В чертоге ада: что происходит в двигателе, часть 2

В чертоге ада: что происходит в двигателе, часть 2

Мы продолжаем серию о том, что происходит в химическом реакторе, называемом двигателем.

Мы продолжаем серию статей о том, что происходит в химическом реакторе, называемом двигателем внутреннего сгорания, и о том, как вредные вещества образуются в выхлопных газах. Однако для этого нам нужно пролить свет на то, что такое топливо и процессы сгорания.

За некоторыми исключениями из обязательных добавок до 10% биотоплива, большая часть топлива, заливаемого в бак вашего автомобиля, имеет нефтяное происхождение. Однако на огромных нефтеперерабатывающих заводах нефть перегоняется на отдельные фракции и затем обрабатывается для изменения структуры молекул в зависимости от того, какой двигатель — бензиновый или дизельный.

Все мы знаем, что вода кипит при 100 ° C. Как бы мы его ни нагревали, он будет поддерживать эту температуру, интенсивно испаряясь. Однако чистое химическое вещество, называемое водой, представляет собой однокомпонентную жидкость. Напротив, нефть состоит из многих углеводородных химических соединений (углерод-водородных соединений) с разными размерами молекул — от растворенных газов, простейшим из которых является метан, состоящий из четырех атомов водорода и одного атома углерода, до сложных тяжелых соединений. с такими формулами, как C85H60 — молекула, содержащая 85 атомов углерода. Каждое из веществ с разной структурой и массой молекул имеет свою температуру испарения, соответственно кипения и на этом факте основана первичная переработка нефти — атмосферная перегонка. В нем, конечно, выделяется не каждое из веществ, а группы так называемых фракций. Масло сначала очищается от различных примесей, а в котлах нагревается до температуры от 320 до 410 ° C, после чего полученный дистиллят отправляется в так называемую «ректификационную колонну», где фракции разделяются гораздо точнее. (Посмотри на фото)

Помимо разного размера, молекулы этих веществ также имеют различную химическую структуру или форму. Образно говоря, можно предположить, что сами молекулы составляющих нефтяных веществ построены как каркас здания — несущая конструкция может быть реализована различными способами. Помимо разного размера, молекулы этих веществ также имеют различную химическую структуру или форму. Образно говоря, можно предположить, что сами молекулы составляющих нефтяных веществ построены как каркас здания — несущая конструкция может быть реализована различными способами. Однако многие вещества в топливе возникают из-за дополнительных, искусственно созданных структур во имя определенных потребностей (как станет ясно позже) и осуществляются посредством процессов расщепления больших молекул, таких как термический и каталитический крекинг, в котором большие молекулы получаются из бензина, керосина и дизельной фракции) путем каталитического риформинга и изомеризации (изменение структуры в поисках углеводородов с более высоким октановым числом) до компаундирования (смешение веществ, полученных из разных процессов)


Бензиновый двигатель: углеводороды и окись углерода

Давайте сосредоточимся на некоторых конкретных принципах работы двух типов классических тепловых двигателей, потому что, несмотря на недавний процесс конвергенции бензиновых и дизельных двигателей, по их природе, характеру и поведению все еще существуют огромные различия. В случае бензиновых двигателей, которые не работают с расслоением заряда, образование смеси занимает значительно более длительный период времени и начинается задолго до начала процесса сгорания. Независимо от того, используется ли карбюратор или современные электронные системы прямого впрыска, целью смешивания является достижение равномерно распределенной, гомогенной топливной смеси с четко определенным соотношением воздух-топливо. Это значение колеблется в определенном диапазоне около t. солнце. «Стехиометрическая смесь», в которой атомов кислорода достаточно, чтобы быть способными (теоретически) связываться в стабильную структуру с каждым атомом водорода и углерода в топливной композиции, образуя только H20O и CO2. Степень сжатия достаточно низкая (не более 14: 1 для атмосферного (Mazda Skyactive-G) с непосредственным впрыском, до 10,5: 1 для турбомашин среднего давления и даже ниже для агрегатов впрыска во впускной коллектор). ). Это делается для того, чтобы избежать преждевременного и неконтролируемого самовозгорания некоторых веществ в топливе из-за высокой температуры во время сжатия — бензиновая фракция состоит из углеводородов со значительно более низкой температурой испарения, но значительно более высокой температурой самовоспламенения, чем эти. в дизельной фракции — функция прямо пропорциональная октановому числу. Фактическое воспламенение смеси инициируется свечой зажигания, в которой горение происходит в виде фронта, движущегося с определенной предельной скоростью, энергия которого передается каждому последующему слою. К сожалению, в камере сгорания и особенно возле стенок цилиндров и поршня образуются охлаждаемые зоны с незавершенными процессами, что приводит к образованию монооксида углерода и стабильных углеводородов (подробнее об этом мы расскажем в следующем посте). По мере движения фронта пламени давление и температура на его периферии увеличиваются, в результате чего в ближних областях еще не сгоревшей смеси образуются вредные оксиды азота (в результате комбинации азота и кислорода из воздуха), пероксиды и гидропероксиды (соединения между кислородом). и топливо). В зависимости от типа и качества топлива, если количество последнего достигает определенных критических значений, это приводит к неконтролируемому лавинообразно-детонационному горению во всем оставшемся объеме. С этого момента скорость распространения фронта пламени резко увеличивается и превышает скорость звука. Поэтому в современных бензинах используются фракции молекул с относительно стабильной, трудно разрушаемой и детонационной химической структурой с высокой температурой самовоспламенения (например, изопарафины и ароматические углеводороды). Именно для достижения этой устойчивости нефтеперерабатывающие заводы проводят ряд дополнительных процессов, конечным результатом которых является повышение октанового числа топлива. Увеличение степени сжатия приводит к увеличению давления и температуры смеси, в результате чего повышается средняя температура процесса, ускоряется окисление и образование пероксидных соединений. Процесс предпламенного окисления происходит в процессе загустевания, так как разные углеводороды начинают окисляться при разных температурах. Чтобы избежать детонации, современные бензиновые двигатели оснащены датчиками детонации, которые обнаруживают ударные волны, а в высокотехнологичных решениях они заменены датчиками ионизации, которые обнаруживают первые признаки образования пероксида и регулируют такие параметры двигателя, как давление в турбонагнетателе и угол обгона. Кстати, турбокомпрессоры — в этих машинах давление в рабочем процессе намного выше, поэтому необходимо уменьшить геометрическую степень сжатия (в реальном случае учитывается давление, создаваемое турбиной). Однако они имеют преимущество перед атмосферными в том, что воздух можно предварительно охлаждать с помощью промежуточных охладителей и, таким образом, снижать среднюю температуру процесса сгорания — одна из многих причин, почему они более эффективны и широко используются как часть философии уменьшение размеров. Другой важный компонент для снижения температуры и улучшения смесеобразования — это непосредственный впрыск топлива, которое дополнительно охлаждает объем камер сгорания. Конечно, все это относится и к режимам повышенной нагрузки — отчасти не имеет такого выраженного эффекта, поэтому некоторые производители (Audi, Lexus) используют в этом случае вторую систему впрыска во впускных коллекторах (лучшее смешивание в некоторых режимах, меньшее давление и потребление энергии).

Бензиновый двигатель: углеводороды и окись углерода

Из-за в значительной степени фиксированного соотношения смеси, с которой могут работать бензиновые двигатели, важную роль в них играет дроссельная заслонка, с помощью которой регулируется нагрузка двигателя, регулируя количество поступающего в цилиндры свежего воздуха. К сожалению, сама дроссельная заслонка вызывает значительные потери в режиме частичной нагрузки, так как в таких ситуациях играет роль своеобразной «заглушки» горла двигателя, напрямую снижая эффективность его работы. Основная идея создателя дизельного двигателя Рудольфа Дизеля — повысить термодинамический КПД машины за счет значительного увеличения степени сжатия. Таким образом, площадь топливной камеры уменьшается, и энергия сгорания не рассеивается через стенки цилиндра и систему охлаждения, а «расходуется» между самими частицами, которые в этом случае находятся значительно ближе друг к другу. Если в камеру сгорания этого типа двигателя поступает заранее приготовленная топливно-воздушная смесь, как в бензине, то при достижении определенной критической температуры в такте сжатия (в зависимости от степени сжатия, заправки и типа топлива) задолго до мертвой точки поршня ( GMT) инициирует процесс самовоспламенения и неконтролируемого объемного горения. По этой причине топливо в дизельном двигателе впрыскивается в последний момент, незадолго до GMT, под очень высоким давлением, что, однако, создает значительный дефицит времени для хорошего испарения, диффузии, образования смеси и самовоспламенения. По этой причине необходимо ограничивать максимальную скорость, которая редко превышает предел 4500 об / мин. Такой подход устанавливает соответствующие требования к качеству топлива, которое в данном случае представляет собой фракцию дизельного топлива — в основном прямые дистилляты со значительно более низкой температурой самовоспламенения из-за более нестабильной структуры, большей частью с длительным сроком службы. неразветвленные молекулы, которые легче распадаются и реагируют с кислородом.

Дизельный двигатель: оксиды азота и сажа

Особенностью процессов сгорания дизельного двигателя являются, с одной стороны, зоны с обогащенной смесью вокруг инжекционных отверстий, где топливо разлагается (трескается) из-за высокой температуры без окисления, становясь источником углеродных частиц (сажи), а с другой стороны. , в котором топливо полностью отсутствует и под действием высокой температуры азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие, образуя оксиды азота. Поэтому, а также возможность воспламенения обедненных смесей, в режимах частичной нагрузки дизельные двигатели настроены на работу с такими (т.е. с серьезным избытком воздуха), а регулирование нагрузки осуществляется только дозированием количества впрыскиваемое топливо без дроссельной заслонки. В этом двигателе предварительное образование пероксидов важно, потому что оно создает гнезда самовоспламенения, которые ускоряют процесс. По этой причине требования к топливу прямо противоположны требованиям бензинового двигателя. Более тяжелое топливо обеспечивает еще одно преимущество этих двигателей перед бензином — оно имеет более высокую плотность энергии. С другой стороны, по понятным причинам при том же расходе топлива дизель выделяет больше углекислого газа. Более низкие значения CO2 у дизелей обусловлены значительно меньшим сопоставимым расходом. В современных двигателях, как и в их бензиновых аналогах, установлены датчики, обнаруживающие в реальном времени химические процессы в двигателе.

Однако, чтобы соответствовать строгим требованиям последних стандартов по уровню вредных веществ, дизелю необходимы дорогостоящие системы рециркуляции выхлопных газов (снижение температуры для инициирования образования оксидов азота и замена части атмосферного воздуха стабильными инертными газообразными соединениями), фильтры от сажи и оксидов азота, катализаторы нейтрализации вредных выбросов в выхлопной системе (о них в следующей публикации).

Чтобы компенсировать некоторые недостатки бензинового двигателя, конструкторы создали двигатели, в которых процесс смесеобразования представляет собой так называемое «расслоение заряда». В режиме частичной нагрузки оптимальная стехиометрическая смесь создается только в зоне вокруг электродов свечей зажигания и в среднем она «плохая». В двигателях последнего поколения, созданных BMW и «Мерседес» использовали так называемый «распыляемый» процесс, при котором в конце такта сжатия пьезоинжекторы с давлением впрыска выше 200 бар образуют определенное конусообразное облако топлива, воспламеняемое свечой, помещенной на его периферию. Поскольку нагрузкой в ​​этом режиме можно управлять только количеством подаваемого топлива, дроссельная заслонка может оставаться полностью открытой. Это, в свою очередь, приводит к одновременному снижению потерь и увеличению термодинамической эффективности двигателя. Однако эти агрегаты также нуждаются в устройствах для восстановления оксида азота, которых в этих двигателях много из-за характера плохой работы смешивания и которые были заменены машинами с турбонаддувом с однородным смешиванием и тем же впрыском под высоким давлением, что и в некоторых из самых современных (Mercedes) в некоторых режимах переключается на частично неоднородное перемешивание.

HCCI: лучшее из обоих миров

Тип топлива и предсказуемость его поведения будут иметь первостепенное значение при разработке двигателей с однородным смесеобразованием и самовоспламенением. Идея создания этих агрегатов, получивших название HCCI, возникла как раз из желания одновременно объединить преимущества и устранить недостатки двух типов классических моторов. Разработки VW, General Motors и Mercedes (наиболее сложные из всех — проект Diesotto) дают надежду на скорейшее практическое внедрение силовых установок с КПД близким к дизельному с высокой степенью сжатия, однородным распределением равномерно обедненной смеси в камере сгорания и последующее равномерное объемное самовоспламенение при полном беспламенном горении и при низких температурах. Это значительно снижает образование оксидов и пероксидов азота. Лабораторные исследования двигателей HCCI в последние годы действительно показали значительное снижение вредных выбросов в выхлопных газах при увеличении эффективности по сравнению с бензиновыми.

Бензин в этих двигателях чувствует себя лучше, и чем выше октановое число, тем лучше. Логика этого проста — более высокое сопротивление молекул и более высокая температура самовоспламенения позволяют достичь более высоких степеней сжатия. Если в этом случае использовать дизельное топливо в виде прямого дистиллята, это произойдет во время движения поршня.

(suivre)

Texte: Georgy Kolev

ARTICLES SIMILAIRES

LIRE AUSSI

Accueil » Essai routier » Dans le palais de l'enfer: ce qui se passe dans le moteur, partie 2

Ajouter un commentaire