В теории рабочих процессов поршневых двигателей под гетерогенным горением понимается процесс сгорания капель жидкого топлива в среде газообразного окислителя (воздуха). Такое сгорание характерно для двигателей с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизелей).
В процессе смесеобразования образующиеся капли топлива оказываются в среде горячего воздуха и по мере прогрева капель начинается их испарение. Прогрев капель осуществляется за счет кондуктивного и, при наличии относительного движения капли и воздуха, конвективного теплообмена. Пары топлива диффундируют в окружающую среду воздуха и на некотором расстоянии от поверхности капли образуют горючую смесь, вблизи капли она еще очень богата, хотя при прогреве паров топлива в них начинают протекать подготовительные реакции. По мере удаления от капли смесь обедняется и на некотором расстоянии ее состав и степень прохождения предпламенных реакций приводят к воспламенению горючей смеси при текущей температуре. Эта температура должна быть не ниже температуры воспламеняемости данного топлива.
После воспламенения вокруг капли образуется фронт пламени, процесс становится самоподдерживающимся, а скорость выгорания топлива здесь определяется скоростью испарения топлива и диффузии (молекулярной и конвективной) его паров в среду воздуха. Такое сгорание называется диффузионным.
По мере выгорания топлива температура среды повышается, что ведет к ускорению процессов теплообмена с каплями и протекания химических реакций, в конечном счете, к повышению скорости выгорания топлива. При сгорании при постоянном давлении нагрев происходит за счет теплоты, выделенной при сгорании топлива. Если процесс протекает в замкнутом объеме (например, в камере сгорания дизеля), величина нагрева выше в связи с поджатием среды (повышением давления).
Скорость сгорания топлива в гетерогенной горючей смеси зависит от мелкости распыливания топлива, температуры воздушной среды, формы и интенсивности вихрей в рабочей камере и закона подачи топлива.
Воспламенение
Кавторадзе стр. 427
Воспламенением называют процесс ускорения химических реакций сгорания топлива, скорость которых возрастает от практически нулевого значения до конечного. В поршневых двигателях используется два вида воспламенения:
вынужденное воспламенение, или принудительное зажигание, – воспламенение гомогенной горючей смеси инициируется вводом энергии извне в выбранную точку объема смеси с помощью, например, электрической искры. В результате воспламеняется небольшой объем горючей смеси и от этого очага воспламенения пламя в виде фронта пламени распространяется по объему рабочей камеры.
самовоспламенение – возникновение очагов пламени во всем объеме гетерогенной горючей смеси, вызванное самоускорением химических реакций вследствие повышения температуры воздуха при его сжатии поршнем, самовоспламенение происходит по мере подачи, распыливания и испарения капель топлива.
Рассмотрим механизм протекания каждого из видов воспламенения.
При подаче напряжения на свечу зажигания для воспламенения гомогенной смеси, в межэлектродном пространстве образуется токопроводящий канал некоторого объема, в котором выделяется тепловая энергия, количество которой зависит от мощности и длительности искрового разряда. Значительное повышение температуры горючей смеси, находящейся в объеме канала, приводит к ускорению предпламенных реакций и сгоранию нагретой горючей смеси. Выделившаяся теплота сгорания подогревает прилегающие слои горючей смеси, в которых также протекают предварительные реакции, происходит воспламенение, поджигание последующих слоев смеси и формируется распространяющийся по камере сгорания фронт пламени. Описанный механизм воспламенения реализуется лишь при условии того, что возникший при подаче искры очаг сгорания достаточно велик, а время его существования достаточно для прогрева и воспламенения прилегающих слоев смеси.
Т. о. обязательным условием поджигания гомогенной горючей смеси таким способом является достаточность количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в объеме токопроводящего канала, для подогрева прилегающих слоев смеси и формирования фронта пламени. Количество выделяющейся в указанном объеме теплоты зависит от теплотворности используемой горючей смеси, которая, в свою очередь, определяется ее составом (α). Слишком бедные или слишком богатые смеси могут не поджигаться конкретным запальным устройством. Для оценки возможности воспламенении горючих смесей того или иного состава запальными устройствами введено понятие концентрационных пределов воспламеняемости по α. Это минимальные и максимальные значения коэффициента избытка воздуха в горючей смеси, при которых возможно воспламенение.
Пределы воспламеняемости зависят от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов.
Вид топлива
Качество подготовки горючей смеси
Мощности запального устройства
Степени сжатия
Уровня интенсивности турбулентности вблизи запального устройства
Наличие в смеси остаточных газов
| γr | 0,06 | 0,2 | 0,4 |
| α max | 1,54 | 1,43 | 1,18 |
| α min | 0,36 | 0,43 | 0,59 |
Температуры горючей смеси
| T °C | |||
| α max | 1,25 | 1,43 | 1,67 |
| α min | 0,52 | 0,42 | 0,40 |
Если изучать развитие процесса воспламенения гомогенной смеси во времени путем снятия индикаторных диаграмм или видеорегистрации процесса, то можно выяснить, что между моментами инициализации процесса (подачей искры или впрыском топлива) и образованием самоподдерживающегося фронта пламени проходит некоторое время. Этот промежуток времени называется периодом задержки воспламенения. Моментом завершения периода задержки воспламенения обычно принимают момент отделения кривой давления в цилиндре, определенной в цикле с воспламенением и сгоранием топлива, от кривой давления без сгорания.
Задержка воспламенения неизбежна т.к. процессы тепломассопереноса и кинетики химических реакций, происходящих при воспламенении, развиваются во времени. Длительность задержки воспламенения зависит от ряда факторов.
Мощности запального устройства.
Степени однородности горючей смеси.
Температуры горючей смеси.
Состава смеси.
Количества остаточных газов.
Давления в рабочей камере.
Воспламенение гетерогенных горючих смесей в условиях дизельного двигателя происходит в соответствии с механизмом самовоспламенения. Как было описано выше, пары топлива от испаряющихся капель диффундируют в высокотемпературную воздушную среду, где и происходит их самовоспламенение. Воспламенение здесь является многоочаговым, очаги воспламенения могут находиться в любой точке объема камеры сгорания в связи с разносом капель топлива специально организованным вихревым движением воздушного заряда. Воспламенение вблизи каждой из капель топлива носит взрывной характер, что объясняет шумность процесса сгорания дизелей.
Существенным отличием процесса воспламенения гетерогенных смесей от гомогенных является отсутствие здесь предела воспламеняемости при обеднении смеси (увеличении α). А предел по обогащению смеси определяется дымностью отработавших газов при приближении α к стехиометрии.
Как и в предыдущем, при сжигании гетерогенных смесей наблюдается период задержки воспламенения. Началом периода считают момент начала подачи топлива в цилиндр, а окончание – момент отделения кривой давления в цилиндре в цикле со сгоранием от кривой давления без сгорания.
Длительность периода задержки воспламенения также зависит от ряда факторов.
Температура воздуха в цилиндре.
Давление воздуха в цилиндре.
Температура и давление воздуха на впуске.
Степень сжатия.
Давление подачи топлива.
Интенсивность вихревого движения заряда.
Свойства топлива (теплота испарения, температура самовоспламенения).
Закон подачи топлива.
Контрольные вопросы
1. В чем различие молекулярной и турбулентной диффузии?
2. Какая смесь называется гомогенной?
3. Какая смесь называется гетерогенной?
4. В каком агрегатном состоянии должны находиться горючее и окислитель в процессе горения для большинства топлив?
5. Какие способы ускорения испарения топлива используются при подготовке горючей смеси?
6. Как различаются двигатели по месту приготовления горючей смеси?
7. Перечислить способы приготовления горючей смеси в ДВС.
8. От каких факторов зависит мелкость распыливания струи топлива, впрыскиваемой через форсунку в рабочую камеру?
9. Какова последовательность процессов, идущих при подготовке горючей смеси?
10. Какой процесс в теплотехнике называется горением?
11. В чем заключается различие гомогенного и гетерогенного горения?
12. От каких факторов зависит скорость распространения фронта пламени в однородной горючей смеси?
13. Дать определение понятия «концентрационные пределы воспламеняемости горючей смеси».
14. От каких факторов зависят концентрационные пределы воспламеняемости горючих смесей?
15. Что называют периодом задержки воспламенения?
16. От каких факторов зависит длительность периода задержки воспламенения?
17. Почему для двигателей с воспламенением горючей смеси от сжатия нет предела воспламеняемости по обеднению?