Процесс сгорания бензина

Сгорание топлива – это быстрая реакция окисления углеводородов кислородом. При этом образуется вспышка, молекулярные связи разрываются, накопившаяся энергия выделяется в виде теплоты. При сгорании 1 кг топлива выделяется следующее количество теплоты: бензин – 44·10⁶ Дж/кг, дизельное топливо – 42·10 ⁶ Дж/кг, метан – 49, 7·10 ⁶ Дж/кг.

Балансовые уравнения, показывающие исходные и конечные состояния участвующих в реакциях веществ, называют стехиометрическими. Напомним, что атомные и молекулярные массы в граммах химических элементов, участвующих в процессе сгорания топлива, следующие:

Н = 1, (Н₂ = 2); О = 16, (О₂ = 32); С = 12, (С₂ = 24); N = 14, (N₂ = 28).

Конечная реакция сгорания водорода и углерода, в результате окисления кислородом, протекает так:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; С + О₂ = СО₂. (3.1 )

Чтобы сжечь 4 кг водорода (2 кмоля) необходимо затратить 32 кг (1 кмоль) кислорода. При этом выделяется 36 кг водяного пара. Для сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода. Выделяется 125 МДж теплоты и 9 кг воды
(4_Н + 32_О = 36_Н2О или, сокращая левую и правую части уравнения на 4, получим 1_Н + 8_О = 9 _Н2О). У работающего двигателя вода в виде пара выбрасывается в атмосферу.

Чтобы сжечь 12 кг углерода необходимо затратить 32 кг кислорода. При этом выделяется 44 кг двуокиси углерода. Для сгорания 1 кг углерода С требуется 8/3 кислорода (2, 66). Выделяется 34 МДж теплоты и 3, 6 кг двуокиси углерода СО₂ (12_С + 32_О = 44 _СО2 или, сокращая левую и правую части уравнения на 12, получим 1_С + 8/3_О = 44/12_{СО 2}).

Двуокись углерода хорошо пропускает солнечные лучи на Землю, но препятствует охлаждению Земли путем излучения в Космос. Создается своеобразный парниковый эффект, который грозит глобальным потеплением и возможными катастрофами.

Окисление – это реакция взаимодействия молекул углеводородного топлива с молекулами кислорода. Если температура воздуха достигает требуемого значения, то окисление переходит в процесс горения.

В жидком топливе имеют место легкие, средние и тяжелые молекулы.
В процессе распыливания топлива легкие фракции уже являются газифицированными и в окружении кислорода воздуха под действием температуры электрической искры воспламеняются, образуя начальную зону пламени (бензиновые двигатели). Далее действует принцип цепной реакции.

Процесс сгорания топлива в координатах Р – φ показан на рис. 3.1
(φ – угол поворота коленчатого вала). Примерно за 20 – 30 градусов до ВМТ подаётся искра (в центре искры температура 10000 °С), горючая смесь воспламеняется, кривая сгорания отделяется от кривой сжатия.

В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) иногда можно наблюдать взрывное (детонационное) сгорание топлива.

Причиной детонации является образование перекисей. Кислород при высокой температуре внедряется в углеводородную молекулу топлива, повышая её способность к самовоспламенению. Детонационному (взрывному) сгоранию подвергается та часть горючей смеси, которая должна сгореть в последнюю очередь (рис. 3.2).

На детонационное сгорание топлива влияют:

1. Степень сжатия (повышение степени сжатия ускоряет детонацию).

2. Угол опережения зажигания (раннее зажигание – усиливает).

3. Сорт топлива (октановое число меньше, детонация больше).

4. Частота вращения коленчатого вала (с уменьшением – возрастает).

Рис. 3.1. Изменение давления газов в цилиндре (P_г)
и температуры (Т) в бензиновом двигателе:

1 – начало подачи искры; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия

(начало видимого сгорания); 3 – максимальное давление сгорания

У двигателя с искровым зажиганием процесс сгорания можно условно разбить на три фазы [23]: 1 – начальный период горения (сгорает 6 – 8 % топлива от начала подачи искры до начала сгорания топлива и повышения давления);
2 – основная фаза горения (80 % топлива); 3 – догорание.

Рис. 3.2. Схема детонационного сгорания топлива:

1 – воспламенение смеси искрой свечи; 2 – фронт горения;

3 – сгоревшая смесь; 4 – несгоревшая смесь; 5 – места с

концентрацией перекисей; 6 – очаг самовоспламенения; 7 – образование

детонационной волны; 8 – детонационная волна; 9 – отражённые волны

По анализу изменения давления во второй фазе сгорания судят о жесткости процесса сгорания (скорости повышения давления). Двигатель должен работать мягко, без стуков с плавным повышением давления в процессе сгорания топлива.

Нормальный процесс сгорания протекает со скоростью 20 – 50 м/с. В процессе детонации скорость сгорания достигает 2 – 3 тыс. м/с. На осциллограмме процесс сгорания (в зоне третьей фазы) наблюдается в виде затухающих острых пиков. Частота вибраций давления равна частоте слышимых стуков. Звонкие металлические стуки являются результатом отражения ударных волн от стенок цилиндра.

Детонация – процесс быстрого завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью.

При детонации резко повышается температура в камере сгорания, что приводит к прогоранию поршней и выпускных клапанов, перегреву и выходу из строя свечей, а при длительной интенсивной детонации – к выходу из строя двигателя. Внешним признаком детонации является чёрный дым. Его причина – заброс топлива в зону горения или сгоревшего топлива, где нет кислорода.