Лабораторная работа № 5
Оценка основных показателей качества бензина, характеризующих детонационную стойкость.
Цель работы:
Изучение характеристик детонационных свойств бензина. Расчетное и экспериментальное определение октанового числа и чувствительности бензина.
Теоретическая часть.
Закономерности процессов воспламенения и горения
Воспламеняемость– эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса воспламенения. Воспламенение – возникновение очага пламени за счет окисления топливо-воздушной смеси под воздействием внешнего давления, температуры, источника зажигания, разряда статического электричества либо за счет ускорения экзотермических химических реакций – самовоспламенения.
Горючесть– эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса горения паров топлива с воздухом, протекающего в камере сгорания двигателей. Горение – комплекс физико – химических превращений смеси топлива с воздухом, сопровождающийся интенсивным выделением тепла и излучением света.
Воспламеняемость и горючесть предопределяют главное функциональное назначение топлив – энергетическое обеспечение двигателя.
Процессы воспламенения и горения неразрывно связаны между собой. Воспламенение является начальной стадией процесса горения – распространения пламени.
В основе процесса горения топлив лежат химические реакции, развивающиеся в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением тепла, и катализирующих процесс промежуточных продуктов окисления. Процесс воспламенения и горения определяется условиями передачи тепла и вещества из зоны реакции в свежую горючую смесь.
Горение в ДВС – периодический и циклический процесс. Отдельные его акты длятся тысячные доли секунды. Каждый единичный акт горения развивается в условиях прогрессирующего самоускорения, связанного с повышением температуры и накоплением активных промежуточных продуктов окисления.
Воспламенение и распространение пламени происходят только при определенных условиях:
• горючая смесь должна находиться в паро- или газообразном состоянии;
• концентрация топлива должна находиться в пределах, в которых воспламенение и распространение зоны горения возможно;
• накопление в реагирующей смеси теплоты и активных промежуточных продуктов должны обеспечивать прогрессивное самоускорение реакции.
Границы воспламенения и распространения пламени.
Верхний предел– такая концентрация топлива в горючей смеси, выше которой воспламенение не происходит и пламя не распространяется.
Нижний предел– такая концентрация топлива в горючей смеси, ниже которой воспламенение не происходит и пламя не распространяется.
Прекращение горения вне пределов распространения пламени объясняется охлаждением зоны горения вследствие энергетического обмена с окружающей средой.
В бедных и богатых горючих смесях химическая реакция окисления развивается медленно и активных промежуточных продуктов образуется недостаточно для быстрого развития реакции, а отвод тепла из зоны реакции превышает тепловыделение.
В зависимости от того, какие причины вызывают прогрессивное самоускорение реакции в процессе воспламенения, различают тепловое, цепное и цепочно – тепловое воспламенение.
Тепловое воспламенение– причиной является накопление тепла.
Цепное воспламенение– причиной является накопление активных центров реакции, обусловленное разветвленным цепным механизмом, приводящим к быстрому нарастанию скорости реакции.
Цепочно – тепловое воспламенениеимеет место в том случае, когда медленно развивающаяся цепная реакция самоускоряется сначала за счет образования активных продуктов, а затем за счет накопления выделяющегося тепла.
В поршневых автомобильных двигателях воспламенение и горение протекают по цепочно-тепловому механизму.
При искровом зажигании инициатором цепных реакций являются активные атомы и ионы, которые возникают при электрическом разряде. Развитие химических реакций происходит за счет экзотермических реакций окисления. Выделение тепла увеличивает скорость цепных реакций и рождение новых активных центров.
Детонационное распространение пламени происходит при воспламенении горючей смеси вследствие сжатия ее в ударной волне. Ударная волна, проходя по горючей смеси, вызывает ее нагрев. Степень нагрева смеси зависит от скорости ударной волны, температуры и давления. Если степень сжатия достаточна для воспламенения смеси, то возникает детонационная волна. Детонационная волна представляет собой совместное распространение механической ударной волны с фронтом пламени. Скорость распространения детонационных волн в зависимости от условий составляет от 1200 до 3500 м/с. Детонационное сгорание вызвано накоплением нестабильных промежуточных продуктов предпламенного окисления углеводородов и быстрым их сгоранием во фронте ударной волны (рис. 5.1). Характеристики ударных волн показаны в таблице 5.1.
Рис. 5.1. Схема детонационного сгорания в двигателе:
а-а – положение фронта пламени к началу детонации;
А – очаг самовоспламенения; 1-3 – мгновенные поло-
жения распространения зоны горения очага А; 01-04 –
ударные волны; 1′-4′ - отраженные ударные волны.
Характеристика ударных волн.
Таблица 5.1
|
Отношение давления за ударной волной к начальному давлению |
Скорость ударной волны, м/с |
Температура за ударной волной, ºС |
|
2 |
452 |
63 |
|
5 |
698 |
209 |
|
10 |
978 |
432 |
|
50 |
2149 |
1928 |
Эффективное использование тепла при сгорании бензина возможно лишь при нормальном сгорании.
Нормальное горение сопровождается плавным повышением давления в камере сгорания и относительно невысокой скоростью распространения фронта пламени – 40-50 м/с вследствие передачи тепла путем теплопроводности и лучеиспускания.
В процессе нормального сгорания бензина выделяют три основные фазы:
• начальная I– период задержки воспламенения от момента подачи искры до возникновения пламени;
• основная II– от возникновения пламени до максимального давления;
• завершающая III– период догорания горючей смеси в отдельных объемах, образующихся при разрушении фронта пламени.
Детонационное горение сопровождается высокой скоростью распространения пламени, соизмеримой со скоростью ударной волны, совместное распространение которой с фронтом пламени образует детонационную волну. При работе двигателя с детонацией возникает металлический стук, который является результатом многократных периодических отражений ударных волн от стенок камеры сгорания. При этом на индикаторных диаграммах в конце сгорания регистрируются вибрации давления в виде ряда затухающих пиков (рис. 5.2).
Рис. 5.2 Индикаторная диаграмма рабочего процесса
бензинового двигателя при нормальном и детонационном
сгорании: φ3-угол опережения зажигания; Р-давление;