Как именно обедненная топливная смесь повышает температуру воспламенения?

Остановился здесь после безуспешных попыток найти хорошее объяснение перегреву двигателя из-за обедненной смеси. Вот что я думаю по этому поводу:

1. Хорошо известно и документально подтверждено, что пиковая или максимальная температура сгорания снижается, когда соотношение воздуха и топлива в атмосфере отклоняется от стехиометрического, поэтому при обедненной смеси пиковая температура будет ниже, чем при стехиометрической, например 14,7:1 для бензина. Хотя при обедненной смеси сгорание может быть более полным, пиковая температура сгорания будет ниже из-за охлаждающего эффекта дополнительного инертного атмосферного азота.
Помните, что атмосферный воздух содержит значительное количество инертного азота, а в старом научно-популярном журнале рассказывалось о том, как Смоки Юник сконструировал адиабатический двигатель и пытался создать фильтр для удаления азота?

2. Также хорошо известно, что скорость любой химической реакции замедляется при снижении концентрации реагентов. Это ожидаемо, поскольку чем дальше молекулы топлива находятся друг от друга, тем меньше вероятность цепной реакции, что значительно снижает скорость горения.

3. Кроме того, при обедненной смеси, как и ожидалось, снижается общее количество выделяемого тепла из-за меньшего количества топлива или калорийности при обедненной смеси. Так почему же двигатель неожиданно перегревается?

4. Дело не в том, что при испарении жидкого топлива выделяется меньше тепла, а в общем энергетическом балансе двигателя. По мере замедления сгорания большая часть тепловой энергии не может быть преобразована в механическую энергию и, таким образом, в основном выбрасывается в виде отработанного тепла через выхлопное отверстие. То же самое происходит, если угол опережения зажигания сильно отклонен от оптимального... тепло от сгорания обедненной смеси, хотя и в меньшем количестве, не может быть должным образом преобразовано в работу вала, потому что сгорание происходит настолько поздно, что не синхронизируется с движением поршней. Именно поэтому Toyota увеличивала угол опережения зажигания в своих ранних двигателях с обедненной смесью при активации этого режима. Так куда же уходит тепло, которое не может быть преобразовано в работу вала?.. Согласно законам сохранения энергии, оно должно куда-то уходить...Что ж, часть тепла будет уходить на нагрев деталей двигателя, в основном выхлопной части головки блока цилиндров, откуда оно с меньшей вероятностью будет отводиться системой охлаждения, что приведёт к перегреву самого двигателя.

По сути, по мере обеднения смеси двигатель начинает терять часть своей эффективности в преобразовании энергии сгорания в механическую энергию и, таким образом, работает ближе к простой топливной печи, пригодной для обогрева. Симптомами такого перегрева являются прогар выпускных клапанов, изменение тональности шума выхлопа и даже раскаление выпускного коллектора, как при работе двигателя с сильно запаздывающим зажиганием.
В случае с закисью азота, несмотря на то, что она обладает сильным охлаждающим эффектом, при случайном обеднении смеси из-за нехватки топлива двигатель буквально расплавится. В этом случае, несмотря на слишком бедную топливную смесь, количество используемого топлива или его калорийность могут быть значительно выше, чем в обычном двигателе, поэтому ещё больше тепловой энергии не будет преобразовано в работу на валу, а значит, будет доступно для нагрева двигателя.

У вас есть качественное описание того, что происходит, но давайте разберём это на более мелком уровне. Когда мы говорим о «температуре» чего-либо, мы на самом деле имеем в виду, насколько быстро молекулы движутся и сталкиваются друг с другом. «Температура» — это на самом деле «кинетическая энергия». Оказывается, помимо движения в пространстве, существуют и другие виды энергии: молекулы могут вращаться, колебаться, а их электроны могут возбуждаться и перемещаться относительно ядра. Каждая из этих энергий также может быть «температурой», поэтому у вас может быть температура поступательного движения (о которой мы обычно думаем), но также может быть температура вращения, температура колебаний и электронная температура.

Молекулы обмениваются энергией друг с другом, сталкиваясь между собой. При этом они также распределяют энергию между собой. Частота их столкновений определяет, насколько быстро энергия становится равномерной, а это, в свою очередь, определяет, насколько быстро они достигают так называемого равновесия. Когда все температуры одинаковы, состояние является равновесным, и нам не нужно следить за всеми видами температур. Для большинства процессов, происходящих в двигателе, времени для достижения равновесия более чем достаточно, поэтому нам не нужно слишком беспокоиться о неравновесных эффектах.

В ходе химических реакций молекулы распадаются и образуют новые. Если у новых молекул меньше энергии, разница в энергии высвобождается в виде тепла. Если у новых молекул больше энергии, для протекания реакции требуется дополнительная энергия. Очевидно, что двигатели нагреваются, поэтому реакции в них высвобождают энергию, и мы используем эту энергию для движения транспортного средства.

Итак, молекулы распадаются. Они распадаются, когда начинают вибрировать с такой силой, что связи между атомами больше не могут их удерживать. Единственный способ заставить молекулу вибрировать — столкнуть её с другой молекулой, обладающей достаточной энергией и способной эффективно передать её, чтобы вызвать вибрацию. Энергия должна быть достаточно высокой, чтобы вибрация привела к распаду молекул.

Изменяя количество топлива в смеси, вы меняете типы возможных столкновений. И это не совсем очевидно, но некоторые молекулы лучше обмениваются энергией с другими. Чтобы молекула топлива распалась, ей нужно столкнуться с другими молекулами топлива, обладающими некоторой энергией, или с другими молекулами кислорода, обладающими большей энергией. Если вы добавляете больше кислорода, чем обычно (работаете на обедненной смеси), вам также нужно нагреть этот кислород, чтобы у молекул было больше энергии при столкновении и они могли заставить топливо вибрировать достаточно сильно, чтобы оно распалось. И наоборот, если вы работаете на обогащенной смеси, у вас больше молекул топлива, которые могут сталкиваться друг с другом и распадаться, но меньше молекул кислорода, с которыми они могут соединяться и выделять тепло. Это (и некоторые другие эффекты) снижает конечную температуру пламени.

Основываясь на продолжительной дискуссии по этому вопросу, давайте вернёмся к теме двигателя. В газовом двигателе с непосредственным впрыском топливовоздушная смесь всасывается в цилиндр, поршень сжимает её, а затем в цилиндр впрыскивается топливо. Затем свеча зажигания создаёт искру в камере сгорания. В результате осаждения электронов молекулы топливно-воздушной смеси возбуждаются — воздух ионизируется (электроны отрываются от молекул), и это придаёт молекулам дополнительную энергию. Эта энергия является исходной энергией, необходимой для начала горения.

Я сказал, что при обедненной топливовоздушной смеси для запуска реакции требуется больше энергии, и сформулировал это в терминах более высокой температуры воспламенения. Температура воспламенения зависит от свечи зажигания (для холодного двигателя — в горячем двигателе тепло также поступает от самих цилиндров). При нормальных условиях работы свечи зажигания обеспечивают более чем достаточную энергию для воспламенения. При обеднении топливовоздушной смеси свеча зажигания обеспечивает такое же количество энергии, но ее все равно достаточно для воспламенения. В конце концов, при недостатке топлива энергии может не хватить. Это пропуски зажигания при недостатке топлива.

Дизельные двигатели работают по-другому. Для наглядности давайте снова рассмотрим двигатель с непосредственным впрыском. Цилиндр наполняется воздухом, поршень сжимает его, и впрыскивается топливо. Однако для запуска реакции не требуется искра. Дизельные двигатели работают исключительно за счёт создания достаточно высокого давления для воспламенения смеси. Высокое давление означает высокую плотность, а значит, больше столкновений для распространения энергии (молекулам не нужно преодолевать большое расстояние, чтобы столкнуться друг с другом). В любом случае принцип тот же. В условиях обедненной смеси для воспламенения потребуется более высокое давление. В идеальных условиях двигатель сжимает больше, чем требуется, поэтому при работе на обедненной смеси компрессия все равно достаточна для воспламенения. Если обеднить смесь настолько, что компрессия станет недостаточно высокой, вы снова получите пропуски зажигания при обедненной смеси. Свечи накаливания могут помочь в этом, нагревая цилиндры и добавляя тепла к смеси, чтобы запустить реакцию.

В обоих двигателях после некоторого времени работы стенки цилиндров нагреваются, и для запуска реакции требуется меньше энергии (от искры или от сжатия). Но в холодных двигателях для запуска реакции требуется первоначальное выделение энергии. Многие блоки управления двигателем настроены на обогащённую топливную смесь при запуске двигателя, потому что её легче воспламенить. По мере нагрева двигателя смесь становится более бедной, что снижает выбросы и расход топлива. Возможно, вы знакомы с ручными воздушными заслонками на таких устройствах, как газонокосилки. Воздушная заслонка регулирует топливно-воздушную смесь, и для запуска двигателя необходимо установить её в положение, при котором в смеси будет больше топлива.

Для тех, кому интересно, на основе обсуждения в различных ветках комментариев я привёл конкретный пример того, как и почему может повышаться температура при обеднении топливной смеси. Разговор в чате отмечен здесь.

Вы все кое-что упускаете. Причина, по которой при небольшом обеднении смеси температура может быть выше стехиометрической, очень проста. Это связано с впрыском топлива. Чтобы стехиометрическое соотношение работало должным образом, каждый атом кислорода должен идеально соединиться с молекулой топлива перед воспламенением. Это невозможно, поэтому при сгорании остаются несгоревшие молекулы топлива.

Добавив в смесь немного больше воздуха, вы обеспечите более полное сгорание топлива, что в конечном итоге повысит температуру сгорания. Если добавить слишком много воздуха, его теплоемкость снизит температуру.

Температура двигателя повышается, потому что топливо воспламеняется медленнее. Топливу требуется больше времени, чтобы сгореть, потому что его меньше.

При сжигании топлива выделяется одинаковое количество британских тепловых единиц независимо от того, используете вы дополнительный кислород или нет. ТОЧКА. Когда вы дуете на угли в костре, они нагреваются сильнее, но сгорают быстрее. Они выделяют такое же количество тепла, но за гораздо более короткий промежуток времени.

Представьте, что ваш цилиндр — это хижина зимой. Если бы вы взяли полено и сожгли его за одну минуту, предметы рядом с печью, в которой горело это полено, значительно нагрелись бы и, возможно, расплавились, но большая часть тепла ушла бы через дымоход. Если бы вы сжигали по одному полену в час, в комнате большую часть времени было бы очень холодно. Возьмите то же самое полено и сжигайте его медленно в течение часа, прежде чем заменить другим. Так меньше тепла будет уходить через дымоход и останется в комнате.

Двигатель нагревается из-за того, что топливо сгорает медленнее и выделяет больше тепла, которое передаётся окружающим деталям двигателя.

Я думаю, что ответы неверны. Потому что предположение, лежащее в основе вопроса, неверно. Сначала нам нужно решить, что значит «горячее». А ещё нам нужно знать, является ли это фактом, действительно ли она горячее или это миф? Кроме того, важно соотношение топлива и кислорода. Всегда ли это условие верно для всех обедненных смесей? Возможно, правильный вопрос звучит так: почему «слегка» обедненная смесь горячее, чем «слегка» обогащенная смесь?

Количество тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива, напрямую зависит от того, сколько топлива вы сжигаете. Чем меньше топлива вы сжигаете, тем меньше тепла выделяется. Чем больше топлива вы сжигаете, тем больше тепла выделяется. Всё просто. Тепло выделяется за счёт энергии, запасённой в топливе (в нашем примере другие факторы, такие как давление, трение и т. д., не важны).

Если вы сравниваете обогащённую смесь с обеднённой, то, конечно, обеднённая смесь будет давать больше энергии, потому что всё топливо будет преобразовано в энергию. (больше сгоревшего топлива = больше тепла) Но это всё равно зависит от соотношения компонентов смеси, потому что если в смеси почти нет топлива, то, очевидно, она не будет давать много энергии.

Если вы сравниваете идеальную смесь с обедненной смесью, то, на мой взгляд, она должна быть еще более холодной (вырабатывать меньше тепловой энергии при сгорании), поскольку в камеру сгорания поступает меньше топлива и больше кислорода.

Если вы когда-нибудь видели, как работает кислородно-ацетиленовая горелка, то наверняка заметили, что до подачи кислорода горелка горит ярко-жёлтым пламенем. Это топливо сгорает при недостаточном количестве кислорода. Пламя относительно холодное и даёт много сажи.

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

Возможно, вы также замечали, что при подаче слишком большого количества кислорода пламя гаснет с хлопком.

Бедная топливная смесь — это то же самое, что богатая кислородом.

В двигателе топливо должно сгорать эффективно, но не слишком сильно, чтобы не расплавить поршни и не вызвать мощный взрыв, который также приведёт к поломке.

Из Википедии —
Стехиометрическая смесь, к сожалению, сгорает очень быстро и может повредить компоненты двигателя, если он работает на такой топливно-воздушной смеси при высокой нагрузке. Из-за высокой температуры такой смеси при высокой нагрузке возможна детонация топливно-воздушной смеси вскоре после достижения максимального давления в цилиндре (так называемый стук или звон). Детонация может привести к серьёзным повреждениям двигателя, поскольку неконтролируемое сгорание топливно-воздушной смеси может создать очень высокое давление в цилиндре. Следовательно, стехиометрические смеси используются только при небольшой нагрузке. При ускорении и высоких нагрузках используется более богатая смесь (с меньшим соотношением воздуха и топлива), что позволяет получить более холодные продукты сгорания и тем самым предотвратить детонацию и перегрев головки блока цилиндров.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Воз–топливная_смесь

Извините, я не могу открыть ссылку. Скопируйте и вставьте её в браузер.

Забавно, что ты спрашиваешь об этом, Макс :)

Для начала давайте определимся с терминологией. Работа двигателя на обедненной смеси означает изменение соотношения воздух/топливо в сторону увеличения количества воздуха по сравнению с идеальным соотношением (14,7:1 воздуха к топливу).

Насколько я понимаю, есть два эффекта.

Во-первых, топливо представляет собой распылённую жидкость, которая охлаждает камеру сгорания. Чем меньше топлива, тем меньше охлаждающий эффект.


Во-вторых, в присутствии большего количества кислорода пламя горит быстрее и жарче. Больше воздуха по отношению к топливу, чем обычно, означает больше кислорода, чем обычно. Поэтому пламя горит жарче и быстрее, чем должно. И то, и другое повышает температуру в камере сгорания.

Отличный вопрос, мне самому было интересно, поэтому я начал изучать эту тему.

Я надеюсь, что это поможет!