Реферат Процесс сгорания топлива в ДсИЗ. Процесс сгорания топлива в двигателе. Процесс сгорания топлива в двигателе
 Скачать 119.98 Kb.
|
|
Процесс сгорания топлива в двигателе При сгорании рабочей смеси в поршневых двигателях увеличивается температура и повышается давление в цилиндрах. Для повышения эффективности работы двигателя желательно, чтобы сгорание происходило вблизи в.м.т. поршня, когда рабочая смесь занимает минимальный объем, имеет наименьшую поверхность соприкосновения со стенками цилиндра. Чем меньше поверхность теплоотвода, тем меньше тепла уходит в окружающую среду и тем большая доля его превращается в полезную работу. Смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого времени. Продолжительность и характер протекания процесса сгорания зависят от типа смесеобразования. Рассмотрим процесс сгорания рабочей смеси для двигателей с искровым зажиганием и для дизелей. Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Процесс сгорания условно делят на три фазы. Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании. Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла. Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным. От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма. Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов. Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза. На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала. Влияние степени сжатия При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта. Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания. Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы. Влияние угла опережения зажигания Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя. При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания. Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный. Влияние состава рабочей смеси Состав рабочей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха а. Состав влияет на скорость сгорания, количество выделяемого тепла, вследствие чего изменяются давление и температура газов в цилиндре. Минимальное значение угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения и максимальное давление в цилиндре достигаются при а =0,85…0,9. При этом значении коэффициента избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность. По мере обеднения состава смеси (а>0,9) изменяется величина оптимального значения Фз, уменьшается величина максимального давления сгорания. Для каждого двигателя принят свой оптимальный состав рабочей смеси, при котором на данном режиме достигается минимальный удельный расход топлива. Для двигателей со степенью сжатия около 8 при почти полном открытии дроссельной заслонки экономичный состав смеси получается при и =1,15…1,2. Для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя с искровым зажиганием существует также свое оптимальное значение угла опережения зажигания. Поэтому в конструкции таких двигателей предусмотрено устройство, обеспечивающее автоматически в зависимости от режима работы двигателя оптимальное значение ф3. Влияние частоты вращения коленчатого вала При увеличении частоты вращения n коленчатого вала увеличивается скорость движения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе и усиливаются вихревые движения смеси в камере сжатия. Опыты показывают, что с увеличением n длительность первой фазы Q1 сгорания, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала Ф, возрастает, процесс сгорания развивается с запаздыванием. Максимальное давление Р цикла снижается и все больше смещается на такт расширения. Экономичность двигателя ухудшается. Если же при увеличении n увеличить на определенную величину фз, то основная фаза сгорания приблизится к в.м.т., давление Р цикла увеличится, и несмотря на то, что третья фаза сгорания (догорание) заканчивается позже, чем при меньших значениях n, экономичность цикла улучшается (кривые 3 к 1, рис. б). Следовательно, для получения максимальной мощности и эффективности двигателя необходимо автоматически обеспечивать оптимальное значение угла опережения зажигания для каждого скоростного режима. Детонация В двигателях с искровым зажиганием при определенных условиях работы двигателя возникает быстрый, приближающийся к взрыву процесс сгорания рабочей смеси. Называется он детонацией. Признаки, указывающие на детонацию при работе двигателя: звонкие металлические стуки в цилиндрах, перегрев двигателя, снижение мощности, появление черного дыма (сажи) в отработавших газах. Основные причины появления детонации: применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного для данного двигателя; повышение степени сжатия, вызванное низким качеством ремонта или обслуживания; увеличение угла опережения зажигания; качество рабочей смеси не соответствует требованиям, которые предъявляются к топливу для данного двигателя. Наиболее склонна к детонации рабочая смесь при а = 0,9. На появление детонации также влияет материал головки цилиндров и поршней. Двигатели, у которых эти детали изготовлены из алюминиевых сплавов, меньше склонны к детонации, чем двигатели, у которых эти детали изготовлены из чугуна. Так как чугун обладает худшей теплоотдачей, то в жаркую погоду детали перегреваются, и это приводит к детонации. Детонация повышает давление и температуру в цилиндрах, вызывает вибрацию двигателя. Вследствие этого ухудшается смазка трущихся поверхностей, обгорают клапаны, поршни, разрушаются подшипники коленчатого вала. Преждевременное воспламенение рабочей смеси В процессе работы двигателя иногда возникают такие условия, при которых отдельные детали внутри камеры сгорания (электроды свечи зажигания, клапаны) нагреваются выше 700…800°С. Соприкасаясь с нагретыми деталями, рабочая смесь воспламеняется раньше, чем возникает искра зажигания. Сгорание начинается до прихода поршня в в.м.т. Происходит так называемое калильное зажигание. Детали при калильном зажигании нагреваются еще больше. Воспламенение смеси при последующих циклах начинается еще раньше. В результате детали настолько перегреваются, что начинают оплавляться, увеличивается сопротивление их движению, и двигатель теряет мощность. Одной из причин возникновения калильного зажигания является применение свечей зажигания, не соответствующих конструкции двигателя. Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании При работе двигателей наблюдаются случаи, когда после того, как выключено зажигание, двигатель продолжает некоторое время работать. Объясняется это тем, что при прикрытой дроссельной заслонке температура рабочей смеси в конце такта сжатия повышается и смесь самовоспламеняется, если частота вращения коленчатого вала прогретого двигателя составляет 300…400 об/мин. Чтобы предотвратить это явление, в конструкцию карбюратора вводят устройство, которое автоматически прекращает подачу топлива при выключении зажигания. Октановое число — это показатель, который характеризует детонационную стойкость топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. Октановое число определяется в процессе лабораторных исследований, на одноцилиндровых стендах. Тестовый состав сформирован парой углеводородов, изооктаном, показатель которого равен 100, и н-гептаном, с нулевым значением. Компоненты смешиваются в нужной пропорции. Если эталонный состав содержит 95% изооктана, то его характеристики идентичны бензину марки АИ-95. Далее работа состава сравнивается с бензином аналогичной марки. Если ДВС функционирует так же, то октановое число топлива соответствует норме, если же имеются отклонения, оно нуждается в корректировке. 5. Как определить октановое число.Чтобы определить октановое число, применяют два метода: моторный (аналогичен работе двигателя за городом) и исследовательский (работа двигателя в городской черте). Их значения не совпадают, так как используются различные показатели измерений. Разница между данными показывает чувствительность бензинов. Поэтому нужно обращать внимание, на детонационную стойкость, которая для всех стран маркируется и определяется по-разному. Для выполнения измерений применяют одноцилиндровые моторы, которые работают с неодинаковой мощностью. Задача опытов – сравнение образцов с эталонной смесью и выбор наиболее близкого, который будет иметь такие же показатели. Для самостоятельной оценки бензинов применяются экспресс-тесты. Данные приборы работают за счет сравнения измерений с эталонной базой. Точность зависит от топливных присадок, которые добавляются производителем. 7. Способы повышения октанового числа.Существует два способа повышения детонационной устойчивости: Изменение технологического процесса. При добавлении катализаторов на основе рения можно увеличить количество разветвленных углеводородов. Добавление присадок – тетраэтилсвинец (запрещен из-за токсичности), добавки на основе эфира, спирта, ароматических углеводородов. С помощью присадок можно повысить стойкость бензинов к детонации на 10–12 единиц. Это не влияет на экологию, но повышает риск образования паровых пробок. При этом такая топливная смесь при длительном хранении теряет свое качество. Показатели бензинов, влияющие на процесс образования отложенийСпособность жидкого топлива сохранять свой состав и свойства в процессе хранения и транспортировки называется стабильностью. Различают физическую и химическую стабильность. Физическая стабильность Изменение физической стабильности возможно в результате кристаллизации высокоплавких углеводородов при низких температурах, а также испарения легких фракций при высоких температурах. Испарение легких фракций бензина возникает при его транспортировке и хранении. В результате этого изменяется состав бензина (так как увеличивается количество легких фракций, бензин обедняется), что затрудняет пуск двигателя. При уменьшении количества легких фракций снижается давление насыщенных паров — при испарении 3—4 % бензина давление насыщенных паров снижается в 2—2,5 раза. Кроме того, потери, вызванные испарением, изменяют начальную температуру разгонки бензина и октановое число. Химическая стабильность Химическая стабильность — сохранение химических свойств вещества в процессе хранения и транспортировки. Со временем в бензинах происходят процессы окисления, уплотнения и разложения. Химическая стабильность бензина, прежде всего, связана с наличием в нем непредельных углеводородов, которые характеризуются повышенной склонностью к окислению. Под воздействием кислорода, воздуха и металлов при высоких температурах непредельные углеводороды быстро окисляются и поли-меризуются, образуя смолистые вещества и окислы. Такие свойства бензинов, как окисление и смолообразование при длительном хранении характеризуются индукционным периодом. Индукционный период — время, в течение которого бензин, находящийся в контакте с воздухом под давлением 0,7 МПа при температуре 100 °С, практически не окисляется. Чем выше индукционный период бензина, тем выше его химическая стабильность. На начальной стадии окисления содержание в бензине смолистых веществ незначительно. По мере окисления количество смолистых веществ возрастает, и они не полностью растворяются в бензине. Смолы, образующие липкие отложения, откладываются в топливном баке, топливопроводах, насосе, карбюраторе, на стержнях впускных клапанов. Смолы, осевшие на горячих деталях, образуют твердые отложения, а попавшие в камеру сгорания, вызывают образование нагара. Таким образом, отложения подразделяются на липкие осадки, лаки и нагары. Лаки — плотные продукты окисления на горячих металлических поверхностях. Для предотвращения образования таких отложении топливо должно обладать моющими свойствами, т. е. способностью противостоять окислению, уплотнению продуктов окисления, их адсорбции и коагуляции на горячей металлической поверхности. Нагар — твердые продукты отложений, образующиеся на поверхности днища поршня и верхней части цилиндра, форсунке и выпускных клапанах. Нагар нарушает тепловой режим двигателя, подачу топлива, увеличивает изнашивание деталей. Поэтому топливо должно иметь низкую нагарообразующую способность. Это зависит от его углеводородного состава, наличия примесей, типа присадок и их концентрации. Липкие осадки — мазеобразные вещества темно-коричневого или черного цвета, состоящие из продуктов низкотемпературного окисления углеводородов и уплотнения, а также из механических примесей и воды. Осадки забивают элементы топливной системы, ухудшают фильтрование и подачу топлива. Поэтому топливо должно обладать высокой химической стабильностью. Отложения смолистых веществ в канавках поршней вокруг компрессионных колец препятствуют движению, вызывают за-липание и прихват поршней. Компрессионные кольца не прижимаются плотно к стенкам цилиндра, компрессия в цилиндрах снижается. Мощность двигателя падает, увеличивается прорыв газов в картер, а следовательно, и расход масла (рис. 1.11). В камере сгорания отложения образуются из частиц углерода (кокса) в результате неполного сгорания топлива и солей металлов, присутствующих в присадках, и термического разложения +800 °С Накопление отложений Лак  Заклинивание колец Повышенный износ Прорыв газов Рис. 1.11. Образование отложений на компрессионных кольцах Фронт  Рис. 1.12. Отложения в камере сгорания, вызывающие калильное зажигание остатков масла (рис. 1.12). Эти отложения могут вызвать преждевременное (калильное) зажигание рабочей смеси и детонацию. Отложения на верхней части поршней полируют внутренние стенки цилиндров, в результате чего снижается их прочность, нарушается целостность масляной пленки, повышается изнашивание. Лаковые отложения в виде тонкого слоя клейкого углеродистого вещества образуются на умеренно нагретых поверхностях вследствие полимеризации тонкого слоя масла и не сгоревшего топлива в присутствии кислорода. Такие отложения покрывают юбку и внутреннюю поверхность поршня, шатуны и поршневые пальца, стержни клапанов, нижние части цилиндров. Лак ухудшает охлаждение поршня, снижает прочность деталей. Нарушается целостность масляной пленки на стенках цилиндров. Вследствие засорения свечей зажигания (отложения вокруг электрода) (рис. 1.13) искровой промежуток замыкается, искра ослабевает, зажигание становиться нерегулярным. В результате снижается мощность двигателя и повышается расход топлива.  Рис. 1.13. Отложения на свече зажигания Смолы и твердые осадки образуются в результате неполного сгорания топлива, окисления углеводородов и полимеризации. Смолы, как правило, образуются при работе непрогретого двигателя, при его продолжительной работе в режиме холостого хода или городской езды. В бензиновых двигателях смол образуется больше, чем в дизелях вследствие более обогащенной рабочей смеси и легкого проникновения продуктов сгорания в картер. При высокой температуре и интенсивной работе двигателя продуктов неполного сгорания образуется меньше. Смолы, углеродные частицы, водяной пар, тяжелые фракции топлива и окисные соединения конденсируют, коагулируют и образуют осадки. Осадки представляют собой суспензию и эмульсию, состоящие из масла, нерастворимых твердых и смолистых веществ, от коричневого до черного цвета. Такие осадки называют шламом. Различают низкотемпературные и высокотемпературные шламы. Низкотемпературные осадки в картере образуются при взаимодействии картерных газов, остатков топлива, воды и масла. В непрогретом двигателе вода и топливо не испаряются и образуют эмульсию, которая впоследствии в масле превращается в осадки (рис. 1.14), которые приводят к увеличению вязкости масла, закупориванию каналов смазочной системы, нарушению подачи масла.  0 Конденсат паров воды © Конденсат топлива 1 Масло ?1 Осадок Рис. 1.14. Образование осадка в карбюраторе Образование нагара, как правило, обусловлено присутствием в топливе сернистых соединений, которые не только увеличивают количество отложений, но и меняют их характер: нагар становится твердым, что вызывает абразивное изнашивание двигателя. С увеличением тяжелых фракций в составе топлива повышается его склонность к образованию нагаров. Степень осмоления определяется содержанием в бензине фактических смол. Значение этого показателя определяется на специальном приборе путем испарения 100 мл бензина в струе нагретого воздуха и последующего взвешивания остатка. Увеличение площади контакта топлива с воздухом при его хранении ускоряет окислительные процессы. Поэтому при хранении топлива целесообразно заполнять емкости до горловины. Пространство над топливом, заполненное воздухом, после реакции с парами топлива наполняется азотом, и процесс окисления замедляется. Поступление свежего воздуха снова вызовет интенсивный окислительный процесс. Поэтому хранить бензин необходимо в герметично закрытых емкостях (табл. 1.5). Таблица 1.5. Количество смол, содержащихся в 100 мл бензина, при различной продолжительности хранения его в баке автомобиля ЗИЛ-130 и в зависимости от герметичности пробки, мг
Процессы окисления и осмоления ускоряются с повышением температуры бензина. Процесс окисления самоускоряющий-ся, поэтому бензин, залитый в неочищенную от остатков старого бензина емкость, загрязняется смолами быстрее. Ускоряют образование смол наличие продуктов коррозии и грязи. Большинство металлов, обладая каталитической способностью, уменьшают индукционный период, также увеличивая образование смолистых отложений. Для повышения химической стабильности бензинов в их состав добавляют антиокислители и деактиваторы металлов. | ||||||||||||||||||