Конспект лекции "Физические основы воспламенения топлива."

§ 3.3. Физические основы процессов самовоспламенения и сгорания топлива

Сгорание топлива в дизелях представляет собой процесс окисления молекул углеводородного топлива кислородом воз­духа с выделением теплоты. Химическим процессам окисления топлива предшествуют физические: прогрев капель топлива от воздуха в камере сгорания и их испарение. Вследствие малых размеров капель распыленного топлива в факеле (средний диаметр ка­пель d_k = 20-40 мкм) и высокой температуры воздуха в камере сгорания (более 500°С), эти процессы для каждой обра­зующейся при впрыске капли топлива составляют очень корот­кий временной интервал (менее 1 мс). Установлено, что процес­су самовоспламенения топлива предшествуют также подготови­тельные химические процессы - распад молекул и образование промежуточных продуктов предпламенного окисления. Физико-химическая подготовка топлива к сгоранию приводит к запаз­дыванию начала выделения тепла в цилиндре относительно на­чала подачи топлива форсункой.

На рисунке 3.6 показана индикаторная диаграмма судового среднеоборотного дизеля (п = 720 об/мин) в координатах р-φ. Здесь же показаны моменты начала и конца подачи топлива форсункой. Момент резкого возрастания давления в конце про­цесса сжатия, отмеченный на рисунке точкой НВС, принято на­зывать началом видимого сгорания топлива. Этот момент соот­ветствует началу интенсивного выделения тепла вследствие на­чала сгорания топлива. Угловой промежуток от начала подачи топлива форсункой до момента НВС, обозначенный на рис. 3.6 φ_i, составляет отмеченное выше запаздывание самовоспламене­ния топлива, поэтому его называют периодом задержки само­воспламенения топлива. Так как φ_i = 6 nτ_i, то задержка самовос­пламенения по времени определяется формулой

                 (3.1)

Для судовых дизелей значения τ_i составляют 2-15 мс.

Период задержки самовоспламенения короче для тех топлив, которые термически менее устойчивы. Склонность к распа­ду и к образованию легко воспламеняющихся смесей зависит от структуры молекул углеводородов, составляющих топливо.

Топлива нефтяного происхождения представляют собой смесь большого числа углеводородов. С точки зрения способ­ности к самовоспламенению в условиях дизеля их можно разде­лить на две группы: 1 - углеводороды, имеющие цепную струк­туру молекул (парафины); 2 - углеводороды с кольцеобразной структурой соединения атомов углерода в молекуле (ароматики). Структуры простейших   молекул углеводородов представ­лены на рис. 3.7.

Углеводороды первой группы обладают наименее прочной связью углеродных атомов, поэтому легко самовоспламеняются в дизеле. Ароматические углеводороды (2 группа) отличаются большой прочностью молекулы, поэтому их способность к са­мовоспламенению мала.

Оценка способности топлив к самовоспламенению в дизеле осуществляется по его цетановому числу (в дальнейшем - ЦЧ), смысл которого заключается в следующем. Если взять в разных пропорциях два чистых углеводорода первой и второй групп и провести испытание на двигателе их различных смесей, то пе­риод задержки самовоспламенения будет тем больше, чем больше в смеси ароматиков.

В качестве эталона наилучшей воспламеняемости принят углеводород цетан (C₁₆H₃₂) ему присвоено ЦЧ=100; в качестве эталона наихудшей воспламеняемости принят ароматический углеводород α-метилнафталин (С₁₀Н₇СН₃), для которого ЦЧ=0.

Цетановое число смеси этих двух углеводородов определя­ется долей цетана в смеси. Очевидно, чем больше цетановое число топлива, тем оно лучше воспламеняется в дизеле и наобо­рот. Цетановые числа легких маловязких дизельных топлив оп­ределяются на специальной лабораторной дизельной установке (ИТ9-3Д) путем сравнения их воспламеняемости с эталонными смесями цетана и а-метилнафталина.

Значения ЦЧ дизельных топлив составляют 50-60. Спо­собность к самовоспламенению у тяжелых высоковязких топлив (мазутов) ниже (их ЦЧ = 30-35) из-за большого содержания в них ароматических углеводородов. Для этих топлив оценка ЦЧ проводится косвенными методами, так как из-за их высокой вязкости лабораторная установка не может использоваться.

Период задержки самовоспламенения принято считать первой фазой процесса сгорания топлива. В обобщенном виде зависимость задержки самовоспламенения топлива в дизеле можно выразить следующим образом:

где р, Т - давление и температура воздуха в камере сгорания в момент начала подачи топлива форсункой.

Экспериментально установлено, что φ_i нелинейно зависит от давления, температуры и ЦЧ. Увеличение давления, темпера­туры и ЦЧ приводит к сокращению φ_i и наоборот. С частотой вращения φ_i связан прямо пропорционально, поэтому повыше­ние оборотов двигателя приводит к его возрастанию.

На величину φ_i влияют и другие факторы, например, кон­струкция и температура стенок камеры сгорания, движение воз­душного заряда и др. Этим объясняется различие величин φ_i в двигателях различного конструктивного исполнения даже при одинаковых значениях параметров р, Т, ЦЧ, и п. В зависимости от сочетания перечисленных факторов период задержки самовос­пламенения в судовых дизелях составляет:

МОД - 3 ÷ 6 °п.к.в.;

СОД -5 ÷ 15 ° п.к.в.

В высокооборотных дизелях φ_i может дости­гать 20 и более град. п.к.в.

Вторая фаза процесса сгорания - фаза быстрого сгорания топлива - начинается в точке НВС и завершается в момент дос­тижения максимального давления газов в цилиндре (точка z на рис. 3.6). К началу сгорания в цилиндр подана часть цикловой подачи топлива g_цi, которая зависит от величины φ_i (при одно­фазном впрыске связь между ними примерно пропорциональ­ная). Большая часть g_цi к моменту самовоспламенения подготов­лена к сгоранию: испарилась пары топлива, смешались с возду­хом, в топливовоздушной смеси образовались химически актив­ные части молекул - радикалы.

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). Поскольку таких зон в каждом факеле много и число факелов равно числу отверстий в распылителе форсун­ки, то самовоспламенение топлива в дизеле носит многоочаго­вый характер.

Сгорание подготовленной топливовоздушной смеси про­текает по законам химической кинетики с очень высокой скоро­стью, намного превышающей скорость физических процессов подготовки топлива к сгоранию в факеле: испарения капель и взаимодиффузии паров топлива и воздуха. Поэтому горючая смесь, подготовленная за период задержки самовоспламенения, выгорает в течение 10-20° п.к.в., определяя продолжительность фазы быстрого сгорания топлива.

Интенсивность сгорания во второй фазе оценивают сред­ней скоростью нарастания давления при сгорании — w_cp, кото­рая определяется как отношение приращения давления от мо­мента НВС до точки z к продолжительности второй фазы в °п.к.в., а также степенью повышения давления газов в цилиндре λ= р_z/р_с, которые называют показателями динамичности рабо­чего цикла. Величину w_cp определяют по индикаторной диа­грамме (см. рис. 3.6)

             (3.2)

Величина w_cp показывает, на сколько бар повышается дав­ление при повороте коленчатого вала на 1 градус в среднем за фазу быстрого сгорания. Чем ее величина больше, тем «жестче» процесс сгорания.

Для МОД w_cp = 2-3 бар/°п.к.в.; для СОД w_cp = 3 - 4 бар/°п.к.в. и для ВОД = 6 - 8 бар/°п.к.в. При больших значениях w_cp ра­бота двигателя становится жесткой, появляются стуки в цилин­дре, увеличивается износ деталей.

Очевидно, что динамические показатели связаны с величи­ной φ_i: чем он больше, тем больше будет g_цi, тем большая доля цикловой подачи сгорит во второй фазе, тем выше будут значе­ния λ и w_cp, и наоборот.

Третья фаза процесса сгорания длится от момента дости­жения р_z 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. Подача топлива, как правило, в начале третьей фазы процесса сгорания еще продолжается, в камере сгорания располагаются горящие топливные факелы, достигшие своего максимального размера.

На рисунке 3.8 показан кадр, снятый скоростной кинока­мерой на исследовательском четырехтактном высокооборотном дизеле, показывающий горящие топливные факелы в конце процесса впрыска топлива. Фотография факела, расположенного справа, обработана прибором, который по яркости пламени оп­ределяет его температуру.

Рис. 3.1-39. Структура и температурные зоны

горящего топливного факела:

1 – t = 2900°С; 2 - t = 2700°С; 3 - t = 2500°С; 4 - t = 2300°С

Значительная часть воздушного заряда в силу неравномер­ного распределения топлива по объему камеры сгорания и ма­лого времени, отводимого на смесеобразование и сгорание, не участвует в сгорании. Температура воздуха вне топливных фа­келов существенно ниже (порядка 800-1000°С), чем в зонах го­рения. Таким образом, в реальном рабочем процессе дизеля имеет место высокая степень неоднородности концентраций топливовоздушной смеси и температур по камере сгорания. В связи с этим температура газов и коэффициент избытка воз­духа, используемые при расчете рабочих процессов дизелей (в отличие от давления газов), являются условными параметра­ми, усредненными по камере сгорания.

Характер сгорания капель топлива, не успевших сгореть к началу третьей фазы процесса, а также поступивших в камеру сгорания в процессе продолжающегося впрыска, существенно отличается от сгорания во второй фазе. Так как в горящем факеле очень высокие температуры - в среднем по факелу 2500-2700°С (см. рис. 3.1-39), то процессы прогрева и воспла­менения паров многократно сокращаются. Скорость сгорания топлива лимитируется физическими процессами: испарением капли и взаимодиффузией паров топлива и воздуха вокруг кап­ли. Принято считать, что сгорание топлива в 3 фазе определяет­ся процессами турбулентной диффузии. 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.

Сокращению процесса догорания топлива способствует ор­ганизованное (вихревое) движение воздушного заряда в камере сгорания (см. раздел 3.1). Продолжительность 3-й фазы также за­висит от продолжительности впрыскивания топлива форсункой φ_впр = φ_нпф + φ_кпф. Сокращение φ_впр приводит к сокращению дли­тельности 3 фазы и в целом процесса сгорания топлива и на­оборот.