ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В БЕНЗИНОВЫХ ДВС

двигатель сгорание топливо

Развитие процесса горения в ДВС с внешним смесеобразованием.

Процесс сгорания топлива представляет собой химическую реакцию соединения кислорода, содержащегося в воздухе, с водородом и углеродом, которые входят в химический состав топлива.

В поршневых ДВС с внешним смесеобразованием процесс сгорания начинается с воспламенения ТВС в цилиндре двигателя искрой зажигания изавершается в течение приблизительно трех миллисекунд.

Сгорание топлива начинается в конце сжатия и?осуществляется в основном в начальный период расширения [1].При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую. В процессе расширения тепловаяэнергия, воспринятая рабочим телом (РТ), частично преобразуется в механическую. От полноты сгорания топлива и?своевременного подвода теплоты к рабочему телу в значительной мере зависят, энергетические и экономические?показатели двигателя.

Вдвигателяхо полноте, скорости и своевременности сгорания можно судить по развернутой индикаторной диаграмме, в которой условно выделяют три фазы (рис.3.1)[1].

Развернутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Рисунок 3.1 - Развернутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Первая фаза иI -- начальная фаза сгорания или фаза?формирования фронта пламени.

Начальным моментом?фазы считается момент возникновения электрической искры (момент зажигания), а конечным -- когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания.

Для своевременного выделениятеплоты при лучших условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20--55° поворота КВ до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота КВназывается углом опережения зажигания (цоз). Температура искры может составлять 10000 К. В течениепервой фазысгорает около 2--3 % топлива, поданного в цилиндр. Продолжительность первой фазы 0,5--1 мс, чтосоответствует 10--30° поворотаКВ.

Если в КС будет подана обедненная смесь - это увеличит продолжительность фазы иIи нарушит стабильность воспламенения. Сократить продолжительность можно повысив температуру и давление рабочей смеси (увеличив степень сжатия), длительность искрового разряда.

Вторая фаза иII -- основная фаза сгорания,во время этой фазы происходит распространение пламени по объему КС.

Длится вторая фаза от конца 1 фазы до?момента достижения максимального давления сгорания, ее продолжительность 1-- 1,2 мс, т. е. 25--30°поворотаКВ момент достижения максимального давления в цикле.За это время выделяется примерно 75-85 % теплоты. Температура РТ в конце этой фазы повышается до 2300 К, адавление достигает 3,5--5 МПа. К моменту окончания 2 фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

С ростом частоты вращенияпродолжительность 2 фазы по времени?уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла. Так же, добиться сокращения продолжительности иIIможно расположив свечузажигания ближе к центру камеры сгорания.

Третья фаза иIII -- фаза догорания.

Начинается в?момент достижения максимального давления цикла.

В?этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций значительно меньше, чем в основном?объеме КС. Вследствие замедления конечных процессов горения 3 фаза не имеет четко выраженного окончания. Приближенно считают, что ее продолжительность 1-- 1,5 мс, т. е. 20--35° угла поворота КВ.Максимальная температура, которая достигается на этом этапе - 2300-2600 К.

В 3 фазе выделяется еще 10--15 % теплоты. В итоге общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80--91 %. Остальные 9--20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания [1].

Распространение волны горения.

В ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением сгорание практически гомогенной топливовоздушной смеси происходит за счет распространения волны горения, которая зарождается от постороннего источника воспламенения - свечи зажигания (рис. 3.2.1) [6].

Схема развития процесса сгорания топливовоздушной смеси в ДВС с принудительным воспламенением

Рис. 3.2.1 - Схема развития процесса сгорания топливовоздушной смеси в ДВС с принудительным воспламенением

Это дает преимущество бензиновым двигателям в отношении их габаритных размеров и массы, в отличие от дизельных двигателей, процесс сгорания в которых осуществляетсяпри больших значениях давления и нагрузок на детали.

При подаче электрической искры на электроды свечи в искровом канале происходит практически мгновенное нагревание газа до температур, превышающих 10000К [5].

При таких условиях с большой скоростью развиваются цепные реакции, и наблюдается интенсивное тепловыделение первоначально в небольшом шаровом объеме газа, окружающем электроды свечи.

После прекращения разряда,накопленная в этом объеме теплота будет отводиться за счет теплопроводности в окружающие слои газа и температура в начальном объеме будет быстро уменьшаться. Но ее падение прекратится, т.к. теплота, образующаяся в ходе хим. реакций, пойдет на поддержание значения температуры в начальном объеме равной значению температуры пламени для данного состава ТВС.В результате чего будет сформированочаг воспламенения сферической формы с радиусом сферы r= 2-3 мм (рис. 3.2.2)[5].

Рис. 3.2.2 Схема формирования очага воспламенения в объеме электродов свечи зажигания:1 - корпус свечи зажигания; 2 - центральный электрод;3 - искровой разряд; 4 - очаг воспламенения; 5 - боковой электрод; 6 - холодная масса свежего заряда; 7 - изолятор свечи

Условия его формирования будут зависеть от ряда факторов: состава смеси, конструкции свечи зажигания и ее мощности, характера и интенсивности движения свежего заряда и т.д. Действия этих факторов влияют на протекание химических реакцийокисления, от чего зависит скорость развития химических реакций и время формирования начального очага воспламенения.

Для этого ввели термин -период задержки воспламенения, его значение фиксируется с момента подачи искрового разряда до момента, когда объем реагирующей смеси вырастетдо значений, при котором становится заметным выделение теплоты и повышение давления в цилиндре.

Наибольшая скорость сгорания в ТВС достигается при коэффициенте избытка воздуха от 0,85 до 0,9, так как в этом случае температура газов во фронте пламени становится максимальной и способствует ускорению прогрева и воспламенению прилегающих слоев свежей рабочей смеси[1].

Если ближайший к очагу воспламенения слой холодной смеси успеет прогреться до температуры, при которой начинаются реакции окисления, то пламя от очага воспламенения перемещается на соседний сферический слой горючей смеси, и таким образом, слой за слоем происходит распространение пламени по всему объему камеры сгорания[5].

Если же выделение теплоты происходит медленно или количества теплоты недостаточно,и она не успевает рассеиваться по окружающему холодному свежему заряду, возникший первоначально очаг воспламенения затухает, пламя не распространяется. Этот момент фиксируется как пропуск вспышки в цилиндре двигателя.

При сильном обеднении смеси (>1), как и при сильном обогащении (< 1) скорость сгорания значительно снижается вплоть до прекращения воспламенения.

Составы переобогащенной и переобедненной горючих смесей, при которых пламя гаснет, называются соответственно верхним и нижним пределами воспламенения. В двигателях с искровым воспламенением при использовании нефтяных топлив эти пределы составляют[1]:

min= 0,3; а max= 1,3.

В период распространения пламени по ТВС, газовая смесь делится на:

сгоревший газ;

несгоревший газ.

Граница между этими двумя частями называется фронтом пламени. Понятие «распространение пламени» объединяет в себе обширный ряд разнообразных явлений, которые могут быть разделены на два основных класса пламени:

дозвуковых (дефлаграционных);

сверхзвуковых (детонационных).

В связи с этим распространение пламени бывает двух типов:

волна горения;

детонационная волна.

В зависимости от условий развития процесса горения и ударной волны в определенный момент ударная волна может вызвать детонацию.

В ДВС с принудительным воспламенением возникновение детонационной волны связано с самовоспламенением части топливовоздушной смеси за счет сжатия волнами давления, возникающими при распространении волн горения в тех зонах КС, куда сама волна горения еще не дошла[6].

Химические реакции

Процесс сгорания топлива включает ряд сложных?последовательных реакций, скорость протекания которых?зависит от температуры рабочей смеси, коэффициента избытка воздуха, и т. п.

В общем случае, химическую реакцию, происходящую в ходе процесса сгорания топлива, можно описать, как:

Если рассматривать состав топлива более детально, т.е. брать во внимание наличие всех пяти основных химических элементов: углерода С, водорода Н, кислорода О, серы S и азота N, то состав топлива в общем виде будет иметь вид:

.

Индексы (x, y, r, k и l) отражают соотношение элементов в молекуле топлива, второе слагаемое - минеральные составляющие.

При расчетах реакций сгорания во внимание принимают только основные горючие элементы (С, Н, О), наличием остальных элементов обычно пренебрегают из-за их малости, при этом получают:

С + Н + О = 1 кг.

В камере сгорания поршневых ДВС горит не только само топливо, но и часть смазочного масла, попадающее в КСсо стенок цилиндра. Что определяет “расход масла на угар”. Состав смазочного масла отличается от состава топлива наличием оксидов металлов (присадки), поэтому в общем виде состав масла можно записать в виде:.

Состав окислителя (воздуха):

Поэтому реакция окисления топлива и смазочного масла в общем виде:

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива?необходимо определенное количество воздуха, которое?называют теоретически необходимым, для жидких топлив оно определяется элементарнымсоставом топлива по следующим уравнениям:?

При этом ,

Где

--теоретически необходимое количество воздуха в кг, для сгорания 1 кг топлива;

-- теоретически необходимое количество воздуха в киломолях для сгорания 1 кг?топлива;

масса 1 кмоль воздуха;

массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;

-- объемное содержание кислорода в 1 кг?воздуха;

Реальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива может отличаться от теоретического.

Отношение действительного количества воздуха l(L), участвующего в процессе сгорания, к теоретически необходимому l0 (L0) называется коэффициентом избытка воздуха [5]:

где действительная масса воздуха, кг или кмоль;

Состав смеси при = 1,0 называется стехиометрическим, горючая смесь при = 1,0 - нормальной.

При > 1,0 действительное количество воздуха в смеси больше теоретически необходимого - ТВС называют бедной по составу.

При < 1,0 действительное количество воздуха недостаточно для полного сгорания топлива -ТВС называют богатой по составу.

Значения коэффициента избытка воздуха для бензинового двигателя приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Тип двигателя

Значение коэффициента избытка воздуха

Бензиновые ДВС

0,85-1,15

Горючая смесь в двигателях с воспламенением от искры состоит из воздуха и паров топлива. Количество смеси можно определить по формуле:

где -- количество горючей смеси, (кмоль гор. см/кг?топл.);

-- молекулярная масса паров топлива?(в кг/кмоль).

Количество продуктов полного сгорания топлива (кмоль гор. см/кгтопл.) при ?1:

Углекислого газа (кмоль / кг топл.)

Водяного пара (кмоль / кг топл.)

Кислорода (кмоль / кг топл.)

Азота (кмоль / кг топл.)

Общее количество продуктов полного сгорание топлива(кмоль гор. см/кг?топл.)

Количество продуктов неполного сгорания топлива (кмоль гор. см/кг?топл.) при :

Углекислого газа (кмоль / кг топл.)

Водяного пара (кмоль / кг топл.)

Азота (кмоль / кг топл.)

Оксида углерода CO(кмоль / кг топл.)

Водорода (кмоль / кг топл.)

Общее количество продуктов неполного сгорание топлива(кмоль гор. см/кгтопл.)

Где -постоянна величина, зависящая от отношения количества к CO, содержащегося в продуктах сгорания (для бензина ).

Изменение количества молей РТ при сгорании определяется как разность (кмоль см /кгтопл.)[7]:

По сравнению с бензиновыми двигателями в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но присутствуют в выхлопе в заметных количествах -- углеводороды (НС или СН), оксиды азота (NOх) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма.

Но если сравнивать с газообразными топливами, то и бензин и ДТ значительно уступают по экологическим показателям, т.к. в них отсутствуют оксиды металлов, свинца, ароматические углеводы, а так же значительно снижено содержание серы и т.д.

Каждый вид топлива обладает определенной теплотворной способностью или теплотой сгорания.

Под теплотой сгорания топлива понимается количество теплоты, получаемой в результате полного сгорания единицы массы жидкого топлива.Различают высшую Н0и низшую Ни теплотворную способность топлива.

Высшая теплота сгорания - теплота, которая выделяется при полном сгорании топлива, с учетом теплоты охлаждения продуктов сгорания и конденсации водяных паров.

Низшая теплота сгорания -- это выделяемая топливом теплота при его полном сгорании без учета теплоты конденсации водяного пара.

Для того, что бы оценить топливо в ДВСприменяют низшую теплотворную способность топлива, определяют ее, используя формулу Менделеева:

где -- кол-во водяных паров в продуктах сгорания по массе или объему.

Для бензина низшая теплотворная способность равна 44(МДж/кг).

Если двигатель работает на богатых топливом смесях (< 1,0), то для него характерно наличие недостатка кислорода, из-з чего возможна неполнота сгорания, часть теплоты теряется на величину , которую можно определить:

.

(при бедных горючих смесях> 1,0 .).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Загрузить   След >