2. Физико-химический процесс воспламенения и сгорания в двс

Сгорание топлива – это сложный физико-химический про­цесс окисления горючей части топлива кислородом воздуха, протекающий в ДВС с огромными скоростями и сопровождающийся выделением тепла.

Процесс горения топлива условно делится на две стадии:

1)Воспламенение и рождение объемного очага пламени.

2) Турбулентное распространение пламени по топливовоздушному заряду.

Для осуществления первого этапа процесса горения к топливу требуется подвести достаточное количество воздуха, а также обеспечить высокие температуры для самовоспламенения.

В карбюраторном двигателе осуществляется принудительное воспламенение горючей смеси от электрической искры. Поэтому важными характеристи­ками топлив являются: температура самовоспламенения (min температура, при которой происходит вспышка нагретой горючей смеси паров топлива с кислородом воздуха, без участия постороннего источника зажигания; для дизельного топлива tº самовоспл. равна +240…+300ºС) и температура вспышки (min температура, при которой смесь паров топлива с воздухом в закрытом сосуде способна воспламениться от постороннего источника зажигания; для бензинов tºвспышки равна –20…–40ºС). Эти величины зависят от типа топлива, внешних условий горения (тип ДВС), присутствия инертных газов в системе, концентрации кислорода и пр.

В процессе воспламенения появляются первичные активные частицы (свободные радикалы): Н•, НО•, НО2•, СНО•, R•, RO•, О• и др., которые легко вступают в соединения с кислородом, а так же с исходными или промежу­точными продуктами окисления углеводородов топлива. Саморазогрев реагирующей смеси (экзотермические реакции) приводит к прогрессирующему самоускорению процесса, что важно для развития процесса горения в целом.

На второй стадии горения скорость распространения пламени на несколько порядков выше, чем на первой. За счет выделения большого количества тепла процесс поддерживается на высоком температурном уровне самопроизвольно.

В целом при горении физические процессы (распыление, теплопере­нос, испарение, смешение, сжатие) накладываются на химические про­цессы (окисление до образования конечных продуктов), но между ними не существует четких границ.

При полном сгорании топлива продуктами сгорания являются: СО₂, Н₂О, N₂ (образуется из воздуха и топлива), SО₂:

С₈Н₁₈ + 12,5О₂ + 47N₂ = 8СО₂ + 9Н₂О + 47N₂;

октан

S + O₂ = SO₂.

При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания присутствуют: NO, NO₂, CO, SO₃, сажа, лаки, нагары, летучие несгоревшие углеводо­роды, альдегиды, органические кислоты, продукты окисления присадок (PbO, MnO₂ и др.).

Образование SO₃ характерно для высокосернистых топлив (чаще – мазута):

SO₂ +1/2O₂ = SO₃.

Продуктом неполного сгорания бензина в карбюраторных двигателях чаще всего является угарный газ СО:

С + 1/2О₂ = СО;

С + СО₂ = 2СО

На некоторых участках высокотемпературной зоны двигателей при недостатке кислорода может скапливаться переобогащенная топливом рабочая смесь. При этом часть топлива становится источником образования продуктов неполного сгорания, которые на конечной стадии переходят в нагары. В дизельных двигателях источником нагара может быть и процесс глубокого окисления смазочного масла. Нагары это твердые продукты глубокого окисления углеводородов топлива и масел, различающиеся по глубине карбонизации, составу, цвету и структуре. По структуре нагары делятся: на монолитные, пластинчатые и рыхлые. Химический состав нагаров зависит от качества топлива и масел, режима работы двигателя, степени запыленности воздуха и включает:

– минеральную золу, включая углерод – 25…50 %;

– органические кислоты – 15…22 %;

– карбены и карбоиды – 30…50 %;

– асфальтены – 0,5…2 %;

– смолы – до 1,5 %.

Образовавшийся нагар нарушает нормальный процесс сгорания топлива, увеличивает износ трущихся деталей, усиливает их коррозионное и абразивное разрушение. Нагар может вывести из строя отдельные узлы двигателя: камеры сгорания, форсунки, поршневые кольца, клапаны. Даже незначительное образование нагара может оказаться причиной снижения надежности и долговечности работы двигателя. Кроме того частички нагара содержат сильные токсичные вещества: бензпирен, антрацен и др., что отрицательно влияет на состояние окружающей среды.

Если процесс окисления топлива и масел протекает в тонком слое на нагретых поверхностях, то при этом образуются твердые продукты окисления – лаки, которые также нарушают нормальный процесс работы двигателя.