Физико-химическое основы процесса сгорания

Первая фаза процесса сгорания - период задержки
Вторая фаза процесса сгорания - фаза быстрого сгорания топлива
Третья фаза процесса сгорания - догорание топлива с низкими скоростями.

Физические подготовительные процессы: прогрев капель топлива от воздуха в камере сгорания и их испарение.
Химические подготовительные процессы - распад молекул и образование промежуточ- ных продуктов предпламенного окисления.

Момент резкого возрастания давления в конце процесса сжатия, отмеченный на рисунке точкой НВС, принято называть началом видимого сгорания топлива.
φi, -периодом задержки самовоспламенения топлива.
Физико-химическая подготовка топлива к сгоранию приводит к запаздыванию начала выделения тепла в цилиндре относительно начала подачи топлива форсункой.

Период задерки воспламенения

НПФ, КПФ – начало и конец подачи топлива форсункой; НВС – начало видимого сгорания топлива; I – задержка самовоспламенения; II – быстрое сгорание топлива; III – диффузионное сгорание и догорание

Фазы процесса сгорания топлива

НПФ, КПФ – начало и конец подачи топлива форсункой; НВС – начало видимого сгорания топлива; I – задержка самовоспламенения; II – быстрое сгорание топлива; III – диффузионное сгорание и догорание.

Фазы сгорания топлива

Топлива нефтяного происхождения можно разделить на две группы: 1 - углеводороды, имеющие цепную структуру молекул (парафины); 2 - углеводороды с кольцеобразной структурой соединения атомов углерода в молекуле (ароматики).

Состав топлива. Структуры молекул углеводорода

Оценка способности топлив к само-воспламенению в дизеле осуществляется по его цетановому числу.

где р,Т - давление и температура воздуха в камере сгорания в момент начала подачи топлива форсункой.
Экспериментально установлено, что ϕi нелинейно зависит от давления, температуры и ЦЧ. Увеличение давления, температуры, ЦЧ приводит к сокращению φi и наоборот. С частотой вращения ϕi связан прямо пропорционально, поэтому повышение оборотов двигателя приводит к его возрастанию.
МОД - 3 ÷ 6°п.к.в.; СОД -5 ÷ 15° п.к.в. ВОД до 27 ° п.к.в

Зависимость задержки воспламенения

Экспериментальные исследования показали, что первые очаги пламени возникают в тех зонах факела распыленного топлива, где концентрация паров топлива в воздухе близка к стехиометрической (т.е. локальный коэффициент избытка воздуха близок к единице).

Интенсивность сгорания во второй фазе оценивают средней скоростью нарастания давления при сгорании — wcp, которая определяется как отношение приращения давления от момента НВС до точки z к продолжительности второй фазы в ° п.к.в.,
степенью повышения давления газов в цилиндре λ= рz/рс,

динамические показатели связаны с величиной φi: чем он больше, тем больше будет gцi, тем большая доля цикловой подачи сгорит во второй фазе, тем выше будут значения λ и wcp, и наоборот.

Динамические показатели

длится от момента достижения рz в цилиндре до полного выгорания топлива. В отличие от точек НВС и z, момент окончания сгорания топлива по индикаторной диаграмме определить невозможно.
Расчетными методами с использованием экспериментальных диаграмм установлено, что в судовых МОД и СОД продолжительность третьей фазы составляет 30—40° п.к.в.

Скорость сгорания топлива лимитируется физическими процессами: испарением капли и взаимодиффузией паров топлива и воздуха вокруг капли.
В связи с сокращением содержания воздуха в факеле и медленным его притоком в зону горения диффузионное сгорание к концу фазы переходит в догорание топлива с низкими скоростями.

Структура и температурные зоны горящего топливного факела:
1 – t = 2900°С; 2 - t = 2700°С; 3 - t = 2500°С; 4 - t = 2300°С

Сокращению процесса догорания топлива способствует организованное (вихревое) движение воздушного заряда в камере сгорания. Продолжительность 3 фазы также зависит от продолжительности впрыскивания топлива форсункой φвпр = φнпф + φкпф. Сокращение φвпр приводит к сокращению длительности 3 фазы и в целом процесса сгорания топлива и наоборот.

теоретически необходимая масса воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

Теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива

Для МОД -1,8—2,2;
Для СОД и ВОД -1,7—2

Процесс сгорания в расчётном цикле

Коэффициента использования теплоты ξz

ВОД - ξz= =0,65÷0,85
МОД - ξz = 0,80÷0,85

внутренняя энергия рабочего тела (∆U)zс и работа АLz'z на участке расширения при постоянном давлении z'z?

На основании первого закона термодинамики

Уравнение сгорания

где с'v — средняя мольная изохорная теплоемкость заряда воздуха, кДж/ (моль-К)
c''р — средняя молярная изобарная теплоемкость
смеси «чистых» продуктов сгорания и оставшегося после сгорания избыточного воздуха
λ = pz/pc – степень повышения давления при сгорании
βz=1.03÷1.04 коэффициент молекулярного изменения, показывающий увеличение суммарного количества молекул тела при сгорании топлива на участке czz’

средняя мольная изохорная теплоемкость заряда воздуха, кДж/ (моль-К)

средняя молярная изобарная теплоемкость
смеси «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха:

Степень повышения давления при сгорании

pzVz = Mz 848Tz, pcVc = Ma 848Tc (где Ма = Мс)
Разделим первое уравнение на второе и вспомним, что рz/рс=λ; Mz/Ma =βz (где Ма, Мс, Мz — количество молей рабочего тела в точках а, с, z). Тогда получим:

Вычисление Vz

откуда

Обозначим Vz/VC =ρ, тогда

Какие физические процессы предшествуют химическим процессам воспламенения топлива?
Вследствие чего физические процессы предшествующие воспламенению топлива составляют очень короткий временной интервал?
 Какие химические процессы предшествуют воспламенению топлива?
 Что является причиной запаздывания воспламенения топлива относительно начала подачи топлива форсункой.
 Что обозначает абревиатура НВС?
 В каких пределах находится значение τi (период задержки самовоспламенения топлива)?
 На какие две группы можно разделить углеводороды с точки зрения их способности к самовоспламенению в условиях дизеля? 

Вопросы

 Какие типы углеводородов увеличивают период задержки самовоспламенения
 На сколько фаз подразделяется процесс сгорания?
Как называется первая фаза процесса сгорания?
 Что оценивает средняя скорость нарастания давления при сгорании?
 По какой формуле вычисляется средняя скорость нарастания давления при сгорании?
 По какой формуле определяется степенью повышения давления газов в цилиндре
 Как влияет значение wcp на работу двигателя и износ деталей?  

Вопросы

Как долго длится третья фаза процесса сгорания?
 Какова величина температура в факелу?
 По конструкции камеры сгорания делятся на?
 От чего зависит качество распыливания топлива?
 Какова рекомендуемая вязкость топлива перед форсунками?
Какими достоинствами обладают двигатели с непосредственным впрыском?
Что относится к недостатками двигатели с непосредственным впрыском?

Вопросы