Особенности процессов смесеобразования и сгорания в поршневых двигателях

Все современные авиационные поршневые двигатели — четы­рехтактные с искровым зажиганием.

По способу смесеобразования они делятся на две группы:

— двигатели с внешним смесеобразованием, в которых распы­ление топлива, перемешивание его с воздухом и испарение осуще­ствляются вне цилиндра в специальном агрегате — карбюраторе (карбюраторные двигатели);

—: двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых топ­ливо в' определенный регулируемый момент подается через фор­сунки непосредственно в цилиндры двигателя специальным насо­сом высокого давления (двигатели с непосредственным впрыском). Испарение топлива в поршневых двигателях происходит на такте всасывания и сжатия (около 0,02 с).

Для обеспечения полного испарения топлива за такой корот­кий промежуток времени необходимо легкоиспаряющееся топли­во — бензин с пределами выкипания 40... 180 °С.

После зажигания горючей смеси пламя за 0,002... 0,003 с рас­пространяется по камере сгорания в виде фронта. Скорость рас­пространения фронта пламени равна примерно 15... 30 м/с. Рас­каленные продукты сгорания, расширяясь, резко сжимают и силь­но разогревают еще не сгоревшую смесь впереди фронта пламени. В результате этого в ней идет быстрое окисление углеводородов.

Согласно теории цепных реакций, окисление идет через после­довательность промежуточных реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их «осколки» группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы ОН, СН, СН2. Наиболее химически активные из них (атомы, радикалы) играют очень важную роль активных центров реакций:

появление одного из них может повлечь за собой лавинообразную ассу превращений в реагирующей системе, в которых участвуют конечные продукты окисления и менее активные насыщенные молекулы углеводородокислородных соединений (альдегиды, спирты, минокислоты), способствующие образованию все новых активных центров.

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция. В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты. Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров: как след­ствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что юнцентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, гак как возрастают энергия соударений и в результате дробления юлекул — число центров реакций. При разветвленной цепной ре­акции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечно­сти.

Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реак­ции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а количество частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере рас­ходования смеси.

Достигнув макси­мальной величины, скорость реак­ции начнет уменьшаться.

Рис. 2. Развернутая индика­торная диаграмма двигателя с искровым зажиганием: 1 — нормальное сгорание; 2 — детонационное сгорание; Р — давление в цилиндре; у—угол поворота коленчатого вала

При нормальном сгорании про­исходит постепенное выравнивание давления в сгоревшей и несгорев­шей частях смеси. Скорость распро­странения фронта пламени при нор­мальном сгорании относительно не­велика и не превышает 40... 45 м/с.

При некоторых условиях нор­мальное сгорание может нарушить­ся и перейти в детонационное (рис. 2). Детонация — слож­ный химико-тепловой процесс, развивающийся в горючей смеси при особых условиях; внешними признаками детонации является появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выхлопной системы черного дыма, двигатель работает неуравновешенно, наблюдается его тряска.

Возникновению детонации двигателя и ее интенсификации способствуют топлива с низкой детонационной стойкостью, обогащен­ные (α ≈ 0,9) составы смеси, высокая степень сжатия, большие нагрузки на двигатель, снижение частоты вращения вала двигате­ля, чрезмерно большой угол опережения зажигания, высокие тем­пературы и давления на впуске в двигатель, перегрев стенок ка­меры сгорания, увеличение размеров цилиндров.

Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок, т. е. там, где высокая температура и давление действуют наиболее длительно. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгора­ния успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, 'атомы водорода и кислорода).

В результате таких процессов смесь сильно активизируется, воз­никает самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процесса­ми. Сгорание Приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления, скорость ее распространения в камере сгорания может дойти до 1000... 2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, удар­ная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциаций с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгорев­шая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность двигате­ля снижаются, а его перегрев и дымление на выпуске увеличива­ются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается дето­нация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стен­ки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная ра­бота двигателей с детонацией недопустима.

Внешние признаки детонации начинают проявляться, когда де­тонирует около 5 % смеси. При детонации средней интенсивности Детонирует 10... 12 % рабочей смеси и детонация становится очень сильной, если детонирует 18... 20 % смеси.

Наиболее эффективное средство предотвращения детонации в двигателе — это применение топлива, имеющего достаточную детонационную стойкость.

Дата добавления: 2015-07-11