Как происходит сгорание бензина в двигателе

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 – 44·10 6 , дизельное топливо – 42·10 6 , метан – 33,8·10 6 .

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

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 0 С) 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 0 С. Для надежного пуска и работы дизеля температура в конце такта сжатия должна быть не менее 500 … 600 0 С.

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

L = 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:

Если α > 1, смесь бедная; α 0 С), 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.

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.

Читать еще: Куда поехать отдыхать в России на море

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.

77.243.189.99 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В БЕНЗИНОВЫХ ДВС

двигатель сгорание топливо

Развитие процесса горения в ДВС с внешним смесеобразованием.

Процесс сгорания топлива представляет собой химическую реакцию соединения кислорода, содержащегося в воздухе, с водородом и углеродом, которые входят в химический состав топлива.

В поршневых ДВС с внешним смесеобразованием процесс сгорания начинается с воспламенения ТВС в цилиндре двигателя искрой зажигания изавершается в течение приблизительно трех миллисекунд.

Сгорание топлива начинается в конце сжатия и?осуществляется в основном в начальный период расширения [1].При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую. В процессе расширения тепловаяэнергия, воспринятая рабочим телом (РТ), частично преобразуется в механическую. От полноты сгорания топлива и?своевременного подвода теплоты к рабочему телу в значительной мере зависят, энергетические и экономические?показатели двигателя.

Вдвигателяхо полноте, скорости и своевременности сгорания можно судить по развернутой индикаторной диаграмме, в которой условно выделяют три фазы (рис.3.1)[1].

Рисунок 3.1 – Развернутая индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в двигателе с искровым зажиганием

Первая фаза иI — начальная фаза сгорания или фаза?формирования фронта пламени.

Начальным моментом?фазы считается момент возникновения электрической искры (момент зажигания), а конечным — когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до ВМТ без сгорания.

Для своевременного выделениятеплоты при лучших условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20–55° поворота КВ до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота КВназывается углом опережения зажигания (цоз). Температура искры может составлять 10000 К. В течениепервой фазысгорает около 2–3 % топлива, поданного в цилиндр. Продолжительность первой фазы 0,5–1 мс, чтосоответствует 10–30° поворотаКВ.

Если в КС будет подана обедненная смесь – это увеличит продолжительность фазы иIи нарушит стабильность воспламенения. Сократить продолжительность можно повысив температуру и давление рабочей смеси (увеличив степень сжатия), длительность искрового разряда.

Вторая фаза иII — основная фаза сгорания,во время этой фазы происходит распространение пламени по объему КС.

Длится вторая фаза от конца 1 фазы до?момента достижения максимального давления сгорания, ее продолжительность 1– 1,2 мс, т. е. 25–30°поворотаКВ момент достижения максимального давления в цикле.За это время выделяется примерно 75-85 % теплоты. Температура РТ в конце этой фазы повышается до 2300 К, адавление достигает 3,5–5 МПа. К моменту окончания 2 фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

С ростом частоты вращенияпродолжительность 2 фазы по времени?уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла. Так же, добиться сокращения продолжительности иIIможно расположив свечузажигания ближе к центру камеры сгорания.

Третья фаза иIII — фаза догорания.

Начинается в?момент достижения максимального давления цикла.

В?этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций значительно меньше, чем в основном?объеме КС. Вследствие замедления конечных процессов горения 3 фаза не имеет четко выраженного окончания. Приближенно считают, что ее продолжительность 1– 1,5 мс, т. е. 20–35° угла поворота КВ.Максимальная температура, которая достигается на этом этапе – 2300-2600 К.

В 3 фазе выделяется еще 10–15 % теплоты. В итоге общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80–91 %. Остальные 9–20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания [1].

Распространение волны горения.

В ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением сгорание практически гомогенной топливовоздушной смеси происходит за счет распространения волны горения, которая зарождается от постороннего источника воспламенения – свечи зажигания (рис. 3.2.1) [6].

Рис. 3.2.1 – Схема развития процесса сгорания топливовоздушной смеси в ДВС с принудительным воспламенением

Читать еще: Что такое My Target

Это дает преимущество бензиновым двигателям в отношении их габаритных размеров и массы, в отличие от дизельных двигателей, процесс сгорания в которых осуществляетсяпри больших значениях давления и нагрузок на детали.

При подаче электрической искры на электроды свечи в искровом канале происходит практически мгновенное нагревание газа до температур, превышающих 10000К [5].

При таких условиях с большой скоростью развиваются цепные реакции, и наблюдается интенсивное тепловыделение первоначально в небольшом шаровом объеме газа, окружающем электроды свечи.

После прекращения разряда,накопленная в этом объеме теплота будет отводиться за счет теплопроводности в окружающие слои газа и температура в начальном объеме будет быстро уменьшаться. Но ее падение прекратится, т.к. теплота, образующаяся в ходе хим. реакций, пойдет на поддержание значения температуры в начальном объеме равной значению температуры пламени для данного состава ТВС.В результате чего будет сформированочаг воспламенения сферической формы с радиусом сферы r= 2-3 мм (рис. 3.2.2)[5].

Рис. 3.2.2 Схема формирования очага воспламенения в объеме электродов свечи зажигания:1 – корпус свечи зажигания; 2 – центральный электрод;3 – искровой разряд; 4 – очаг воспламенения; 5 – боковой электрод; 6 – холодная масса свежего заряда; 7 – изолятор свечи

Условия его формирования будут зависеть от ряда факторов: состава смеси, конструкции свечи зажигания и ее мощности, характера и интенсивности движения свежего заряда и т.д. Действия этих факторов влияют на протекание химических реакцийокисления, от чего зависит скорость развития химических реакций и время формирования начального очага воспламенения.

Для этого ввели термин -период задержки воспламенения, его значение фиксируется с момента подачи искрового разряда до момента, когда объем реагирующей смеси вырастетдо значений, при котором становится заметным выделение теплоты и повышение давления в цилиндре.

Наибольшая скорость сгорания в ТВС достигается при коэффициенте избытка воздуха от 0,85 до 0,9, так как в этом случае температура газов во фронте пламени становится максимальной и способствует ускорению прогрева и воспламенению прилегающих слоев свежей рабочей смеси[1].

Если ближайший к очагу воспламенения слой холодной смеси успеет прогреться до температуры, при которой начинаются реакции окисления, то пламя от очага воспламенения перемещается на соседний сферический слой горючей смеси, и таким образом, слой за слоем происходит распространение пламени по всему объему камеры сгорания[5].

Если же выделение теплоты происходит медленно или количества теплоты недостаточно,и она не успевает рассеиваться по окружающему холодному свежему заряду, возникший первоначально очаг воспламенения затухает, пламя не распространяется. Этот момент фиксируется как пропуск вспышки в цилиндре двигателя.

При сильном обеднении смеси (>1), как и при сильном обогащении ( 1,0 действительное количество воздуха в смеси больше теоретически необходимого – ТВС называют бедной по составу.

Последствия неполного сгорания топлива

16 октября 2015 13:49:38
Отзывов: 0
Просмотров: 10281

По статистике всего около 5% автолюбителей выбирают АЗС ориентируясь на качество топлива. Остальные по доступности, бренду и совету друзей. Качество топлива-это в первую очередь качество его сгорания или горения. Другими словами, только 5% принимают во внимание последствия неполного сгорания. В то время как остальные или не слышали об этом ничего, или доверяют вывескам-ЕВРО5, или надеются на дельный совет друга, или используют присадки для повышения октанового, цетанового числа и депрессорные или антигели.

Все перечисленные способы не оптимизируют процессы сгорания в двигателе и не влияют на его эксплуатационные характеристики. Тяжелые фракции топлива имеют высокую точку кипения. От этой характеристики и зависит насколько будет неполным сгорание.

Причины неполного сгорания:

Наличие воды, серы, смолы, парафина, соли органических кислот, механических примесей в топливе.
Непрогретый двигатель.
Неисправные инжектора.

Влияние на эксплуатационные характеристики и ресурс двигателя.

Присутствие воды – неоспоримый факт. Приводит к образованию коррозии инжектора, поршней и других деталей; образованию шлака, трудному запуску, особенно дизельного двигателя в зимнее время. Попадание конденсата воды в масло приводит к снижению эффективности смазки и как следствие к износу пар трения, таких, как коленвал, подшипники; повышению температуры и перегреву.

Читать еще: Как погиб юрий кормушин

Сгорание серы происходит с выделением оксида серы 2 и 3, которые вступают в реакцию с конденсатом воды и образуют серную кислоту. Всем известны свойства этой кислоты. Она вызывает коррозию в двигателе, стенок цилиндров, инжектора, а также выхлопной трубы. Мелкодисперсная окись железа, попадая в масло, начинает работать как абразив, увеличивая зазоры между сопряженными поверхностями трения. Кроме того, неполное сгорание способствует образованию нагара, который в свою очередь, накапливаясь на стенках камеры сгорания приводит к уменьшению ее теплопроводности, что вызывает локальный перегрев и снижение ресурса работы сальников клапанов; ускоренному износу поршневых колец. Окалины нагара являются абразивом, попадая в мотор приводят к механическому износу, появлению задиров на цилиндре и как, следствие снижение компрессии, падение мощности и кпд двигателя. Следствием износа поршневых колец становится снижение компрессии и увеличение расхода топлива и масла на угар. Наличие серы в выхлопных газах приводят к осаждению масла, попадая в поддон, что приводит к старению моторного масла и его деградации, и потери смазочного эффекта, что способствует перегреву.

Соли органических кислот и механические примеси образуются при хранении топлива, которые вызывают повышенный износ в местах трения поршня о стенки цилиндров, что приводит к снижению мощности и расходу топлива.

В качестве самых тяжелых фракций выступают смолы и сложные парафины, точка кипения которых самая высокая и, следовательно, самые тяжелые условия для их полного сгорания. Остатки несгоревших тяжелых фракций оседают в виде сажи на стенках камеры сгорания, на стенках всего газоотводящего тракта и в катализаторе дожига, а также накапливаются в поршневых канавках компрессионных колец и в зазорах маслосъемных колец, нарушая их правильную работу и увеличивая их износ.

Движение на непрогретом двигателе и экстренное торможение также способствует неполному сгоранию топлива. При чем это характерно не только для тяжелых фракций, но и для легких, температура кипения которых около 40С, что является причиной повреждения и выхода из строя катализатора. При резком торможении топлива в камере сгорания оказывается больше, чем может сгореть. В результате оно попадает в цилиндры, где смывает со стенок масляную пленку, что в свою очередь приводит к повреждению поршней и стенок цилиндров.

В результате коррозийных процессов, образования нагара и шлаков подвержены износу выпускной топливный клапан, инжектора, топливный насос. В результате снижения разгрузочной эффективности выпускного клапана в магистрали и на такте впуска сохраняется высокое давление, инжектор закрывается не полностью, и как следствие попадание топлива в камеру сгорания, что может привести, в том числе к гидроудару. Кроме того, изменяется факел распыла топлива и его глубина распространения в камере сгорания, которые в свою очередь также зависят и от вязкости и размера капель. Ухудшение этих характеристик приводит к неполному сгоранию, снижению мощности, перерасходу топлива и появлению дыма.

Оптимизация процессов горения топлива

Бороться с последствиями неполного сгорания призван продукт Fuelex производящийся как для дизельных, так и для бензиновых двигателей. Являясь каталитической добавкой в топливо, он существенно изменяет процессы горения. Топливо при сгорании в его присутствии подвергается дополнительному окислению во всем распыленном объеме в камере сгорания, благодаря чему происходит изменение скорости нарастания окисления и температуры. Дополнительному окислению подвергаются и ранее не сгоревшие продукты, тем самым способствуя очищению от сажи камеры сгорания и газоотводящего тракта. Эти процессы сопровождаются повышением КПД, уменьшением расхода топлива и уменьшением вредных выбросов в атмосферу. Последний факт мало интересует Российскую действительность. Даже всемирный скандал с концерном Фольксваген не затронул продажи этих автомобилей в России, поскольку по нашим законам количество выбросов вредных веществ не превышает нормы, НО! облегчение работы топливного катализатора и продление сроков его службы за счет применения Fuelex не может не заинтересовать ни автолюбителя, ни профессионала.

Горение бензина без катализатора горения топлива