§ 8. Процесс горения

Горением называют быстропротекающую реак­цию, которая сопровождается выделением теп па и изу­чением света. Обычно это окислительный процесс соеди­нения топлива с кислородом воздуха. Чтобы началась реакция, топливо и окислитель (кислород, воздух) необ­ходимо нагреть до температуры самовоспламенения топлива. Температура самовоспламенения различна не только для разных, но даже и для одного топлива в зави­симости от его состояния, концентрации кислорода, способов смесеобразования, материала камеры, в которой происходит горение, температуры окружающей среды и др.

Процесс горения очень сложен и, несмотря на широкое распространение, еще мало изучен Конечные продукты горения любого топлива — углекислый газ, пары воды и окислы серы, если она содержится в горючем. Однако до их образования топливо претерпевает значи­тельные изменения связи, в молекулах разрываются, ме­няют положение атомы, при этом выделяются различные пары и газы, которые при соединении с кислородом обра­за ют пламя Остаток топлива сгорает без пламени. В процессе горения температура газов достигает 1500-2400⁰ С

Очень большую роль при сгорании играет количество подаваемого воздуха. Если ею недостаточно, то горение идет медленно, температура невысока, образуются продукты неполного горения окись углерода, сажа и др. Выделяющиеся выхлопные газы становятся темными, а иногда черными. Увеличивать количество воздуха выше нужного предела также нельзя. В воздухе по объему со­держится только 21 % кислорода, а остальное — инерт­ный газ — азот N₂. Следовательно, если подавать много воздуха, то значительное количество тепла будет расхо­доваться на нагревание азота и избыточного кислорода, температура при этом снижается, скорость сгорания уменьшается, наблюдается перерасход топлива.

Зная элементный состав топлива (содержание углерода, водорода и серы), по реакциям сгорания каждого элемента можно вывести формулу для определения коли­чества воздуха, требуемого для горения. В окончательном виде формула для подсчета теоретически необходи­мого количества воздуха L_теор для сжигания 1 кг топли­ва имеет вид (в килограммах на килограмм):

L _теор. = 2,67 ·C+8·H+S-O

23,2

Состав топлива С, Н, S и О выражен в процентах. Ко­эффициенты показывают, сколько частей кислорода тре­буется для сжигания того или иного элемента. Кислород, который содержится в топливе, тоже участвует в реак­ции, поэтому его вычитают. Цифра 23,2 показывает коли­чество кислорода (по массе), содержащегося в воздухе.

Не прибегая к расчетам, ориентировочно можно счи­тать, что для бензина и дизельного топлива, элементный состав которых близок, для полного сгорания 1 кг тре­буется около 15 кг воздуха.

Полное сгорание топлива с расчетным количеством воздуха возможно только при идеальных условиях, каж­дая молекула кислорода должна вступать в реакцию с каждой молекулой топлива. В двигателях достичь 1зко-го положения невозможно; топливо распыляется не на молекулы, а на капли различного размера. Поэтому в ре­альных условиях эксплуатации для обеспечения полного сгорания топлива всегда подается воздуха больше, чем требуется по расчету. Это количество называют действительно израсходованным (L_дейст.) . Отноше­ние действительно израсходованного количества воздуха к теоретически необходимому называют коэффици­ентом избытка воздуха α.

α. = L_{действ.}, откуда L_{действ.} = α.L_теор.

L_теор.

В производственных условиях обычно L_действ не из­меряют (хотя это можно сделать с помощью различных счетчиков, диафрагм, сопл), а отбирают пробу выхлопных газов, определяют их состав и подсчитывают коэф­фициент избытка воздуха. Если в продуктах сго­рания много свободного кислорода, то воздуха подается избыточное количество, а если есть продукты неполною сгорания, например окись углерода, то — недостаточное.

При неполном сгорании (в выхлопных газах содер­жится окись углерода) коэффициент избытка воздуха оп­ределяют по формуле

α. =_______1_________

1-

3,76(0₂-0,5-С0)²

N₂

а при полном α. = ___1____

1- 3.76 ·О₂

N₂

где О₂, СО, N₂ — процентное содержание кислорода, оки­си углерода и азота в продуктах сгорания. Состав про­дуктов сгорания определяют анализом на специальных приборах, называемых газоанализаторами, а ко­личество азотa подсчитывают по разности N₂=100 - (С0₂+0₂+СО).

В зависимости от соотношения количества воздуха и топлива может быть несколько видов горючей смеси. Ес­ли полное сгорание происходит с расчетным количеством воздуха, то коэффициент избытка равен единице, при этом смесь называют нормальной. Когда α больше единицы, смесь бедная, а меньше единицы — бога­тая. При значениях, близких к единице, смесь называют обедненной пли обогащенной.

Режимная работа двигателя, как на бедных, так и на богатых смесях невыгодна. В первом случае горючая смесь разбавляется большим количеством инертного азота и лишним кислородом, скорость и температура го­рения снижаются, двигатель не развивает нужной мощ­ности. Во втором — кислорода недостаточно, образуются продукты неполного горения топлива, увеличивается количество нагаров, двигатель дымит, расход топлива уве­личивается, а мощность падает. Для двигателей всех ти­пов при всех режимах работы нужно стараться обеспе­чить полное сгорание топлива с возможно меньшим ко­эффициентом избытка воздуха. Ниже приведены пример­ные значения коэффициента избытка воздуха, с которым сгорает топливо в двигателях различного типа и тепло­силовых установках:

Вид топлива

Бензин (для карбюраторных двигателей) … 0,90 – 1,15

Дизельное (для быстроходных дизелей) …… 1,20 – 1,60

Моторное (для тихоходных дизелей) ……….. 1,50 – 1,70

Твёрдое ………………………………………… 1,50 – 2,00

Пылевидное ……………………………………. 1,10 – 1,20

Газообразное (сжатые, сжиженные газы) ……..1,05 – 1,15

Чем меньше вязкость топлива, тем лучше его смесеоб­разование с воздухом и проще обеспечивается полное сгорание с небольшим избытком воздуха. В период раз­гона автомобиля с карбюраторным двигателем, когда за короткое время нужно развить большую мощность, нередко прибегают к обогащению смеси, но на установившемся режиме работают на обедненной смеси. В быстроходных дизелях на процессы смесеобразования и сгорания отводится очень мало времени, поэтому, чтобы организовать полное сгорание топлива, приходится зна­чительно обеднять горючую смесь. Наибольшая эконо­мичность достигается при обеспечении полного сгорания топлива для карбюраторных двигателей с α =1,05, а для дизельных с α = 1,20.

Кроме того, что полное сгорание топлива обеспечива­ет наиболее экономное его расходование, нужно всегда помнить о другом обстоятельстве. Продукты неполного сгорания загрязняют окружающую атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительный мир. Угарный газ (окись углерода), различные окислы азота, частично окислившиеся углеводороды топлива (некото­рые смолистые соединения, бензпирен) являются силь­нейшими ядами. Даже самое ничтожное их количество вызывает тяжелые отравления и заболевания.

В СССР большое внимание уделяется охране воздуха, водоемов, почвы, живой природы. На охрану окружаю­щей среды отпускаются большие средства. В каждой от­расли народного хозяйства проводятся различные мероприятия, и совершенствуется техника. Улучшается кон­струкция двигателей, для обеспечения их надежной ра­боты выпускаются более качественные сорта топлива и масел. Чтобы лучше осуществить процесс горения, необ­ходимо для каждого типа двигателя правильно выбрать сорт и марку топлива, что позволит обеспечить хорошее смесеобразование и сгорание. Кроме того, для полного сгорания топлива необходима правильная регулировка топливной аппаратуры дизелей и системы зажигания карбюраторных двигателей, а также повседневный кон­троль их работы