Содержание к диссертации
Введение
2. Разработка экспериментальных методов и средств исследовании результирующего смешдмения и йзлучательных характеристик дизельного пламени 32
2.1. Теоретический анализ структуры и оптических свойств светящихся сажистых пламён 35
2.2. Физические основы метода лазерного оптического ин-дицирования цилиндра дизеля 44
2.3. Физическая модель и схема расчета нестационарного плоского температурного поля в камере сгорания дизеля 51
2.4. Специальный измерительный комплекс, методика зкспе-римента и обработка опытных данных 56
2.5. Оценка погрешности метода и рекомендации по его применению. 72
2.6. Литература 87
3. Экспериментальное исследование результирующего сажевыделенин в цилиндрах дизелей разного типа и назначения ..
3.1. Влияние нагрузочного и скоростного режимов работы. Уб
3.2. Влияние регулировочных,конструктивных и эксплуатационных факторов 105
3.3. Исследование эффективности работы дизеля на водо -топливных эмульсиях І.І9
3.4. Исследование динамики сажевыделения в переходных процессах пуска двигателя .. 130
3.5. Обобщенный анализ процесса сажевыделения в дизелях 134
3.6. Выводы и рекомендации 144
3.7. Литература 148
4. Физические основы образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля 152
4.1. Состав,структура и свойства конденсированного продукта сгорания 155
4.1.1. Форма и дисперсность сажи 155
4.1.2. Структура и физико-химические свойства сажи . 162
4.2. Образование сажи при пиролизе углеводородов 166
4.3. Физико-химический многостадийный механизм образования сажи в дизелях 181
4.3.1. Первичное разложение топлива 188
4.3.2. Крекинг индивидуальных углеводородов І9І
4.3.3. Образование химических радикалов-заро -дышей 198
4.3.4. Образование физического зародыша 201
4.3.5. Поверхностный рост частиц 202
4.4. Физико-химический механизм выгорания сажи в дизеле 204
4.5. Математическая модель и методика расчёта результирующего сажевыделения в цилиндре и дымности отработавших газов дизеля 229
4.6. Аналитическое исследование мгновенного сажевыделения в дизелях ... 248
4.7. Выводы 262
4.8. Литература ,. 266
5. Физические основы и математическое моделирование радиационного теплообмена в дизелях 273
5.1. Физические особенности и определяющие характеристики теплового излучения в дизелях 276
5.2. Анализ результатов экспериментального исследования основных характеристик теплового излучения в цилиндре дизеля 294
5.2.1. Спектральная степень черноты 295
5.2.2. Действительная и среднемассовая температура излучателя 304
5.2.3. Йзлучательные характеристики при переходных процессах 321
5.3. Аналитические методы определения излучательных характеристик дизельного пламени 326
5.4. Физико-математическое моделирование локального радиационного теплообмена в замкнутой цилиндрической системе 354
5.5. Постановка и решение фундаментальной задачи о локальном нестационарном радиационном теплообмене в цилиндре дизеля 371
5.5.1. Постановка фундаментальной задачи 374
5.5.2. Решение 376
5.5.3. Расчет геометрических локальных угловых коэффициентов излучения 380
5.5.4. Расчет средних угловых коэффициетов излучения. 382
5.6. Применение итерационно-зонального метода к численному исследованию радиационного теплообмена в дизелях 384
5.6.1. Решение контрольной задачи ., 385
5.6.2. Лучистый теплообмен в дизеле с камерой сгорания и Гесеельман " 392
5.6.3. Численный анализ излучающей системы датчика-радиометра 401
5.7. Выводы и рекомендации 4Ш
5.8. Литература
- Физические основы метода лазерного оптического ин-дицирования цилиндра дизеля
- Влияние регулировочных,конструктивных и эксплуатационных факторов
- Структура и физико-химические свойства сажи
- Анализ результатов экспериментального исследования основных характеристик теплового излучения в цилиндре дизеля
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания /ДВС/ являются важнейшей составной частью энергетической базы народного хозяйства. Суммарная мощность действующего парка ДВС, превышающего 21 млн. штук, на начало 1978 г. достигла 1795 млн. л.с, что в 5,5 раза больше установленной мощности всех стационарных электростанций /3/. Двигатели внутреннего сгорания играют определяющую роль в развитии тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, автомобилестроения, тепловозостроения, судостроения, строительно-дорожиого, нефтедобывающего, милиоративного машиностроения и других отраслей народного хозяйства.
Технический уровень ДВС имеет большое значение в решении топливно-энергетической проблемы, которая усугубляется начавшимся в середине 70-х годов мировым топливно-энергетические кризисом. Так, в СССР действующий парк ДВС потребляет 90 бензина, 8Э6 дизельного топлива и 84$ моторных масел, шрабатываемых в стране. Поэтому вполне очевиден тот большой народнохозяйственный экономический эффект, который может быть получен за счет улучшения экономических характеристик ДВС путем их дальнейшего технического совершенствования. Например, снижение эффективного удельного расхода топлива действующего жарка ДВС на I г /элеч, дает экономию топлива I млн. т/год.
Партия и правительство постоянно уделяют большое внимание развитию двигателестроения в нашей стране. В директивных документах ХХУ и ХХУІ съездов КПСС, Пленумов ЦК ИІСС и СМ СССР ускорение технического прогресса двигателестроения рассматривается как одно из важнейших направлений развития народного хозяйства. Большое значение для развития отрасли имеет состоявшееся в марте 1978 г. Совещание в ЦК КПСС по вопросам отечественного двигателестроения /I/. На этом совещании была намечена долгосрочная программа развития двигателестроения, указаны пути ускорения научно-технического прогресса в отрасли на основе решения основных задач настоящего времени и удовлетворения перспективных требований к ДВС ближайшего будущего. К настоящему времени закончена разработка комплексной научно-технической программы развития двигателестроения, которая концентрированно отражена в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятых ХХУІ съездом КПСС /2/,
В числе первоочередных задач названы - повышение агрегатной мощности, надежности работы и моторесурса, улучшение экономических и экологических характеристик, сокращение сроков создания и доводки ДВС. Главной из названных задач является - повышение экономичности при одновременном снижении суммарной токсичности /3,5/. В этой связи приведем высказывание зам.председателя ГННТ СССР проф. М.Г.Круглова: "... Особое внимание должно быть уделено работам по снижению токсичности ДВС: необходимо прежде всего направить усилия на разработку малотоксичных рабочих процессов, обеспечиваниющих снижение токсичности при условии сохранвния высокой экономичности силовых установок. ... Дальнейший технический прогресс двигателестроения как перспективной отрасли энергетики требует скорейшего развертывания углубленных поисковых научно-исследовательских работ в ряде направлений, например:
- углубленное исследование рабочего процесса и путей его интенсификации при условии снижения токсичности выпускных газов на основе последних дощтижений физики и физической химии;
- поисковые и опытно-конструкторские работы для расширения топливной базы JBC.X..." /З/. Все сказанное в равной мере относится к карбюраторным двигателям и дизелям всех типов и назначений.
Из всех типов ДВС наиболее многочисленную группу представляют автотранспортные двигатели, потребляющие более 40$ всего моторного топлива, выпускаемого в стране. Эти двигатели являются также одним из основных источников загрязнения воздуха в густонаселенных районах и крупных городах. Здесь на долю транспортных двигателей приходится от 40 до 50 вредных веществ от общего загрязнения атмосферы промышленными выбросами; 9(% окиси углерода и 7( окислов азота, содержащихся в атмосфере крупных городов, своим происхождением обязаны городским транспортным средствам с ДВС.
В общем ряду экологических проблем одно из первых мест занимает проблема загрязнения воздушного бассейна. Это связано с тем, что загрязнение атмосферного воздуха оказывает немедленное воздействие на человека, зооеферу, биосферу; приносит огромный социальный и материальный ущерб. Если условно принять суммарную токсичность отработавших газов /ОГ/ 4-х тактных дизелей с непосредственным впрыском за ЮШ /без учета дымноети/, то токсичность карбюраторных бензиновых двигателей составит 250-ЗОШ. Значительные преимущества дизельных двигателей по экономичности и токсичности ОГ предопределили широкую программу дизедизации автомобильного транспорта, осуществляемую в нашей стране /4/. Программой предусматривается перевод на дизельный привод прежде всего грузового и автобусного парка, а так же строительно-дорожной техники. Непрерывно наращивается выпуск дизелей транспортного назначения на КаМАЗе и ЯМЗе, создаются мощности по производству дизелей на ж/о "Автозили и "Автогаз". В основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-ІШ5 годы и на период до 1990 года записано: "Увеличить производство дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями и создать двигатели к строительно-дорожным машинам большой мощности.
...Ускоренно развивать производство грузовых автомобилей с дизельными двигателями. Освоить выпуск новых высокоэффективных карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, самосвалов общего назначения и автобусов с дизельными двигателями".х
Здесь и далее подчеркнуто автором настоящей работы.
Дизелизация автотранспорта и строительно-дорожной техники уже приносит и будет приносить значительную экономию в расходовании моторных топлив, но она не уменьшает проблемы загрязнения атмосферного воздуха. Бесспорно, при сгорании топлива в дизеле выделяется значительно меньшее количество газообразных токсичных продуктов СО, МО , CJL.. Но внутреннее смесеобразование и диффузионное сгорание крайне неоднородной топливно-воздушной смеси в дизеле всегда сопровождаются интенсивным выделением твердого углерода в виде сажистых частиц, которое определяет дымность выпускаг дизелей. В карбюраторных и газовых двигателях с внешним смесеобразованием сажа практически не образуется. Сам по себе факт сажеобразования и связанная с ним дымность ОГ дизелей не вызывали особых тревог и не возбуждали большого интереса исследователей до тех пор, пока не была убедительно доказана высокая концерогенная опасность и токсичность дизельной сажи, а также существенная роль теплового излучения сажистого пламени в суммарной теплопередаче в стенки цилиндра. Действительно, сажа, как углеродистое образование,не токсична. Однако, многочисленные исследования показали, что дизельная сажа адсорбирует на своей поверхности сильнейшие концерогенные и токсические вещества. Причем, веледствии мелкодисперсной структуры до 9(№ сажистых частиц в течении нескольких суток после выброса в атмосферу остаются во взвешенном состоянии, усугубляя тем самым опасность для человека.
Исключить полностью токсичность ОГ ДЭС невозможно, но снизить ее до пределов маквимальной безопасности для человека и окружающей среды возможно и на это направлена в настоящее время научная и инженерная мысль в области двигателестроения. Проблема решается различными способами, которые в первом приближении можно объединить по следующим признакам: воздействие на условия эксплуатации, воз действие на топливо, воздействие на двигатели.
Качественное улучшение условий эксплуатации и уменьшения суммарного выброса вредных веществ достигается:
- оптимальной организацией и планированием транспортных перевозок; расширением сети специальных путепроводов, развязак, многоярусных эстакадных дорог и т.д.; эффект достигается за счет максимального сокращения времени работы двигателей на переходных, неустановившихся и частичных режимах;
- повышение качествфехнического обслуживания; увеличение количества пунктов техобслуживания, оснащенных новейшей контрольно-диагностической аппаратурой; повышение качества ремонта, регулировок и т.п. - позволяют избежать нарушений рабочего процесса, сопровождаемых интенсивным выделением токсических веществ;
- государственная законодательная регламентация предельно допустимых концентраций вредных компонентов ОГ ДрС наряду с ограничением вредных выбросов в атмосферу призвана стимулировать научно-исследовательские и конструкторские работн по созданию малотоксичных ДВС.
Под воздействием на топливо понимается: применение в ДВС газообразных топлив /природный газ и его производ -; ! , аммиак, водород/, применение антидымных и антитоксичных присадок к топливу, разработка и создание новых видов топлив.
Применение газовых топлив в ДВС с точки зрения снижения токсичности имеет большую перспективу. Так, перевод карбюраторного двигателя е бензина на сжжиженный газ снижает суммарную токсичность ОГ в 4-5 раз /N0X на 65%, СО на 85#, С на 80%/. В настоящее время разработаны и осваиваются в производстве газобаллоные автобусы, грузовые и легковые автомобили. Применение в качестве моторного топлива аммиака и водорода практически полностью устраняет выброс в атмосферу СО, ССк, сажи и углеводородов, в 10 и более раз уменьшается A выход JOx.
Принципиальнне технические вопросы создания собственно водородного двигателя в болыненстве своем решены. Но экономическая целесообразность широкого применения таких двигателей остается проблематичной до тех пор, пока не будет решена проблема дешевого способа получения этих газов и их хранения в условиях эксплуатации. Возможно, что более рациональным окажется применение водорода в ДВС в качестве присадок к основному топливу.
В нашей стране и за рубежом интенсивно ведутся работы по созданию и исследованию на экономичность и токсичность новых видов моторных топлив на основе метанола, спиртов, синтетические альтернативные топлива. Впервые принцип иконструирования" топлива по заданным требованиям был сформулирован Ю.В.Свиридовым /II/, под руководством которого успешно ведутся работы по исследованию моторных топлив широкого фракционного состава.
Государственная программа экономии и рационального использования природных ресурсов, предусматривает сокращение потребления нефти и газа в качестве топлива, т.к. нефть и газ являются ценнейшим, практически безотходным сырьем для химической промышленности. Поэтому будет раеширятьсфрименение в ДВС тяжелых высокосерннстых моторных топлив, газового конденсатора и низкосортных иескуственннх топлив /б/. Следовательно задача повышения экономичности и снижения токсичности значительно усложняется. В этой связи приведем выдержки из письма акад. Н.Н.Семенова в СМ СССР: "В связи с истощением мировых запасов нефти сейчас весьма остро ставится вопрос о получении жидких топлив путем газификации угля. При этом, по мнению Министерства химической промышленности дальнейний путь получения разнообразных органических продуктов, в том числе и легких жидких- топлив /бензинов/ должен осуществляться на основе СО, Но и метилового спирта, легко получаемого из этих газов давно известным путем".
Следовательно, уже сейчас рабочий процесс и конструкция двигателя должны приспосабливаться под более тяжелые условия работы на низкосортных топливах.
К третьей группе способов снижения токсичности ОГ ДРС, условно названной - воздействие на двигатель, относятся: исскуственные методы рециркуляции, нейтрализации и дожигания выпускных газов; создание новых малотоксичных установок, совершенствование рабочего процесса и конструкции.
Первый из названных способов получил достаточно широкое применение, т.к. позволяет наиболее просто понизить токсичность двигателя до установленных норм. Однако применение системы рециркуляции и нейтрализации значительно увеличивает стоимость транспортного средства и почти вдвое снижает экономичность. Причем, по мере ужесточения норм на токсичность ОГ экономические затраты на их обеспечение §тим способом резко возрастают. Поэтому методы исекус-твенной нейтрализации применяются главным образом на двигателях, работающих в условиях ограниченного воздухообмена /шахты, карьеры и т.п./.
Что касается создания новых малотоксичных двигателей, то можно ожидать, что первоочередные проблемы, связанные е созданием малотоксичних двигателей Стирлинга, Сарича, Ренкина будут решены к 1990 году, после чего возможно их применение в ограниченном количестве. Но основным транспортным двигателем остается быстроходный малотоксичный дизель.
Краткий обзор рассмотренных методов снижения токсичности ДО? показывает, «то на современном уровне развития полезная эффективность их ограничена. Поэтому решение проблемы снижения токсичности и повышения экономичности Д8С особенно при работе на нжзкосортных синтетических топливах этими методами достигнуто быть не может.
Проблема может быть решена только в результате качественного совершенствования рабочего процесса и конструкции ДВС, путем устранения причин образования вредных веществ и создания оптимальных условий для сгорания топлива. Для карбюраторных бензиновых двигателей в настоящее время имеются и принципиальные и практические конструктивные решения. Одно из таких решений основывается на научном открытии явления высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой смеси, сделанном в ИХФ АНСССР7 На основе этого открытия был разработан форкамерно-факельный процесс лавинной активации горения /ЛАГ-процесс/, который практически реализован на двигателях автомобилей FA3 и ЗЙІ. Всесторонние эксплуатационные испытания двигателей с форкамерно-факелышм зажиганием в различных дорожных и климатических условиях показали, что средний эксплуатационный расход топлива снижается на 10%, существенно уменьшается токсичность ОГ /C L. в 15-20 раз, N0 в 3-4 раза, СО - практически полностью устраняется/, снижаются требования к сорту бензина на 10 единиц октанового числа /7/. Основным недостатком клапанной конструктивной схемы форкамерных двигателей является ограничение ресурса применяемых топлив только карбюрируемыми высокооктановыми топливами. Необходимость использования в одном и том же двигателе разных топлив с одинаковой эффективностью заставили продолжить поиски наиболее рационально заряда и двухстадийным сгоранием. При оптимальном сочетании химико- организации смесеобразования и сгорания, в том числе и при форкамерн©-факельном процессе. Наибольший практический интерес ия множества различных разработок представляют два решения: форкамерный двигатель с направленным впрыском топлива и двигатель с пленочно-испаритель. ной системой смесеобразования. В первой схеме, разработанной и подробно исследованной в АзПИ им.Ч.Ильдрыма /8/, осуществляется рабочий процесс управляемым расслоением кинетического и газо-гид-родинамического факторов в таком Двигателе достигается высокая эффективность по экономичности и токсичности на бензинах всех сортов. Созданные опытные образцы двигателей проходят всесторонние заводские испытания в п/о "Автогаз".
Во второй схеме экономический и экологический эффект достигается за счет предельной гомогенизации заряда путем гарантированного полного испарения топлива вне цилиндра. Большим преимуществом этой охемы является принципиальная возможность использования топлив с различными физико-химическими и моторными свойствами. Двигатель с пленочно-испарительным смесеобразованием разработан в ЩИТА /9/ -и к настоящему времени прошел стендовые и ходовые эксплуатационные испытания. /
Таким образом, в области "легкотопливного" двигателестроения имеются реальные предпосылки для качественного улучшения всех технико-экономических показателей этих двигателей.
Решение основных проблем в области дизелестроения также во многом определяется возможностью рациональной управляемай организации процессов смесеобразования и сгорания, составляющих основу рабочего процесса дизеля, йненно качественное протекание процесса сгорания оказывает решающее влияние на полноту сгорания топлива, сое тав и количественный выход вредных продуктов, на динамику тепловыделения, уровень механических и тепловых нагрузок, т.е. в конечном итоге определяет основные характеристики технического совершенства дизеля - его экономичность, суммарную токсичность, надежность и долговечность работу. Возможность управления процессом сгорания в дизеле позволит целенаправленно воздействовать на механизм образо вания вредных веществ и понизить их выход до минимума. Но очевидно, что рациональное управление любым процессом должно базироваться на глубоком физическом понимании всех явлений, составляющих этот процесс Если с этих позиций посмотреть на развитие науки о сгорании в дизелях, то можно отметить , что наши знания в этой области явно недостаточны и значительно уступают уровню знаний в других технических приложениях энергетического и технологического горения. Сложная взаимосвязь большого числа быст-ропротекающих явлений, их наложение во времени, а также условия дефицита времени, нестационарности и неравновесности, больших абсолютных значений и большого диапазона изменения физических параметров среды - всё это объективно обуславливает значитель-ныез трудности изучения процессов смесеобразования и сгорания как непосредственно в условиях дизеля, так и путём физического моделирования отдельных процессов ж явлений. Попытки создания адекватных физических и обобщённых математических моделей рабочего процесса дизеля и его отдельных ошжавяякщих, призванные значительно сократить трудоёмкий т дорогостоящий натурный эксперимент, наталкиваются на недостаточность наших знаний о ив ханизме основополагающих процессов и явлений.
Несмотря на то, что изучению процесса сгорания в дизеле посвящено большое; число теоретических, экспериментальных и расчётных работ, до настоящее© времени фактически! отсутствует общепризнанная теория, адекватно отражающая физическую природу и особенности рабочая© процеесфвдвли. Такая обобщающая теория должна основываться на ясных физических представлениях о всех стадиях процесса в камере сгорания дизеля отг подачи топлива до ©го сгорания. Многочисленные шпывки; описания процесса сгорания в дизеле в виде единой функциональной зависимости: тепловыделения от доли впрыснутого топлива без детальной расшифровки супрости всех составных частей процесса не могут претендовать на общность. Это тем более очевидно, что отдельные процессы - смесеобразование, воспламенение и горение, имеют различную физическую природу и подчиняются различным физико-химическим закономерностям. "Последовательная расшифровка каждого элементарного процесса - вот единственный путь овладения закономерностями развития процесса сгорания в дизеле, как бы он ниі был сложен ж длителен /10/. В этих словах Ю.Б.Свиридова заключены стрдаегия и; тактика развития науки; о сгорании в дизелях, котжрое предцолагает углубление нсо-ледований на стыках изучаемых процессов, проникновение в физическую сущность явлений путём широкого привлечения опытного материала, экспериментальных методов и математического аппарата фундаментальных и смежных технических наук.
Известно, что диффузионное сгорание неоднородной смеси в цилиндре дизеля всегда сопровождается интенсивным сажевыдеиени-ем. Основная причина этого явления заключается в реальном существовании локальных физических условий для протекания реакций высокотемпературного пиролиза углеводородов топлива. В сложной цепи причинно-следственных связей большого числа быстропротекаю-щих процессов в камере сгорания дизеля процеес сажевыделения занимает вполне определённое самостоятельное место. Являясь обязательной составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива в дизеле, процесс сажевыделения играет определяющую роль в вопросах дымностн, токсичности и концерогенной опасности 0Г, и практически полностью определяет условия объемного теплового изл лучения в цилиндре. Поэтому глубокое изучение этого процесса, как одного из последовательных этапов сгорания, имеет большое научное и практическое значение.
Сажевыделение качественно связанно с предшествующими процессами смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пла пламени. Рассматривая развитие процесса сажевыделения с определен ного момента времени, а именно с момента формирования начального фронта пламени, необходимо быть уверенными, что предшествующие процессы не лимитируют возможности нашего познания изучаемого процесса. Это становиться возможным, если физическая природа изучаемого явления достаточно индивидуальна и подчиняется строгим физико-химическим законам; если основные теоретические предпосылки достаточно фундаментальны и не зависят от количественных характеристик системы в рамках их предполагаемого изменения. Таким образом, физика процесса сажевыделения должна однозначно объяснять механизм образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, а влияние процесса смесеобразования проявиться через формирование необходимых и достаточных условий для развития сажевыделения по известном му механизму. В этом случае любое развитие теории смесеобразования будет дополнять теорию сажевыделения, уточнять расчетные схемы результирующего сажевыделения. Так, углубление наших знаний о локальном распределении паров топлива и воздуха позволит перейти от интегральных по объемному распределению концентраций еажи и локальных температур пламени. Но уже современное состояние теории смесеобразования в дизеле и теории углеводородных пламен, дополненные специальными экспериментальными исследованиями позволяют сформировать принципиальные основы теории сажевыделения и теплового излучения в дизелях.
Настоящая работа, выполненная на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Ленинградского политехнического института имени М.И.Калинина, посвящена исследованию и разработке физических основ теории сажевыделения и лучистого теплообмена в дизелях. В работе обобщены теоретические и экспериментальные исследования результирующего сажевыделения, локальных температур пламени, химико-физического механизма образования сажи, механизма выгорания сажистых частиц и локального лучистого теплообмена в дизелях, вы полненные автором в период с 1969 по 1981 г.г. На защиту выносятся:
1. Усовершенствованный метод экспериментального исследования результирущего иажевыделения и излучательных характеристик дизельного пламени - лазерное оптическое индицирование цилиндра дизеля.
2. Результаты экспериментальных исследований динамики са-жевыделения и излучательных характеристик пламени /степени черноты и температуры/ в дизелях различного типа и назначения, при различных условиях испытаний на установившихся и неустановившихся режимах работы.
3. Физико-химический механизм образования и выгорания сада стых частиц в цилиндре дизеля..
4. Низико-математическая модель и схема расчета результирующего сажевыделения в цилиндре и дымности отработавших газов.
5. Физический механизм радиационного теплообмена в процессе сгорания и результаты исследований локального лучистого теплообмена в цилиндре дизеля.
6. Математическая модель и методика расчета локального лучистого теплообмена в дизеле, основанные на применении обобщенного зонального метода.
Физические основы метода лазерного оптического ин-дицирования цилиндра дизеля
Использование видимого излучения сажи для определения температуры сажистых частиц возможно только при условии, что это излучение является тепловым. Так как только в этом случае понятие температуры имеет однозначный смысл и существует однозначная связь между температурой и интенсивностью излучения, т.е. система находится в термодинамическом равновесии. В таком состоянии имеет место равномерное распределение энергии по всем степеням свободы молекулы и становится безразличным, какая из них исползуется для измерения температуры. Однако, при излучении реальных процессов горения мы чаще всего имеем дело с неравновесными процессами. Неравновесность процесса сгорания в дизеле обусловлена наличием наряду с тепловым излучением хеми-люминесцентного свечения, задержкой возбуждения некоторых степеней свободы молекулы, незамкнутостью системы.
Холоднопламенное хемилюминесцентное свечение появляется в результате прямого перехода химической энергии возбужденных атомов и радикалов в энергию излучения. Интенсивность такого свечения не зависит от температуры и не подчиняется законам теплового излучения. Ограничивая рабочий спектральные-диапазон только видимой частью спектра с преимущественный излучением здесь только частив сажи, этим фактором неравновесности системы можно пренебречь. Так как для быстропротекающего процесса сгорания в дизеле время изменения состояния системы соизмеримо с временем релаксации, то существует неравновесность системы вследствии неравномерного распределения энергии по степеням свободы молекул. Следовательно, нарушается однозначная связь интенсивности излучения и температуры. В этом елучае, в зависимости от используемой спектральной области может быть измерена различная температура: электронная - в видимой и ультра 42. фиолетовой областях, колебательная и вращательная - в инфракрасной области. Абсолютные значения этих температур различны и зависят от величины энергии, приходящейся на соответствующие степени свободы. Так как время релаксации одинаково для поступательной, электронной и вращательной степеней свободы, то и абсолютные значения этих температур одинаковы. Самое большое время релаксации имеет колебательная степень свободы, поэтому колебательная температура всегда меньше любой из остальных. Следовательно, второй фактор неравновесности системы необходимо учитывать при разработке оптического метода измерения температуры.
Еще один фактор термодинамической неравновесности системы в процессах пламенного горения - незамкнутость системы заключается в том, что пламя излучает энергию, но это излучение не компенсируется соответствующим поглощением лучистой энергии. В результате происходит дезактивация возбужденных молекул и постепенное охлаждение пламени за счет излучения. Но исследованиями установлено, что отклонение от равновесного состояния, обусловленное незамкнутостью системы, может привести к существенным ошибкам при измерении температурж по величине собственного излучения пламени только в сильно разряженных пламенах. /23/. Учитывая, что процесс видимого сгорания в дизеле протекает при высоких давлениях, этда фактором неравновесности также можно пренебречь.
В заключение уточним, температура чего и какая температура может быть измерена оптическим способом по видимому излучению сажи. Так как сажа - единственный излучатель в видимой области спектра, то очевидно, что регистрируемое здесь излучение несет информацию о температуре сажистых частиц. В условиях дизеля эта температура отличается от температуры пламени по двум причинам.
Во-первых, частицы сажи произвольно распределены в объеме цилиндра и в зависимости от их местонахождения могут иметь различную температуру от Ттах в пламенной зоне до "Win в пристеночной зоне продуктов сгорания. Поэтому, регистрируя некоторое результирущеє излучение сажистого объема, правомерно говорить лишь о среднеоптической температуре сажистых частиц, попадає-мых в телесный угол оптической системы. А так как интенсивность видимого излучения возрастает с ростом температуры частиц и количества высокотемпературных частиц, то среднеоптичес-кая температура приближается по своим значениям к максимальной температуре частиц сажи и всегда выше их среднемассовой температуры. Во-вторых, как показано в разделе 5.2.2,, максимальная температура сажистых частиц, расположенных в пламенной зоне, может значительно превышать температуру окружающего газа.
Обобщая анализ оптических свойств и особенностей излучения пламени в цилиндре дизеля, сформулируем основные посылки, положенные в основу разрабатываемого метода оптического инди-цирования: — сажа, образующаяся при диффузионном сгорании в дизелях, представляет собой мелкодисперсную среду, для которой справедливо условие dcp Х , и является единственным излучателем в видимой области спектра; — дизельное сажистое пламя обладает основными свойствами серого излучателя, интенсивность излучения пламени однозначно связана с концентрацией сажистых частиц, их температурой и погло-щательной способностью; — произвольное распределение частиц сажи в надпоршневом объеме обуславливает наличие неоднородных жощєттітшхж температурных полей;
Влияние регулировочных,конструктивных и эксплуатационных факторов
Многочисленными опытами рвда исследователей было установи лено существенное влияние на дымность отработавших газов дизелей одного из основных регулировочных параметров - угла опережения впрыска топлива оп . Все экспериментальные данные однозначно свидетельствуют об увеличении дымности ОГ с уменьшением угла Ton . Объяснялось это обычно с самых общих позиций сокращением времени, отводимого на процесс сгорания. Более глубокий анализ причин без специальных исследований сажевыделения в цикле был невозможен. Кроме того, практически все эксперименты выполнялись на одном, наиболее дымном, типе двигателей - это быстроходный транспортный дизель. Но, как было показано в предыдущем разделе, в среднеоборотном , очень малодымном, двигателе сажи образуется не меньше, чем в быстроходном, и это имеет большое значение с точки зрения теплового излучения и полноты сгорания топлива. Поэтому для выявления общих закономерностей или специфических особенностей влияния опережения подачи топлива на динамику сажевыделения и, как следствие, на дымность ОГ в дизелях разного типа, проведено экспериментальное исследование, результаты которого приведены на рис.3.10.
Рисунок ЗЛО. показывает общее и отличное в характере влияния и п на результирующее сажевыделение в среднеоборотном и быстроходном двигателях. Общим является то, что при более ран-нем впрыске топлива С" f J максимум концентрации юнцентрации сажи Стах достигается раньше, увеличивается концентрация сажи в начале процесса и уменьшается к началу выпуска.
Различие заключается в том, что при увеличении Hon в среднеоборотном двигателе максимальная концентрахщя сажи возрастает, а в быстроходном уменьшается. Очевидно, что объяснение этого факта не следует искать в принципиальном отличии процесса сажевыделения в том и другом двигателе, т.к. его нет. Но правомерно предположить различное относительное влияние на текущую концентрацию изменяющегося объема надпоршневого пространства, поскольку прирост его на ПКВ различен. Сделав приведение текущей концентрации сажи к постоянному объему, получим результирующее сажесодержание в цилиндре N , определяемое только внутри-цилиндровыми процессами, рис .ЗЛО.
Графики N-jGf) наглядно свидетельствуют о полной аналогии качественного и количественного влияния угла опережения подачи топлива на динамику результирующего сажесодержання в цилиндрах среднеоборотного и быстроходного двигателей во всех фазах процесса.
Эти же графики позволяют объяснить причины увеличения дым-ности ОГ при уменьшении опережения впрыска. При этом заметили, что сокращение общего располагаемого времени не является главной причиной роста дымности при уменьшении in , т.к. максимальная концентрация N щахпри всех топ достигается в одно и то же время: к 55-60 ПКВ ноблегШТ в; среднеоборотном двигателе и к 80- ПКВ в быстроходном. Основная причина заключается в том, что при позднем впрыске вследствие сокращения задержки воспламенения уменьшается доля топлива, образующего квазиоднородную смесь и сгорающего бездымно, и соответственно возрастает доля топлива, подвергающегося высокотемпературному крекинку при диффузионном сгорании. В результате максимальная концентрация Nmogcувеличивается, а т.к. нет видимых причин для изменения скорости выгорания сажи, то, чем больше ее образовалось, тем больше и осталось в цилиндре ІВГ началу выпуска. Перераспределением циклового количества топлива по фазам сгорания и связанным с ним изменением динамики сажевыделения в цикле объясняется эффективностью значительного увеличения t n в сочета ний с 2-х фазным впрыском.
На рисЙ.II. показаны сравнительные характеристики еаже-выделения при работе среднеоборотного дизеля на двух нагрузочных режимах с увеличенным диаметром плунжера топливного насоса. Некоторое форсирование процесса впрыска при увеличении Опл , проявляющееся в возрастании скорости подачи топлива, давления впрыска и в сокращении общей продолжительности впрыска, приводит к улучшению качества смесеобразования и сокращению периода задержки воспламенения. В результате совокупного воздействия переменных Факторов сажевыделенш уменьшается на протяжении всего рабочего хода поршня.
Структура и физико-химические свойства сажи
Наибольшее значение для .дисперсности получаемого продукта имеет скорость процесса, а влияние давления и температуры объясняется соответствующим изменением скорости. Поэтому максимальную дисперсность имеет детонационная сажа, S уд. = 170-220 м /г / d ср. 200 А/. При нормальном /недетонационном/ горении сажа всех углеводородных пламен полидисперсна, но наибольшую долю составляют частицы со средним диаметром 250-350 А при удельной поверхности О уд. 4 100 ьг/г.
Исследования сажи в дизельном выхлопе /2, 8, 10, 15, 39, 64/, показали, что сажа отработавших газов дизеля является по-лидиспереной. Форма частиц круглая и овальная. Сравнение микроскопических снимков дизельной сажи и сажи других углеводородных пламен представленное на рис.4Л, убедительно показывает, что форма отдельных частиц и структурных цепочечных обра-зованний дизельной сажи идентичны другим углеводородным сажам. Размеры первичных сажистых частиц в дизельном выхлопе, по данным аяабова В.Г. /64/, находятся в пределах 100-1000 А, а
средний диаметр частицы 500 А. В отложениях на предметном стекле сажа находится в виде отдельных частиц, групп из 20 и более частиц размером 1400 А, цепочек длинной 2000-6000 А, малых и больших конгломератов из 100-1000 частиц. Высокую дисперсность сажи автор объясняет мальм временем сажеобразова-ния и высокой степенью нарастания температуры в процессе сгорания. Близкие результаты были получены также Мачульским Л. /39/, по данным которого наиболее крупные конгломераты сажи в дизельном выхлопе могут достигать 5 мкм /50000 А/. Удельная поверхность первичных частиц, образующих іфупнне соединения, составляет 76 кг/г.
В табл.4.2, и на рис.4.3. приведены некоторые результаты исследования свойств дизельной сажи, выполненные совместно НАМИ, ВШШГАЗом и институтом экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР /10/. Этими исследованиями установлено, что дизельная сажа по форме частиц и дисперсности аналогична высокодисперсным промышленным сажам ДГ-100 и ПМ-100 /ГОСТ 7885-68/. Она имеет сферическую форму, удельная поверхность 80-175 м2/г, средний диаметр 120-300 А. Таблица 4.2. Дисперсность дизельной сажи по данным /10/.
Исследования показали также, что дисперсность сажи одинакова при объемном и пленочном смесеобразовании. Увеличение нагрузки приводит к возрастанию удельной поверхности S уд., штучной N и весовой С концентрации сажи, средний диаметр частиц при этом уменьшается. 4.1. Структура и Физико-химические свойства сажи. В пламени одного и того же жидкого углеводородного сырья может образовываться сажа, отличающаяся структурой частиц и их физико-химическими свойствами: химическим составом, плотностью, электропроводностью, способностью к графитизации и др. Факторами определяющими те или иные свойства образующегося продукта являются температура и концентрация сырья в реакционной зоне. Эти же факторы определяют возможность протекания того или иного механизма образования сажи. Следовательно, структура и свойства вещества могут служить характеристикой физико-химического процесса, при котором это вещество получено.
Структура и различные свойства углеводородной сажи достаточно хорошо изучены, о чем свидетельствует обширная литература по этому вопросу, обобщенная в работах П.А.Теснера /55-60/, А.Д. Кокурина /27, 26/, Б.М.Мальцева /36/ и других авторов /13, 17, 20, 22, 48, 69, 70, 74/.
Электронномикроскопическим и рентгеноструктурным анализом установлено, что сферические частицы сажи состоят из отдельных кристаллов, размеры которых составляют 13-20 А. Каждый элементарный кристалл имеет внутреннюю структуру, близкую к структуре графита. Параллельные слои атомов углерода в гексагональной решетке /искаженной остаточным водородом/ произвольно повернуты относительно друг друга в плоскостях, перпендикулярных общей нормали. Расположение таких графитовых сеток в частице зависит от способа получения сажи, рис.4.4.
В частицах высокотемпературной ацетиленовой сажи кристаллы расположены произвольно, но достаточно компактно рис.4.4.б. Частицы низкотемпературной сажи /при общей температуре процесса /Т 1500К/ имеют более упорядоченную структуру. Вблизи поверхности таких частиц графитовые сетки изгибаются, повторяя сферическую форму частицы, внутри же находятся неупорядоченные и неуплотненные мелкие кристаллы, как показано на рис. 4.4.а,в.
Большое влияние на структуру частицы оказывает ее графи-тизируемость. Под воздействием температуры происходит рост кристаллов при одновременном их развороте и перемещении в результате чего структура частицы приобретает порядок расположения отдельных элементов, аналогичный графиту, т.е. частица гра-фитизируется. При достаточном времени пребывания частицы все графитовые сетки располагаются вдоль радиуса параллельными слоями, изогнутыми по сфере. Упорядоченная параллельно изогнутая структура сажистых частиц, обнаруженная в опытах Марша П.А. с сотрудниками /74/, подтверждает двухстадийный механизм образования сажи П.А.Теснера /55/. Согласно этому механизму на стадии поверхностного роста зародыша происходит постепенное наслоение углерода на поверхности частицы, при этом каждый слой, образованный элементарными графитными сеткамиу отличается своим радиусом кривизны.
Анализ результатов экспериментального исследования основных характеристик теплового излучения в цилиндре дизеля
Понятие серого излучателя широко применяется в расчетах радиационного теплообмена, в том числе и для дизелнй. Но распространение свойств серого излучения на излучакщий объем в цилиндре дизеля справедливо лишь для сравнительно узкого спектрального интервала, т.к. сплошной спентр излучения сажистого объема в широком интервале длин волн, включающем видимую и ближнюю инфракрасную области, не являются серым.
Как видно из рис.5.3,, излучательная способность светящегося сажистого пламени заметно возрастает с уменьшением длины волны Спектральная степень черноты в видимой области спектра в 1,5-2 раза выше, чем в ближней инфракрасной области. Поэтому очевидно, что значения ,А , определяемые по видимому свечению сажистых частиц в дизельном пламени, нельзя распространять на весь спектральный диапозон и использовать для рас чета полной энергии излучения. Это наглядно подтверждается экспериментами на двигателях. Например, полная энергия излучения в дизеле, рассчитанная по спектральной степени черноты для видимого излучения сажи, соизмерима с располагаемой энергией сгорания циклового количества топлива, что противоречит физическому смыслу. Поэтому обычно в расчеты вводится некоторая условная или приведенная степень черноты, так или иначе искажащие физический смысл закона Вугера-Беера. Но рассмотренные особенности спектрального излучения сажистого объема в дизелепоказывают, что только интегральная степень черноты однозначно характеризует излучательную способность объема, т.к. она физически строго учитывает изменение эмиссионных свойств излучателя в зависимости от длины волны. Следовательно, одной из определяющих характеристик теплового излучения в цилиндре дизеля является интегральная степень черноты сажистого объема.
Характерной особенностью объемного излучателж в дизеле является весьма малые размеры частиц сажи, удовлетворяющие условию dcp во всем спектральном диапозоне излучения. Вывод о прещебрежимо малой величине коэффициента рассеяния, полученный для видимого излучения сажи, может быть распространен на весь спектральный диапозон. Действительно, в диапозоне длин волн Л & 0,4 5 мкм изменение параметра дифракции составляет о= ОхЧогО,о \ f а критерий Шустера изменяется в интервале SU-o,o5fO»iZiD Отсюда следует, что при аср Ли Р 1 доля рассеяния в суммарной ослаблении не превышает 5" %, следовательно, для рассматриваемого интервала длин волн ослабление потока излучения сажистом объемом полностью определяется его поглощением. Тогда, применяя закон Кирхгофа, можно записать К = К хцогл и х= О. .Не серый характер излучения в диз е ле обусловливает зависимость К . и с. \ от ,цлины волны и температуры излучателя. Последнее связано с изменением спектрального состава излучения при изменении температуры сажистых частиц. В частности, при повышении температура спектральный состав обогащается коротковолновыми компонента-ми ми, а максимум интенсивности излучения сажи смещается относительно максимума интенсивности излучения абсолютно черного тела в коротковолновую область. Указанное отличие спектрального состава излучения малых частиц сажи сохраняется при одинаковой темпеартуре сажистых частицей абсолютно черного тела и является другой характерной особенностью объемного излучателя в цилиндре дизеля.
Так как изменение эмиссионных свойств излучателя, определяемое функциональной зависимостью k\=. \ (\ "О связано с изменением оптических характеристик излучателя - комплексного показателя преломления vv\ и параметра дифракции Р , то зависимость коэффициента ослабления /поглощения/ от длины волны и температуры может быть представлена в виде следующей функциональной связи /15/: где СЬ(УУЛ - дисперсия комплексного показателя преломления о, сажистых ыастиц. Для малых частиц в интервале длин волн Д =0,5-6 мкм А,Г.Вдохом получена формула: ф (уи) = \,Ъ (А- ОХА Л) () которая выражает влияние дисперсий: оптических параметров углеродных частиц на излучательную способность объемного сажистого излучателя.
