При горении однородных смесей реакции сгорания почти полностью завершаются во фронте пламенн и позади фронта происходит лишь рекомби- "нация продуктов диссоциации. В период сгорания рабочее тело в различных частях камеры сгорания неодинаково по составу: перед фронтом находится топливо-воздушная смесь, содержащая большее или меньшее количество продуктов предпламенных реакций, а позади фронта - продукты сгорания. Состав этих продуктов (после завершения рекомбинации) определяется коэффициентом избытка воздуха в горючей смеси, причем в случае смесей более богатых, чем стехиометрическая, в продуктах сгорания кислород практически
Искра-го
15м/сек 15п/сек
28MfieK
20м/сек
32м/сек
Э8м/сек
"Фнг 27. Распространение фро.чта пламени при малой скорости движения смеси в цилиндре (по данным А. Н. Воинова).
Фиг. 28. Распространение фронта пламени при вращении смеси в цилиндре (по данным А. Н. Воинова).
отсутствует, а при более бедных смесях отсутствуют продукты неполного сгорания (СО), даже при коэффициенте избытка воздуха весьма близком к единице.
Отмеченное ранее дополнительное сжатие смеси перед фронтом пламени вследствие расширения продуктов сгорания приводит к повышению температуры еще несгоревшей смеси. Это вызывает последовательное увеличение скорости сгорания слоев смеси, непосредственно прилегающих к фронту пламени.
Одновременно рост температуры всей несгоревшей смеси ускоряет протекание в ней предпламенных реакций. При достаточно сильном сжатии скорость этих реакций в некоторой зоне несгоревшей смеси может настолько возрасти, что до прихода фронта пламени в эту зону в ней возникнет очаг воспламенения (самовоспламенения), который начнет расширяться в результате последовательного воспламенения соседних слоев смеси, также уже под-jготовленных к сгоранию прошедшими предпламеиными реакциями. Скорость j распространения такой волны воспламенения смеси весьма высока и может превосходить скорость звука в данной среде. В результате возникают мощные ударные волны, распространяющиеся по несгоревшей смеси и продуктам (сгорания со скоростью 1200-2300 м/сек. Эти волны, перемещаясь в камере сгорания и отражаясь от стенок, могут вызвать новые очаги воспламенения, а при определенных условиях (большие концентрации активных продуктов предпламенного окисления) ударная волна может перейти в детонационную, когда химические превращения полностью протекают в самой ударной волне.
- 600 м/сек
тОн/сек С
Схема распространения фронта пламени и воспламенения перед фронтом показана на фиг. 29. Положения фронта пламени при различных углах поворота кривошипа от момента зажигания (-20°) до момента появления очага воспламенения А перед фронтом (-4°) показаны штриховыми линиями. Мгновенные положения волны воспламенения, нанесенные сплошными линиями, помечены цифрами условной шкалы, одно деление которой соответствует 0,66-10" сек., так как весь процесс распространения воспламенения заканчивается в течение времени, соответствующего десятым долям градуса угла поворота кривошипа. Скорость распространения воспламенения от очага А и возникающего несколько позже очага В значительно больше скорости фронта пламени и в зоне С достигает 1200 м1сек. Положения возникшей ударной волны показаны штрих-пунктирными линиями. Скорость распространения этой волны составляет 1250 м/сек. При отражении ударной волны от стеики в зоне D возникает отраженная волна большей интенсивности, распространяющаяся в камере сгорания со скоростью 1300- 2300 м/сек (дальнейшие положения этой волны на схеме не показаны).
При таком протекании процесса сгорания полнота сгорания значительно ухудшается. Реакции сгорания не успевают завершиться в волне воспламенения. Кроме того, местные резкие по- вышения температуры приводят к термическому разложению углеводородов и диссоциации продуктов сгорания, бJpeзyлbтaтe эгого в продуктах о1.ордния наблюдается значительное коли-Зество сажи. Такое протекание процесса сгорания в двигателе называют д е - т о н а ц и о"н н ы м, хотя образование действительной детонационной волны,, т. е. ударной волны, в которой полиостью протекают химические превращения, наблюдается не всегда. Внешние признаки детонации в двигателе и влияние детонации на его работу, а также нарушения процесса сгорания, связанные с несвоевременным зажиганием смеси, рассмотрены ниже в гл. V.
Увеличение скорости горения бедных однородных смесей достигается в так называемых предкамерных двигателях с внешним смесеобразованием применением мощного источника зажигания - факела пламени. В таких двигателях основное пространство камеры сгорания заполняется бедной смесью, а соединенная с этим пространством небольшая предкамера - богатой смесью. Богатая смесь зажигается электрической искрой и образовавшееся пламя выбрасывается в основное пространство сгорания в виде факела, зажигающего бедную смесь и увеличивающего скорость ее горения вследствие роста температуры, введения активных продуктов и турбу-лизации.
Протекание процесса сгорания неоднородной смеси существенно отли-j чается от сгорания однородных смесей. Зажигание неоднородных смесей в двигателях обычно производится не от постор01шего источника, а происходит в результате воспламенения смеси, вызываемого разгоном экзотермических реакций окисления до появления пламени. Этот разгон реакций осуществляется в основном вследствие тепловой активации. Такое воспламенение
/ZOM/гр/,
Фиг. 29. Распространение фронта пламени при воспламенении перед фронтом, распространение воспламенения и ударных волн (по данным А. Н Воинова)
можно получить при образовании горючей смеси в воздухе, нагретом до высокой температуры, например в результате сжатия. Двигатели, в которых используется этот принцип воспламенения горючей смеси, получили наименование двигателей с воспламенением от сжатия (дизели).
Выше было указано, что скорость химических реакций находится в экспоненциальной зависимости от температуры. Поэтому в области низких температур скорость реакции очень мала, но по достижении определенной области температур скорость реакции быстро растет (фиг. 22). При сжигании неоднородных смесей процессу сгорания должен предп1ествовать процесс испарения топлива и смешение его паров с воздухом для образования горючей смеси. Поэтому скорость сгорания неоднородных смесей зависит не только от скорости химических реакций горения, но и от скорости образования горючей смеси или подвода ее в зону горения. Скорость диффузии, определяющая процессы смешения, зависит от температуры значительно слабее, чем скорость реакций. Как известно, скорость сложного процесса определяется протеканием его наиболее медленной стадии. Поэтому в области низких температур скорость сгорания определяется в основном химической кинетикой (кинетическая область). При высоких температурах, когда скорость реакций сильно возрастает, лимитирующим процессом становится процесс диффузии реагентов в зону горения
и продуктов горения из этой зоны (диффузионная область). В результате зависимость от температуры скорости сгорания и, соответственно, количества теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, принимает вид,пока-занный на фиг. 30.
Возможность повышения температуры смеси до появления пламени определяется, с одной стороны, количеством теплоты Q,, выделяющейся в результате химических реакций, а с другой - отводом теплоты Qj- из зоны реакций в окружающую среду. Если Q.r>Qr температура смеси ;в зоне реакций будет расти, что вызовет дальнейшее быстрое увеличение количества теплоты Qj, и произойдет воспламенение. Наоборот, если Qj< Qp, то температура в зоне будет понижаться и, соответственно, замедляться реакции. Тепловой поток Q-p из зоны реакций в окружающую среду пропорционален разности температур в зоне Т и окружающей среды Tq (первоначальной температуры смеси).
Значения для различных условий теплоотвода и температур окружающей среды показаны на фиг. 30,
Если количество теплоты, отводящейся из зоны реакций, определяется линией Q}-, то в зоне реакций возможны две установившиеся температуры Tj и Тз, при которых количества выделяющейся Qj и отводящейся теплоты Qj-равны. Если первоначальная температура смеси Т<1\, то Qx> Qt смесь будет разогреваться до тех пор, пока ее температура ие достигнет дальнейший разогрев смеси невозможен, так как Q, становится меньше Q\.. То же самое наблюдается соответственно для температуры Tg, так как в области от Тч до Тз Q> Q\, а при температуре больше Tg Qj,< Q. Температура Tj
Фиг. 30. К определению температур воспламенения и потухания.
