Сгорание топлива протекает в газовой фазе. Сам процесс сгорания представляет собой быстро преходящие химическую реакцию между компонентами горючей смеси, при которой выделяется теплота, появляется свечение и образуется движение в газовой среде. В горении участвуют молекулы топлива, в которых углерод, водород, а в некоторых топливах и кислород, и молекулы кислорода воздуха.

 

Согласно законам химической кинетики для возникновения реакции необходимо, во-первых, чтобы молекулы, реагирующие, столкнулись между собой, а во-вторых, чтобы эти молекулы были активны, т.е. энергия их должна превышать некоторый предел, за которым происходит разрушение внутримолекулярных связей молекул, реагирующих, и замещение их новыми связями. Это критическое значение энергии называется энергией активации Е. Если энергия молекулы превышает значение Е, то реакция начинает протекать самопроизвольно.

 

Скоростью химической реакции называют количество вещества, прореагировала в единице объема за единицу времени. Эта скорость определяется числом столкновения молекул в единицу времени, которое увеличивается с ростом температуры и повышением давления. При повышении давления число столкновений возрастает в связи с увеличением числа молекул в единице объема.

 

Значительную роль в изучении процессов сгорания углеводородных топлив сыграла цепная теория процесса сгорания,, разработана школой академика Н. Н. Семенова. По этой теории процесс сгорания осуществляется в виде цепи последовательных простых реакций с образованием промежуточных химически активных веществ. Такими веществами являются атомы водорода и кислорода и свободные радикалы ОН, СН, СН2. Они имеют свободную валентность и становятся активными центрами реакции. При столкновении активный центр вступает в реакцию, в результате которой воспроизводится один или несколько новых активных центров. Активация частиц бывает термическая и химическая. В поршневых двигателях решающее влияние оказывает термическая активация. Исключение составляет процесс самовозгорания. С наибольшей скоростью сгорают однородные смеси, в которых молекулы топлива равномерно распределены между молекулами кислорода. В неоднородных газовых смесях скорость сгорания определяется в основном скоростями взаимной диффузии паров топлива и воздуха, поэтому скорость сгорания жидкого топлива зависит от скорости его испарения и смешивания паров топлива с воздухом.

 

Процессы окисления при низких температурах происходят медленно и не приводят к возникновению горения. Для воспламенения топлива в ДВС необходимо повысить энергию молекул до предела, превышающей энергию активации. Для этого используют или принудительное зажигания или самовоспламенения топлива.

 

Условия развития процесса сгорания в начальный и последующие периоды существенно различаются, поэтому процесс сгорания можно разделить на две стадии: зажигание топлива и распространения пламени. Кроме того, процесс сгорания может сопровождаться диссоциацией газов.

 

Зажигания. По теории, разработанной академиком А. С. Соколик [8], различаются высокотемпературное одностадийное и низкотемпературное многостадийный зажигания.

 

В двигателях с принудительным зажиганием имеет место высокотемпературная зажигания. В искровом промежутке свечи зажигания создается температура более 10 000 К. Вследствие этого возникают начальные цепные процессы, которые происходят очень быстро и приводят к саморазогрева смеси и теплового взрыва. Разграничить цепную и тепловую стадии невозможно, такое зажигания называют высокотемпературным одностадийным, так как оно происходит в ограниченной зоне с максимальной температурой.

 

В двигателях с самовоспламенением, дизелях имеет место низкотемпературное многостадийный зажигания, которое возникает вследствие нагревания всей горячей смеси до сравнительно невысокой температуры (450 ... 800К) путем сжатия ее в цилиндре двигателя. В начале такого зажигания развивающихся передпломеневи цепные окислительные процессы, которые идут относительно медленно. При этом образуются неустойчивые промежуточные соединения с кислородом - сначала спирты, альдегиды, оксид углерода, а затем перекиси и радикалы. Возникает так называемое холодное пламя в виде голубого свечения. Давление и температура в камере сгорания в этот период практически не увеличиваются. Далее наступает второй период зажигания, при котором происходит окисление альдегидов и образование новых химически активных перекисей. Температура холодного пламени повышается и давление возрастает. Появляется более интенсивное вторичное свечение и в конце периода происходит тепловой взрыв, в результате которого образуется очаг сгорания. Низкотемпературное зажигания происходит во многих точках объема горючей смеси, в связи с чем его называют объемным самовоспламенением.

 

Весь интервал времени от начала впрыска топлива к возникновению пламени называется периодом задержки самовоспламенения.

 

Распространение пламени. После зажигания пламя распространяется по всему объему горючей смеси. В однородной (гомогенной) смеси это происходит вследствие последовательного принудительного зажигания слоев свежей горючей смеси. Зажигания и сгорания каждого такого слоя происходит в узкой зоне, которая разделяет несгоревшие смесь от продуктов сгорания. Эта зона называется фронтом пламени. В неподвижной горючей смеси, или в такой, что ламинарно перемещается, толщина фронта пламени составляет от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров. Такой фронт пламени называют ламинарным. Путь, который преодолевает фронт пламени по нормали к своей поверхности за единицу времени, называется нормальной скоростью распространения пламени. При атмосферном давлении его скорость составляет 0,35 ... 0,55 м / с.

 

В камерах сгорания двигателей горючая смесь интенсивно завихрюеться и движение ее приобретает турбулентного характера.

 

Под влиянием турбулентности скорость распространения пламени существенно вырастает. Такое сгорания называют турбулентным. Если зона турбулентности сопоставима с толщиной фронта пламени, то турбулентность называют милкомас-штабной. Если она превышает толщину фронта пламени, то ее называют крупномасштабной. Крупномасштабная турбулентность оказывает решающее влияние на процесс сгорания в двигателях.

 

Скорость распространения пламени в гомогенной бензовоздушной смеси зависит от ее состава, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха а. Больше всего ее значение достигается при а = 0,85 ... 0,95 (рис. 4.16). При обеднении и обогащении горючей смеси скорость фронта пламени уменьшается до некоторой (примерно 0,10 м / с) границы, при достижении которой пламя гаснет; в первом случае вследствие расходы доли теплоты на нагрев избытка воздуха, а в дру-гому -за недостатка кислорода.

 

Предел обогащения горючей смеси, выше которой распространение пламени становится невозможным, называется верхней концентрационным пределом амин, а предел обеднения - нижним концентрационным пределом амакс распространения пламени. Эти пределы зависят от свойств топлива и физических условий их сгорания. Для большинства моторных топлив при атмосферном давлении и температуре 293К (рис. 4.16, кривая 2) верхняя граница распространения ламирного пламя амин = 0,25 ... 0,35, а нижняя Амах = 1,65 ... 2,8 . В бензиновых двигателях при турбулентном сгорании (рис. 4.16, кривая 1) имеем амин = 6,4 ... 0,5 и Амах = 1,3 ... 1,4. В газовых двигателях они шире в сторону обеднения.

 

Распространение пламени после самовоспламенения топлива в двухфазных смесях, когда часть топлива находится в паровой фазе, а часть в капельнори-дынном состоянии, что характерно для дизелей, происходит иначе. Зажигание возникает в зонах, насыщенные паром топлива, а от этих очагов зажигания пламя распространяется внутрь зон с капельками жидкого топлива. Распространение пламени определяется диффузионными процессами переноса теплоты, испарением топлива и перемешиванием его с кислородом из внешних зон оказывает решающее влияние на скорость сгорания.

 

В неоднородных смесях всегда образуются многочисленные зоны, где а = 0,85 ... 0,95, которые и становятся центрами зажигания более обедненной смеси. Поэтому дизели могут работать на малых нагрузках при очень бедной смеси с а> 4. Но при а <(1,4 ... 1,5) появляются зоны со значительными местными перезбага-ния смеси с а <(0,3 ... 0,4). В этих зонах происходит крекинг углеводородных молекул без достаточного доступа воздуха и образования маленьких частиц твердого углерода в виде сажи и дыма. Именно это является причиной дымности дизелей при увеличении нагрузки свыше некоторого предела.

 

Диссоциация газов в процессе сгорания-это распад сложных химических соединений на простые элементы под воздействием высокой температуры. При нагревании выше 2300 К углекислый газ СО2 частично распадается на оксид углерода CO и кислород О2, а водяной пар Н2О-на водород Н2 и кислород О2. Поскольку такие температуры имеют место при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя, то в продуктах сгорания происходит частичная диссоциация СО2 и Н2О. Диссоциация является эндотермическим реакцией, то есть сопровождается поглощением теплоты.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+