Характеристики процессов горения бензина в двигателе

 

План

 

 

 

12. Характеристики процессов  горения бензина в двигателе. Теплота сгорания. Коэффициент избытка воздуха.

 

Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.

Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива.

От первичного очага пламя начинает распространяться на окружающую рабочую смесь; фронт этого пламени имеет вид ламинарного (ровного, незавихренного) слоя толщиной меньше миллиметра, движущегося вначале с небольшой скоростью. Однако она быстро нарастает, поскольку остающиеся за фронтом сгоревшие газы, имеющие температуру около 2000°К, расширяются. Удаляясь от свечи, где рабочая смесь относительно спокойна (пристеночная зона), и приближаясь к центру камеры сгорания, пламя достигает турбулизованной (завихренной) зоны топливного заряда. Здесь фронт пламени начинает дробиться и приобретает ячеистую структуру, где участки горения перемежаются со свежей смесью и продуктами сгорания. Толщина такого турбулентного слоя становится равной нескольким сантиметрам, а скорость его распространения измеряется десятками метров в секунду, находясь в прямой зависимости от скорости движения газов внутри камеры.

Нужно заметить, что нормальная работа двигателя в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала обеспечивается именно тем, что скорость турбулентного пламени возрастает пропорционально увеличению скорости движения поршня. Когда же пламя проходит через весь объем камеры, горение в ней постепенно прекращается, а образовавшиеся горячие газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз и тем самым, совершая полезную работу. Чем выше температура и давление этих газов, тем больше отдача мощности.

Этот процесс обеспечивает наибольшую эффективность двигателя, расчетный уровень расхода топлива и токсичности отработавших газов. Но, к сожалению, так бывает не всегда. При определенных условиях ход процесса может нарушаться, вызывая разные по тяжести последствия - от неприятных ощущений у водителя до серьезного повреждения двигателя.

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 a: a = L / L0

Как недостаток (a<1, богатая смесь), так и избыток (a>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 НВ принимают всё тепло, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды. При определении низшей теплоты сгорания НН 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.

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.

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

Топлива для карбюраторных двигателей должны иметь такие физико-химические свойства, которые обеспечивали бы:

• нормальное и полное сгорание полученной смеси в двигателе (без возникновения детонации);
• образование топливовоздушной смеси требуемого состава;
• бесперебойную подачу бензина в систему питания двигателя;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов деталей двигателя;
• возможно меньшее образование отложений во впускном трубопроводе, камерах сгорания и других местах двигателя;
• сохранение качеств при хранении, перекачках и транспортировке

 

 

42. Октановое число бензина  А-76 составляет 72 единицы. Сколько надо  взять бензина АИ-95, для того чтобы исправить исходный бензин?

 

Дано:

Х = 76

XБ=72

XА=95

 

 

Найти: А-?

 

Решение:

Ответ: Для повышения октанового числа бензина марки А-76 от 72 до 76 необходимо добавить 17,39% бензина марки АИ-95.

 

 

 

72. Влияние на эксплуатационные характеристики смазочных материалов вязкости, поверхностного натяжения, плотности, температуры. Индекс вязкости.

 

Масла, применяемые для смазывания поршневых двигателей внутреннего сгорания, называют моторными

• Моторное масло - это важный элемент конструкции двигателя. Оно может длительно и надежно выполнять свои функции, обеспечивая заданный ресурс двигателя, только при точном соответствии его свойств тем термическим, механическим и химическим воздействиям, которым масло подвергается в смазочной системе двигателя и на поверхностях смазываемых и охлаждаемых деталей. Взаимное соответствие конструкции двигателя, условий его эксплуатации и свойств масла - одно из важнейших условий достижения высокой надежности двигателей.

Вязкостно-температурные свойства - одна из важнейших характеристик моторного масла. От этих свойств зависит диапазон температуры окружающей среды, в котором данное масло обеспечивает пуск двигателя без предварительного подогрева, беспрепятственное прокачивание масла насосом по смазочной системе, надежное смазывание и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках и температуре окружающей среды. Даже в умеренных климатических условиях диапазон изменения температуры масла от холодного пуска зимой до максимального прогрева в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет до 180-190°С. Вязкость минеральных масел в интервале температур от -30 до +150°С изменяется в тысячи раз. Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при температуре окружающей среды около 0°С. Зимние масла, обеспечивающие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют недостаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год. Это усложняет и удорожает эксплуатацию двигателей. Проблема решена созданием всесезонных масел, загущенных полимерными присадками (полиметакрилаты, сополимеры олефинов, полиизобутилены, гидрированные сополимеры стирола с диенами и др.).

Вязкостно-температурные свойства загущенных масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур - летним. Вязкостные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре, что обусловлено увеличением объема макрополимерных молекул с повышением температуры и рядом иных эффектов.

В отличие от сезонных, загущенные всезонные масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением - снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером облегчает пуск, а небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей прогретого двигателя уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.

Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах, и динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, а также индекс вязкости - безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при 40 и 100°С (ГОСТ 25371-82). В нормативной документации на зимние масла иногда нормируют кинематическую вязкость при низких температурах. Индекс вязкости минеральных масел без вязкостных присадок составляет 85-100. Он зависит от углеводородного состава и глубины очистки масляных фракций. Углубление очистки повышает индекс вязкости, но снижает выход рафината. Синтетические базовые компоненты имеют индекс вязкости 120-150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.

К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т.е. теряет текучесть. Она должна быть на 5-7°С ниже той температуры, при которой масло должно обеспечивать прокачиваемость. В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла кристаллов парафинов. Требуемая нормативной документацией температура застывания достигается депарафинизацией базовых компонентов и/или введением в состав моторного масла депрессорных присадок (полиметакрилаты, алкилнафталины и др.).

 

 

102. Двигатель работает  в зимних условиях, когда температура  окружающего воздуха равна -40°С. Какое должно быть процентное  содержание этиленгликоля в охлаждающей  жидкости, чему равна плотность данного раствора?

 

Согласно приведенной таблице массовая концентрация этиленгликоля при работе двигателя при температуре -40оС должна быть более 50(53)%.

Плотность при процентном содержании этиленгликоля в охлаждающей жидкости  от 50% будет равна:  1,082г/см3.

 

 

 

Список литературы

 

1. Быков Р.В. Эксплуатационные материалы: Учебное пособие. − Челябинск: Изд-воЮУрГУ, 2007. − 78 с.
2. Васильева, Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы / Л.С. Васильева. - М.: Наука, 2004.- 421с.
3. Васильева, Л.С. Краткий справочник по автомобильным эксплуатационным материалам / Л.С. Васильева. - М: Транспорт, 1992.-120 с.
4. Гуреев, А.А. Химмотология / А.А.Гуреев, И.Г.Фукс, В.Л., Лашхи. - М: Химия, 1986. - 367 с.
5. Итинская, Н.И. Топливо, масла и технические жидкости / Н.И. Итинская, Н.А. Кузнецов. - М.: Агропромиздат, 1989. - 205 с.
6. Обельницкий, A.M. Топливо и смазочные материалы / A.M. Обельницкий.-М.:Высш.шк., 1982.-272 с.
7. Стуканов В. А. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учебное пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. - 208 с.