~ 0,945•10 кг топл цикл;
____________________3
G = 1,067 • 10 кг возд.'цикл.
в
Сопоставляя полученные результаты по изменению тг — периода
задержки воспламенения с изменением коэфициента избытка воздуха а
в двигателях с принудительным зажиганием — с данными по зависи-
мости периода задержки воспламенения от а в дизелях, можно сделать
заключение.
Изменение коэфициента избытка воздуха в дизелях практически не
сказывается на изменении периода задержки воспламенения при дан-
ном сорте топлива и постоянном угле опережения впрыскивания. Решаю-
щее влияние на этот период для данного дизеля при одинаковых ре'
жимах оказывают сорт топлива и его цетановое число. В двигателях
с принудительным зажиганием обнаруживается засисимость от а-
С увеличением коэфициента избытка воздуха а, т. е. с обеднением
смеси, наблюдается закономерное увеличение периода задержки воспла-
менения Тр Так например, по данным Рассвелера [29] увеличение коэ-
фициента избытка воздуха от а =0,865 до а =1,27 приводит к увели'
212
О 21Т3 010'36Ч0'3 BiO'3 «НО'3 Г сек.
Фиг. 196. Динамика процесса сгорания по
данным индикаторной диаграммы для дви-
гателя СХТЗ.
Режим: а=0,974; =30,1 л. г.; п=1100 об/л«н; р^ =
=5,46 micM\ топливо — керосин; <рх = 25°; Во=»
= 0,76 • 10 4 кг топлЩикл'. G = 1,067 «10 $ кг
возд/цикл. 6
о
fycH
to
о,в
0,6
0,4
0.2
1 ?10'3 ООО3 6-Ю'3 8l031010'3t7‘0'3ji‘10'3T г„к
Фиг. 197. Динамика процесса сгорания по данным
индикаторной диаграммы для двигателя СХТЗ.
Режим: а=1,16; =23,2 л. с.\ п=1100 об/мин; р. =4,71 кг/см9;
_4
топливо—керосин; ф2 = 26°; Во=0,622 ’ 10 кг топл!цикл;
__3
Ge = 0,06 • 10 кг возд!цикл.
213
чению пеРи0Да задержки воспламенения от тг = 1,3-10 3 сек. до т,=
= 2,6.1СГ3 сек.
Для одноцилиндровой карбюраторной установки МАИ изменение
коэфициента избытка воздуха от а = 0,78 до а =1,25 приводит к со-
ответствующему возрастанию периода задержки воспламенения от т(. =
= 3,75 - 10 3 сек, до тг = 5,75 - 10 3 сек. Наконец, в двигателе СХТЗ
при работе на керосине изменение от а = 0,77 до а =1,16 приво-
дит к возрастанию от tz = 2,12 • 10 3 сек. до тг = 3,34 • 10 3 сек.
Следовательно, возрастание а в карбюраторных двигателях в 1,45—
1,7 раза соответственно приводит к увеличению периода задержки вос-
пламенения тг в 1,4—2 раза.
Эти результаты показывают, что в отличие от дизелей в двигателях
с принудительным зажиганием начальные стадии развития процесса сго-
Фиг. 198. Изменение пе-
риода задержки воспла-
менения ti с изменением
коэфициента избытка
воздуха а.
Режим: л=1100 об/мин; то-
пливо — бензин.
Фиг. 199. Изменение пе-
риода задержки воспла
менения с изменением
коэфициента избытка
воздуха а.
Режим: п — 1100 об/мин; то-
пливо-керосин.
рания определяются главным образом коэфициентом избытка воздуха,
т. е. составом смеси. Таким образом, если в дизеле основными решаю-
щими факторами, определяющими характер развития начальных стадий
процесса сгорания, являются температуры сжатого воздуха и химиче-
ская стабильность молекул топлива, то в случае сгорания готовой
топливо-воздушной смеси в двигателях с принудительным зажиганием
на первом месте стоит характеристика топливо-воздушной смеси по ее
составу. Уменьшение концентрации топлива в топливо-воздушной смеси
приводит к изменению условий развития начальных этапов распростра-
нения пламени, к понижению скорости распространения пламени и воз-
растанию периода индукции т2.
На фиг. 200 и 201 приведены изменения максимальной абсолютной
(dxBfX „ / dxBi, \
скорости сгорания , средней скорости сгорания I —— I , по-
лученные по данным анализа индикаторных диаграмм для двух сортов
топлив: бензина и керосина. Как видно, во всех случаях максимальная
скорость тепловыделения соответствует режиму а — 0,8— 0,9. Эти ре-
зультаты соответствуют данным, полученным и в опытах Рассвелера и
в исследовании одноцилиндрового карбюраторного двигателя МАИ.
Вместе с тем полученные материалы позволяют сделать и некоторые
214
выводы о влиянии сорта топлива на показатели рабочего процесса
двигателя СХТЗ. При работе двигателя на керосине с добавлением
воды, для предотвращения детонационного сгорания, происходит пониже-
ние средних рабочих температур цикла. При этом, как видно из
Фиг. 200. Изменение максималь-
ной абсолютной скорости сгорания
fdxB0 \ ,
( — I и средней абсолютной
\ _ /max
(с!хВр\
скорости сгорания —-з— 1 по
\ az / ср
данным анализа индикаторных
диаграмм.
Режим: л=1100 об/мин; топливо—бензин.
Фиг. 201. Изменение максимальной абсо-
[dx Вв \
лютной скорости сгорания I —v— I
X az /шах
и средней абсолютной скорости сгора-
/<1хВй\
ния -) по данным анализа инди-
\ /ер
каторных диаграмм.
Режим: гг — 1100 об/мин; топливо — керосин.
фиг. 190 и 191, индикаторная диаграмма двигателя, при работе на
керосине, получается с значительно пониженными давлениями цикла,
следствием чего является весьма заметное умень-
шение среднего индикаторного давления рг Так,
сравнивая работу двигателя на керосине и бензине,
можно согласно данным табл. 41 и 42 видеть, что
при работе двигателя на керосине среднее индика-
торное давление уменьшается на 6—16°/о по сравне-
нию с работой двигателя на бензине, при этом инди-
каторный к. п. д. уменьшается на 10—16°/о- При
больших значениях коэфициента избытка воздуха это
различие становится более заметным. Из табл. 43 и
44 видно, что при работе двигателя на керосине
максимальное давление цикла pz уменьшается на
15—4О°/0 по сравнению с работой на бензине, а пе-
риод индукции возрастает на 30—9О°/о. Таким обра-
зом, приведенные данные весьма убедительно пока-
зывают ухудшение рабочего процесса двигателя
СХТЗ при работе на керосине с добавлением воды.
На фиг. 202 приведена схема расположения газо-
отборочных клапанов в камере двигателя СХТЗ. Клапан № 1 располо-
жен на расстоянии /1 = 48 мм от свечи, а № 2 — на расстоянии
А = 118 мм.
На фиг. 203—208 представлены результаты анализа развития про-
Чесса сгорания по данным стробоскопического газового анализа, полу-
ченного с помощью двух вышеуказанных газоотборочных клапанов.
215
Фиг. 202. Схема
расположения га-
зоотборочиых кла-
панов двигателя
СХТЗ в опытной
камере.
Zt=48 мм; 12 =* 118 мм;
1—клапан № 1 (у све-
чи); 2—клапан № 2
(на периферии); 3 —*
свеча.
На фигурах показано изменение О2, СО2 и СО в ходе процесса сгора-
ния. Косвенной проверкой правиль ости данных стробоскопического газо-
вого анализа является то, что нанвсех режимах двигателя конец про-
цесса сгорания, определенный по индикаторным диаграммам путем вы-
числения закона сгорания х; = /(<?), в достаточной степени соответ-
ствует окончанию развития процесса по данным стробоскопического газо-
Фиг. 203. Изменение СО, СО2, О2 по данным стробо-
скопического газового анализа для двигателя СХТЗ.
Режим' а — о,81; п= 1100 об/мин; топливо — бензин; а — клапан у
свечи; б— клапан на периферии (пунктиром показано содержание
в процентах соответствующих газов в выпускном трубопроводе).
вого анализа второго периферийного клапана, установленного в наибо-
лее удаленной от свечи части камеры. Например, для а = 1,035 при
работе на бензине по диаграмме х,=/(<р) конец сгорания получается
при ф=з30° после в. м. т. Тот же момент ср = 30° соответствует
окончанию сгорания и по данным стробоскопического газового анализа
периферийного клапана.
Обращаясь к анализу данных, полученных с помощью стробоскопи-
ческого газового анализа, видно, что на линии сжатия содержание
кислорода О2 и СО2 остается практически постоянным и не зависящим
от сорта топлива. Так, в среднем содержание кислорода на линии сжа-
тия получается О2=17,5—17,8 и СО2 = 2,0 — 2,2°/0. Согласно этим
216
0 с-103 Q iO 3 6-10 3 8 IO '3 t сек
Фиг. 204. Изменение CO, CO2, O2 по данным стробоскопий”
ческого газового анализа для двигателя СХТЗ.[ j ..
Режим: в= 1,035; п = 1100 об/мин; а — клапан у свечи; б — клапан на
периферии (пунктиром показано содержание в процентах соответствующих
газов в выпускном трубопроводе).
0 210~3 ‘ИО’3 6 «Г3 810'3 Off’ 1сек
Фиг. 205. Изменение СО, СО2 и О2 по данным
стробоскопического газового анализа для дви-
гателя СХТЗ.
Режим: а — 1,14; л = 1100 об/мин; топливо — бензин; а—кла-
пан у свечи; б — клапан на периферии.
217
данным коэфициент остаточных газов оказывается равным f~0,2 и
as: 6,0. Кривые изменения двуокиси углерода СО2 противоположны
кривым изменения кислорода О2. Однако, так же как и в одноцилиндро-
вой установке, темп изменения О2 при а < 1 значительно более резко
выражен по сравнению с нарастанием СО2, что объясняется значитель-
0 2Ю~3 4.Ю'3 6Ю'3 8Ю~3 10.10~3tcek
Фиг. 206. Изменение СО, СО2, О2, по данным стро-
боскопического газового анализа для двигателя СХТЗ.
Режим: а = 0,77; п = 1100 об/мин; топливо — керосин; а — клапан
у свечи; б — клапан на периферии (пунктиром показано содержа-
ние в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
При а < 1, в отличие от сгорания в дизеле, образующиеся в ходе
горения в карбюраторном двигателе количества СО не исчезают к концу
сгорания, а сохраняют свое значение на всем дальнейшем ходе сгора-
ния.
При сгорании с а > 1 изменение СО в ходе сгорания начинает со-
ответствовать изменению этой величины при сгорании топлива в дизеле.
Так, например, из фиг. 205—208 видно, что при as; 1,16 образование
СО в ходе горения почти полностью прекращается.
Характеристики развития процесса сгорания, полученные по данным
стробоскопического газового анализа в разных местах камеры, показы-
218
вают, что при различных моментах начала сгорания в разных местах
камеры время образования максимальных количеств СО2 и снижения
количества О2 до минимума, т. е. время, соответствующее полному
превращению реагентов у данного клапана, во всех частях камеры
остается одинаковым. Так, например, для режима а = 0,81 на бензине
(см. фиг. 203) в зоне клапана у свечи начало сгорания соответствует
углу поворота кривошипа <р = — 25°, а в зоне периферийного клапана
0 г-п 3 4I03 610~3 8W3 iOiO 3Tcek-
Фиг. 207. Изменение СО, СО2, О2 по данным стробоскопиче-
ского газового анализа для двигателя СХТЗ.
Режим: а =0,974; п = 1100 об/мин; топливо — керосин; а — клапан у свечи;
б — клапан на периферии (пунктиром показано содержание в процентах
соответствующих газон в выпускном трубопроводе).
V— — 8°. Продолжительность превращения определяется временем
нарастания СО2 от его начального значения на линии сжатия до макси-
мального количества СО2 на линии сгорания или соответственно сни-
жения О2 от максимального значения до минимума. Эта продолжитель-
ность в обеих зонах получается одинаковой и равной Д» = 20
Для остальных режимов двигателя значения продолжительности пре-
вращений реагентов в разных местах камеры приведены в табл. 45.
Как видим, на всех режимах время образования СО2тах и достиже-
ния O2rain в различных зонах камеры для данного состава смеси остается
одинаковым.
Полученный результат является следствием сгорания смеси во фронте
пламени и распространением фронта пламени по камере. Этот вывод
подтверждается также изменением коэфициента избытка воздуха а
в различных зонах горения в камере по ходу процесса, полученного
на основании данных газового стробоскопического анализа.
219
Таблица 45
Продолжительность превращений реагентов в разных местах камеры
сжатия двигателя
Топливо Коэф и- циент избытка воздуха “ш Клапан № 1 у свечи Клапан № 2 на периферии Средняя продолжи- тельность превращения для всех клапанов
начало пре- вращения конец превра- щения продолжитель- ность превра- щения начало пре- вращения конец превра- щения процолжитель-1 ность превра- 1 щения А<ра Д<р° Дт в сек.
0.81 —25 -5 20 -8 12 20 20 3,03 • 10 ‘3
Бензин 1,035 2 32 30 -12 18 30 30 4,55 10‘ 3
1.14 -10 22 32 8 40 32 32 4,85 • 10~3
0,77 —15 10 25 —2 23 25 25 3,79 • 10~3
Керосин 0,974 -10 20 30 0 30 30 30 4,55 • 10- 3
1,16 —2 28 30 10 40 30 30 4,55 • 10-3
На фиг. 209—210 дано изменение коэфициента избытка воздуха а
по ходу процесса в различных зонах горения для двух опытов: на бен-
зине при а = 1,035 и керосине при а = 0,974.
Как видно из фигур, в обоих случаях коэфициент избытка воздуха
постепенно уменьшается по ходу процесса. При этом в различных зо-
нах горения—вблизи свечи и у периферии камеры — имеет место оди-
наковый характер изменения коэфициента избытка воздуха.
На фиг. 211 и 212 показаны совмещенные графики изменений реа-
гентов в процессе сгорания в различных зонах горения для двух опы-
тов: на бензине а = 0,81 и керосине при а = 0,77.
На этих фигурах линия АА1 соответствует началу процесса измене-
ния реагентов в зоне вблизи свечи (клапан у свечи), а линия ВВ1 от-
мечает конечный момент превращений в той же зоне. Соответственно
линиям аа} и bbx отмечены начальный и конечный моменты изменений
реагентов в зоне в наиболее удаленной части камеры (периферийный
клапан).
В соответствии с положениями о сгорании смеси во фронте пламени,
построение графика показывает, что более раннее развитие процесса
сгорания начинается у клапана, расположенного вблизи свечи (линия ^Xj).
Процесс изменения реагентов в этой зоне заканчивается через проме-
жуток времени Д-Cj на линии BBt. Начало развития процесса сгорания
в более удаленной от свечи зоне у периферийного клапана происходит
через Дтк сек. после начала сгорания в первой зоне. Время изменения
реагентов в зоне у периферийного клапана равно Дт2, при этом, как
уже было отмечено, Дт2 = Дт1. Подобный же характер протекания
процесса в различных зонах камеры двигателя получается и для других
режимов работы двигателя аналогично выше полученным результатам
на одноцилиндровой установке.
220
На фиг. 213 и 214 показано совместное протекание кривых СО2,
О2 и СО по ходу процесса в различных местах камеры: у клапана
около свечи и у периферийного клапана. Фиг. 213 относится к опыту
на бензине, а фиг. 214 — на керосине.
Как видно из фигур, с увеличением коэфициента избытка воздуха а,
т. е. по мере обеднения смеси, от а = 0,8—0,9 наблюдается более
позднее развитие процесса сгорания, чем у клапана вблизи свечи и у
периферийного клапана.
Так, для клапана у свечи
при работе на бензине
при а = 0,81 начало раз-
вития процесса наступает
через а = 8е по углу по-
ворота кривошипа или по
времени через т=
= 1,2 • 10-3 сек., а при
а =1,14 соответственно
через о = 23° и т =
= 3,5 • 10-3сек., т.е. почти
в 3 раза позднее. Для
клапанов у периферии
при а = 0,81 начало сго-
рания происходит через
z> = 27°, или по времени
через 7 = 4,1-10“ сек.,
а при а =1,14 — через
ф —41°, или по времени
через т = 6,2-10~3 сек.,
в 1,5 раза позднее.,
Подобный же резуль-
тат получается и при ра-
боте на керосине.
Полученные резуль-
таты попрежнему позво-
Фиг. 208. Изменение СО, СО2, О2 по данным
стробоскопического газового анализа для двига-
теля СХТЗ.
Режим: а — 1.16; п — 110Э об'мпн; а — клапан у свечи;
б — клапан на периферии (пунктиром показано содержанке
в процентах соответствующих газов в выпускном трубопро-
воде).
ляют с помощью стробоскопического газового анализа определить
основные параметры, характеризующие развитие сгорания в камере дви-
гателя с точки зрения распространения фронта пламени.
Определим скорости распространения фронта пламени при сгорании
смеси в двигателе. Средняя скорость распространения фронта пламени
от момента зажигания до момента начала сгорания в зоне у клапана № 1
может быть определена по отношению, аналогичному уравнению (118),
полученному для одноцилиндровой установки,
К
и-, = —- м сек ,
1 ч
-где Zj — расстояние от свечи до клапана № 1;
— время, прошедшее от момента зажигания (подача искры) до мо-
мента начала сгорания у клапана № 1.
221
Фиг. 209. Изменение коэфициента избытка воз-
духа а по ходу процесса в различных зонах
горения.
Режим: а =1,035; п = 1100 об/мин; топливо—бензин; «—кла-
пан у свечи; б —клапан на периферии.
Фиг. 210. Изменение коэфициента избытка воз-
духа а по ходу процесса в различных зонах горе-
ния.
Режим: а—0,974: л=1100 об | мин; топливо—керосин; а— кла-
пан у свечи; б — клапан на периферии.
222
со^
О 210'1O'J 6.10'J 81O3 10'J 1 сек
Фиг. 211. Совмещенные изменения реаген-
тов в процессе сгорания в различных зонах
горения для двигателя СХТЗ.
Режим: а=0,81; п = 1100 об/мин; топливо — бензин;
А — А, — начало превращения у клапана № 1 вблизи
свечи; В — Bt — конец превращения у этого же кла-
пана; а — «j — начало превращения клапана № 2 на
периферии: b—bi—конец превращения у клапана № 2;
Ti— время от начала зажигания до момента начала
превращения у клапана № 1; — время от начала за-
жигания до момента начала превращения у клапана
№ 2; Дт^ — промежуток времени движения фронта
пламени от клапана № 1 до клапана № 2; Дт — время
развития процесса превращения реагентов у каж-
дого клапана; (сплошная линия — клапан у свечи;
пунктирная — клапан на периферии).
Фиг. 212. Совмещенные данные
изменения О2, С02, СО в про-
цессе сгорания в различных
зонах горения для двигателя
СХТЗ
Режим: а = 0,77; п = 1100 об/мин; то-
пливо— керосин (сплошная ллнич —
клапан у свечи, пунктирная — клапан
на периферии).
223
Средняя скорость распространения фронта пламени от момента за-
жигания до момента начала сгорания в зоне у периферийного (№ 2) кла-
пана найдется по формуле
и9 = -^~ мсек
2 *2
где 1„ — расстояние от
свечи до клапа-
на № 2;
х2 — время, прошед-
шее от начала
зажигания (по-
дача искры) до
момента начала
сгорания у кла-
пана № 2, в сек.
В табл. 46 приводятся
подсчитанные значения
скоростей распростране-
ния фронта пламени отно-
сительно стенок камеры
для всех режимов работы
двигателя на бензине и
керосине.
Как видно из приве-
денных данных, скорости
распространения фронта
пламени около клапана
у свечи и около перифе-
рийного клапана умень-
шаются с увеличением
коэфициента избытка воз-
духа а как при работе
на бензине, так и при
работе на керосине. По
Фиг. 213. Совмещенные изменения реагентов . даннь1м табл. 46 видно,
в ходе сгорания для различных мест камеры
сгорания при различных коэфициентах избытка
воздуха.
Режим: п — 1100 об/мин; 1 — а 0,81; 2 — а = 1,036; 3 — а ==
= 1,14; топливо — бензин; а — клапан у свечи; б— клапан на
периферии.
что скорость распростра-
нения фронта пламени
около клапана № 2 (пери-
ферийного), наиболее уда-
ленного от свечи, не-
сколько больше, чем ско-
рость около клапана № 1 вблизи свечи. Возрастание скорости распро-
странения фронта пламени около клапана № 2 наблюдается во всех опы-
тах для бензина и для керосина. Полученный результат полностью со-
ответствует опытам на одноцилиндровой установке и может быть
объяснен тем, что по мере перемещения фронта пламени происходит
подогрев несгоревшей части смеси, приводящий к ускорению физико-
химических процессов во фронте пламени.
224
Таблица 46
Значение скоростей распространения фронта пламени относительно
стенок камеры
Топливо аш Клапан № 1 в Mi се к Клапан № 2 и2 в м!сек в м!сек
Бензин 0,81 1,035 1,14 28,9 17,6 13,5 27,8 24,4 18,8 28,35 21,0 16,15
Керосин 0,77 0,974 1,16 22,6 12,7 9,6 28,8 22,3 16,9 25,7 17,5 13,25
Фиг. 214. Совмещенные
изменения реагентов в
ходе сгорания для раз-
личных мест камеры сго-
рания при различных
коэфициентах избытка
воздуха.
Режим: п = 1100 об/мин; 1—о—
= 0,77; 2 — а = 0.974; 3 — а -
— 1,16; а — клапан у свечи;
о — клапан на периферии.
Характер изменения скоростей распространения фронта пламени
в зависимости от состава смеси и времени процесса в полной мере
согласуется с диаграммами, изображенными на фиг. 213 и 214, на ко-
торых было показано совместное протекание кривых СО2, О2 и СО
Для различных а.
Так как с увеличением коэфициента избытка воздуха а начало раз-
вития процесса сгорания наступает более поздно, то, очевидно, с уве-
1.Е
° Процессы сгорания в двигателях 3896
225
личением а будет уменьшаться скорость распространения фронта пла-
мени.
На фиг. 215 показано изменение скоростей иг и и2 около клапа-
нов^Яа 1 и № 2 в‘ зависимости от коэфициента избытка воздуха а. Сплош-
ные [линии дают изменения и± и и2 при работе двигателя на бензине,
а пунктирные — на керосине.
В последней графе табл. 46 приведены средние значения скоростей
распространения фронта пламени, полученные как среднеарифметические
по скоростям у клапанов № 1 и 2.
Средние скорости распространения фронта пламени лежат в преде-
лах иср=16— 28 м,сек для бензина и «ср=13,5— 26,0 м/сек для
керосина.
Фиг. 215. Изменение скоростей распро-
странения пламени иг и около клапа-
нов № 1 и 2 в зависимости от коэфи-
циента избытка воздуха а для бензина
и керосина:
I— клапан у свечи; 2 — клапан на периферии
(сплошная линия — бензин; пунктирная—керосин).
Фиг. 216. Изменение средних скоро-
стей распространения пламени в за-
висимости от коэфициента избытка
воздуха а для бензина и керосина
(сплошная линия — бензин; пунктир-
ная — керосин).
На фиг. 216 дано изменение средних скоростей распространения
фронта пламени в зависимости от коэфицента избытка воздуха для бен-
зина и керосина. Из фигуры видно, что при всех значениях коэфици-
ента избытка воздуха а скорости распространения фронта пламени
у бензина больше, чем у керосина. Так, например, при а — 1,0 для бен-
зина иср —22,5 м[сек, а для керосина иср= 17 м/сек. Эти данные со-
ответствуют значениям скоростей распространения фронта пламени, ко-
торые были получены как при исследовании фронта пламени по данным
Уитроу, так и при исследовании процесса сгорания на одноцилиндровой
установке МАИ.
Данные стробоскопического газового анализа позволяют произвести
ориентировочную оценку ширины зоны Д/, где наблюдается изменение
реагентов.
В первом приближении ширина зоны Д/ может быть найдена тем же
способом, который был применен при исследовании одноцилиндровой
установки.
Полученные результаты стробоскопического газового анализа пока-
зывают, что около каждого клапана нарастание СО2 и уменьшение О2
происходят на протяжении значительного промежутка времени, исчисляе-
мого углом поворота кривошипа Д<р = 20 — 30°, что соответствует вре-
мени Дт = 3,03-10—3 —4,55-Ю-3 сек. (см. табл. 45). Так как за этот
226
промежуток времени Дт Изменений рейгёнтов в данном месте камеры пол-
ностью заканчивается, то можно полагать, что этот промежуток времени
соответствует времени прохождения зоны в данном месте камеры. Это
означает, что ширина зоны в данном месте может быть определена по
вышеприведенной формуле (121)
Д/ = uFLt,
где Up— скорость распространения фронта пламени в данном месте;
Дт — время развития процесса в зоне горения для данного клапана.
Величина Дт определяется непосредственно по данным стробоскопи-
ческого газового анализа. Значения величин Дт приведены в табл. 47.
Таблица 47
Расчетные значения up и Д/ для различных режимов работы двигателя
Топливо а1и Клапан № 1 у свечи Клапан № 2 на периферии камеры
в м/сек Д1х в мм В м[сек Д?,2 в мм
Бензин 0,81 1,035 1,14 15,1 9,6 8,0 45,7 43,6 38,8 20,5 16,56 15,53 62,1 75,4 65,6
0,77 11,95 45,4 19,75 74,7
Керосин 0,974 7,92 36,0 15,6 71,0
1,16 6,6 30,0 12,95 59,0
Величина uF в связи с значительной шириной зоны изменения реа-
гентов и возможной деформации ее в течение процесса определялась по
формуле (120) для скорости пере-
мещения центра зоны, т. е. для кла-
пана № 1
Для клапана № 2
Дт,
2
Фиг. 217. Изменение ширины зоны
превращения Д/ в различных местах
камеры сгорания в зависимости от
коэфициента избытка воздуха а для
бензина и керосина.
1 — клапан у свечи; 2 —клапан на периферии
(сплошная лнння — бензин; пунктирная — ке-
росин).
Имея значения uFi и ира, можно
определить ширину зон горения
около каждого клапана.
В табл. 47 приведены расчет-
ные значения величин ирх, Up,, Д/3
и Д/а для различных режимов работы
Двигателя на бензине и керосине.
На фиг. 217 даны изменения ширины зоны в различных местах ка-
меры в зависимости от коэфициента избытка воздуха а для работы дви-
227
гателя на бензине и керосине. С увеличением Коэфициента избытка воз-
духа а ширина зоны имеет, как и в одноцилиндровой установке, тен-
денцию к изменению в начале процесса (клапан № 1) и в конце процесса
сгорания (клапан № 2). Сокращение ширины зоны при обеднении смеси
может быть объяснено понижением концентрации топлива при увеличе-
нии а, вследствие чего уменьшается скорость перемещения фронта пла-
мени.
По данным табл. 47 и по фиг. 217 видно также, что ширина зоны
увеличивается около клапана № 2, т. е. в конце процесса сгорания. Эти
результаты указывают на то, что в конце процесса сгорания вследствие
ускоренного движения фронта пламени изменяются газодинамические усло-
вия горения, приводящие к увеличению ширины той части зоны, ко-
торая связана с развитием горения за начальной поверхностью фронта
пламени.
Таким образом, исследования процесса сгорания, проведенные с по-
мощью стробоскопического газового анализа на двигателе СХТЗ, под-
тверждают правильность общих характеристик развития процесса сго-
рания, полученных для двигателя с принудительным зажиганием.
Результаты исследования процесса сгорания методом
фотографирования и индицирования
Для получения более подробных данных по основным характери-
стикам процесса сгорания в двигателе с принудительным зажиганием
дополнительно были проведены исследования процесса сгорания по опыт-
ным данным, полученным в работах Рассвелера и Уитроу [29].
В этих опытах были применены методы исследования процесса
сгорания в двигателе при помощи фотографирования движения фронта
пламени по камере сгорания и индицирования давления.
Для исследования движения фронта пламени по всей камере приме-
нялась скоростная киносъемка всей камеры сгорания через кварцевое
окно в головке цилиндра двигателя. Скорость съемки достигала 5000
кадров в секунду. В качестве экспериментального двигателя был ис-
пользован одноцилиндровый двигатель с Г-образной головкой.
Камера сгорания двигателя сверху была закрыта пластиной из плавлен-
ного кварца толщиной 19,1 мм, оправленной в инварную рамку. Дви-
гатель имеет размеры: ход поршня «=120,65 мм, диаметр цилиндра
D — 73 мм, степень сжатия е = 4,6. Число оборотов коленчатого вала
п = 900 об, мин, угол опережения зажигания р = 25°, топливо — изооктан.
Фотографирование распространения пламени проводилось одновре-
менно с индицированием. На фиг. 218, 219 и 220 приведены харак-
терные фотографии распространения пламени по камере двигателя для
различных составов смеси при прочих постоянных условиях. В отдель-
ных снимках под каждым кадром даны номера, указывающие на хроно-
логию, в которой фотографировались отдельные вспышки. Под номером
кадра помещается угол положения коленчатого вала, при котором кон-
чалась съемка каждого кадра, причем углы до в. м. т. помечены знаком
минус, а углы после в. м. т. помечены знаком плюс. Под углами поме-
щены текущие значения давления в кг) см2, соответствующие данному
углу поворота коленчатого вала и полученные с помощью индикатора
228
Эскизы
1 2 3 4 Б 6
Угол поворота . 24.6“ 1 —22,2° —19,8° —17,4° —15,0’
Давление вкг]смг 5,74 6,09 6,37 6,65 7
Воспламенение объема в % . . . 0 — 1 3
Воспламенение массы в °/0 . 0 1

Эскизы ЭФ 2Ф он сж в л
7 8 9 10 11 12
Угол поворота . 12.6 -10.2’ | -7,8 -5.4° 1 -3,o° —0.6°
Давление вкг/см" 7,28 7,91 9.1 10,92 13,44 16,38
Воспламенение объема в % . • 7 15 26 43 1 61 70
Воспламенение массы в % . . . - 4 7 1 12 22 1 37 I 47

Эскизы ... 1 4 я ...л- »» Л- k
13 14 15 16 17 16
Угол поворота . + 1,8° + 4,2’ + 6.6 + 9,0 +11,4“ + 13,8’
Давление вкг'см 18.69 20.65 22,4 23.03 23,38 23,45
Воспламенение объема в °/0 . . . 81 88 90 93 95 96
Воспламенение массы в °/0. . . . 61 72 78 83 88 91

Эскизы i < ~'rir il ♦
k t •< . i * . ж i. M- 1
19 20 27 22 23 24
Угол поворота . + 16.2’ + 18,6 + 21,0 +23.4’ | +25,8' 4-28,2э
Давление в кг!см? 23,45 23,03 22,54 21,77 20,86 20,02
Воспламенение объема в % • - • 98 99 99 99,9 —
Воспламенение массы в °/0 . . . . 94 97 99 100
Фиг. 218. Распространение пламени по камере двигателя для а = 0,8б5.
Эскизы

2
Угол поворота .
3___________ 4
-25,0 ’ |
—2Э,8‘
5
6
—16,0'
Давление вкг/см‘2\
Воспламенение I
объе ма в г)/0 . . . |
Воспламенение |
массы в % . . . . I
5,88 | 6,3
0
0
Эскизы
Угол поворота .
Давление ккг[см*
Воспламенение
объема в % . . .
Воспламенение
массы в % .
Эскизы
Угол поворота .
Давление ъкг!см2
Воспламенение
объема в % . .
Воспламенение
масс в °,о .
Эскизы
Угол поворота .
Давление ъкг!смг
Воспламенение
объема в % .
Воспламенение
массы в % . . .
6,72 |
6,63
'К ЯШ 9К ;ПИ
® If * • ww
7
10
—13,6°
7,35
8_____________9
-11,2° | —8,8° | -6,4
7,84 | 8,47 |
I____1
I 3
4
11
12
| -4,0° | -16°
9,52 | 10,78 | 12,95
| 16 | 27 | 45
21
13
14
15
16
17
18
0,8°
15,96
64
39
+ 3,2°
+5,6'
+8.0'
+ 10.4'
+ 12.8°
19,53
22,54
23.59
24,64
25,27
76
85
90
98
98
55
69
79
86
9
19
23
24
+ 15,2'
+ 17,6°
+ 20,0°
+ 22,4'
+ 24.8'
+ 27,2‘
25,55
24,57
23,73
22.89
21,98
21
99
99.5
100
98
99,5
100
Фиг. 219- Распространение пламени по камере двигателя для а =1,07.
— —_ -
Эскизы В» ши
1 2 3 4 5 6
Угол поворота . 25,0’ | 20,8° 18,4° -16,0°
Давление в кг/см* 6,23 6.72 6,93 7,21
Воспламенение объема в % - 0 1 1 1
Воспламенение массы в % ... . 0 1 1
Эскизы
ММ МММ
7 8 9 10 11 12
Угол поворота . -13,6° -11.2° —8,8е -6.4° -4.0е -1,6-
Давление вкг!см~ 7,49 7,77 7.91 8.12 8,47 8,89
Воспламенение объема в °/0 . . . 1 1 3 1 5 11
Воспламенение i массы в %. . . . 1 1 1 2 1 2 8

Эскизы Ur
73 14 15 16 17 18
Угол поворота . + 0,8 1 +3,2° 1 +Х6 1 +8,0 | +10,4° + 12.8"
Давление в кг) см- 9,45 | 10,1э 1 11.2 I 12,46 | 13.86 15.4/
Воспламенение объема в % . . . 14 23 I 33 44 | 55 65
Воспламенение массы в °/п . . . . 5 1 10 1 16 | 23 | 32 43

Эскизы РТ к .—Л » $
19 20 21 22 23 24
Угол поворота . + 15,2’ 1 +17,6 | +20,0 | -»22,1° I + 24,8" 1 +27,2
Давление в кг]см2\ 16,8 1 17,78 | 18,13 1 18,2 | 18.13 18,06
Воспламенение объема в °/0 . . . 75 | 12 | 86 88 | 92 93
Воспламенение массы в % . . . . 54 65 1 71 1 76 1 81 | 84
Эскизы
□Ю) LIlJILllU
25 26 27 28 29 30
Угол поворота . + 29.6 1 + 32.0’ 1 +34.4- | + 36.8 1 +39.2° +41.6°
Давление в кг см? 17,92 17,64 1 17,01 | 16.17 | 15,61 15,19
Воспламенение объема в °/0 . . . 95 97 | 98 | 99 99 10Э
Воспламенение массы в % ... . 89 | 94 96 , 97 98 100
Фиг. 220. Распространение пламени по кгмерс двигателя для а = 1
электрорезистантного типа. Последующий четвертый ряд цифр дает про-
цент воспламененного объема от всего объема пространства сгорания
в данный момент времени, и, наконец, последний пятый ряд цифр дает
процент сгоревшей массы заряда.
Полученные снимки представляют собой лишь горизонтальные проек-
ции фронта пламени, и по ним нельзя учесть кривизну фрснта в вер-
тикальной плоскости. Искривление поверхности фронта в вертикальной
плоскости может быть особенно значительным в первые периоды сго-
рания — вблизи свечи. Кроме этого, вследствие значительной экспозиции
-с,г”
*иг. 221. Последовательное расположение линии фронта пламени по камере
сгорания для а = 0,865.
при фотографировании (5000 кадров в секунду) и продвижения фронта
пламени за этот период полученные снимки не дают точного предста-
вления о конфигурации фронта и в горизонтальной плоскости. Однако
в связи с тем, что поверочные расчеты законов сгорания, полученных
как с помощью вычисления объемов сгоревшей смеси по снимкам
фронта пламени, так и по индикаторным диаграммам, показали вполне
удовлетворительное совпадение, можно полагать, что полученные снимки
развития фронта пламени являются достаточно достоверными для опре-
деления осредненных характеристик развития процесса.
В связи с этим в дальнейшем исследовании поверхность фронт?
пламени в горизонтальной плоскости определялась по границе, отде-
ляющей светящуюся часть камеры от несгоревшей части смеси, а верти-
кальная поверхность фронта пламени принималась плоской.
На фиг. 221, 222 и 223 показаны последовательные положения
фронта пламени в камере, полученные на основании отдельных снимков
232
фронта пламени для режимов а = 0,865, а =1,07 и а =1,27, с по-
мощью которых были определены скорости распространения фронта
в произвольных направлениях и и нормальные скорости ит относительно
стенок камеры. Полученные таким образом значения скоростей и и «г
представляют собой скорости распространения пламени, являющиеся ре-
зультатом как газодинамических явлений в камере, так и физико-хими-
ческих процессов во фронте пламени, т. е. величины и и ит предста-
Фиг. 222. Последовательное расположение линии фронта пламени по камере
сгорания для а = 1,07.
вляют собой скорости распространения пламени в турбулентном потоке
относительно стенок камеры.
На фиг. 224 показаны изменения скорости и распространения фронта
пламени по времени и для некоторых выбранных направлений в камере
(лучи 2, 8, 10, 11 к 15) при а =0,865. Аналогичные графики скоро-
стей распространения пламени для режимов а — 1,07 и а =1,27 пред-
ставлены на фиг. 225 и 226.
Пунктирными линиями на фигурах дано истинное изменение величин и
по времени. Полученные колебания в значениях и по времени процесса
могут быть объяснены наличием в камере вихревых движений, эффект
которых меняется по времени. Сплошными линиями показано осреднен-
ное протекание скорости и по времени для каждого направления. Из
фигур видно, что скорость распространения фронта пламени заметно
изменяется по ходу процесса и во всех случаях достигает своего ма-
ксимума на определенном угле поворота кривошипа.
233
При а = 0,865 и а =1,07 происходит более быстрое нарастание
скорости движения фронта пламени и максимальное значение скорости
достигается в первые периоды развития процесса. При а= 1,27 повышение
скорости движения пламени происходит более медленно, при этом макси-
мальное значение скорости достигается уже в более поздние периоды
сгорания.
На фиг. 227 даны изменения средних (за весь период сгорания) зна-
чений скоростей иср распространения фронта пламени для каждого луча
Фиг. 223. Последовательное расположение линии фронта пламени по камере
сгорания для а = 1,27.
в зависимости от направления распространения фронта пламени в ка-
мере. Как видно из всех фигур, максимальные значения скоростей рас-
пространения фронта пламени имеют место в направлениях наибольшего
пути, проходимого фронтом пламени, т. е. по центральной оси камеры
'(лучи 8, 9, 9‘, 10, 10', 77, 11 , 12). На фиг. 229 представлены измене-
ния осредненных значений величин и которые уменьшаются с увели-
чением а.
На фиг. 228 даны графики изменений по времени значений скорости
распространения фронта пламени, осредненных по всему фронту для
данного времени, т. е. средних скоростей исрр по всем направлениям для
данного положения фронта.
Изменение скоростей исрр по времени совершенно аналогично изме-
нению скоростей и для отдельных лучей. Кривые исрР =у(т) имеют
максимум, при этом для а = 0,865 максимальное значение cpf полу-
чается наибольшим и наступает в более ранние моменты сгорания (фиг. 229).
234
Фиг. 224. Изменение скорости^ рас-
пространения фронта пламени и отно-
сительно стенок камеры по времени
процесса (а = 0,865) для лучей:
а — 2; б— 8; в — 10; г- II; д — 15.
Фиг. 225. Изменение скорости рас-
пространения фронта пламени и отно-
сительно стенок камеры по времени
процесса (а = 1.27) для лучей:
в - 2; б — в; в — 10; г — И; д —15.
235
о гю'3 Ч-Ю'3 л 6Ю'3 8-Ю3 tcek
о)
Фиг. 226. Изменение скорости распространения фронта пла-’"^
мени и относительно стенок камеры по времени процесса <
,(а= 1,27) для лучей: j
а — 2; б — 8; в— 10: г — II; д — 1S.
236
На фиг. 230 показано изменение максимальных значений скопо
распространения фронта пламени по данному направлению (лучи 2 <S 10 77
и 75) в зависимости от режима работы двигателя а = 0,865, а = 1 гу?
а =1,27. ’
На тех же фигурах даны изменения и средних (за весь период сго-
рания) значений скоростей распространения фронта пламени в данном
направлении.
Фиг. 227. Изменение средних (за весь период сгорания) значений скоростей
распространения фронта пламени и(р в зависимости от направления луча:
а — для а = 0,865; б — для а = 1,07; в — для а «= 1,27.
Из полученных графиков видно, что как максимальные, так и средние
значения скоростей распространения фронта пламени имеют наибольшее
значение на режимах а = 0,865 и а = 1,07. На этих режимах макси-
мальные значения скоростей распространения фронта пламени колеблются
в зависимости от направления р 1спространения фронта пламени (по лу-
чам) в пределах от 25 до 35 м/сек. Средние значения скоростей меня-
ются от 15 до 18 м/сек.
При а= 1,27 получаем ишах= 15—25 м/сек и пс/,= 6—12 м сек.
Полученные данные по скоростям сгорания достаточно хорошо согла-
суются с вышеприведенными результатами исследования процесса сго-
рания при помощи стробоскопического газового анализа и ионизацион-
ного метода.
237
На фиг. 231 даны изменения по углу поворота кривошипа (по вре-
мени) нормальных скоростей распространения фронта пламени «г в раз-
Фиг. 228. Изменение по времени средвих по фронту скоро-
стей движения пламени Ucpf. для:
а — а =« 0,865; б — а = 1,07; в.— а = 1,27.
личных направлениях для режима а = 0,865. Определение значений ско-
ростей и г производилось методом нахождения нормальных перемещений
(ucp)q.
Фиг. 229. Изменение средних скоростей
(иср) в зависимости от коэфициента из-
бытка воздуха а.
ные скорости иг изменяются по ходу
элемента фронта пламени в вы-
бранном направлении.
На фиг. 232 и 233 предста-
влены аналогичные графики Для
режимов а=1,07 и 1,27. Пунк-
тирными линиями на фигурах дано
действительное изменение скоро-
стей ит по времени, а сплошными
линиями представлено осреднен-
ное их протекание.
Как и скорости распростра-
нения фронта пламени, нормаль-
процесса и достигают максималь-
ного значения на некотором угле поворота кривошипа после начала
сгорания.
238
Нормальные скорости ит, приведенные на фиг. 231-—233, предста-
вляют собой скорости нормальных перемещений фронта пламени отно-
сительно стенок камеры.
Скорость перемещения фронта по нормали и? может быть предста-
влена геометрической суммой
“r=«or+w„ (122)
где и0/.— нормальная скорость распространения фронта пламени относи-
тельно газа в турбулентном потоке;
<wn — нормальная составляющая газодинамической скорости газа
в рассматриваемом направлении.
Фиг. 230. Изменение максимальных и средних значений скоростей распростра-
нения фронта пламени в зависимости от коэфициента избытка воздуха а.
Лучи: а — 2; б —8; в — 10; г — 11; д — 15.
Нормальная скорость распространения фронта пламени относительно
газа и0/. может быть найдена из экспериментальных данных.
Скорость
тепловыделения определяется выражением (111):
d~
dQ = итг FHCM,
откуда
Величина
ному закону
dQ
dr
— может быть найдена по экспериментально определен-
dt
сгорания jc=/(<p) из выражения
GHCM,
dt dr см
(123)
(124)
где G — вес смеси в камере, поданный на один цикл.
239
скорости распространения фронта
пламени иг по углу поворота колен-
чатого вала (а = 0,865) для напра-
влений:
Фиг. 232. Изменение нормальной
скорости распространения фронта
пламени иг по углу поворота колен-
чатого вала (а = 1,07) для направле-
ний:
а — И; б— IV; в — VI; г - X.
a - III; б- IV; в - VI; г - IX.
240
Фиг. 233. Изменение нормальной скорости распро-
странения фронта пламени иг по углу поворота
коленчатого вала (а =1,27) для направлений:
а - III, б - V; « - VII; г - VIII.
16 Процессы сгорания в двигателях. 3896.
241
Тогда
_ dx G
Umr ~~ dz ' F'
В этом уравнении величина ит^ представляет собой весовую скорость
сгорания и может быть выражена
umr = «ог7 >
(125)
(126)
где у — удельный вес несгоревшей смеси в данный момент процесса.
Следовательно,
_ и,,1г _dx G
U°j 7 dz Fy'
(127)
Фиг. 234. Законы сгорания и изменения абсолютных
скоростей сгорания:
а — законы сгорания по данным индикаторных диаграмм для трех
режимов работы двигателя; б —изменение абсолютных скоростей
d (хВ0)
сгорания —д по углу поворота коленчатого вала для трех
режимов работы двигателя.
При определении нормальной скорости распространения фронта пла-
dx
мени относительно газа иот величины находились по законам сгора-
ния х полученным из индикаторных диаграмм.
Текущее значение поверхности фронта пламени находилось по сним-
кам пламени.
Удельный вес несгоревшей смеси определялся из предположения
адиабатического сжатия несгоревшей смеси в ходе горения:
1
1 = 70
(128)
где fo — удельный вес смеси в момент воспламенения;
р0— давление смеси в момент воспламенения;
р — текущее значение давления.
На фиг. 234 представлены законы сгорания, найденные по индика-
торным диаграммам для трех режимов а =0,865, а=1,07 и а=1,27,
242
с помощью которых для небольших участков определялись вели-
чины -г—.
Дт
На фиг. 234 также показано изменение абсолютных скоростей сго-
dxBn . ___
рания - и для всех трех режимов двигателя, а на фиг. 235 предста-
влено изменение максимальных значений скорости сгорания
и ее
\ и'с /шах
| в зависимости от коэфициента избытка
воз-
а=
Фиг. 235. Изменение максимальных зна-
d (хВ0)
чении скорости сгорания —— max
и ее средних значений в зависимости
от коэфициента избытка воздуха.
средних значений
духа а.
Как видно из фигур x=f(w), законы сгорания для а = 0,865 и
= 1,07 в значительной степени соответствуют друг другу и дают при-
мерно одинаковые скорости сгорания, в то время как при а = 1,27
dxB0
скорости сгорания - имеют
намного меньшие значения (фиг.
234—235). Такой результат соот-
ветствует полученному выше из-
менению скоростей распростране-
ния фронта пламени в зависи-
мости от а.
В табл. 48 даны основные рас-
четные данные по величинам по-
верхности фронта пламени F, мас-
совой скорости сгорания итг и
нормальной скорости распростра-
нения фронта ийТ для трех ре-
жимов работы двигателя: а = 0,865, а=1,07 и а =1,27.
На фиг. 236 даны изменения поверхности фронта по времени для
а=0,865, а=1,07 и а=1,27, найденные по фотоснимкам пламени для
различных моментов времени.
Максимальная величина поверхности фронта пламени для всех ре-
жимов остается примерно одинаковой и лежит в пределах ГП1ах = 0,0035—
0,0040 л/2. Это указывает на то, что характер газодинамических про-
цессов в камере при данном числе оборотов (п =900 об/мин) на раз-
ных а остается примерно одинаковым.
Вместе с тем из графиков изменения фронта пламени по времени
видно, что закон развития фронта пламени по времени зависит от со-
става смеси. При а =0,865 и а =1,07 характер изменения фронта пла-
мени в достаточной степени получается одинаковым, в то время как
при а =1,27 развитие фронта пламени идет более замедленно. Смеще-
ние графиков F=/(<p) вправо является следствием увеличения периода
задержки воспламенения с увеличением а (фиг. 237).
Полученный путем обработки снимков фронта пламени закон изме-
нения поверхности фронта на разных режимах хорошо увязывается с за-
конами сгорания, полученными по индикаторным диаграммам. Следует
указать также, что окончание процесса сгорания, полученное по рас-
чету закона сгорания с помощью индикаторной диаграммы, совпадает
с окончанием сгорания, определенным непосредственно по снимкам пла-
мени.
243
Таблица 48
Основные расчетные данные массовой скорости сгорания и нормальной
скорости распространения фронта пламени при а = 0,865
т" Г в м? X Y в кг1м3 F в л!2 и,п в кг/м2сек aoj в м/сек
—22,2 0 3,26 0,000545 22,04 6,43
—19,8 0,000366 0,005 3,38
—17,4 0,000724 0,015 3,48
0,000917 32,7 9,25
—15,0 0,00111 0,04 3,61
0,001245 30,9 8,42
—12,6 0,00138 0,072 3,72
0,001631 52,2 13,40
—10,2 0,001883 0,143 3,96
0,002289 61,3 14,70
—7,8 0,002696 0,26 4,39
0,002920 69,9 14,82
-5,4 0,003145 0,43 5,03
0,002889 70,5 12,97
—3,0 0,002633 0,60 5,86
0,002474 54,4 8,58
-0,6 0,002315 0,712 6,81
0,001936 54,5 7,62
1,8 0,001558 0,80 7,49
0,001519 40,35 5,19
4,2 0,001480 0,851 8,04
0,001458 32,9 3,92
6,6 0,001436 0,891 8,56
0,001136 33,8 3,90
9,0 0,000836 0,923 8,74
0,000812 34,0 3,89
11,4 0,000788 0,946 8,85
0,000709 32,2 3,64
13,8 0,000630 0,965 8,85
0,000577 31,2 3,52
16,2 0,000525 0,98 8,85
0,000424 28,3 3,22
18,6 0,000324 0,99 8,75

21,0
На фиг. 238 показано изменение удельного веса несгоревшей части
смеси для различных режимов работы двигателя.
По полученным данным были определены текущие значения нор'
мальных скоростей иОт относительно газа.
На фиг. 239 даны графики изменения величин uqt по времени для
различных а. Смещение зависимостей и0].— /(<р) вправо с увеличением «
244
Таблица 48а
Основные расчетные данные массовой скорости сгорания и нормальной
скорости распространения фронта пламени при а = 1,07 н а = 1,27
Ч>° F в м2 X у в кг1я* F ср в м* vmr в кг[М~сек «Оу. в м]сек
При а = = 1,07
—13,6 0 3,58
-Н.2 0,000947 0,025 3,77 0,001136 42,55 10,9
—8,8 0,001325 0,065 3,99 0,00230 46,99 11,3
1 -6,4 0,002275 0,155 4,34 0,002614 55,1 12,2
-4,0 0,002954 _ 0,275 4,78 0,003220 59,56 11,6
—1.6 0,003485 0,435 5.48 0,003752 65,2 11,1
0,8 0,004020 0,64 6,29 0,003886 40,13 5,9
3,2 0,003700 0,77 7,42 0,0034 25,4 3,5
5,6 0,003100 0,842 8,04 0,002875 25,5 3,1
8,0 0,002650 0,903 8,56 0,00235 20,4 2,4
10,4 0,002050 0,943 _8,82 0,0019 | 18,3 2,1
12,8 0,001750 0,972 9,0_ 0,0315 | И,1 1.2
15,2 0,001250 0,986 9,05 0,00085 | 12,9 1,5
17,6 0,000450 0.995 8,45 1
20,0 1,0 1 1
-11.2 0 При а = 3,66 = 1,27 1 о
— 8,8 0,000454 0,008 3,71 0,000824 20,4 5,5
-6,4 0,001194 0,022 3.78 0,001327 25,3 | 6,68
—4,0 0,00146 0,05 3,90— 0,001626 25,9 6,64
-1,6 0,001793 0,085 4,03 0,002172 32,1 7,96
1+0,8 0,00255 0,143 4,21 0,002604 35,4 8,4
3,2 0,00'2658 0,22 4,44 0,002993 44,1 9,94
5,6 0,003329 0,33 4,76 0,003479 39,7 8,35
8,0 0,003629 0,445 5,15 0,003739 33,7 6.65
__10,4 0,00385 0,55 5,58 0,003842 40,5 7,25
__12,8 0,003834 0,68 6,06 0,003617 26,6 4,38
15,2 0,003400 0,76 6,45 0,003052 19.65 3,04
17,6 0.002704 0,81 6,74 0,002407 21,5 3,19
20,0 0,00211 0,853 6,84 0,001980 18.2 2,66
22,4 — 0,00185 0,883 6,87 0,001575 20,5 2,99
—24,8 0,001300 0,91 6,85 0,001331 19,85 2,9
27,2 0,001362 0,9.32_ 6,82_ 0,001095 21,9 3,21
29,6 0,000828 0,952 6,78 0,000764 28,2 4,15
32,0 0,000700 0,97 6,70 0,000400 39,0 5,82
34,4 0,000100 0,983 6,52
__ 36,8 0,995 1 6,27
245
является следствием увеличения периода задержки воспламенения с обедне-
нием смеси (фиг. 237). Полученные значения нормальных скоростей Uqt отно-
сительно газа представляют собой в каждый момент времени средние значе-
ния скорости для всей поверхности фронта пламени в рассматриваемый
Фиг. 236. Измененье поверхности фронта F по углу
поворота коленчатого вала для трех режимов работы
двигателя.
момент сгорания. Поэтому величины этих скоростей не являются точными
значениями нормальных скоростей распространения фронта относительно
газа в каждом элементе поверхности фронта, так как, очевидно, истин-
Фиг. 238 Изменение удельного веса несгорев-
шей части смеси у по углу поворота коленчатого
вала для трех режимов работы двигателя.
Фиг. 237. Изменение
периода задержки вос-
пламенения т; в зави-
симости от коэфициен-
та избытка воздуха а.
ных гидродинамических условий. Зависимости Ио7-=/(<р) Для раз-
ных а показывают, что в соответствии с законами сгорания и раз-
витием поверхности фронта пламени характер изменения величин иОт по-
лучается различным, в зависимости от значений коэфициента избытка
воздуха. Однако при а = 0,865 и а =1,07 различие в протекании
«оу =/(f) получается незначительным, в то время как при а ==1,27
происходят более медленное нарастание скорости и уменьшение абсо-
лютных значений скорости uOj..
246
На фиг. 240—242 показано совместное изменение по времени ве-
личин иг и иОт. Геометрическое сложение этих скоростей дает величину
нормальной — составляющей скорости движения газа в камере wn. Из-
менение величины wn приведено на фиг. 243—245.
Пунктирными линиями показано изменение истинных значений ско-
ростей иг и wn, а сплошными линиями — изменение осредненных вели-
чин ит и по ходу процесса Приведенные данные показывают, что
истинные значения ит претерпевают значительные колебания в ходе
процесса в связи с наличием в камере неупорядоченного вихревого дви-
жения, которое характеризуется мгновенными значениями нормальных
составляющих скорости движения газов wn, также сильно изменяющимися
по величине, так и по направлению. Наличие
по ходу процесса как
вихревого движения в
камере приводит к значительной деформации
фронта пламени.
Полученный характер из-
менения величин wn увязы-
вается с конфигурацией фрон-
та пламени, найденной по
фотоснимкам. Там, где по-
являются отрицательные зна-
чения -wn, во фронте пла-
мени обнаруживаются вогну-
тые поверхности, свидетель-
Фиг. 239. Изменение нормальной скорости
распространения фронта пламени uqt в зави-
симости от угла поворота коленчатого вала
для трех режимов работы двигателя.
ствующие о влиянии местного
вихря в сторону, противо-
положную развитию про-
цесса сгорания.
Если провести анализ полученных результатов по осредненным ве-
личинам, то оказывается, что законы изменения величин и0]. и Uy по
времени аналогичны друг другу: по мере развития процесса величины
иоу-и iii возрастают, достигают максимума, и затем, к концу процесса,
уменьшаются. При этом изменение uOr в значительной степени следует
за изменением Uj . В большинстве случаев максимальные значения u0J
и Ur наступают в одни и те же моменты времени.
Осредненная скорость движения газов wn также сначала увеличи-
вается, достигает максимума в те же моменты и затем уменьшается.
Абсолютные значения скоростей оказываются следующими: на ре-
жимах а = 0,865 и а=1,07 максимальные величины «у, иОт и ко-
леблются в пределах: Игтах = 26—30 мсек\ u$Tmay. =12—15 м/сек-,
max ”=12—15 м/сек.
При а = 1,27 имеем: кГтах = 22—27 м!сек; иоГтах=^—10 м[сек;
max = 12 —17 MjceK.
На фиг. 246 даны изменения значени1’ нормальных скоростей отно-
сительно стенок, осредненных по фронту для данного момента сго-
рания urF. На тех же фигурах нанесены изменения величин ног-
Из анализа изменения по времени осредненных величин по фронту
UfF и ийт видно, что изменение осредненных величин аналогично изме-
247
О г ю3 4Ю~3 6/О'3 т сек.
Фиг. 240. Совместное изменение ит
и Ugj- в зависимости от угла пово-
рота коленчатого вала (а — 0,865) для
направлений:
о—III; б — IV; в — VI; г —X.
Фиг. 241. Совместное изменение иг
и иоТ в зависимости от угла пово-
рота коленчатого вала (а =1,07) для
направлений:
а — III; б— IV; в - VI; г — IX
248
Фиг. 242. Совместное изменение ит и в зависимости
от угла поворота коленчатого вала (а = 1,27) для направле-
ний:
a —III; б — V; в - VII; г —VIII.
248
Фиг. 243. Изменение wn в зависимо-
сти от угла поворота коленчатого
вала (а = 0,865):
а — II направление; б — IV направление;
в — VI направление; г — X направление.
Фиг. 244. Изменение wn в зависи-
мости от угла поворота коленчатого
вала (а =1,07):
а — 11 направление; б — IV направление;
в—VI направление; г — IX направление.
250
a — III направление; б — V направление; в — VII направление; г — VIII напра-
вление.
251
Фиг. 246. Изменение значений нормальной скорости иОт
и осредненной по фронту скорости иг в зависимости от
угла поворота коленчатого вала для:
а — а 0,865; б — а = 1,07; в — « = 1,27.
252
нению величин по отдельным нормальным направлениям. Изменение ве-
личин иот следует за изменением величин Нт при этом максимальные
значения иот и uFp также наступают примерно в одни и те же моменты
времени.
-30 -20 -10 0 10 20 у)"
Фиг. 247. Изменение средней скорости перемещения газа wF
по фронту пламени в зависимости от угла поворота колен-
чатого вала для:
а — а — 0,865; б — а = 1,07; в — а = 1,27.
На фиг. 247 даны изменения средних скоростей перемещения газа.
Максимальные значения наступают в моменты, соответствующие
максимальным значениям величин ийт.
Максимальные значения средних величин и0^, uFp и wF для разных
режимов характеризуются следующими цифрами:
253
для а— 0,865; uQT = 15 м/сек; Urp^='fiS м/сек; wF==16 м/сек;
для а =1,07; и0г=12 м/сек; иГр—^4 м/сек; wF= 12 м/сек;
для а=1,27; иор = 10 м/сек; иГр=20 м/сек; wF = 12 м/сек.
Фиг. 249. Изменение максимального
значения и»/?П1ах в зависимости от
коэфициента избытка воздуха.
Фиг. 248. Изменение максимальных зна-
чений Д|Гтн и uF Гтах в зависимости
от коэфициента избытка воздуха.
С увеличением коэфициента избытка воздуха а максимальное значе-
ние мог и итр уменьшается, при этом, так как иот следует за uTpt
то характер изменения максимальных значений ийт, uFp оказывается
одинаковым. Это подтверждается графиком изменения максимальных
значений wrno а. Максимальные величины на всех режимах остаются
примерно одинаковыми.
рота коленчатого вала для трех режимов работы дви-
гателя: •
1— а = 0.865; 2 — а = 1,07; 3 — а = 1,27.
В заключение исследования процесса сгорания по фотоснимкам фронта
пламени были найдены значения массовых скоростей сгорания ит.г как
произведение ийгу.
На фиг. 250 показано изменение найденных значений итт по ходу
процесса для трех режимов работы двигателя.
Несмотря на увеличение удельного веса несгоревшей смеси по ходу
сгорания, массовые скорости на всех режимах имеют максимум, после
которого во второй половине процесса начинают уменьшаться. Получен-
ный характер изменения Umr свидетельствует о том, что в первой по-
254

1ловине процесса влияние удельного веса на величину и характер про-
текания массовой скорости оказывается весьма заметным, в то время
как во второй половине процесса изменение массовой скорости опреде-
ляется главным образом изменением нормальной скорости иОг,
Подобный характер влияния удельного веса на изменение массовой
скорости сгорания по ходу процесса определяется характером изменения
удельного веса 7 по времени (см. фиг. 238).
Величины массовой скорости сгорания зависят от коэфициента из-
бытка воздуха а. При а=0,865 массовые скорости сгорания оказываются
значительно большими, чем при больших а, при этом максимальные зна-
чения массовых скоростей сгорания наступают тем раньше, чем а ближе
к данному значению.
На фиг. 251 показано изменение максимальных значений итг и сред-
них величин ит за весь процесс в зависимости от коэфициента
избытка воздуха а.
Как видим, обеднение смеси,
т. е. увеличение а, приводит к
уменьшению и максимальных, и
средних значений массовой ско-
рости сгорания.
Абсолютное значение средних
величин массовой скорости сгора-
ния в двигателе определяется сле-
дующими цифрами:
Фиг. 251. Изменение максимальных и
средних значений umj_ max и um?. ср
в зависимости от коэфициента избытка
воздуха.
0,865 44 кг/м1 сек.,
1,07 35
1,27 26
На основании проведенного
исследования турбулентного горения
в двигателе с помощью фотоснимков пламени и индикаторной диаграммы
можно притти к основным выводам.
Прежде всего исследования с несомненностью показывают, что тур-
булизация потока влияет на процесс сгорания.
Для рассматриваемого двигателя турбулентность в процессе сгорания
характеризуется скоростями передвижения газа относительно стенок.
Исследования показали, что средние значения скоростей передвижения
газовых масс в период сгорания лежат в пределах wcp=12—16 м[сек,
в то время как в течение процесса впуска газодинамические процессы
протекают с значительно большими скоростями. У всасывающих клапанов
эти скорости обычно достигают 70—80 Mfcerc. Таким образом, можно
полагать, что газодинамические процессы, протекающие с большими
скоростями в период всасывания, уменьшаются к концу процесса сжатия
и в период сгорания имеют скорости, примерно в 4—5 раз мень-
шие.
Полученные результаты согласуются с данными многих исследователей
газодинамических процессов в цилиндре двигателя.
Однако следует отметить, что, уменьшаясь к концу сжатия, газоди-
намические явления сохраняются в период сжатия и имеют достаточные
скорости для турбулизации процесса сгорания, в результате чего имеет
255
место сильное увеличение нормальных скоростей распространения фронта
пламени.
Исследования показывают, что нормальные турбулентные скорости
распространения фронта пламени в процессе сгорания достигают зна-
чений u0r = 10—15 м[сек в зависимости от состава смеси, в то время
как при ламинарном горении средние нормальные скорости составляют
и—0,6—0,8 м/сек в лабораторных условиях при температуре бензо-
воздушной смеси около 150°С. Таким образом, полученные в двигателе
средние нормальные скорости распространения фронта пламени при турбу-
лентном горении оказываются в 15—25 раз большими. Это весьма важный
вывод, свидетельствующий о влиянии турбулентности на скорости сго-
рания в двигателе.
Как выше указывалось, увеличение нормальной скорости распростра-
нения фронта пламени в турбулентном потоке может быть объяснено
влиянием на величину нормальной скорости, полученной по макросним-
кам пламени, 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 установить
причины увеличения нормальной скорости распространения фронта пла-
мени при турбулентном горении. То обстоятельство, что изменение нор-
мальной скорости распространения фронта пламени м0/., полученное при
исследовании двигателя, согласуется с изменением скорости движения
газов в камере ъи, позволяет сделать предположение о том, что нормаль-
ные скорости при турбулентном сгорании могут увеличиваться за счет
увеличения микродеформации фронта при возрастании скорости движения
газов и 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 действительном значении нормаль-
ной скорости распространения пламени, соответствующей ламинарному
горению, то поверхность фронта пламени должна быть во много раз
большей, чем ее величина, определенная по макроснимкам пламени.
На фиг. 252 показаны изменения поверхности фронта пламени в за-
висимости от величины нормальной скорости распространения фронта
пламени для различных моментов.
Подсчет производился по уравнению:
dQ
„ dz
F =-----г;—.
Величина иОт менялась от значения иог = и0 — ламинарного горения
до значений, полученных из опытов по макроснимкам фронта пламени.
Из полученной диаграммы F=f(u[;r) видно, что при значении нор-
мальной скорости распространения фронта пламени, порядка величины
нормальной скорости распространения фронта пламени, ламинар-
ного горения ио = О,35 м/сек, поверхность фронта для средних
периодов процесса = —5,4 ° получается F = 0,116 м2, что почти
в 40 раз больше поверхности, получающейся по снимкам пламени и
дающей нормальную скорость турбулентного горения иот = 14— 15м/сек.
256
Результаты показывают, что столь значительное возрастание фронта
пламени по сравнению с поверхностью фронта, полученной по данным
фотоснимков, возможно лишь при условии разрыва фронта на элемен-
тарные объемы газа, как это предполагается Щелкиным [18]. Однако
в двигателе, у которого скорость перемещения газа tv— 10—15 м?/сек
Фиг. 252. Изменение поверхности фронта пламени в за-
висимости от величины нормальной скорости распро-
странения фронта пламени (а — 0,865).
вряд ли возможно возникновение таких турбулентных пульсаций, которые
привели бы к подобному разрыву фронта.
Если во фронте пламени такие разрывы исключить, то получающееся
увеличение нормальной скорости турбулентного горения в двигателе
до величины и07. = Ю—15 м/сек может быть объяснено увеличением
нормальной скорости вследствие изменения теплообмена во фронте при
турбулентности. Однако 20—-30-кратное увеличение иОг по сравнению
17 Процессы сгорания в двигателях 3896 257
с и0 ламинарного потока нельзя объяснить только изменениями теплооб-
мена во фронте пламени.
В опытах Дамкеллера [53] исследовался механизм горения газовой смеси
при условиях главным образом мелкомасштабной турбулентности. При
этом для чисел Рейнольдса от Re~4.103 до 7?е=23,3-103 увеличение
нормальной скорости турбулентного горения в среднем получалось
^0/' Щур
в пределах от —— =2,9 до —— =5,95. Уже это увеличение нормальной
скорости сгорания в турбулентном потоке в указанных пределах изме-
нений чисел Рейнольдса не соответствовало полностью тому увеличению
скорости, которое должно было бы получиться в случае только мелко-
масштабной турбулентности, изменяющей лишь все процессы обмена
в зоне горения. Это заставило Дамкеллера сделать предположение о том,
что уже в этих пределах изменений нормальной скорости горения имело
место и неучтенное частичное влияние крупномасштабной турбулентно-
сти, приводящей к возрастанию скорости сгорания, вследствие неучтен-
ной деформации фронта пламени.
При определении поверхности фронта пламени по фотоснимкам
в наших исследованиях несомненно значительная часть поверхности не
могла быть учтена. Поэтому частичное увеличение нормальной ско-
рости иОт при турбулентном горении является следствием неучтенной
поверхности фронта. Вместе с тем полученные результаты указывают на
то, что при турбулентном горении происходит увеличение нормальной
скорости распространения фронта пламени за счет увеличения тепло-
обмена во фронте при турбулентности.
Таким образом, полученный в исследованиях авторов рост нормаль-
ной скорости является следствием совокупного действия искривления
поверхности и изменения теплообмена во фронте пламени за счет турбу-
лизации. А это означает, что при турбулентном горении иОг > и0, т. е.
турбулентность потока приводит к изменению физико-химических преоб-
разований в зоне фронта за счет микротурбулентных процессов в зоне.
Вопрос о том, какой фактор—неучтенная поверхность или изменение
теплообмена в зоне — оказывает решающее влияние на характер распро-
странения фронта пламени в двигателе и какова зависимость между «0
и иОг, может быть решен лишь путем дальнейших более точных иссле-
дований при помощи микроснимков пламени.
§ 15. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
На основании проведенных исследований можно сделать главные вы-
воды в отношении динамики сгорания в двигателях с принудительным
зажиганием.
1. Особенности процесса сгорания позволяют охарактеризовать раз-
витие процесса сгорания в этих двигателях теми же основными пара
метрами, которые определяют развитие процесса сгорания в газовых
смесях.
2. Из проведенного исследования видно, что развитие процесса его
рания в этих двигателях характеризуется нормальной или массовой ско
ростью турбулентного сгорания и развитием поверхности фронта пла-
258
мени по пространству Сгорания. При этом скорость тепловыделения
может быть определена по общим уравнениям (111) и (109) современ-
ной теории сгорания
dQ и /
77 = umTFHCM кал/сек,
где
Um =UO Р кг гор. смеси/л/2сек.
Т
3. Полученные при помощи стробоскопического газового анализа,
ионизационного метода и фотографирования данные о движении фронта
пламени по камере двигателя позволяют обнаружить значительное влияние
турбулентности на характер развития сгорания.
4. Из проведенного исследования видно, что величины нормальной
скорости турбулентного сгорания иОт достигают значений и0Г = 10 —
15 М/сек, что в 20 — 30 раз больше значений нормальных скоростей
при ламинарном сгорании газовых смесей.
5. Подобное увеличение нормальной скорости сгорания подтверждает
влияние турбулентности на скорость распространения пламени. Увели-
чение же ее может быть объяснено влиянием неучтенной микродефор-
мации фронта, которую нельзя определить по макроснимкам пламени,
и изменением нормальной скорости при турбулентном горении вследствие
изменения условий теплообмена в каждом элементе фронта пламени.
6. Данные исследования процесса сгорания с помощью стробоско-
пического газового анализа и ионизационного метода позволяют пред-
полагать наличие явлений догорания за начальной поверхностью фронта
пламени. Эти данные указывают на то, что ширина зоны горения в дви-
гателе может достигать нескольких миллиметров.
7. Сопоставление результатов исследований, проведенных при по-
мощи четырех независимых экспериментальных методов (индицирование
давления, стробоскопический газовый анализ, ионизационный метод,
фотографирование пламени), в значительной степени обеспечивает
объективность полученных результатов.
8. Раскрытие механизма микротурбулентных явлений во фронте пла-
мени и уточнение современных воззрений на законы, управляющие
процессом сгорания в двигателях с принудительным зажиганием, требуют
дальнейших исследований процесса сгорания. Это требует применения
экспериментальных методов, обеспечивающих более детальное изучение
всех явлений, происходящих в движущемся фронте пламени.
ГЛАВА IV
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
§ 16. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Проблема создания и развития современных газовых турбин и воз-
душно-реактивных двигателей непосредственно связана с созданием
камер сгорания, обеспечивающих сгорание необходимого количества
топлива в газовом потоке. Современные камеры сгорания реактивных
двигателей должны обладать высокой теплонапряженностью камерного
пространства, доходящей до 200—250 и выше млн. ккал на каждый
кубический метр в час. Столь высокая теплонапряженность |камер сго-
рания требует интенсификации процесса сгорания в газовом потоке при
условии сохранения высокого значения коэфициента полноты сгорания
топлива в камере.
Организация сгорания больших количеств топлива в воздушном
потоке, обладающем большими скоростями, представляет одну из слож-
ных проблем реактивной техники. Поэтому теоретическое и эксперимен-
тальное изучение процессов сгорания в газовых потоках является важ-
нейшей задачей в решении этой проблемы.
При исследовании процессов сгорания в газовых потоках следует
учитывать особенности протекания процессов смешения и сгорания смеси
в камерах. В отличие от сгорания в поршневых двигателях, где происхо-
дит сгорание заранее подготовленной гомогенной смеси (карбюраторные
двигатели) или процесс сгорания осуществляется во всем объеме при
условии самовоспламенения топлива (дизели), в камерах сгорания, при-
меняемых в настоящее время на практике, смешение, как правило, осу-
ществляется распыливанием топлива в газовом потоке, процесс сгорания
происходит одновременно с процессом смешения топлива и воздуха.
Таким образом, процесс сгорания в газовом потоке с раздельной пода-
чей топлива и окислителя характеризуется одновременным развитием
процессов смешения и окисления топлива. В связи с этим при исследо-
вании процессов сгорания в подобных газовых потоках необходимо
учитывать не только кинетические процессы окисления, но и диффузион-
ные процессы перемешивания топлива с воздухом, при этом в зависи-
мости от ряда условий, в которых протекает процесс сгорания в газовом
потоке, могут являться определяющими кинетические или диффузионные
процессы.
§ 17. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ
В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
При исследовании процесса сгорания в газовом потоке с разделенной
подачей топлива и воздуха в общем случае развитие процесса может
быть рассмотрено как результат сложного сочетания процесса смешения
топлива с окислителем и химического процесса окисления. В зависимости
от соотношения скоростей этих двух явлений могут существовать два
предельных случая процесса. Когда общая скорость процесса опре-
деляется главным образом скоростью смешения, а скорость химических
реакций во много раз больше скорости смешения, процесс сгорания
представляет собой случай так называемого диффузионного горения.
Если же скорости смешения велики и процесс в целом лимитируется
только скоростью химических превращений, то процесс сгорания пред-
ставляет собой случай кинетического горения.
В камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей и газовых тур-
бин топливо впрыскивается с помощью форсунки в набегающий поток
воздуха. Температура этого воздуха, как правило, значительно ниже
температуры самовоспламенения впрыскиваемого топлива. Поэтому про-
цессы смешения и подготовки топливо-воздушной смеси перед сгоранием
имеют в таких камерах весьма существенное значение.
260
Вместе с тем на развитие сгорания смеси в подобных камерах могут
оказывать влияние и химические преобразования, которые в некоторых
случаях имеют скорости, соизмеримые со скоростями смешения. Поэтому
при исследовании процессов сгорания в газовых потоках с разделенной
подачей топлива и воздуха в общем случае следует учитывать наличие
диффузионного горения и возможность горения в кинетической области.
Если обозначить общее время сгорания смеси через тг> время сме-
шения через и время химических преобразований через тк> если не
учитывать частичного наложения процессов смешения и сгорания друг
на друга в течение первых периодов сгорания, то можно полагать
тг = тй + 'с«- (130)
В свою очередь процесс смешения складывается из двух одновре-
менно протекающих явлений — турбулентного перемешивания и молеку-
лярной диффузии. Поэтому общее время смешения представляет собой
результативное время действия обоих процессов.
Рассмотрим каждый предельный случай горения в отдельности.
Диффузионное горение
Как уже указывалось, диффузионное горение соответствует случаю,
когда время смешения намного больше времени химических превраще-
ний (та тк). В этом случае скорость сгорания определяется лишь
скоростью смешения топлива с воздухом.
Следует отметить, что термин „диффузионное горение" по существу
не характеризует особенностей собственно процесса сгорания как опре-
деленного физико-химического процесса превращения топлива в про-
дукты сгорания. По существу этот термин в той интерпретации, которую
придают ему авторы теории диффузионного горения, означает процесс,
при котором общее время превращения главным образом состоит из
времени, потребного для смешения топлива с окислителем. Поэтому
термин „диффузионное горение“ следует считать относящимся к про-
цессам подготовки топлива к сгоранию, а отнюдь не характеризующим
самый процесс сгорания.
Вследствие отсутствия точной аналитической теории процессов сме-
шения применительно к рассматриваемому случаю приходится ограни-
чиваться лишь качественной оценкой явлений смешения в газовом потоке
при помощи метода размерностей.
Подобный метод исследования „диффузионного горения'* был раз-
работан Франк-Каменецким [17].
Обозначим средний размер объемов, на которые раздроблено топливо
в воздухе, через 6. Эту величину Франк-Каменецкий называет масшта-
бом дробления.
Если процесс смешения определяется только молекулярной диффу-
зией, то время смешения будет пропорционально отношению, т. е.
82
где D—коэфициент диффузии.
261
(132)
1и ’
обмена;
Если смешение происходит посредством турбулентного перемешива-
ния, то при этом время смешения
82
где е.—1и — коэфициент турбулентного
и — средняя квадратичная пульсационная скорость неупорядочен-
ного движения отдельной турбулентной сферы;
I — путь смешения, на котором отдельная турбулентная сфера
сохраняет значение скорости и (масштаб турбулентности).
Если величина дробления 8 больше пути смешения /, то смешение
будет происходить главным образом за счет турбулентной диффузии.
В этом случае скорость горения будет пропорциональна величине сред-
ней пульсационной скорости и, т. е.
(133)
Согласно теории Франк-Каменецкого этот случай является наиболее
распространенным случаем „диффузионного горения".
В случае совершения процессов смесеобразования при помощи
турбулентной диффузии Франк-Каменецкий полагает, что толщина фронта
пламени будет пропорциональна масштабу дробления.
Д/ ~ а (134)
При этом, если предположить, что под величиной а, т. е. масштабом
дробления, понимается величина, равная масштабу турбулентности I
в том места потока, где происходит процесс раздробления топлива
в воздухе, то
а ~ I (135)
В этом случае из вышеприведенного уравнения (133) следует, что
Скорость горения пропорциональна только пульсационной скорости.
и ~ и. (136)
Франк-Каменецкий считает, что микродиффузионное турбулентное
горение и соответствует как раз этому случаю. Некоторые исследова-
тели предполагают, что время „диффузионного горения" есть величина
обратно пропорциональная средней скорости турбулентного потока.
~ i 037)
В случае развития процессов сгорания в газовом потоке весьма
важным является сопоставление времени, необходимого для полного
завершения процесса сгорания, со временем пребывания топлива в ка-
мере.
262
Для прямоточной камеры время пребывания газов в камере опреде-
лится из соотношения
LK
—
Wcp
(138)
где LK — длина камеры;
— средняя скорость газов в камере.
Кинетическая область горения
Кинетическая область горения характеризуется тем, что время, по-
требное на химические превращения, намного больше времени смеше-
ния как уже указывалось, при этом время сгорания опре-
деляется основными физико-химическими закономерностями собственно
процесса сгорания. В этом случае развитие процесса сгорания будет
определяться законами химической динамики и теории сгорания, основ-
ные положения которых были рассмотрены выше.
Существование кинетической области горения в газовом потоке опре-
деляется условиями, при которых начинается развитие реакции горения
газовой смеси. В частности, например, если газовая смесь в потоке
образуется при наличии достаточно полного смесеобразования и при
температуре поступающего в камеру воздуха, превышающей температуру
самовоспламенения, то очевидно, процесс сгорания будет определяться
главным образом кинетикой химических превращений, как это имеет
место в дизелях. Анализ развития процесса сгорания при этом может
быть произведен общими методами химической динамики.
Турбулентное горение газовой смеси
Кроме рассмотренных двух предельных случаев горения смеси,
в газовом потоке возможен третий случай турбулентного горения, когда
на скорость сгорания влияют кинетические факторы и гидравлические
явления в готовой газовой смеси, определяющие подвод свежей смеси
в зону горения фронта пламени.
Если перед сгоранием в камере топливо-воздушная смесь теми или
иными способами настолько хорошо подготовлена, что поступает в камеру
как гомогенная смесь, и если сгорание смеси начинается в температур-
ных условиях, не обеспечивающих самовоспламенения топлива, а воспла-
менение смеси происходит от постороннего источника, то развитие
процесса сгорания будет соответствовать турбулентному горению гомо-
генной газовой смеси В этом случае сгорание в камере аналогично
сгоранию гомогенной смеси с той лишь разницей, что в газовом потоке,
движущемся в камере с некоторой скоростью, фронт пламени будет
стоять на месте, а свежая смесь подаваться к фронту пламени со ско-
ростью движения потока.
В существующих камерах сгорания процесс сгорания в газовом потоке
всегда начинается в температурных условиях, не обеспечивающих само-
263
воспламенения топлива, при этом процесс смешения топлива с воздухом
производится распиливанием топлива через форсунку непосредственно
перед сгоранием смеси. В этих условиях имеются основания считать,
что в камерах сгорания газотурбинных двигателей сгорание может
лимитироваться условиями смешения топлива с воздухом.
Однако наличие в современных камерах хорошо разработанных
способов для ускорения смесеобразования и большая турбулизация воз-
душного потока, поступающего в камеру, указывают вместе с тем и
на то, что в камере сгорания безусловно происходит сгорание смеси
во фронте пламени турбулентного потока.
Теоретически можно предполагать, что в случае наличия гомогенной
смеси при сгорании в газовом потоке должен образоваться фронт
пламени, ширина которого будет определяться характеристикой газового
потока и физико-химическими свойствами смеси.
Если условия сгорания смеси в газовом потоке соответствуют условиям
сгорания карбюрированной смеси в поршневых двигателях, то ширина
фронта пламени в газовом потоке должна лежать в пределах ширины
фронта пламени, полученной для карбюраторных двигателей. При этом,
если скорость распространения фронта соответствует скорости газового
потока, то фронт пламени в камере относительно стенок будет неподвижен.
При увеличении скорости газового потока ширина фронта пламени
может увеличиться вследствие большей турбулизации потока, приводящей
к увеличению деформаций фронта и возможным ее разрывам. Кроме
этого, если учесть, что в газовом потоке смесь не является полностью
гомогенной и что в процессе сгорания происходит смешение топлива с воз-
духом, то увеличение ширины зоны превращений во фронте может произойти
также за счет явлений смесеобразования непосредственно в период сго-
рания. При этом ширина фронта пламени может иметь значительные
размеры, намного превосходящие ширину фронта при сгорании гомоген-
ной смеси.
В современных камерах сгорания смесеобразование осуществляется
распыливанием топлива через форсунку. Поэтому в этих камерах про-
цессы смешения топлива с воздухом и сгорания накладываются друг
на друга. Это приводит к большой ширине зоны превращения, которая
и образует обычно наблюдаемый в камерах факел горения.
В зависимости от качества смесеобразования перед сгоранием и
в период сгорания в газовом потоке будет образовываться гомогенная
смесь, количество и качество которой и будут оказывать существенное
влияние на развитие процесса и ширину фронта пламени.
Степень приближения действительного процесса сгорания в камерах
к схеме турбулентного горения гомогенной газовой смеси будет зависеть
от характера и качества смесеобразования и может быть выяснена только
на основании экспериментальных данных.
§ 18. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
При экспериментальном исследовании процесса сгорания и анализе
полученных опытных данных по сгоранию топлива в газовом потоке
всегда необходимо вскрыть динамику процесса и тем самым получить
264
возможность сопоставления развития процесса по времени в зависимости
от ряда факторов.
Данных по динамике сгорания в прямоточных камерах в настоящее
время еще очень мало; в литературе же по реактивным двигателям они
вообще отсутствуют.
Ниже приводятся предварительные опыты авторов по исследованию
процессов сгорания в газовом потоке.
Экспериментальные материалы, полученные на основании указанных
опытов, дают приближенную, при этом только качественную характери-
стику развития процесса, так как, во-первых, они были проведены на
простой цилиндрической камере, не отвечающей современным требова-
ниям осуществления процесса сгорания с высоким значением коэфициента
использования тепла, и, во-вторых, они были получены частично на
основании исследования процесса сгорания лишь по нескольким замерам
параметров в каждом сечении. Поэтому приводимые ниже данные экспе-
риментального исследования процесса сгорания в газовом потоке имеют
главным образом методологическое значение.
Полученные результаты исследований не могут рассматриваться как
количественные соотношения для современных камер сгорания.
Основной задачей проведенных исследований являлось определение
характера развития процесса сгорания в газовом потоке, не имеющем
специальных турбулизирующих устройств, в зависимости от основного
кинетического фактора — температуры воздуха на входе в камеру.
В связи с этим полученные результаты исследования необходимо рас-
сматривать как первые качественные характеристики динамики сгорания
в газовом потоке.
Экспериментальный метод исследования динамики сгорания был
в общих чертах изложен в § 4 данной работы.
Для элементарного участка индикаторной диаграммы с учетом тепло-
вых потерь на теплопередачу в стенки и диссоциацию газов согласно
первому закону термодинамики имеем
фй!О = du -ф- Ad (р V) + AGd
2g.
(139)
где ф — коэфициент использования тепла реального процесса.
Коэфициент ф по ходу сгорания может изменяться. Однако эти
изменения не должны быть большими, так как потери тепла на тепло-
передачу и диссоциацию в различные моменты процесса меняются не-
значительно. Поэтому в расчетах величину ф можно считать постоянной.
Абсолютное значение коэфициента ф может быть выбрано на основа-
нии экспериментальных данных.
Таким образом, элементарное количество тепла, соответствующее
повышению внутренней энергии рабочего тела и совершенной работе
против поверхностных сил при течении, будет найдено из соотношения
dQ.t = ^dQ, (140)
где dQ — элемент тепла, выделившегося при сгорании топлива на рас-
сматриваемом участке.
265
Тогда
dQi = du±Ad(pV)~]-AGd(.
После некоторых преобразований получим
dQi = (KPd V + VdP)
и после интегрирования
V р
Q^A^pdV+A-^jVdp.
Ц) Ро
(141)
(142)
(143)
Для использования полученного уравнения при обработке эксперимен-
тального материала индикаторная диаграмма, полученная опытным путем,
должна быть перестроена в диаграмму pV следующим образом:
Фиг. 253. Типовая диаграмма.
Фиг. 254. /?1/-диаграмма ра-
бочего процесса в камере.
объем газов Vt в начале сгорания может быть найден из соотноше-
ния (52)
у _ G ^(1 + д£0) Gm
1 11 fl
где 'fj — удельный вес воздуха в начале сгорания;
а — коэфициент избытка воздуха в камере;
Gtn— секундный расход топлива.
Величины а и Qm определяем опытным путем
Величину •(] находим из соотношения
Ъ=Д, (144)
где рг и Т\ — давление и температура воздуха в начале сгорания.
Последующие объемы по сечениям камеры могут быть найдены по
уравнению (53)
где Д2 и ^2 — давление и температура газов в последующих сечениях,
определяемые опытным путем.
Наличие для каждого сечения камеры величин р и Т (фиг. 253) и
объемов V позволяет перестооить индикаторную диаграмму pl в диа-
266
грамму р\- (фиг. 254) и использовать ее для исследования уравне-
ния (143).
v Р
Слагаемые J pdV и J Vdp этого уравнения в р V-диаграмме пред-
Ц) Ро
ставляют площади L и L' (фиг. 254). Поэтому практически при экспе-
риментальном исследовании процесса сгорания в камере может быть
использовано уравнение
Qi=A\^rTL^~k^\L ] ’
где L и L' определяются непосредственно по р V'-диаграмме, построен-
ной по опытным данным.
По уравнению (143) может быть построена диаграмма Qi =f(V) для
камеры с расходом топлива Gm кг/сек. Полученные данные позволяют
определить доли сгоревшего топлива xt, соответствующие повышению
внутренней энергии рабочего тела и совершенной работе и представляющие
собой коэфициент использования тепла xt для каждого момента процесса
сгорания.
Значения xt находим по уравнению
Qi
Xi~HuGm ’
где Ни — теплотворная способность топлива.
Полученные таким образом значения xt для каждого момента про-
цесса могут быть изображены в виде диаграммы xi—f(V) и перестроены
в зависимость xt = f(l) (фиг. 255).
Для построения диаграммы xt в зависимости от времени т надо иметь
значения скорости газа в камере, которые могут быть найдены путем
измерения. Однако эти скорости можно определить и расчетным путем.
По теории течения
Gd^=-Vdp, (146)
откуда
р>
~ («-22 - W?) = j Vdp=L'. (147)
p'i
Зная начальную скорость газов в камере
1 Л71 v
и имея по диаграмме (фиг. 254) величины L' для каждого участка,
можно определить скорости газов в конце каждого участка и по-
строить зависимость w =f(J).
Кроме того, скорость в каждом сечении может быть найдена по
формуле (148):
+ nLa) Gm
/•'Y
где F—рассматриваемое сечение камеры, определяемое непосредственно
по размерам камеры;
267
f—удельный вес газов в рассматриваемом сечении.
Зная скорость газов на каждом участке, можно определить среднее
значение времени движения газов между двумя соседними сечениями Дт
и построить зависимость xf = f(t).
Закон сгорания х—/(г) (фиг. 256) будет найден по уравнению (33):
х = хг-|-хда-]-ха,
где xi— доли сгоревшего топлива, тепло которого идет на повышение
внутренней энергии газа и совершение работы;
Фиг. 255. Диаграмма за-
висимости Xi= f (I).
Фиг. 256. Диаграмма за-
висимости Xj = / (т).
Xw — доли сгоревшего топлива,
рям в стенки;
ха — доли сгоревшего топлива,
циацию газов.
тепло которого соответствует поте-
тепло которого тратится на диссо-
Фиг. 257. Схема термо
пары: I — фарфоровая
трубочка 0 2 мм с от-
верстием 1 мм.
Фиг. 258. График та-
рировки термопары
(действительная тем-
пература 1570° С).
Величина xw может быть найдена на формулам теплопередачи, а вели-
чина ха — по уравнениям физико-химического равновесия. Формулы для
подсчета этих величин общеизвестны.
Изложенная методика экспериментальных исследований позволяет
выявить динамику процесса сгорания в камере, определить влияние на
него различных факторов, а также проверить зависимости и расчетные
уравнения, выведенные на основании теоретических соотношений. Сле-
дует указать, что экспериментальное определение динамики сгорания
в камере требует весьма тщательной постановки опытов по измерению
температур, давлений и скоростей газового потока в различных его се-
чениях. Прежде всего необходимо иметь аппаратуру, которая обеспечи-
268
вает минимальную погрешность при замерах параметров. В первую оче-
редь это касается приборов для замера высоких температур, развиваю-
щихся при сгорании.
Измерение высоких температур в газовом потоке представляет зна-
чительные трудности. В настоящее время наиболее разработанным спо-
собом измерения высоких температур является метод термометрии
с помощью термопар. Однако при применении в исследованиях термопар
необходимо принять меры к максимальному уменьшению возможных
погрешностей в замерах температур.
Можно наметить два мероприятия, позволяющих значительно снизить
погрешности в показаниях термопар, связанные с потерями на лучеис-
пускание.
Фиг. 259. Схемы четырехэкранной термопары.
Первое мероприятие заключается в повышении скорости газа перед
открытым спаем термопары. В этом случае потери на лучеиспускание
компенсируются увеличением коэфициента теплопередачи.
Применяя термопары с повышенной скоростью газа около спая
(фиг. 257), можно полагать, что, начиная со скорости газа около спая,
равной 150 м/сек, погрешности в показаниях термопары становятся
весьма незначительными (фиг. 258).
Второе мероприятие заключается в создании экрана, окружающего
спай термопары, как показано на фиг. 259. Опыты над термопарами
с различными экранами, выполненными из различных материалов, пока-
зывают, что при правильном экранировании спая можно добиться пока-
заний термопар, очень близких к действительным температурам газа.
При применении термопар, экранированных четырьмя цилиндрическими
экранами (фиг. 259), абсолютная ошибка в определении температур не
превышает 11° С, а замена четырех металлических экранов одним экра-
ном из слоя фуллеровой земли толщиной в 6,4 мм приводит к таким
же результатам.
Далее следует иметь в виду, что для определения динамики сгора-
ния, соответствующей действительному развитию процесса, необходимо
экспериментально определить поля параметров по сечениям. Другими
словами, необходимо в каждом сечении камеры замерить температуры
269
в большом числе точек и по полученным полям температур и скоростей
оценить возможные их средние значения для данного сечения.
Определение опытным путем полей параметров при испытании камер
сгорания связано с большими трудностями. Однако для получения пра-
вильной картины развития процесса эти трудности должны быть преодо-
Фиг. 260. Схема камеры в первой
серии опытов.
лены, так как в противном случае за-
меры параметров лишь в отдельных
точках сечения не дадут действитель-
ной характеристики процесса.
Всего было проведено три серии
опытов в прямоточной камере сгора-
ния и одна серия опытов в пульсиру-
ющей камере.
Для первой серии опытов в прямо-
точной камере была спроектирована и
построена опытная камера, схематиче-
ский чертеж которой изображен на
фиг. 260.
Сечения камеры на входе воздуха и перед соплом были определены
по расходу воздуха и условию сгорания при р—const. Камера имела
размеры: диаметр камеры в месте установки форсунок £\=225 мм,
диаметр камеры перед соплом D2 — 295 мм, длина камеры I = 530 мм.
Таким образом, объем опытной ка-
меры VK был равен 0,0383 м3.
Выходное сечение камеры представляло
прямоугольное сопло, сечение которого
Фиг. 261. Кривая фракционной
разгонки бензина.
Фиг. 262. Схема экспериментальной установки
с опытной камерой.
можно было регулировать, поворачивая вертикальные боковые его стенки.
Стенки камеры охлаждались водой, количество которой регулирова-
лось в зависимости от режима работы камеры.
Нормальный режим работы камеры соответствует расходу воздуха
Oe = 1 кг{сек. Топливо подавалось непрерывно насосом в баллон-акку-
мулятор, в котором в зависимости от режима работы камеры поддер-
живалось определенное постоянное избыточное давление.
Поступление топлива из баллона в камеру осуществлялось через пять
270
форсунок, расположенных на одинаковых расстояниях одна от другой
по окружности начального сечения камеры.
В качестве топлива применялся бензин, основные физико-химические
константы которого следующие: удельный вес ^°=0,7468, вязкость
при 37,8е С — 0,00532 стокса, температура выкипания 5О°/о — %«/„ =
= 98° С, низшая теплотворная способность Ни= 10500 ккал, содержа-
ние водорода и углерода в % (по весу) Н= 14,75%, С = 85,25%.
На фиг. 261 представлена кривая разгонки бензина
Воздух подавался в камеры с помощью нагнетателя, приводимого
в движение электромотором. С целью устранения влияния подачи (коли-
чества движения) воздуха на показания динамометра воздух подводился
в камеру снизу, вертикально, т. е. перпендикулярно к направлению
движения газов в камере. Перед камерой мог быть установлен завихри-
тель, служащий для некоторой искусственной закрутки газового потока.
На фиг. 262 показана экспериментальная установка с опытной ка-
мерой.
Электродвигатель 7 приводит в действие нагнетатель 2, подающий воз-
дух через трубопровод, соединенный резиновым рукавом 3. Из трубо-
провода воздух поступает сначала в электроподогреватель, а затем в реси-
вер 4, где может быть установлен завихритель 5, создающий вихревые
движения воздуха, поступающего через промежуточный фланец 77 в ка-
меру 6. Газы истекают из камеры через сопло 7 с регулируемым выход-
ным сечением. Камера установлена на тележке 8, движущейся на четы-
рех колесах с роликовыми подшипниками по желобчатым рельсам 9,
прикрепленным к неподвижной станине 10. Динамометр 77, соединенный
тягами через ролик 72 с тележкой, служит для определения тяги. То-
пливный насос 13 вместе с баллоном-аккумулятором 14 крепится на те-
лежке, и топливо подаётся в камеру через форсунки 15, соединенные
с баллоном нагнетательными трубками 16.
Установка была оборудована измерительной аппаратурой, с помощью
которой определялись следующие величины:
Секундный расход топлива......................................Gm кг/сек
Секундный расход воздуха.......................................Ga кг!сек
Сила тяги................................................... Р кг
Расход воды...................................................Gw кг] час
Температура входящей воды .................................. tw° С
Температура выходящей воды.................................. % С
Давление воздуха и газов в различных сечениях камеры........... р кг!см?
Температура воздуха и газов в различных сечениях камеры .... Т° К
Сечение выходного отверстия сопла........................... f смг
Давление топлива в баллоне.....................................Pm кг/смг
Давление и температура окружающей среды....................... Рн 11 t °
Расход топлива определялся с помощью мерных бачков, расход воз-
духа — по мерной шайбе, установленной на всасывании в нагнетатель;
тяга измерялась непосредственно динамометром; расход воды для охла-
жде шя камеры определялся с помощью мерного бака; температуры воды
замерялись обычными ртутными термометрами.
Сечение выходного отверстия сопла определялось по тарировочной
шкале положения дросселя. Давление топлива в баллоне, соответствую-
271
щее давлению впрыскивания, показывал манометр, установленный на бал-
лоне. Давление газа в камере определялось с помощью ртутных мано-
метров. Давления замерялись в трубопроводе перед камерой и в пяти
сечениях камеры. Расположение сечений, в которых измерялись давления
и температуры, показано на фиг. 263. Эти сечения располагались на рас-
стоянии: /—215 мм, //—360 мм\ III 440 мм и IV—530 мм от плоско-
сти расположения форсунок.
Давление и температура воздуха перед камерой измерялись в сече-
нии А (фиг. 263).
Температура воздуха перед камерой находилась по ртутному термо-
метру, а температура газов в камере—по термопарам.
Схема термопары для измерения высоких температур с керамическим
экраном показана на фиг. 264.
Фиг. 263. Расположение сечений с замерами
давлений и температур:
/, //, III, IV — центральные термопары; I — воздушная
термопара; 1, 2, 3, — периферийные термопары.
Фиг. 264 Схема тер-
мопары с керамиче-
ским экраном.
В опытной камере были сняты характеристики процесса сгорания
для трех начальных температур 7j входящего воздуха при трех значе-
ниях коэфициента избытка воздуха а для каждой начальной температуры.
Значения температур 1\ и коэфициента а брались в следующем со-
четании:
Коэфициент Температуры
избытка воздуха а Л СК 1 П III
1,55 3/3 483 603
1,65 373 483 603
1,865 3731 483 603
По условиям работы электроподогревателя воздуха оказалось невоз-
можным получить температуру входящего воздуха выше 600° К. В связи
с этим опыты проводились при температурах смеси (воздух и бензин)
ниже температуры самовоспламенения топлива.
Основные данные экспериментов представлены на приводимых ниже
фигурах. /
Характер изменения давления в камере в зависимости от начальной
температуры 7\ входящего воздуха показан на фиг. 265, 266 и 267.
272
Фиг. 265. Изменение
давлений в камере в
зависимости от на-
чальной температуры
Г1 при <z=l, 55; 1, 2,
3, 4 —номера сечений.
Фиг. 266. Изменение
давлений в камере в
зависимости от на-
чальной температуры
Т\ при а = 1,65; 1, 2,
3, 4—номера сечений.
Фиг. 267. Изменение
давлений в камере в
зависимости от на-
чальной темпеоатуры
Г1 при а - = 1,865; 1, 2,
3, 4—номера сечений.
m0Op№Ofl06QPOSOJll Ъхк
Фиг. 269. Изменение
средних температур в
камере по времени
развития процесса
при а = 1,65.
W0,004 OftQOOJM 0fi1 Тсек
Фиг. 268. Изменение
средних температур в
камере по времени
развития процесса при
: а = 1,55.
Фиг. 270. Изменение
средних температур в
камере по времени
развития процесса при
а = 1,865.
Фиг. 271. Зависимость ма-
ксимальной температуры
7'шах от температуры вхо-
дящего воздуха 7j для раз-
личных а.
0,002 Ojm OJD06 0,000 0,010 Zcel
Фиг. 272. Изменение относи-
тельного количества выде-
лявшегося тепла х по вре-
мени процесса при а =1,55.
18 Процессы сгорания в двигателя
3896
273
Незначительные изменения давлений газов в камере для различных
7j позволяют исключить из рассмотрения влияния давления газов >на
динамику процесса сгорания.
Для расчета динамики сгорания принимались средние значения тем-
пературы в рассматриваемом сечении камеры. Эти средние температуры
определялись по среднеарифметическому значению показаний централь-
ной и периферийной термопар.
Фиг. 273. Изменение относи-
тельного количества выделяв-
шегося тепла х по времени
процесса при а= 1,65.
0D020jmCHX60jm Otftcek
Фиг. 274. Изменение отно-
сительного количества вы-
делявшегося тепла х ^по
времени процесса при
а, — 1,865. в
Изменение средних температур по времени развития процесса в ка-
мере показаны на фиг. 268, 269 и 270.
На фиг. 271 показано изменение максимальных значений температур
Ушах в зависимости от температуры входящего воздуха для различ-
ных а.
На фиг. 272, 273, 274 показаны изменения относительных количеств
выделявшегося тепла х в зависимости от времени процесса, т е. дана
от температуры подогрева
Tj для различных а.
Фиг. 276. Зависимость сред-
ней скорости газа в камере
от температуры подогрева
для различных а.
динамика процесса сгорания. Расчет динамики сгорания производился
по методам, изложенным выше. Диаграмма x—f(x) показывает, что
повышение начальной температуры входящего воздуха приводит к умень-
шению доли тепла, выделяющегося в камере (фиг. 275). Подобное влия-
ние 7\ на процесс сгорания наблюдается во всех опытах.
Уменьшение величины х с повышением 7'1 может быть объяснено
тем, что при одном и том же характере кинетики процесса с увеличе-
нием температур газов из-за повышения начальной температуры увеличи-
ваются объемы, повышается средняя скорость движения газа в камере
274
и вследствие этого уменьшается время пребывания смеси в камере, что
видно из фиг. 272, 273 и 274.
То же самое подтверждается анализом изменения средней скорости
газов в камере и времени пребывания, представленных на фиг. 276 и
средние скорости газов растут, 'а
277. Как видно, для всех опытов
время пребывания уменьшается с уве-
личением начальной температуры Tt.
Отсутствие влияния начальной
температуры воздуха Тi на динамику
процесса сгорания подтверждается
данными табл. 49, в которой при-
водятся средние скорости тепловы-
деления, подсчитанные по формуле
Q____ Qi . Xitnax Grn^u (149)
Фиг. 277. Зависимость времени пре-
бывания газов в камере от тем-
пературы подогрева для различ-
ных а.
Из приведенных расчетов видно,
что средняя скорость тепловыделе-
ния при всех начальных температурах воздуха изменяется весьма мало,
несколько уменьшаясь в сторону больших значений начальных темпе-
ратур воздуха. Практически среднюю скорость тепловыделения можно
считать постоянной и, следовательно, динамику сгорания не зависящей
от начальной температуры воздуха.
Таблица 49
Средние скорости тепловыделения
а. Показатели рабочего процесса камеры Температура воздуха при входе в рабочую часть камеры в °К
373 483 603
1,55 xi max Gtn в кг/сек в сек. С в кал/сек* 0,78 43,3 • 10~3 10,6 • 10"“3 33,5 103 0,7 43,3 10~3 10,3 • 10-3 31 103 0,65 43,3 10 3 10,0 • 10'3 29,3 • 103
1,65 Xi шах Gm в кг)сек •tn в сек. С в кал)сек2 0,78 41,0 10~3 10,8 • 10-3 31,2 103 0,73 41,0 • 10“3 10,5 10~3 30 • 103 0,65 41,0 103 10,0 10"3 28 103
1,85 max Gm н кгjсек в сек. С в кал!сек2 0,89 36,0 • 10-3 10,8 10-3 31 • 103 0,82 36,0 • 10~3 10,7 • 10~3 28,8 103 0,76 36,0 • 10-3 10.0 ю-3 28,5 1U3
Полученные результаты позволяют сделать выводы, характеризую-
щие качественную сторону исследованных процессов в камере.
В опытной камере при начальных температурах воздуха, меньших
температуры самовоспламенения топлива, и при осуществленном смесе-
* 275
образовании без дополнительных специальных устройств, обеспечиваю-
щих быстрое и хорошее перемешивание топлива с воздухом, повышение
начальной температуры воздуха в пределах от 373° до 603° К практи-
чески не изменяет динамику процесса сгорания.
Эти выводы не позволяют делать каких-либо обобщений, так как
из исследований видно, что при смесеобразовании, осуществленном
в опытной камере, и получаемых в камере скоростях движения газа
процесс сгорания не успевает закончиться до выхода смеси из камеры,
так как время пребывания смеси в камере очень мало. Камера сгора-
ния имеет недостаточную длину, для того чтобы получить полную
характеристику процесса сгорания при повышенных температурах входя-
щего воздуха, когда заметно увеличивается скорость газового потока
и сокращается время пребывания смеси в камере.
В связи с этим вторая серия опытов в прямоточной камере была
проведена на другой опытной цилиндрической камере, эскиз которой
показан на фиг. 278.
Фиг. 278. Схема опытной камеры во второй серии опытов:
1 — регулируемое сопло; 2 — рабочая камера; 3 — термопары подогрева: 4 — камера сгорания для
подогрева воздуха: 5 — форсунки подогрева; 6 — рабочая форсунка. /—XII — номера сечений.
Длина рабочей части камеры была увеличена до /=1100 мм, диа-
метр камеры D = 230 мм. Камера была подвешена на специальном
устройстве, допускающем измерение силы тяги.
В целях получения при испытании большого диапазона начальных
температур газа перед рабочей частью камеры было установлено
специальное устройство, состоящее из цилиндрической трубы,
в которую подводился воздух от компрессора и подогревателя, поме-
щенного внутри цилиндрической трубы. В подогревателе сжигался
бензин с .большими значениями коэфициента избытка воздуха. Повыше-
ние температуры входящего в камеру воздуха производилось за счет
смешения свежего воздуха с продуктами сгорания, выходящими из
подогревателя. Таким образом, с увеличением температуры подогрева
входящего в камеру потока происходило некоторое разбавление воздуха
продуктами сгорания.
Поскольку подогрев воздуха осуществлялся путем дополнительного
сжигания топлива в камере подогрева, приходится различать три зна-
чения коэфициента избытка воздуха, соответствующих трем составам
газов.
Первое значение коэфициента избытка воздуха характеризует
состав газа после прохождения его через камеру подогрева, где и осу-
ществляется первое сжигание топлива для увеличения начальной темпе-
ратуры газа, поступающего в рабочую часть камеры. Это значение коэ-
фициента избытка воздуха обозначается как anog02p.
276
Второе значение коэфициента избытка воздуха о.раб характеризует
то его теоретическое значение, которое было бы в рабочей части
камеры сгорания при условии, если бы в камеру поступал частый
воздух. И, наконец, третье значение коэфициента избытка воздуха асум
характеризует состав газов в рабочей части камеры с учетом доли
топлива, поданной в камеру подогрева.
В рабочей камере топливо впрыскивалось навстречу потоку воздуха
с помощью одной форсунки, установленной в передней части рабочей
камеры. Форсунка — открытого типа, с давлением распыли-
вания от 20 до 50 кг/см2. Конструкция форсунки приведена
на фиг. 279.
В качестве топлива применялся бензин, характеристики
которого были представлены выше.
"1 Никаких специальных устройств для завихрения воздуха
[ не применялось. В конце камеры было установлено сопло,
отверстие которого могло регулироваться во время работы
камеры.
/ i ? .воздух для охлаждения f f*
Фиг. 279.
Схема рабо-
чей форсун-
ки.
1 — рабочая камера; 2 — труба воздушного охлаждения камеры; 3— регули-
руемое сопло; 4 — ресивер воздушный; 5 — ртутный термометр; б— компрес-
сор для нагнетания воздуха в камеру; 7—камера подогрева; 8— насадок Вен-
тури; 9—муфта сцепления электромотора с компрессором; 10 — электро-
мотор; 11 — вентилятор высокого давления для охлаждения рабочей камеры;
12 — электромотор; 13 — пьезометр водяной; 14 — пьезометр водяной.
Римскими цифрами обозначены номера сечений, в которых произво-
дились замеры параметров газового потока.
На фиг. 280 показана схема движения воздушного и газового по-
токов. Воздух из компрессора подавался в ресивер по двум трубам,
расположенным по боковым поверхностям ресивера, и затем поступал
в камеру подогрева и далее в рабочую часть камеры сгорания.
Для охлаждения камеры сгорания был установлен специальный
вентилятор, который подавал воздух в две трубы, расположенные
с обеих сторон камеры сгорания (фиг. 280). Из этих труб через ряд
отверстий производились обдув и охлаждение камеры сгорания.
На фиг. 281 показана схема топливной системы установки.
Из топливного насоса 3 бензин подавался в специальные топливные
ресиверы 5 и 13, служащие аккумуляторами топлива для поддержания
постоянного давления впрыскивания в подогревателе и рабочей части
* 277
камеры. Из ресиверов топливо под постоянным давлением направлялось
к форсункам.
Для исследования динамики процесса сгорания в газовом потоке
производилось определение поля температур и поля составов продуктов
сгорания по различным сечениям камеры сгорания. В каждом сечении
производилось измерение температуры и составов газов в четырех точках
(фиг. 282). Давление газов находилось в каждом сечении камеры одним
замером.
Фиг. 281. Схема топливной системы установки:
1 _ рабочая камера; 2 — рабочая форсунка; 3 — топливный иасос; 4 — кран;
5 — топливный ресивер; 6 — электродвигатель; 7 — кран перепуска топлива;
8 — манометр 9— кран; 10— фйрсун.са подогревательного устройства;
1Г— электродвигатель; 12 — подкачивающий насос; 13 — топливный ресивер;
14^— кран перепуска топлива; 15 — манометр; 16 — штихпробер; 17 — кран.
О ^Кроме’этого, производились определения расходов воздуха и топлива,
температуры входящего воздуха, состава газов на входе в рабочую
часть камеры, температуры в выходном отверстии сопла, длины факела
за соплом, силы тяги, давления распиливания и поля скоростей газового
потока в последнем сечении рабочей части камеры.
Схема расположения приборов для производства указанных измере-
ний изображена на фиг. 283.
Поля давлений определялись в сечениях I, II, III, IV, V, VI, VII,
VIII, IX, X, XI и XII. Поля температур определялись в сечениях III,
V, VII, IX, X и XI. В выходном сечении сопла температура опре-
делялась только для центра сечения.
1 Поля составов газов определялись в сечениях II, V, VII, IX,
XI, XII.
Температура подогрева воздуха определялась термопарой в сече-
Нии IA.
278
Фиг. 282. Схема разбивки сече-
ния камеры на равновеликие
пояса (крестиками обозначены
места замеров).
Фиг. 283. Схема расположения приборов на опытной камере:
1 — газовый отбор; 2 — щит замеров давлений по длине камеры; 3 — замер температур
газа по длине камеры; 4 — рабочая форсунка; 5 — форсунка подогрева; 6 — термопара для
замера температуры подогрева; 7 — ртутный термометр для входящего воздуха; I — XII—
номера сечений.
279
L» $0
280
Температуры входящего воздуха из компрессора измерялись термо-
метром 7.
Расход топлива измерялся объемным способом с помощью мерных
бачков.
Расход воздуха находился с помощью специального тарированного
мерного насадка. Скорости газа в камере измерялись трубкой стати-
ческого напора
Давление газов в камере определялось с помощью пьезометров.
Поля составов продуктов сгорания в различных сечениях камеры
находились методом газового анализа. Отбор газов из камеры произ-
водился при помощи специального устройства, эскиз которого изобра-
жен на фиг. 284.
Газы отсасывались через трубку 7, помещенную в корпусе 2, имею-
щем интенсивное водяное охлаждение, исключающее догорание отбирае-
мых проб газа.
Газоотборник мог перемещаться в радиальном направлении и произ-
водить отбор газа из различных мест данного сечения камеры.
Особое внимание при исследовании было обращено на определение
поля температур.
Одной из задач, которую пришлось разрешить при проведении
опытов, являлась разработка термопары, обеспечивающей достаточную
точность показаний и не требующей введения больших поправок в дан-
ные, полученные непосредственным замером.
В представленных исследованиях были применены экранированные
термопары. Экраном являлась цилиндрическая трубка, выполненная из.
карборунда с толщиной слоя 4 мм, помещенная в цилиндрический
металлический кожух. В качестве электродов применялись платина и
платинородий с диаметром спая d — 0,4—0,5 мм. Конструкция приме-
ненных термопар дана на фиг. 285.
В опытной цилиндрической камере были сняты характеристики про-
цесса сгорания для трех начальных температур воздуха 7\ и трех зна-
чений коэфициента избытка воздуха ар, взятых по соотношению воздуха
и топлива, подаваемого в рабочую часть камеры.
Ниже приведены значения взятых в опытах температур воздуха Т*
и коэфициента избытка воздуха ар:
Коэфициент избытка воздуха ар Температура воздуха Г]® К
I II III
_ 2,46_______ 717 _ 763 1045
3,75 717 763 1045
5,52 763 1045 —
Как видно из этих данных, во второй серии опытов были взяты
начальные температуры воздуха Tt выше, чем температуры воздуха Т1г
полученные в первой серии опытов.
Температуры Т1 = 717° К и 7’1 = 763°К близки к температуре
самовоспламенения бензина при атмосферном давлении воздуха, а темпе-
ратура Tj = 1045°К выше температуры самовоспламенения бензина.
Основные данные опытов приведены в табл. 50.
В табл. 51, 52 и 53 приведены значения температур, замеренных
термопарами в различных сечениях камеры и разных местах каждого
сечения.
281
Таблица 50
Основные данные опытов по сгоранию в камере
ар Темпера- тура вхо- дящего воздуха Л в °К Расход то- плива на подогрев О„ rti.ii 10~3 ш поо в кг/сек Расход топлива (рабочий) о„„ ю-3 тир в кг (сек Расход воздуха °е в кг!сек аподогр а суммар- ное Давление газа во II сечеини в мм вод. ст. Давление газа в XI сечении в мм вод. ст.
717 7,55 18,4 0,67 6,13 1,75 11345 11279
2.46 763 8,63 18,4 0,67 5,38 1,69 11392 11335
1045 12,50 18,4 0,67 3,42 1,43 11550 11503
717 7,55 12,0 0,67 6,0и 2,31 11270 11234
3,75 763 8,63 12,0 0,66 5,24 2,18 11222 11 154
1045 12,50 12,0 0,66 3,49 1,81 113G8 11314
ц ко 763 8,63 8,0 0,65 5,40 2,73 10788 10761
1045 12,5 8,0 0,65 3,52 2,15 10 898 10869
Таблица 51
Значения температур в различных сечениях камеры при ар — 2,46
Температу- ра воздуха Г, в °к Положение термопары Температуры в сечениях камеры в К
ш V VII IX X XI
1 643 658 828 953 1093 1233
2 708 758 1073 1083 1173 1233
717 3 748 993 1338 1293 1273 1338
4 763 1348 1623 1563 1о08 1543
Среднее 715 939 1215 1223 1287 1337
1 678 673 853 953 1083 1193
2 843 773 973 1093 1173 1233
763 3 973 973 1378 1273 1298 1348
4 948 1373 1598 1618 1628 1533
Среднее 885 943 1200 1234 1290 1327
1 928 748 898 1058 1228 1358
2 1218 783 1023 1208 1323 1388
1С45 3 1350 998 1373 1503 15’3 1458
4 1178 1458 1618 1678 1608 1573
Среднее 1168 997 1223 1337 1415 1444
282
Положения 1, 2, 3 и 4 термопар соответствуют замерам температур
в различных местах данного сечения от периферии к центру камеры.
Так, • положение 1 термопары соответствует положению термопары на
периферии, а положение 4 термопары — в центре камеры каждого
сечения.
Таблица 52
Значения температур в различных сечениях камеры при ар — 3,75
Темпера- тура воздуха Л в СК Положение термопары Температуры в сечениях камеры в °К
ш V УД IX X XI
1 568 573 638 683 ”68 783
2 708 618 708 733 803 873
717 3 728 683 948 793 873 973
4 458 1218 1048 1048 1288 1523
Среднее 701 773 833 814 944 1048
1 708 618 693 748 828 873
2 773 623 768 783 913 963
763 3 888 748 948 913 1073 1123
4 853 1193 1423 1283 1338 1388
Среднее 805 795 958 932 1038 1087
1 843 733 838 903 1023 1138
2 1128 758 973 983 1113 1248
10^5 3 1543 873 1218 1208 1313 1433
4 1483 1113 1628 1513 1553 1618
Среднее 1250 872 1164 1150 1255 1360
Таблица 53
. Значения температур в различных сечениях камеры при ар — 5,52
Темпера- тура воздуха Г, в°К Положение термопары Температуры в сечениях камеры в °К
Ш V VII IX X XI
1 748 683 703 803 858 928
2 828 698 803 848 878 943
763 3 1025 803 908 953 983 1073
4 728 983 1173 1183 1173 1323
Среднее 832 792 897 947 973 1067
1 958 848 898 983 1083 1188
2 1303 888 973 1083 1123 1238
1045 3 1538 943 1098 1233 1238 1313
4 1538’ 1371 1463 1513 1448 1583
Среднее 1328 1013 1108 1203 1223 1331
283
Для каждого значения ар и Ту средние температуры в рассматри-
ваемом сечении подсчитывались по среднеарифметическому значению
четырех показаний термопар. Эти средние значения и принимались за
температуры газов в каждом сечении при расчете динамики сгорания.
Полученные средние значения температур в каждом сечении можно
проверить по изменению давления при работе камеры на холодном
воздухе и при работе камеры со сгоранием топлива.
Проверка производилась по известной формуле
Д7'=^--^_Дп (150)
или
ДГ=-^-Р1Др, 051)
где F — сечение камеры (сечение потока);
Ог — секундный расход газа в кг/сек',
R—газовая постоянная;
р, и Ту — давление и температура газа в начальном сечении камеры;
Др — общий перепад давления по камере.
В табл. 54 приведены данные этой проверки для конечной темпе-
ратуры в камере.
Таблица 54
Данные проверки конечной температуры в камере сгорания
Коэфициент избытка воздуха ар Способ измерения Температура подогрева Т\ в СК
717 763 1045
2,46 Тz по термопаре в °К Т, по изменению давлений в °К ДТ в % 1337 1363 1,94 1327 1368 3,09 1444 130/ 9,48
3,75 Т, по термопаре в °К Tz по изменению давлений в °К ДГ в о/о 1048 1118 6,67 1087 1220 12,3 1360 1338 2,05
5,52 Тг по термопаре в °К Тг по изменению давлений в °К ДТ в о/о — 1067 1139 6,68 1331 1188 10,7
Разница в температурах, замеренных непосредственно по термопарам
и определенных по разности давлений, составляет 2—12®/0, что является
вполне достаточным для определения качественных характеристик про-
цесса.
В табл. 55, 56, 57 приводятся данные газового анализа по сечениям
камеры и в разных местах сечения камеры, как и при изменении
температур. Положения газоотборников 1, 2, 3 и 4 соответствуют за-
мерам состава газа в различных местах данного сечения от периферии
к центру камеры.
284
Данные газового анализа при
Составы газов в сечениях кгмеры в % (по объему) со 0 0,4 1,2 1,1 0,7 04 iQCO сп О О об СО СЧ со Tf тг* V0 СЧ СЧ сб со тб
о со о СО СО tF «б СО СО О CN со СО СО СО со” СО ю СО СП СЧ 00 я-ч сч” сч” — сч”
1 5ОЭ со со со сч СО o' —” о о со сч СЧ о со об о О СП О? •—• Я—4 Tt^cq т^ОСЧ я-я” О СП СП о
со сч ос сч го О О —”сб^ ^г-)ССС О О со” тг” сч” Ср^Г^СЧФ со”—«” сб CO TH
о г-0?0-СФ, —Г oo" LQ 00 гб Я—4 Г-tF t^CH С- О со” съ сч” со г—< Tt1 tF ОО© Ю гб иб г-Г сб
6 о О со «ООО ьб со о” о о? г—-4 т—*< СО^СО О t-боб О О об счсосч СОС обо? СП обСП
VII со со ОСОСГ-; <б—?—«”'ЧГ’б О cO,Tt^ о о сч”соеч”' т-< еч оо О —” тг О х-б
о Ю tq tF СО СО со —” t-б со ь- СО О ФЛСЧ э сб l/б сч со” г—Ч г—4 сч СО СОО_СЧ о” об сб О оо” 1—4 ^——4
б о ~О tF TFC4 »б сб оо" сбьб соо СОСО (О со” Г-б об об гб COCqCN। сосч~ г-б СО СНГ- со”
> со СЧ 04 СО tF о cd'-’'ссч — сч-и СП с о 1-ГсОя-^ 0,2 0,1 0,8 0 0,3
С1 о Ю.ОО СО СЧ СО СО о со -б СЧ СО со ТГ о, ю” тб О? ’б' г-ч” , г —4 ож<оо>счсо TF об О О” я-б
со2 | ОСЧСОО^ сб tF СО со i6 о '^(?q '* °О тбхб г-? г-” ьб сосоеч со со «б ибьбгбеб
я СО 1 io 1 °Ч, ООО 1 о 1‘0 t"0 s СЧ —4_ о с о о о”
о СОЬ-СЧ | со со со со 1 со б^СЧ.СОтГГ'- об со г-б со” Г-б СЧ_1О TF СЧ — СО сб иб СЧ со” г—I т—Я т—Я 1-Н
о о СЧ_СОО | со .-бя-бсч I -б со осч СЧ со —ч”сч” СЧ со”сч” о со о,сч сб я-б TF CO сб
Положение газоотборника <и —«еч со tf § о о. 1 2 3 4 Среднее 1 2 3 4 Среднее
© 03 717 763 1045
285
Таблица 56
286
Данные газового анализа при <*£=3,75
Т, в ’К Положение газоотборника Составы газов в сечениях камеры в % (по объему)
II V VII IX XI
со, О, со со, о, со со. о. СО со, о2 со СО, О2 СО
1 1.4 19,0 0 3,0 16,8 0 3.8 15,6 0 5,0 13,8 0,1 5,8 12,8 0
2 1.6 18,7 0 2,6 17,3 0 4,0 15,3 0 4,6 14,4 0 6,0 12,5 0
717 3 2,0 18,2 0 3,6 15,9 0 5,4 13,2 0 6,2 12,2 0 7,6 10,2 0
4 2,4 17,5 0,1 7,2 10,4 0,5 8,1 8,8 0,7 8,6 7,8 1,0 7,8 9,8 0,2
Среднее 1,8 18,4 0 4,1 15,1 0,1 5,3 13,2 0,2 6,1 12,0 0,3 6,8 11,3 0,1
1 1,8 18,4 0 2,8 17,0 0 3,8 15,6 0 6,5 11,8 0 7,0 11,1 0
2 1,8 18,4 0 3,6 15,9 0 5,2 13,6 0 8,2 9,0 0,4 8,2 9,2 0,2
763 3 2,2 17,8 0 6,6 11,6 0 7,4 10,5 0 9,0 7,6 06 9,4 7,5 0,2
4 3,4 16,2 0 8,8 4,0 4,5 9,4 3,0 4,7 9,4 4,8 2,9 9,4 7,2 0,5
Среднее 2,3 17,7 0 5,4 12,1 1,1 6,45 10,7 1,2 8,3 8,3 1,0 8,5 8,7 0,3
1 1,6 18,7 0 3,5 15,8 0,2 5,0 13,4 0,5 6,8 11,2 0,1 8,8 8,6 0
2 2,2 17,9 0 4,9 13,7 0.4 7,1 10,7 0,2 9,0 7,6 0,6 9,6 6,4 1,0
1045 3 3,2 16,4 0 8,6 8,3 0,5 9,4 4,6 3,0 9,4 3,6 4,0 11,0 3,6 1,8
4 5,7 13,0 0 8,6 2,9 5,9 8,6 2,0 6,8 8,0 2,8 6,8 10,4 3,6 2,6
Среднее 3,2 16,5 0 6,4 10,2 1,7 7,5 7,7 2,6 8,3 6,3 2,9 8,8 5,5 1,8
Данные газового анализа при ар=5,52
Таблица 57
Г, в К Положение газоотборника Составы газов в сечениях камеры в % (по объему)
II V VII IX XI
со. о, со со, о, СО со. о, со со, о, со со, о, со
1 2,0 18,2 0 3,8 15,6 0 4,4 14,8 0 5,4 13,4 0 5,8 12,8 0
2 2.4 17,6 0 4,4 14,8 0 5,2 13,6 0 5,9 12,6 0 6,0 12,5 0
763 3 3,0 16,8 0 6,0 12,5 0 7,0 11,0 0,1 7,0 11,1 0 6,8 11,4 0
4 3,5 16,0 0 9,0 6,2 2,0 8,8 6,8 1,7 8,2 8,2 1,2 7,2 10,8 0
Среднее 2,7 17,1 0 5,8 12,3 0,5 6,4 11,5 0,4 6,6 11,3 0,3 6,4 11,9 0
1 2,4 17,6 0 6,4 12,0 0 7,2 10,8 0 7,6 10,2 0 8,6 8,8 0
2 3,0 16,8 0 7,0 11,0 0,1 7,8 10,0 0 8,4 9,1 0 8,8 8,5 0
1045 3 4,6 14,2 0,3 8,2 9,4 0 8,6 8,2 0,6 9,2 7,2 0,8 9,2 7,4 0,6
4 6,6 11,6 0 9,6 2,4 5,0 8,6 8,4 6,4 9,5 2,8 4,7 10,3 5,7 0,7
1 Среднее 4,2 15,1 0,1 7,8 8,7 1,3 8,1 7,8 1,7 8,6 7,3 1,4 9,2 7,6 0,3
Газоотборник 1 дает состав газа на периферии, а газоотборник 4—
в центре камеры каждого сечения.
Сопоставление данных по температурам и составам газов во всех
сечениях камеры для всех опытов показывают, что температуры газов
в каждом сечении и количество СО2 возрастают от периферии к центру
камеры. Это соответствие изменения температуры и составов газов в ка-
ждом сечении по глубине замеров является свидетельством правильности
произведенных измерений с точки зрения характера изменений параметров.
Кроме этого, следует обратить внимание на то, что если в первые
моменты процессов (первые сечения камеры) по глубине замеров (за-
меры 1, 2, 3 и 4) имеет место значительное различие в величинах
температуры и количества СО2, то к концу процесса (последние сече-
ния камеры) замеры во всех точках каждого сечения оказываются более
близкими друг к другу и по температурам, и по составу газа. Это
указывает на то, что в начале процесса имеют место большая неравно-
мерность горения по сечению камеры и .увеличение равномерности по
мере развития процесса. Опыты показывают, что во всех случаях и во
всех сечениях температура в центре камеры, а также и количество СО2
оказываются наибольшими.
Полученный результат также дает основание считать, что снятые
характеристики правильно отображают развитие процесса.
Поэтому, несмотря на расхождение в значениях температур, замерен-
ных непосредственно термопарами и определенных по разности давле-
ний, проведенные опыты позволяют сделать качественную оценку дина-
мики сгорания и получить экспериментальные материалы для качествен-
ной характеристики процесса сгорания.
Давление газов в камере, так же как и температура и состав газов,
замерялись в нескольких сечениях камеры и в различных местах каждого
сечения (4 точки).
Данные замеров показывают, что во всех четырех точках каждого
сечения давление практически остается одинаковым.
Весьма мало меняется давление также и по длине камеры.
Поэтому подробные данные замеров в различных местах сечений
камеры и по длине ее не приводятся. Средние значения давлений
в первом и последнем сечениях приведены в табл. 50.
На фиг. 286, 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293 даны графики
изменения давления в камере по длине для всех начальных температур
воздуха и коэфициентов избытка воздуха.
Кривые рх дают изменение давления при продувке камеры холодным
воздухом (без подачи топлива в рабочую камеру), а кривые р — изме-
нение давления при горении топлива. Как для холодного воздуха, так и
для горячего газа изменение давления по длине камеры очень незна-
чительно. Поэтому практически влияние давления на динамику процесса
сгорания можно исключить.
Изменения средних температур газа по длине камеры изображены
на фиг. 294, 295, 296 для ар = 2,46, 3,75 и 5,52.
Во всех случаях температура увеличивается по длине камеры.
Для больших начальных температур воздуха Т\ температура газа
во всех сечениях имеет большое значение. Конечная температура газа
также увеличивается с увеличением температуры.
288
Фиг. 286. Изменение давлений по длине камеры при
ар = 2,46 и 7'1 = 717’К.
Фиг. 287. Изменение давлений по длине камеры при
ар = 2,46 и 7'1 = 763° К.
Фиг. 288. Изменение давлений по длине камеры при
ар = 2,46 и Л = 1045° К.
19 Процессы сгорания в двигателях
3896.
289
Фиг. 290. Изменение давлений по длине камеры при
ар = 3,75 и Т=763°К.
Фиг. 293. Изменение давлений по длине камеры при
ар = 5,52 и Т1= 1045° К.
290
Фиг. 294. Изменение средних температур газа по длине
камеры при ар = 2,46.
Фиг. 295. Изменение средних температур газа по длине
камеры при ар = 3,75.
291
UOO 800 I мм
Фиг. 297. Изменение со-
става газа по длине ка-
меры при а„ = 2,46 и
Ту = 717° К.
Фиг. 298. Изменение
става газа по длине
меры при а„ = 2,46
Фиг. 299. Изменение со-
става газа по длине ка-
меры при а„ = 2,46 и
Ту = 1045° К.
292
На фиг. 297, 298, 299 показано изменение по длине камеры состава
газа — СО2, О2 и СО при ар=2,46 и начальных температурах 7'1 =
= 717, 763 и 1045° К.
Количество СО2 и СО по длине камеры непрерывно нарастает, а
количество О2 — уменьшается.
На фиг. 300 показано изменение по длине камеры суммарного зна-
чения коэфициента избытка воздуха, определенного по газовому анализу
в различных сечениях камеры. Суммарный коэфициент избытка воздуха
уменьшается по длине камеры, т. е. по ходу процесса. При этом, как
видно из фигуры, с увеличением начальной температуры воздуха Т\ во
всех сечениях камеры суммарный коэфициент избытка воздуха имеет
меньшие значения.
На фиг. 301, 302, 303 представлены графики изменени1 по длине
камеры состава газа при разных начальных температурах Т для аР =
= 3,75, а на фиг. 304 — изменение суммарного значения коэфициента
избытка воздуха, определенного по газовому анализу.
Аналогичные зависимости представлены на фиг. 305, 306, 307 для
ар = 5,52.
Для режимов работы камеры при ар = 3,75 и ар = 5,52 изменения
по длине камеры состава газа и суммарного коэфициента избытка воз-
духа имеют такой же характер, как и для режима работы камеры
на ар — 2,46. По длине камеры количество СО2 возрастает, а коли-
чество О2 и суммарный коэфициент избытка воздуха уменьшаются.
На фиг. 308, 309, 310 дано совместное протекание кривых нара-
стания СО2 по длине камеры при различных начальных температурах
воздуха Гх, для ар = 2,46, 3,75 и 5,52.
Как видно из построенных графиков, во всех случаях с увеличением
начальной температуры воздуха 1\ количество СО2 в каждом сечении
камеры повышается.
На фиг. 311, 312, 313 дано совместное протекание кривых умень-
шения О2 по длине камеры. Количество О2 с увеличением начальной
температуры уменьшается во всех сечениях камеры.
Для получения характеристик процесса сгорания по времени необхо-
димо иметь значения скорости газа и времени пребывания смеси
в камере.
Для каждого сечения скорость газа может быть найдена из уравне-
ния
. Ge (1 + аЬй)
fl “ fl
ИЛИ
w=-£, (152)
где У — секундный объем газов в каждом сечении.
Так как
V=G:V (153)
и
У=Ог = (G7+ Gm). (154)
293
Фиг. 302. Изменение со-
става газа по длине ка-
меры при а„= 3,75 и
Ti = 763° К.
294
Фиг. 303. Изменение
става газа по длине
меры при ар =3,75
Л = 1045° к.
Фиг. 304. Изменение суммар-
ного коэфициента избытка
воздуха по длине камеры
при ар = 3,75.
295
Фиг. 306. Изменение состава
газа по длине камеры при
О/, = 5,52 и Г1 = 1045° К.
Фиг. 307. Изменение сум-
марного коэфициента из-
бытка воздуха по длине
камеры при а, = 5,52.
Фиг. 308. Изменение содер-
жания СО2 по длине каме-
ры при ар =2,46.
296
297
298
то
Fp
(155)
Время пребывания смеси на каждом участке камеры между взятыми
сечениями определялось по формулам
4’.=Л- (1S6)
где — длина камеры на рассматриваемом участке;
т»0 — скорость газа в начале рассматриваемого участка;
— скорость газа в конце рассматриваемого участка.
Общее время пребывания смеси в камере
тп = Дт1 + Дта + Дтз • (158)
Имея значения скорости газов и времени пребывания смеси в камере,
можно построить зависимости w = /(t).
На фиг. 314, 315, 316 построены графики изменения скорости газа
по времени для ар = 2,46, 3,75 и 5,52 при различных начальных
температурах воздуха 7\.
Вследствие повышения температуры газа по ходу процесса скорости
газа непрерывно увеличиваются по времени. С повышением начальной
температуры газа Т1 скорости газа в камере имеют большие значения.
Скорости газа в камере в зависимости от значений коэфициента
избытка воздуха и начальной температуры воздуха колебались в пре-
делах 1^ = 35—60 м/сек.
В соответствии с полученным изменением скорости газа время пре-
бывания смеси в камере уменьшается с увеличением начальной темпе-
ратуры воздуха 7\.
Графики зависимости тл=/(т1) для различных ар показаны на
фиг. 317. При всех ар время пребывания заметно уменьшается с увели-
чением начальной температуры воздуха.
При а.р = 2,46 с увеличением начальной температуры воздуха
с 7\ = 717ОК до Т\ = 1045° К время пребывания уменьшается с тл =
= 34 • 10-3 до тп = 30,2 10~3, т. е. на 12°/о, а при ар = 3,75
с тл = 41,7 • Ю3 до тп = 31,7 . 10~3 сек, т. е. на 24°/0.
Такое значительное уменьшение времени пребывания смеси в камере
с увеличением начальной температуры воздуха Tt, как будет видно из
дальнейшего, приводит в некоторых случаях даже к уменьшению общего
количества выделившегося тепла при сгорании при повышенных началь-
ных температурах воздуха, несмотря на возрастание скорости сгорания.
Уменьшение общего времени пребывания смеси в камере видно
также на диаграммах, изображенных на фиг. 318, 319, 320, где пока-
зано изменение температур газа по ходу процесса для различных на-
чальных температур воздуха 7\ при ар = 2,46, 3,75 и 5,52.
Увеличение начальной температуры воздуха приводит к увеличению
конечной температуры газа в последнем сечении камеры, однако, при
этом время пребывания смеси в камере сокращается.
299
Фиг. 316. Изменение ско-
рости газа в камере по
времени при ар = 5,52.
Фиг. 317. Зависимость вре-
мени пребывания смеси в ка-
мере от температуры по-
догрева Ть для различных^.
Фи. 319. Изменение средних
температур газа в камере
Тср по времени для раз-
личных температур подо-
грева Tj при ар = 3,75.
Фиг. 318. Изменение сред-
них температур газа в ка-
мере Тср по времени для
различных температур подо-
грева Г| при ар = 2,46.
300
Пользуясь полученными экспериментальными данными, можно опре-
делить количество выделившегося тепла и построить характеристики
камеры по динамике сгорания.
< Количество выделяющегося тепла определялось по уравнению
v Р
Qi = Akh | PdV VdP
v„ p„
или для небольших участков камеры
(159)
I
где рСр — среднее давление на участке;
Vcp — средний объем газа на участке.
Показатель адиабаты k определяется в каждом сечении по уравне-
нию
(160)
тде Тср — средняя температура газа на участке.
Относительная величина х;, характеризующая динамику сгорания,
находилась по отношению (145)
Qi
Xi HuGm ’
где Gm — секундный расход топлива рабочей камеры.
На фиг. 321, 322, 323 показаны изменения величин х по длине
камеры. Процесс сгорания развивается по длине камеры, поэтому
величины xt непрерывно возрастают.
При всех значениях ар кривые xt = /(/) располагаются тем ниже,
чем выше начальная температура воздуха Тг. Это, однако, совершенно
не характеризует влияние начальной температуры воздуха на динамику
сгорания, так как с увеличением начальной температуры увеличивается
скорость газов в камере и уменьшается время пребывания смеси
в камере.
Для того чтобы получить действительную характеристику динамики
сгорания по начальной температуре, необходимо перестроить получен-
ные кривые Xj— f(l) в зависимости xt = f(x).
Такие диаграммы построены на фиг. 324, 325, 326.
Во всех случаях, кроме ар — 2,46, кривые хе-= /(т), характеризую-
щие динамику сгорания в камере, располагаются тем выше, чем выше
начальная температура воздуха.
При ар-3,75 и йр=5,52 максимальные значения в последних
сечениях камеры на всех начальных температурах примерно одинаковы;
однако максимум хг с повышением начальной температуры сдвигается
влево, так как с увеличением Тг уменьшается время пребывания смеси
в камере. ,
При о.р = 2,46 время пребывания смеси в камере с увеличением Тг
также уменьшается, однако уменьшается также и максимальная вели-
чина Хр
301
Фиг. 320. Изменение сред-
них температур газа в ка-
мере Тср по времени для
различных температур по-
догрева при 1\ ар~5,52-
Фиг. 323. Изменение по
длине камеры при ар =5,52.
Фиг. 322. Изменение X/ по
длине камеры при ар = 3,75.
302
Фиг. 325. Изменение х,
по времени процесса при
= 3,75.
Из полученных результатов Видно, Что на режимах ар = 3,75 и ар =
= 5,52 характеристика динамики сгорания зависит от начальной темпе-
ратуры воздуха; с увеличением 7\ развитие процесса сгорания идет
более интенсивно и скорость сгорания увеличивается. При ар == 2,46
интенсификация процесса сгорания с увеличением начальной температуры
не наблюдается.
Таблица 58
Средние скорости тепловыделения за процесс сгорания
ар Показатели рабочего процесса камеры Начальная температура воздуха 1\ в ° К
717 763 1046
2,46 Т'тах В °К •^imax Gm в кг/сек в сек. в кал/сек/сек 1337 0,6 18,4-Ю-3 34,0-10-3 3,4-103 1327 0,53 18,4-10-3 32,0-10~3 3,2-103 1444 0,39 18,4-Ю—3 зо,о-: о-3 2,5-103
3,75 Лпах в °К *1тах Gm в кг/сек tn в сек. С=( —) в кал[сек1сек Х^п'ср 1048 0,44 12-10—3 41,7-10~3 1.33-103 1087 0,45 12-10~3 38,0-10“3 1,64-Ю3 1360 0,49 12-10—3 31,8-Ю~3 1,88.103
5,52 7 max в °К Чтах Gm в кг!сек в сек. С=(—\ в кал/сек/сек \zn ’ср 1 1 1 1 1 1067 0,6 8-Ю-3 39. IO-3 1,28-Ю3 1331 0,62 8-10—3 30-ю-3 1,75-103
Подтверждением сказанного являются данные табл. 58, в которой
приведены значения средней скорости тепловыделения за весь процесс
сгорания в камере для исследованных режимов работы камеры по ар и Т\.
Величина средней скорости тепловыделения подсчитывалась по фор-
муле (149)
с = = WW.. каА1сек2
304
Как видно из приведенных данных, для а.р — 3,75 и = 5,52 с
увеличением начальной температуры воздуха средняя скорость тепло-
выделения возрастает. Так, при ар = 3,75 с увеличением начальной
температуры от 71 = 717° до 77 = 1045° К средняя скорость тепловы-
деления увеличивается с с=1,33-103 до с=1,88-1О3 кал {сек1, что
составляет 41,5%. При а = 5,52 повышение начальной температуры
с 77=763° до 77= 1045% приводит к увеличению средней скорости
тепловыделения от с= 1,28-Ю3 до 1,75-103 кал]сек2, или на 37%.
При ар — 2,46 скорость тепловыделения уменьшается с увеличением
начальной температуры воздуха, при этом особенно заметно при на-
чальной температурь воздуха 77 =1045° К-
Так как изменение начальной температуры газа при входе в рабочую
часть камеры осуществлялось с помощью сжигания топлива в пред-
варительной камере подогрева, то на развитие процесса сгорания в ра-
бочей камере могло оказывать влияние догорание топлива, сжигаемого
в камере подогрева.
В результате этого общий эффект тепловыделения в рабочей ка-
мере может являться следствием не только сгорания основного топлива,
подаваемого в рабочую камеру, но и догоранием топлива, поступающего
из камеры подогрева.
Ориентировочная оценка возможного догорания топлива, поступа-
ющего из камеры подогрева, может быть произведена по данным газо-
вого анализа для начального сечения рабочей камеры.
Произведенные проверочные расчеты по газовому анализу в на-
чальных сечениях камеры показали, что в среднем эффект догорания
топлива, поступающего из камеры подогрева, составляет 15—20°/0 от
общего тепловыделения в рабочей камере. Следовательно, на 15—-20%
могут уменьшиться и средние скорости тепловыделения в рабочей части
камеры за счет сгорания основного топлива.
Однако указанный эффект догорания мало влияет на относительное
изменение скорости тепловыделения в зависимости от начальной темпе-
ратуры воздуха 7\, так как эффект догорания почти не изменяет общей
качественной характеристики процесса.
Поэтому полученные выше качественные характеристики процесса
сгорания при разных начальных температурах воздуха остаются спра-
ведливыми и в случае некоторого догорания топлива, поступающего в
рабочую камеру из камеры подогрева.
Таким образом, из проведенных исследований процесса сгорания в
опытной камере большей длины без специальных турбулизирующих
устройств для смесеобразования видно, что при высоких температурах
начального воздуха разбитие процесса сгорания ускоряется с увеличе-
нием начальной температуры воздуха.
Исключение составляет режим работы камеры при ар = 2,46, на
котором средние скорости тепловыделения при 77 = 717° и 7j = 763oK
остаются почти без изменения, а при 7'1 = 1045°К средняя скорость
тепловыделения заметно уменьшается.
Третья серия опытов в прямоточной камере была проведена на
установке с камерой, которая имела еще большую длину: 1 = 1750 мм.
При этом рабочая часть камеры составляла длину 1ра6— 1195 мм, а
камера подогрева была размером /л= 1565 мм.
20 Процессы сгорания в двигателях. 3896. 305
2760
Создание подобной установки
диктовалось требованием иссле-
дования динамики сгорания в газо-
вом потоке без специальных тур-
булизирующих устройств на про-
тяжении всего процесса сгора-
ния, а также необходимостью
уменьшить по возможности дей-
ствие догорания топлива, поступа-
ющего из камеры подогрева.
Схема камеры, на которой была
проведена третья серия опытов,
изображена на фиг. 327.
Для дополнительной проверки
показаний термопар установка
была снабжена специальным ги-
дравлическим динамометром для
измерения силы тяги.
Эскиз динамометра и его уста-
новка показаны на фиг. 328.
В опытной цилиндрической
камере были, так же как и в пер-
вых случаях, сняты характери-
стики процесса сгорания для трех
начальных температур 7\ °К воз-
духа, входящего в рабочую часть
камеры.
Значения, полученные в опы-
тах, начальных температур газа на
входе в рабочую камеру 7\ °К
приведены в табл. 59.
На третьей опытной камере
было проведено два опыта. В пер-
вом опыте было исследовано влия-
ние начальной температуры газа
1\° К на характер процесса сго-
рания при прикрытом сопле
(Лолл = 38 см2, рк =1,277 кг 1см2)
для трех начальных температур
^=766, 913, 1000° К. Во втором
опыте было исследовано влияние
начальной температуры газа 1\ на
характер процесса сгорания при
открытом сопле (/СОЯЛ=196 см2,
рк = 1,044 кг/см2) для двух зна-
чений: 7;= 741 и 1049° К.
Основные данные опытов при-
ведены в табл. 62.
На фиг. 329 показано разви-
тие в ходе сгорания средних тем-
306
Таблица 59
Значения начальных температур газа иа входе в рабочую камеру
№ серии а Р Рк в кг!см* Площадь выходного сечения сопла / в см* Л в °К
Сопло прикрыто I 3,07 1,277 38 766
913
1000
Сопло открыто II 3,07 1,044 196 741
1049
Таблица 6
Основные данные опытов по исследованию процесса сгорания
при ар = 3,07
Среднее давление в камере Рк в кг 1см* Л, _ „ в см'* J сопл Температура вхо- дящего воздуха Г, в °К Расход топлива 1 иа подогрев °т под Е кг‘сек Расход топлива рабочий Gm в кг/сек Р Расход воздуха Ge в кг/сек ^подагр Абсолютное да- вление газа в се- | чении I (мм год.ст.) Абсолютное да- вление газа в се- чении X (мм вод. j ст.) Сила тяги Р в «г
Сопло прикрыто 1,277 766 0,00823 0,0143 0,654 5,35 1,94 12 688 12656 24
38 913 0,01045 0,0143 0,654 4,27 1,77 12722 12 689 26
1000 0,01456 0,0143 0,657 3,05 1,52 12 878 12 840 27
Сопло открыто 1,044 196 741 1049 0,0083 0,01456 0,0143 0,0143 0,655 0,655 5,28 3,03 1,94 1,52 10412 10 496 10 372 10 450 7 9
Таблица 61
Сопоставление температур в конце сгорания по показаниям
экранированных термопар и рассчитанных по полученным значениям
перепадов давлений и величины силы тяги Р ___________________
Режим Температу- ра в конце сгорания по показа- ниям термо- пап Темпера- тура в кон- це сгора- Относительная ошибка в зна- чениях Тг ьр Температура в конце сгора- Относительная ошибка в зна- чениях Тгр по
ния по ния по данным
г, Рк перепаду давлений по отношению к Tz по термо- силы тягн р отношению к Гу по тер-
в °К в кг 1см* Тгв °К Др в °К паре в °/0 ГгРв°К мопаре в °/°
766 1,277 1440 1290 -10,42 1310 —9,3
913 1,277 1559 1440 -7,64 1340 —14,0
1000 1,277 1573 1610 +2,35 1432 —9,0
741 1,044 1296 1270 -2 1150 —11,5
1049 1,044 1504 1650 +9,7 1323 —12,0
*
3G7
Фиг. 328. Специаль-
ный динамометр для
измерения силы тяги:
7—гидравлическая камера;
2 — опытная камера; 3— пе-
редаточный механизм; 4—
водяной манометр для за-
мера тяги; 6 — ртутный
затвор.
Фиг. 329. Изменение средних температур газа по длине
камеры при рк = 1,277 кг) см2.
308
ператур газа по длине камеры, а на фиг. 330—изменение температур
по времени процесса.
На фиг. 331 и 332 приведено сопоставление изменения температур
в ходе сгорания, найденных непосредственным замером при помощи
термопар и методом расчета их по уравнению (162) по полученным
перепадам давлений в камере.
В табл. 61 приведены сравнительные данные по замеру средних
температур в конце камеры сгорания, полученных при помощи экрани-
рованных термопар, и температур, определенных по замеренному пере-
паду давлений и по полученным величинам силы тяги.
Как видно из этих данных, относительная разница в температурах,
замеренных непосредственно по термопарам и определенных по раз-
ности давлений, составляет в среднем 7—8°/0, а по силе тяги 10—12°/0.
Результаты указывают на достаточную точность значений температур,
полученных с помощью термопар, необходимую для качественного опи-
сания процесса сгорания.
На фиг. 333 представлено изменение скоростей газового потока по
времени процесса сгорания при различных начальных температурах по-
тока. С увеличением начальной температуры газового потока 7\ уве-
личивается скорость движения газового потока по камере сгорания.
На фиг. 334 представлено изменение числа Рейнольдса в ходе сго-
рания по длине камеры. Как видно из фигур, среднее значение числа
Рейнольдса для всех режимов лежит в пределах /?е=70 000—80 000.
Полученные значения критерия Рейнольдса указывают на большую
турбулизацию газового потока в камере сгорания.
На фиг. 335 представлено развитие закона сгорания х= /(Г) по
длине камеры для различных значений начальной температуры газа Т\.
На первый взгляд кажется, что процесс сгорания при больших значе-
ниях 7\ имеет худшее развитие, чем при меньших значениях 7\.
В действительности картина динамики сгорания получается совер-
шенно иной. Нарастание тепловыделения по длине камеры при различ-
ных условиях осуществления процесса сгорания отнюдь не определяет
действительной динамики процесса.
Динамика тепловыделения характеризуется нарастанием величины х.
по времени процесса, представленным на фиг. 336.
Как видно из фиг. 336, возрастание начальной температуры газа 7\
перед входом его в рабочую часть камеры при прикрытом сопле
(/сопл = 38 см2; рк= 1,277 кг) см2) приводит к более ускоренному
развитию процесса сгорания по времени. При этом все же сказывается
общее увеличение скорости движения газов по камере с возрастанием 7),
вследствие чего время пребывания газов в камере сокращается (фиг. 337)
и снижается максимальное значение (фиг. 338).
То же явление наблюдается и в случае полностью открытого сопла
(проходное сечение сопла 7сопл = 196 см2; рк= 1,04 кг/см/).
На фиг. 339 представлено для этого случая изменение xf по вре-
мени процесса.
Как видно из фиг. 339, увеличение начальной температуры газа
приводит к значительному ускорению развития процесса сгорания
в газовом потоке.
309
фиг. 331. Сопоставление изменения средних температур газа
по длине камеры, замеренных термопарами и определенных
по перепадам давлений для рн — 1,277 кг!см2', Т\ = 913° К. Сопло
Фиг. 332. Сопоставление изменения средних температур газа
по длине камеры, замеренных термопарами и определенных
по перепаду давлений для рк— 1,044 кг/см2', 7’1 = 1049° К.
Сопло открыто (f = 196 см2).
X — расчетная температура, полученная по перепаду давлений;
0 — замеренная температура по термопарам.
<310
Фиг. 333. Изменение скорости газо-
вого потока по времени процесса
при различных начальных темпера-
турах газа 71 для рк —1.277 кг/см2.
Сопло прикрыто (/сопл = 38 cjw3).
О 200 400 600 800 1000 1200 (мм
Фиг. 334. Изменение числа Рейнольдса по длине камеры при раз-
личных начальных температурах газа на входе в камеру Тх для
рк = 1,277 кг1сма.
О 200 400 600 800 1000 4200 I мм
Фиг. 335. Закон сгорания по длине камеры при различных
начальных температурах газа для рк = 1,277 кг/см*.
311
Фиг. 336. Изменение закона сго-
рания по времени процесса при
различных начальных температу-
рах газа для рк = 1,277
Фиг. 337. Изменение общего
времени пребывания газов
в камере в зависимости от
начальной температуры газа
при рк = 1,277 кг] см2. Сопло
прикрыто (/сопл = 38 см2).
Фиг. 338. Зависимость
максимальных значений
величины X; от началь-
ной температуры газа Г,
при рк = 1,277 кг/см2.
Сопло прикрыто (/сопл—
=38 см2).
Фиг. 339. Развитие закона сгора-
ния по времени для двух началь-
ных температур газа при рк =
= 1,044 кг/см2. Сопло открыто
(/сопл = 196 см2).
Фиг. 340. Изменение скорости га-
зового потока по времени для
двух начальных температур газа
при пк = 1,044 кг)см2. Сопло от-
крыто (/сопл — 196 см2).
312
Несмотря на заметное ускорение динамики сгорания с увеличением
начальной температуры газа Tlt вопрос о механизме ускорения остается
невыясненным.
Действительно, при увеличении начальной температуры газа 7\
может иметь место общее ускорение процесса сгорания как вследствие
ускорения химических процессов превращения, так и вследствие уско-
рения процессов диффузии и перемешивания вследствие увеличения
скорости движения газов w (фиг. 333 и 340).
Для того чтобы несколько выяснить степень влияния Т\ на скорость
химических превращений и на скорость процессов диффузии, необходимо
Фиг. 342. Изменение закона
сгорания по времени про-
цесса для случаев откры-
того и прикрытого сопла
при Т1«1000°К-
Z— р =1,277 кг/сма; сопло при.
крыто (/ =38 сл<2);
1 J сопл '
2—р =1,044 кг}см3\ сопло открыто
(/ =196 сл«2).
сопл
Фиг. 341. Изменение закона
сгорания по времени процесса
для случаев открытого и при-
крытого сопла при К-
1— р =1,277 кг/сМ3; сопло прикрыто
(/ =38 см*}\
сопл
2— р = 1,044 кг[см*\ сопло открыто
(/ =196 см*}.
сопл
сопоставить развитие динамики сгорания при одной и той Же началь-
ной температуре газа Т\, но при различных размерах сопловых отверстий,
т. е. при различных средних значениях скорости газа в камере сгора-
ния.
На фиг. 341 и 342 представлены кривые = /(т) для полностью
открытого сопла (/сопл= 196 см2) и для прикрытого сопла (fcon_t = 38 см2)
для двух значений начальной температуры газа Т\ = 750° К и 7'1 =
= 1000 — 1049° К-
Как видно из этих фигур, в обоих случаях более ускоренное раз-
витие процесса сгорания получается при условии прикрытого сопла
fcotlt — 38 см2, когда средняя скорость газа в камере понижена.
Эти результаты указывают на то, что некоторое снижение скорости
газового потока в камере сгорания в исследованном диапазоне измене-
ния не только не замедляет процесса сгорания, но, наоборот, приводит
к ускорению его развития.
313
Полученные результаты частично соответствуют ориентировочным
экспериментальным данным других исследователей.
В табл. 62 приведены основные характеристики процесса сгорания
для всех исследованных режимов работы камеры.
Таблица 62
Основные характеристики процесса сгорания
Показатели рабочего процесса камеры Температуры подогрева 7] в °К
Сопло прикрыто Сопло открыто
а = 3,26; рк = 1,277 ати\ я = 38 7 сопл “р - 3,26; рк = 1,044 ат\ f = 196 сл13 J сопл
766 913 1000 741 1049
%ах В °к 1440 1559 1573 1296 1504
max 0,85 0,81 0,72 0,65 0,56
Расход топлива Gmp в кг!сек 14,3-10~3 14,3-Ю'3 14,3-10—3 14,3-10—3 14,3-10—3
тп в сек 38-10-3 33-ю -3 30,0 10~3 36,9-10~3 27,15-10—3
Средняя скорость газов Wcp в м/сек 37,2 42,5 47,5 39,1 53,8
С = (О') в кал/сек/сек 3,29-Юз 3 70-103 3,8-103 2,62-103 3-103
При постоянном размере сечения выходного сопла камеры с увели-
чением начальной температуры газа Т\ увеличивается средняя скорость
Qi о
тепловыделения с = —. Это увеличение получается даже при условии
снижения X „ при больших значениях 7\.
Следовательно, при возрастании начальной температуры газа Т}
имеет место общее ускорение процесса сгорания.
Сопоставляя данные динамики сгорания при различных степенях от-
крытия выходного сечения камеры, видно, что уменьшение выходного
сечения камеры и связанные с этим увеличение давления в камере,
уменьшение средней скорости движения газов по камере приводят не
к уменьшению скорости тепловыделения, а к ее увеличению.
Так, например, при 7'1=1000 — 1049° К при уменьшении выходного
сечения от %„л=196 см2 до 38 см2 средняя скорость движения
газов w по камере уменьшается на 14°/0, а средняя скорость тепло"
выделения с = — увеличивается на 27%.
Результаты указывают на то, что характер динамики сгорания не
определяется полностью изменением скорости газового потока в иссле-
дованных пределах ее изменения.
314
Это еще не дает права утверждать, что диффузионные процессы и
их изменение не отражаются на характере сгорания.
В частности, при прикрытом сопле и возросшем давлении газов
в камере может улучшиться процесс смесеобразования вследствие дей-
ствия возросшей плотности газа, при которой увеличивается эффект
распада струи впрыскиваемого топлива на более мелкие капли и по-
вышается скорость испарения.
Однако имеющееся изменение плотности вследствие изменения давле-
ния от /2л=1,О4 кг/см2 до 1,277 кг/см2 не может вызвать заметного
влияния на факторы смесеобразования. Многочисленные исследования
влияния плотности воздуха на характер распиливания и смесеобразова-
ния указывают, что лишь при значительном изменении противодавления
имеет место заметное изменение качества распыливания топлива [37].
Таким образом, полученные результаты по улучшению процесса
сгорания с уменьшением выходного сечения сопла указывают на то,
что кинетические факторы при сгорании имеют не столь маловажное
значение, как это обычно предполагают некоторые исследователи [17].
Наоборот, полученные результаты указывают на то, что изменение
такого важнейшего фактора смесеобразования, как скорость газового
потока, не только не влияет на характер сгорания, а, наоборот, умень-
шение средней скорости потока сопровождается улучшением про-
цесса сгорания.
Эти данные подтверждают, что фактор скорости химического пре-
вращения может иметь значительное значение в развитии процесса
сгорания в газовом потоке.
Изменение характера процесса сгорания в газовом потоке с изме-
нением 7\ может быть в общем случае объяснено влиянием начальной
температуры воздуха Тг как на кинетические факторы, так и на фак-
торы, определяющие диффузионные явления.
Повышение начальной температуры Т1 может привести к непосред-
ственному усилению диффузионных явлений и, следовательно, ускоре-
нию процессов смесеобразования. Кроме этого, улучшение смесеобра-
зования может произойти благодаря увеличению скорости газа в камере
при больших значениях температуры ТГ Высокие температуры входя-
щего воздуха также способствуют большому испарению топлива. Все
это приводит к улучшению смесеобразования и ускорению процесса
сгорания с увеличением начальной температуры воздуха.
С другой стороны, повышение начальной температуры 1\ как основ-
ного кинетического фактора может способствовать ускорению химических
преобразований и, следовательно, приводить к общему ускорению
процесса сгорания.
Таким образом, полученное в опытах ускорение процесса сгорания
с увеличением начальной температуры воздуха Тг может являться след-
ствием как улучшения смесеобразования вследствие усиления диффузион-
ных явлений, так и ускорения химических преобразований.
Однако полученные результаты по изменению характера динамики
сгорания в газовом потоке при различных размерах выходного сечения
указывают на то, что развитие процесса сгорания в значительной сте-
пени может определяться законами химических превращений.
315
Следует отметить, что в ряде случаев повышение начальной темпе-
ратуры воздуха Tj может привести к столь заметному увеличению ско-
рости газа в камере, что время пребывания смеси в камере может
уменьшаться в большей степени, чем соответствующее сокращение вре-
мени процесса сгорания, определяющегося улучшением диффузионных
и кинетических факторов.
Очевидно, в этом случае произойдет общее ухудшение процесса
тепловыделения, несмотря на повышение начальной температуры воздуха.
Возможно, что подобный случай имеет место в опыте второй серии
для режима с а.р = 2,46.
§ 19. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ
ПОТОКЕ
Исследование процесса в пульсирующей камере производилось на
установке, обеспечивающей получение пульсирующего потока1.
Общая схема установки представлена на фиг. 343 и состоит из
систем воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, камеры сгорания и
соответствующей измерительной аппаратуры.
Воздух в опытную камеру подавался специальным компрессором,
приводимым в движение авиационным двигателем. На входе воздуха
в камеру был установлен золотник, приводимый в движение специаль-
ным электромотором. Золотник состоял из двух дисков с секторными
вырезами, при помощи которых и производилось наполнение камеры
воздухом.
Камера двигателя состояла из головки, в которой располагался
золотник пространства сгорания длиной I= 700 мм и диаметром
d = 150 мм, и сопла </ = 41,5 мм. Кроме того, в камере были уста-
новлены штуцеры для замеров поля давлений и поля данных газового
анализа (фиг. 344).
Цифрами /, II, III, IV, V, VI и VII обозначены пояса камеры, где
производился стробоскопический отбор газов в процессе сгорания. Циф-
рами 1, 2, 3, 4 и 5 обозначены пояса, в которых производилось инди-
цирование давления.
Камера имела водяное охлаждение. Топливоподача в камеру осуще-
ствлялась при помощи специального топливного насоса, приводимого
в движение от того же электромотора, что и золотник. Распыливание
топлива в камере производилось против потока воздуха при помощи
открытой форсунки с диаметром выходного отверстия 0,7 мм.
В качестве топлива служил бензин удельного веса </2°=0,74. Начало
кипения 57° С, конец кипения 196° С.
Кривая разгонки бензина по Энглеру представлена на фиг. 345.
При исследовании процесса сгорания в пульсирующей камере произ-
водились измерения: 1) индицирование с фотографированием индика-
торной диаграммы за цикл при помощи пьезокварцевого индикатора ПИ-2,
описанного выше; 2) стробоскопический отбор газов из камеры сгора-
ния при помощи вышеописанных методов; 3) частоты циклов при по-
1 Опыты были проведены аспирантом Божко Д. Ф.
316
фиг. 343. Общая схема опытной установки:
1— осевой центробежный нагнетатель; 2— мотор для привода нагнетателя; 3— ре-
сивер нагнетателя; 4 —ресивер камеры; 5—задвижка Лудло; 6— камера сгорания;
7 — неподвижный диск золотника; 8 — подвижный диск золотника; Р — форсунка;
10—бензобак; 11—штихпробер; 12—топливный насос; 13—диференциал; 14—одно-
плунжерный насос; 15—бачок для газойля; 16—газоотборник; 17—свеча; 18— ка-
тушка зажигания; 19 — переключатель; 20—аккумулятор; 21 — прерыватель пер-
вичной цепи; 22—диск углов поворота золотника; 23 —диск развертки;24—муфта
сцепления; 25—электромотор.
Фиг. 344. Схема расположения замеров в опытной камере:
I, II, III, IV, V, VI, VII — пояса отбора газа;
7, 2, 3, 4, 5 — пояса индицирования.
317
Фиг. 345. Кривая фракционной
разгонки бензина.
Фиг. 346. Индикаторная диаграмма.
Режим: В ° =0,37-10 4 кг топл/цикл- п =480
цикл/мин', 1 =1,2;« =41,5; р , = 160 мм рт.
сопл проб н
ст.; ₽ =-16°;<р = -3°.
Фиг. 347. Индикаторная диаграмма.
Динамическая тарировка рман =
= 0,65 кг! см2. ,
Режим: В° = 0,28 10 4; п = 480 цикл/мин'.
0 = 1.45; а =41.5;п ,=160 мм рт. ст.
сопл пред г
₽...= -16°; <р - -3°
Фиг. 348. Диаграмма
динамической тарировки
пьезокварцевого инди-
катора.
Режим: р = 1,92 кг/см?.;
шах
h =47 мм.
шах
318
мощи специального тахометра; 4) расхода топлива; 5) расхода охла-
ждающей воды; 6) температур входа и выхода охлаждающей воды;
7) расхода воздуха на цикл.
На фиг. 346—347 представлены снимки индикаторных диаграмм,
снятых при различных режимах работы камеры. Прерывистость линии
дает отметку времени.
На фиг. 348 приведены результаты динамической тарировки пьезо-
кварцевого индикатора. Тарировка проводилась по тому же методу,
который применялся при индицировании дизелей и карбюраторных дви-
гателей. На фиг. 348 дана зависимость изменения избыточного давле-
Фиг. 349. Схема индикаторной диаграммы:
а— начало подачи искры; b —начало видимого нарастания давления;
с, е — начало границы перехода истечения из подкритической
области в надкритическую; z — достижение максимального давления
в камере; / — начало продувки.
ния в функции относительной высоты —— индикаторной диаграммы.
лгпах
Полученная тарировка позволяет обработать индикаторные диаграммы
различных масштабов, так как выражение давления в зависимости от
отношения — дает зависимость давления от текущей относительной
”тах
высоты любой точки взятой индикаторной диаграммы.
При помощи данных индикаторных диаграмм производился расчет
тепловыделений за цикл и определялся закон сгорания.
Метод определения закона сгорания заключается в следующем:
пусть на фиг. 349 представлена типичная индикаторная диаграмма за
цикл
Разбив эту диаграмму на ряд элементарных участков, можно опре-
делить для каждого участка количество тепла Д Q-t, пошедшее на изме-
нение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы рас-
ширения.
Согласно первому закону термодинамики количество тепла, пошедшее
на изменение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы
319
против внешних сил сопротивления, может быть определено уравне-
нием
dQi = ^T(kpdV+ Vdp),
где: V — общий объем сгорания в м3;
р — давление при сгорании в кг/м2;
k — показатель адиабаты.
Применяя полученное уравнение к отдельным элементарным участкам
индикаторной диаграммы, можно определить закон сгорания в камере.
Для этого весь расчет проводится в следующем порядке. За начало
сгорания принимается, как обычно, момент начала подъема линии давле-
ния над давлением продувки (точка b фиг. 349).
Для этой начальной точки определяется количество воздуха, нахо-
дящегося в камере, по уравнению
°. =тщ • <161>
где VK— общий объем камеры;
Т — температура воздуха при продувке;
рв—давление в камере при продувке.
Затем для каждого элементарного участка диаграммы определяется
количество газа, вытекавшего из камеры вследствие возникающей на
элементарном участке разности давлений Др.
Для случая подкритического истечения (участки b—с и е—f индика-
торной диаграммы) расчет вытекшего на элементарном участке за
время Дт количества газа ДО ведется по уравнению
2 k + 1
k 1кг' (162)
а для надкритической области истечения (участок с — е) расчет ведется
по уравнению
ДО = р/Дг кг. (163)
В этих формулах:
/=0,00135 л/2 — размер выходного сечения;
р — среднее значение давления газа в цилиндре для элементарного
участка;
—мгновенное среднее значение удельного веса газа на рассма-
триваемом элементарном участке;
k — показатель адиабаты;
До — противодавление (давление окружающей среды);
Дт — элемент времени развития процесса на рассматриваемом эле-
ментарном участке;
р — коэфициент расхода.
Зная количество газа, вытекшего из камеры на данном элементарном
участке, определяем количество газа, оставшегося в камере сгорания
к следующему элементарному участку.
320
Так, для конца первого элементарного участка количество остав-
шегося в камере газа определяется уравнением
Gocm = Ge-bG. (164)
Новое текущее значение удельного объема газа в камере
® = • (165)
ост
Количество тепла, воспринятого рабочим телом на каждом элемен-
тарном участке, определится уравнением
G А
= (166)
Общее количество тепла, пошедшего на изменение внутренней
энергии рабочего тела и совершение работы против внешних сил сопро-
тивления для текущего момента процесса, определится в виде суммы
тепла, воспринятого рабочим телом на отдельных элементарных участках,
(167)
1
В относительных количествах от тепла топлива, поданного за ка-
ждый цикл в камеру сгорания, эта доля тепла
х.= &
1 BQHU
и будет представлять собой коэфициент использования тепла. Измене-
ние этой величины по времени будет характерйзовать закон сгорания
по тепловыделению.
Поскольку точный расчет теплопередачи в камере сгорания затруд-
нен вследствие отсутствия ряда данных, величина теплопотерь суммарно
оценивалась по концевым потерям тепла в охлаждающую воду. На
основании теплового баланса было выяснено, что в охлаждающую воду
теряется от 10 до 14°/0 от всего тепла, введенного в камеру в виде
топлива. Поэтому действительный закон тепловыделения в камере опре-
делялся по уравнению
Ф=^- или *=-у> <168)
где ф — коэфициент использования тепла реального процесса.
На основании данных теплового баланса коэфициент ф = 0,86—0,9.
Процесс сгорания в пульсирующей камере определялся в зависимости
от суммарного коэфициента избытка воздуха а и частоты циклов п.
Изменение суммарного коэфициента избытка- воздуха достигалось
путем соответствующего изменения количества топлива, подаваемого
в камеру при небольшом колебании расхода воздуха. При исследовании
величина а менялась в пределах от а к 1 до 1,45.
Частота циклов изменялась путем соответствующего изменения числа
оборотов топливного насоса и золотника, регулирующего впуск воздуха
в камеру. Частота циклов менялась в пределах от п=410 до 660
циклов в минуту.
21 Процессы сгорания в двигателях. 3896. ^21
На фиг. 350 — 354 представлены основные данные динамики сгора-
ния в пульсирующей камере при переменном а. На каждой из этих
фигур представлены индикаторная диаграмма двигателя р = (т), закон
подачи топлива в камеру о = ср (т), закон сгорания по тепловыделению
, , ч dx
х = % (т) и скорости сгорания .
На каждой из приведенных фигур отмечены моменты зажигания (подачи
искры) и даны три оси абсцисс. На первой оси отложены величины вре-
мени в секундах, отсчитываемые от момента зажигания. На второй оси даны
углы поворота вала мотора, открывающего золотник камеры и вращаю-
щего топливный насос и прерыватель системы зажигания. Углы после по-
дачи искры имеют знак плюс, а углы до момента зажигания имеют знак
минус. На третьей оси отложено время процесса, отсчитываемое в долях
периода задержки воспламенения т;. Период задержки воспламенения опре-
делялся как отрезок времени от момента подачи искры в камеру до момента
видимого подъема линии давления над давлением продувки (фиг. 349).
На фиг. 355 представлено изменение периода задержки воспламенения
в зависимости от суммарного коэфициента избытка воздуха а. Как и для
карбюраторных двигателей при сгорании топлива, в пульсирующей ка-
мере имеет место возрастание т; с увеличением а, что указывает на не-
которое соответствие характера процесса сгорания в пульсирующей ка-
мере и сгорания в карбюраторных двигателях.
Момент подачи искры соответствовал примерно тому состоянию
топливо-воздушной смеси в камере, при котором впрыскивалось 60— 8О°/о
от всего количества топлива, подаваемого на каждый цикл. При таком
количестве топлива, впрыснутого до зажигания, некоторое количество
его успевало испариться и образовать местные составы смеси, пригодные
к воспламенению от зажигания.
Таким образом, к моменту подачи смеси в пульсирующей камере
частично образуется топливо-воздушная смесь, и поэтому процесс сго-
рания в камере в некоторой степени должен соответствовать процессу
сгорания в двигателях с принудительным зажиганием.
На фиг. 356 представлены совмещенные индикаторные диаграммы
и законы подачи топлива на всех режимах работы камеры при различ-
ных коэфициентах избытка воздуха, а на фиг. 357 показано совмещении
кривых скоростей изменения давления по этой характеристике.
Как видно из этих фигур, по мере уменьшения коэфициента избытка
воздуха скорость нарастания давления увеличивается и становится
максимальной при а—1,1.
На фиг. 358 дано изменение максимального давления цикла рг и ма-
ксимальной скорости нарастания давления в зависимости от а.
\ ыт /шах
Как видно из фигуры, величины pz и уменьшаются с увеличе-
\ «т /max
нием а, что объясняется уменьшением количества топлива, подаваемого
на каждый цикл.
Те же результаты получаются и по изменению средних значений
скорости нарастания давления, представленных на фиг. 359. С увели-
чением коэфициента избытка воздуха скорость нарастания давления
уменьшается.
322
Фиг. 350. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
Изменение давления р; закона подачи о; закона сгорания х и скорости сгорания
dx
— в зависимости от времени процесса.
Режим: п — 410 цикл/мин', В = 0,37-10 4 кг топл/цикл- & = 0,98;
о ’ ср. по возд.
_ 3
«= 5,4 • 10 кг возд/цикл.
Фиг. 351. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
—4
Режим: п = 480 цикл/яин; а , ==Z, ZZ; В = 0,37 10 лг топл/цикл;
cp.no возд. о
3
G = 6,06 • 10 кг возд/цикл,
в
323
Фиг. 352. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
Режим: п= 480 цикл/мин; а , =1,2; В = 0,37 • 10—4«г топл/цикл;
ср. по возд. о ' ’
— 6,6 • 10 кг возд/цикл.
Фиг. 353. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
Режим: п = 480 цикл/мин; а =1,33; В =0,32 10 4 кг топл/цикл;
ср. по воза. а
G, =6,34 10 3«г возд/цикл.
324
Так, если для а= 1,1 среднее значение скорости нарастания давле-
ния т/р=1,7-102 кг/смРсек, то для а=1,45 ее величина соответ-
ствует w =1 • 102 кг/см^сек.
На фиг. 360 и 361 представлены совмещенные кривые законов сго-
рания и скоростей сгорания для различных значений коэфициента избытка
воздуха а.
Фиг. 354. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
О— 4
Режим: п = 480 цикл!мин‘, а _ =1,45; В = 0,28 • 1 кг топл цикл;
ср. по возд. о
__3
G =6,06 10 кг возд/цикл.
Как видно из этих фигур, увеличение коэфициента избытка воздуха
до ос= 1,45 приводит к понижению скорости сгорания, особенхо замет-
ному в первые периоды сгорания.
Это понижение скорости сгорания при увеличении коэфициента
избытка воздуха приводит к относительному увеличению продолжи-
тельности сгорания.
На фиг. 362 представлена зависимость
продолжительности процесса сгорания тг от
а. Величина тг определялась как промежу-
ток времени в секундах от начала сгорания
до точки x=xWSx- Данные фиг. 362 показы-
вают, что при увеличении коэфициента из-
бытка воздуха от ае=1,1 до 1,45 продол-
жительность сгорания т2 практически не из-
меняется, несмотря на то, что количество
Фиг. 355. Зависимость пе-
риода задержки воспламе-
нения т, от коэфициента
избытка воздуха а.
впрыскиваемого на цикл топлива при этом
уменьшается примерно на ЗО°/о. Это указы-
вает на относительное увеличение продол-
жительности сгорания и соответствующее по-
нижение скорости сгорания с увеличением а.
Такая диаграмма построен! на фиг. 363. По оси ординат отложены
величины продолжительности сгорания t' при постоянном количестве
топлива на каждый впрыск, соответствующем подаче топлива при а =
= 1,1, т. е.
Во=О,37 • 10-4 кг/цикл.
325
226
%
кг CM'Jce> 9.id з.ю2
1
чпноэг
2102 зазк
i 10 £ * •ь £
0 -ио2 -210! с

G 1/0г
£ 10
1 г - 0 1 Фиг. 357. Совмещение кривых скор пр< 1— а ='0,98; п = 410 цикл/мин: В = 0,37 ср о 2— а —1,11; п = 480 цикл/мин; В .= 0,37 10 ср ’ ' OJ 3— а =1,2; л = 480 цикл/мин; В° = 0,37 • 10 4— аСр'~ 1,33; п = 480 цикл/мин; В— 0,32 11 5— а — 1,45; п - 480 цикл/мин ; В - 0,28 1 ср О
Рг Кг/т г
3,0

2,8 2,6 2,9

0,9 1,0 1.1 1,2 Фиг. 358. Изменение макс и максимальной скорости на мости от а: 1— а = 0,98; 2— о

,2
,3

2 Ю'г Т сек СЛ; М; кл.
10 30 <р°
2 Л Г/ остей изменения давления оцесса. —4 10 кг топлцикл; G = 5,3 • 10 в — 4 кг топл/цикл; G = 6,06 10 кг топл/цикл; G = 6,76 • 10 —4 — 0 кг топл/цикл; G = 6,34 10 в —4 0 кг топл/цикл; G$ = 6,06 10 по времени -q кг воздщиг з кг возд/цш 3 кг возд цику 3 о, кг возд1цш -з л кг возопи
dr кг/см2сек 3 102 Z-102 1 юг

Рг
1,3 1,9 1,5 а имального давления цикла pz dp растания давления в зависи- х = 1,11; 3- а =1,33; 4— а =1,45.
327
Фиг. 359. Изменение средних значений скоростей нара-
стания давления vpcp в зависимости от а.
Фиг. 360. Совмещение законов сгорания х для различных коз-
фициеитов избытка воздуха а:
1- “ =0,98; 2- а =1.11; 3-я =1,2; 4-а -1,33; 5—а =1,45.
СР ср ср ср ср
328
Фиг. 362. Изменение продолжительности про-
цесса сгорания tz в зависимости от коэфици-
ента избытка воздуха а.
Фиг. 363. Изменение
величины в зави-
симости от коэфици-
ента избытка воздуха а.
__4
В0=0,37 -10 кг^
= const.
329
Фиг. 364. Изменение Os, С02 и СО по данным стробоско-
пического газового анализа в зависимости от времени про-
цесса для /?=18 мм.
330
331
о to го зо чо ч>°
Фиг. 366. Изменение О2, СО2 и СО по данным стробоскопи-
ческого газового анализа в зависимости от времени про-
цесса для /?=57 мм.
X —сечение ИГ, О — сечение IV', А — сечение V, о — сечение VI.
332
как видно из Диаграммы, С увеличением се имеет место заметное
увеличение продолжительного сгорания т' за'счет уменьшения скоростей
сгорания.
На фиг. 364—366 представлены результаты по развитию процесса
сгорания в камере по данным стробоскопического газового анализа,
полученным для одного режима камеры а=1,1—1,2 при п=480 циклов
в минуту. Отбор проб газа из камеры производился в шести сечениях
/— VI, отмеченных на фиг. 436, причем в некоторых сечениях Отбор
газа производился в нескольких поясах.
Так, в сечении I отбор газа производился в двух точках на рас-
стоянии 37,5 мм от центра камеры, лежащих на противоположных
направлениях от центра камеры.
В сечении II производилось два отбора—на расстоянии 18 и 37,5 мм.
от центра камеры, в сечении III производилось три отбора из трех
точек, лежащих на расстоянии 18, 37,5 и 57 мм от центра камеры.
В сечении IV отбор проб газа производился из двух поясов, лежащих
на расстоянии 18 и 57 мм от центра камеры, в сечении V—в двух по-
ясах, в сечении VI—в трех поясах и, наконец, один отбор произво-
дился из центра сопла. Подробная схема размещения всех мест отбора
проб газов представлена на фиг. 344.
Из полученных результатов видно, что процесс сгорания, как и сле-
довало ожидать, начинается у источников зажигания, а затем распро-
страняется по различным сечениям камеры. Как видно из фиг. 364—366,
для каждой точки отбора от источников зажигания наблюдается все
более и более позднее начало развития процесса сгорания.
Действительно, из данных стробоскопического газового анализа для
каждого сечения камеры, полученных для различных моментов времени
процесса (фиг. 364—366), видно, что кривые изменения О2 и СО2 в за-
висимости от времени процесса имеют примерно один и тот же ха-
рактер, однако протекают тем позже, чем дальше расположе-
но рассматриваемое сечение камеры от источников зажигания. Это
означает, что в каждый момент времени в различных сечениях камеры
имеются различные составы газов, при этом количество О2 получается
большим, а количество СО2 меньшим в сечениях, удаленных от источ-
ников зажигания. Например, для <р=26° от начала зажигания для точек
отбора проб газов, лежащих на расстоянии /?=37,5 мм от центра ка-
меры (фиг. 365), количество Ог в сечениях, постепенно удаляющихся
от источников зажигания, увеличивается от О2 6°/0 в сечении I до
О2«20°/0 в сечении IV, количество СО2 уменьшается от СО2 ~ 8,5°/0
до CO2₽sl°/e.
Такой результат может быть объяснен тем, что по мере развития
процесса сгорания фронт пламени перемещается по камере сгорания
и развитие процесса постоянно переходит от одного сечения камеры
к другому в сторону удаления от источников зажигания.
Взяв в качестве исходного индикатора начала сгорания начальный
момент изменения кислорода в данном сечении камеры, можно ориен-
тировочно определить скорость перемещения фронта пламени по длине
камеры.
В табл. 63 приведены данные, характеризующие перемещение зоны
горения по камере.
Таблица 63
Перемещение зоны горения по камере
Сечения т сек. от момента зажигания до начала убывания кислорода 1 в м от свечи до места отбора и в м!сек
1 1,0 • 10"2 0,085 8,5
II 1,1 • ю-2 0,170 15,4
III 1,312 10-2 0,255 19,4
IV 1,36 10~2 0,340 25
V 1,432 • 10~2 0,425 29,7
VI 1,89 • 10-2 10,51 27
VII 2,215 • 10 2 0,642 29
В первой вертикальной графе даны номера сечений камеры в порядке
удаления от источников зажигания, во второй графе приведено время
т в сек., прошедшее от момента зажигания до момента начала убыли
кислорода в данном сечении; в третьей вертикальной графе — рассто-
яния I в м от сечения, в котором расположены источники зажигания,
до данного сечения камеры; в четвертой графе — величины скорости
перемещения зоны горения по длине камеры и в м!сек.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что раз-
витие процесса сгорания в пульсирующей камере определяется распро-
странением фронта пламени по камере.
При этом значения скоростей распространения пламени примерно
соответствуют значениям скоростей распространения фронта пламени
в карбюраторных двигателях.
Вместе с тем результаты стробоскопического газового анализа,
а также и подсчитанные по этим данным изменения коэфициентов из-
бытка воздуха а в ходе сгорания, приведенные на фиг. 367—368,
показывают, что процесс сгорания в каждом сечении камеры не проте-
кает с одинаковым качеством во всех точках данного сечения камеры,
наоборот, полученные результаты показывают, что в различных точках
каждого сечения камеры в данный момент времени имеется значительная
неравномерность по составу газов.
Так, например, в сечении IV видно, что при 30° поворота вала
золотника от момента зажигания, когда уже процесс сгорания нахо-
дится в полном развитии на расстоянии /?=57 мм от центра камеры,
коэфициент избытка воздуха в этом сечении а=3,5, а на расстоянии
/?=18 мм от центра а=1,7. Таким образом, процесс сгорания в пуль-
сирующей камере не распространяется в одинаковой мере по всем
точкам сечений камеры. Из фиг. 367—368 видно, что, как правило,
процесс сгорания наиболее интенсивно протекает в центральной части
камеры, что является следствием соответствующего характера смесеоб-
разования в данной камере.
На фиг. 369 — 371 представлены основные данные динамики сго-
рания в пульсирующей камере в зависимости от величины частоты
пульсации п. При изменении частоты пульсации п величина коэфици-
ента избытка воздуха а поддерживалась примерно постоянной. На ка-
ждой из фигур представлены: индикаторная диаграмма двигателя p—f (т),
334
5 to ~ ~%д лончак
О
Фиг. 367. Изменение коэфициента избытка
воздуха а по времени процесса т:
а — сечение 7, б—сечение 7/, в — сечение III.
' ~3,0 T-JQ&lt
Фиг. 368. Изменение коэфици-
ента избытка воздуха а по вре-
мени процесса т:
а — сечение 1, б — сечение II t
в — сечение III.
335
Фиг. 369. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке. Изме-
нение давления р, закона подачи о, закона сгорания х и скорости
dx
сгорания в зависимости от времени процесса.
__4
Режим: п =410 цикл!мин\« — 0,98; В = 0,37 • 10 кг топл'цикл;
ср. по возд. о
__3
G = 5,3 • 10 кг возд/цикл,
в
Фиг. 370. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
Режим: п =480 цикл/мин\ а .«1,11:3 = 0,37 • 1о~4кг топл/цикл:
ср. по возд. о »
—3
G =6,06-10 кг возд/цикл,
в
336
закон подачи топлива в камеру с = / (т), закон сгорания по тепловы-
dx
делению х — Щт) и скорости сгорания - = /3(т).
Из этих фигур видно, что с увеличением частоты циклов развитие
Фиг. 371. Динамика процесса сгорания в пульсирующем потоке.
Режим: п=660 цикл!мин‘, а =1,14; Б = 0,37 -10 кг топл!цикл\
ср. по возд* о
—3
G = 6,26 • 10 кг возд{цикл,
в
1 — п —600 цикл{сек\ 2 — п =480 цикл/сек; 3 —”п =410 цикл!сек.
На фиг. 372 представлены совмещенные индикаторные, диаграммы
для режимов с различной частотой циклов, а на фиг. 373 дано сов-
мещение кривых скоростей изменения давления для этих режимов.
На фиг. 374 показаны совмещенные законы сгорания, а на фиг. 375
22 Процессы сгорания в двигателях. 3896. ^37

ч*иг. oxo. совмещение кривых скоростей изменения давления
для различных частот циклов:
1 — п = 600 цикл/сек ‘ 2— п = 480 цикл/сек', 3 — п — 600 цикл/сек', 4 = п = 410 цикл {сек.
Л

Фиг. 374. Совмещение законов сгорания х для различных частот циклов п:
2 —n=600 nUKAscei-,- 2 — и = 480 цикл/сек; 3 — п = цикл’сек.
338
дано совмещение кривых скоростей сгорания для всех значений частот
циклов.
Из представленных данных можно сделать некоторые выводы о вли-
янии частоты циклов на характер процесса сгорания в пульсирующей
камере. Как видно, уменьшение частоты циклов приводит к заметному
замедлению развития процесса сгорания в камере. Так, с уменьшением
частоты циклов уменьшается скорость нарастания давления и уве-
личивается продолжительность сгорания .
Фиг. 375. Совмещение относительной скорости для различных частот циклов п
1 — п = 600 цикл! сек; 2 — п = 480 цикл!сек; 3 — п = 410 цикл}сек.
На фиг. 376 показаны изменения продолжительности сгорания тг ,
периода задержки воспламенения т; и величины отношения
Из фигуры видно, что увеличение частоты циклов в пульсирующей
камере приводит к некоторому незначительному изменению периода
задержки воспламенения и резкому снижению продолжительности сго-
рания.
Как видно, величина периода задержки воспламенения тг при полу-
ченном диапазоне частоты циклов почти не изменяется. Полученное
малое значение в основном может быть объяснено не столько влия-
нием частоты пульсации п, сколько некоторым изменением коэфициента
избытка воздуха а, которое при этом колебалось в пределах от а= 1,0
до 1,1.
Следовательно, начальные стадии процесса сгорания в пульсирующей
камере, так же как и аналогичные этапы сгорания, в двигателях с при-
нудительным зажиганием определяются главным образом составом рабо-
чей смеси.
Продолжительность сгорания резко сокращается с увеличением
частоты циклов и при увеличении п на 60° п величина тг и отношение
сокращается на 10°, 0.
339
Полученные результаты по изменению продолжительности сгорания
с изменением частоты пульсаций п указывают на то, что увеличение
числа пульсаций вызывает более интенсивную турбулентность газовой
смеси в камере, что приводит к увеличению скорости сгорания и умень-
W 500 ООО п цикп/нин
Фиг. 376. Изменение продол-
жительности сгорания перио-
да задержки воспламенения
хг г.
и величины отношения ----- в
зависимости от частоты цик-
лов п.
шению общей продолжительности
процесса сгорания тг.
Фвг. 377. Изменение" макси-
мального давления цикла рг,
максимальной скорости нара-
( dp 1
станин давления и
максимальной скорости сгора-
ния () в зависимости от
\ dt ушах
частоты циклов п.
Это сокращение продолжительности сгорания и общее улучшение
процесса с увеличением п подтверждается увеличением максимальных
Фиг. 378. Изменение средней ско-
рости нарастания давления vp н сред-
ней скорости сгорания в за-
висимости от частоты циклов и.
давлений цикла pz и возрастанием
максимальных скоростей нарастания
I dp
давления I 1ШЬХи скорости сгора-
I dP >
ния I Lax, изменения которых
представлены на фиг. 377, а также
увеличением средней скорости на-
растания давления vp ср и средней
/ dx \
скорости сгорания (Тр-пред-
\ и ь / с.р
ставленных на фиг. 378.
Таким образом, анализ экспери-
ментальных материалов, полученных
при исследовании процесса сгорания
в пульсирующей камере, позволяет
сделать основные выводы.
Полученные результаты позволили выявить влияние состава смеси —
коэфициента избытка воздуха а и частоты циклов п—на характер раз-
вития процессов сгорания в пульсирующей камере.
310
Исследование показало, что характер процесса сгорания во взятом
типе пульсирующей камеры сгорания соответствует характеру процесса
сгорания в двигателях с принудительным зажиганием.
Общий характер развития процесса сгорания в камере определяется
развитием фронта пламени, конфигурация которого определяется местным
характером турбулентности и распределением топливо-воздушной смеси
в камере.
В первом приближении результаты исследования показали, что ско-
рость перемещения фронта пламени по камере сгорания относительно
стенок ее соответствует скорости распространения фронта пламени
в двигателях с принудительным зажиганием и равна в среднем 20 м/сек.
Увеличение коэфициента избытка воздуха а приводит к более за-
медленному развитию процесса сгорания в камере. Увеличение же ча-
стоты циклов (пульсаций) приводит к некоторому возрастанию турбу-
лентности камеры и более ускоренному развитию процесса сгорания.
Таким образом, проведенные исследования процесса сгорания в пуль-
сирующей камере позволяют сделать заключение, что общий характер
развития сгорания в этих камерах определяется законами сгорания в га-
зовых смесях и, очевидно, сильно зависит от процессов смесеобразования,
качество и продолжительность которых влияют на характер развития
фронта пламени.
Поэтому исследования процессов сгорания в пульсирующих камерах
должны вестись в направлении изучения влияния смесеобразования на
развитие процесса сгорания, анализа процесса сгорания с точки зрения
развития в камере фронта пламени и изучения процессов, происходящих
в зоне фронта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный в настоящей книге анализ процессов сгорания в раз-
личных типах двигателей представляет попытку осветить общие пред-
ставления и получить характеристики развития процесса сгорания в дви-
гателях в реальных условиях их работы и показать возможности опи-
сания процессов сгорания в двигателях с помощью современных положений
теории горения.
Для получения достаточно правильных представлений о характере
явлений сгорания в двигателях особое внимание было уделено экспе-
риментальным исследованиям для сопоставления экспериментальных
результатов с соответствующими теоретическими положениями.
Несмотря на то, что эти исследования позволили определить ка-
чественные и в отдельных случаях количественные представления о раз-
витии процессов сгорания в различных двигателях и во многих случаях
обнаружить характер протекания сгорания в соответствии с теми или
иными положениями теории горения и химической динамики, полученные
результаты не позволяют еще дать окончательные аналитические соот-
ношения, с помощью которых можно было бы произвести расчет дина-
мики процессов сгорания в двигателях.
Поэтому создание теории расчета процессов сгорания в двигателях
требует дальнейших исследований и экспериментов.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. В. И. Гриневецкий, Тепловой расчет рабочего процесса двигателей
«внутреннего сгорания, Москва 1907.
2. Е. К. Мазин г, Тепловой процесс двигателей внутреннего сгорания
ОНТИ, 1937.
3. Н. Р. Брилинг, Двигатели внутреннего сгорания, ОНТИ, 1935.
4. Н. Н. Семенов, Цепные реакции. Госхимтехиздат, 1934,
5. Н. Н. Семенов, Тепловая теория горения и взрывов, „Успехи физи-
ческих наук", т. XXIII, вып. 3; т. XXIV, вып. 4, 1940.
6. Н. Н. Семенов, Кинетика сложных гомогенных реакций, „Журнал
физической химии', т. XXVII, вып. 4, 1943.
7. Н. С. Акулов, О теории цепных реакций Шилова и о ее дальнейшей
разработке, „Доклады Академии наук СССР", т. XL1X, №2,1945, Из-во АН СССР
8. Н. С. Акулов, Основы химической динамики, МГУ, 1940; „О роли
катализа в процессе самовозгорания". „Доклады Академии наук СССР",
г. XLIII, № 7, 1944. Из-во АН СССР.
9. Н. С. Акулов, О связи периода индукции с химизмом реакции, „До-
клады Академии наук СССР", т. XLVIII, № 95, 1945. К вопросу о методе опре-
деления условий самоускорения цепных реакций, „Доклады Академии наук
СССР", т. LIV, № С, 1946 Из-во АН СССР.
10. Д. И. Менделеев, Основы химии, 1877.
11. N. Seme и off, „On the kinetics of Complex Reactions, „Journal of che-
mical Physics", Jg. 7, № 8, 1939.
12. Я Б. Зельдович, Теория горения и детонации газов, изд. Акад,
наук СССР, 1944.
13. А. С. Соколик, Самовоспламенение и сгорание в газах, „Успехи фи-
зических наук", т. XXIII, вып. 3, 1940.
14. Я. Б. Зельдович и Д. А. Франк-Каменецкий, К теории равно-
мерного распространения пламени, „Доклады Академии наук СССР", т. XIX,
№ 9, 1938, Из-во АН СССР.
15. Я. Б. Зельдович, Кинетика химических реакций в пламенах, „Жур-
нал экспериментальной и теоретической физики", т. 10, вып. 9—10, 1940.
16. Н. С. Акулов, К теории горения, воспламенения и взрывов, „Доклады
Академии паук СССР", т. XXXIX. № 6, 1943. О диаграмме химической актив-
ности, „Доклады Академии наук СССР" т. XXXIX, № 8, 1943 Из-во АН СССР.
17. Д. А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в хими-
ческой кинетйке, Из-во АН СССР, 1947.
18. К. Щелкин, О сгорании в турбулентном потоке, „Журнал техниче-
ской физики" т. VIII, вып. 9—10, 1943.
19. Е. П. Бугров, Теоретические и экспериментальные исследования го-
рения газовой смеси в закрытом сосуде, „Труды краснознаменной ордена
.Ленина Военно-воздушной академии им. проф. Н. Е. Жуковского*, вып. 180,
1947.
20. Л. Ландау и Е. Лифшиц, Механика сплошных сред, Гостехиздат,
1944.
21. Н. В. Иноземцев и В. К. К о ш к и н. Исследования динамики горения
в камере воздушно-реактивного двигателя, „Сборник трудов МАИ" № 4, 1946.
Оборонгиз.
22. Н. Н. Семенов и Н. М. Эммануэль, Кинетический метод исследо-
вания промежуточных продуктов автокаталитических реакций, „Доклады Ака-
демии наук СССР", т. 280, 1940, Из-во АН СССР.
23. С. Е. Лебедев и М. С. Ховах, Исследование продувки двухтактного
двигателя методом газовых анализов, „Днзелестроение" № 1 и 2, 1940.
24. Н. В. Иноземцев, Физико-химическое исследование и расчет про-
цесса быстроходного дизеля, „Дизелестроение" № 4, 5, 1939.
25. Н. В. Иноземцев, Исследование и расчет рабочего процесса авиа-
ционного дизеля, Оборонгиз, 1941.
26. Н. Р. Брилинг, Исследование рабочего процесса и теплопередачи
в двигателе Дизеля, ГНТИ, 1931.
342
27. E. П. Бугров, Авиационные двигатели, книга вторая, ОНТИ НКТП
СССР, 1933.
28. Б. Л и б р о в и ч и Н. Б р ы зг о в. Исследование предкамерного ди-
зеля, ОНТИ, 1937.
29. J. Rassweiler, L. Withrow and W. Cornelius, Engine Combu-
stion and Pressure Development, „SAE Journal" vol. 46, № 1, 1940.
30. H. В. Иноземцев, Метод обработки экспериментального исследо-
вания процесса сгорания в реактивном двигателе, „Труды МАИ", Оборонгиз
1945.
31. Н. Шмигельский, Исследование воспламенения и сгорания распы-
ленных дизельных топлив. „Сборник работ ЦИАМ", вып. 25, 1938, Оборонгиз.
32. Д. В ы р у б о в, Смесеобразование в двигателях Дизеля, сборник „Ра-
бочие процессы двигателей внутреннего сгорания и их агрегатов", Машгиз
1946.
33. Ф. Засс, Бескомпрессорные двигатели Дизеля, ОНТИ, 1935.
34. А. Д . Ч а р о м с к и й и Л. М. Беленький, Рабочий процесс авиа-
ционного дизеля, ОНТИ, 1935.
35. А. Д. Ч а р о м с к и й, Испытание, исследование и расчет авиационного
дизеля, ОНТИ, 1934.
36. „Авиационные двигатели тяжелого топлива", составила бригада инжене-
ров под редакцией А. Д. Ч ар ом ск ого, ОНТИ, 1932.
37. Т. М. Мел ьк умов, Теория быстроходного дизеля, НКАП, Оборон-
гиз, 1944.
38. К. Н е й м а и, Кинетический анализ процесса сгорания в дизеле, Сбор-
ник монографий из иностранной литературы. Двигатели внутреннего сгорания,
том IV. Машгиз 1938 г.
39. В. К. Кошкин, О методах кинетического анализа процесса сгорания
в быстроходном дизеле, „Сборник трудов МАИ", № 4, 1946, Оборонгиз.
40. Б. Г. Л и б р о в и ч, О физико-химическом расчете рабочего процесса
в дизелях, сборник „Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания и их
агрегатов", Машгиз, 1946.
41. Н. В. Иноземцев, Тепловые двигатели, Оборонгиз, 1945.
42. Н. Шилов, О сопряженных реакциях окисления. Москва 1905.
43. Е. Орлов, К кинетике химических реакций присоединения, раскисле-
ния и окисления, „Журнал русского физико-химического общества", часть хи-
мическая, т. XLI1I, вып. 9, 1911; т. XLIV, вып. 8, 1912.
44. А. И. Т о л с т о в и Н. Шмигельский, Исследование влияния кон-
структивных факторов впрыскивающей системы и оборотов топливного насоса
иа процесс подачи топлива и сгорания, „Труды ЦИАМ", вып, 26, 1938.
45. Л. Волчок, Пьезоэлектрические индикаторы для двигателей внутрен-
него сгорания, ГНТИ, 1945.
46. С. Е Лебедев, Применение газового анализа при испытании двига-
телей внутреннего сгорания, МВТУ, 1938, Комбинат изд-ва Кр. МММИ
им. Н. Баумана.
47. Н. Р, Брилинг, Двигатели внутреннего сгорания, ОНТИ НКТП, 1935.
48. М. М а с л е нни к о в, Сгорание и детонация, 1948, Госмашметиздат.
49. Е. Бугров, В. Барлей и др., Теория авиационного двигателя, Обо-
роигиз, 1940.
50. В. И. С о р о к о-Н о в и ц к и й, Динамика процесса сгорания и влияние
его на мощность и экономичность двигателя, Машгиз, 1946.
51. В. П. Карпов, Основы технической термодинамики, Машгиз, 1948.
52. Д. Пай, Двигатели внутреннего сгорания, том I, Госуд. издательство
оборонной промышленности, 1940.
53. G. Damkohlr. Der Einfluss der Turbubenz atif die Flammen qeschuindiqkeit
in Gasqemische Zeitschrift fur Electrochemie 1940 Bd 46, № 11.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
Глава I. Теоретические и экспериментальные методы исследования
процессов сгорания ............................................. 5
§ 1. Общие положения...................................... 5
§ 2. Основные положения современной теории сгорания .... 7
§ 3. Экспериментальные методы исследования динамики процесса
сгорания в двигателях..................................... 17
§ 4. Определение закона сгорания в тепловых двигателях по экспе-
риментальным данным...................................... 21
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ
Глава II. Исследование процесса сгорания в дизелях . •............33
§ 5. Краткий анализ имеющихся исследований............... 33
§ 6. Теоретическое физико-химическое исследование динамики
процесса сгорания топлива в дизеле .................... . . 37
§ 7. Экспериментальная установка и методы исследования ... 48
§ 8. результаты экспериментальных исследований............ 68
§ 9. Описание закона сгорания в дизелях с помощью функцио-
нальных зависимостей химической динамики...................122
§ 10. Общие выводы....................................... 140
Глава III. Исследование процесса сгорания в двигателяхс принуди-
тельным зажиганием .............................................141
§ 11. Обзор имеющихся исследований........................141
§ 12. Теоретическое исследование процесса сгорания в двигателях
с принудительным зажиганием...............................145
§ 13. Экспериментальные установки и методы исследования . . . 151
§ 14. Результаты экспериментальных исследований...........161
§ 15. Общие выводы........................................258
Глава IV. Исследование процессов сгорания в газовом потоке . . . 259
§ 16. Основные положения...................................259
§ 17. Теоретическое исследование процессов сгорания в газовом
потоке......................... .....................< . . . 260
§ 18. Экспериментальные исследования процесса сгорания в'-азо-
вом потоке............................................... 264
§ 19. Исследование процесса сгорания в пульсирующем потоке . . 316
Заключение............................................341
Технический редактор f?.
Облажк!
к I1SW
И. Модель „ _ Корректор
кка худоиГника ‘ А. В. Петрова
Ф. М. Ланина
Сдано в произ. 8/Х 1948 г. Подпис. к печати 4/VI 1949 г. А 06052 Тираж 4000 экз. Печ. л. 21’/а
Уч.-изд. л. 27,2 Бумага 60>.921/м Заказ № 3896
1-я типография Машгиза, Ленинград, ул. Моисеенко, 10