Фиг. 24. Зависимость расчетной температуры горе-вия смесей от коэффициента избытка воздуха а с учетом диссоциации:
/ - окись углерода, начальная температура смеси 20*; 2 - бензин Б70, начальная температура смеси 100°.
ИЗ ЗОНЫ реакции может вызвать прекращение горения, например, вблизи холодных стенок камеры сгорания.
Последовательный прогрев свежей горючей смеси и ее сгорание приводит к-перемещению фронта пламени в направлении несгоревшей смеси. Скорость перемещения фронта пламени называется нормаль ной (в направлении нормали к поверхности фронта) скоростью пламени. Нормальная скорость показывает, таким образом, объемное количество горючей смеси, сгорающей в единицу времени на единице поверхности фронта Величина нормальной скорости определяе1х:я свойствами топлива и окислителя и составом смеси. Максимальные значения для некоторых топлив при сгорании в воздухе и кислороде приведены в табл. 7.
Из табл. 7 видно, что смеси с кислородом имеют значительно более высокие нормальные скорости распространения пламени, чем воздушные. Выше было отмечено, что скорости реакций зависят от концентрации реагентов, причем наличие в смеси компонентов, не участвующих в реакции, замедляет реакцию Этим объясняе1х:я зависимость скорости u ОТ концснтрации кислорода в окислителе и от состава
смеси. На фиг. 25 показано изменение нормальной скорости распространения пламени для смесей некоторых топлив в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Кривые и„ имеют максимум в области значе1адй а < 1, соответствующий опти-мальному сочетанию влияния темпера-турь1 процесса и концентрации реагентов. Для бензино-воздушных смесей этот максимум лежит в пределах а = 0,850,90,..
Приведенные в табл. / максимальные значения нормальной скорости пламени показывают, что в течение того короткого промежутка времени, который предоставляется для сгорания в рабочем "цикле двигателя, невозможно осуществить, сжигание неподвижной или ламинарно "движущейся однородной смеси. Необхо- димое ускорение процесса, можётГ.быть получено лрц турбулентном дви-жении смеси.
Механизм воздействия турбулентных пульсаций на протекание процесса горения зависит от масштаба пульсаций. Если этот масштаб меньше толщины •фронта пламени, то такие пульсации ускоряют подготовку смеси к горению в результате замены кондуктивной теплопроводности турбулентной, а молекулярной диффузии активных центров из химической зоны в свежую смесь - турбулентной диффузией. Крупномасштабные пульсации изгибают фронт •пламени, вследствие чего его поверхность увеличивается, что приводит к уве-
Таблица 7
Нормальные скорости пламени при атмосферных давлении и температуре
ы„ в м]сек
Топливо
g§
Водород ....
Окись углерода
0,42
(влажная)......
Метан ......
0,37
Бензин .....
0.12
личению скорости сгорания (фиг. 26, а). Интенсивная крупнсшасшгабнад турбулентность приводит к разрыву изогнутого фронта и образованию многое-Численных объемов смеси, горящих по своей поверхности, что значительно увелич11вает .скорость 1:гарлни51„ В эгом случае (фиг. 26, б) турбулентным фронтом пламени условно называют всю зону, в которой происходит горение (толщиной порядка десятков миллиметров), хотя собственно фронты пламени образую1х:я на поверхности горящих объемов. Вследствие сильного увеличения скорости сгорания скорость турбулентного фронта пламени и-р значительно больше нормальной скорости й в основном определяется турбулентными характеристиками смеси в период сгорания (масштабом и интенсивностью пульсаций).
Перемещение фронта пламени в однородной смеси, горящей в замкнутом
объеме камеры сгорания, определяется не только нормальной или турбулентной скоростью пламе1ш. Продукты сгорания, образующиеся во фронте пла-
/,5 (К
Фиг. 25. Зависимость нормальной скорости Ufi распространения пламени в одно-родны.х воздушных смесях от коэффициента избытка воздуха а.
Горючая
[Лрод1/кт.
Горючая
Фиг. 26, Схемы турбулентного фронта пламени.
мени, расширяются вследствие разогрева примерно в 7-8 раз сравнительно с объемом сгоревшей смеси Поэтому наблюдаемые скорости фронта пламени
в замкнутой камере определяются не только распространением пламени, но и перемещением фронта вследствие сжатия еще несгоревшей горючей смеси перед фронтом. Кроме того, скорость фронта относительно стенок камеры сгорания зависит от общего движения всего заряда.
Характеристики турбулентности в камере сгорания однокамерного-двигателя в основном определяются скоростью горючей смеси при проходе через органы впуска, а также формой камеры сгорания и длительностью периода сжатия, в течение которого происходит затухание турбулентных пульсаций. Для увеличения турбулентности заряда выполняют разделенные камеры. При увеличении числа оборотов коленчатого вала скорость распространения пламени растет, а время сгорания уменьшается. Длительность периода сгорания, выраженная в углах поворота кривошипа, при этом возрастает незначительно, что и обеспечивает возможность осуществления рабочего процесса при высоких числах оборотов.
Воспламенение однородной горючей смеси в большинстве современных двигателей производится электрической искрой. При пробивании искрового промежутка свечи высоковольтным разрядом образуется небольшой объем газа, нагретого до температуры в несколько тысяч градусов. От этого объема в окружающую смесь распространяется температурная волна, разогревающая прилегающие слои горючей смеси. Если ближайший слой смеси толщиной, близкой к ширине фронта пламени, успеет прогреться до такой температуры, что вследствие начавшихся экзотермических реакций количество и скорость выделения теплоты будут достаточны для появления пламени, то в результате прогрева следующего слоя пламя начнет распространяться по смеси, т. е. произойдет воспламенение. Если энергия искрового разряда не достаточна для прогрева, или если количества теплоты, выделяющейся в слое, недостаточно, или выделение ее происходит медленно и теплота успевает рассеиваться в окружающей среде, то первичный фронт пламе1П1 не может возникнуть, и смесь не воспламеняется.
На формирование первоначального очага горения затрачивается определенный период времени, в течение которого протекают предпламенные реакции. Этот период называется задержкой воспламенения, так как в течение этого периода не наблюдается заметного выделения теплоты и, соответственно, повышения давления в цилиндре. Практически длительность задержки воспламенения определяют не как период от момента проска-кивания искры до момента появления первого очага пламени, а как период от момента проскакивания искры до начала быстрого повышения давления в цилиндре. Длительность задержки воспламенения выражают или в градусах поворота кривошипа, или в миллисекундах. Величина задержки восш1 а-менения зависит от структуры молекул тoIЩig эиeJmiyиcкp6вoгo разряда, состава, температуры и давления смеси. Обеднение смеси и понижение температуры увеличивают задержку воспламенения. Нормальные парафиновые "углеводороды (алканы) дают наименьшую задержку воспламенения.
На фиг. 27 показаны последовательные положения при различных углах поворота кривошипа усредненного фронта пламени (турбулентные пульсации не показаны) в камере сгорания карбюраторного двигателя при малой скорости общего движения смеси в камере. Период задержки воспламенения в данном случае составляет около 5° угла поворота кривошипа, т. е. примерно 15% от полного периода распространения пламени, равного 35°. Образовавшийся фронт пламени движе1х:я почти равномерно; некоторое уменьшение скорости наблюдается около стенок в результате охлаждения. При наличии вращательного движения смеси в цилиндре форма фронта и скорость распространения пламени существенно изменяются (фиг. 28). Скорости распространения пламени в карбюраторных двигателях обычно составляют 15- 40 м/сек.
