Как именно работа на обедненной топливной смеси увеличивает температуру воспламенения?

У вас есть качественное описание того, что происходит, но давайте разобьем его на меньший масштаб. Когда мы говорим о «температуре» чего-либо, мы на самом деле имеем в виду, как быстро движутся молекулы и отскакивают друг от друга. «Температура» — это на самом деле «кинетическая энергия». И оказывается, что кроме движения в пространстве есть и другие виды энергии — молекулы могут вращаться, они могут вибрировать, а их электроны могут возбуждаться и двигаться относительно ядра. Каждая из этих энергий также может быть «температурой», поэтому у вас может быть поступательная температура (о чем мы обычно думаем), но вы можете иметь вращательную температуру, колебательную температуру и электронную температуру.

Молекулы обмениваются энергией друг с другом, сталкиваясь друг с другом. При этом они также распределяют энергию между собой. То, как часто они сталкиваются, определяет, как быстро энергия становится однородной, а это определяет, как быстро они достигают того, что называется равновесием. Когда все различные температуры одинаковы, состояние находится в равновесии, и нам не нужно беспокоиться об отслеживании всех различных типов температуры. Для большинства процессов, происходящих в двигателе, более чем достаточно времени для достижения равновесия, поэтому нам не нужно слишком беспокоиться о неравновесных эффектах.

Теперь в химических реакциях молекулы распадаются и образуются новые. Если у новых меньше энергии, разница в энергии выделяется в виде тепла. Если новые имеют больше энергии, реакция требует добавления энергии, чтобы она произошла. Очевидно, что двигатели нагреваются, поэтому реакции в них высвобождают энергию, и мы используем эту энергию для движения автомобиля.

Итак, молекулы распадаются. И они распадаются, когда начинают вибрировать так сильно, что связи между атомами ничего не могут удержать вместе. Единственный способ заставить молекулу вибрировать — столкнуть с ней другую молекулу с достаточной энергией и достаточно эффективной передачей энергии, чтобы начать колебания. И энергия должна быть достаточно высокой, чтобы вибрация заставила молекулы развалиться.

Изменяя количество топлива в смеси, вы меняете типы возможных столкновений. И это не совсем так, но одни молекулы лучше обмениваются энергией с другими. Чтобы заставить молекулу топлива развалиться, ей нужно столкнуться с другими молекулами топлива с некоторой энергией или с другими молекулами кислорода с большей энергией. Если вы добавляете большее количество кислорода, чем обычно (работа на обедненной смеси), вам также нужно сделать этот кислород более горячим, чтобы молекулы имели больше энергии при столкновении и могли заставить топливо вибрировать достаточно сильно, чтобы развалиться. И наоборот, если вы работаете с большим количеством топлива, у вас есть больше молекул топлива, которые могут столкнуться друг с другом и развалиться, но меньше молекул кислорода, с которыми они могут соединяться и выделять тепло. Это (и некоторые другие эффекты) снижает конечную температуру пламени.

Основываясь на продолжительном обсуждении этого вопроса, давайте вернём всё это в контекст движка. В газовом двигателе с непосредственным впрыском воздух всасывается в цилиндр, поршень сжимает его, а затем топливо впрыскивается в цилиндр. Затем свеча зажигания вызывает искру в камере. Это осаждение электронов приводит в возбуждение молекулы топливно-воздушной смеси — оно фактически ионизирует воздух (отбирает электроны у молекул), и все это добавляет молекулам кучу энергии. Эта энергия является начальной энергией, необходимой для начала горения.

Я сказал, что в условиях обеднения топливом для начала реакции требуется больше энергии, и я сформулировал это в терминах более высокой температуры воспламенения. Температура воспламенения исходит от этой свечи зажигания (для холодного двигателя - горячие двигатели также выделяют тепло от самих цилиндров). В нормальных условиях эксплуатации свечи зажигания обеспечивают более чем достаточную энергию для воспламенения. По мере того, как рабочие условия становятся более обедненными, свеча зажигания обеспечивает такое же количество энергии, но ее по-прежнему достаточно для воспламенения. В конце концов, для достаточно скудных условий энергии будет недостаточно. Это худая осечка .

Дизельные двигатели работают по-другому. Ради аргумента, давайте снова остановимся на прямом впрыске. Цилиндр наполняется воздухом, поршень сжимает его и впрыскивается топливо. Однако нет искры, чтобы инициировать реакцию. Дизельные двигатели полагаются исключительно на создание достаточно высокого давления для воспламенения смеси. Высокое давление означает высокую плотность, а это означает большее количество столкновений для распространения энергии (молекулам не нужно уходить так далеко, чтобы столкнуться друг с другом). Во всяком случае, те же самые идеи применимы. В бедных условиях для воспламенения потребуется более высокое давление. В идеальных условиях двигатель сжимает больше, чем требуется, поэтому, когда он работает на обедненной топливной смеси, его компрессия все еще достаточна для воспламенения. Если вы перейдете на обедненную смесь, и компрессия станет недостаточно высокой, вы снова получите осечку на обедненной смеси .. Свечи накаливания могут помочь во всем этом, нагревая цилиндры и помогая добавить тепла в смесь и запустить реакции.

В любом двигателе после того, как они проработают некоторое время, стенки цилиндра нагреваются, и для возникновения реакции требуется меньше усилий (от искры или от сжатия). Но для холодных двигателей требуется это начальное выделение энергии, чтобы запустить реакции. Многие ECU настроены на сжигание топлива, когда двигатель только запускается, потому что его легче воспламенить; по мере их нагрева смесь становится более бедной и снижает выбросы и расход топлива. Вы можете быть знакомы с ручными дросселями на таких вещах, как газонокосилки — дроссель — это то, что изменяет топливно-воздушную смесь, и чтобы запустить двигатель, вы должны настроить дроссель так, чтобы он был обогащен топливом.

Для тех, кто заинтересован, основываясь на обсуждении, которое мы провели в различных ветках комментариев, я пошел дальше и привел конкретный пример того, как и почему температура может увеличиваться, когда пламя обеднено. Разговор в чате добавлен в закладки здесь .

Забавно, что вы должны спросить этого Макса :)

Сначала давайте удостоверимся в нашем определении. Работа двигателя на обедненной смеси означает изменение соотношения воздух/топливо, чтобы было больше воздуха, чем в идеале (14,7:1 воздух/топливо).

В моем чтении есть два эффекта.

Во-первых, топливо представляет собой распыленную жидкость, которая оказывает охлаждающее действие на камеру сгорания. Так меньше топлива, меньше охлаждающий эффект.

Во-вторых, пламя горит быстрее и горячее в присутствии большего количества кислорода. Больше воздуха по отношению к топливу, чем обычно, означает больше кислорода, чем обычно. Так пламя горит горячее и быстрее, чем должно. Оба собираются поднять температуру камеры сгорания.

Отличный вопрос, мне самому было любопытно, поэтому я начал читать об этом.

Надеюсь, это поможет!

Если вы когда-нибудь видели, как используется кислородно-ацетиленовая горелка, вы заметите, что перед включением кислорода факел имеет ярко-желтое пламя. Это топливо, сгорающее в меньшем, чем идеальное, количестве кислорода. Пламя относительно холодное и производит много сажи.

Когда включается кислород, пламя становится синим и становится достаточно горячим, чтобы расплавить сталь.

Возможно, вы также видели, когда включается слишком много кислорода, пламя гаснет с хлопком.

Бедная смесь топлива такая же, как и обогащенная кислородом.

В двигателе топливо должно сгорать эффективно, но не слишком сильно, чтобы не начать плавить поршни или даже сильно взорваться, что также приведет к повреждению.

Из Википедии - стехиометрическая смесь, к сожалению, очень сильно горит и может повредить компоненты двигателя, если двигатель находится под высокой нагрузкой на этой топливно-воздушной смеси. Из-за высоких температур этой смеси возможна детонация топливно-воздушной смеси вскоре после максимального давления в цилиндре при высокой нагрузке (так называемая детонация или стук). Детонация может привести к серьезному повреждению двигателя, так как неконтролируемое сгорание топливно-воздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Как следствие, стехиометрические смеси используются только в условиях легкой нагрузки. В условиях ускорения и высоких нагрузок используется более богатая смесь (более низкое соотношение воздух-топливо) для получения более холодных продуктов сгорания и, таким образом, предотвращения детонации и перегрева головки блока цилиндров.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Воздух – топливо_соотношение

Извините, ссылка не работает - скопируйте и вставьте в браузер.

Температура двигателя повышается из-за замедления воспламенения топлива . Топливо сгорает дольше, потому что его меньше.

Само топливо имеет одинаковое количество БТЕ, доступное при его сжигании, независимо от того, используете ли вы дополнительный кислород или нет. ПЕРИОД. Когда вы дуете на угли в костре, они становятся горячее, но горят быстрее. Они выделяют такое же количество тепла, но за гораздо более короткий промежуток времени.

Представьте, что ваш цилиндр — это кабина зимой. Если вы возьмете полено и сожжете его за одну минуту, предметы возле печи, где это полено горит, сильно нагреются и, возможно, расплавятся, но большая часть тепла уйдет через дымоход. Если бы у вас было только одно бревно в час, большую часть времени в комнате было бы очень холодно. Возьмите то же полено и медленно сожгите его в течение часа, прежде чем заменить другим, и меньше тепла выйдет через выхлоп и останется в комнате.

Причина, по которой двигатель становится более горячим, заключается в том, что медленно горящее топливо передает больше тепла окружающим частям двигателя.

Вы все кое-что забываете, причина, по которой легкий обедненный ожог может быть горячее, чем стехиометрические отношения, очень проста. Это связано с впрыском топлива. Чтобы стехиометрическое соотношение работало должным образом, каждый отдельный атом кислорода должен идеально соединиться с молекулой топлива перед воспламенением. Это просто невозможно, поэтому у вас есть несгоревшие молекулы топлива при сгорании.

Добавив немного больше воздуха в смесь, вы можете гарантировать, что все ваше топливо сгорает в более высокой степени, что в конечном итоге повысит температуру вашего сгорания, если добавить слишком много, а теплоемкость избыточного воздуха снизит температуру.

Остановился здесь после того, как без особого успеха осмотрелся в поисках хорошего объяснения перегрева из-за обедненного горения в двигателе. Вот мои два цента по теме:

1- Хорошо известно и задокументировано, что пиковая или максимальная температура сгорания ниже, когда соотношение атмосферный воздух/топливо отклоняется от стехиометрического, поэтому обедненное сгорание приводит к более низкой пиковой температуре по сравнению со стехиометрическим, например, 14,7:1 для бензина. Хотя сжигание обедненной смеси может быть более полным, пиковая температура сгорания ниже из-за охлаждающего эффекта дополнительного инертного атмосферного азота в установке обедненной смеси. Помните, что атмосферный воздух содержит значительное количество инертного азота, и тот старый выпуск Popular Science, рассказывающий о конструкции адиабатического двигателя Смоки Юника и его попытках устройства фильтра для удаления азота?

2. Также хорошо известно, что скорость любой химической реакции будет замедляться по мере уменьшения концентрации реактива. Также ожидается, потому что чем дальше молекулы топлива удаляются друг от друга, тем меньше шансов вызвать цепную реакцию, что значительно снижает скорость сгорания.

3- Кроме того, общее количество выделяемого тепла уменьшается при сжигании обедненной смеси, как и ожидалось, из-за меньшего количества топлива или калорийности, участвующих в сжигании обедненной смеси. Так почему же тогда неожиданный результат перегрева двигателя?

4- Это не вопрос меньшего охлаждения, доступного за счет испарения жидкого топлива, это больше связано с общим энергетическим балансом в двигателе. Поскольку сгорание замедляется, большая часть тепловой энергии не может быть преобразована в энергию работы вала и, таким образом, в основном выбрасывается в виде потребленного тепла через выпускное отверстие. Точно так же происходит, если угол опережения зажигания сильно отстает от оптимального... теплота сгорания обедненной смеси, хотя и меньше, не может быть должным образом преобразована в работу вала, потому что сгорание было настолько поздним, что оно не синхронизировано с движением двигателя. поршни. Вот почему Toyota увеличила угол опережения зажигания в своих более ранних двигателях Lean Burning Engine при активации этого режима. Так куда же уходит тепло, которое не может быть преобразовано в работу вала?... в силу законов сохранения энергии оно куда-то проявится... ну,

По сути, по мере того, как сгорание становится более бедным, двигатель начинает терять часть своей эффективности для преобразования энергии сгорания в механическую энергию и, таким образом, работает ближе к простой топливной печи, подходящей для собственного нагрева. Симптомами этого типа перегрева являются прогоревшие выпускные клапаны, другой тон шума выхлопа и даже раскаленный выпускной коллектор, похожий на двигатель, работающий с очень поздним опережением зажигания. В случае впрыска закиси азота, несмотря на то, что закись азота обладает большим охлаждающим эффектом, если случайно сгорание становится слишком бедным из-за нехватки топлива, двигатель буквально тает. В этом случае, несмотря на то, что соотношение топлива было слишком бедным, количество задействованного топлива или калорийность все же могут быть значительно больше, чем в обычном двигателе, поэтому еще больше тепловой энергии не будет преобразовано в работу на валу,

Я думаю, что ответы неверны. Потому что предположение вопроса неверно. Сначала мы должны решить жарче по сравнению с чем? а также нам нужно знать, это факт, действительно жарче или это миф? кроме того, важно соотношение топливо/кислород, всегда ли это условие верно для всех соотношений обедненной смеси? Возможно, правильный вопрос заключается в том, почему «слегка» бедная смесь горячее, чем «слегка» богатая смесь?

Выход тепловой энергии из топлива просто связан с тем, сколько его вы сжигаете. Вы меньше сжигаете, меньше тепла вырабатывается. Вы сжигаете больше, выделяется больше тепла. Так просто, как, что. Здесь то, что создает тепло, - это энергия, запасенная в топливе (в нашем примере другие факторы, такие как давление, трение и т. д., не важны).

Если вы сравниваете богатую смесь с бедной смесью, конечно, бедная смесь будет иметь более высокую выходную мощность, потому что вы преобразуете все топливо в энергию. (больше сожженного топлива = больше тепла) Но это все еще зависит от ваших соотношений смеси, потому что, если у вас почти нет топлива в вашей смеси, очевидно, что она не будет генерировать столько энергии.

Если вы сравниваете идеальную смесь с бедной смесью, то я думаю, что она должна быть еще холоднее (меньше тепловой энергии, выделяемой при сгорании), так как вы получите меньше топлива и больше кислорода в камеру.