Властивості бензинових сумішей, що забезпечують їх повне згоряння

Процес згоряння бензинів – складний і до кінця не вивчений. Проте цілком очевидно, що на цей процес значною мірою впливає кількість повітря, що надходить у карбюратор. При його нестачі горіння бензину проходить повільно, його температура є невисокою, утворюються продукти неповного згоряння бензину (оксид вуглецю, сажа тощо), а відпрацьовані гази стають темними чи навіть чорними.

Якщо кількість повітря перевищуватиме певну межу, то багато теплоти буде витрачатися на нагрівання азоту – основного компонента повітря та надлишкового кисню. При цьому температура палива знижується, швидкість його згоряння зменшується і, як наслідок, виникає перевитрата палива.

Теоретично необхідна кількість повітря залежить від складу палива. Для згоряння 1 кг вуглецю до СО₂ треба мати 2,67 кг кисню, а для згоряння 1 кг водню до Н₂О – 8 кг кисню.

Кількість повітря у паливній суміші, теоретично необхідна для повного згоряння 1 кг палива, називають стехіометричною. Дійсна кількість повітря у паливній суміші визначається коефіцієнтом надлишку повітря.

Коефіцієнт надлишку повітря – це відношення кількості повітря в кілограмах, витраченого у двигуні на згоряння 1 кг пального (V_ф), до кількості повітря, теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг пального (V_т = 14,9).

Відношення Vф/Vт характеризує нормальну (стехіометричну) паливну суміш. При α < 1 ця суміш називається збагаченою, а при α > 1 – збідненою. Сучасні бензинові двигуни працюють на бензині при α = 0,8...1,1.

На стехіометричній суміші двигун працює стійко, розвиває потужність, близьку до розрахункової, але має знижену економічність. Тому практично повітря в горючій суміші має бути трохи більше від теоретично необхідної кількості. Найбільша економічність при повному навантаженні двигуна досягається на бідній суміші, коли α_ек =1,1. Це пояснюється наявністю в циліндрі залишку газів і неоднорідністю робочої суміші, які негативно впливають на процес її згоряння. Подальше збіднення суміші знижує потужність двигуна й економічність його роботи, збільшує витрати палива, зменшує виділення теплоти, що витрачається на корисну роботу, оскільки інертний азот і вільний кисень виносять з собою частину теплоти з відпрацьованими газами.

Максимальну потужність розвиває двигун, який працює на багатій суміші α п – 0,8...0,9). Однак економічність двигуна при цьому знижується. Зайве збагачення горючої суміші зумовлює неповне її згоряння, зменшення потужності двигуна, збільшення витрат палива. Крім того, при роботі на занадто збагачених сумішах підвищується нагароутворення на клапанах, днищі поршня, електродах свічок та стінках камери згоряння. Частина незгорілого палива змиває оливу із стінок циліндрів і, проникаючи в картер, розріджує її.

Таким чином, горючі суміші з коефіцієнтом надлишку повітря, більшим від аек та меншим від ап, забезпечують надійну роботу двигуна.

Робоча суміш при надмірному збідненні горючої суміші, а також перезбагаченні її не спалахує від електричної іскри. Нижня межа спалаху збіднених сумішей відповідає коефіцієнту надлишку повітря α = 1,4; а верхня межа спалаху збагачених сумішей – α = 0,4.

Компоненти відпрацьованих газів за характером їхньої дії на людину поділяють на отруйні (оксид вуглецю, сполуки свинцю), канцерогенні (беноперін), дратливі (оксиди азоту, сірчані сполуки, альдегіди) і забруднювальні (сажа й альдегіди).

Продукти неповного згоряння пального забруднюють навколишню атмосферу, шкідливо впливають на живі організми та рослинний спіт. Тому поряд із забезпеченням повного згоряння палива, що підвищує економічність двигуна, велике значення має проблема зниження токсичності відпрацьованих газів. Вплив токсичності цих газів на людину розглядається в кінці розд. 2.

Структуру процесу згоряння палива у двигуні з іскровим запалюванням можна зобразити у вигляді двох фаз (рис. 1.9): утворення осередку горіння (ділянка а) й утворення полум'я (ділянка б).

Перша фаза – період прихованого горіння, або період затримки займання (12...15 % загального часу затримки займання). У цій фазі інтенсифікуються окисні процеси. Тиск при згорянні палива на цій ділянці підвищується незначно і практично не впливає на підвищення тиску завдяки його стисненню під час руху поршня до верхньої мертвої точки (ВМТ).

 

Друга фаза – безпосередньо згоряння палива (супроводжується більш швидким підвищенням тиску та закінчується через кілька градусів після ВМТ).

На швидкість згоряння палива впливають його склад і кількість, співвідношення з повітрям (коефіцієнт а), температура залишкових газів, конструкція камери згоряння та ін.

Найінтенсивніше згоряння палива відбувається при а =0,95 (рис. 1.10).

Значно впливають на процес горіння палива залишкові й інертні гази. Із збільшенням останніх зростає час згоряння паливоповітряної суміші.

 

(рис. 1.11) і звужуються межі її займання (рис. 1.12). Між швидкістю поширення фронту полум'я та частотою обертання колінчастого вала двигуна існує приблизно пряма пропорційна залежність (рис. 1.13), що забезпечує нормальну роботу двигуна на змінних режимах.

При нормальному згорянні палива процес відбувається повільно майже з повним проходженням процесу його окиснення (рис. 1.14).