Процесс сгорания. Скорость сгорания.

Горение - сложный физико-химический процесс, который до настоящего времени полностью не изучен. Процесс сгорания всегда протекает в газовой фазе.

На величину скорости горения влияют катализаторы (водяные пары, платина и др.). В карбюраторных двигателях, с целью подавления детонации, применяют отрицательные катализаторы - карбонил железа, тетраэтилсвинец и др.

При сгорании однородных углеводородных топлив максимальная скорость пламени получается, когда горючая смесь несколько обогащенная. В случае, когда скорость снижается до ~0,1 м/с пламя гаснет.

Обогащение смеси, при котором пламя гаснет, называется верхним концентрационным пределом _min, а предел возможного обеднения нижним контрационным пределом_maxраспространения пламени. За этими пределами горение однородных смесей невозможно.

Для бензиновых двигателей:

_min=0,4-0,6;

_max=1,4-1,6.

В ДВС имеет место турбулентное горение, представляющее собой процесс турбулентного смешения продуктов сгорания и свежей смеси и затем сгорание последней вследствие повышения ее температуры. Скорость сгорания определяется в основном турбулентными пульсациями в камере сгорания интенсивностью перемешивания продуктов сгорания со свежей смесью.

Самовоспламенение - прогрессирующее ускорение реакций. Оно наступает, когда скорость тепловыделения за счет химических реакций превышает скорость отвода тепла в окружающую среду.

В дизеле самовоспламенение происходит при впрыскивании топлива в сжатый воздух; в карбюраторном двигателе - заряда при детонации.

Время от момента впрыска топлива в цилиндр до появления видимого пламени называют периодом задержки воспламенения.

Анализ процессов сгорания в дизеле.

В дизеле топливо впрыскивается в сжатый воздух, имеющий давление 3-4 МПа и температуру 800-1000 К. Для анализа процесса сгорания используют индикаторную диаграмму в координатах p-.

Рис.6.1. Индикаторная диаграмма в координатахp-

Обозначены: точка 1- начало впрыска топлива; точка 2- тока отрыва линии повышения давления (линии сгорания) от линии сжатия; точки 3 и 4 - моменты достижения максимальных давлений и температуры цикла; _вп- угол опережения впрыска топлива.

В дизеле весь процесс сгорания складывается из собственно трех периодов (фаз) сгорания _1,_2,₃и одного подготовительного периода_.

Подготовительный период_период задержки воспламенения. Он занимает промежуток времени от точки 1 до точки 2. Задержка складывается из физической (распад струи, прогрев и частичное испарение капель топлива) и химической (реакций предварительного окисления). Скорость тепловыделения в этом периоде мала и даже преобладает расход теплоты на испарение топлива, вследствие его повышения давления не наблюдается.

На длительность _влияют следующие факторы:

1. Химические свойства топлива (цетановое число). Чем больше цетановое число, тем больше топливо склонно к окислению и тем _короче.

2. Степень сжатия. С ее ростом период задержки воспламенения сокращается, т.к. давление и температура в процессе сжатия при увеличении степени сжатия повышается.

3. Качество распыливания. Чем мельче распылено топливо, тем короче _вследствие более быстрого испарения капель.

4. Движение воздушного потока в камере сгорания. Турбулизация приводит к быстрому испарению капель топлива и их перемешиванию с воздухом, что уменьшает подготовительный период.

Первая фаза₁- период быстрого сгорания (от точки 2 до точки 3).За этот период выделяется большое количество теплоты.

В качестве критерия интенсивности сгорания в первой фазе принимают среднюю скорость возрастания давления W_ср=p/.

Скорость возрастания давления характеризует жесткость работы дизеля. Если W_ср=0,3-0,6 МПа/град.п.к.в., то работу двигателя считают мягкой; приW_ср>0,6 МПа/град.п.к.в. – жесткой. С увеличением жесткости возрастают нагрузки на детали двигателя.

Длительность ₁зависит от следующих факторов:

1. Конструкции камеры сгорания. Более короткий период ₁у неразделенных камер сгорания, а самый длинный период у двигателей с предкамерой.

2. Нагрузки двигателя. С ростом нагрузки длительность ₁возрастает, т.к. в этом случае количество впрыскиваемого топлива увеличивается и требуется больше времени для сгорания.

3. Закон подачи топлива. Топливо можно подать в камеру быстро или медленно. Чем короче продолжительность впрыска _вп, тем меньше₁.На практике стремятся_впсделать минимальным. Это улучшает экономичность, но при этом жесткость работы двигателя повышается.

На рис.6.1 показаны теоретическая и действительная характеристики впрыска топлива. Кривая 1 показывает, что подача топлива в начале впрыска происходит медленно, а затем резко возрастает. Однако в реальных условиях такую кривую получить сложно.

Подача топлива заканчивается в конце ₁или в начале второй фазы_2.

Вторая фазаθ₂- период замедленного сгорания от точки 3 до токи 4.

В этой фазе температура газов непрерывно повышается, т.к. топливо еще сгорает, а давление резко падает вследствие увеличения объема цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ.

На продолжительность ₂влияют закон подачи топлива, интенсивность вихревого движения заряда, коэффициент избытка воздуха.

Третья фаза ₃- период догорания топлива: от точки 4 до момента, когда тепловыделение достигает 95-97%. Всегда стремятся сократить₃. Большая длительность₃приводит к росту температуры отработавших газов, и к повышению теплового состояния двигателя. В результате ухудшаются мощность и экономичность. Для уменьшения₃сокращают подачу топлива во втором периоде₂и усиливают турбулизацию воздуха в камере сгорания.