соответствует весьма медленному протеканию реакций, без горения; Ts - температура горения. Температура Т? соответствует неустойчивому режиму, так как небольшое увеличение теплоотвода приводит к замедлению реакций с понижением температуры до Tj, а небольшой добавочный разогрев - к разгону реакций с повышением температуры до Tg. При более высокой температуре среды (начальной температуры смеси) линия теплоотвода будет проходить ниже и точки и Ti будут сближаться.
В предельном случае, когда линия Q (фиг. 30) станет касательной к линии Q, точка касания определит температуру Т4, ту наинизшую температуру, при которой в данных условиях Qjc= При этой температуре в зоне реакций хотя и возможно протекание медленных реакций, но небольшое превышение этой температуры сразу приводит к разогреву смеси, так как становится больше Q, и, следовательно, происходит воспламенение смеси. Температура Г4 называется температурой самовоспламенения. Зависимость температуры самовоспламенения от условий теплоотвода и начальной температуры Т, т. е. от условий ее определения, показывает, что эта температура не является физико-химической характеристикой топлива. Например, при начальной температуре смеси То и менее интенсивном тепло-отводе, характеризуемом линией Q, температура самовоспламенения рав-
на Т,.
Таким же образом изменение протекания линии выделения теплоты Q. вследствие изменения состава смеси также изменит положение точки касания линии теплоотвода и, следовательно, значение температуры самовоспламенения. Наконец, при практическом определении температуры самовоспламенения фактически измеряется не температура Tg, а температура среды Tq. Различие между этими температурами определяется наклоном линии Q", т. е. условиями теплоотвода.
Если при установившемся процессе горения при температуре Tg понижать температуру свежей смеси, поступаюш.ей в зону реакций, то линия теплоотвода сдвигается влево (фиг. 30). Когда температура смеси снизится до Т, линия теплоотвода Q становится касательной к линии выделения теплоты Qj и в точке касания, соответствующей температуре в зоне реакции, Qx= = Q\. При всех более низких температурах Q<Q и, следовательно, при небольшом дальнейшем понижении температуры произойдет прекращение горения, и температура в зоне реакций уменьшится до Г... Температура называется температурой потухания. Значение этой температуры также зависит не только от свойств горючей смеси, но и от условий теплообмена. Температура потухания (при охлаждении) выше температуры самовоспламенения (при разогреве). Таким образом, в объемах смеси, воспламенившихся вследствие высокой температуры в средней части камеры сгорания двигателя, реакции горения могут прекратиться при приближении к охлажденным стенкам камеры.
Воспламенение неоднородной смеси естественно происходит в тех зонах, в которых состав горючей смеси около испаряющихся капель обеспечивает наибольшую скорость тепловыделения, что соответствует коэффициенту избытка воздуха, несколько меньшему единицы. Расстояние этих зон от поверхности капель зависит от упругости паров топлива. Кроме того, расположение зон воспламенения зависит от температурного поля вокруг капли, определяемого температурой окружающей среды и температурой поверхности капли (температурой испарения), от тепловых свойств смеси и тепловыделения при предпламенных реакциях. Форма полей концентраций паров топлива и температурных полей зависит также от скорости движения капли в воздухе и меняется во времени.
• в начальный период испарения, когда относительная скорость капли велика, пары топлива, образующие след за каплей, смешиваются с окружающим воздухом. Однако вследствие быстрого торможения капель количество паров, образующихся в этом периоде, незначительно. При прекращении относительного движения капли поверхности равных концентраций и температур вокруг капли принимают сферическую форму (фиг. 31). Температура около капли уменьшается от температуры окружающей среды То до температуры испарения Т„. Концентрация с„ паров топлива наибольшая на поверхности капли и соответствует температуре испарения. По мере удаления от поверхности капли концентрация паров уменьшается. Область горючей смеси, ограниченная верхним и нижним пределами распространения пламени, находится на некотором расстоянии от поверхности капли.
Расположение зоны воспламенения в области горючих смесей определяется оптимальным сочетанием влияния температур и концентрацией на скорость реакций. Если неподвижная капля топлива испаряется и поля концентраций и температур сферические, то оптимальная для воспламенения зона, в которой скорость реакций W достигает максимума, располагается на расстоянии двух-трех диаметров от поверхности капли. В дальнейшем, после образования пламени вокруг капли, фронт пламени удаляется от поверхности, а скорость испарения возрастает вследствие увеличения температуры. Скорость горения капли определяется диффузией паров топлива от поверхности капли и кислорода из окружающего воздуха в зону горения и диффузией продуктов сгорания из этой зоны в окружающую среду.
Смесь в пространстве между каплями, находящимися на периферии факела топлива, обычно не достигает горючей концентрации. Но в центральной части факела, где капли движутся близко одна от другой, концентрация паров топлива настолько возрастает, что смесь становится негорючей вследствие перехода за верхний концентрационный предел. Одновременно внутри факела температура уменьшается в результате испарения.
В наиболее благоприятных для воспламенения условиях находятся капли малого диаметра, движущиеся вместе с воздухом в наружных частях факела. Место образования одного или нескольких очагов воспламенения определяется длительностью предпламенных реакций, скоростью движения факела и условиями теплообмена со стенками. При наличии сильно нагретых частей стенок камеры сгорания (например, поверхности поршня и выпускного клапана) первый очаг воспламенения обычно возникает в наружной части факела, ближайшей к наиболее нагретой части камеры.
Появлецие очагов горения приводит к общему повышению температуры в камере, что ускоряет процессы испарения капель и протекание предпламенных реакций в образующейся топливо-воздушной смеси. Одновременный рост давления вызывает дополнительное сжатие смеси и повышение температуры. В результате этого пламя от первоначально возникших и вновь образующихся очагов распространяется по всей смеси. При этом сгорание неоднородной смеси может происходить как в результате перемещения фронта пламени в тех участках, где смесь горючая, так и вследствие распространения
5 Орлин и др. 214С
Фиг. 31. Схема полей температур и концентраций у поверхности неподвижной капли.
ПО негорючей смеси тепловой волны от горящей к еще невоспламенившейся капле или зоне горючей смеси.
Процессы образования горючей смеси и протекание предпламенных реакций занимают определенный промежуток времени, и воспламенение неоднородной смеси происходит не в момент образования горючей смеси, а несколько позже. Этот промежуток времени называется задержкой воспламенения. Практическое значение имеет не момент появления первого очага воспламенения, а характер изменения давления в камере сгорания. Поэтому на практике задержкой воспламенения называют период (выраженный в градусах угла поворота кривошипа или миллисекундах) между началом впрыска топлива и началом быстрого повышения давления в цилиндре двигателя вследствие уже значительного выделения теплоты сгорания. Таким образом, в период задержки воспламенения включается также время, в течение которого происходит распад струи топлива на капли, образование факела, прогрев капель, их испарение, вызывающее небольшое понижение давления вследствие затраты теплоты, и период предпламенных реакций, сопровождающийся слабым повышением давления (холодное пламя).
Воспламеняемость характеризуется цетановым числом топлива (см. гл. П1). Улучшение воспламеняемости можно получить добавлением в топливо небольших количеств специальных веществ (нитраты, перекиси), ускоряющих протекание предпламенных реакций.
Величина задержки воспламенения существенно влияет на протекание процесса сгорания в цилиндре двигателя. Чем больше задержка воспламенения, тем больше количество топлива оказывается впрыснутым в камеру сгорания к моменту воспламенения, тем большее количество горючей смеси успевает образоваться, и тем глубже протекают предпламенные реакции. В результате возникает большее число очагов воспламенения, и одновременное горение большого количества прошедшей предпламенную подготовку горючей смеси приводит к быстрому тепловыделению, сопровождающемуся резким повышением давления в камере сгорания. Характер изменения давления в цилиндре двигателя и влияние задержки воспламенения на показатели рабочего процесса двигателя рассмотрены ниже в гл. V.
Кроме структуры молекул топлива на величину задержки воспламенения влияют также другие его свойства, определяющие мелкость распыливания, так как с уменьшением диаметра капель скорость испарения возрастает. Повышение температуры воздуха в камере сгорания в результате подогрева всасываемого воздуха, повышения степени сжатия или наличия горячих стенок камеры приводит к уменьшению задержки воспламенения вследствие ускорения как физических процессов образования горючей смеси, так и химических процессов подготовки топлива к сгоранию. Повышение давления при наддуве или повышении степени сжатия также уменьшает задержку воспламенения в результате увеличения концентрации реагентов, несмотр5£ на некоторое уменьшение скорости испарения.
Выше было отмечено, что при образовании неоднородной топливо-воздушной смеси распыливанием капли топлива распределяются в воздухе неравно.мерно. В средней части факела соотношение между количеством воздуха и количеством топлива значительно меньше стехиометрического. Поэтому при возникновении очагов воспламенения в наружной части факела пламя не может распространяться внутрь факела, где концентрации паров топлива в смеси выше верхнего предела распространения пламени. Образование переобогащенных участков смеси, так же как и образование паровых оболочек вокруг капель, определяет диффузионный характер горения, когда скорость сгорания зависит от скорости диффузии паров топлива и кислорода в зону горения. Значительное повышение температуры внутри этих переобогащенных участков при одновременном недостатке кислорода
