что такое вакуумная турбулентность внутреннего сгорания

Турбулентное горение в двс с искровым зажиганием

ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ В ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Важнейшим направлением совершенствования бензиновых ДВС в последние десятилетия XX века был поиск схем организации процесса сгорания, обеспечивающих возможность сжигания бедной топливовоздушной смеси без потерь в мощности и устойчивости работы двигателя. Были предложены и реализованы новые системы зажигания, конструкции камер сгорания и схемы впуска, которые позволили повысить экономичность автомобилей за счет стабилизации начальной фазы (развития пламени из искрового очага) и оптимизации структуры поля течения заряда (включая его крупномасштабную и турбулентную составляющие) в фазе развитого горения. Применение современных методов экспериментальной диагностики и численного моделирования позволило достигнуть значительного прогресса в изучении механизмов горения в реальных ДВС.

С увеличением степени разбавления азотом бедные пределы воспламенения неподвижных смесей углеводородов тяжелее кислорода сдвигаются в область богатых составов. Для разбавленных смесей метана предельно бедным является стехиометрический состав.

При одинаковой ламинарной скорости горения для богатых смесей тяжелых углеводородов (например, бутана) турбулентная скорость выгорания значительно выше, чем для бедных. Для метановоздушных смесей (при той же ламинарной скорости горения), наоборот, турбулентная скорость выгорания в бедной области значительно выше, чем в богатой. Аналогичная, но значительно более сильно выраженная зависимость турбулентной скорости выгорания от состава характерна для водородовоздушных смесей.

С увеличением доли продуктов в бедной смеси пропана наклон зависимости турбулентной скорости выгорания от интенсивности турбулентности уменьшается. При предельном разбавлении (достижимом для наиболее богатых смесей) наклон приближается к нулевому, т.е. скорость горения почти не зависит от турбулентности.

Добавка водорода к бедным смесям углеводородов с воздухом (при сохранении в целом бедного состава) резко увеличивает скорость горения в турбулентном режиме (при незначительном изменении ламинарных скоростей горения), причем относительный эффект выше для тяжелых углеводородов (на примере бутана), тогда как наибольшая скорость выгорания достигается при добавке водорода к метану.

Описанные выше результаты представляются важными для прогнозирования перспективных направлений как прикладных работ, имеющих целью существенное повышение экономичности ДВС с искровым зажиганием, так и фундаментальных исследований турбулентного горения.

Следует подчеркнуть, что наряду с задачами термодинамики, кинетики и газодинамики горения, возникающими в связи с разработкой тех или иных схем ДВС с использованием водорода, сама по себе проблема выбора наиболее перспективной схемы до сих пор не имеет однозначного решения. Этот выбор в значительной степени определяет постановку конкретных задач, но диктуется он внешними критериями технико-экономического характера. На наш взгляд, главным критерием следует считать минимизацию количества водорода, используемого в качестве добавки к дешевому топливу. Из этого требования вытекает, что варианты с использованием водорода в смеси, однородной по объему камеры сгорания, не являются оптимальными. Известно, что предел эффективности процесса сгорания в ДВС в целом определяется критическими условиями стабильного развития пламени в начальной фазе горения. Следовательно, для расширения бедного предела воспламенения ДВС в первую очередь необходимо повысить скорость горения очага, т.е. в окрестности искрового промежутка должна находиться максимально быстро горящая смесь. На более поздних стадиях развитое пламя может вполне устойчиво и достаточно быстро распространяться и по более «слабой» смеси.

Разработка двухтопливной схемы типа HAJI потребует детальных комплексных исследований горения водородо-воздушного факела и основной смеси в условиях, моделирующих состояние топливовоздушного заряда в конце такта сжатия. На наш взгляд, при необходимой поддержке первые существенные результаты в этом направлении реально могут быть достигнуты уже в ближайшее время. Однако в целом оптимизация данной схемы может быть доведена до конечного результата только в рамках специальной программы исследований и разработок.

В этой связи подчеркнем, что результаты пп. 2–4 не поддаются объяснению в рамках моделей турбулентного горения, широко используемых в практических расчетах. Более детальный анализ и сравнение предсказаний этих моделей с экспериментальными данными показывают, что лежащие в их основе представления о локальной структуре и динамике зон реакции нуждаются, как минимум, в существенном уточнении. В частности, на это указывают подтверждаемые наблюдениями и расчетами соображения о ключевой роли, которую играют критические режимы горения в лидирующих точках, возникающих в процессе распространения зон реакции вдоль вихревых трубок, в механизме турбулентного распространения пламени. Отсюда вытекает необходимость создания теоретических, численных и экспериментальных моделей этих критических режимов для исследования влияния на них параметров кинетики, поля течения и молекулярного переноса. В то же время очевидно, что математически строгая и физически корректная теория должна опираться не только на модель локальной структуры пламени, но и на статистический формализм осреднения, позволяющий с достаточной точностью предсказывать экспериментально измеряемые и закладываемые в расчеты параметры. Поэтому моделирование турбулентного горения (в том числе в ДВС) требует участия специалистов по современной теории турбулентности. Как и в теории турбулентности, не приходится рассчитывать на создание в ближайшем будущем общей теории гомогенного турбулентного горения, полностью отвечающей всем критериям строгости и корректности. Однако при создании любой модели следует учитывать, что наибольшую ценность для практических расчетов процессов сгорания в ДВС представляет правильное предсказание характеристик горения, соответствующих максимально возможной эффективности сжигания того или иного топлива. Это означает, что, скажем, высокая точность описания горения стехиометрической смеси не достаточна для апробации какой-либо предлагаемой модели. Критерием адекватности модели турбулентного горения должна служить точность расчетов параметров для режимов горения, в которых соответствующие характеристики (например, турбулентная скорость выгорания или время полного сгорания смеси заданного бедного состава в камере определенной геометрии) достигают экстремальных значений. Экспериментальное моделирование таких режимов является необходимой и важной составляющей исследований турбулентного горения.

Источник

Всё, что вы хотели знать о турбулентности: рассказывает пилот

Алина Архипова

Очень многие пассажиры пугаются, когда самолёт в воздухе начинает трясти, то есть когда по тем или иным причинам появляется «болтанка» или турбулентность, если по-научному.

Турбулентность — это естественное явление в авиации, точно также, как качка в море, как тряска автомобиля на неровной или ухабистой дороге.

Если в море вы можете видеть волны, на дорогах — заплатки или ямы, то в небе часто этого ничего не видно, но на самом деле оно тоже совсем не однородно.

Что происходит в небе?

В воздухе постоянно происходит много различных процессов — движутся разные воздушные потоки и струйные течения, скорость которых иногда может достигать до 300 км/час, а то и больше. Образуются зоны разного атмосферного давления. Одни воздушные массы сменяются другими, возникают метеорологические фронты — от холодного, тёплого до смешанного.

Каждый день в атмосфере изменяется температура и давление. Обычно с ростом высоты и то, и другое должно уменьшаться, но бывает и наоборот. Сила и направление ветра тоже постоянно варьируются. Иногда можно видеть, как облака на разных высотах движутся в противоположные стороны.

Всё это в целом делает атмосферу либо стабильной, либо нестабильной, создавая условия для появления разных погодных явлений, в том числе и турбулентности.

Иногда пилоты заведомо могут знать о возможной турбулентности на своём маршруте из метеорологических карт и сводок погоды, которые они проверяют перед каждым полётом. А если в полёте появилась турбулентность там, где в картах она не была отмечена, то пилоты сообщают об этом диспетчеру, и он в свою очередь предупреждает потом другие борты, входящие в данный сектор.

Причины «болтанки»

1) Красивые пушистые облака, кучевые (cumulus) и особенно кучевые-дождевые (cumulunimbus CB) являются турбулентными за счёт восходящих и нисходящих потоков, образующихся в них. Во время гроз воздух переполнен грозовыми облаками CB.

Но не все облака турбулентны. В отличие от пушистых красивых облаков, внутри и рядом с которыми может «болтать», низкие слоистые сплошные облака обычно спокойные.

2) Но тряска не всегда рождается из-за одних только облаков. Есть ещё турбулентность ясного неба (clear air turbulence — CAT), когда в воздухе нет ни единого облачка, солнечно и красиво, а атмосфера нестабильная, и самолёт неожиданно начинает трясти.

3) Также турбулентность часто возникает в горной местности, и чем ближе к горам, тем сильнее.

4) Ещё есть термические потоки (восходящие потоки) в тёплое время года, образующиеся от нагрева поверхности земли. Поэтому тёплой весной и летом даже при хорошей ясной погоде самолёт на посадке может прилично «болтать» именно из-за них, особенно при пролёте разной поверхности (так как она по-разному прогревается). Например, когда лесистая местность сменяется полем или долиной, или при пролёте береговой линии с моря на сушу.

5) Есть искусственная турбулентность – это если самолёт попадёт случайно в спутную струю впереди летящего или взлетающего самолёта. Это достаточно опасно. Именно поэтому диспетчеры должны обеспечить, а лётчики соблюдать определённую дистанцию — интервал между бортами самолётов как при взлётах/посадках, так и на других этапах полёта.

Хотя случайности всё равно иногда бывают, например, по причине ветра, когда тот задерживает спутную струю пролетающего самолёта или сносит её прямо на идущий самолёт следом. В таких случаях самолёт может сильно мотнуть из стороны в сторону вплоть до самопроизвольного отключения автоматики, и среагировать надо очень быстро.

У меня было так несколько раз, ощущения не из приятных. Но чтобы пилоты были подготовлены к таким неожиданностям и знали, как действовать, подобные ситуации прорабатываются обязательно на тренажёрах.

6) А ещё, например, наш Boeing может трясти, когда мы летим с выпущенными спойлерами (интерцепторами), если срочно надо снизиться или быстро погасить скорость. Спойлеры — это пластины на верхней поверхности крыла, поднимающиеся вертикально вверх при выпуске.

То есть в полёте очень много естественных причин тряски самолёта.

Насколько опасна турбулентность?

В авиации турбулентность делят по интенсивности на три категории:

Но сразу скажу, что мы делаем всё, чтобы самолёт никогда не оказывался в зоне с сильной турбулентностью. Просто так сильная турбулентность сама по себе не бывает. В большинстве случаев она появляется в зоне действия гроз и большого скопления грозовых облаков. А это возможно предвидеть, изучив метеокарты и отследив по радару. Пилоты всегда обходят подобные зоны, если возможно. А если невозможно, то уходят на запасные аэродромы. Причём есть ограничения, на каком удалении безопасно обходить опасные сектора, как сбоку, так и по высоте.

Источник

Что такое вакуумная турбулентность внутреннего сгорания

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ЖРД

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) реализуются наиболее сложные виды турбулентности. Это связано со спецификой их конструкции, которая достаточно сильно отличается от других ракетных двигателей (РДТТ, ЯРД, ГРД, МПД и др.) в первую очередь из-за достаточно сложного геометрического исполнения и многообразной функциональной направленности.

Турбулентные процессы в трех выделенных областях могут считаться универсальными и рассматриваться как независимые течения в камерах сгорания непосредственно за форсунками, вблизи стенок дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла с отводом тепла из основного потока в полость рубашки охлаждения, а также в насосах, рабочих колесах и сопловых аппаратах турбин. Все три указанные области течений отличаются от традиционных, условно элементарных зон турбулентного течения своеобразной сложностью и многопричинностью.

В настоящее время исследования в этих областях до конца не завершены. Они носят, в основном, полуэмпирический характер. Известные идеализированные программы расчетов базируются на уравнениях движения Рейнольдса в сочетании с эмпирическими моделями турбулентности, разработанными на основе результатов так называемых «плосковоздушных» опытов. Эти программы не полностью воспроизводят реальную картину течения в отмеченных зонах. Проводимые по этим программам расчеты носят, в основном, частный характер.

Турбулентность форсуночной области камеры сгорания ЖРД

Пристенная турбулентность в сопле с регенерационным охлаждением

0), что означает переход к турбулентности с кручением (см. «Двигатель» № 3 (57), 2008). Ячеистая структура, напоминающая шахматную доску и представляющая собой следы турбулентного потока, свидетельствует о присутствии у стенки торсионных течений.

Турбулентность в ТНА

Особенности турбулентности в турбонасосном агрегате характеризуются дополнительным вращением и возникновением центробежной силы, действующей на поток. Помимо этой силы, которая влияет на формирование турбулентного течения, определяющее воздействие оказывает сложная конфигурация межлопаточных каналов внутри насосов и турбин. Их сложная пространственная геометрия предопределяет возникновение всех видов турбулентности вне зависимости от развивающихся в процессе работы режимов течения. В данном случае турбулентность представляет собой интерференцию всех видов движения жидкости и газа: поступательного, вращательного, волнового и торсионного. Такой вид турбулентности хуже всего поддается расчетному исследованию. Наиболее подходящим методом по-прежнему остается экспериментальное изучение процесса, но и здесь на пути исследователей часто стоят непреодолимые трудности, такие как практическая невозможность проведения визуализации течения в каналах ТНА, проблематичность использования датчиков первичной информации о потоках (давления, температуры, скорости), трудности при идентификации результатов, полученных косвенным способом (высокоскоростная видеосъемка, оптическая, магнитная диагностика, вибродиагностика, резонансные методы и др.).

Иногда в статическом положении элементов конструкции удается зафиксировать картину течения. Например, на рис. 5 представлены результаты оптической съемки обтекания диффузорной решетки, полученной при значении числа М = 0,65. На фотографии можно заметить, что первоначально дозвуковой поток непосредственно за носиком лопатки становится сверхзвуковым из-за ускорения, приобретенного при обтекании спинки. Далее, постепенно сжимаясь в веере волн Прандтля-Майера, образовавшегося на корытце, поток вновь переходит в дозвуковой. Порой такой качественный анализ не всегда можно сделать даже для простейших статических случаев. Например, для шнекоцентробежного насоса удается зафиксировать лишь момент наступления кавитации непосредственно в шнеке, помещенном в прозрачную камеру. На рис. 6 (фото В.В. Червакова) этот момент представлен в виде области ламинарного течения, переходящей в область смешанного течения жидкости и пара.

В виду сложности изучения турбулентного течения в ЖРД элементы конструкции двигателя испытываются автономно и параллельно с применением инженерных методов, которые дополняются различного рода математическими моделями. В процессе испытаний приходится учитывать случайные факторы, связанные с отклонениями от номинальных значений как параметров конструкции, так и характеристик топливных составов, которые приводят к ребалансировке двигательной установки в целом, делая ее сугубо нестационарной. В процессе такой ребалансировки возникают различного вида неустойчивости течения, горения и режима работы ТНА. При этом турбулентность в системах двигательной установки также носит нестационарный характер и в зависимости от кратковременно установившихся условий течения может скачкообразно менять конфигурацию.

Источник

Процесс сгорания — турбулентность и детонационное сгорание.

Значение турбулентного движения смеси в камере сгорания было известно пионерам двигателестроения, турбулентность позволяет объяснить кажущийся парадокс, заключающийся в том, что быстроходный двигатель работает быстрее, чем это позволяет распространение фронта пламени в топливной смеси. Хопкинсон продемонстрировал в экспериментах в бомбе возможность регу­лируемого увеличения скорости распространения пламени в смеси с помощью вентилятора, вращающегося с различной скоростью. Его современник сэр Дугалд Клерк продемонстрировал противо­положный эффект остановки двигателя после нескольких циклов работы из-за турбулентности. В тех случаях, когда заряд горючей смеси воспламенялся, сгорание его было неполным.

На начальном этапе вполне естественным было появление различных теорий детонационного сгорания. Тизард [14] пред­полагал, что его причиной были большие ускорения фронта пла­мени и, как следствие этого, очень высокая температура пламени. Для проверки возможности распространения пламени с такими высокими скоростями он проводил испытания на изображенной на рис. 6.2 машине быстрого сжатия, созданной по принципу двигателя. Поршень при достижении ВМТ фиксировался и от­соединялся от ведущего вала с помощью телескопической стерж­невой системы. Приводимый в движение грузом вентилятор позволял создавать в камере сгорания турбулентность различ­ной интенсивности. При сжатии происходило самовоспламенение, которое, как он считал, приводило к распространению пламени с очень высокой скоростью, и в процессе испытаний записывались индикаторные диаграммы.

Влияние создаваемой вентилятором турбулентности на за­держку воспламенения смеси гептана с воздухом хорошо видно при сравнении рис. 6.3 и 6.4. В опытах был установлен двух­фазный характер процесса самовоспламенения и замечена его зависимость от молекулярной структуры топлива. Роль турбу­лентности оказалась сложной, поскольку, с одной стороны, при увеличении турбулентности увеличивается отвод тепла в «холодные» стенки камеры сгорания, а с другой стороны, увеличение турбулентности благоприятствует диффузии очагов самовоспла­менения в заряде топливной смеси.

Эти эксперименты, а также выявление существенного влияния тетраэтилового свинца побудили профессора Каллендера сделать предположение, что во время задержки воспламенения образуются активные центры, которые он назвал «каплями ядер», а это спо­собствует детонационному сгоранию [15]. Мардлес показал, что вероятнее всего активные центры представляют собой перекиси органических веществ, и примерно в то же самое время Эджертон выдвинул предположение, что антидетонационное действие оказывают молекулярно-диспергированные окислы многовалентных металлов, которые в результате окислительно-восстановительной реакции разрушают активные насыщенные кислородом моле­кулы [16].

Конструкция камеры сгорания.Вто же самое время, когда были получены эти фундаментальные результаты, Рикардо скон­струировал для проведения исследований первую камеру сгора­ния, которая могла обеспечить эффективную работу двигателей автомобилей массового производства, — камеру сгорания с одно­сторонним расположением клапанов. Такая конструкция двига­теля была обусловлена требованиями производства. Все разработки Рикардо были хорошо документированы [17] в соответствии с тре­бованиями того времени [8].

Основными особенностями камеры сгорания для проведения исследований были следующие:

1. Точное регулирование турбулентности с целью увеличения скорости распространения пламени до такой степени, чтобы вре­мя сгорания было меньше времени задержки самовоспламенения;

2. Максимальное расстоя­ние, проходимое фронтом пламени, было ограничено га­сящим пламя зазором между днищем поршня и плоскостью головки цилиндра, равным 0,14 дюйм (3,8 мм);

3. Использование скорос­ти нарастания давления для оценки турбулентности и неустойчивого характера работы дви­гателя. (Оптимальная скорость нарастания давления в этой камере составляла 35 фунт/дюйм 2 (241,5 кПа) на один градус поворота коленчатого вала, скорость распространения пламени при этом достигала 300 фут/с (91,5 м/с) и сгорание происходило за 25° угла поворота коленчатого вала);

4. Свеча зажигания располагалась в самом горячем месте камеры — над выпускным клапаном — для минимизации воз­можности возникновения детонационного сгорания. Детонацион­ное сгорание имело место в части заряда горючей смеси, которая находилась над днищем поршня в относительно холодной зоне и должна была сгорать в последнюю очередь, и результатом этого были эрозия и выкрашивание поверхности поршня в этой зоне;

5. Головки цилиндров имели шесть расположенных вдоль главной оси и равноудаленных друг от друга окон для измерения скорости пламени стробоскопическим методом с целью сопостав­ления ее с диаграммой давления [181.

В процессе этих испытаний при детонационном сгорании было замечено, что окна 1—5 пламя проходило нормально, но при достижении фронтом пламени 6-го окна наблюдалась яркая вспышка, которая освещала все шесть окон одновременно. Это полностью подтверждает выводы о детонационном сгорании по результатам наблюдений выкрашивания поверхности днища поршня.

Движение заряда горючей смеси в этих двигателях очень сложное вследствие асимметричности, но в цилиндрической ка­мере при малых затратах энергии может быть организовано вра­щательное движение смеси. Алкок [19] проводил исследования на бесклапанном двигателе с цилиндрическим золотником с пере­городками во впускном канале, которые позволяли изменять скорость вихревого движения смеси от 0 до 7 вращений за один оборот коленчатого вала. Он показал (рис. 6.5), что оптимальное число вращений с точки зрения экономичности и предотвращения детонационного сгорания равно 2.

Смещение свечи зажигания при интенсивном вихревом дви­жении смеси дает некоторый положительный эффект, поскольку распространение пламени, расположенного в центре ядра, затруд­нено вследствие его малой плотности. Алкок назвал этот эффект тепловой центробежной конвекцией [20] и использовал его для обеспечения послойного сгорания. К концу двадцатых годов уже было накоплено достаточно информации о детонационном сгора­нии и преждевременном калильном зажигании для решения не­отложных вопросов, стоявших перед конструкторами двигателей. Были обнаружены антидетонационные свойства тетраэтилового свинца, и начались работы по выявлению антидетонационных качеств углеводородов, была введена шкала детонационной стой­кости, которая стала использоваться специалистами по топливу и конструкторами двигателей, однако ученые лишь слегка за­тронули проблему.

6.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНОМАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ

6.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНОВ

1. Во-первых, нормальное сгорание является процессом, раз­вивающимся от искры зажигания, подаваемой в определенный момент времени, и этот процесс представляет собой прогресси­рующее по скорости распространение фронта пламени в камере сгорания до полного сгорания топливовоздушной смеси. При нормальном сгорании возможно возникновение шума, издавае­мого элементами конструкции двигателя, причиной чего являются высокие скорости нарастания давления в цилиндрах.

2. Процессами аномального сгорания являются процессы сго­рания, начинающиеся до или после подачи искры у накаленных участков поверхностей или частиц нагара и приводящие к не­расчетным режимам роста давления, или процессы сгорания, начинающиеся перед фронтом пламени и развивающиеся с очень высокими скоростями. К ним относятся все разновидности ка­лильного зажигания и детонационного сгорания.

3. Детонационное сгорание сопровождается стуком, представ­ляющим собой шум, который издают детали двигателя, причиной его служит самопроизвольное воспламенение (самовоспламене­ние) последней части заряда горючей смеси, находящейся перед фронтом пламени. Фронт пламени при этом может образовываться от искры или в результате калильного зажигания. В первом случае возможность возникновения детонационного стука зависит от величины угла опережения зажигания, а во втором его возникно­вение менее чувствительно к величине этого параметра.

4. Калильное зажигание происходит в результате воспла­менения смеси от накаленных участков стенок камеры сгорания, головок выпускных клапанов, электродов или изоляторов свечи зажигания или частиц раскаленного нагара. При этом пламя после воспламенения распространяется с нормальной скоростью. Воспламенение может происходить до подачи искры, в этом слу­чае процесс называется преждевременным калильным зажига­нием, или после подачи искры, тогда процесс называют после­дующим калильным зажиганием. В обоих случаях диаграмма давления в цилиндре искажается.

5. Воспламенение при выключенном зажигании представляет собой обычно нерегулируемый процесс самовоспламенения смеси от сжатия в прогретом двигателе с прикрытой дроссельной за­слонкой в течение, как правило, непродолжительного времени.

В зависимости от конструкции двигателя, условий его работы, количества и состава нагара при сгорании топливовоз­душной. смеси могут одновременно происходить различные ано­мальные процессы. Некоторые из совокупностей таких процессов сгорания получили отдельные названия. Название резкого ме­таллического стука получили четко прослушиваемые резкие стуки в двигателях с высокой степенью сжатия с неустойчивым обра­зованием нагара. Это разновидность детонационного сгорания при калильном зажигании от накаленных участков поверхности [21].

Термин грохот применяется для наименования явления до­вольно устойчивого воспламенения от накаленных участков по­верхностей части заряда в процессе сгорания. Следствием такого аномального процесса сгорания может быть слишком быстрый рост давления на начальном этапе цикла [22].

Последним в этом перечне упомянем высокооборотное дето­национное сгорание. Термин детонационный стук не характери­зует этого явления, поскольку оно происходит при высокой ча­стоте вращения коленчатого вала и большой нагрузке, и часто на фоне общего шума незаметно для водителя. Результатом может быть прогар или оплавление поршней.

При работе двигателя на топливе с недостаточным октановым числом, определенным моторным методом, возможно быстро про­грессирующее преждевременное самовоспламенение.

6.2.2. ВЫЯВЛЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ И ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ

Первым и основным средством обнаружения детонационного стука и оценки его интенсивности является ухо человека [25], очень часто даже в самых современных исследованиях именно оно является окончательным арбитром при принятии решения. Хорошо тренированное ухо не могут превзойти даже самые слож­ные электронные приборы, которые, тем не менее, обладают преимуществом отсутствия свойственных человеку субъектив­ности оценок и усталости.

Наблюдение за теплоотводом в зоне остаточных газов позво­ляет обнаружить детонационное сгорание по резкому увеличению его скорости, превышающему нормальное увеличение, которое обусловлено влиянием приводящих к детонационному сгоранию факторов(например, увеличением степени сжатия и угла опережениязажигания) [26].

Обычно при интенсивной детонации двигателей наблюдаются выделения сажи, но попыток контролировать детонационное сго­рание путем обнаружения сажи не предпринималось.

Если бы в камере можно было сделать окно, то детонацион­ное сгорание можно было бы обнаружить по сопровождающей его очень яркой вспышке, но, к сожалению, в реальных двига­телях сделать окно затруднительно. При детонационном сгора­нии происходит резкое повышение ионизации газов во время вспышки. Оно может быть обнаружено с помощью ионизационного зонда, на который обычно подается отрицательный потенциал 100—300 В. Ток ионизации регистрируется электрометрическим усилителем и электронным осциллографом. В качестве ионизационногозонда может использоваться свеча зажигания двигателя при условии соответствующей изоляции цепей от высокого напряжения[27, 28]. Таким методом можно исследовать скорость рас­пространения пламени, диаграмму работы двигателя и процесс гашения пламени [29—31], поскольку для его применения при испытаниях двигателя требуется сверление лишь небольшого (

3 мм) отверстия в стенке камеры сгорания.

На ниспадающих участках диаграмм ионизации можно видеть характерные для детонационного сгорания колебания. Однако для исследования детонационного сгорания этот метод приме­няется редко. Диаграммы соответствующим образом расположен­ных ионизационных зондов, позволяющие оценить степень иони­зации в зависимости от угла поворота коленчатого вала, часто используются для выявления преждевременного калильного за­жигания.

Исследования детонационного сгорания существенно продви­нулись благодаря применению малоинерционных кварцевых пьезоэлектрических датчиков давления. Малый размер, термостабиль­ность и высокая прочность позволяют использовать эти датчики даже в обычных двигателях, прикрепляя их к корпусу свечи зажигания с помощью трубки малого диаметра [33 ] с учетом требова­ния отсутствия резонансных явлений. Некоторые специалисты интенсивность детонационного стука оценивают величиной повы­шения давления в камере сгорания [34]. Другие предпочитают ставить в соответствие интенсивности детонационного стука ско­рость роста давления [35].

Преждевременное калильное зажигание очень удобно исследо­вать с помощью пьезоманометров, позволяющих выявить опере­жающий рост давления [36].

Акселерометры. Ударные волны давления в цилиндре, возни­кающие в результате детонационного сгорания, являются при­чиной передачи или излучения конструкцией двигателя колеба­ний с частотой 3—10 кГц, неопределенным образом зависящей от размеров и формы камеры сгорания. Первый датчик детонации, применявшийся в двигателях «Объединенного комитета по иссле­дованию топлив США» (двигателях CFR) при оценке октановых чисел топлив, представлял собой «подскакивающее» устройство, резонирующее при колебаниях двигателя. При этом замыкались контакты интегрирующей схемы, с помощью которой измерялась интенсивность детонационного стука [37, 38].

Современные акселерометры прикрепляются к характерной детали конструкции, такой как, например, болт крепления го­ловки, или рядом с ним; наилучшее место расположения датчика определяется методом проб, поскольку спектры и источники по­стороннего шума, производимого клапанным механизмом, цепными и зубчатыми передачами и т. п., у различных двигателей раз­личны.

Широкое применение акселерометров в двигателях способ­ствовало значительному усовершенствованию их конструкции.

6.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВ

Октановое число. Повсеместное распространение получила шкала, на которой n-гептану соответствует 0, а изооктану (2-2-4-триметилпентану) — 100 [10]. Использование этой шкалы цели­ком определяется использованием специального двигателя CFR, работающего на двух режимах, отличающихся температурными условиями. Детонационные свойства исследуемого топлива моде­лируются эталонной смесью, процентное содержание в которой изооктана в стандартных условиях называется октановым числом, определенным исследовательским методом, а в более тяжелых температурных условиях — октановым числом, определенным мо­торным методом [40].

Как правило, условия эксплуатации работающих без подо­грева двигателей (гоночных автомобилей и авиационных) соответствуют исследовательскому методу, а большинства автомобильных двигателей — моторному методу определения октанового числа. Чувствительностью топлива (к температурным условиям) называется разность октановых чисел, определенных исследова­тельским и моторным методами. Октановые числа, соответствую­щие дорожным условиям, могут быть определены путем регистра­ции частоты вращения вала двигателя на пределе детонации при разгоне автомобиля на высшей передаче для фиксированного значения угла опережения зажигания из некоторого диапазона. Строится также набор кривых, характеризующих зависимость частоты вращения вала двигателя от угла опережения зажигания, для различных эталонных смесей. Испытываемое топливо после этого может быть оценено простым сопоставлением полученных для него результатов с этими кривыми [41].

В случае отсутствия двигателей CFR для сравнения топлив на слух может быть использован любой двигатель с переменной степенью сжатия. Это наиболее употребительный метод [25].

Конечно, только с помощью двигателя CFR можно получить истинные значения октановых чисел. Приближенные значения октановых чисел, определяемых исследовательским и мотор­ным методами, могут быть получены в результате исследования содержания углеводородов в испытываемом топливе методом ядерного магнитного резонанса, а также в результате исследова­ния содержания свинца и серы [26].

Высокооборотная детонация. В настоящее время не суще­ствует общепринятого метода оценки склонности моторных топлив к высокооборотной детонации, поскольку само это явление трудно наблюдать и еще более трудно увязать его с повреждениями дви­гателей [43, 44].

Известны факты, свидетельствующие о том, что определяемое моторным методом октановое число имеет большее значение, чем определяемое исследовательским методом, и что при сильной высокооборотной детонации появляются характерные признаки преждевременного калильного зажигания. Указанная проблема наиболее актуальна для Европы, где и проводятся основные ее исследования. Европейский координационный совет (СЕС — Coordinating European Council) активно поддерживает разработку методов оценки повреждений при детонации для двигателей мас­сового производства. Исследовательской группой CF—23 разра­ботана схема метода испытаний, в соответствии с которой стабили­зируется детонация, подбираются частота вращения вала двига­теля, положение дроссельной заслонки и интенсивность детонации и затем проводятся испытания на выносливость в этих условиях и при этой интенсивности детонации [45].

Наиболее часто при применении метода регулирования ин­тенсивности детонации используется полосно-пропускающее уст­ройство для измерения ускорений Ассорини (Италия), основанное на разработке фирмы «Снам-Прогетти» [46]. Представляет интерес также система, в которой используется настраиваемый микрофон [46, 47].

Существенные успехи в выявлении связи повреждений дви­гателя с интенсивностью детонации, рассчитываемой различными методами, достигнуты в Италии [23, 46]. Сам подход к классифи­кации топлив по стойкости к высокооборотной детонации вызывает некоторые сомнения, поскольку эталонные топлива очень чув­ствительны к изменениям условий работы двигателя и ведут себя не так, как бензины высших сортов, содержащие ароматиче­ские соединения и олефины [48].

Это свидетельствует о необходимости подбора эталонных топлив с такой же химической кинетикой, как и у обычных бен­зинов.

Стойкость к преждевременному калильному зажиганию. Вслед­ствие сильного каталитического действия поверхностей и неиз­бежности наличия различного рода отложений в отдельных местах камеры сгорания очень трудно классифицировать топлива по их склонности к преждевременному калильному воспламенению. Даунз предложил оценивать стойкость к преждевременному ка­лильному воспламенению изооктана числом 100, а циклогексана или кумола, нулем [48]. Он создавал условия для преждевремен­ного калильного зажигания в цилиндре авиационного двига­теля «Нейпир Даггер» с помощью охлаждаемой воздухом горячей пробки и в лабораторном экспериментальном двигателе («Рикардо Е6») с помощью электрически нагреваемой катушки с термопарой. Склонность к преждевременному калильному зажиганию оцени­валась количеством энергии, требуемой для нагрева или охлажде­ния элемента до температуры калильного зажигания от нормальной эксплуатационной температуры. При применении горячей пробки ее обычная эксплуатационная температура значительно выше требуемой для калильного зажигания и объем охлаждаю­щего воздуха обратно пропорционален количеству требуемой энергии. В случае применения подогреваемой катушки ее температура была ниже температуры калильного зажигания, и поэтому показания ваттметра в цепи нагрева переменного тока непосредственно соответствовали количеству подводимой энер­гии. Аналогичную методику использовал Арригони [50], он осуществлял нагрев катушки до некоторой заданной температуры и анализировал диаграммы давления в камере с целью выявления среди них диаграмм, соответствующих циклам, в которых про­исходило калильное зажигание. В случае необходимости иссле­дования влияния точек перегрева в конструкции двигателя или в образовавшемся нагаре можно выключить зажигание во время работы двигателя с большой нагрузкой и подсчитать число калильных зажиганий (с помощью ионизационного зонда) до того, как точки перегрева остынут [28]. При этом ионизационным зондом может служить сама свеча зажигания, так что никакой модификации двигателя не требуется.

Грохот двигателя, являющийся разновидностью калильного зажигания от раскаленных частиц нагара, как показали прове­денные в «Дженерал моторе» исследования, обусловлен влиянием бензола, и он уменьшается при применении изооктанового топлива, что позволяет построить шкалу, характеризующую стойкость двигателя [22].

6.2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ДЕТОНАЦИОННОЕ СГОРАНИЕ

Работа двигателей с искровым зажиганием, особенно пред­назначенных для эксплуатации на пределе детонации, зависит от большого количества взаимосвязанных факторов, так что его характеристики практически невозможно оценить без использо­вания накопленного опыта. Наиболее важными являются сле­дующие параметры.

Для полного учета их сложного взаимодействия следует обра­титься к соответствующим руководствам [1—3]. В этой главе возможно лишь кратко рассмотреть некоторые основные моменты.

Плотность заряда топливной смеси. Обычно при рассмотре­нии детонационного сгорания анализируются степень сжатия и нагрузки, но, конечно, основными параметрами, определяющими возможность детонационного сгорания, являются плотность заряда топливной смеси, температура последней части заряда и время. Плотность заряда зависит от величины давления во впускном трубопроводе (степени открытия дроссельной заслонки), степени сжатия и коэффициента наполнения. Температура зависит от адиабатического сжатия, потерь теплоты при сгорании, темпе­ратуры поступающего заряда топливной смеси, температуры стенки камеры в зоне последней части заряда и предпламенных реакций окисления в остаточных газах последней части заряда. Время для развития процесса детонационного сгорания зависит от частоты вращения вала двигателя, скорости распространения пламени, угла опережения зажигания и турбулентности, т. е. от существенно взаимосвязанных факторов. Специалисты НАСА (NASA — National Aeronautics and Space Administration) иссле­довали возможность характеристики топлив для авиационных двигателей с помощью предельного значения плотности заряда топливной смеси и температуры [51, 52]. Они показали, что для каждого топлива можно указать предельное значение плотности последней части заряда при любом значении ее температуры и что предельное значение плотности заряда уменьшается при увели­чении степени сжатия и неизменной величине угла опережения зажигания.

Херон несколько видоизменил этот подход и использовал в качестве показателя коэффициент наполнения, определяемый по величине среднего индикаторного эффективного давления. Это позволило избежать необходимости измерений массового секундного расхода топлива [53]. Указанные методы очень эффек­тивны для сравнительной оценки антидетонационных характе­ристик различных камер сгорания.

Регулировка момента зажигания. Регулировка момента зажи­гания является самым доступным средством влияния на процесс детонационного сгорания. Задержка зажигания уменьшает тем­пературу и давление последней части заряда и, таким образом, задерживает начало детонационного сгорания. Факторы, влияю­щие на нагрев свечи зажигания, влияют и на детонационное сгорание, поскольку при горячей свече воспламенение ядра происходит быстрее, что равносильно опережению зажигания. Холодная свеча может стать причиной гашения ядра, при холод­ной свече формирование фронта пламени замедляется и процесс сгорания задерживается. При применении свечи с нагаром в уг­лублениях и в местах эрозии эффект уменьшения уровня детона­ции таков же, как и при применении холодной свечи [36].

Многие фирмы уменьшают примерно на 5° оптимальный угол опережения зажигания, соответствующий достижению макси­мального крутящего момента, что повышает антидетонационные характеристики двигателя ценой некоторого ухудшения эконо­мичности [54]. При больших частотах вращения двигателя за­держка воспламенения может составить значительную часть вре­мени распространения пламени [35] и его неравномерность от цикла к циклу может существенно сказаться на неравномерности работы двигателя в целом. При малых частотах вращения (

1000 об/мин) этот эффект менее заметен.

Неравномерность работы от цикла к циклу достаточно подробно исследовалась статистическими методами [56, 57, 29], и было по­казано, что допустимые значения коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси ряда углеводородов и бензина, при которых происходит воспламенение от искры зажигания, могут достигать 2,2 [58].

Проведенные расчеты степени полноты сгорания для истин­ной скорости распространения пламени, определенной по кажу­щейся скорости с учетом поправки на задержку воспламенения, показали, что полнота сгорания постоянна вплоть до максималь­ного значения частоты вращения вала двигателя. В камерах сгора­ния такого типа турбулентность течения смеси зависит от формы камеры и скорости движения поршня, дополнительное влияние на турбулентность оказывают пульсации газов в цилиндре.

Наличие олефиновых веществ в топливных смесях делает ихстойкими к высокооборотной детонации. Как правило, бензины, содержащие препятствующие преждевременному воспламенению присадки, имеют низкие октановые числа.

Распространение пламени. С самого начала выпуска двигате­лей постоянно уменьшается протяженность главной оси камеры сгорания, что осуществляется за счет перехода от головки ци­линдров с двусторонним верхним расположением клапанов к го­ловке с односторонним нижним расположением клапанов, к «полу­сферической» камере и, наконец, к «шаровой» камере Мея, или «Fireball», так как известно, что для двигателя с высокой сте­пенью сжатия существенное значение имеет расстояние, проходи­мое фронтом пламени.

Известно, конечно, что в случае, когда степень сжатия пре­вышает 7:1, длина проходимого фронтом пламени пути мала. Она немного меньше диаметра цилиндра для значений степени сжатия до 10 : 1 и примерно равна половине диаметра для боль­ших значений степени сжатия. Следует, однако, иметь в виду, что при высоких степенях сжатия и малой полости в головке цилиндра или полости в поршне может возникнуть детонационное сгорание в областях, где малый зазор между металлическими поверхностями препятствует нормальному распространению пламени, т. е. в областях, где образуются пульсации, в канавке верхнего поршневого кольца и между гребнем поршня над канав­кой верхнего поршневого кольца и цилиндром [24].

Влияние величины расстояния, проходимого фронтом пламени, на самовоспламенение последней части заряда очень сложно. В современных двигателях с компактными (характеризуемыми малым отношением площади поверхности к объему) камерами сгорания турбулентность в окрестности ВМТ может сильно уве­личиваться при поступлении заряда смеси из цилиндра в камеру сгорания. Температура последней части заряда при этом может увеличиться, так как процесс сжатия пламени почти адиабатический, но интервал времени, в течение которого может про­изойти самовоспламенение, уменьшается.

Информации о таких камерах сгорания мало, а статистические данные о распространении пламени, полученные на эксперимен­тальных двигателях могут оказаться не подходящими.

Однородность топливного заряда. Топливовоздушная смесь должна быть настолько однородной, насколько это возможно для многоцилиндровых двигателей, поскольку при случайном обо­гащении смеси в некоторых цилиндрах может наблюдаться дето­национное сгорание, при этом они будут воспринимать значитель­ные нагрузки. Однородность смеси может достигаться с помощью незначительного подогрева воздуха на входе, если он не ухудшает антидетонационных показателей. Справедливость этого утвержде­ния подтверждается появлением детонаций в двигателях многих автомобилей США при испытаниях на токсичность, в процессе которых топливная смесь подогревается.

Температурные режимы двигателя. Основным правилом, кото­рого придерживаются разработчики двигателей, является созда­ние условий для начала процесса сгорания как можно ближе к выпускному клапану с тем, чтобы ограничить область послед­ней части заряда холодной частью камеры сгорания, куда охла­дители поступает с наиболее низкой температурой. Нагрев воз­духа на входе при постоянной степени сжатия способствует уменьшению предельного антидетонационного значения плот­ности воздуха [53], в то время как повышение температуры по­следней части заряда вследствие увеличения степени сжатия почти не влияет на эту величину, поскольку для обеспечения макси­мального крутящего момента требуется позднее зажигание. Более позднее зажигание влечет за собой уменьшение времени задержки воспламенения последней части заряда, компенсируя таким образом повышение температуры.

Измерение температуры последней части заряда во время рабочего цикла двигателя является сложной задачей. Оно осу­ществляется с помощью метода двухволновых инфракрасных излучений [59] и метода поглощения ультрафиолетового излучения бензола [60]. Оба эти метода свидетельствуют об экзотермичности предпламенных процессов.

Остаточные газы. Количество остаточных газов в свежем топливном заряде является очень нестабильной величиной, ко­торая зависит от степени сжатия, перекрытия клапанов, частоты вращения коленчатого вала двигателя и особенностей систем впуска и выпуска. Этот вопрос достаточно подробно изучен в связи с исследованием систем рециркуляции отработавших газов [61]. Присутствие остаточных газов способствует уменьшению скорости распространения пламени и температуры, но приводит к увели­чению толщины пристеночных слоев и температуры топливного заряда [31 ].

Ясно, что любые изменения количества остаточных газов в цикле могут оказать влияние на процесс сгорания и параметры состояния последней части заряда, однако этот вопрос изучен мало.

Активные центры, сохранившиеся в остаточных газах, могут способствовать развитию предпламенных реакций, особенно при выключенном двигателе и при неполном перемешивании остаточ­ных газов. Этот эффект был использован при исследовании двух­тактного двигателя после выключения зажигания [62].

6.3. ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ

С момента первых наблюдений детонационного сгорания и до настоящего времени было выдвинуто множество различных теорий о происхождении этого явления, однако можно сказать, что даже и сейчас оно не получило достаточно полного объясне­ния. Это и не удивительно, поскольку само явление существенно изменилось: от детонации в «длинных» камерах сгорания со сте­пенью сжатия 4 : 1 до детонации в «коротких» компактных каме­рах со степенью сжатия 14 : 1.

Общепринято считать, что детонационное сгорание представ­ляет собой быстрое сгорание последней части заряда, приводящее к локальному повышению давления. Перемещение этого высокого давления возбуждает колебания газов в камере, результатом которых может быть возникновение ударных волн или резонанс с собственными колебаниями (газа) в камере.

В тридцатые годы многочисленные теоретические исследования детонационного сгорания оформились в виде двух научных тео­рий — теории детонации и теории самовоспламенения. В соот­ветствии с первой теорией считается, что по какой-то причине движение фронта пламени при его приближении к зоне последней части топливного заряда резко ускоряется, скорость достигает скорости звука и топливовоздушная смесь, находящаяся в этой зоне, сгорает очень быстро. Скачкообразный рост давления в ре­зультате этого быстрого сгорания возбуждает колебания газов.

В соответствии с другой теорией утверждается, что последняя часть топливного заряда, находящаяся в зоне сгорающей последней части заряда, подвергается воздействию высоких температур, в результате чего в ней начинаются предпламенные реакции. Эти реакции являются причиной самовоспламенения смеси, которое, по-видимому, происходит одновременно в нескольких местах. Быстрое сгорание перед фронтом пламени приводит к образованию импульса давления, в результате чего начинаются колебания газов.

6.3.1. ЗОНА ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА

Перед рассмотрением этих теорий целесообразно несколько слов сказать о зоне последней части заряда, где происходит детонационное сгорание. Удивительно, но, как свидетельствуют следы выкрашивания металла и эрозии, эта зона ограничена не­большим участком на периферии камеры сгорания. Иногда следы выкрашивания наблюдаются в нижней части гребня поршня над канавкой поршневого кольца, а иногда* в канавке поршневого кольца [24], ситуация в этих областях усугубляется повышением давления при пульсациях газов.

Последнему обстоятельству противоречит детонационная тео­рия прямого излучения, хотя еще раньше несостоятельность этой теории была показана спектроскопическим методом [63].

Последняя часть топливного заряда представляет собой по-видимому, очень тонкий слой газа, заключенного в зазорах, около холодной стенки камеры сгорания и в других аналогичных мес­тах. Исключением является случай, когда последняя часть за­ряда в центре камеры сгорания находится между двумя фрон­тами пламени, но такое встречается очень редко.

Температура стенки камеры сгорания имеет, очевидно, боль­шое значение для возможности самовоспламенения последней ча­сти заряда; однако гораздо более неопределенным является дру­гой фактор, также имеющий большое значение, а именно, состав последней части заряда, поскольку свежая смесь перемешивается с остаточными газами, углеводородами у стенок [64] и масляным туманом. Указанные факторы, несомненно, способствуют статисти­ческому характеру изменения параметров процесса детонацион­ного сгорания.

6.3.2. ТЕОРИЯ ДЕТОНАЦИИ

Явление детонации в трубах привлекло внимание физиков задолго до обнаружения детонации в двигателях. Характерными особенностями этого явления были увеличение начальной скорости распространения пламени, мгновенный переход к сгоранию с очень высокой скоростью и возникновение ударной волны при непрерыв­ном поступлении горючей смеси. Особенности явления детонации удалось выяснить с помощью шлирен-метода [65, 66]. Когда было показано, что детонационный стук возникает на заключи­тельном этапе движения фронта пламени в камере сгорания, сход­ство его с явлением детонации, казалось бы, исчезло. Однако следует иметь в виду возможность того, что при наличии благо­приятных условий нормальный процесс сгорания может уско­ряться, внезапно охватывая с детонационной скоростью послед­нюю часть заряда, в результате чего может образовываться удар­ная волна, отражающаяся от стенок камеры сгорания с резонанс­ной частотой.

Для малолитражных и средних по рабочему объему автомо­бильных двигателей резонансная частота детонационного стука зависит от многих факторов, она может меняться от 2 до 10 кГц, а скорости детонации газов в камере сгорания могут принимать значения от 2000 до 7000 фут/с (600—2100 м/с) [29, 67, 68]. Специалисты из НАСА, используя метод высокоскоростной фото­графии, пришли к выводу, что реакции детонационного сгорания происходят со скоростями порядка 5000 фут/с (1500 м/с), т. е. в сверхзвуковой области и, вероятно, сопровождаются возникно­вением детонационной волны. Они наблюдали очаги самовоспла­менения в различных местах зоны последней части заряда, со­путствующие началу реакций детонационного сгорания.

В ряде превосходных опытов Уидроу и Рассуилер [69, 70] сфотографировали реакции детонационного сгорания в двигателе с головкой цилиндров с односторонним нижним расположением клапанов и показали, что в ряде отдельных мест перед фронтом пламени происходило самовоспламенение. Реакция детонацион­ного сгорания проходила почти мгновенно, в то время как ско­рость движения фронта пламени никогда не превышала 300 фут/с (90 м/с). Путем сопоставления сделанных в различные моменты времени снимков с диаграммой давления они показали, что коле­баниям величины давления газа при детонационном сгорании со­ответствуют ударные волны на фотографиях пламени [71 ], ча­стота этих колебаний соответствовала частоте детонационного стука, которая для этого двигателя с односторонним расположе­нием клапанов равнялась примерно 3500 Гц [72].

Детонационные волны давления вызывают свечение продуктов сгорания вследствие адиабатического нагрева и их повторную ионизацию, так что обычный спад ионизации сопровождается ко­лебаниями с характерной для детонации частотой [29]. Сравни­вая потоки ионов за настоящей детонационной волной с потоками после детонационного сгорания, можно установить, что последние составляют лишь 10 % от первых, и в соответствии с этим скорость детонационного сгорания имеет порядок 500 фут/с (150 м/с).

Наибольшая известная скорость распространения пламени в камере сгорания равна 1200 фут/с (360 м/с), она была замерена ионными зондами Карри [29]. Однако это необычно высокая скорость, чаще она составляет 300—600 фут/с (90—180 м/с). Таким образом, нет никаких оснований считать, что скорость распространения нормального пламени возрастает до скорости звука в металле (2000 фут/с (600 м/с)), такая скорость может быть достигнута лишь при детонационном сгорании последней части заряда в самом конце процесса сгорания, наблюдать ее невозможно, так как последняя часть заряда представляет собой тонкий слой газа. Ряд специалистов [73—75] считает, что дето­национные колебания могут вызвать лишь перепады давления, обусловленные увеличением нормальной скорости распростране­ния пламени в 5—10 раз.

Нет никаких фактов, подтверждающих, что даже в длинных камерах сгорания большого объема с односторонним нижним рас­положением клапанов возникает детонация, аналогичная детона­ции в трубах. Возможно, что детонационное сгорание сходно с детонацией до начала образования детонационной волны, кото­рая у стенки превращается в звуковую волну. Не все топливные смеси, которые детонируют в двигателях, проявляют склонность к детонации в трубах, а тетраэтиловый свинец очень мало влияет на детонацию в трубах. Это обстоятельство делает теорию дето­нации еще более уязвимой.

6.3.3. ТЕОРИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Г. Р. Рикардо предложил [77] для объяснения процесса детонационного сгорания теорию самовоспламенения, основыва­ясь на результатах экспериментальных исследований, осущест­вленных на машине быстрого сжатия его коллегами [78]. То, что топлива могут с большим или меньшим трудом воспламеняться при сжатии, хорошо известно, причем топлива с хорошими анти­детонационными свойствами имеют меньшую склонность к вос­пламенению от давления. Хотя сжатие газов поршнем не может привести к самовоспламенению бензиновой смеси, совместное сжа­тие поршнем и фронтом пламени — может. Если бы удалось об­наружить перед фронтом пламени продукты частичного окисления топлива (например, формальдегиды), то самовоспламенение можно было бы считать доказанным [79, 80].

Исследуя процесс сгорания в «бомбах», Тауненд [81] получил диаграммы, характеризующие давление и температуру воспламе­нения парафиновых топлив, на которых имеются две области: область воспламенения при высоких температурах и так называе­мый полуостров низкотемпературного воспламенения (рис. 6.6). В низкотемпературной области воспламенение является двухстадийным процессом. Первая стадия представляет собой период задержки до прохождения холодного пламени при температуре около 350 °С. Вторая стадия характеризуется отрицательным коэффициентом скорости и заканчивается самовоспламенением.

Холодное пламя представляет собой хемилюминесценцию, обусловленную возбуждением формальдегида во время реакций окисления топлива и его релаксацией в основное состояние [82]. В испытаниях по течению газа с постоянной скоростью можно получить устойчивое холодное пламя, что позволяет исследовать продукты предпламенных реакций. В их составе обнаружены аль­дегиды, органические перекиси и перекись водорода. Бергойн показал [83], что полная концентрация перекиси претерпевает разрыв при прохождении холодного пламени (рис. 6.7). При исследовании окисления n-гексана органические перекиси были обнаружены в области перед холодным пламенем, а в холодном пламени — формальдегид и перекись водорода [84].

На процесс образования холодного пламени очень сильно влияет структура углеводородов. Так, холодное пламя достаточно быстро образуется в n-парафинах, а парафины с разветвленными цепями оказываются более стойкими. В олефинах свечение хо­лодного пламени еще меньше и индукционный период больше. В бензолах холодное пламя не образуется, а в других ароматиче­ских углеводородах его свечение едва заметно. Попытки устано­вить взаимосвязь между интенсивностью холодного пламени, вы­делением теплоты и продолжительностью индукционного периода и октановым числом успеха не имели [85, 86]. Тауненд, однако, показал, что для ряда парафиновых топлив их упорядоченность по величине октановых чисел совпадает с упорядоченностью по величинам максимального давления воспламенения в «низкотем­пературной» области [81].

Присутствие тетраэтилсвинца не влияет на длительность ин­дукционного периода холодного пламени, но существенно увели­чивает продолжительность второй стадии воспламенения [87, 88].

О механизме окисления и самовоспламенения углеводородов при участии свободных радикалов довольно быстро было полу­чено много экспериментальных данных. Они были критически рас­смотрены Йостом [73] и сравнены с данными для двигателей. Их сходство оказалось поразительным, несмотря на то что тем­пературы и давления в двигателе выше, а время задержки го­раздо меньше.

Двигатель очень удобно использовать для исследования само­воспламенения оптическим методом, методами отбора газов и введения различных добавок.

Вопросы связи определяемых моторным и исследовательским методом октановых чисел с молекулярной структурой углеводо­родов очень сложны, их обсуждение выходит за рамки данной главы. Вопросы очистки и классификации, а также определения октановых чисел смесей и оценки чувствительности углеводородов к свинцу составляют предмет долгосрочной программы исследо­ваний, проводимых Американским нефтяным институтом [89]. Образование свободных радикалов у молекул рассматривалось в связи с количеством первичных, вторичных и третичных атомов углерода, вероятность продолжения реакции убывает в отноше­нии, пропорциональном их количеству [90, 91].

О корреляции между величиной октанового числа и химическим строением топлива было сообщено Бердом [92]. Это интересный но он еще должен получить подтверждение.

6.3.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА И САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ

Отбор газов из последней части заряда с целью выявления продуктов предпламенных реакций. Многие исследователи счи­тали, что вследствие своей неустойчивости органические перекиси должны участвовать в реакциях детонационного сгорания, и, таким образом, их присутствие может свидетельствовать о про­текании предпламенных процессов. Эджертон для обнаружения перекисей в последней части заряда отбирал пробы газов с по­мощью механического клапана [79]. С помощью электромагнит­ного клапана и усовершенствованных аналитических методов ока­залось возможным исследовать наличие перекиси (рис. 6.8) и альдегида в последней части заряда изопарафинового топлива [93]. Приведенные на этом рисунке кривые ясно указывают на двухстадийный характер процесса (см. также рис. 6.7); видно, что количество перекисей увеличивается до достижения предель­ных условий, соответствующих детонационному сгоранию, и что наличие свинца влияет на количество перекисей; на второй стадии процесс заметнее, чем на первой.

В отобранных пробах газов органические перекиси присутст­вовали лишь в виде следов, все перекиси представляли собой прак­тически полностью перекись водорода. Аналогично было показано, что основным альдегидом является формальдегид.

При отборе проб во время одностадийного воспламенения при высоких температурах таких топлив, как бензол и толуол, перекисей обнаружено не было.

Нарушения процесса сгорания от цикла к циклу серьезно затрудняют отбор газов для исследования, поскольку он должен производиться в течение периода времени, соответствующего по­вороту коленчатого вала, всего лишь на 15° [94]. Однако Дэвис и др., исследуя пробы газов, показали хорошее соответствие результатов, полученных для работаю­щих двигателей и для дви­гателей, приводимых в движение от другого дви­гателя [95].

Для достижения даль­нейшего прогресса в этойобласти необходимо иметь возможность «мгновенного» отбора газов в течение цикла. Такой способ разработан [96], однако для получения данных о составе последней части заряда, которые позволили бы исследовать кинетику процесса, требуется прове­дение дополнительных исследований.

Исследования влияния различных добавок на работу двига­теля. Химическую природу процесса самовоспламенения послед­ней части заряда можно выяснить, изучая влияние различных добавок на детонационное сгорание разных топлив [93]. До­бавки могут по-разному влиять на реакции, предшествующие са­мовоспламенению. Добавление органических радикалов благо­приятствует детонационному сгоранию, увеличивая количество активных центров цепной реакции. Так, диазометан, образующий радикалы метилена- при нагреве, и диэтилртуть, образующая радикалы этилена, способствуют детонационному сгоранию [91]. Большие молекулы, как, например, молекулы йода, обладают антидетонационным действием, поскольку они прерывают цеп­ную реакцию в газообразной фазе. Антидетонационным действием обладают также и другие большие молекулы, присутствующие в виде многовалентных окислов со слабой летучестью таких ве­ществ, как свинец, железо, никель, магний и олово.

Тетраэтиловый свинец, однако, может способствовать дето­национному сгоранию топлив, в которых не наблюдается двух-стадийного воспламенения, т. е. образования радикалов этилена [91].

Анилин и его производные, такие как Дометил анилин, явля­ются хорошими антидетонационными добавками благодаря их реагированию с цепями на первой стадии до образования холод­ного пламени. Для «высокотемпературных одностадийных» топ­лив они способствуют детонационному сгоранию [93]. Подробный анализ влияния на детонационное сгорание беззольных органи­ческих молекул проведен компанией «Шелл» [97].

По результатам исследования влияния различных добавок на низко- и высокотемпературное воспламенение Уолш [93, 98] выделил формальдегид и двуокись азота, как два наиболее характерных показателя видов воспламенения углеводородов. Формальдегид, также как и двуокись азота, способствует детона­ционному сгоранию высокотемпературных топлив. При двухстадийном воспламенении формальдегид способствует задержке об­разования холодного пламени и в целом оказывает незначительное действие, в то время как двуокись азота слабо прерывает цепные реакции на первой стадии и способствует окислению на вто­рой, в целом незначительно способствуя развитию детонации (рис. 6.9).

Влияние этих добавок на большую часть парафиновых и нафтеиновых моторных топлив соответствует их влиянию на про­цесс двухстадийного воспламенения в низкотемпературной об­ласти в лабораторных условиях, что свидетельствует об одинаковой химической природе самовоспламенения идетонационного сгорания [99].

Двигатели, приводимые в движение от другого двигателя, и холодные пламена.Предпламенные реакции довольно несложно воссоздать в двигателях, приводимых в движение от другого дви­гателя [100], и нетрудно продемонстрировать их двухстадийный характер [101]. Измеряя температуру, можно также выявить экзотермичность предпламенных реакций [96].

Первые визуальные наблюдения холодных пламен в двигателях, приводимых в движение от других двигателей, были осущест­влены Пелетиером и др. [102] в 1939 г. Созданные после второй мировой войны фотоувеличители позволили построить кривые, характеризующие условия, при которых образуется холодное пламя [103]. На рис. 6.10 приведены кривые для изооктанового топлива, характеризующие условия образования холодного и ярко-голубого пламени в дви­гателе «Рикардо Е6». Свече­ния обоих видов пламени излучаются возбужденным формальдегидом [104]. Спект­роскопическое исследование холодного пламени в двига­телях, приводимых в движе­ние от другого двигателя, позволяет определить диапа­зон свечения формальдегида [103, 105].

Отсутствие сжатия фрон­том пламени в экспериментах с двигателями, приводи­мыми в движение от дру­гих двигателей, компен­сируется увеличением степени сжатия, оно таково, что самовоспламенение изооктана происходит при степенях сжатия, в 7 раз превосходящих степени сжатия, при которых наблюдается детонацион­ное сгорание вработающих двигателях.

Кривые, характеризующие предельные условия возникновения холодного пламени, для олефинов располагаются в области более высоких значений степени сжатия, чем для парафинов, и интен­сивности холодного пламени в олефинах значительно меньше. Типичные значения интенсивностей, полученные для двигателя Е6, приведены в табл. 6.1. Эти и другие результаты послужили основанием для испытаний ряда топлив с целью выявления вза­имосвязи их температурной чувствительности [октановое число, определенное исследовательским методом (F1) — октановое число, определенное моторным методом (F2) ] и интенсивности холодного пламени в предельных условиях, соответствующих возникновению горячего пламени [101] (рис. 6.11). Хорошая корреляция ре­зультатов свидетельствует о том, что сгорание чувствительных топлив является высокотемпературным, а не низкотемпературным процессом. Однако это разделение процессов носит лишь качест­венный характер, и холодное пламя является всего одним из легко наблюдаемых проявлений очень сложного процесса.

Сравнение давления и температуры, соответствующих само­воспламенению в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, с расчетными значениями давления и температуры в работающем двигателе показывает их соответствие, что служит основанием использования для оценки склонности к самовоспла­меняемости топлив октанового числа, определенного исследова­тельским методом [106, 99].

6.3.5. СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ

Общие положения. С момента открытия в 1921 г. Томасом Миджли антидетонационного действия тетраэтилового свинца много внимания было уделено поиску заменителей, по возмож­ности беззольных. Критерию беззольности удовлетворяют, по-видимому, лишь анилины, но эффективность их антидетонацион­ного действия составляет лишь 1 % от эффективности тетраэти­лового свинца [93]. Конец поискам «бездольных» заменителей был положен исследованиями компании «Шелл» [97].

Некоторые органические вещества, такие как, например, ацетат трибутил, обладают, подобно тетраэтиловому свинцу, анти­детонационным действием [112].

Поиски органо-металлических антидетонаторов были неско­лько более успешными, и все они, как и предсказывал Эджертон, представляли собой соединения металлов с окислами [79].

Одновременно с тетраэтиловым свинцом исследовался тетра-метилсвинец, но от него пришлось отказаться по причинам ток­сичности и испаряемости, однако благодаря испаряемости он опять привлек к себе внимание в связи с проблемой разделения смесей во впускных трубопроводах, возникающей при применении менее испаряемого тетраэтилового свинца.

Проведенные испытания различных карбонилов металлов по­казали, что пентакарбонил железа и тетракарбонил никеля ока­зывают, аналогично тетраэтиловому свинцу, антидетонационное действие, но они не были допущены в связи с их недостаточной устойчивостью и токсичностью. Кроме того, их окислы обладают абразивным действием и способствуют быстрому износу двига­телей. Последнее обстоятельство заставило также отказаться от применения ферроцена, или дициклопентадиенового железа — очень эффективного антидетонатора.

Единственным приемлемым антидетонатором, выявленным в результате этих исследований, оказался трикарбонил метилциклопентадиенового магния, получивший обозначение АКЗЗХ, а в настоящее время обозначаемый буквами ММТ [113]. Это хороший антидетонатор сам по себе, но лучше он действует в ка­честве добавки к татраэтиловому свинцу, особенно в парафиновых топливах [114].

В Европе ситуация совершенно другая. Там до сих пор ши­роко распространено использование свинца, хотя в ФРГ его концентрация ограничена значением 0,15 г/л, а в Великобритании ограничение введено в 1985 г. [*]. Причина введения ограничения связана не столько с токсичностью отработавших газов, сколько с отрицательным влиянием свинца на окружающую среду [118].

Ухудшению экономичности при применении неэтилированного бензина уделялось много внимания. Анализ ситуации в США и ФРГ проведен Дартнеллом [119].

Были разработаны методы фильтрации, позволяющие умень­шить содержание свинца в отработавших газах, созданные фильтры позволяют улавливать до 50 % (70 % в городских условиях) свинца [120].

Разработаны также методы нейтрализации с помощью благо­родных металлов отработавших газов при применении бензинов, содержащих 0,15 г/л свинца. Галогены-раскислители свинца (хлор, бром) участвуют в отравлении катализаторов, и при малом содержании свинца в топливе от них можно отказаться, по край­ней мере в мощных европейских двигателях [121, 122].

Несомненно, что применение свинца будет продолжаться во многих районах мира с малой плотностью населения, а с учетом предстоящей нехватки углеводородов он, возможно, будет применяться еще шире, хотя, вероятно, ограниченность запасов свинца будет сдерживать его применение даже в большей степени, чем токсичность.

Теории антидетонационного действия свинца. Исключитель­ная активность свинца объясняется с помощью двух основных тео­рий. Обе эти теории сходятся в том, что свинец проявляет актив­ность в составе окиси свинца, но расходятся в оценке того, в ка­ком состоянии находится при этом окись свинца. Норриш с по­мощью динамической спектроскопии показал наличие большого количества молекул РbО при моделировании антидетонационного действия свинца и убедительно продемонстрировал ингибирующее действие паров окиси свинца [123, 124]. Уолш, с другой стороны, при испытаниях двигателей и при лабораторных исследованиях торможения реакций окисления применял окись свинца в твер­дом состоянии и получил результаты в пользу теории антидето­национного действия «тумана» РbО [125].

Хотя в условиях детонационного сгорания РbО может одно­временно присутствовать и в аэрозольном и в молекулярном со­стояниях, теория «тумана» более привлекательна, и именно она получила большую поддержку [114].

Антидетонационное действие, вероятно, заключается в ката­литической дезактивации поверхности активных центров, таких как радикалы НО₂ [125]. Возможно «стимулирующее» окисление влияние, но оно было обнаружено лишь в незначительной степени у магния [114]. Уолш считал, что РbО нарушает стехиометриче-ский состав смеси, в отобранных газах из двигателей, работавших на максимально восприимчивых к свинцу топливах, была обна­ружена самостимулирующая активная красная окись свинца [114], хотя, по-видимому, антидетонационное влияние оказывают все окиси свинца. В отличие от термически неустойчивого пентакарбонила железа, свинец слабо влияет на первую стадию двухстадийного процесса воспламенения [130, 103]. Вероятно, РbО образуется из тетраэтилового свинца в результате реакций хо­лодного пламени, но окончательного подтверждения это предпо­ложение пока не получило [127]. Возможно, что на структуру макрочастиц РbО оказывают влияние предпламенные реакции окисления [114].

Свидетельства в пользу того, что эффективность антидетона­ционного действия свинца обусловлена кристаллическим строе­нием окиси свинца, не согласуются с теорией антидетонационного действия РbО в молекулярном состоянии [114]. Топлива, в ко­торых холодное пламя незначительно или отсутствует, т. е. такие, как метанол, бутиловый спирт и бензол, мало восприимчивы к свинцу, а в стационарных двигателях он оказывает даже отри­цательное влияние, в то время как пентакарбонил железа в таких ситуациях действует гораздо эффективнее. Обе присадки в про­цессе детонационного сгорания полностью разлагаются, различие их действия можно объяснить как неэффективностью разрыва цепей в процессе высокотемпературного окисления, в котором участвуют короткие цепи, так и сильным окисляющим действием этиловых групп тетраэтилового свинца [130, 91]. Интересно, что при заполнении камеры сгорания двигателя, приводимого в дви­жение от другого двигателя, воздухом с тетраэтиловым свинцом без топлива, образуется развитое холодное пламя, и при степени сжатия 8 : 1 происходит самовоспламенение.

Нет никаких оснований считать, что в современных двигате­лях детонационное сгорание представляет собой явление, ана­логичное наблюдаемой детонации в длинных трубах, точно также нельзя с полной уверенностью считать, что самовоспламенение последней части заряда может служить единственной причиной детонационного сгорания. Относительно спокойное происходящее с шипящим звуком самовоспламенение в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, подтверждает сказанное, хотя оно

Источник