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 Н_В принимают всё тепло, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды. При определении низшей теплоты сгорания Н_Н 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:

химического состава топлива;

количества топлива;

соотношения количества топлива и воздуха;

количества остаточных газов в цилиндре;

температуры рабочей смеси в момент подачи искры;

давления рабочей смеси в момент подачи искры;

конструкции камеры сгорания;

степени сжатия;

частоты вращения коленчатого вала.

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