Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ПРОЦЕССЫ СГОРАНИЯ И ОБРАЗОВАНИЯ ВРВДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДИЗЕЛЕ И МЕТОДЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ (Обзор литературы)
1.1. Процесс сгорания в дизеле и определяющие его факторы 12
1.1.1. Фазы процесса сгорания в дизеле 12
1.1.2. Развитие топливной струи 14
1.1.3. Воспламенение нестационарной топливной струи . 16
1.1.4. Сгорание нестационарной топливной струи. 20
1.1.5. Влияние испарения и смешения на процесс сгорания топливной струи в дизеле 22
1.2. Механизм недогорания и образования продуктов неполного сгорания и окислов азота в дизеле . 27
1.2.1. Механизм недогорания в дизеле 28
1.2.2. Образование окислов азота в дизеле . 37
1.3. Расчетные модели процесса сгорания и образования вредных продуктов в дизеле 40
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕМ СГОРАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТОПЛИВНОЙ СТРУИ
2.1. Общие предпосылки к анализу макрокинетики сгорания нестационарной топливной струи 50
2.1.1. Процесс смешения и его характерные параметры 50
2.1.2. Режимы нестационарного процесса горения предварительно не перемешанных топлива и окислителя 59
2.2. Скорость сгорания нестационарной топливной струи 68
2.2.1. Процесс воспламенения (зона струи Iy). 75
2.2.11.Изменение температуры в процессе воспламенения 78
2.2.1.2.Период индукции в режиме поджигания 82
2.2.1.3.Скорость химических реакций при воспламенении нестационарной топливной
струи 93
2.2.2. Скорость распространения пламени вдоль изо стехиометрической поверхности (зона струи By) 97
2.2.3. Обобщенное выражение для скорости сгорания нестационарной периодической топливной струи 104
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СТРУИ
3.1. Закономерности развития изо стехиометрической поверхности при впрыскивании топлива 109
3.2. Закономерности воспламенения и формирования фронта диффузионного пламени 131
3.2.1. Закономерности воспламенения нестационарной топливной струи 134
3.2.2. Пути улучшения воспламеняемости нестационарной топливной струи 145
3.2.3. Закономерности формирования фронта диффузионного пламени 149
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В УСЛОВИЯХ ДИЗЕЛЯ
4.1. Недогорание богатой и переобедненной смесей в условиях дизеля 167
4.2. Модель сажеобразования при сгорании неоднородных смесей 170
4.3. Сажеобразование в диффузионном пламени 177
4.3.1. Скорость распада топлива и образования зародышей сажевых частиц 181
4.3.2. Расчет процесса роста и выгорания сажевой частицы 188
4.3.3. Пути интенсификации процесса выгорания сажи 196
4.4. Некоторые особенности образования окиси азота
в поле переменных температур 201
ГЛАВА 5. ЭКШРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ ДИЗЕЛЯ
5.1. Экспериментальные установки и методы исследования 206
5.2. Механизм недогорания в богатой и пере обедненной частях топливной струи 220
5.3. Экспериментальное исследование процесса саже образования при сгорании топливной струи. 226
5.3.1. Экспериментальное исследование особенностей самообразования при горении. 227
5.3.2. Пути воздействия на процесс сажеобра-зования с целью снижения неполноты сгорания 231
5.3.2.1. Некоторые характерные режимы процесса саже образования 231
5.3.2.2. Влияние физико-химических свойств топлива на процесс саже образования. 235
5.3.2.3. Влияние и механизм воздействия присадок к топливу на процесс сажеобразования 242
5.4. Экспериментальное исследование процесса образования N0 . 257
ГЛАВА 6. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ И ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В ДИЗЕЛЕ
6.1. Расчетная модель воспламенения и сгорания в дизеле 275
6.1.1. Топливоподача, развитие топливной струи, смешение и испарение 277
6.1.2. Воспламенение и сгорание 281
6.1.3. Скорость тепловыделения 282
6.1.4. Результаты расчетов 283
6.2. Методика расчетного анализа индикаторной диаграммы 294
6.2.1. Определение величины изостехиометрической поверхности F и ширины области смешения $ при различных законах распределения температуры и концентрации топлива по нормали к фронту диффузионного пламени 295
6.2.2. Восстановление закона смешения по кривой скорости тепловыделения 300
6.2.3. Пределы изменения температуры в камере сгорания дизеля 302
6.2.4. Результаты расчета 305
6.3. Расчетная модель образования окиси азота в дизеле. 308
7. ВЫВОДЫ 320
8. ЛИТЕРАТУРА . 324
9. ПРИЛОЖЕНИЯ 355
- Процесс сгорания в дизеле и определяющие его факторы
- Общие предпосылки к анализу макрокинетики сгорания нестационарной топливной струи
- Закономерности развития изо стехиометрической поверхности при впрыскивании топлива
- Недогорание богатой и переобедненной смесей в условиях дизеля
- Экспериментальные установки и методы исследования
Процесс сгорания в дизеле и определяющие его факторы
Особенности обеспечения в дизеле контакта топлива с окислителем на молекулярном уровне - одного из необходимых условий для развития химических реакций между ними - связаны с раздельным вводом окислителя и топлива в КС. Процесс их смешения начинается сразу же после начала подачи топлива и развивается с увеличивающейся до определенного момента, близкого к моменту конца впрыскивания, скоростью. Для выполнения другого необходимого для интенсивного протекания химических реакций условия - достаточной энергии реагирующих молекул - обязательно испарение топлива и прогрев топливо-воздушной смеси. Как известно, резкое самоускорение развития химических реакций происходит после определенного периода индукции. С учетом общего потребления теплоты на прогрев и испарение капель промежуток времени от начала подачи топлива в дизеле до момента видимого роста давления - период задержки воспламенения Vi - оказывается большим, чем период индукции для аналогичных гомогенных и гомофазных смесей. После воспламенения характер и скорость сгорания и соответственно тепловыделения заметно меняются во времени. Это отражается на изменении во времени давления в цилиндре дизеля, регистрируемого путем индицирования, и особенно на кривой скорости тепловыделения - основной характеристики, используемой в настоящее время для анализа процесса в дизеле.
При анализе процесса сгорания в дизеле используют его деление на отдельные фазы [26,33,35,I59,I92j. Наиболее простое деление связывалось с характером изменения давления в цилиндре. Выделение фазы подготовки топлива к сгоранию, соответствующей периоду задержки воспламенения в дизеле, и фазы видимого сгорания применялось И.И.Вибе [зз] и некоторыми другими исследователями. Рикар-до использовал деление процесса на три фазы: фазу от начала впрыскивания топлива до начала повышения давления, фазу быстрого повышения давления газов в цилиндре и фазу замедленного сгорания [l59,35 . Деление сгорания на четыре фазы, предложенное А.И.Тол-стовым I92J , основывается на использовании характерных точек индикаторной диаграммы: момента начала впрыскивания топлива, момента начала повышения давления, моментов достижения максимальных давления и средней термодинамической температуры в КС. Однако продолжительность этих фаз кроме зависимости от собственно процесса сгорания определяется и закономерностью изменения объема. Поэтому такое деление процесса на фазы не отражает реального изменения механизма сгорания.
Разработка методов расчета по индикаторной диаграмме скорости активного тепловыделения [185,130,52] привела к физически более обоснованному выделению двух характерных фаз процесса сгорания, связанных с наличием в общем случае двух максимумов скорости тепловыделения. В первой из них по принятым представлениям [ 3 J происходит выгорание смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения в объеме, ограниченном концентрационными пределами горения и значительно меньшем объема КС. В безнаддувном дизеле с преимущественно объемным смесеобразованием эта фаза длится 2-4ме [144]. Вторая фаза соответствует диффузионному догоранию смеси. В дальнейшем мы будем использовать разделение процесса именно на эти две фазы.
Общие предпосылки к анализу макрокинетики сгорания нестационарной топливной струи
Одна из основных особенностей сгорания в дизеле - локализация химических реакций в ограниченном объеме - является прежде всего следствием локализации процесса смешения топлива с окислителем, так как их реагирование возможно только в условиях контакта на молекулярном уровне. Действительно, при средних по камере сгорания дизеля значениях коэффициента избытка воздуха от 1,3-1,4 при максимальных нагрузках и до 5 и выше - при минимальных концентрация топлива в смеси при полном его перемешивании с окислителем на малых и средних нагрузках оказалась бы значительно ниже предельной, при которой возможен самоподдерживающийся процесс горения. Степень локализации химических реакций зависит и от отношения их скорости к скорости смешения компонентов этих реакций. Если последняя заведомо ниже скорости химических реакций, то они локализуются практически на поверхности раздела компонентов. В этом случае скорость сгорания определяется скоростью подвода компонентов, а поверхность раздела в свою очередь устанавливается в пространстве так, что соотношение потоков компонентов в зону реакции становится равным стехиометрическому LviJ.
Роль смешения в процессе превращения в дизеле химической энергии системы топливо-окислитель в тепловую энергию весьма велика. Смешение - наиболее сложный процесс, связанный с действием ряда хотя и неравнозначных, но важных факторов. Ход смешения определяется взаимодействием процессов тошшвоподачи, движения и турбулизации воздушного заряда, зависит от аэродинамики камеры сгорания и закона изменения текущего объема, определяющих изменение газодинамических факторов во времени, от физических свойств и термодинамического состояния системы топливо-окислитель. Для химического взаимодействия топлива и окислителя молекулярная (градиентная) диффузия является обязательным этапом смешения. Однако скорость смешения посредством градиентной диффузии резко снижается с ростом действующего расстояния. Поэтому большую роль в смешении играет турбулентная (мольная) диффузия, связанная с переносом ограниченных объемов (молей) топлива и окислителя. Естественно, что вынужденное движение топлива (развитие топливной струи) и организованное движение воздушной среды (вихрь) на определенном этапе процесса способствует более равномерному распределению топлива в камере сгорания [л] Анализ процесса смешения может быть осуществлен как в масштабе, соизмеримом с размером КС (макросмешение), так и в значительно более мелком масштабе, соизмеримом, например, с размерами капель топлива (микросмешение). Макросмешение определяется прежде всего формой и размерами камеры сгорания и топливной струи, развитием последней относительно стенок камеры сгорания (заполнением камеры сгорания) и взаимодействием с движущимся воздушным зарядом, а также крупномасштабной турбулизацией среды. Для расчета макросмешения может быть использовано значение коэффициента турбулентной диффузии и понятие концентрационной неоднородности топливной струи, аналогичное понятию дисперсности двухфазной среда. Макросмешение в большой степени определяет полноту использования воздушного заряда в дизеле.
Закономерности развития изо стехиометрической поверхности при впрыскивании топлива
Исследование закономерностей процесса смешения в его взаимосвязи с процессами горения требует единого подхода к их оценке, что усугубляет трудности сложного самого по себе анализа временных и пространственных характеристик смешения.
В одной из первых работ, посвященных изучению смешения путем анализа стробоскопически отобранных газовых проб из камеры сгорания работающего дизеля Ll6Xj, была показана значительная неравномерность концентраций исходных, промежуточных и конечных продуктов сгорания в КС. Применение оптических методов [156,196,204J позволило анализировать структуру топливной струи, не искажая ход процесса, однако не позволяло, как и при стробоскопическом отборе проб, оценивать скорость смешения. Для преодоления указанных трудностей в данной работе был применен обоснованный в предыдущем разделе подход, основанный на определяющей роли изостехиометрической поверхности при анализе смешения и химического реагирования. При этом упрощается также и возможность экспериментального изучения смешения, например, путем химического моделирования, применявшегося уже в 30-х годах у нас в стране [17,162], а позднее и за рубежом [235,250,343].
Возможность моделирования диффузии в газовой среде диффузией в жидкости была показана еще в 1924 году [74 В работе [I62J диффузией моделировалась теплопередача, В.А.Баум [I7J моделировал растворами иода и гипосульфита процесс турбулентного смешения в стационарной струе. На возможность моделирования турбулентного смешения и горения указывал Я.Б.Зельдович L74J. Преимущества жидкостного моделирования процесса смешения в дизеле связаны с тем, что в условиях высоких значений критерия Рр 1000, характерных для жидкостей, моделируется в основном турбулентное смещение, практически не зависящее от коэффициентов молекулярной диффузии компонентов. Кроме того, низкие скорости процесса в модели позволяют использовать при его исследовании низкоскоростную кинорегистрапдю (300-500 с"1). В работе [250J было показано, что определяющим критерием подобия при моделировании является число Струхаля Яьвуг где тГ - скорость потока, бхар - характерный линейный размер, дГ - характерное время нестационарного процесса. Зависимость дія длины (6С ) топливной струи 6с/с ро 8SkT » где сіро- диаметр распиливающего отверстия, полученная в работе [250J по результатам исследования на модели, дала хорошее совпадение с длиной струи в дизеле. В упомянутых выше работах [250,235,343J пренебрегали соблюдением постоянства числа Re при моделировании, как слабо влияющего на исследуемый процесс.
При экспериментальной оценке смешения по величине изоетехио-метрической поверхности, определяемой, например, путем кинорегистрации д по скорости смешения на единице этой поверхности разделение макро- и микросмешения можно связать с реальной чувствительностью регистрирующей аппаратуры. В этом случае уровень микроемешения ограничивается масштабом турбулентности, меньшим разрешающей способности регистрации.
Недогорание богатой и переобедненной смесей в условиях дизеля
Время, отводимое на процесс смешения топлива с окислителем в объеме КС дизеля до воспламенения, оцениваемое периодом задержки воспламенения, во многом определяет полноту сгорания впрыснутого топлива [l69J. При этом большое значение наряду с дисперсностью смеси имеет характер макрораспределения топлива в КС к моменту начала интенсивного сгорания. На рис.2.2 применительно к квазилами-нарной одномерной модели показан характер изменения распределения топлива для различных значений т . В пренебрежении объемом, занимаемым топливом, концентрация окислителя по координате х не меняется. В объеме струи, где находится смесь, образовавшаяся за период задержки воспламенения, можно выделить зоны богатой смеси с i ol olun и бедной смеси с LHn cL i , переобогащенной смеси с / о0 6п и переобедненной смеси с оОоСнп Цри сгорании богатой смеси в I фазе происходит образование СО и сажи, которые впоследствии, пройдя образовавшийся на поверхности о6« - сопъЬ фронт диффузионного пламени, очевидно, частично сгорят. Для увеличивающихся значений V количество топлива в зоне с ОКОІЬП уменьшается, а в зоне dLe n ob /l растет (ем.рис.2.2). Одновременно, в связи с увеличением степени гомогенизации смеси, ее недогорание в зоне выражается в образовании в большей степени CG, а не сажи. Для вся 5ога рая смесь будет находиться в пределах горючести и в зоне оКН сгорит по механизму, близкому к таковому при сгорании гомогенных смесей и приводящему к образованию СО. Так как в этом случае диффузионная фаза сгорания практически отсутствует, условия для догорания СО неблагоприятны и этот случай (режим) должен соответствовать максимальному выходу окиси углерода. При еще больших значениях % количество образующейся СО должно снижаться из-за уменьшения количества топлива при d \ , но этот эффект может несколько тормозиться растущей с увеличением с степенью гомогенизации смеси. Количество переобедненной смеси в зоне с c6 oUn растет с увеличением % . При чг вея смесь будет находиться за пределами воспламенения.
Экспериментальные установки и методы исследования
Целью экспериментальных исследований была проверка основных положений теории, выявление основных закономерностей процессов образования вредных продуктов и влияния на их протекание физических факторов & также разработка путей воздействия на физико-химические свойства топлива с целью уменьшения образования некоторых вредных продуктов горения. Необходимость решения перечисленных выше задач выдвигает в некоторой степени противоречивые требования к методам проведения исследований. Так, для выявления механизма явления необходимо стремиться к условиям эксперимента, близким к однофакторному. Для учета же особенностей процесса в дизеле необходимо проводить исследования в условиях, достаточно близких к условиям дизеля. В связи с этим для проведения исследований бнл использован комплекс установок от установок, моделирующих характерные стороны процесса образования вредных веществ, до реальных дизелей. Ряд установок был спроектирован и изготовлен заново (установка для исследования еажеобразования в потоке, импульсная диффузионная горелка), другие были доработаны в соответствии с задачами данных исследований.
Выявление основных закономерностей еажеобразования и его взаимосвязи с процессами сгорания затруднено в условиях дизеля,где невозможно однозначное варьирование параметрами процесса. Поэтому исследования, позволяющие углубить представления об условиях протекания сгорания и распада распыленного топлива, проводились на модельных установках.
Влияние начальных условий ( el , Те , Н и т«д«), а также химико-физических свойств топлива на полноту сгорания применительно к топливовоздушной смеси было исследовано экспериментально на специально сконструированной установке для исследования горения и сажеобразования в потоке [l27,II9j . Установка включает в себя газовую горелку и реакционную трубу. В продукты сгорания бедных нропан-бутан-воздушннх смесей горелки форсункой низкого давления впрыскивалось вторичное исследуемое топливо (рис.5.1). Воздух подавался от компрессора в количестве Org , превышавшем необходимое для полного сгорания в горелке газового топлива. Избыток воздуха д 0-% , при соответствующем количестве впрыскиваемого жидкого топлива ( G-т ), определял соотношение количества воздуха и топлива в реакционной зоне. Изменением скорости подачи газа и воздуха достигалось регулирование температуры в зоне впрыскивания топлива. Качественное распиливание топлива через форсунку непрерывного действия достигалось эмульгированием его азотом, подаваемым под невысоким давлением.
