Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

348

достигает огромных значений. По мере увеличения объема очага

воспламенения и окончания электрического разряда (рис. 10.9)

температура в объеме очага воспламенения снижается до значе-

ния Т

, соответствующего определенному составу топливовоз-

душной смеси. Вокруг очага воспламенения к этому моменту

времени формируется фронт пламени, поверхность которого

близка к сфере. За фронтом пламени находятся продукты сгора-

ния при температуре Т

, впереди фронта пламени – топливовоз-

душная смесь, температура которой Т

см

значительно ниже

(рис. 10.9). Глубина фронта пламени 

пл

= 0,1–1 мм (в зависи-

мости от вида топлива, состава топливовоздушной смеси, темпе-

ратуры и давления смеси). Условию стабилизации очага воспла-

менения и его дальнейшего увеличения без подвода энергии

извне соответствует радиус сферы r > r

кр

[8]. При r < r

кр

пламя

затухает, так как потери теплоты в окружающую среду превы-

шают подвод теплоты Q

реакцией окисления горючих компо-

нентов топлива.

Критический радиус сферы

кр

 3 

пл

(10.3)

и соответственно

 

см

крсмкр

см

TТСrQQ

zрх

 , (10.4)

где с

рсм

, 

см

– удельная массовая теплоемкость смеси при посто-

янном давлении и плотность смеси.

С обеднением топливовоздушной смеси, увеличением со-

держания остаточных газов в топливовоздушной смеси, пониже-

нием давления топливовоздушной смеси, увеличением интенсив-

ности ее турбулизации в зоне электродов свечи зажигания для

стабилизации очага воспламенения необходимо увеличивать

энергию электрического разряда. Критический радиус сферы оча-

га воспламенения также увеличивается.

§3. Процессы сгорания топливовоздушных смесей

Окисление горючих компонентов топливовоздушной смеси

происходит во фронте пламени, разделяющего топливовоздуш-

349

ную смесь и продукты окисления горючих компонентов

(рис. 10.10). При окислении углеводородов топлива во фронте

пламени снижается объемное

содержание кислорода r

возрастает объемное содержа-

ние двуокиси углерода r

СО

паров воды r

. Температура

продуктов окисления углево-

дородов топлива за фронтом

пламени определяется в ос-

новном начальной температу-

рой смеси и соотношением

массы воздуха и топлива в

смеси. Глубина зоны фронта

ламинарного пламени в угле-

водородовоздушных смесях

стехиометрического состава

при атмосферном давлении



пл

 1 мм, в смесях водорода

и воздуха 

пл

 0,1 мм [8].

Скорость, с которой фронт ламинарного пламени переме-

щается относительно топливовоздушной смеси в направлении,

перпендикулярном к поверхности фронта пламени, называется

нормальной скорость перемещения фронта пламени U

или ско-

ростью ламинарного горения.

Нормальная скорость пламени зависит от скорости химиче-

ских реакций во фронте пламени, скорости переноса теплоты и

активных центров из зоны горения (фронта пламени) в топливо-

воздушную смесь впереди фронта пламени.

Реакция распада молекул, например углеводорода, на не-

сколько простых молекул или соединений называется мономоле-

кулярными или реакциями первого порядка. Если в реакции

участвуют два исходных компонента, то такие реакции назы-

ваются бимолекулярными или реакциями второго порядка, а если

исходных компонентов три – реакциями третьего порядка. При

этом предполагается, что реакции осуществляются в результате

одновременного столкновения двух или трех молекул исходного



пл

см

пр.сг

СО

Т,

СО

Рисунок 10.10 – Изменение температуры

и объемного содержания кислорода,

двуокиси углерода и паров воды во

фронте пламени в неподвижной

смеси:

труба, открытая с двух сторон;

– нормальная скорость распростра-

нения фронта пламени

350

вещества. Вероятность столкновения более чем трех разных мо-

лекул исходных компонентов пренебрежимо мала. Из молеку-

лярно-кинетической теории газов количество столкновений меж-

ду молекулами одного исходного компонента пропорционально

общему их числу



в единице объема (объемной концентрации ис-

ходного компонента), а если в реакции участвует несколько ис-

ходных компонентов, то вероятность столкновения молекул раз-

личных исходных компонентов пропорциональна произведению

количества молекул каждого исходного компонента в единице

объема (произведению объемных концентраций компонентов).

Если обозначить концентрации исходных компонентов в молях

на единицу объема через С

, С

, а продуктов окисления через

и С

, то абсолютную скорость химических реакций можно

представить следующим образом:

для мономолекулярной реакции





;







; (10.5)

для бимолекулярной реакции

CCK





;

CCK







; (10.6)

для реакции третьего порядка

сba

СCCK





;

сba

СCCK







, (10.7)

где



332211

,,,,, КККККК – коэффициенты пропорциональнос-

ти (константы реакций окисления), которые зависят в основном

от температуры и физико-химических свойств компонентов.

Абсолютная скорость химической реакции моль/(м

с) –

количество вещества в молях, прореагировавших в единице

объема (м

) в единицу времени (с).

Объемная (молярная) концентрация каждого из исходных

компонентов реакций пропорционально давлению смеси. Поэто-

му количество молекул исходных компонентов, вступающих в

реакцию или же образовавшихся в единицу времени (абсолютная



В 1 см

газа при нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0 С) содержится 2,6910

молекул

351

скорость реакций), может быть представлена в функции давления

смеси:

для мономолекулярной реакции

см11

рКCK





; (10.8)

для бимолекулярной реакции

см22

рКСCK





; (10.9)

для реакции третьего порядка

см33

рКССCK

сba





; (10.10)

для реакции n-го порядка

рК

см





. (10.11)

Константы химических реакций зависят от энергии актива-

ции реагирующих компонентов и абсолютной температуры Т

смеси,

eAK



 , (10.12)

где A

– константа для определенных реагирующих компонентов

реакции n-го порядка; Е

– энергия активации для определенных

реагирующих компонентов Дж/моль; R = 8,314 Дж/(мольК) –

универсальная газовая постоянная.

Энергия активации Е

– дополнительное количество энер-

гии, которое необходимо сообщить молю реагирующих компо-

нентов для повышения кинетической энергии молекул до уровня,

при котором возможен разрыв внутримолекулярных связей (сил

сцепления между атомами молекул).

Таким образом, абсолютная скорость реакции n-го порядка

см

const

eр







. (10.13)

Энергия активации реакций в зависимости от условий осу-

352

ществления реакции (давления, температуры, содержания в среде

молекул других веществ и других факторов) изменяется в широ-

ких пределах и для одних и тех же реагирующих компонентов.

Например, энергия активации реакции водорода с кислородом в

зависимости от давления и температуры изменяется в пределах

(4,2–17,6)10

Дж/моль 12; этана с кислородом – (12,6–23,3)10

Дж/моль 13; углеводородов моторного топлива – (2–16,8)10

Дж/моль 8. Определяющим фактором изменения абсолютных

скоростей реакций окисления углеводородов топлива является

температура смеси. Если принять абсолютную скорость реакций

окисления углеводородов топлива при

см



= 300 К за единицу, то

с увеличением температуры отношение абсолютных скоростей

реакций окисления

 





































К300

см

смсм

см

ТT

ее

ddC

. (10.14)

Скорость химических реакций окисления углеводородов

топлива возрастает интенсивно при увеличении температуры

смеси до 1000 К, а затем интенсивность ее увеличения снижается

тем в большей степени, чем выше температура смеси. Значитель-

ное влияние на скорость химических реакций окисления углево-

дородов топлива оказывает и энергия активации (табл. 10.1).

Таблица 10.1 – Влияние температуры и энергии активации на

абсолютную скорость реакций окисления углеводородов топлива

Энергия

активации,

Дж/моль

Температура смеси, К

300 500 1000 1500 2000

16,8



5,25



3,98



2,82



8,91



8,4



7,59



2,0



5,37



3,02



2,0



1 –

2,82



6,17



9,33



Основным источником активации реагирующих компонен-

тов является кинетическая энергия молекул реагентов, хаотичес-

ки движущихся с различными скоростями. При столкновении

353

молекул реагентов движущихся с повышенными скоростями

суммарная их энергия может оказаться больше энергии актива-

ции, произойдет при этом разрушение внутримолекулярных свя-

зей и возникновение активных частиц или соединений атомов со

свободными валентными связями. С ростом температуры возрас-

тает количество столкновений молекул с высоким уровнем кине-

тической энергии, возрастает скорость реакций. При этом исход-

ные компоненты реакций, например окисления углеводородов

топлива кислородом воздуха, превращаются в конечные продук-

ты не в результате прямых соударений молекул, а с образованием

промежуточных продуктов окисления – активных частиц (ато-

мов, осколков молекул с незамещенными свободными валентны-

ми связями). Активные частицы вступают в реакции с молекула-

ми исходных реагентов или промежуточными соединениями уже

при значительно меньших значениях энергии активации, т.е. ре-

акции, например, окисления углеводородов топлива многоста-

дийные. В результате ряда (цепи) последовательных преобразо-

ваний получаются конечные продукты реакций.

Теория цепных реакций разработана лауреатом Нобелевской

премии академиком Н.Н. Семеновым и сегодня является обще-

признанной. Теория цепных реакций взаимодействия различных

веществ включает следующие основные положения:

 начальная скорость зарождения активных центров цепей

реакций бесконечно мала – а;

 цепи реакций осуществляются через посредство атомов и

радикалов, вступающих в реакции;

 активные частицы (атомы, радикалы) могут вступать в

реакции трех видов:

 реакции, при которых в результате соударения образуется

столько же новых активных частиц, сколько и было до соударе-

ния (реакции продолжения цепей – б);

 реакции, при которых в результате соударений количест-

во активных частиц в среде возрастает (разветвление цепей – в);

 реакции, в результате которых происходит уменьшение

или уничтожение активных центров, превращение их в стабиль-

ные молекулы (обрыв цепей – г).

354

Рассмотрим для примера схему реакций окисления водоро-

да, одного из основных горючих компонентов моторного топли-

ва:

а – зарождение цепи











;МН2МН

;ОООО

;НО2ОН

322







б – продолжение цепи









;ООННОНО

;НОННОН





в – разветвление цепи









;О2НООН2

;ННОНО

;ОНООН









г – обрыв цепей













.стенкаН

;МОНМОН2

;ОННОН

;ННН

;ОНННО

222







Здесь М – стабильное соединение (молекула), точка над зна-

ком химического элемента – свободная валентная связь.

Схема реакций окисления молекул углеводородов, содер-

жащих от нескольких до десятков атомов углерода и водорода,

намного сложнее, реакции носят лавинообразный характер. На

основании анализа экспериментальных данных Н.Н. Семеновым

предложена следующая схема реакций окисления простейшего

углеводорода (метана):

а – зарождение цепи









;Н2ОНСОНОСН

;МННСМСН

;ОНОНСОСН

324









355

б – продолжение цепи









;НСОНОНСН

;ОНСОООНС

;НСОНОСО

;ОСНОННСНОНО

;НОНСНООНС

32224







в – разветвление цепи









;ОННСОСН

;ОНОНСОНСНО

2324



г – обрыв цепей













стенка.НО

стенка;Н

;НОСОНООНС

;ОННОН

;СООСО

222





Цепная реакция окисления метана начинается с образования

в результате соударения молекул кислорода и метана с высокой

кинетической энергией двух радикалов

НС



. В последую-

щих элементарных актах взаимодействия принимают участие об-

разующиеся радикалы



; атомы





. Реакции окисления

метана – слаборазветвленные реакции, что предопределяет отно-

сительно медленное горение метана. Образующаяся окись угле-

рода сгорает с образованием СО

(стабильного соединения) и ак-

тивных атомов со свободными валентными связями (





При обрыве цепей реакций окисления углеводородов топли-

ва в продуктах сгорания за фронтом пламени образуются наряду

с конечными продуктами окисления (СО

, Н

О) промежуточные

соединения (СО, С

), твердые частицы, содержащие углерод,

твердые углеводороды, образовавшиеся при столкновении не-

скольких молекул углеводородов, полициклические углеводоро-

ды. Значительная часть углеводородов в отработавших газах обу-

словлена обрывом цепей реакций окисления в пограничном слое

у поверхности стенок надпоршневой полости, толщина которого

356

составляет 0,1–1 мм. Часть этих соединений является по отноше-

нию к живым организмам токсичными, часть – канцерогенными.

При сгорании этилированных бензинов в продуктах сгорания со-

держатся также соединения свинца, воздействие которых на жи-

вые организмы сопоставимо с воздействием канцерогенных со-

единений. Содержание твердых частиц в продуктах сгорания го-

могенных топливовоздушных смесей незначительно и зависит в

основном от количества масла, поступающего в надпоршневую

полость через поршневые кольца.

Во фронте пламени в реакциях окисления молекул углево-

дородов, содержащих азот, образуются также оксиды азота (NO

но основная часть окислов азота в продуктах сгорания приходит-

ся на окись азота, образующуюся при окислении азота за фрон-

том пламени в зоне максимальной температуры. Реакции окисле-

ния азота, как и углеводородов, являются в основном многоста-

дийными, носят цепной характер 8, 14, 15. Интенсивность обра-

зования окиси азота зависит от температуры и концентрации ки-

слорода в продуктах сгорания. Реакции образования окиси азота

из азота и кислорода обратимы:



 NO +



– 13,610

Дж/моль;



+ O

 NO +



+ 13,610

Дж/моль.

Первая реакция протекает с поглощением теплоты. С пони-

жением температуры реакции смещаются влево (в сторону обра-

зования исходных реагентов). При быстром охлаждении продук-

тов сгорания, как это имеет место в надпоршневой полости дви-

гателей, равновесие не успевает сместиться влево, происходит

“закалка” окиси азота. В продуктах сгорания остается практичес-

ки то же количество окиси азота, которое образовалось при высо-

кой температуре.

Так как в продуктах сгорания углеводородов за фронтом

пламени содержатся пары воды, возможны и другие реакции об-

разования окиси азота:

NHNOHON





;

HONOONH



 .

Не исключаются при высокой температуре и бимолекуляр-

357

ные реакции окисления азота, сопровождающиеся поглощением

теплоты:

+ O

 2NO – 18,110

Дж/моль.

По данным экспериментальных исследований в продуктах

сгорания двигателя с искровым зажиганием содержится в основ-

ном окись азота. Содержание двуокиси азота (NO

) не превышает

1 % от общего количества оксидов азота в продуктах сгорания

8. Окись азота продуктов сгорания в воздухе легко окисляется,

образуя двуокись азота.

Нормальная скорость распространения фронта пламени U

(рис. 10.10) в топливовоздушных смесях относительно невелика –

0,30–0,55 м/с 8. При турбулизации топливовоздушной смеси

она значительно возрастает (до 60–80 м/с). В турбулентном пла-

мени параметры топливовоздушной смеси (температура, ско-

рость) непрерывно изменяются, глубина фронта пламени при

этом значительно увеличивается. Наибольшее влияние на ско-

рость перемещения турбулентного пламени оказывает крупно-

масштабная турбулизация топливовоздушной смеси, вызываю-

щая не только расширение фронта пламени, но и образование

очагов горения смеси как впереди фронта пламени, так и за

фронтом пламени.

При сгорании топливовоздушных смесей в надпоршневой

полости двигателя давление и температура смеси вследствие вы-

деления теплоты при сгорании и перемещения поршня возраста-

ет, что также значительно увеличивает скорость сгорания смеси.

Благодаря этим факторам становится возможным осуществить

процесс сгорания топливовоздушной смеси в надпоршневом

объеме за 1–2 мс. Например, в карбюраторном двигателе ВАЗ-

2103 на режимах внешней скоростной характеристики момент

зажигания при n = 5600 об/мин осуществляется за 36 ПКВ до

ВМТ, а при n = 3000 об/мин – за 32 ПКВ (рис. 10.11). На ста-

билизацию очага зажигания уходит при n = 3000 об/мин 18

ПКВ¸ при n = 5600 об/мин – 23 ПКВ. Интенсивное сгорание то-

пливовоздушной смеси (резкое нарастание давления) начинается

примерно за 13–15 ПКВ до ВМТ. Максимального значения дав-

ление газов в надпоршневой полости достигает за 8–10 ПКВ по-

сле ВМТ, т.е. продолжительность интенсивного повышения дав-