Arderea

Mecanismul aprinderii combustibilului este unul foarte complex, dar insuficient studiat. Cercetarile teoretice si experimentale permit, insa, o repreze?ntare a mecanismului fizico-chimic de producere a aprinderii la motoa?rele cu ardere interna. Dupa schemele cele mai larg acceptate ale procesului de aprindere, acesta se produce in doua moduri diferite]:

- aprindere monostadiala la temperaturi inalte (MAS);

- aprindere polistadiala la temperaturi joase (MAC).

Aprinderea la temperaturi inalte consta in producerea flacarii datorita autoaccelerarii progresive a reactiilor exoterme. Aceasta este pe deplin posibila deoarece intre electrozii bujiei se formeaza un arc electric de inalta temperatura (cca 10.000 K) care asigura ruperea coeziunii intermoleculare si formarea unor particule active (radicali liberi) care joaca rolul centrilor initiali ai reactiilor, ele dezvoltand reactiile in lant, viteza lor crescand exponential in timp. O data cu cresterea temperaturii initiale a amestecului, numarul centrilor activi creste si el, determinant pentru marirea vitezei initiale de reactie. Paralel cu autoaccelerarea reactiilor in lant creste si viteza de degajare a caldurii. Dupa ce aceasta depaseste viteza de trecere a caldurii prin peretii camerei de ardere, incepe perioada de crestere a temperaturii amestecului, ceea ce conduce la autoaccelerarea reactiilor in continuare si la dezvoltarea arderii. Deoarece nu exista o limita intre prima si a doua faza a aprinderii, procesul este tratat ca fiind monostadial.

Aprinderea la temperaturi joase este un proces caracteristic reactiilor din motoarele cu aprindere prin comprimare. Initial formarea radicalilor liberi este posibila printr un proces de autooxidare cu formarea endotermica a unor peroxizi de tip R CH2 O O H ce se realizeaza cu viteza crescatoare pana la atingerea unei concentratii critice, la care legaturile intermoleculare ale acestora inceteaza, producandu se o scindare a moleculelor de combustibil, cu formarea unei flacari reci.

Aceasta se propaga in volumul amestecului proaspat cu o difuzie de particule active, fara transfer de caldura pentru ca incalzirea in acest caz este foarte redusa. In perioada flacarii reci, apar aldehidele si radicalii liberi. Dupa ce acumularea de peroxizi inceteaza, se produce oxidarea formaldehidei, cu aparitia unei flacari reci numita flacara albastra. Se formeaza masiv radicali si oxid de carbon. In aceasta perioada se produce o crestere a temperaturii si presiunii. Perioada flacarii albastre se caracterizeaza prin aparitia unor produse intermediare si particule active, respectiv CO si radicali liberi.

Urmeaza ultimul stadiu, cand reactiile se dezvolta pana la formarea CO2 si H2O, denumit stadiul flacarii calde, cand arderea este insotita de viteze inalte de degajare a caldurii.

2. Arderea

Procesul de transformare a energiei chimice a combustibilului in energie calorica prin reactii de oxidare, respectiv prin ardere, nu se produce instantaneu, cum s a presupus la analiza ciclurilor ideale, ci printr o inaintare treptata a frontului de ardere in masa de amestec de combustibil si aer.

Propagarea frontului flacarii in procesul arderii, adica deplasarea zonei de reactie, se poate face cu diferite viteze, in functie de influenta ce o manifesta factorii chimici si fizici ce insotesc arderea.

2.1. Viteza de ardere a amestecului carburant

Viteza de propagare a flacarii impreuna cu viteza reactiilor de oxidare a moleculelor de combustibil determina durata arderii masei de amestec aflat in camera de ardere.

Durata totala a arderii intregii cantitati de amestec cunoaste urmatoarele etape:

- timpul necesar pentru producerea primelor reactii de ardere (aparitia flacarii);

- timpul necesar pentru propagarea zonei de reactie in intregul volum al camerei de ardere;

- timpul necesar pentru desavarsirea reactiilor de ardere care se produc in volum de gaze deja strabatut de flacara (in pungile de gaze incercuite de frontul flacarii).

Durata primei si ultimei faze de ardere depinde de viteza reactiilor chimice de oxidare Wr exprimata prin cantitatea de substanta ce reactioneaza in unitatea de timp pe unitatea de volum, adica de cinetica procesului de oxidare (in kg/cm3 sau mol/cm3).

Durata celei de a doua faze a arderii este determinata de viteza de propagare a flacarii u in m/s care depinde nu numai de viteza reactiilor chimice, ci si de alti factori, spre exemplu, de turbionarea amestecului in camera de ardere. Parametrii W si u impreuna determina durata totala a procesului de ardere a unei mase de amestec date, precum si viteza masica de ardere prin care se intelege cantitatea de combustibil sau amestec ars in unitatea de timp in intregul volum al camerei de ardere (in kg/s sau mol/s).

Marimea vitezei masice de ardere W este determinata de vitezele Wr si u dupa urmatoarele relatii :

W=WroV [kg/s] 1

sau

W=WroV [kg/s] 2

unde: V - volumul strabatut de zona de reactie [m3];

S - suprafata frontului flacarii [m2];

? - densitatea amestecului [kg/m?];

u - viteza de propagare a flacarii [m/s].

Viteza masica de ardere sau pe scurt, viteza de ardere este un parametru foarte important al ciclului, deoarece marimea sa determina viteza de degajare a caldurii si impreuna cu aceasta presiunea si temperatura gazelor in perioada arderii.

Procesul arderii decurge in timp, deci la volum variabil. De aceea, in ciclurile reale aportul de caldura in procesul arderii este insotit de pierderi de caldura prin peretii camerei de ardere.

In ansamblu, caracterul desfasurarii procesului de ardere, determinat de viteza de ardere, manifesta o influenta hotaratoare asupra desfasurarii ciclului real si prin urmare, asupra puterii si economicitatiimotorului. La motoarele cu cicluri diferite, procesul de ardere se desfasoara diferit, deoarece caracterul sau depinde de o serie de factori ca modul de formare a amestecului si procesul de aprindere a acestuia.

La motoarele cu carburator cu aprindere prin scanteie amestecul este practic omogen. Amestecul pregatit in prealabil este caracterizat de coeficientul de exces de aer ?. Arderea acestui amestec in stratul frontului flacarii care se propaga in camera de ardere de la punctul de aprindere in directia amestecului nears, este foarte intensa si se caracterizeaza in acest caz nu prin viteza reactiilor chimice, care la temperatura flacarii este suficient de ridicata, ci prin viteza de propagare a flacarii, care la motoarele cu aprindere prin scantei este de ordinul 40 m/s, valoare destul de ridicata.

La motoarele cu aprindere prin comprimare arderea decurge mai putin intens, ceea ce se explica prin lipsa unei pregatiri prealabile foarte bune a amestecului de compozitie determinata si prin lipsa unei surse suplimentare de aprindere. In acest caz are loc o autoaprindere, arde un amestec eterogen de combustibil si aer, de compozitie variabila, in timp si ca dispunere in volumul camerei de ardere.

La aceste motoare viteza de ardere a combustibilului injectat in cilindru se limiteaza nu de catre viteza de propagare a flacarii, ci de alti factori ca viteza de pregatire pentru autoaprindere a primelor cantitatide combustibil injectat (la inceputul procesului) si viteza de amestecare a combustibilului cu aerul (in ultima parte a procesului). Viteza de amestecare a combustibilului cu aerul depinde de viteza de difuzie dintre moleculele de combustibil si oxigen si intensitatea transportului turbionar de masa in timpul arderii.

Prin urmare arderea in motoarele cu aprindere prin scanteie este foarte diferita de arderea din motoarele cu aprindere prin comprimare ceea ce impune analiza separata a arderii in aceste tipuri de motoare.

Combustibilii utilizati in motoare sunt constituiti din anumite tipuri de hidrocarburi a caror ardere completa este descrisa de ecuatiile arderii complete a carbonului si hidrogenului.

C + O2 = CO2 3

2H2 + O2 = 2H2O 4