Процессы, протекающие при горении топлив в ДВС

Применительно к ДВС под «горением» понимают периодический, циклический процесс, отдельные акты которого продолжаются тысячные доли секунды, развиваются в условиях прогрессирующего самоускорения, связанного с повышением температуры смеси и накоплением в ней активных промежуточных продуктов окисления. Для ДВС всех типов в суммарном процессе сгорания топлива можно выделить отдельные периоды (стадии), определяющие общую картину превращения топлива в конечные продукты [1, 5, 6, 8, 11, 12]. Как показано на рисунке 25, отдельные стадии процесса горения накладываются друг на друга и протекают совместно.

Рисунок 25 – Отдельные стадии единичного акта горения топлива
в ДВС

Соотношение между разными стадиями и их продолжительность зависят как от условий горения (тип и конструкция двигателя), так и свойств топлива (воспламеняемость, «горючесть»), которые характеризуют особенности воспламенения, распространения фронта пламени, скорость горения, полноту сгорания и зависят от группового (углеводородного), фракционного состава топлива и наличия в нем присадок, регулирующих различные стадии горения.

По способу воспламенения топлива ДВС разделяют на двигатели с искровым зажиганием и самовоспламенением от сжатия (дизели). На основе дизеля создается еще один тип – многотопливный двигатель, в котором воспламенение топлива осуществляется одновременно от сжатия и от электрической искры (или накаленной поверхности). ДВС различают также по виду применяемого топлива, способу смесеобразования, принципам регулирования, эффективности, составу отработавших газов и другим параметрам. В них по-разному протекают процессы сгорания, которые имеют общие закономерности превращения топлива в конечные продукты сгорания, как показано на рисунке 25.
В современных поршневых ДВС полезно используется примерно
30–40 % тепловой энергии, выделяющейся при горении топлива, так как несовершенство конструкции двигателя, нарушения его регулировок, особенности состава и свойств топлива и другие факторы существенно снижают КПД и ресурс двигателя.

Химические реакции процесса горения начинаются после создания начального очага пламени в подготовленной топливо-воздушной горючей смеси, который инициируется либо электрической искрой, либо за счет нагрева смеси до температуры, при которой в ее объеме самопроизвольно возникают начальные акты превращений и происходит самовоспламенение. Перед появлением «горячего» пламени возникает слабое свечение, сопровождающееся небольшим увеличением давления, а в период, предшествующий холодному свечению, происходит накопление органических пероксидов и альдегидов. В первой (кинетической) стадии горения, включающей предпламенное окисление и появление очагов воспламенения, скорости химических реакций, которые значительно меньше скоростей диффузии реагирующих компонентов, определяют скорость процесса в целом. На этой стадии скорость и характер превращения горючей смеси определяются ее физико- химическими свойствами, то есть в основном углеводородным (групповым) и фракционным составом топлива, наличием в нем присадок, активирующих процессы горения. Для распространения пламени от начальных очагов воспламенения необходимо, чтобы их энергия была достаточно высокой, а содержание топлива в смеси с воздухом находилось в определенных концентрационных пределах. При наибольшем и наименьшем содержании горючего в смеси различают верхний и нижний пределы воспламенения соответственно.

В диффузионной стадии горения (вторая стадия) скорость распространения пламени в горючей смеси определяется в бó льшей степени теплопередачей и взаимной диффузией промежуточных и исходных продуктов, чем скоростью химических реакций. Физические процессы подготовки горючей смеси (распыление, испарение и смешение горючего с воздухом), а также ее горение в диффузионной стадии (процесс распространения пламени) в значительной степени определяются конструкцией двигателя и его рабочими параметрами (типом, степенью сжатия, способом подготовки смеси, частотой вращения коленчатого вала и другими). Химические процессы подготовки горючей смеси (предпламенное окисление с образованием активных промежуточных продуктов и свободных радикалов), воспламенение зависят в основном от физико-химических свойств горючего. Высокая эффективность процесса сгорания выражается в максимально возможном для каждого типа двигателя КПД и обеспечивается оптимальным сочетанием его конструктивных параметров и физико-химических свойств горючего.

В процессе горения горючей смеси в двигателях с воспламенением от искры выделяют три фазы: начальную, в течение которой небольшой очаг горения в зоне высоких (≈ 10000 К) температур между электродами свечи постепенно превращается в развитый фронт турбулентного пламени; основную фазу, сопровождающуюся быстрым распространением турбулентного пламени по основной части камеры сгорания (при практически неизменном ее объеме), так как поршень находится вблизи верхней мертвой точки (в.м.т.); завершающую фазу, включающую догорание смеси за фронтом пламени и в пристеночных слоях. За момент окончания первой фазы и за начало основной фазы горения принимают обычно «точку отрыва» (А) линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме (момент заметного повышения давления в результате сгорания), показанной на рисунке 26.

Рисунок 26 – Индикаторная диаграмма двигателя с воспламенением
от искры: 1 – линия сгорания; 2 – линия сжатия;
θ ₁, θ ₂ и θ ₃ – продолжительность начальной, основной и завершающей фаз горения соответственно (в ПКВ)

Длительность начальной фазы (θ ₁) измеряется отрезком времени от момента проскакивания искры между электродами до «точки отрыва», а граница раздела между основной (θ ₂) и завершающей (θ ₃) фазами условно определяется моментом достижения максимума давления (Р_z) на индикаторной диаграмме. При этом сгорание еще не заканчивается и средняя температура газов в цилиндре продолжает возрастать, достигая максимума в конце завершающей (θ ₃) фазы, но скорость тепловыделения в этой фазе уже не может компенсировать падения давления из-за расширения газов при движении поршня и теплоотдаче к стенке. Эффективность рабочего процесса в цилиндре двигателя определяется общей полнотой и скоростью процесса сгорания, так как максимальные мощность и экономичность ДВС, с воспламенением от искры при прочих равных условиях, достигаются, когда точки начала и конца основной фазы располагаются примерно симметрично относительно в.м.т., а это обеспечивается соответствующим углом опережения зажигания (φ _з).

К основным нарушениям нормального сгорания смеси в ДВС с воспламенением от искры относят: детонацию; преждевременное и последующее воспламенение (калильное зажигание); воспламенение от сжатия при выключенном зажигании. Внешне детонация проявляется в возникновении звонких металлических стуков (при работе двигателя на больших нагрузках), падении мощности двигателя, а также появлением в отработавших газах черного дыма и сопровождается резким возрастанием амплитуды вибраций с частотой 5000–6000 Гц. Возникновению детонации способствуют факторы, увеличивающие скорость развития предпламенных реакций в последней порции горючей смеси: высокая реакционная способность горючего, повышение степени сжатия, увеличение φ _з, при котором Р_z достигается вблизи в.м.т., коэффициент избытка воздуха α ≈ 0, 9, недостаточное охлаждение последних частей смеси и замедление их догорания. Явление детонации обусловлено ускорением завершения сгорания в результате многостадийного самовоспламенения части горючей смеси перед фронтом пламени.
В этой части смеси вначале протекает холоднопламенная стадия окисления, затем после некоторого периода индукции происходит новый взрывной распад пероксидных соединений (в результате быстрого накопления пероксидов при высоких Т и Р), но с вовлечением бó льшей массы смеси и участием в более высокой концентрации пероксидных соединений. При этом возникает особый тип пламени, промежуточный между «холодным» и «горячим», так называемое «вторичное холодное пламя», которое распространяется с большой скоростью как за счет диффузии активных центров, так и за счет теплопередачи. Одновременно с новым фронтом «горячего» пламени возникает фронт ударной волны, а ударные волны, распространяясь по нагретой активной части смеси, стимулируют образование новых очагов самовоспламенения.

Исходя из особенностей и возможных нарушений процесса сгорания, в ДВС с искровым зажиганием применяют различные меры повышения полноты сгорания горючего, увеличения КПД двигателя, экономии ГСМ и уменьшения вредных выбросов (СО и С_xН_y), одной из которых является расслоение горючей смеси. Этот процесс предусматривает концентрацию обогащенной смеси в зоне свечи зажигания, а по мере удаления от нее смесь обедняется, что наиболее эффективно достигается при использовании разделенных камер с форкамерно-факельным зажиганием, схема которого показана на рисунке 27.

Рисунок 27 – Схема устройства карбюраторного двигателя

с форкамерно-факельным зажиганием

В этом случае свечу зажигания размещают в небольшой форкамере, снабженной дополнительным клапаном, через который камеру продувают сильно обогащенной смесью состава α ₂. В основную камеру подается обедненная смесь состава α ₁, которая воспламеняется факелами пламенных газов, обогащенных активными продуктами неполного сгорания, выбрасываемыми из сопловых отверстий форкамеры. Это позволяет на частичных нагрузках эффективно использовать обедненные горючие смеси (до α ≥ 1, 5), что приводит к экономии горючего и резкому снижению содержания вредных примесей (СО и С_xН_y) в отработавших газах.

В дизелях топливо впрыскивается (до в.м.т. и может заканчиваться как до, так и после в.м.т.) при давлении 20–70 МПа в нагретый от сжатия воздух, имеющий температуру 450–550º С и давление 3–4 МПа, но в случае наддува давление воздуха может быть значительно выше. Процесс горения в дизеле с неразделенной камерой сгорания характеризуется типичной диаграммой, показанной на рисунке 28, и начинается с подачи горючего в цилиндр 1 за 10–20º до в.м.т., которая продолжается в течение 20–35º ПКВ.

Рисунок 28 – Типичный характер развития процесса сгорания топлива в дизеле

Угол между точкой 1 и в.м.т. называют углом опережения впрыска (φ _вп.), а в первую и последнюю четверть периода впрыска подается около 25 % всего количества горючего (остальные 75 % подаются во вторую и третью четверти). В периоде задержки воспламенения (ПЗВ) между точками 1 и 2 (θ _i) развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги самовоспламенения и в результате выделяющейся теплоты сгорания давление повышается. В процессе сгорания топлива, начинающемся в точке 2, выделяют три фазы: фазу быстрого сгорания (θ ₁) между точками 2 и 3 (давление и температура быстро повышаются за счет сгорания значительной части испарившегося горючего и продолжающего поступать через форсунку); фазу замедленного сгорания (θ ₁₁), когда продолжается повышение температуры, но давление несколько снижается (быстро увеличивается объем камеры сгорания из-за движения поршня вниз, что приводит к смещению точки 4 – максимума температуры от точки 3 – максимума давления); фазу догорания (θ ₁₁₁), которая начинается за точкой 4 и составляет значительную часть такта расширения, скорость сгорания топлива при этом лимитируется процессами диффузии и турбулентным смешением с воздухом остатков несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси.

В фазе быстрого сгорания (θ ₁) значения скорости тепловыделения (dχ /dφ) сначала резко возрастают, а затем быстро уменьшаются, но в конце фазы замедленного сгорания (θ ₁₁) обычно снова несколько возрастают, что обусловлено дополнительной турбулизацией топливного заряда в начале движения поршня вниз. В фазе догорания (θ ₁₁₁) скорость тепловыделения непрерывно снижается, что связано с протеканием процесса, в основном в диффузионном режиме. Максимальная скорость нарастания давления (dр/dφ) между точками 2 и 3 индикаторной диаграммы характеризует «жесткость» процесса сгорания, которая в дизелях существенно выше, чем в двигателях с воспламенением от искры. Для дизеля обычно средние значения (dр/dφ) на участке 2-3 находятся в пределах 0, 4–0, 5, а максимальные – до 1, 0 МПа/ПКВ, но максимальные значения Р и dр/dφ тем больше, чем больше топлива сгорает в фазе θ ₁. Это количество топлива зависит от длительности задержки воспламенения (θ _i), закона подачи топлива (характера изменения dG/dφ), интенсивности испарения и смешения с воздухом впрыснутого горючего. С увеличением периода задержки воспламенения (θ _i) возрастает количество горючего, введенного к моменту его воспламенения, одновременно улучшается однородность горючей смеси и углубляется ее химическая предпламенная подготовка к взрывному самовоспламенению, по внешнему проявлению сходному с детонацией в двигателях с воспламенением от искры. Продолжительность периода (θ _i) зависит от воспламеняемости топлива (оценивается цетановым числом), температуры и давления сжатого воздуха в момент начала впрыска горючего, от степени распыления горючего, турбулизации заряда и наличия в камере сгорания нагретых поверхностей. Так как в фазе быстрого сгорания (θ ₁) и в начале замедленного сгорания (θ ₁₁) пары горючего, поступающего в камеру сгорания, воспламеняются в результате смешения с горячими продуктами сгорания и еще горящими газами, необходимо обеспечивать сочетание вращательного (тангенциального) движения воздуха с радиальной направленностью струй горючего.

На процесс сгорания в дизеле влияют свойства горючего, угол опережения впрыска, качество распыления и продолжительность его подачи, степень сжатия и частота вращения коленчатого вала. Групповой углеводородный состав горючего существенно влияет на продолжительность (θ _i), при этом наилучшей воспламеняемостью обладают парафиновые углеводороды, наихудшей – ароматические, а промежуточное положение занимают нафтены. Чем больше в горючем парафинов, тем выше его цетановое число, тем короче ПЗВ, тем ниже скорость нарастания давления (dр/dφ) и мягче работа двигателя. Из диаграмм, приведенных на рисунке 29, видно, что при работе двигателя на разных горючих, одинаковых углах опережения впрыска и прочих равных условиях, с увеличением цетанового числа ПЗВ становится короче, более плавно нарастает давление и снижается его максимальное значение, увеличивается доля горючего, сгораемого во второй фазе.

Рисунок 29 – Влияние изменения длительности ПЗВ на характер
индикаторной диаграммы дизеля в зависимости от цетанового числа (цифры на кривых)

Однако чрезмерное увеличение цетанового числа (более 50) нецелесообразно, так как при этом повышается удельный расход топлива и увеличивается содержание продуктов неполного сгорания (С, СО, С_xН_y) в отработавших газах. Последнее обусловлено значительным ростом противодавления в такте сжатия и уменьшением скорости сгорания во всех фазах.

Увеличение угла опережения впрыска горючего приводит к возрастанию ПЗВ, поскольку давление и температура в цилиндре к моменту впрыска понижаются, а повышение ПЗВ резко увеличивает Р_z и dр/dφ. Однако при малых углах опережения впрыска ПЗВ сокращается, но мощность двигателя и полнота сгорания падают, так как при этом бó льшая часть топлива сгорает в третьей фазе. Повышением степени распыления горючего сокращают ПЗВ, но при этом снижается дальнобойность струи, что ухудшает равномерность распределения горючего в смеси и, следовательно, условия, обеспечивающие полноту сгорания топлива. При уменьшении продолжительности впрыска (при одном и том же количестве горючего, подаваемого за цикл) ПЗВ меняется мало, но скорость нарастания давления увеличивается, что приводит к возрастанию максимального давления (Р_z).

С увеличением степени сжатия повышаются температура и давление воздуха в момент начала впрыска горючего, что сокращает ПЗВ и снижает dр/dφ, то есть уменьшает жесткость работы двигателя и сокращает индикаторный удельный расход горючего. Повышение частоты вращения коленчатого вала дизеля сокращает абсолютное значение ПЗВ в миллисекундах, но увеличивает его значение в градусах ПКВ, и поэтому в этом случае необходимо увеличивать угол опережения впрыска горючего. Однако для обеспечения высокоэффективного процесса сгорания в дизелях, рассчитанных на работу в широком диапазоне скоростных режимов и нагрузок, а также на использование горючих с плохой воспламеняемостью или испаряемостью, необходимы специальные меры по обеспечению нормального смесеобразования и воспламенения на всех режимах.

Для повышения детонационной стойкости (октановое число) бензинов применяют вещества (антидетонаторы), в качестве таких присадок широко распространены тетраэтилсвинец (С₂Н₅)₄Рb (ТЭС), тетраметилсвинец (СН₃)₄Рb (ТМС), пентакарбонилжелеза Fе(СО)₅, метил-циклопентадиенилтрикарбонилмарганец СН₃С₅Н₄Мn(СО)₃ и циклопентадиенилтрикарбонилмарганец Мn(С₅Н₅)(СО)₃. Однако и многие другие металлорганические соединения, превосходящие различные органические вещества по эффективности антидетонационного действия, также могут найти применение. Это свидетельствует о том, что носителем антидетонационного эффекта является атом металла, а органический радикал обеспечивает растворимость соединения в горючем, определяет их термостабильность и другие физико-химические свойства. При сгорании бензинов с добавкой алкилов свинца образуются отложения, состоящие в основном из оксидов свинца, что вызывает пригорание клапанов и загрязнение свечей зажигания. Для устранения этих недостатков применяют выносители, в качестве которых используют алкилбромиды и алкилхлориды, способствующие превращению продуктов сгорания алкилов свинца в легкоиспаряющуюся форму.

В настоящее время в качестве выносителей используют этилбромид, дибромэтан, дихлорэтан и дибромпропан, которые входят в составы антидетонационных композиций. Однако для эффективного выноса соединений свинца необходимо оптимальное сочетание антидетонаторов и выносителей по возможности с более близкими значениями температур кипения.

Для уменьшения периода задержки самовоспламенения дизельных топлив применяют соединения, ускоряющие их предпламенное окисление, к которым относятся алкилнитраты, алкилнитриты, арилнитраты, пероксиды, альдегиды, кетоны и некоторые другие вещества, содержащие связанные между собой атомы азота и серы. Практическое применение нашли продукты нитрования алифатических и ароматических спиртов, а в нашей стране в качестве присадок, повышающих цетановое число дизельных топлив, испытаны и рекомендованы изопропилнитрат СН₃–СН(СН₃)ОNО₂ и циклогексилнитрат С₆Н₁₁NО₃, основные характеристики которых приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Характеристики присадок

Показатели	Изопропилнитрат	Циклогексилнитрат
Внешний вид	Бесцветная прозрачная жидкость
Относительная плотность	1, 043	1, 104
Температура кипения, º С	102 (при 101, 4 кПа)	72 (при 2, 67 кПа)
Температура затвердевания, º С	-78	-60
Давление насыщенных паров, кПа при 20º С при 50º С	4, 13 16, 0	0, 27 1, 33
Теплота испарения, кДж/моль	36, 3	38, 9
Растворимость воды в веществе при 20º С, % (масс.)	0, 12	0, 09
Температура вспышки в закрытом тигле, º С

Механизм действия таких присадок обусловлен ускорением предпламенных реакций за счет интенсификации процесса разветвления окислительных цепей и образования новых реакционных центров, что обусловлено протеканием более энергетически выгодной реакции разложения присадки, а не реакции разложения углеводородов. Однако эффективность действия присадок, уменьшающих период задержки самовоспламенения, зависит от химического состава дизельных топлив, так как их «чувствительность» к таким присадкам уменьшается с повышением в них содержания ароматических и непредельных углеводородов.

Отложения нагара в камере сгорания ДВС с принудительным зажиганием обусловливают повышение требований к детонационной стойкости бензина, вызывают перебои в работе свечей зажигания и неуправляемое калильное зажигание. Поэтому в бензины вводят присадки, снижающие отложения нагара, в качестве которых наиболее эффективны фосфорсодержащие соединения, так как они способствуют не уменьшению количества нагара, а изменению его химического состава и свойств.

Повышение полноты сгорания дизельных топлив и снижение содержания сажи в их продуктах сгорания обеспечивают применением противодымных присадок, в качестве которых наиболее эффективны соединения, содержащие барий, кальций, стронций, марганец, железо и другие элементы. В основном применяют барийсодержащие присадки, в которых барий препятствует дегидрогенизации молекул углеводородов и каталитически снижает температуру сгорания углерода в воздухе. В тяжелые топлива для мало- и среднеоборотных дизелей добавляют присадки, повышающие полноту сгорания и снижающие коррозию деталей двигателя, в качестве которых известны сульфонаты меди и магния, хелатные соединения кобальта, гидразин, производные этилен- и пропиленоксида, а также ПАВы, улучшающие распыление тяжелых топлив.

Вопросы для самопроверки

1. Октановое число и особенности процессов горения жидких топлив в ДВС с принудительным зажиганием.

2. Виды и механизм действия антидетонационных присадок к топливам.

3. Причины возникновения, характеристика и воздействие детонации топлив на работу ДВС.