Теоретическое количество воздуха для полного сгорания топлива.

Элементарный состав топлива имеет вид: С+Н+О=1

Горение представляет собой процесс окисления углеводородов топлива кислородом воздуха: С+О₂=СО₂ и 2Н₂+О₂=2Н₂О

При расчете в молях будем иметь:

1кмоль С+1кмоль О₂=1кмоль СО₂

2кмоль Н₂+1кмоль О₂=2кмоль Н₂О

Выразив реагирующие компоненты в весовом значении, получим:

12 кг С+1кмоль О₂=1кмоль СО₂

2 кг Н₂ +1кмоль О₂=2кмоль Н₂О

Для реагирования 1 кг С и 1кг Н реакция принимает вид:

1 кг С+1/12 О₂=1/12 СО₂

1кг Н₂ +1/4 О₂=1/2 Н₂О.

Так как в 1 кг топлива содержится С кг углерода и Н кг водорода, то реакция принимает вид:

С кг С+С/12 О₂=С/12 СО₂

Нкг Н₂ +Н/4 О₂=Н/2 Н₂О.

Таким образом для сгорания 1 кг топлива необходимо (С/12 +Н/4) кмоль кислорода. Учитывая, что в воздухе содержится 21% (по объему) кислорода, теоретическое количество воздуха в кмолях/кг топлива будет равно:

Для бензина состав С=0,855 Н=0,145

Для дизельного топлива: С=0,87, Н=0,126, О_Т=0,004

Состав и количество продуктов сгорания бедных смесей

При работе двигателя на обедненных смесях (α>1) в цилиндрах создаются благоприятные условия для полного сгорания топлива с образованием следующих элементов: углекислого газа и воды с наличием избыточного кислорода и инертного азота. Общее количество продуктов сгорания определяется из уравнения:

где – количество продуктов сгорания углерода;

–количество продуктов сгорания водорода;

–количество избыточного кислорода;

–количество инертного азота.

Определим составляющие продуктов сгорания:

=С/12;

=Н/2;

Остаточный кислород:

где – количество поступившего кислорода

–количество кислорода, участвующего в сгорании.

Подставив эти значения в исходное уравнение, получим:

Заменив значение 0,21L₀ на выражение (С/12+Н/4-О/32), получим:

Приращение числа молей газов происходит вследствие увеличения суммарного количества молекул при химических реакциях сгорания водорода и участия в реакциях кислорода, содержащегося в топливе.

Для оценки относительного количества кмолей продуктов сгорания используют коэффициент молекулярного изменения μ, представляющий собой отношение количества газов в конце сгорания к количеству заряда в конце сжатия:

Величина μ для жидких топлив всегда больше единицы и лежит в пределах 1,02…1,12 для карбюраторных двигателей и 1,02…1,06 – для дизелей.

Факторы, влияющие на процесс сгорания в двигателях с искровым зажиганием

Состав смеси. Состав рабочей смеси (коэффициент избытка воз­духа α) влияет на скорость сгорания и количество выделяющегося тепла, что отражается на изменении давления и температуры газов в цилиндре двигателя. Минимальные значения угла опережения зажигания, первого и второго периодов и максимальные P_z достигаются при α =0,85 – 0,9, при котором наблюдаются наибольшие скорости распростра­нения пламени и интенсивности тепловыделения, а следовательно, и наибольшая мощность, развиваемая двигателем. Такой состав смеси называют мощностным. При α> 0,9 возрастает длительность периода начального горения горения, что вызывает необходимость увеличивать угол опережения зажигания.

Длительность основного горения изменяется незначительно, хотя максимальные давления снижаются, а соответственно уменьшаются значения dp/dφ.

При обеднении смеси свыше некоторых пределов(α=1,3…1,35), зависящих от конструктивных особенностей двигателя, его нагрузки и степени сжатия, сгорание в последовательных рабочих циклах начинает развиваться неодинаково: в одних циклах еще достаточно быстро, в других — очень замедленно. Подобное неидентичное протекание сгорания в отдельных циклах, связанное с ухудшением условий воспламенения искрой обедненных смесей и распростране­ния пламени, приводит к тому, что, начиная с некоторых значений α, работа двигателя делается неустойчивой.

Состав смеси, соответствующий минимальному эффективному удельному расходу топлива на данном режиме работы двигателя, называется экономичным (α=1,15…1,2).

Нагрузка. По мере уменьшения мощности двигателя путем дросселирования снижаются начальные и конечные давления сжатия и уве­личивается степень разбавления рабочей смеси остаточными газами. Это приводит к существенному ухудшению условий воспламенения смеси искрой и развития в ней начального очага горе­ния. Соответственно возрастает длительность периода начального горения, и процесс сгорания делается менее устойчивым. В какой-то мере помогает обогащение смеси, при которых происходит более надежное ее воспламенение искрой.

Неудовлетворительное протекание сгорания на режимах малых нагрузок и необходимость при этом обогащения смеси приводит к непроизводительному перерасходу топ­лива и к возрастанию токсичности отработавших газов.

Степень сжатия. С увеличением степени сжатия ε повышаются давления и температуры рабочей смеси к моменту подачи искры и уменьшается концентрация остаточных газов. При этом создаются более благоприятные условия для воспламенения смеси искрой, сокращается длительность начальной фазы сгорания; расширяются пределы возможного обеднения смеси.

Большие давления и температуры сжатой смеси способствуют также повышению скоростей сгорания в периоде основного горения, но в тоже время увеличивается доля смеси, догорающей в третьей фазе (возрастает относительное количество смеси, заключенной в пристеночных слоях и в вытеснителях). В двигателях с высокими ε уменьшаются оптимальные углы опережения зажигания, сокращается продолжительность сгорания до момента, при котором достигается максимум давления (P_{z max}приближается к в. м. т.), но одновременно с этим понижается коэффициент активного тепловыделения χ.

б)

Рис. 35. Влияние частоты вращения на характер индикаторных диаграмм

1– n=1000 об/мин; 2 – n=2000 об/мин

3 – n=2000 об/мин

Частота вращения. С возраста­нием частоты вращения коленчатого вала двигателя сокращается время, отводимое на развитие процесса сго­рания, и одновременно увеличивает­ся интенсивность турбулизации ра­бочего заряда. В связи с этим скорость распрост­ранения фронта пламени в основной фазе сгорания возрастает примерно пропорционально частоте вращения, а длительность основной фазы Θ₂, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, ос­тается неизменной. Длительность начальной фазы сгорания Θ₁ и догорания Θ₃ с рос­том частоты вращения увеличи­вается.

Если при неизменном составе смеси повышать частоту вращения n, сохраняя угол φ_оз постоянным, то будет наблюдаться все более позднее развитие процесса сгорания по циклу (рис. 35, а). При соот­ветствующем увеличении угла φ_оз можно добиться того, что линии повышения давления в основной фазе сгорания при разных значе­ниях п практически будут совпадать (рис. 35, б).

Форма камеры сгорания. Турбулизация рабочего заряда в ци­линдре, вызванная поступлением в него смеси через сравнительно узкие проходные сечения газораспределительных органов (клапаны, впускные патрубки), может быть дополнительно усилена за счет перетекания смеси из цилиндра в камеру сгорания в конце такта сжатия. Это достигается приданием камерам сгорания соответствую­щей формы, при которой в некоторой части камер образуются срав­нительно узкие зазоры между нижней поверхностью головки цилин­дров и днищем поршня — вытеснители (см. рис. 33).

Рис. 36. Схемы камер сгорания карбюраторных двигателей

а – полусферическая; б – плоскоовальная; в– клиновая;

г – полуклиновая.

Вытеснители обычно располагают так, чтобы создать дополни­тельное завихрение заряда в тех зонах, до которых фронт пламени от свечи доходит в последнюю очередь. Этим достигается ускоренное догорание смеси. Свечу располагают так, чтобы не создавалась вблизи ее излишне высокая турбулизация и одновременно обес­печивалась хорошая очистка зоны свечи от остаточных газов, на­правляя на нее часть потока смеси, поступающей через впускной клапан.

Чем ближе к центру камеры сгорания установлена свеча, тем короче путь, проходимый фронтом пламени до наиболее удаленных точек. При центральном расположении свечи достигается наиболь­шая поверхность фронта пламени, в результате чего скорость тепло­выделения, а соответственно и скорость нарастания давления оказы­ваются выше, чем при боковом расположении свечи.

Однако при большой площади вытеснителей относительная доля интенсивно охлаждаемой несгоревшей смеси, заключенной в узких зазорах между головкой цилиндра и днищем поршня, оказывается довольно значительной, что может привести к заметному снижению коэффициента активного тепловыделения в точке P_max, а следова­тельно, к уменьшению полезной работы цикла. В связи с этим пло­щадь вытеснителей обычно не превышает 30—40 % площади поршня.

К числу основных мероприятий, используемых для улучшения процесса сгорания в двигателях легкого топлива и снижения их ток­сичности, относятся следующие:

1. Интенсификация искрового зажигания.

2. Создание в цилиндрах завихрения рабочего заряда примене­нием конструкций впускных патрубков, обеспечивающих танген­циальное или спиральное направление движения смеси, что сокра­щает длительность сгорания и улучшает степень воспроизводимости последовательных циклов.

3. Расслоение рабочего заряда так, чтобы в зоне свечи концен­трировалась обогащенная смесь, а по мере удаления от свечи она обеднялась. Это достигается путем впрыска бензина в камеру сго­рания в конце такта сжатия при соответствующим образом организо­ванном воздушном вихре. Такой же эффект можно получить приме­нением раздельного впуска в цилиндр обогащенной и обедненной смеси (вплоть до чистого воздуха). Однако в однополостных камерах трудно обеспечить оптималь­ные условия такого расслое­ния в широком диапазоне изменения скоростных и на­грузочных режимов.

Лучшие результаты до­стигаются при использова­нии разделенных камер с форкамерно-факельным за­жиганием.