Меню
Автоматическое управление климатом
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Процесс сгорания

Горение является сложным физико-химическим процессом; его возникновение, развитие и полнота определяются особенностями й скоростями Химических реакций, условиями тепло- и массообмена в зоне пламени, а также теплоотдачей в стенки. Скорость процессов окисления и горения можно оценивать по скорости расходования исходных веществ (топлива или кислорода) либо по скорости повышения температуры или давления, что для практических целей более удобно.

Горение протекает в газовой фазе. Для того чтобы окислительные реакции могли развиваться с достаточно высокими скоростями, жидкое топливо должно быть превращено в пар, а его пары перемешаны с воздухом. Наиболее быстро протекают процессы сгорания в однородных смесях, когда молекулы топлива равномерно распределены между молекулами кислорода. В неоднородных газовых смесях скорость горения в основном определяется скоростями взаимной диффузии паров топлива и воздуха, скорость же химических реакций приобретает второстепенное значение. Скорость горения жидкого топлива определяется скоростями его испарения и смешения образующихся паров с воздухом.

Как правило, окислительные реакции имеют многостадийный характер и являются цзппызш ведущую роль в них играют образующиеся в ходе реакции активные промежуточные продукты (частицы с незамещенными свободными валентностями ^ атомы, радикалы). Истинная последовательность элементарных стадий в реакциях окисления и горения реальных сложных моторных топЛив изучена еще далеко неполностью, однако характерным для большинства химических реакций является сильная зависимость их скоростей от температуры. Так же, но в более слабой степени, скорость химических реакций зависит от концентрации реагентов в единице Объема, а следовательно, от Давления газовой смеси. Зависимость скорости простой химической реакции от температуры и давления может быть выражена в следующем виде:

(166)

кДж/ (кмоль • К); Т температура, К.

выражает долю молекул, обладающих энергиями теплового движения, превышающими некоторое значение энергии активации Е, необходимое для преодоления энергетического барьера элементарного акта реакции (разрыва существующих внутримолекулярных связей и замещения их новыми).

= (8,4 ч- 16,8) 103 кДж/кмоль. Это приводит к тому, что при низких температурах скорости реакций исчезающе малы, но с ростом температуры они быстро увеличиваются, и тем сильнее, чем больше энергия активации и ниже температура (табл. 12).

В процессах, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, скорости реакций, развивающихся в нагретой сжатием горючей смеси при относительно низких температурах (менее 1000 К), определяют условия самовоспламенения и возникновения детонации. От скоростей химических реакций при высоких температурах (1500 К и выше), близких к конечным температурам сгорания, зависит скорость распространения пламени.

Самовоспламенение. Воспламенение распыленных жидких топлив, впрыскиваемых в нагретый воздух, имеет решающее значение в дизелях, им определяются не только начало сгорания, но также особенности дальнейшего развития рабочего процесса. Самовоспламенение несгоревшей части топливовоздушной смеси перед фронтом пламени, распространяющимся от искры свечи, является источником возникновения детонации и других нарушений нормального протекания рабочего процесса в двигателях с искровым зажиганием, работающих на легком топливе.

Самовоспламенение является конечным результатом развития ряда цепных предпламенных реакций, сопровождающихся выделением теплоты и образованием промежуточных продуктов неполного окисления (перекисей, альдегидов, спиртов и т. п.). Оно возникает в тех случаях, когда скорость тепловыделения в результате химических реакций превышает скорость отвода теплоты от реагирующей системы. Чем выше скорость реакции и ее тепловой эффект, тем быстрее возникает самовоспламенение и тем короче период задержки ть т. е. интервал времени от завершения быстрого нагревания однородной горючей смеси, например адиабатическим сжатием, или от начала впрыска жидкого топлива в нагретый воздух до момента появления пламени. При неизменных условиях теплоотдачи длительность задержки воспламенения обратно пропорциональна скорости предпламенных реакций при соответствующих

значениях Тс и рс. Это означает, что в случае реакций с нормальной кинетикой, скорость которых подчиняется зависимости (166), длительность периода задержки определяется соотношением

где значения константы В, показателя т и энергии активации Е зависят от свойств горючей смеси.

, наоборот, возрастает с повышением температуры и сильно уменьшается с ростом давления.

(Тс) изменяется незначительно. У непредельных и ароматических углеводородов, воспламеняющихся в условиях двигателей одностадийным путем, значения т{ с ростом температур сжатия непрерывно уменьшаются. Эти различия во влиянии температур сжатия на задержки воспламенения, а соответственно и на склонность двигателей к детонации в случае использования бензинов разного группового состава, наглядно проявляются в виде разности октановых чисел, оцененных по исследовательскому ОЧИМ и моторному ОЧММ методам. Температурная чувствительность ТЧ-ОЧИМ ОЧММ парафиновых и нафтеновых углеводородов не превышает нескольких единиц, у оле-финовых достигает 1415; у ароматиков несколько меньше, но также значительна.

Основное отличие между исследовательским и моторным методами состоит в том, что в первом случае смесь не подогревается и лишь температура воздуха перед карбюратором поддерживается равной 52 °С, в то время как при моторном методе смесь подогревается после карбюратора до 149 °С.

или соответственно 52,5 молекулы воздуха), то начальные стадии окислительных реакций развиваются быстрее в богатых смесях, где вероятность соударения молекул топлива и кислорода больше.

В связи со сложным цепным характером предпламенных реакций можно воздействовать на скорости их развития путем подмешивания к топливу небольших количеств различных присадок. Добавление к дизельным топливам органических перекисей или нитросоедине-ний резко стимулирует начальные стадии окисления, вследствие чего сокращаются задержки воспламенения в дизелях.

наоборот, резко затрудняет самовоспламенение топливовоздушной смеси, в результате чего уменьшается ее склонность к детонации в двигателях с искровым зажиганием. Причиной является обрыв реакционных цепей при взаимодействии активных центров с атомами металла, образующимися при распаде антидетонатора, или с его окислами.

шалогичной задержке воспламенения однородной газовой смеси. Учитывая, что химические и физические процессы развиваются параллельно, с небольшим сдвигом по фазе, оценить длительность физической составляющей затруднительно.

Не только в дизелях, но и в двигателях, работающих на легком топливе, смесь никогда не бывает вполне однородной по температуре и по составу, в связи с чем предпламенные реакции всегда развиваются неодинаково в отдельных частях смеси. Это приводит к тому, что самовоспламенение возникает не одновременно во всей массе смеси, а в первую очередь в отдельных очагах, от которых оно затем распространяется на смежные объемы. В зависимости от степени кинетической однородности нагретой смеси и особенностей развития в ней предпламенных реакций скорость распространения воспламенения от возникающих первичных очагов может колебаться в пределах от нескольких десятков метров в секунду (скорость распространения фронтов турбулентного пламени) до сверхзвуковой, когда самовоспламенение распространяется совместно с фронтом ударной волны, т. е. имеют место явления, сходные с распространением детонационной волны.

Ударные волны в камере сгорания возникают в результате быстрого развития завершающих стадий предпламенных реакций в очагах самовоспламенения. Дополнительное сжатие и нагревание газа во фронте образовавшихся ударных волн стимулирует возникновение самовоспламенения тех порций смеси, в которых предпламенные реакции также близки к своему завершению, т. е. в свою очередь достаточно готовых к самовоспламенению. Подобный процесс завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси, сопровождающегося возникновением ударных волн, которые, в свою очередь, стимулируют самовоспламенение остальной несгоревшей смеси, составляет основную сущность детонационного сгорания в двигателях.

. В этой зоне горит смесь очень сильно разбавленная (за счет диффузионного обмена) продуктами полного или частичного сгорания, обладающими высокой химической активностью, что способствует быстрому развитию цепных химических реакций не в меньшей мере, чем повышение температуры. Подобный цепочечно-тепловой механизм химических превращений характерен для всех процессов горения.

Скорость, с которой фронт ламинарного (послойного) горения перемещается относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном (нормальном) к его поверхности, называется нормальной скоростью пламени ин, или скоростью ламинарного горения ил. В связи с тем, что эта скорость определяется двумя факторами: скоростью процессов переноса (теплопередачи и диффузии во фронте пламени) и скоростью самих химических превращений зависимость нормальной скорости пламени от указанных двух факторов приближенно выражается формулой

(168)

мм, причем большая ее часть (примерно 80%)

определяется теми же двумя факторами,

что и скорость распространения пламени, хотя относительное влияние скоростей тепло- и массообмена и скоростей реакции в данном

случае оказывается противоположным, а именно:

но фронт пламени становится более растянутым.

, значения коэффициента молекулярного изменения в процессе сгорания. При обеднении или еще большем обогащении смеси скорости распространения пламени плавно уменьшаются (рис. 51).

имеют парафиновые топлива, в частности метан, наибольшие непредельные углеводороды.

распространения пламени.

Практически пре-

При работе двигателей на газообразных топливах пределы возможного обеднения смеси несколько больше.

С повышением начальной температуры горючей смеси возрастают нормальные скорости распространения пламени и несколько расширяются концентрационные пределы, что вызывается увеличением

Повышение давления, наоборот, приводит к некоторому уменьшению нормальных скоростей распространения пламени. Это связано с тем, что влияние давления на скорость химических реакций сравнительно невелико, а относительные скорости процессов диффузии и теплопередачи уменьшаются обратно пропорционально давлению. С достаточной для практики точностью можно принимать, что в бензино-воздушных смесях нормальные скорости распространения ламинарного пламени связаны с начальной температурой смеси и давлением следующим соотношением:

(170)

Турбулентное горение. В большинстве случаев основная масса рабочей смеси в цилиндре двигателя находится в достаточно интенсивном турбулентном движении, складывающемся из направленных вихрей и беспорядочных пульсаций скоростей газовых потоков. Под воздействием турбулентности скорость распространения пламени сильно возрастает, что вызывается двумя причинами. Крупные вихри или турбулентные пульсации больших масштабов искривляют фронт пламени и разрывают его на отдельные горящие очаги (моли), что может приводить к многократному увеличению фактической поверхности горения (рис. 52). Турбулентные пульсации мелких масштабов, сравнимых с толщиной фронта ламинарного пламени, не вызывают его искривления, но усиливая процессы теплопередачи и диффузии в самом фронте, увеличивают скорость горения на поверхности крупных молей. Под воздействием обоих указанных факторов скорости распространения турбулентного пламени возрастают практически пропорционально интенсивности турбулентности (среднеквадратичной величине скоростей турбулентных пульсаций и). При этом зависимости скоростей турбулентного горения от состава

Согласно результатам последних исследований скорость распространения турбулентного пламени

, чем на ин.

(см. рис. 52). В связи с этим скорость распространения передних границ зоны турбулентного пламени не характеризует однозначно действительную скорость тепловыделения, отвечающую полному завершению сгорания. В карбюраторных двигателях ширина зоны горения во фронте турбулентного пламени может достигать 2025 мм, что необходимо учитывать при сопоставлении индикаторных диаграмм давления с регистрациями распространения пламени.

Диффузионное горение. Горение неоднородных смесей, например струй газа, втекающих в воздух, или взвешенных в нем капель распыленного жидкого топлива, существенно отличается от горения однородных смесей. Скорость горения неоднородной газовой смеси практически определяется скоростью диффузионного смешения топлива и окислителя, так как химические реакции горения протекают со значительно большими скоростями, чем процессы смешения. Вследствие этого такое горение называется диффузионным.

Скорость горения капель жидкого топлива в основном определяется скоростью их испарения (пары топлива, образующиеся на поверхности капли, диффундируют в окружающую каплю воздух, образуя на некотором расстоянии от нее горючую смесь, причем этот процесс протекает быстрее, чем испарение топлива).

"|. В таких зонах происходит крекинг углеводородных молекул без достаточного доступа воздуха, сопровождающийся выделением твердого углерода в виде мельчайших частиц сажи. Именно в этом заключается причина дымления дизелей при увеличении цикловой подачи топлива, т. е. нагрузки свыше некоторых пределов.

Реклама