logo
Дрючин ЭМ

2.1 Сгорание топлива в двигателе

Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в топливе соединений с кислородом воздуха, сопровождающуюся свечением и выделением значительного количества тепла.

На процесс сгорания в значительной степени влияет количество подаваемого воздуха.

Количество воздуха L0 в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Отношение действительного количества L воздуха к стехиометрическому называют коэффициентом избытка воздуха .

 = L / L0, (2.1)

Как недостаток (<1, богатая смесь), так и избыток (>1, бедная смесь) воздуха приводит к уменьшению скорости горения и снижению эффективности тепловых процессов. Обогащение топливо-воздушной смеси, помимо этого, приводит к повышению токсичности отработавших газов двигателя.

Одной из важнейших характеристик топлива является теплота его сгорания. Теплота сгорания (теплотворность, теплотворная способность) – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объёма топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплоту сгорания НВ принимают всё тепло, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды. При определении низшей теплоты сгорания НН тепло, выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания, не учитывается. Оценивая теплоту сгорания топлива, обычно пользуются значениями низшей теплоты сгорания.

Теплота сгорания топлива влияет на топливную экономичность: чем она выше, тем меньше топлива содержится в 1 м3 смеси, так как с увеличением теплоты сгорания топлива возрастает количество воздуха, теоретически необходимого для его полного сгорания.

Структуру процесса сгорания топлива можно представить, как две фазы (рисунок 2.1): образование очага горения (участок а) и образование пламени (участок б). Первая фаза – период скрытого сгорания или период задержки воспламенения характеризуется более интенсивной подготовкой рабочей смеси к сгоранию, чем в период сжатия.

Вторая фаза – непосредственное сгорание (сопровождается более быстрым, чем при чистом сжатии, повышением давления) продолжается до максимального подъёма давления и обычно заканчивается спустя несколько градусов после верхней мёртвой точки.

Скорость сгорания при нормальном развитии процесса зависит от следующих основных факторов:

При нормальном сгорании процесс проходит плавно с почти полным протеканием реакций окисления топлива и средней скоростью распространения пламени 10 – 40 м/с.

Рисунок 2.1 – Диаграмма процесса сгорания в двигателе с зажиганием от искры

Когда скорость распространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500 – 2000 м/с, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости пламени и возникновением ударной волны.

Согласно перекисной теории (она в настоящее время общепризнанна), при детонации образуются первичные продукты окисления топлива – органические перекиси.

При присоединении молекулы кислорода к углеводородам по С – С связи образуется перекись, по С – Н связи – гидроперекись. Перекиси, образующиеся в процессе предварительного окисления, накапливаясь в несгоревшей части рабочей смеси, распадаются (по достижении критической концентрации) со взрывом и выделением большого количества тепла.

Детонация приводит к потере мощности двигателя, его перегреву, прогару поршней, клапанов и поршневых колец, нарушению изоляции свечей, растрескиванию вкладышей шатунных подшипников, повышению токсичности отработавших газов.

Когда детонирует около 5 % смеси, появляются внешние признаки детонации. Если детонирует 10 – 12 % смеси, наблюдается детонация средней интенсивности. Очень сильная детонация характерна для 18 – 20 % детонирующей смеси