Процесс сгорания бензина

Сгорание топлива это реакция быстрого окисления углеводородов кислородом. При этом образуется вспышка, молекулярные связи разрываются, накопившаяся энергия выделяется в виде теплоты. При сгорании 1кг топлива выделяется следующее количество теплоты (Дж/кг): бензин – 44·10⁶, дизельное топливо – 42·10⁶, метан – 33, 8·10⁶.

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

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; С + О₂ = СО₂. (3.1)

Горение – сложный процесс. Факел горящих углеводородов напоминает своеобразный организм, живущий до тех пор, пока в его огненной оболочке, в которую поступает газифицированное топливо и кислород воздуха, происходит правильный обмен веществ. Даже простейшие газообразные (метан, этилен, пары бензина) сами по себе не «горючи», пока не будут преобразованы до простейших составляющих в виде молекул СО и Н₂. При окислении (горении) углеводородная молекула «опускается» на более низкие энергетические уровни и достигает нулевого уровня, когда полностью разваливается на углекислый газ СО₂ и воду Н₂О.

Очаг горения – совокупность трех потоков: теплового (энергетического) и двух материальных – окислителя О₂ и топлива.

Окисление – 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 (10000 ⁰С) воспламеняются, образуя начальную зону пламени (бензиновые двигатели). Далее действует принцип цепной реакции. Под влиянием температуры более тяжелые молекулы испаряются, прогреваются, расщепляются на более мелкие (газифицируются) и в упрощенном газообразном состоянии вступают в процесс горения.

У дизеля топливо должно самостоятельно воспламеняться при нагреве его в кислороде воздуха до температуры самовоспламенения 250 – 300 ⁰С. Для надежного пуска и работы дизеля температура в конце такта сжатия должна быть не менее 500 … 600 ⁰С.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг бензина, определяют из выражения

L ₀ = 1/0, 23(8C/3 + 8H) = 1/0, 23(8·0, 855/3 + 8·0, 145) ≈ 15 кг. (3.2)

В воздухе 23 % O₂; 1кг бензина содержит 0, 855 кг С и 0, 145 кг Н.

Коэффициент избытка воздуха – это отношение действительно поступившего количества воздуха в цилиндр к теоретически необходимому:

α = L_Д/L _O, идеал – L_Д = L _О => α = 1.

Если α > 1, смесь бедная; α < 1, – богатая.

Используя формулу Менделеева - Клапейрона PV = mPT, можно определить массу воздуха, поступившего в цилиндр, и требуемое количество топлива.

Процесс сгорания в координатах Р – φ изображен на рис. 3.1 (φ – угол поворота коленчатого вала). Примерно за 20 … 30 градусов до ВМТ подаётся искра (10 000 ⁰С), горючая смесь воспламеняется, кривая сгорания отделяется от кривой сжатия. У двигателя с искровым зажиганием процесс сгорания можно условно разбить на три фазы: 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.

При нормальном процессе сгорания воспламенение свежих порций рабочей смеси и перемешивание фронта пламени по камере сгорания происходит вследствие передачи тепла под действием теплопроводности и лучеиспускания.

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

Для бензиновых ДВС жёсткость процесса сгорания (С =Δ Р/Δ φ, МПа/градус) С = 0, 1…0, 2 МПа/градус. Жесткость сгорания – это приращение давления на один градус поворота коленчатого вала двигателя.

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 вибрации давления равна частоте слышимых стуков. Звонкие металлические стуки являются результатом отражения ударных волн от стенок камеры сгорания.

На детонационное сгорание топлива влияют:

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

2. Угол опережения зажигания.

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

4. Частота вращения коленчатого вала.

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. Перекиси накапливаются в несгоревшей части рабочей смеси и при достижении критической концентрации распадаются со взрывом и выделением большого количества тепла, активизируя всю рабочую смесь.

В современных автомобилях в блоке цилиндров установлен датчик детонации. При появлении детонациисигнал с датчика передается на бортовой компьютер, который при помощи исполнительного механизма уменьшает угол опережения зажигания и снижает детонацию.