15. Мониторинг на двигатели с принудително запалване (бензинови двигатели).Предпламенни реакции и запалване; дефлаграция и детонация - дефиниция иобяснение. Октаново число – дефиниция и експериментално определяне, влияние нахимичната структура; основни замърсители от двигателите с принудително запалване.

Част от мониторинга на замърсяването от двигателите с принудително запалване еизясняването на механизма на образуването на замърсители в тях и методите за оценка назамърсяването. В този въпрос се разглежда и възможността за контрол на замърсяването от тезидвигатели чрез състава на горивата за тях. В следващи въпроси се разглеждат възможностите законтрол на замърсяването от превозните средства.

15.1. Работа на двигателите. Предпламенни реакции и запалване.Двигателите с принудително (искрово) запалване използват обикновено бензино-въздушна

смес, която се получава чрез предварително смесване на парите на горивото и окислителя. Работатана тези двигатели най-често е организирана в 4 цикъла (такта): запълване на горивната камера,сгъстяване, разширяване (работен такт) и - изхвърляне на отработените газове (фиг. 1а до 1г). Единтакт е един ход на буталото между горната и долна „мъртви” точки.

Фиг. 1. Работа на двигател с принудителни запалване.

При такта всмукване буталото се движи надолу (фиг. 1а). Всмукателният клапан (левият) еотворен и през него в цилиндъра постъпва горивната смес, която се състои от смесени въздух,бензинови пари и дребни неизпарили се още капчици бензин. Изпускателният клапан е затворен.

След като буталото достигне до крайното си долно положение, т. нар. „долна мъртва точка –ДМТ”, започва втория такт, сгъстяване (фиг. 1б). Всмукателният клапан се затваря, буталотозапочва да се движи нагоре и да сгъстява горивната смес. При това температурата също се повишава,неизпарилите се още капчици бензин се изпаряват и парите допълнително се смесват с въздуха.

В края на такта сгъстяване, когато буталото е на определено разстояние от крайното си горноположение (т. нар. Горна мъртва точка – ГМТ), между електродите на свещта прескача електрическаискра, която възпламенява горивната смес.

Скоростта на горене, налягането и температурата рязко нарастват. Около свещта се образувафронт на пламъка, който се разпространява още докато буталото е около ГМТ. Заради увеличнияобем на отработените газове започва третия такт – разширение, който е работния такт надвигателия (фиг. 1в). Газовете, получени при изгарянето на горивото, са с температура до около 2900оС, а налягането - до 7 МРа. Газовете натискат буталото, извършвайки механична работа. Такахаотичното движение на молекулите на нажежения газ се превръща в линейно движение на буталото.При горенето, високата скорост обуславя турбулентен режим в камерата, при който в не изгорялатасмес дифундират активни радикали и други продукти на горенето. При определени условиянормалното горене (дефлаграция, скорост на движение на пламъка 20 – 30 m.s-1) може да премине вдетонация, да се появят ударни вълни и скоростта да нарасне рязко до 1500 – 2500 m.s-1. Детонациянай-често се получава в края на третия такт, но може да възникне и преди подаването на искрата въввтория такт.

При последния, четвърти такт – изпускане (фиг. 1г), буталото отново се движи нагоре.Изпускателният клапан, разположен в дясно на фигурата, отваря изпускателния отвор. Отработенитегазове, поради по-голямото налягане, което имат спрямо атмосферното, се устремяват визпускателния канал и с голяма скорост излизат навън от цилиндъра. Когато буталото достигне ГМТ,то трябва да е изтласкало извън цилиндъра всички отработени газове, така че при следващия му ходнадолу, когато започне отново първия такт – всмукване, цилиндърът да бъде очистен и в него отново

ще може да постъпи прясна горивна смес. Но въпреки, това цилиндърът не може да се изчистинапълно от отработилите газове. Част от тях остават в обема на камерата на горенето.

15.2. Запалване и предпламенни реакции.В съответствие с радикално-верижната теория (въпрос 9), при достигане на някаква температура и

налягане през втория такт започват предпламенни реакции с разклоняване на веригите (път II), коитомогат да доведат до химично самозапалване на горивото. Те би трябвало да приключат предиподаването на искрата и да подготвят сместа за термично запалване (път I), тъй че внесената отискрата енергия да е достатъчна за заплаването. Най-важни са следните две реакции от схемата наСемьонов:

RO2 + R΄H → ROOH + R΄ [4С]ROOH → RO + OH [8С]По първата от тези реакции от горивните молекули се се образуват хидропероксиди, а по втората

(която е и една от основните реакции на разклоняване и образуване на нови вериги) – хидроперокси-дите се разлагат.

15.3. Дефлаграция и детонация.Скоростите на предпламенните реакции зависят от температурата и са различни за всяка

молекула в бензина в зависимост от химичната й структура. При нормално горене, дефлаграция,реакците от типа на (8С) приключват преди да се подаде искрата и в сместа има минималносъдържание на хидропероксиди. Концентрацията на пероксидите е важна за възникването надетонация, защото те са сравнително нестабилни и при създадените високо налягане и температура вкрая на втория такт, някой от тях може да се разложат по реакция (8С) с взрив.

Ако в сместа има минимално количество хидропероксиди, след подаването на искрата, фронтътна пламъка последователно запалва термично слоевете на незапалената още смес и се движи отточката на подаване на искра към насрещните части на горивната горивната камера с нормалнаскорост.

Фиг. 2 показва горене чрез дефлаграция, заснето с високоскоростна камера в експерименталнагоривна камера на бензинов двигател.

Фиг. 2. Изгаряне чрездефлаграция.

Основна причина запоявата на детонация есамозапалването на горивнатасмес преди да се подаде искраили преди фронтът напламъка са запалинеизгорялата смес принудително. Фиг. 3 показва как физически възниква детонацията.

Фиг. 3. Детонация.Легенда: a - а – положение на фронта на пламъка; А-точка на възникване на детонация; Д1-Д2 –

разпространяване на зоната на горене на източника А; 01 – 04 – ударни вълни; 01’ – 04’ – отразени вълни.

При детонация скоростта на разпространение на пламъка достига до 1500 – 2500 m/s, вместотипичните за дефлаграцията 20 – 30 m/s, а налягането нараства лавинообразно. Количествототоплина, което се отделя при детонационното горене, е малко, защото молекулите на бензина неизгарят напълно. При огромната скорост, с която протича детонацията в малкия обем на горивнатакамера, се образува се детонационна вълна, която се отразява от стените на цилиндрите на двигателя.В резултат се повишава на разхода на гориво, намалява се мощността на двигателя, може да започнепрогаряне на клапаните, и в крайна сметка двигателя се износва по-бързо или дори – може да серазруши. Тъй като горивните реакции не се довършват, типичните замърсители се отделятатмосферата залпово със значително по-висока скорост и в по-високи концентрации, отколкото епредвидено от конструкцията на автомобила и катализаторите за доизгаряне.

Според радикално-верижната теория на окислението, в първо приближение възникването надетонация може да се обясни с началото и съотношението на скоростите на показаните по-горереакции от схемата на Семьонов. Кога ще започне образуването на хидропероксиди по [4С] и прикакви температури и налягания в цилиндъра, те ще започнат да се разлагат по [8С], както иреакционните скоростите определя химическата структура на конкретната молекула. Ако реакциятана тяхното разлагане е по-бърза от реакцията на образуването им, те ще се натрупват в горивнатакамера и може да се разложат с детонация (взрив). В обратния случай, хидропероксидите своевре-менно се разлагат и изгарянето на сместа протича напълно, в условията на дефлаграция.

Съвременните двигатели имат различни конструкционни особености (например, октан-коректор),които ги предпазват от детонация. Ако обаче има някакви концентрации на хидрипероксиди надкритичните, ще възникват и ще се преодоляват микродетонации в отделни точки от горивнатакамера, при което концентрациите на замърсители в отработените газове ще се увеличават, аотдадената от двигателя мощност ще спада.

15.4. Октаново числоОктановото число е мярка за детонационната устойчивост на автомобилните бензини. Показва

каква склонност към детонация има изпитваният образец в сравнение със склонността към детонацияна смеси от два еталона. Еталоните са нормален хептан С7Н16, с октаново число, прието за равно нанула и изооктан С8Н18 (2,2,4-триметилпентан) с октаново число, прието за равно на 100. От тях сеизготвят еталонни смеси, октановото число на които се изпитва в стандартен двигател и се сравнявасклонността към детонация на тези смеси и изпитвания в същия двигател образец. По този начиноктановото число на даден бензин е обемния процент на изооктан в еталонната смес, която отговаряна неговата антидетонационна стабилност. За еталонните смеси октановото число е адитивенпоказател и тяхното октаново число е равно на концентрацията изооктан в тях. Колкото по-високо еоктановото число, толкова повече мощност може да се получи от двигателя.

При фиксирана конструкция на двигателя, най-голямо значение за предпазването от детонация

има химичната структура на съединенията в горивото и неговия състав. Според радикално верижнататеория (въпрос 9), определяща при верижните реакции, които започват при ниска температура, ездравината на връзките С-Н, които се атакуват от кислорода и скъсват при иницииращата реакция(1С). В рамките на даден хомоложен ред, енергията на С-Н връзките и съответно - стабилността къмдетонация намалява с увеличаване на молекулната маса. При изомерите, най-нестабилни къмдетонация са съединенията с прави вериги, разклоняването увеличава стабилността, а най-стабилниса арените. Цикланите имат също високи октанови числа, но по-ниски от тези на арените.

Детонационната стабилност на бензините може да се увеличи с помощта на антидетонационнидобавки, които разрушават хидропероксидите и възпрепятстват тяхното натрупване. Най-ефективнидобавки са органичните съединения на оловото, но в отработените газове те образуват оловниаерозоли, троват катализаторите и трайно замърсяват въздуха. В съвременните бензини катоантидетонационни добавки се използват кислород-съдържащи съединения с високи октанови числа –етери (например, метилтретичен бутил етер, МТБЕ) и нискомолекулни алкохоли.

15.5. Най-важни замърсители от двигателите с принудително запалване.Замърсителите, чието контролиране е най-важно за тези двигатели и трябва да се намалят с

помощта на катализаторните системи:- Летливи органични съединения. Обикновено се обозначават като въглеводороди, но сред

тях има и нискомолекулни кислородни съединения – алдехиди, кетони и карбонови киселини.- Въглероден монооксид;- Азотни оксиди;Получават се и други замърсители, например серни оксиди но те, особено след

ограничаването на сяра в бензините под 10 ррм, са много малко. Процесите протичат изцяло в газовафаза, поради което частиците са само сажди и също са в сравнително малко количество. Вотработените газове от двигателите с принудително запалване се съдържат в малки количества идруги замърсители, но засега те не са обект на контрол. Съществен замърсител, на който започва дасе обръща все по-голямо внимание като парников газ, е въглеродния диоксид, характерен за всичкиизкопаеми горива.