ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В БЕНЗИНОВЫХ ДВС - Сгорание топлива в поршневых ДВС с внешнем смесеобразованием

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].

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 ее производные) в форме черного 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 .).

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В БЕНЗИНОВЫХ ДВС - Сгорание топлива в поршневых ДВС с внешнем смесеобразованием

Похожие статьи