/
Text
5" of
-//Краснознаменная ордена Ленина Военно-Воздушная
Инженерная Академия имени профессора Н. Е. Жуковского
А. А. ДОБРЫНИН
ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ
<981 гЛ
Краснознаменная ордена Ленина Военно-Воздушная
Инженерная Академия имени профессора Н. Е. Жуковсиого
А. А. ДОБРЫНИН
ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ
о’
§ 1. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ
И ДЕТОНАЦИЯ
Повышение мощности, снимаемой с единицы объема цилиндра,
может быть достигнуто увеличением степени сжатия, повышеи;гем
давления на всасывании путем наддува и увеличением числа оборотов
двигателя.
Увеличение степени сжатия обладает тем преимуществом, что
мощность возрастает за счет улучшения использования введенного
в двигатель тепла (увеличения индикаторного к. п. д.), вследствие
чего одновременно снижается и удельный расход топлива. В отноше-
нии повышения мощности этот метод мало эффективен, так как даже
при сильном увеличении степени сжатия прирост мощности незначи-
телен. Кроме того, увеличение степени сжатия сопровождается очень
сильным возрастанием максимальных давлений в цилиндре и, следо-
вательно, нагрузок на кривошипно-шатунный механизм.
Метод иаддува, давая некоторое ухудшение экономичности ра-
боты двигателя за счет мощности, затрачиваемой на привод нагнета-
теля, обеспечивает возможность увеличения мощности двигателя при
относительно более медленном возрастании максимальных давлений
в цилиндре.
На фиг. 1 приведено относительное изменение давлений конца
сжатия и сгорания в цилиндре двигателя и эффективного удельного
расхода топлива в зависимости от повышения эффективной мощности
путем увеличения степени сжатия и наддува.
Увеличение мощности за счет степени сжатия невелико и состав-
ляет всего около 26% при переходе си « —5,0 до реально возмож-
ной величины е = 10,0. При этом максимальное давление в цилин-
дре увеличивается в 2,1 раза, давление в конце сжатия — в 2, 4 раза,
а удельный эффективный расход уменьшается на — 20 %.
При том же увеличении мощности путем наддува и постоянной
степени сжатия s = 5,0 давление на всасывании необходимо увели-
чить в 1,35 раза, причем максимальное давление в цилиндре возра-
стает всего в 1,3 раза, а давление в конце сжатия ~ 1,4 раза. Одно-
3
временно удельный эффективный расход топлива увеличивается на
3 Дальнейшее увеличение мощности наддувом вполне воз-
можно, в то время, как дальнейшее увеличение степени сжатия прак-
тически неосуществимо.
Фиг. 1.
Изменение давлений в цилиндре и экономичности дви-
гателя при повышении мощности двигателя увеличением
степени сжатия и яаддувом
Одновременно с давлениями изменяются и температуры рабочего
тела (см. фиг. 2). При том же увеличении мощности (26%) и повыше-
ние степени сжатия до £- 10,0 температура на всасывании остается
постоянной, температура То в конце всасывания уменьшается на
— 8%, в конце сжатия Тс возрастает на ~ 12°/о ив конце сгора-
ния Tz на ~ 4 -5-5%. При наддуве сильно возрастает температура
Тй на всасывании (за счет подогрева воздуха в нагнетателе) на
Фиг. 2.
Изменение температур в цилиндре при повыше-
нии мощности двигателя увеличением степени
« сжатия и наддувом.
образом, за исключением температуры и давления на всасывании,
одинаковый прирост мощности сопровождается при увеличении а
большим повышением температур и давлений.
Увеличение числа оборотов всегда желательно. Предел.повыше-
нию числа оборотов ставится механической прочностью деталей и воз-
можностью обеспечить достаточные проходные сечения для смеси.
Увеличение степени сжатия или повышение наддува вызывает
изменение давления и температуры рабочего тела и тем самым влияет
на характер и скорость химических реакций, протекающих в смеси,
начиная с момента ее поступления во всасывающую систему до момен-
та ее сгорания. При некоторых условиях давления и температуры
рабочей смеси, сгорание ее может приобрести детонационный
характер.
Детонационное сгорание рабочей смеси представляет собой почти
мгновенное (взрывное) сгорание последней части смеси в цилиндре
или бомбе. При детонации скорость распространения фронта пламени
по смеси резко возрастает, достигая 1500—2000 м/сек, в то время как
5
при нормальном сгорании она составляет всего 20 40 м/сек. Дето-
национное сгорание является следствием образования в смеси в пе-
риод, предшествующий прохождению фронта пламени, продуктов
промежуточного окисления углеводородов, — органических перекисей.
Эти перекиси активируют (сенсибилизируют) смесь, и, при некоторой
их концентрации, вызывают детонационное сгорание. Наиболее благо-
приятные условия для накопления перекисей существуют в части
смеси, наиболее удаленной от места запала и сгорающей в последнюю
очередь, так как к моменту прохождения через нее фронта пламени,
давление и температура этой части выше, чем в других точках объема,
а время, в течение которого могут протекать процессы предваритель-
ного окисления, соответственно больше.
§ 2. ВНЕШНИЕ ПРИЗНАКИ ДЕТОНАЦИИ
Если в двигателе увеличивать степень сжатия, то при работе на
недетонирующем топливе мощность и экономичность его возрастают.
При работе- на детонирующем топливе, начиная с некоторой степени
сжатия, величина которой зависит от топлива, конструкции двигателя
и режима его работы, работа двигателя становится жесткой и неров-
ной. При дальнейшем увеличении степени сжатия, в цилиндре появ-
ляются слабые нерегулярные металлические стуки, усиливающиеся
с увеличением степени сжатия и переходящие в непрерывный звонкий
стук. Появление стука объясняется вибрацией металлических стенок
от удара детонационной волны. Силу и частоту стука очень часто
принимают за меру интенсивности детонации.
Приблизительно одновременно со стуком изменяется и характер
выхлопа. Из выхлопных патрубков появляются нерегулярные черные
дымки, указывающие на изменения в процессе сгорания. При увели-
чении степени сжатия, выхлоп двигателя становится все более и более
черным.
Мощность двигателя при работе с детонацией сначала несколько
возрастает, а потом вновь начинает падать *. Изменение мощности
двигателя в зависимости от степени сжатия при работе на детони-
рующем (нижняя кривая) и недетонирующем (верхняя кривая)
топливе представлено на фиг. 3.
При работе с детонацией температура головки цилиндра резко
повышается, а температура выхлопных газов падает. Характер изме-
нения температуры головки цилиндра и выхлопа в зависимости от
степени сжатия для недетснирующего топлива А и детонирующих
* Степень сжатия, прн которой мощность двигателя достигает макси-
мального значения, названа Рикаодо наивысшей полезной степенью сжатия
(НПСС).
6
I
топлив В и С приведен на фиг. 4. В двигателях жидкостного- охлажде-.
ния работа с детонацией сопровождается при длительной работе уве-
личением температуры охладителя
и количества теплоты, отдаваемой
в охлаждающую среду.
Фиг. 3
Зависимость среднего эффективного
давления от степени сжатия при ра-
боте на недетонирующем и детони-
<$
В- г~
§
720
Я
700
OlOHIldr-Я
ПйпяиЬгв
fTMulrC
ИоигателЬ Рикард
T> иометр Пч, 2 чн
Ход -203 мн
Число о6сс>отр&15£
FSD-Частаядет. слаб. ингленаНГ
FMD-Частая дет. сред. интенсиЬ.—
OMD-Peghan детсред- интекиб.
VC 7 Отсутствие детонации-
с4о
рукмдем топливе.
5,5 6р 6,5 7,0 7,5
Степень сзкстия Е
Фиг. 4.
Зависимость температуры головки и
выхлопных газов ст степени сжатия
при работе с детонацией и без
нее.
Длительная работа с детонацией сопровождается перегревом дви-
гателя, вызывающим появление преждевременных вспышек, а также
механическими повреждениями деталей. При детонации чаще всего
наблюдается выгорание поршней электродов свечей и клапанов, рас-
трескивание и выкрашивание изоляции свечей, пригорание поршневых
колец, появление трещин и разрушение в антифрикционном слое
коренных и шатунных подшипников.
Детонацию иногда смешивают с преждевременной вспышкой.
Между этими явлениями имеется некоторое сходство, так как оба они
сопровождаются возникновением стука и снижением мощности дви-
гателя и часто сопутствуют друг другу.
Сходство между детонацией и преждевременной вспышкой имеет
чисто внешний характер.
Преждевременная вспышка есть результат самопроизвольного
чрезмерного раннего воспламенения смеси, произошедшего помимо
свечи от какого-либо постороннего источника (накаленного выхлопного
7
клапана, контактов, свечи, нагара н т. п.). Возникновение прежде вре-
менной вспышки возможно лишь при наличии ненормальных усло-
вий в работе двигателя, а именно — при появлении перегретых мест
в камере сгорания, служащих источником воспламенения смеси. По
своему характеру преждевременная вспышка идентична с чрезмерным
опережением зажигания, причем место зажигания может не совпадать
с месторасположением свечи. Сгорание смеси при этом протекает
с нормальной скоростью, ио весь процесс смещается по времени и
заканчивается в некотором случае даже до того, как поршень достиг-
нет верхней мертвой точки. В противоположность этому, при детона-
ции воспламенение смеси происходит нормально от свечи и только
в конце сгорания процесс распространения пламени переходит во
взрывной. Различие между детонацией и преждевременной вспышкой
становится очевидным, если выключить зажигание у работающего
двигателя. Двигатель, работающий с детонацией, при этом останавли-
вается, а двигатель, имеющий преждевременные вспышки, продол-
жает работать.
Таким образом преждевременная вспышка есть нормальное сго-
рание смеси, смещенное по времени, а детонация — ненормальное
(взрывное) сгорание последней части смеси.
Отметим, что длительная работа двигателя с детонацией приво-
дит к перегреву двигателя и может вызвать появление преждевремен-
ных вспышек и, наоборот, перегрев двигателя, вызывающий появле-
ние преждевременных вспышек, может одновременно послужить при-
чиной возникновения детонации.
Фиг. 5.
Индикаторные диаграммы: а—нормальная; б—преждевре-
менная вспышка; в—детонация.
На фиг. 5 приведен вид индикаторных диаграмм при нормаль-
ной работе двигателя (а), преждевременной вспышке (б) и детона-
ции (в). В последнем случае линия расширения указывает на нали-
чие резких колебаний давления в цилиндре, в конце сгорания.
§ 3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕТОНАЦИЮ
Свойства топлива, от которых зависит его большая или мень-
шая детонационная стойкость, рассматриваются в курсе авиатоплив
и масел.
8
Исходя из положения, что детонация в двигателе есть резуль-
тат накопления органических перекисей в несгоревшей части смеси,
можно утверждать, что все факторы конструкции и режима работы,
способствующие образованию перекисей, будут при прочих равных
условиях увеличивать вероятность детонации данного топлива в дви-
гателе. Количество и концентрация перекисей (при данном топливе)
зависят от давления и температуры смеси в период, предшествующий
сгоранию, и времени, располагаемого для протекания предпламеиных
процессов; поэтому влияние того или иного фактора следует рассмат-
ривать с точки зрения воздействия его на давление и температуру
смеси и время, располагаемое для процесса.
А. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ
Из факторов конструкции двигателя, влияющих на детонацию,
отметим следующие:
1) степень сжатия;
2) форму камеры сгорания и условия ее охлаждения;
3) материал камеры сгорания и поршня;
4) абсолютные размеры цилиндра;
5) число, расположение и конструкцию свечей;
6) конструкцию выхлопного клапана.
Степень сжатия. Степень сжатия является основной величиной,
влияющей на детонацию. Это влияние становится понятным, если
обратиться к фигурам 1 и 2, показывающим сильное увеличение давле-
ний и температур, которыми сопровождается повышение степени сжа-
тия. Из фиг. 3 и 4 видно, как отзывается увеличение степени сжатия
при детонирующем топливе на работе двигателя.
Форма камеры сгорания. Чем больше время, в течение которого
фронт пламени от свечи может достигнуть до наиболее отдаленных
точек камеры сгорания, чем хуже охлаждаются эти точки, тем вероят-
нее возникновение детонации. Отсюда следует, что наиболее рацио-
нальной формой камер сгорания должна быть полусферическая или
шатровая. Практика в общем подтверждает это положение, если нс
считать специальных форм камер сгорания (предложенных Рикардо,
Джснуеем, Уатмоу), в которых предусмотрено интенсивное охлажде-
ние части смеси, сгорающей в последнюю очередь. Охлаждение стенок
камеры сгорания и их температура также имеют очень большое значе-
ние. При конструировании необходимо стремиться к тому, чтобы обе-
спечить возможно равномерное охлаждение головки и отсутствие
в камере отдельных точек с повышенной температурой.
Материал головки и поршня. Материал головки влияет па дето-
нацию постольку, поскольку от него, зависит теплоотвод от наиболее
нагретых мест днища поршня и головки. Применение легких алюми-
9
ниевых сплавов, обладающих значительно большей теплопроводно-
стью, чем сталь и чугун, позволило при данном топливе и прочих
равных условиях повысить степени сжатия и наддува. В среднем за-
мена чугунного поршня алюминиевым позволяет повысить степень
сжатия на 0,5 -г 1,0.
Фиг. 6. .
Влияние диаметра цилиндра на детонацию.
Размеры цилиндра. При увеличении размеров цилиндра возрас-
тает длина пути, проходимого фронтом пламени и, следовательно,
вероятность возникновения детонации.
На фиг. 6 приведены значения наивысшей полезной степени сжа-
тия в зависимости от диаметра цилиндра, полученные Рикардо. Верх-
няя кривая получена на двигателе с золотниковым распределением
и свечей, расположенной в центре головки, а нижняя на двигателе
с нормальным клапанным распределением. Меньшие значения степени
сжатия во втором случае объясняются влиянием на детонацию горя-
чего выхлопного клапана.
Число и расположение свечей. Увеличение числа свечей сокра-
щает расстояние, проходимое фронтом пламени и тем самым умень-
шает вероятность возникновения детонации. При существующих раз-
мерах цилиндров увеличение числа свечей свыше двух нерационально.
Свечи располагают обычно так, чтобы обеспечить возможно малое
расстояние до наиболее удаленной от них точки камеры сгорания.
На фиг. 7 представлено влияние числа свечей на детонацию.
Опыты производились при регулировке состава смеси на максималь-
ную мощность (сплошные линии) и максимальную экономичность
(пунктир). Нижние кривые в обоих случаях соответствуют работе на
одной свече, расположенной со стороны выхлопа, а верхние — иа двух
диаметрально противоположных свечах. Двигатель доводился надду-
вом до начала детонации. Как видно, в обоих случаях среднее индика-
торное давление, соответствующее началу детонации, получалось при
двух свечах, примерно, на 15% выше.
10
Сами свечи, точнее, их электроды, часто служат источником воз-
никновения детонации и преждевременного воспламенения. Поэтому
при конструировании свечей для сильно форсированных двигателей
обращают особое внимание на возможность надежного их охлаждения.
Фжг. 7.
Влияние числа свечей иа детоиацяю.
Выхлопной клапан. Наиболее горячей деталью в головке цилин-
дра является выхлопной клапан, температура которого может дости-
гать 750—800°С. Влияние выхлопного клапана на образование пере-
кисей, а следовательно, и детонацию, весьма значительно. Это видно
из приведенной выше фиг. 6, где разница в степенях сжатия при
золотниковом и клапанном распределении в значительной мере может
быть отнесена на счет выхлопного клапана и частично на счет места
расположения свечи.
Большой эффект в смысле снижения температуры клапана и воз-
можности соответствующего повышения степени сжатия или наддува
дало применение выхлопных клапанов, охлаждаемых изнутри метал-
лическим натрием.
Б. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
•
Из величин, определяющих режим работы двигателя, влияют на
детонацию главным образом следующие:
1) состав смеси;
2) температура смеси и стенок цилиндра;
3) давление смеси;
4) момент зажигания;
5) число оборотов;
6) атмосферные условия.
Состав смеси. Изменение состава смеси влияет на скорость рас-
Влияние коэфициента избытка
воздуха на детонацию.
пространения пламени и величину максимальных давлений и темпера-
тур в цилиндре двигателя. Изменение этих величин, а также соотно-
шения между кислородом и топливом в смеси сказывается и на обра-
зовании перекисей. Опытом установлено, что при условии отсутствия
перегрева двигателя максимальная детонация получается при составе
смеси, лежащем в пределах между составами смеси, соответствующими
регулировке на максимальную мощность и максимальную экономич-
ность. На фиг. 8 представлена зависимость среднего индикагорного
давления, соответствующего началу детонации, ет коэфициента из-
бытка воздуха. Опыты проводились на двигателе воздушного охлаж-
дения. Как видно, обогащение смеси от а =0,9 до а =0,65 позво-
лило повысить среднее индикаторное давление (наддувом) от 10,5 до
~ 17 кг/см2.
Обогащение смеси до значений « =0,65-: 0,70 является в на-
стоящее время общепринятым методом устранения детонации при
форсировании двигателей.
Температура смеси и стенок цилиндра. Увеличение температуры
Стенок цилиндра или смеси точно так же способствует образованию
перекисей и, следовательно, детонации смеси. На фиг. 9 представлены
опыты, проведенные на одноцилиндровом двигателе Вокеша с пере-
менной степенью сжатия. Опыты были проведены на четырех различ-
ных топливах при двух температурах охлаждающей жидкости — 100
12
и 145°, так что линейная зависимость степени сжатия от температуры
является условной. Как видно, увеличение температуры охлаждающей
жидкости на 45 снижает степень сжатия, соответствующую опреде-
Фиг. 9.
Влияние на детонацию температуры охлаждающей
жидкости.
ленной интенсивности детонации, приблизительно на 12 -г-16%. Сле-
дует отметить, что топлива 1 и 4, содержащие первое 30% этилового
Фиг. 10. .
Влияние на детонацию температуры
на всасывании двигателя.
13
спирта, а 2-е 80% пиробензола, оказались более восприимчивыми
к повышению температуры стенок, чем топлива 2 и 3, представляю-
щие собой бензины с присадкой этиловой жидкости.
Влияние температуры поступающего воздуха иа детонацию пред-
Фиг. 11.
Влияние иа детонацию дросселирования двигателя.
среднее индикаторное давление, соответствующее началу детонации,
понизилось от 15,3 до 9,5 кг/см2 при « = 0,9 и от 13,5 до 11,5 кг/см2
при а — 0,67. Следует отметить сильное отличие в характере паде-
ния среднего давления при различных значениях коэфициента избыт-
ка воздуха. Опыты были проведены на двигателе авиационного типа
воздушного охлаждения.
Давление смеси. Изменение давления на всасывании влияет на
давления, при которых протекает процесс в двигателе, а следователь-
но, на концентрацию перекисей и обусловливаемую ею детонацию.
На фиг. 11 приведены классические опыты Рикардо по влиянию дав-
ления на всасывания на детонацию. В двигателе, работающем при
постоянном числе оборотов и коэфициенте избытка воздуха, увеличи-
вали степень сжатия. При работе на недетонирующем топливе дрос-
сель был открыт полностью и среднее индикаторное давление возра-
стало по закону, представленному верхней пунктирной кривой. При
работе на топливе, начинавшем детонировать на степени сжатия s =
= 4,85, с увеличением степени сжатия двигатель дросселировали до
момента исчезновения детонации. Сплошная кривая на фиг. 11 дает
представление о степени необходимого дросселирования. Казалось бы
11
что для устранения детонации двигатель следовало бы дросселиро-
вать до значений среднего индикаторного давления, равных величине,
полученной при £ = 4,85. В действительности двигатель приходилось
Фиг. 12.
Влияние степени сжатия на допустимую величи-
ну наддува.
ного давления, соответствовавшего началу детонации, уменьшалась
со степенью сжатия. Объясняется это сильным увеличением со сте-
пенью сжатия давления и температуры в конце сжатия. Интересно
отметить, что для данного опыта давление конца сжатия остается для
всех степеней сжатия практически постоянным.
Постановка на двигателе нагнетателя повышает давление и тем-
пературу смеси на всасывании, а следовательно, увеличивает вероят-
ность появления детонации. Из фиг. 1 видно, что одинаковому повы-
шению мощности соответствует при наддуве значительно меньший
рост давлений и температур. Отсюда можно заключить, что при дан-
ном топливе, путем наддува, двигатель можно форсировать, не опа-
саясь детонации, до значительно больших мощностей, чем путем уве-
личения степени сжатия. Это положение хорошо подтверждается
15
опытами А. Ротрок *, проведенными на одноцилиндровом двигателе
с размерами D = 120 мм, Л’ — 146 мм при п == 2500 об/мин, темпе-
ратуре охлаждающей жидкости = 120 С и регулировке состава
смеси на максимум детонации. Результаты обработки данных этил
опытов, произведенной автором для топлива с октановым числом 95,
приведены на фиг. 12. Кривые 1 и 2 представляют собой зависимость
давления наддува, соответствующего началу детонации, от степени
сжатия, при двух температурах на всасывании.
Как видно, снижение степени сжатия от 9,0 до 6,0 позволяет
увеличить давление на всасывании от 540 до 970 мм рт. ст. при ТЛ(=
= 400е К и от 630 до 1100 мм рт. ст. при Т,. — 340 К, т. е. на
75—80%.
При постоянных составе- свдеси, температуре на всасывании и
числе оборотов индикаторную мощность двигателя можно принять
пропорциональной произведению давления на всасывании на индика-
торный к. п. д. Давление в конце сжатия, очевидно, будет пропорцио-
нально произведению давления на всасывании на г'1 . Относительное
изменение индикаторной мощности и давления в конце сжатия пред-
ставлено на той же диаграмме кривыми 3 и 5 для Tft = 34(У и 4 и 6
для 1 к= 400'К. Как видно, уменьшение степени сжатия от 9,0 до
6,0 лает возможность при работе на топливе с той же детонационной
стогщостью увеличить мощность двигателя, примерно, на 50%. Инте-
ресно отметить, что давление в конце сжатия остается при всех степе-
нях ^сжатия практически постоянным.
Армент зажигания. Изменение момента зажигания смещает сго-
рание рабочей смеси по отношению к положению поршня в цилиндре
двигателя, вследствие чего изменяются давления и температуры про-
цесса. Опыт показывает, что уменьшение опережения зажигания
уменьшает детонацию рабочей смеси. Максимальная интенсивность
детонации получается обычно при опережении зажигания несколько
большем, чем соответствующее регулировке на максимальную мощ-
ность двигателя. На фиг. 13 приведены опыты автора по влиянию
угла опережения зажигания на максимальную мощность двигателя
при работе на данном топливе. Опыт был проведен на авиадвигателе
воздушного охлаждения.
11рц постоянном составе смеси и различных углах опережения
зажигания, определяли мощность двигателя, соответствующую началу
детонации. Как видно, при уменьшении .угла опережения от 15 до
6° до в. м. т., мощность двигателя, соответствующая началу детона-
ции, увеличилась ст 780 до 824 д. с. при одновременном увеличении
наддува от 825 до 945 мм рт. ст. Дальнейшее уменьшение угла опере -
* J.S.A.E. February 1941. Rothrock А М : „Fuel rating—its relation to en-
gne performance".
16
жеиия зажигания имело следствием полное исчезновение детонации.
Однако, несмотря на увеличение наддува, мощность двигателя вновь
начала уменьшаться вследствие ухудшения процесса, вызванного чрез-
Jc/io5usi onbma
Фиг. 13.
Влияние опережения зажигания на макси-
мальную мощность при работе на начале
детонации.
мерно поздним зажиганием. Обращаясь к нижней части диаграммы,
мы видим, что при указанном выше уменьшении опережения зажигания
увеличение мощности на 5% требовало повышения наддува на 15%.
Столь большое увеличение наддува было, очевидно, вызвано необхо-
димостью компенсировать снижение качества процесса увеличением
количества воздуха, подаваемого в двигатель.
Уменьшение опережения зажигания при одновременном обога-
щении смеси является одним из наиболее эффективных методов устра-
нения детонации при работе двигателей в условиях форсированных
режимов (режима взлета и набора высоты).
Число оборотов. С увеличением числа оборотов возрастает ско-
рость распространения фронта пламени. Время сгорания и время пре-
2. Добрынин
17
бывания смеси в цилиндре до момента воспламенения сокращается.
Вследствие .этого, вероятность детонации рабочей смеси с увеличе-
нием числа оборотов двигателя при про тх равных условьях уменв
шается. Увеличивая число оборотов двигателя, можно, не опасаясь
детонации, повышать или степень сжатия, или давление наддува
двигателя. Изложенное хорошо иллюстрируется опытами на двига-
теле Ро лльс-Ройс, приведенными на фиг. 7, и данными фиг 14.
На последней диаграмме следует отметить не только сильное уве-
личение степени сжатия, с оответствующей началу детонации с увели-
чением числа оборотов, но и различный характер этого возрастания,
зависящий от рода топлива. Пунктирные линии получены для бензи-
нов прямой гонки с различной детонационной стойкостью, а сплош-
ные — для крекинг-бензина и автомобильного бензина среднего
качества.
Для ароматических топлив, склонных к самовоспламенению, уве-
личение числа оборотов обычно сказывается неблагоприятно на их
работе, вызывая повышение температуры головок и перегрев двига-
теля.
18
Влияние атмосферных условий. Изменение состояния окружаю-
щей среды точно так же влияет на вероятность возникновения дето-
нации. В двигателях без нагнетателя увеличение атмосферного дав
1. 57.57с-изааятг>ана+зг,57»
гептана:.
2. 777°С‘9-<33%М- .
4. Кренинг бензин.
5. 45% бензола +55%
бензина пр.г.
6. 20% C-9+S07,/U +0.6 ТЭС.
0 5 10 - /5 20 25 30 35 40
Дбсолютпмар Вла^С^гЬ гр. Воды на кг. сух Воздуха.
Фиг. 15.
Влияние влажности воздуха на детонацию. 1) 67,5%—изооктана + 32,5% геп-
тана; 2) 77% С9Ч 23% А4; 3) 80% С9+20% А4; 4) крекинг-бензин; 5) 45%
бензола + 55% бензина пр. г.; 6) 20%С-9+80% A4-f-0,6 см3/л. ТЭС.
ления вызывает увеличение детонации. В двигателях с нагнетателем
давление на всасывании не зависит от атмосферного давления. Изме-
нение температуры окружающей среды влияет на детонацию смеси
как в двигателях с нагнетателем, так и без него. В летнее время усло-
вия работы двигателя в смысле детонации являются более тяжелыми.
Сравнительно большое влияние на детонацию оказывает влаж-
ность воздуха. Как правило, увеличение влажности воздуха умень-
шает возможность возникновения детонации. Разные топлива раз-
лично реагируют на влажность. На фиг. 15 показано влияние влаж-
ности воздуха на детонацию. По оси ординат отложена интенсивность
детонации, выраженная в делениях нокметра, регистрирующего ток,
проходящий через прибор, измеряющий интенсивность детонации
(игла Миджлея).
§ 4. ОЦЕНКА ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТОПЛИВ
Для того чтобы получить надежную работу двигателя, необхо-
димо подобрать для него такое топливо, которое обеспечило бы отсут-
ствие детонации при всех возможных режимах его работы.
2*
19
Так как детонация топлива в двигателе обусловливается всей
совокупностью факторов его конструкции и режима работы, то не
представляется возможным заранее, иа основании оценки этих фак-
торов, достаточно точно установить, будет ли топливо, удовлетвори-
тельно работающее на одном двигателе, столь же удовлетворительно
работать на другом.
Единственным решением вопроса подбора топлива является не-
посредственное испытание его на двигателе, для которого оно пред-
назначается. Этот метод, применяющийся и в настоящее время,
является весьма несовершенным. Действительно, с одной стороны, он
требует проведения испытаний на сложных и дорогих установках
и мощных двигателях, а с другой, — не дает возможности определить,
какими качествами должно обладать топливо, чтобы удовлетворитель-
но работать на данном двигателе.
При применении метода непосредственного испытания топлива
на двигателе каждая смена топлива требует повторения всех испыта-
ний, необходимых для этого подбора и, кроме того, топлива для
этого испытания не могут быть предварительно подобраны, так как
отсутствует критерий для предварительной оценки их детонационной
стойкости.
Вслед за тем, как в 1918—1919 гг. Рикардо описал и изучил
явление детонации топлив в двигателях, начались широкие работы
по изысканию методов оценки детонационной стойкости топлив.
Первые шаги в этом направлении сделаны Рикардо, который
предложил оценивать детонационную стойкость топлив по той макси-
мальной степени сжатия, на которой двигатель, работая иа данном
топливе, развивает максимальную мощность. Эта степень сжатия
была названа им наивысшей полезной степенью с ж-а-
т И я данного топлива (НПСС).
Этот метод оказался неудачным, так как наивысшая полезная сте-
пень сжатия давала возможность сравнивать топлива друг с другом
только на данной испытательной установке, нисколько не характери-
зуя своей абсолютной величиной качеств топлива. Так, например, если
эта степень сжатия для какого-нибудь топлива на двигателе Рикардо
была 5,0, то отсюда вовсе не следовало, что при работе на любом дру-
гом двигателе топливо будет удовлетворительно работать при этой
же степени сжатия.
Попытки использовать другие параметры конструкции или ре-
жима работы двигателя для оценки детонационной стойкости топлив
с очевидностью показали, что этот метод не достигает цели, так как
ни один из выбираемых параметров не остается постоянным при изме-
нении режима работы двигателя, Конструкции или даже внешних
условий.
i’O
Наилучшие результаты дал метод оценки детонационных свой-
ств топлив путем сравнения нх с другими топливами, принятыми за
эталонные. Этот метод основан на том предположении, что различ-
ные топлива, обладающие одинаковой детонационной стойкостью при
работе на каком-нибудь одном двигателе, оказываются равноценными
и при работе на другом двигателе' хотя бы условия конструкции
и режима были другими.
Таким образом, если выбрать в качестве эталонных два топ-
лива, из которых одно трудно детонирует, а другое легко, и подобрать
из этих теплив такую смесь, которая при работе на двигателе дето-
нировала бы точно так же, как и испытуемое топливо, то и на любом
другом двигателе, в любых других условиях работы подобранная
смесь эталонов должна быть по своей детонационной стойкости экви-
валентна испытуемому топливу.
Это положение позволило во всех случаях, связанных с предва-
рительной оценкой детонационной стойкости топлива, отказаться от
испытаний на мощных многоцилиндровых двигателях и перейти
к дешевым и значительно более простым испытаниям на маленьких
одноцилиндровых установках, снабженных специальной аппаратурой
для измерения детонации.
В зависимости от тех топлив, которые принимались за эталоны,
появились бензоловый, толуоловый (Рикардо) и октановый эквива-
ленты топлива, представляющие собой процентное содержание слабо
детонирующего топлива (бензола, толуола, изооктана и т. п.),
в смеси эталонных топлив, эквивалентной по своей детонационной
стойкости испытуемому топливу.
В настоящее время общепринятыми эталонными топливами
являются легко детонирующий нормальный гептан и трудно детони-
рующий изооктан (2. 2, 4-триметилпентан). Эти топлива охватывают
по своим детонационным качествам почти всю область применяемых
топлив, стойки при хранении и, кроме того, представляя собой чистые
углеводороды, могут быть получены в любых количествах постоян-
ными по качеству.
Октановым числом топлива принято называть процент-
ное по объему содержание изооктана в смеси его с гептаном, эквива-
лентной по своей детонационной стойкости испытуемому топливу.
Топлива с детонационной стойкостью более высокой, чем у изоок-
тана, сравнивают с изооктаном с различными по величине присад-
ками антидетонатора тетраэтилсвинца, добавляемого обычно в форме
этиловой жидкости.
Введение метода сравнительной оценки топлива посредством топ-
ливных эквивалентов (октановых чисел) позволяет, таким образом,
легко контролировать детонационные качества получаемых топлив,
21
а также значительно упрощает подбор топлива к двигателю, так как
достаточно подобрать топливо к двигателю только один раз и, уста-
новив его октановое число, в последующих случаях на испытательной
установке подбирать и контролировать топлива, предназначенные для
испытания, исходя уже из этой величины и не прибегая к непосред-
ственным испытаниям на самом двигателе.
Такая процедура возможна, конечно, только в том случае, если
в точности выполняется приведенное выше положение о независимо-
сти относительной оценки топлив от условий эксперимента, самого
двигателя, а также способа замера детонации.
Практика показала, что в действительности это положение выпол-
няется весьма приблизительно и что относительная оценка различ-
ных топлив зачастую оказывается различной в различных двигате-
лях, вследствие чего не только не представляется возможным отка-
заться от проверки топлива непосредственно на двигателе, но и сама
оценка топлива на экспериментальной установке теряет реальный
смысл.
Для того чтобы устранить это неудобство, были сделаны попытки
создать такие экспериментальные двигатели и условия работы на них,
при которых топлива вели бы себя точно так же, как и в реальных
условиях эксплоатацйи.
Такая работа была выполнена в США для топлив, предназначен-
ных для автомобильных двигателей. В результате этой работы была
разработана конструкция экспериментальной установки и подобран
для нее режим работы, обеспечивающий возможность правильной
оценки топлив для автомобильных двигателей.
Разработанный метод носит название моторного метода и приме-
няется в настоящее время повсеместно для определения детонацион-
ной стойкости топлив для автомобильных двигателей.
Применение этого метода для авиатоплив показало, что во многих
случаях получаемая оценка не соответствует поведению топлива на
двигателе. Расхождения в оценке, получаемой на экспериментальной
установке и в условиях эксплоатации, стали особенно заметными при
применении высокооктановых топлив в условиях работы на больших
наддувах при очень богатых составах смеси. Несмотря на ненадеж-
ность оценки детонационной стойкости авиатоплив по моторному
методу, ею продолжают пользоваться вплоть де настоящего времени,
главным образом, по причине отсутствия других, более подходящих
для испытания авиатоплив установок и методов испытания.
Только за последнее время в США были разработаны два
метода испытания авиатоплив, получившие наименование 1-С и 3-С,
которые, безусловно, должны будут заменить моторный метод.
22
А. МОТОРНЫЙ МЕТОД
На фиг. 16 и 17 представлены два разреза одноцилиндрового
двигателя CFR-ASTM, изготовляемого фирмой Вокеша и приме-
няемого при определении октановых чисел по моторному методу.
Фиг. 1 6.
Продольный разрез двигателя CFR-ASTM фирмы Вокеша
1—пружины цилиндра, устраняющие люфт; 2—приводной вал
тахометра; 3—указатель момента зажигания; 4— масляный на-
сос; 5—редукционный клапан давления масла; 6—электричес-
кий подогреватель масла; 7— спускной кран системы охла-
ждения; 8—водяная помпа; 9—змеевик конденсатора.
23
Фиг. 17.
Поперечный разрез двигателя CFR-ASTM фирмы Вокеша
1—микрометр для измерения положения цилиндра; 2—червяч-
ная передача для подъема и опускания цилиндра; 3—нижняя
направляющая цилиндра; 4—рукоятка для вращения червяка;
5—канал из картера в верхнюю часть указателя уровня мас-
ла; 6—смотровое стекло для уровня масла; 7—направляющие
цилиндра; 8—уравнительный клапан суфлера; 9—винт для
стягивания направляющей 7; 10—неподвижная стойка клапан-
ного механизма.
24
Двигатель имеет диаметр цилиндра 82,5 мм (3,25") и ход пор-
шня 114,3 мм (4,5"). Головка цилиндра и рубашка цилиндра пред-
ставляют собой целую отливку из чугуна. Наружная поверхность
рубашки обработана, а на нижней наружной поверхности гильзы
цилиндра нарезана резьба. Цилиндр вставляется в направляющий
корпус, укрепленный на картере, причем на резьбу в его нижней части
навертывается гайка, имеющая с наружной стороны нарезку для
червяка. Гайка устанавливается между корпусом и картером, препят-
ствующими ее перемещению в направлении оси цилиндра. От враще-
ния цилиндр удерживается шпонкой, входящей в шпоночную канавку,
расположенную вдоль образующей рубашки. Между корпусом и
цилиндром помещены четыре винтовые пружины, отжимающие
цилиндр вверх и служащие для выбирания зазоров и системе
цилиндр — гайка — корпус. Сам корпус имеет разъем вдоль обра-
зующей и стягивается специальным винтом, что дает возможность
жестко закреплять цилиндр. Отпуская винт, стягивающий корпус,
и вращая рукоятку червяка, можно перемещать цилиндр вверх или
вниз и таким образом изменять степень сжатия. Механизм допус-
кает изменение степени сжатия в пределах от 4 до 10. Двигатель имеет
испарительное охлаждение, что позволяет поддерживать температуру
воды, охлаждающей цилиндр, строго постоянной. На всасывании дви-
гателя установлен карбюратор с тремя поплавковыми камерами, каж-
дая из которых связана с отдельным топливным бачком. В один из
бачков заливается испытуемое топливо, а в другие — эталонные топ-
лива. Посредством специального крана-распределителя двигатель может
быть включен на работу на любом топливе. Регулировка состава
смеси, на котором работает двигатель, производится перемещением
в вертикальном направлении соответствующего топливного бачка вме-
сте с поплавковой камерой. Между карбюратором и двигателем во вса-
сывающем трубопроводе установлен подогреватель для смеси. Двига-
тель соединен ременной передачей с моторгенератором, служащим для
запуска и торможения двигателя. Моторгенератор имеет синхронную
характеристику и поддерживает число оборотов двигателя во время
опыта постоянным. •
Для измерения интенсивности детонации служит игла Миджлея,
включенная в электрическую цепь теплового гальванометра — нок-
метра. Игла Миджлея (фиг. 18) представляет собой полый корпус,
ввертываемый вертикально в отверстие в головке цилиндра. В нижней
части корпуса манжетной гайкой 16 укреплена стальная диафрагма
15. На диафрагму опирается стальная игла 14, снабженная на верхнем
конце бакелитовым наконечником 13. Игла прижимается к диафрагме
пластинчатой пружиной 12, снабженной платиновым контактом 19-
Вторая пластинчатая пружина 20 с платиновым контактом 10 прижи-
мается к упору 9, давление которого регулируется пружиной и вин-
том 4. Регулировка зазора между контактами 19 и 10 производится
винтом 5. Пластинчатые пружины 12 и 20 связаны электрически
Фиг. 18.
Игла Миджлея.
с клеммами 8 и 1, включаемыми в цепь постоянного тока, проходя-
щего через нокметр. При работе с детонацией импульсы от ударных
волн передаются диафрагме 15 и вызывают подскакивание иглы. При
этом контакты 10 и 19 приходят в соприкосновение и замыкают цепь
Тока, проходящего через нокметр. Чем сильнее детонация, тем выше
подскакивает игла, тем дольше остаются замкнутыми контакты и тем
большим получается отклонение стрелки нокметра.
Режим работы двигателя при испытании по моторному методу
принят следующий;
1) число оборотов в минуту 900 4- 9 ;
2) температура подогрева свежей смеси 1494— 1°С;
3) температура охлаждающей жидкости 98^- 102°С;
( —(— 1° в течение опыта);
26
4) регулировка карбюратора (состава смеси) — на максималь-
ную детонацию;
5) угол опережения зажигания устанавливается автоматически
в соответствии со степенью сжатия на максимальную мощность;
6) влажность поступающего в двигатель воздуха — 3,57,1 г/кг
сух. возд
л> Бенина В смеси с Бензином (по Весу)
Фиг. 19.
Шкала вторичных эталонных топлив для с. ч.^>70.
Определение детонационной стойкости топлива производится
следующим образом. В двигателе, работающем на испытуемом топ-
ливе, изменением степени сжатия доводят детонацию до определен-
ной стандартной интенсивности. После этого заливают в свободные
бачки эталонные топлива и подбирают два таких эталона, в вилке ко-
торых лежит по детонационной стойкости испытуемый образец. При по-
стоянной степени сжатия, установленной по образцу, определяют по
нокметру интенсивность детонации при работе на образце и на эта-
лонах. Пользуясь показаниями нокметра путем пропорционального
пересчета, вычисляют содержание стойкого по детонации эталонного
топлива в смеси, эквивалентной по детонации испытуемому образцу.
Ввиду дороговизны изооктана и гептана при текущих испытаниях
пользуются смесями других эталонных топлив (вторичные эталоны),
предварительно протарированными по первичным эталонам.
Такая тарировка представляется обычно в виде диаграммы
(фиг. 19), носящей название шкалы вторичных эталонов, где ио одной
оси отложен процент (по объему) содержания изооктана в смеси
27
с нормальным гептаном (октановое число), а по другой — процент
содержания вторичных эталонов в смеси. Из фиг. 19 видно, что для
вторичных эталонов, представляющих собой смеси бакинского бен-
зина Б-70 с химически чистым бензолом, бакинский бензин имеет
Зависимость оценки топлива от режима
работы установки
А—моторный метод; Б—исследовательский
метод.
1—газовый бензин; 2—прямогонный бензин;
3—бензин термического крекинга и рифор-
минга; 4—бензин каталитического крекинга
и риформинга; 5—бензин полимеризации;
6—алкилбензин К. К 200°С; 7—техничес-
кий изооктан.
октановое число 68, а октановое число 100 имеет смесь, состоящую из
90% бензола и 10% бакинского бензина.
Определение октанового числа топлива при текущих испытаниях
производится следующим образом.
Допустим, что при сравнении со вторичным эталоном топливо
оказалось по своей детонационной стойкости эквивалентным смеси
вторичных эталонов, содержащей 55% бензола. Отсюда по шкале
вторичных эталонов находим соответствующее октановое число, рав-
ное 77.
Влияние изменения режима работы двигателя на оценку детона-
ционной стойкости топлива хорошо иллюстрируется опытами, резуль-
таты которых представлены на диаграмме фиг. 20. На диаграмме
дана зависимость октанозого числа от присадки ТЭС для семи типов
топлив, определенная на установках Вокеша по моторному методу
(слева) и исследовательскому методу (справа). Исследовательский
метод отличается от моторного пониженным (600) числом оборотов,
Отсутствием подогрева смеси и постоянны™ опережением зажигания
В 13° ДО1 в. м. т.
28
На диаграмме отчетливо видна зависимость относительной оцен-
ки от природы топлива и режима работы испытательной установки.
Действительно1, для топлив 1, 2, 6 и 7 (газовый и прямогонный
бензин, алкилбензин и технический изооктан) оценка остается неиз-
менной, т. е., иными словами, изменение режима работы в равной
мере сказывается как на испытуемом топливе, так и на эталоне. Для
бензинов 3, 4 и 5 (бензины термического и каталитического крекинга
с последующим риформингом и бензин полимеризации) переход от
моторного метода к исследовательскому сопровождается резким уве-
личением октанового числа, равным 7 : 13 единицам для бензинов
в чистом виде и 11—5—14 единицам прн присадке к ним ТЭС в коли-
честве 3,0 мл/ам. гал. Приведенные данные показывают, что послед-
ние три бензина имеют совершенно иную «чувствительность» к изме-
нению режима работы, чем эталонные топлива, с которыми они
сравниваются. Совершенно аналогичное явление может наблюдаться
и при применении топлив в условиях эксплоатации, в результате чего
топлива, получившие высокую оценку на испытательной установке,
могут оказаться непригодными для одних двигателей и вполне под-
ходящими для других.
Б. АВИАЦИОННЫЙ МЕТОД НА БЕДНОЙ СМЕСИ 1-С
Из приведенного примера видно, что для получения относитель-
ной оценки топлив, соответствующей оценке, даваемой этим топливам
двигателями в условиях эксплоатации, необходимо специально под-
бирать режим работы испытательной установки. Кроме того, при
оценке детонационных качеств топлива большое значение имеет метод
установления детонационного режима. В то врмя, как некоторые топ-
лива ^бензины прямой гонки, изооктан, гептан и т. п.) дают при
работе на двигателе резко выраженную детонацию, другие (арома-
тики), собственно говоря, не детонируют, а самовоспламеняются,
вызывая повышение температуры головки. Поэтому детонационный
режим, установленный по показаниям нокметра, связанного с иглой
Миджлея,' регистрирующей интенсивность импульсов, от ударных
волн, не будет характерным для поведения топлив, содержащих зна-
чительный процент ароматики. Выбор за меру интенсивности дето-
нации температуры головки цилиндра обладает в этом отношении
тем преимуществом, что вне зависимости от того, детонирует ли топ-
ливо или самовоспламеняется, возможно подобрать такие значения
температур головки, при которых детонация и самовоспламенение
топлива будут равноопасны.
На этом принципе основан разработанный за последние годы
в США новый метод оценки детонационной стойкости для авиацион-
ных топлив. Этот метод называется методом 1-С (F-3) или авиаци-
онным методом на бедной смеси.
29
Оценка детонационной стойкости топлив по этому методу осно-
вана, как и в моторном, на сравнении их с эталонными смесями изоок-
тана и нормального гептана. В отличие от моторного метода сравне-
ние топлив с эталонами производится при некоторой стандартной
температуре, замеряемой термопарой, установленной в головке на
месте иглы Миджлея. Метод дает возможность определять детона-
ционную стойкость топлив, превосходящих изооктан, причем в этом
случае за ее меру принимается или содержание ТЭС в изооктане, при
котором он становится эквивалентным испытуемому топливу, или
условные октановые числа больше 100.
Испытание топлив по методу 1-С проводится на том же двига-
теле Вокеша, который применяется для моторного метода с некото-
рыми изменениями. Режим работы при испытании принят следующий:
1) число оборотов в минуту 1200 -Т 12
2) температура подогрева воздуха 25 — 50' С
3) влажность воздуха 3,5-^- 7,0 г/кг. сух. возд.
4) температура подогрева смеси 104,4 - 1,ГС
5) температура охлаждающей жидкости 1904- 5°С
6) опережение зажигания постоянное 35° до в. м. т.
7) регулировка состава смеси на максимум температуры.
Стандартная температура головки, при которой производится
сравнение топлива с эталонами, определяется следующим образом.
Двигатель заставляют работать попеременно на смеси, содержащей
87 % изооктана и 13% нормального гептана (по объему), и на чистом
бензоле. В обоих случаях регулируют состав смеси на максимальную
температуру. Далее подбирают такую степень сжатия, для которой
температура головки при работе на обеих смесях получается одинако-
вой (точка А, фиг. 21). После этого уменьшают степень сжатия на
единицу и определяют температуру головки, при работе на бензоле
(точка В). Проводя прямую через точки А и В, получим зависимость
температуры головки от степени сжатия при работе на бензоле. Пря-
мая CAD, проведенная через точку А с угловым коэфициентом, рав-
ным 0,75 от углового коэфициента прямой АВ, и есть линия стандарт-
ной температуры. Перед тем как сравнить испытуемое топливо с эта-
лонами, необходимо, изменяя степень сжатия, добиться того, чтобы
при работе на нем температура головки лежала бы на прямой CD.
После этого степень сжатия оставляют неизменной и подбирают два
эталона, из которых один дает более высокую, а другой более низкую
температуру головки, чем испытуемое топливо. Зная состав эталонов
и разницу в температурах, путем пропорционального пересчета уста-
навливают эталон, эквивалентный испытуемому топливу. На фиг. 21
линия ab дает зависимость температуры головки от степени сжатия
при работе на испытуемом топливе; точка Е на этой кривой соответ-
30
Фиг. 21.
Авиационный метод на бедной смеси 1-С.
ствует стандартным условиям работы. Линии агвг и а2ва соответ-
ствуют эталонным топливам, а точки Л и Л — температурам, полу-
чаемым при работе на них в стандартных условиях опыта.
На фиг. 22 приведены опыты на установке Вокеша, объясняющие
причину выбора переменной, в зависимости от степени сжатия, стан-
дартной температуры. Нижняя наклонная прямая соответствует изме-
нению температуры головки при работе на смесях изооктана и нормаль-
ного гептана и изооктана с присадкой ТЭС в условиях отсутствия
детонации. Сетка кривых, отходящих от прямой, дает зависимость
температур головки от степени сжатия при работе с детонацией.
Если принять за стандартную температуру, температуру, соответст-
вующую пересечению температурных линий для бензола и смеси, со-
держащей 88% изооктана (700СФ), и считать ее постоянной, то не-
трудно видеть, что интенсивность детонации, при которой произво-
дится оценка топлива, постепенно уменьшается с увеличением детона-
ционной стойкости. Для топлив же, равных и превосходящих по дето-
национной стойкости изооктан с присадкой 2 мл/ам. гал. ТЭС, темпе-
31
Фиг. 22.
Зависимость температуры начала детонации от детонационной стойкости
топлива.
ратура головки в 700/’ Ф соответствует работе без детонации и, сле-
довательно, оценка их детонационной стойкости при данной темпера-
туре невозможна.
32
Установление стандартной температуры, возрастающей со сте-
пенью сжатия, позволяет оценивать топлива разной детонационной
стойкости приблизительно при одинаковой интенсивности детонации,
а также обеспечивает возможность оценки высокостойких топлив, пре-
восходящих изооктан. । ।
В. АВИАЦИОННЫЙ МЕТОД С НАДДУВОМ 3-С
Оценка топлив по методам моторному и 1-С производится при
составе смеси, обусловливающем получение максимальной интенсив-
ности детонации или максимальной температуры головки цилиндра.
Эти условия получаются при работе на бедных смесях, соответствую-
щих коэфициентам избытка воздуха а = 0,9-ь 1,05.
В авиационных двигателях бедные смеси применяются при ра-
боте на крейсерских режимах, т. е. в тех случаях, когда от двигателя,
с одной стороны, требуется максимальная экономичность работы и,
с другой, пониженные нагрузки допускают работу на составах смеси,
при которых склонность топлива к детонации и температурный режим
работы двигателя являются максимальными. В >словиях номиналь-
ных и форсированных режимов приходится обогащать смесь за пре-
делы составов, обеспечивающих получение максимальной мощности
как из соображений снижения тепловой напряженности работы дви-
гателя, так и, в особенности, вследствие невозможности обеспечить
на существующих топливах бездетонационную работу на тех степе-
нях форсирования, которым должны удовлетворять современные дви-
гатели.
Детонационная стойкость увеличивается при обогащении смеси
для всех топлив, однако, степень этого увеличения очень сильно изме-
няется с изменением химической природы топлива. Вследствие этого,
методы моторной оценки топлива при одном составе смеси не могут
дать исчерпывающего представления о поведении топлива и могут
служить главным образом для контроля качества топлив известного
происхождения, т. е. таких, детонационные характеристики которых
известны.
Разнообразие рабочих режимов авиадвигателей и введение новых
типов трплив, различно* отзывающихся на их изменение, потребовало
введения методов контроля и оценки топлив, учитывающих влияние
этих факторов и дающих возможность их проверки не только непо-
средственно на двигателе в натуру, но и на экспериментальных уста-
новках.
Если рассмотреть условия работы современного авиадвигателя, то
температуры поступающей смеси, стенок цилиндра, средние скорости
газов в клапанах, скорости поршня и степени сжатия изменяются
в сравнительно узких пределах и, за исключением числа оборотов,
3. Добрынин.
33
определяющего собой продолжительность процесса и теплоотдачу за
цикл, вполне возможно создать условия работы экспериментальной
установки, достаточно удовлетворительно отображающие средние
условия работы авиационного двигателя. В противоположность этому
давление наддува и коэфициент избытка воздуха изменяются в очень
широких пределах, а их абсолютное значение и взаимная связь
в очень сильной степени зависят от природы топлива.
Естественным’ выводом из приведенных выше положений явилась
разработка метода, дающего возможность исследовать и оценивать
детонационные качества топлив в зависимости от состава смеси. Такой
метод под названием «авиационный метод с наддувом 3-С» был раз-
работан в США и в настоящее время применяется для оценки дето-
национных качеств авиатоплив.
Испытательная установка при работе по данному методу состоит
из стандартного двигателя Вокеша, с несколько измененными фазами
газораспределения. Взамен карбюратора на двигателе установлена
система впрыска, подающая топливо во всасывающий трубопровод.
Двигатель питается сжатым воздухом с давлением не ниже 4 ата от
отдельного компрессора или общей напорной магистрали. Установка
оборудована устройством для замера расхода и регулирования давления
и температуры воздуха, поступающего в двигатель, а также устрой-
ством для весового замера расхода топлива. Мотор-генератор син-
хронного типа, служащий для запуска, прокручивания и торможения
двигателя, установлен балансирно и соединен с динамометром, что
дает возможность определять крутящий момент, развиваемый дви-
• гателсм. Режим работы, принятый при испытании топлив, следующий:
1) число оборотов двигателя постоянное — 1800 + 45 об. в мин.;
2) степень сжатия постоянная — 7,0;
3) опережение зажигания постоянное 45-]- 1° до в. м. т.; _
4) температура воздуха на всасывании двигателя 107,03°С;
5) влажность воздуха на всасывании двигателя не больше —
10 г/кг. сух. возд.;
6) температура охлаждающей жидкости в рубашке цилиндра —
190 +5°С;
7) состав смеси — переменный;
8) давление наддува — переменное;
9) интенсивность детонации — легкая, ясно различаемая;
10) метод измерения интенсивности детонации — слуховой.
Испытание топлив по методу 3-С заключается в определении за-
висимости среднего индикаторного давления, развиваемого двигате-
лем в условиях легкой детонации, от состава смеси. Так как степень
сжатия в двигателе постоянная, то детонация топлива вызывается
изменением давления наддува. Само испытание в общих чертах про-
водится следующим образом. При работе на постоянном давлении
34
наддува изменяют подачу топлива до тех пор, пока детонация не
достигнет стандартной величины, после чего замеряют, соответствую-
щий этим условиям, расход топлива и воздуха и крутящий момент,
развиваемый двигателем. Далее, выключив подачу топлива, находят
момент, затрачиваемый на прокрутку двигателя. 11осле этого изменяют
давление наддува и вновь повторяют ту же операцию для следующей
точки. Для получения полной детонационной характеристики снимают
не менее восьми точек в пределах изменения состава смеси, обеспечи-
вающих устойчивую работу двигателя. Для определения состава смеси,
соответствующего минимальному наддуву, приходится одновременно
изменять и наддув, и состав смеси. По данным замера подсчитывают
среднее индикаторное давление, развиваемое двигателем при данном
составе смеси, как сумму среднего эффективного давления и среднего
давления прокрутки, и соответствующий состав смеси, выражаемый
обычно как отношение весового расхода топлива к весовому расходу
воздуха (величина обратная коэфициенту избытка воздуха). Получен-
ные данные представляют в виде диаграммы, в которой по оси абсцисс
отложено отношение расходов топлива и воздуха, характеризующее
состав смеси, на котором работает двигатель, а по оси ординат —
соответствующее этому составу среднее индикаторное давление.
Типичная детонационная характеристика топлива, опреде-
ленная по описанному выше методу, представлена на фиг. 23,
цифры на кривой обозначают номера опытных точек. Как видно, для
получения полной кривой необходимо определить не менее восьми
точек при разных составах смеси и, кроме того, соответствующие этим
точкам средние давления трения, так что сам эксперимент получает-
ся значительно более сложным, чем в описанных выше методах.
Из рассмотрения детонационной характеристики видно, что она
обладает минимумом в области бедных смесей а-—' 1,0 и максимумом
в области богатых ( а •— 0,65). По абсолютной величине средних инди-
каторных давлений, а также характеру их изменений с составом смеси,
можно получить значительно более полное и правильное представле-
ние о детонационной стойкости топлива, чем по значениям октанового
числа, соответствующим условиям работы только на бедной смеси.
Абсолютная величина среднего индикаторного давления, получаемого
при разных составах смеси, не является характерной для данного топ-
лива и может конечно изменяться с переменой двигателя и режима
работы. Поэтому, для выражения детонационной стойкости топлива
и в этом случае пользуются методом сравнения его с эталонными топ-
ливами. Так как сложность эксперимента не допускает непосредствен-
ного сравнения топлива с эталоном во время эксперимента, то для
этой цели пользуются сеткой зависимости средних индикаторных дав-
лений от состава смеси, полученной для ряда эталонных топлив, как
среднее из испытаний на нескольких установках. Сетки эталонных
3*
35
топлив, для смесей топлива S (изооктан) с топливом М (низкоок-
тановый бензин) и топлива S с присадкой разных количеств ТЭС
приведены на фиг. 26 и 27. Детонационная характеристика испытан-
Фиг. 23.
Детонационная характеристика топлива, снятая по методу 3-С.
ного топлива накладывается на сетку и сравнивается с эталонными
кривыми. Численно детонационная стойкость выражается через
эталонное топливо, эквивалентное по детонации образцу.
Вычисление эквивалентного эталона производится обычно только
на богатой смеси в области максимальных значений средних индика-
торных давлений и значительно' реже для бедных смесей в области
минимальных значений Pj. Подсчет эквивалентного по детонации
эталона производится (см. фиг. 24) следующим образом. Пусть топ-
ливо лежит между двумя эталонными топливами и , где
П1 и а2 представляют собой содержание ТЭС в топливе. Содержание а.
36
Qd.QCQ6 onpeje/г^ця
эц^у^ал^нгп^о^ эталонного гпоулуЬо.
Фиг. 24.
Способ определения эквивалентного топлива при испытании по методу 3-С-
37
1ЭС в топливе Л1, при котором оно будет эквивалентно испытан-
ному топливу, получится из выражения:
а=а1+(а2~а,) .
где ^Рц и Др/3 выбираются в соответствии с фиг. 24.
Точно таким же образом вычисляется процентное содержание S
в смесях 5ТЛ1 в тех случаях (правда, редких), когда испытуемое
топливо ниже по детонационной стойкости, чем изооктан.
В настоящее время детонационную стойкость топлива принято
выражать через так называемый «сорт топлива», представляющий
собой дробь (например, 100/130, 100/150 и т. д.), числитель которой
дает сменку топлива на бедной смеси обычно в октановых числах,
определенных по методу 1-С, а знаменатель представляет собой
оценку качества топлива на богатой смеси, выраженную в условных
единицах, получивших у нас наименование «сортности» топлива. Эти
единицы связаны с содержанием ТЭС в топливе S и таким образом,
определив содержание ТЭС в топливе S > эквивалентном испытуе-
мому топливу, можно вычислить и его сортность, пользуясь или спе-
циальной таблицей, или диаграммой, приведенной на фиг. 25. Сле-
дует отметить, что «сортность» топлива представляет собой процент-
ное приращение среднего индикаторного давления при работе на топ-
ливе Д’ с различными присадками ТЭС по сравнению с работой на
Фиг. 25.
Определение „сортности" топлива.
38
I
<ь
-§
«j io
I
1/4
i
№
flBuaijLtOHHbiu метод с каддц&ом /З-С/.
к
J
too
So
ЦИАТИМ.
u,vo ччу цли ЦП Ц13 0J3 QJ4
Отношение mcrutuSa к Se^yxy. Иг.топ./кг. боз^
1946 г.
Фиг. 26.
Детонационные характеристики бензина с добавлением ароматики (кумола).
39
ЦИА7ИМ.
Фиг.
Детонационные характеристики
1946^2.
27.
нескольких типичных топлив.
40
топливе S без присадок, полученное на богатых смесях при опытах
с авиационными двигателями. Таким образом, по сортности топлива
можно судить о возможном увеличении мощности двигателя при пере-
ходе от одного топлива к другому.
На диаграммах, фиг. 26 и 27, приведены результаты испытания
ряда топлив, иллюстрирующие различный характер поведения топлив
при разных составах смеси. На фиг. 26 ..приведены детонационные
характеристики бензина с присадкоу 4 мл/кг продукта Р-9 и смеси
этого бензина с 10, 20 и 30 процентами ароматики (кумола). Как
видно, добавление ароматики почти не сказалось ни на октановом
числе, ни на величине среднего индикаторного давления в области
бедных смесей. В противоположность этому при работе на богатых
смесях прибавление ароматики резко улучшает качество топлива. На
диаграмме, фиг. 27, приведены детонационные характеристики не-
скольких типичных топлив. Интересно отметить, что в то время, как
бензин Гудри, содержащий очень высокий процент ароматики, и пиро-
бензол имеют высокие качества на богатой смеси, значительно прево-
сходящие алкилайт с 4 мл/кг Р-9, состоящий преимущественно из
изопарафинов, на бедной смеси соотношение изменяется на обратное
Это обстоятельство необходимо учитывать при составлении компаун-
дированных топлив для обеспечения достаточной детонационной
стойкости топлива при работе на бедных смесях в условиях крейсер-
ских режимов.
§ 5. СВЯЗЬ МЕЖДУ детонационной стойкостью
ТОПЛИВА И ДАННЫМИ ДВИГАТЕЛЯ
Установление непосредственного соотношения между детонацион-
ной стойкостью топлива и значениями мощности и экономичности
двигателя, которые могут быть получены при применении этого топ-
лива на том или ином двигателе, представляет большой практически»
интерес. Располагая такими данными, можно было бы заранее уста-
навливать максимально возможные значения мощности н экономич-
ности двигателя в зависимости от детонационной стойкости топлива,
определять при проектировании допустимые величины Степени сжа-
тия, давления наддува и т. и.
Установление таких зависимостей сопряжено однако с очень
большими трудностями и вряд ли сможет быть достаточно удовлет-
ворительно разрешено в общем виде. Основной причиной является
слож.ная зависимость детонации от целого комплекса факторов кон-
струкций и режима работы двигателя, а также химической природы
трплива, исключающая возможность оценки топлива абсолютной ве-
личиной какого-либо параметра двигателя. Все существующие способы
выражения детонационной стойкости топлива, основанные на прин-
41 •
е 1
ципе относительной оценки, состоящем в выражении детонационной
стойкости топлива через топливо, не дают прямой связи между
числом, выражающим оценку, н данными двигателя.
Однако, необходимость в умении оценивать вероятное изменение
данных двигателя с изменением детонационной стойкости топлива
приводит к систематически повторяющимся попыткам проведения
увязки между детонационной стойкостью топлива и каким-либо пара'
метром двигателя. Такие попытку представляют собой обычно экспе-
риментальное определение зависимости мощности или среднего дав-
ления двигателя от величины детонационной стойкости топлива,
выраженные или в абсолютных или в относительных единицах. Зави-
симости такого рода представлены на фиг. 28 и 29. На фиг. 28 дано
процентное изменение мощности двигателя в зависимости от октано-
вого числа топлива. За сто процентов принята мощность двигателя
при работе на чистом изооктане. Опытные точки получены для зна-
чений октанового числа меньших 100. Выше 100 кривая представляет
собой экстраполяцию. На фиг. 29 представлены опыты автора, на
основании которых установлена связь между давлением наддува, соот-
ветствующим детонации определенной интенсивности, и октановым
числом топлива. Как и в предыдущих опытах, за сто процентов при-
нято давление наддува при работе на чистом изооктане. Наконец, на
фиг. 30 представлены данные, полученные на одноцилиндровом экспе-
риментальном двигателе фирмы Дженераль Моторе. В этом случае
по оси абсцисс отложено давление наддува, а по оси ординат соответ-
ствующее этому наддуву среднее индикаторное давление, развивае-
мое двигателем. Эта зависимость представляет собой прямую, на кото-
рой и отмечены предельные значения указанных выше величин, полу-
чаемые для различных топлив. Пользуясь результатами таких опы-
тов, можно приблизительно оценить изменение данных двигателя
с изменением топлива. Так, например, на основании фиг. 28 и 29,
можно считать, что увеличение октанового числа топлива от 90 до 100
позволяет увеличить мощность на 25% или давление наддува на 15.
Для получения абсолютных значений необходимо знать для двига-
теля, оценка которого производится, данные на топливе с известной
детонационной стойкостью.
Представленные на фиг. 30 значения средних индикаторных дав-
лений точно так же представляют собой относительную характеристику
топлив. Так, например, было бы совершенно ошибочно предполагать,
что иа любом двигателе при переходе от работы на изоокт&не к ра-
боте на триптане, содержащем присадку ТЭС в 3 мл/ам. гал., среднее
индикаторное давление увеличится соответственно от 120 до
320 ф/дм2. Значительно более близким к действительности будет
допущение, что среднее индикаторное давление любого двигателя при
замене нзооктана триптаном с присадкой ТЭС может быть, вне зави-
42
симости от его начального значения, увеличено в отношении 320 : 120,
т. е. в ~ 2,67 раза.
Все описанные выше способы пропорциональных пересчетов обла-
дают одним чрезвычайно существенным недостатком, сильно ограни-
чивающим допустимость их применения и заключающемся в том, что
Фиг. 28.
Зависимость мощности двигателя от
октанового числа топлива.
Фиг. 29.
Зависимость допустимого дав-
ления наддува от октанового»
числа топлива.
приложение данных, полученных на одном двигателе, к другому воз-
можно только в том случае, если условия работы топлива па одном
двигателе соответствуют условиям работы на другом. Так, например,
указанное выше повышение мощности на триптане будет справедли-
вым для двигателя, работающего на том же составе смеси и также оце-
нивающего топливо, как и двигатель Дженерал Моторе. Так как
гарантировать такое соответствие почти не представляется возмож-
ным, то очевидно, что и способ пересчета данных одного двигателя,
на основании результатов испытания топлив на другом, является мало
достоверным и относиться к нему следует с большой осторожностью,
тем более, что режимы работы авиационных двигателей изменяются
в достаточно широких пределах.
43
При оценке вероятных изменений данных двигателя с изменением
детонационной стойкости топлива, можно итти путем выражения
детонационной стойкости через параметры двигателя. Однако, при
Допустимые давления наддува и средние
индикаторные давления при работе на различных
топливах.
этом необходимо в качестве параметров двигателя, характеризующих
детонационную стойкость топлива, выбирать не какой-либо один,
а комплекс величин, наиболее сильно влияющих на поведение топ-
лива и, кроме того, производить испытание топлив на двигателе, близ-
ком по конструкции и размерам цилиндра, а также по режиму работы
к той категории двигателей, для которой предполагается использова-
ние получаемых данных.
Согласно! опытам Ротрок, детонация топлива в двигателе опре-
деляется плотностью и температурой последней порции несгоревшей
смеси. Если допустить, что двигатель работает на начале детонации,
то плотность несгоревшей части смеси может быть выражена через
44
давление pk и температуру Г-, на всасывании двигателя
пеиь сжатия е следующим соотношением:
f—const г ~.
* k
Достоинство этого параметра заключается в том, что
жает плотность смеси, характеризующую детонационную
топлива, через величины, определяющие режим работы двигателя,
что дает возможность связать склонность топлива к детонации с дан-
ными двигателя.
Среднее индикаторное
лено по формуле:
и его сто-
(1>
он вира-
стойкость
давление
двигателя может быть опреде-
27
' ~ 632
п -P-k-
11ринимая \k — ~р
л,
& ^Ivk
(2}
и помножив и разделив правую часть
уравнения (2) на степень сжатия е, получим:
27
_______< . _Ч_
Pi \ 632 Lo R еа
Pk
6 Т
1 k
Пользуясь уравнением (3), можно, при известг ом значении
определить максимально возможные значения pt , обусловливающие
Ъ
отсутствие детонации, по величинее ... , определяемой опытным
1 k
путем. При этом следует отметить, что одному и тому же значению
Рь
£ ., могут соответствовать разные значения Д, так как абсолют-
‘ k
ные значения е, pk и Tk могут изменяться.
На диаграмме, фиг. 31, представлены обработанные автором ре-
p..
(3>
зультаты определения величины е , полученные Ротрок на дви-
J k
гдтеле с размерами цилиндра и режимом работы, близкими к авиа-
ционный для чистого изооктана, изооктана с 15% гептана и изооктана
с присадкой 1 мл/ам. гал. 1 ЭС. Из диаграммы видна сильная зави-
Pk
симость величин е от температуры на всасывании двигателя
и коэфициента избытка воздуха а . Интересно отметить, что значение
Рь
s -р в каждой точке сохраняет постоянное значение вне зависимости
‘ k
от того, вызывается ли детонация увеличением степени сжатия или
4'5
увеличением наддува. Отсюда видно, что увеличение степени сжатия
должно сопровождаться соответствующим уменьшением наддува
о ГК
•зависимость величины о ——— от темпера-
Тк
туры на всасывании, сорта топлива и коа-
фициента избытка воздуха.
и наоборот, при этом изменяется величина (уравнение 3), а сле-
S <х
довательно, и величина допустимого среднего индикаторного давле-
ния. На фиг. 32 представлены результаты подсчетов зависимости
среднего индикаторного давления от степени сжатия, проведенные
в предположении постоянной температуры на всасывании и постоян-
ного коэфициента избытка воздуха. Приведенные данные достаточно
хорошо соответствуют по абсолютной величине возможным значениям
Pi, а характер протекания кривых убедительно подтверждает обще-
известное положение, что для снятия большой мощности на топливе
46
с данной детонационной стойкостью необходимо снижать степень
сжатия н увеличивать наддув. Как видно из диаграммы, при работе
Зависимость допустимого среднего индика-
торного давления от степени сжатия.
на изооктане уменьшение степени сжатия от 7,0 до 5,0 позволяет уве-
личить за счет наддува среднее индикатррное давление от 14,3 до
17,0 кг/см2, т. е., приблизительно на 19%.
47
§ 6. МЕРЫ БОРЬБЫ С ДЕТОНАЦИЕЙ
Наиболее простым способом устранения детонации и обеспече-
ния возможности форсирования двигателя является применение
высокостойких в отношении детонации топлив. Так, например, сравни-
на
Фиг. гЗ.
Характеристики по составу смеси
триптане.
вая между собой детонационные характеристики триптана (2, 2, 3-
триметилбутан) с характеристиками изооктана (фиг. 33), мы видим,
что мощность двигателя при применении первого может быть без опа-
сения детонации увеличена почти вдвое. По данным Кеттеринг, при-
менение триптана позволило увеличить мощность мотора жидкост-
ного охлаждения фирмы АллисоП с 1500 до 2500 л. с.
Однако, следует иметь в виду, что массовое применение очень
высокосортных топлив всегда встречает затруднения, вследствие огра-
ниченности количеств, в которых они могут быть получены. Кроме
того, топливо является только одной стороной вопроса, а другой сто-
роной является сам двигатель, его конструкция и та степень совер-
шенства, с которой он использует детонационную стойкость топлива.
Чем выше детонационная стойкость топлива, тем выше и требования,
предъявляемые к конструкции двигателя, понимая, конечно, под кон-
струкцией не только совершенство оформления деталей, но и способы
смесеобразования, распределения смеси по цилиндрам, охлаждения
двигателя и т. д. Современные двигатели легкого топлива по ряду при-
чин не всегда в полной мере используют детонационную стойкость
топлива, на которых они работают и, следовательно, всегда имеются
возможности повышения их данных без повышения качества топлива.
Одним из примеров влияния на детонацию чисто конструктив-
ными мерами могут служить данные фиг. 34, представляющие собой
изменение температуры головки цилиндра в зависимости от удель-
ного расхода топлива (состава смеси) для двигателей воздушного
охлаждения Райт Циклон конструкции 1930 и 1935 гг. Двигатель
типа 1930 г. мощностью в 600 л. с. имел недостаточное оребрение
цилиндра и перегревался при попытках обеднить смесь даже на топ-
ливе с достаточно высоким октановым числом 82. Увеличение поверх-
ности охлаждения и введение выпускного клапана с натриевым охлаж-
дением позволило в значительно более форсированной модели 1935 г.
(мощность 800 л. с.) снизить температуры головки цилиндра на топ-
ливах с тем же октановым числом и полностью избежать детонации
и перегрева на топливе с октановым числом 87. Таким образом, улуч-
шение условий охлаждения всей головки в целом и устранение в ка-
мере сгорания нагретых точек (выхлопного клапана) дало возмож-
ность сильно форсировать двигатель.
Эффективными средствами, устраняющими детонацию, являются
уменьшение опережения зажигания и обогащение смеси. Применение
первого средства ограничивается повышением температуры выхлопа
и возможностью общего перегрева двигателя при длительной работе.
В некоторых двигателях (Мерлин XX) на режиме форсажа угол
опережения зажигания несколько уменьшается.
Обогащение смеСи является чрезвычайно мощным средством
подавления детонации при работе на форсированных режимах. Эффек-
тивность этого средства объясняется тем, что одновременно со сниже-
нием на богатых смесях склонности топлива к детонации снижаются
и температуры цикла. Работа на очень богатых смесях приводит
к большим перерасходам топлива и допустима только на кратковре-
менных форсированных режимах. При переходе же к работе на крей-
серских режимах'следует стремиться к максимально возможному
4. Добрынин.
49
обеднению смеси, обеспечивающему получение экономичной работы
двигателя. Таким образом, одним из основных требований, предъяв-
Фиг. 31.
Влияние октанового числа и конструкции
на температуру головки.
ляемых к системам смесеобразования двигателей, является возмож-
ность получения надежного смесеобразования в условиях широкого
изменения коэфициента избытка воздуха, необходимого на различных
режимах работы.
Выполнение этого требования для многоцилиндрФвых двигателей,
снабженных карбюратором, встречает целый ряд затруднений.
Как известно, процесс смесеобразования и последующего испаре-
ния, начавшись в карбюраторе, продолжается во всасывающих трубо-
проводах и заканчивается полностью только в цилиндре двигателя.
Таким образом, во всасывающей системе движется неоднородная
смесь, состоящая из воздуха, паров и капель топлива. Так как одна
50
всасывающая система питает обычно несколько цилиндров, то в ней
во время работы направление движения смеси периодически изменяет-
ся, следствием чего является неравномерное распределение топлива
и воздуха по цилиндрам. Разница в коэфициентах избытка воздуха
достигает величины 0,10,2 и изменяется с изменением режима ра-
боты двигателя. Указанный дефект сильно ограничивает пределы
практически возможных изменений коэфициента избытка воздуха,
а следовательно, и полноту использования детонационной стойкости
топлива. При обогащении смеси приходная ограничивать ее степень
устойчивой работой цилиндра, в котором коэфициент избытка воз-
духа имеет наименьшее значение, а при обеднении допустимая степень
обеднения определяется по цилиндру, работающему беднее осталь-
ных. В результате, с одной стороны, не представляется возможным
обогатить смесь во всех цилиндрах до значений, при которых детона-
ция топлива имеет минимальнее значение и, с другой, обеднить ее до
составов, обеспечивающих получение максимальной экономичности.
Еще более резко сказывается влияние всасывающей системы при
работе на этилированных топливах. В этом случае, по причинам, ука-
занным выше, а также вследствие различных температур испарения
антидетонатора и уносителя наблюдается не только неравномерное
распределение этиловой жидкости, но и неравномерное распределение
антидетонатора и уносителя по отдельным цилиндрам. Следствием
этого является не только сильное изменение детонационной стойко-
сти топлив по цилиндрам, уменьшающее допустимую величину фор-
сирования двигателя, ио и чрезмерно большое отложение свинца на
свечах и клапанах, нарушающее их нормальную работу.
Конструктивной мерой, устраняющей указанные выше недостат-
ки, явилась замена карбюраторного смесеобразования системой
впрыска топлива непосредственно в цилиндр двигателя, допускающей
индивидуальную регулировку состава смеси по отдельным цилиндрам
и исключающей возможность неравномерного распределения антиде-
тонатора.
Введение систем непосредственного впрыска позволило увеличить
форсирование двигателей еще и потому, что при них стало возмож-
ным, не опасаясь потери топлива, производить частичную продувку
и охлаждение камеры сгорания воздухом.
В заключение остановимся еще на двух способах воздействия на
детонацию. Первый способ, состоящий в охлаждении воздуха, посту-
пающего в двигатель после нагнетателя, преследует главным обра-
зом цели увеличения весового заряда цилиндра и повышение мощности
Двигателя при том же давлении наддува. Однако, снижение темпера-
туры воздуха одновременно сказывается и на уменьшении возмож-
ности возникновения детонации.
51
Второй способ преследует, главным образом, цели подавления
детонации и устранение возможности перегрева двигателя при работе
на форсированных режимах. Он состоит во впрыске во всасывающую
систему двигателя воды илн смеси воды и метилового спирта. Коли-
Допустимое увеличение давления наддува при впрыске
воды.
чество впрыскиваемого вещества составляет обычно около 20 ы- 30 %
от расхода топлива. При впрыске воды резко понижаются рабочие
температуры двигателя, причем одновременно удается получить
устранение детонации без чрезмерного обогащения смеси. При работе
со впрыском воды на средних режимах представляется в некоторых
случаях возможным обеднять смесь до значений, при которых сум-
марный расход топлива и воды получается меньшим, чем расход топ-
лива, необходимый для работы без детонации, при отсутствии впрыска
воды.
Влияние впрыска воды на возможность форсирования двигателя
хорошо иллюстрируется данными, приведенными на фнг. 35 и 36.
На фнг. 35 дана зависимость увеличения допустимого давления
наддува от количества впрыскиваемой воды, полученная на основании
испытаний, проведенных в НИИ ВВС КА и ЦИАМ, а также по дан-
ным испытаний некоторых иностранных двигателей. Как видно, увели-
чение допустимого наддува возрастает пропорционально расходу воды
52
вплоть до расходов, соответствующих 40—50% от расхода топлива.
Увеличение допустимого давления наддува составляет около 60—
70 мм рт. ст. на 10% впрыскиваемой воды для бензинов прямой гонки
Фиг. 35.
Снижение октанового числа топлива в зависимости
от количества впрыскиваемой воды.
На фиг. 36 приведено допустимое снижение октанового числа
топлива в зависимости от количества впрыскиваемой воды, полученное
при испытании ряда авиамоторов, требующих в нормальных условиях
работы без впрыска воды топлива с октановым числом 83—95. Как
видно из диаграммы, при впрыске воды в количестве 20 30 % от
расхода топлива величина потребного октанового числа может быть
снижена в среднем на 5—8 единиц.
В заключение приводим данные, полученные при впрыске воды
на моторе Пратт-Уиттни /?-2800-63. В этом случае впрыск воды соче-
тается с одновременным снижением расхода топлива. На режиме
боевой мощности двигатель развивает 2000 л. с. при давлении наддува
pk — 1320 мм рт. ст. без впрыска воды. На чрезвычайном боевом
режиме давление наддува повышается до величины pk — 1420 мм,
а мощность до 2300 л. с. При этом количество впрыскиваемой воды
53
доводится до 20—25 % от расхода топлива, а состав смеси обедняется
на 14—16%. Как видно из приведенных данных, увеличению наддува
на — 7,5% соответствует увеличение мощности на 15%. Объясняется
это увеличением весового заряда за счет понижения температуры,
вызванного испарением воды, а также возможностью, за счет обедне-
ния смеси, работать на коэфициентс избытка воздуха, соответствую-
щем максимальной мощности.
Институт ГгЛСР
БИБЛИЛсКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
§ 1. Повышение мощности двигателя и детонация . ......... 3
§ 2. Внешние признаки детонации.......................... 6
§3 . Факторы, влияющие на детонацию...................... 8
А. Влияние конструкции двигателя .................... 9
Б. Влияние режима работы двигателя........... . • . 11
§4 . Оценка детонационной стойкости топлив.............. 19
А. Моторный метод................................. 23
Б. Авиационный метод на бедной смеси 1-С............ 29
В. Авиационный метод с наддувом 3-С................ 33
§5 . Связь между детонационной стойкостью топлива.......
и данными двигателя................................. 41
§ 6. Меры борьбы с детонацией.......................... 48
Разр. к печати Г2/1У—1947 г. 3!/2 печ- л. 2,88 авт, л. Изд. № 79. Зак. 163
Г-04104. Типо-лнтография ВВИА имени профессора Н. Е. Жуковского