PRŮBĚH SPALOVÁNÍ (obecně)

Transkript

1 PRŮBĚH SPALOVÁNÍ (obecně) 1. PŘÍPRAVA a) Fyzikální část zabezpečuje podmínky pro styk reagentů vytvořením kontaktních ploch paliva s kyslíkem (odpaření, smíšení) vnější nebo vnitřní tvorba směsi ohřátím na teplotu potřebnou k proběhnutí předplamenných reakcí (kompresí, cizím zdrojem) b) Chemická část proběhnutí předplamenných reakcí (endotermických). VLASTNÍ HOŘENÍ proběhnutí podstatných exotermických reakcí (tvorba oxidů dusíků) 3. DOHOŘÍVÁNÍ proběhnutí pomalejších reakcí, jejich zastavení při poklesu teploty během expanze (tvorba škodlivin z nedokonalého spalování) 1

2 PRŮBĚH SPALOVÁNÍ zážehových motorů Zážehové motory používají lehce odpařitelná kapalná paliva nebo paliva plynná. Směs vytvořená palivovým systémem motoru se musí během fází plnění válce a kompresního zdvihu zcela homogenizovat, tj. kapalné palivo se musí úplně odpařit a palivové páry se musí téměř dokonale promísit se vzduchem. Pro spolehlivý zážeh směsi musí být její bohatost ve válci (spalovacím prostoru) motoru v rozsahu mezí zápalnosti pro příslušné palivo Benzin 0,45 < < 1,5 metanol 0,45 < < 1,65 zemní plyn 0,30 < < 1,8 vodík 0,15 < < 10 Vytvoření kvalitní směsi musí zajistit především palivový systém, který přivádí do proudícího vzduchu (příp. přímo do válce) palivo ve formě velmi malých kapek. Vstřikovacím zařízením se vytváří palivová mlha při vstřikování benzinu do sacího potrubí (vstřikovací tlaky cca 0,1-0,3 MPa, rozpad paprsku vstřikovaného paliva do kapek se středním průměrem pod 100 m.

3 Časový interval, který je k dispozici pro homogenizaci směsi je i u vnější tvorby směsi krátký (např. u čtyřdobého motoru při otáčkách n = /min je tato doba pouze 0,018 s). Homogenizaci směsi ve válci napomáhá rozvíření čerstvé náplně při vstupu do válce: toto rozvíření může mít různou povahu. Tangenciální swirl vír s osou v podélném směru válce je vyvolaný konstrukcí vtokového kanálu Příčný tumble vír s osou kolmo k podélné ose válce je vyvolaný nasměrováním sacího ventilu Radiální squish víření je vyvoláno tvarem spalovacího prostoru v hlavě pístu: obvyklé pro vznětové motory s přímým vstřikem. 3

4 . Iniciace zážehu palivové směsi pomocí vysokonapěťového elektrického výboje zapalovací svíčky (zapalovací systémy disponují energií mj v čase 0,5 1 ms). Ve velmi malém objemu směsi (mezi elektrodami zapalovací svíčky), dojde k extrémně rychlému zvýšení teploty (10 4 C) a k intenzivní ionizaci prostředí. Účinkem vysokonapěťového výboje nastává nastartování předoplamenných reakcí, při kterých vznikají rozpadem struktury uhlovodíkového paliva a vazbou s molekulami kyslíku sloučeniny přesycené kyslíkovou vazbou - peroxidy. Tento proces vyjadřuje schéma C H x y O ROOH Peroxidy jsou málo stabilní a rozpadají se, přičemž dochází ke vzniku aktivovaných částic - volných radikálů podle schéma ROOH RO O H Při dosažení určité potřebné koncentrace aktivovaných částic vznikne otevřený plamen. Tato doba vytváření potřebné koncentrace produktů předplamenných reakcí se označuje jako průtah zážehu. Pozn.: Teplota zapálení (zápalná teplota) hořlavé směsi není fyzikální konstantou pro dané palivo. Závisí sice na velikosti a stavbě molekuly paliva, ovlivňují ji však i další podmínky (směšovací poměr, celková tepelná bilance v ohnisku zážehu apod. Vzájemné souvislosti hlavních parametrů počátečního procesu hoření vyjadřuje vztah... průtah zážehu T z..teplota zapálení E p... tlak hořlavé směsi p n e R T z n... řád reakce (obvykle 1 n ) konst E... aktivační energie R... plynová konstanta 4

5 Při srovnatelných podmínkách je teplota zapálení určena především velikostí aktivační energie. Mechanizmus zapálení je proto podmíněn zvýšením energetické hladiny molekul směsi nad hodnotu aktivační energie (v určitém objemu směsi), která zajistí porušení vnitřních vazem v molekule za vzniku koncentrace aktivovaných částic (aktivních radikálů) a vede ke vzniku otevřeného plamene s následným samovolným pokračováním řetězových spalovacích reakcí. Pro uhlovodíková paliva se velikosti aktivačních energií pohybují v rozsahu MJ/kmol (nafta ~ 45 MJ/kmol, benzin ~ MJ/kmol, plynná uhlovodíková paliva ~ MJ/kmol). E 1 3 M c o R T o M.molova hmotnost c o rychlost molekul, odpovídající teplota T o R.plynová konstanta 8,314 kj/kmol.k 5

6 Z ohniska zážehu se hoření rozšiřuje postupem čela plamene. Rychlost postupu čela plamene je určena množstvím aktivovaných částic, které ze zóny hoření pronikají do nespálené směsi. V klidném prostředí pronikají aktivované částice před zónu hoření působením molekulární difuse, hloubka zóny hoření L je malá a stejně tak rychlost postupu plamene u L je relativně malá (do ~ m/s). V podmínkách válce motoru se na rychlosti postupu plamene podílí turbulentní difuse: rozdíl mezi molekulární a turbulentní difusí lze vysvětlit jako rozdíl mezi přenosem jednotlivých molekul a vynášením celých elementárních objemů Intenzita turbulentní difuse se od molekulární odlišuje řádově - podle intenzity turbulence to může být až o - 3 řády. Tato okolnost zvýší hloubku zóny hoření na T ( T 10 mm), rychlost postupu čela plamene se zvýší na ~ 0-40 m/s. Postupným rozšiřováním hoření do celého objemu spalovacího prostoru se uvolněným teplem zvyšuje tlak a teplota náplně ve válci. Při normálním průběhu hoření náplně válce se tlakové maximum ve válci nachází v poloze cca 15 0 za HÚ, celková délka hoření se pohybuje v úhlu 50 0 až 90 0 pootočení KH (důsledek variability průběhu hoření). Schéma laminárního a turbulentního postupu hoření VARIABILITA - proměnlivost po sobě jdoucích pracovních cyklů. Příčiny variability : turbulentnost v nejtěsnějším okolí jiskřiště, nehomogenita směsi, zbytkové spaliny, a pod. ovlivňují potřebný rozměr života schopného jádra plamene a tím i průtah zážěhu a další parametry hoření.. 6

7 PORUCHY PRŮBĚHU SPALOVACÍHO PROCESU V ZÁŽEHOVÝCH MOTORECH Předčasný zážeh směsi (neřízený) vznícení od lokálně přehřátých míst (elektrod zapalovací svíčky, hran talíře ventilu, usazeného karbonu) (zvláštní případ při doběhu (zastavení) motoru s karburátorem) Tlak ve válci (bar) PŘEDZÁŽEH STANDARD 10 Detonační spalování Samovznícení zbytků dosud nespálené směsi v částech spalovacího prostoru, před čelem plamene. Samovznícení probíhá explosivně, za vzniku rázových vln o frekvenci 4-8 khz a rychlosti 100m/s , 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8, Zdvihový objem (dm3) Detonační průběh hoření v zážehovém motoru 7