Лекция 5. Процесс сгорания

При сгорании топливной смеси в карбюраторных (с внешним смесеобразованием) двигателях наблюдается три периода, которые отмечены на индикаторной диаграмме (рисунок 6): период индукции, фаза видимого горения, фаза догорания.

Первый период – индукции или скрытого горения. Воспламенение смеси производится от высокотемпературного источника тепловой энергии (электрического искрового заряда) несколько раньше до достижения поршнем в.м.т. (точка 1 рисунок 6). В начальный период от точки 1 до точки 2, т.е. от момента сжигания до момента развития горения, протекают реакции предварительного прогрева смеси до температуры воспламенения и образования очагов горения.

Второй период – видимого или эффективного сгорания протекает от точки 2 до точки 3. Он характеризуется быстрым распространением фронта пламени со скоростью примерно 20-40 м/с и сопровождается быстрым нарастанием давления. К моменту достижения максимального давления основная часть топлива сгорает, а оставшая часть догорает после точки 3.

Третий период – фаза догорания протекает от точки 3 до точки 4 в процессе расширения газов. Догорание неуспевшего сгореть топлива до точки 3 и сгорание продуктов диссоциации может продолжаться на большей части хода расширения и даже на линии выпуска. Это иногда является причиной воспламенения смеси во впускном трубопроводе двигателя догорающими остаточными газами в момент поступления свежей смеси в цилиндр в начале хода впуска.

Рисунок 6 – Фазы процесса сгорания в карбюраторных двигателях

Диссоциация происходит следующим путем. Молекулы продуктов сгорания и О под влиянием высокой температуры конца горения, которая достигает К и высокого давления расщепляются и образуют молекулы СО, . при понижении температуры во время расширения газов происходит процесс горения продуктов диссоциации.

В карбюраторных двигателях может быть и одностадийное сгорание топлива при определенных условиях. При высоких температурах (1200-2700К) сила соударения частиц сильно возрастает, в результате чего происходит разрыв внутримолекулярных связей с образованием свободных радикалов, которые порождают активные центры и цепные реакции. В результате возникает тепловой взрыв – детонация.

Признаками детонации являются: резкие металлические стуки, перегрев двигателя, повышение дымности выхлопа, понижение температуры выпускных газов, понижение мощности и экономичности двигателя.

При детонации горение топлива происходит со скоростью 1500 – 2000 м/сек. Детонационное горение зависит в основном от двух причин – от степени сжатия и от сорта применяемого топлива.

Для уменьшения склонности топлива к детонации к нему добавляют антидетонационные присадки, которые повышают октановое число. Хорошими антидетонаторами являются; аналин, ксилидин, тетраэтиловый свинец и др.

При сгорании топлива в дизельных (внутреннего смесеобразования) двигателях наблюдается четыре периода или фазы (рисунок 7): период индукции или запаздывания воспламенения, период быстрого сгорания, период сгорания при постоянном давлении и период догорания.

Рисунок 7 – Фазы процесса сгорания в дизельных двигателях

Первый период – запаздывание воспламенения начинается в точке 1 (рис. 9) в момент впрыскивания топлива и заканчивается в точке 2, где начинается момент воспламенения. За периодом индукции давление газов несколько понижается ввиду поглощения тепла при нагревании капель впрыснутого топлива. В этот период происходит прогрев частиц топлива до температуры воспламенения и образование очагов горения.

Второй период – быстрого сгорания, который начинается в точке 2 и заканчивается в точке 3. Фронт пламени распространяется со скоростью 20 – 40 м/сек. и сопровождается быстрым нарастанием давления и значительным выделением тепла.

Третий период – сгорание при постоянном давлении, начинается в точке 3 и заканчивается в точке 4. В точке 3 подача топлива насосом в цилиндр еще продолжается, но теперь капли топлива впрыскиваются не в среду сжатого раскаленного воздуха, а в среду сильного пламени. Поэтому оно сразу же сгорает и не скапливается в цилиндре двигателя. Сгорание топлива, впрыснутого после точки 3 (рисунок 7), протекает без заметного изменения давления. Давление не повышается потому, что, начиная с точки 3, поршень совершает движение от в.м.т. к н.м.т.

Четвертый период (фаза) – догорание топлива, продолжается после точки 4 на линии расширения. Линия 4-5 (рисунок 7) отображает фазу догорания. По линии расширения сгорают также продукты диссоциации, но их в дизелях значительно меньше, чем в карбюраторных двигателях, т. к. температура в точке 4 достигает 2300⁰К, что значительно выше, чем в точке 5. Догорание продолжается в процессе расширения иногда до выпуска продуктов сгорания.

Явление детонации наблюдается и в дизельных двигателях. Детонация в дизеле появляется в результате большего периода запаздывания воспламенения, в течение которого в камеру сгорания поступает 70-80% от всего заряда топлива. Встречаясь с горячим сжатым воздухом, частицы топлива присоединяют кислород и образуют очаги горения. При повышении температуры очаги горения вызывают одновременную вспышку большего количества частиц, т. е. тепловой взрыв, который называется детонацией. Чем меньше период запаздывания самовоспламенения, тем больше вероятность работы дизеля без детонации.

Антидетонаторы карбюраторных двигателей являются детонаторами для дизелей. Универсальных антидетонаторов, пригодных для дизельных и карбюраторных двигателей, нет.

Горение представляет собой процесс окисления топлива. Поэтому необходимо знать, сколько требуется воздуха для сжигания 1-го кг топлива, сколько и каких газов получится после сгорания.

Реакция сгорания водорода определяется формулой

2 Н ₂ + О ₂ = 2 Н ₂ О.

Реакция сгорания углерода

С + О ₂ = СО ₂.

При сгорании углерода образуется углекислота.

При недостатке воздуха углерод при сгорании дает окись углерода т. е.

2 С + О ₂ = 2 СО.

Теоретически необходимое количество воздуха. Коэффициент избытка воздуха. Для сжигания 1 кг топлива, содержащего Н кг водорода, С кг углерода и 0 кг кислорода, требуется кислорода () моли.

Воздух содержит по объему 21 % кислорода. Для сгорания 1 кг топлива потребное теоретическое количество молей воздуха определяется выражением

= () молей/кг топлива. (34)

В связи с несовершенством приготовления рабочей смеси в двигателях для обеспечения полного сгорания топлива принимают некоторый избыток воздуха, определяемый отношением

α= ,

где −действительное количество молей воздуха.

Величина α называется коэффициентом избытка воздуха и представляет собой отношение действительного количество молей воздуха к теоретически необходимому L_o.

Cостав смеси, при котором действительное количество воздуха равно теоретически необходимому, т.е. α=1 называется стехиометрическим. Если в смеси действительное количество воздуха меньше теоретически необходимого (α<1), то ее называют обогащенной, если же больше (α>1), то обедненной.

Качественный и количественный анализ продуктов сгорания. При сгорании топлива с избытком воздуха, т. е. при α>1, продукты сгорания будут состоять из углекислоты , паров воды , азота и свободного кислорода .

Количество продуктов сгорания в молях при сжигании 1 кг топлива будет:

Углекислоты = = молей/кг;

паров воды = молей/кг;

азота = 0,79 α молей/кг;

число молей избыточного кислорода

0,21 (L- ) = 0,21 (α-1), молей/кг,

где L= α - действительное количество молей воздуха;

- теоретически необходимое количество молей воздуха.

Всего продуктов сгорания

, молей/кг. (35)

При недостатке воздуха (при α<1) в продуктах сгорания будут находится СО, О и и свободного водорода Н₂.

Чтобы определить количество продуктов сгорания при недостатке воздуха (α<1) необходимо найти, какое количество в килограммах углерода топлива превратится в окись.

С этой целью необходимо составить уравнение, связывающее количество располагаемого кислорода с количеством кислорода, которое пошло на химические реакции.

Из воздуха можно получить кислорода () молей.

Кроме того, в самом топливе имеется моли кислорода. Тогда общее количество располагаемого кислорода будет

() + , моли.

Количество кг углерода одного килограмма топлива, превращающегося при сгорании в окись углерода, численно равно числу молей воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива, умноженному на 5,04 (1-α).

Значение α, при котором весь углерод топлива сгорает в окись углерода, называют “критическим коэффициентом избытка воздуха” и обозначают . При количество = О, следовательно

С - = С – 5,04(1 - ) = 0,

откуда

.

Если известна зависимость между α и количеством углерода , сгораемого в кислоту, то можно определить количество продуктов сгорания при α<1.

Оно равно:

водяных паров , моль/кг;

углекислоты , моль/кг;

окиси углерода , моль/кг;

водорода , моль/кг;

азота = 0,79 α , моль/кг.

Всего продуктов сгорания

= 0,79α , моль/кг. (36)

Изменение числа молей газов при процессе горения характеризуется коэффициентом молекулярного изменения.

Отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей свежего заряда называется “химическим коэффициентом молекулярного изменения” и определяется по формуле

= (37)

В цилиндре двигателя во время работы всегда находится некоторое количество остаточных газов .

Отношение количества всех газов (), находящихся в цилиндре двигателя после процесса сгорания, к количеству всех газов до момента начала горения () называется “действительным коэффициентом молекулярного изменения” и определяется формулой

μ = или μ = . (38)

Работа двигателя на обогащенной смеси (α<1) снижает экономичность, так как значительное количество тепла теряется из-за неполноты сгорания.