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 1кг топлива выделяется следующее количество теплоты: бензин – 44·10⁶ Дж/кг, дизельное топливо – 42·10⁶ Дж/кг, метан – 33,8·10⁶ Дж/кг.

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

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; С + О₂ = СО_2. (3.1)

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

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 (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

L₀ = 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.

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

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 (10000 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 =ΔР/Δφ, 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 (раннее зажигание – усиливает детонацию).

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

4.Частота вращения коленчатого вала (с уменьшением частоты детонация возрастает).

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 автоматически уменьшает угол опережения зажигания, уменьшая давление, температуру в камере сгорания и детонацию.