20.3.3. Теплота сгорания горючей смеси

Одно из эксплуатационных требований к качеству топлива – возможно большая теплота его сгорания. Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем меньше расход топлива для выполнения определенного объема работы.

Различают высший и низший пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей. Высший предел воспламеняемости будет при таком избытке топлива в воздухе, при котором дальнейшее обогащение смеси делает ее невоспламеняемой. Низший предел воспламеняемости будет при недостатке топлива в воздухе, когда дальнейшее обеднение смеси делает ее невоспламеняемой. Так, например, высший предел воспламеняемости бензинов будет при , а низший при . Пределы воспламеняемости несколько увеличиваются при повышении температуры и давления.

Теплота сгорания горючей смеси любого состава может быть подсчитана по формуле:

, ккал/кг

где – низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг; – коэффициент избытка воздуха; – расчетное количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, кг/кг.

При одной и той же теплоте сгорания топлива тем больше, чем меньше коэффициент избытка воздуха.

Несмотря на то, что горючие смеси различных топлив имеют близкие значения теплоты сгорания, сжигать в двигателях высококалорийное топливо выгоднее и удобнее, так как уменьшается емкость баков и повышается грузоподъемность машины.

20.3.4. Нормальное и детонационное сгорание топлива в двигателе

В двигателях внутреннего сгорания химическая энергия топлива переходит в тепловую, преобразуемую в полезную механическую работу.

Температура (200–370°) и давление (10–12 кг/см²) горючей смеси в карбюраторных двигателях в конце хода сжатия зависят от степени сжатия .

В конце сжатия до подхода поршня к ВМТ рабочая смесь воспламеняется от электрической искры запальной свечи. Опережение зажигания необходимо, чтобы основная масса топлива сгорала вблизи ВМТ, а догорание при ходе расширения было возможно меньшим.

В карбюраторном двигателе топливо сгорает как бы за два периода. В первом топливо окисляется, нагревается до определенной температуры и воспламеняется, а во втором сгорает основная порция топлива. Первый период продолжается от момента подачи электрической искры до начала воспламенения (примерно 5–10° поворота коленчатого вала) и характеризуется резким нарастанием давления. Второй период продолжается до максимального подъема давления и обычно заканчивается после в.м.т. Дальше при такте расширения происходит небольшое догорание, давление снижается (рабочий ход).

При нормальном горении топлива фронт пламени распространяется со скоростью 20–35 м/сек по всему объему цилиндра двигателя. Скорость горения зависит от химического состава и количества топлива в смеси, температуры, давления, наличия в цилиндре остаточных газов.

Наибольшая скорость сгорания будет при небольшом обогащении рабочей смеси ( ). Дальнейшее обогащение или обеднение ее снижает скорость сгорания: в первом случае из-за неполноты сгорания топлива, а во втором из-за сильного разбавления смеси инертным азотом. При повышении начальных температур и давлении (при увеличении степени сжатия) скорость сгорания увеличивается. Однако увеличение степени сжатия может нарушить нормальное сгорание топлива; при этом возникает взрывное сгорание и появляются различные ненормальности в работе двигателя. Взрывное сгорание топлива называется детонацией.

При детонационном сгорании топлива вначале скорость распространения пламени такая же, как и при нормальном горении, но к концу фазы горения про­исходит очень быстрое, почти мгновенное распространение фронта пламени и скорость достигает 1500–2500 м/сек. Возникшие детонационные волны с очень большой скоростью многократно ударяются и отражаются от стенок цилиндра, вызывая характерный металлический стук (основной внешний признак детонации). Начинается вибрация деталей двигателя, повышаются температура и давление оставшейся несгоревшей части топливного заряда, перегреваются цилиндры двигателя, иногда прогорают клапаны, поршни и другие детали. В выхлопных газах обнаруживаются продукты неполного сгорания топлива, появляется искрящийся дымный выхлоп, падает мощность двигателя.

Детонация обычно возникает в каком-нибудь одном цилиндре двигателя, причем степень детонации бывает разная. Если детонирует небольшая часть (до 5%) топливного заряда, то детонация слабая. Если детонирует 15–20% оставшейся (несгоревшей) горючей смеси, то происходит сильная детонация, приводящая к повышенному износу и разрушению деталей двигателя.

Основной фактор, от которого зависит возможность детонации, – это определенный химический состав топлива. К моменту сгорания последней порции топлива, обладающего малой детонационной стойкостью, в горячей смеси накапливается много легко взрывающихся перекисных соединений, распад которых сопровождается выделением атомарного кислорода и вызывает взрывное сгорание оставшейся части топлива. Высокие температуры и давления в этот период способствуют возникновению детонации.

У топлив, обладающих высокой детонационной стойкостью, концентрация продуктов окисления недостаточна для возникновения детонации.

Наибольшая детонация наблюдается при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Обеднение или обогащение смеси уменьшает детонацию, так как в первом случае снижаются скорость распространения пламени, температура и давление, а во втором снижается активность смеси из-за недостатка кислорода и уменьшается количество образующихся перекисных соединений.

Снизить детонацию можно уменьшением угла опережения зажигания: чем меньше угол, тем позже воспламеняется смесь, меньше время на сгорание и образование продуктов окисления. Для этой же цели увеличивают число оборотов вала двигателя, тогда уменьшается время на подготовку горючей смеси и на процесс сгорания, а следовательно, и время на образование перекисных соединений. Уменьшить слабую детонацию можно прикрытием дроссельной заслонки, в этом случае уменьшается порция горючей смеси.

Летом выше температура засасываемого воздуха, выше температура и давление горючей смеси, поэтому склонность топлива к детонации больше. При улучшении качества охлаждения двигателя температура стенок цилиндра снижается, и склонность к детонации уменьшается. При повышении влажности засасываемого воздуха также наблюдается снижение детонации за счет большей затраты тепла на испарение воды.