Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эффективности применения водорода в теплоэнергетических установках 14
1.1. Современное состояние проблемы и перспективы её развития 15
1.2. Особенности применения водорода в качестве топлива для дизелей 25
1.3. Анализ эффективности использования водорода в дизелях 37
1.4. Обзорный анализ физико-химических механизмов воздействия водорода на внутрицилиндровые процессы дизеля 45
1.5. Выводы по главе. Цель и задачи исследования 5
2. Описание экспериментальной устаноши, методики экспериментального исследования и обработки опытных данных 56
2.1. Система питания дизеля водородом 59
2.2. Система наддува 63
2.3. Аппаратура для оптического индицирования цилиндра 65
2.4. Методика эксперимента 70
2.5. Методика измерения и обработки опытных данных 72
2.5.1. Измерение расхода топлива 72
2.5.2. Основные особенности обработки индикаторных диаграмм 73
2.5.3. Обработка осцилограмм свечения пламени . 77
Стр. 2.6. Анализ погрешностей измерения и обработки опытных данных 82
2.6.1. Оценка погрешностей измерения мощност- ных и экономических параметров 82
2.6.2. Погрешность обработки индикаторных диаграмм 86
2.6.3. Погрешность метода оптического индицирова- ния 88
3. Основы теории и физическая модель процесса водородного насыщения жидкого углеводородного топлива 92
3.1. Физико-химические основы процесса растворения газа в жидкости 92
3.2. Физическая модель процесса растворения водорода в дизельном топливе 96
3.2.1. Диффузия водорода в неподвижной жидкости 96
3.2.2. Растворение водорода в конвективном потоке жидкости 100
3.2.3. Абсорбция водорода, сопровождаемая химической реакцией 102
3.3. Экспериментально-расчётные исследования процесса
водородного насыщения дизельного топлива 103
3.3.1. Экспериментальное определение кинетических характеристик процесса 104
3.3.2. Расчётные исследования характеристик растворимости водорода 109
3.4. Проникновение водорода через металлические детали системы насыщения дизельного топлива 118
3.5. Выводы по главе 120
4. Физический механизм юздействия водорода на внутри-цилиндровые процессы дизеля 122
4.1. Физико-химическое влияние избыточного водорода на процессе результирующего сажевыделения 123
4.1.1. Феноменология сажевыделения и механизм влияния свободного водорода на отдельных стадиях процесса 123
4.1.2. Физико-математическая модель процесса результирующего сажевыделения, учитывающая избыточный водород топлива 134
4.1.3. Математическое прогнозирование характеристик сажевыделения и дымности О.Г. при сгорании водородонасыщенного топлива 141
4.2. Влияние избыточного водорода на излучатеьные характеристики и радиационный теплообмен в цилиндре дизеля 147
4.3. Теоретическое исследование возможности повышения экономичности дизеля при работе на водородо-насыщенном топливе 157
5. Экспериментальное исследование рабочего процесса дизеля на в0д0р0д0насыщенн0м топливе 163
5.1. Исследование влияния присадки водорода к дизельному топливу на параметры топливоподачи и смесеобразования 163
5.2. Влияние присадки водорода к топливу на пока - затели рабочего процесса дизеля, дынность и токсичность О.Г 172
5.3. Влияние добавок водорода к дизельному топливу на излучательные характеристики и радиационный теплообмен 188 Стр.
5.4. Анализ расчётных и экспериментальных иссле -дований характеристик растворимости водорода в топливе в условиях дизельного впрыска и их влияния на результирующее сажевыделение и радиационный теплообмен 193
5.5. Выводы по главе 198
6. Заключение по работе. Общие выводы и рекомендации 201
7. Литература
- Современное состояние проблемы и перспективы её развития
- Аппаратура для оптического индицирования цилиндра
- Физико-химические основы процесса растворения газа в жидкости
- Физико-химическое влияние избыточного водорода на процессе результирующего сажевыделения
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года, и директивных документах последних пленумов и постановлениях пар-, тии и Правительства указывается на необходимость экономии традиционных углеводородных топлив путём совершенствования структуры топливно-энергетического баланса страны, рационального сочетания применения различных видов топлив, более широкого применения, наряду с нефтью и газом нетрадиционных источников энергии I I.
Основным направлением решения энергоэкологической проблемы является улучшение ктнструкции существующих двигателей внутреннего сгорания и создание более совершенных энергоустановок нового типа при использовании более или менее обычных углево -дородных топлив. Однако в первом случае решение задачи связано с кропотливой и сложной коррекцией рабочего процесса, базирую -щейся на использовании усложненных систем управления, конструкции агрегатов и двигателя в целом. Эти усложнения могут подходить к пределуразумного и в то же время не обеспечивают даже планируемые энергоэкономические нормы.
Новые ДВС, разработанные к настоящему времени, включают энергетические силовые установки и тепловые двигатели внешнего сгорания с нетрадиционным рабочим процессом. К последним относятся поршневые двигатели с послойным распределением заряда, газотурбинные, паровые и роторные двигатели, а также двигатель Стирлинга. Некоторые из этих двигателей могут обеспечить возможность создания малотоксичных ДВС на обычных топливах, удостоверяющих будущим жестким нормам. Однако некоторое улучшение экономических показателей проблемы дефицита топливных ресурсов практически не затрагивается. В этом плане большой интерес представляют электрические силовые установки, использующие электрические источники энергии - аккумуляторные батареи и топливные элементы. Переход от ДВС к электросиловым установкам с аккумуляторными батареями вообще проблематичен из-за необходимости огромного количества электроэнергии.
Например, в промышленно развитых странах суммарная мощность ДВС в несколько раз превышает общую мощность электростанций. Кроме того, поскольку сейчас подавляющая часть электроэнергии вырабытывается при сжигании ископаемых топлив, энергоэкологическая проблема лишь переходит из сферы ДВС в сферу тепловых электростанций.
Таким образом, по крайней мере на ближайшие десятилетия тепловой двигатель останется основным типом автономной силовой установки, что вынуждает искать новые решения. Ццно из таких решений - применение новых эффективных топлив в рамках потен -циальных энерго-сырьевых ресурсов, технологической готовности и производственных возможностей.
В этом случае оптимальная стратегия развития ДВС предла -гает два последовательных этапа. На первом этапе основными топливами останутся современные углеводородные топлива с вов -лечением новых компонентов и добавок. Эти компоненты могут использоваться как в составе базового топлива, так и в виде самостоятельных добавок, подаваемых в цилиндр двигателя с помощью автономных дозирующих устройств. Второй этап характе -ризуется постепенным переходом на синтетические топлива и энергоносители, производимые на базе нефтяных компонентов го -рючих ископаемых, либо нетрадиционных энергоресурсов. Однако, если рассмотреть в перспективе топливо, запасы которого не ограничены, то очень заманчиво применение водорода. Если не считать очень важных проблем, существующих на данном этапе, связанных с производством, обращением, аакумулированием и распределением топлива, водород обладает очень многими положительными свойствами Водород-самое "чистое" химическое топливо и его можно получать из воды, используя источники энергии, такие как ядерная и солнечная. Таким образом, водород обеспечивает предельную независимость от ископаемых топлив, которые можно более рационально использовать ещекак сырьё для химической промышленности использование водорода в дизельных двигателях известными способами организации рабочего процесса затрудняется по причине его высокой температуры самовоспламенения. Поэтому для организа -ции устойчивого воспламенения водорода дизели конвертируются в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или запальной дозы жидкого топлива. При этом водород может подаваться как совместно с воздухом, так и путём непосредственного впрыска в цилиндр. Проблема эффективной работы двигателя на чистом водороде ещё не решена, так как получаемая мощность составляет око ло 60% мощности дизеля прототипа, вследствие ограничений бездетонационного сгорания. При газодизельном процессе может быть достигнута номинальная мозность дизеля при добавке к дизельному л топливудо 40% водорода по тепловому содержанию. Присадка водорода в количестве 5-10% способствует интенсификации процесса сгорания дизельного топливано значительного улучшения экономич -ности не обеспечивает.
Определенный научный интерес представляет работа, выполненная вЛПИ им.М.И.Калинина, которая позволяет оценить наряду с экологической и экономическую эфеективность использования водорода в качестве добавки к углеводородному топливу 66 . Информация об использовании водорода как присадки непосредственно в дизельное топливо в настоящее время практически нет. Нам известны работы по водородному обогащению топливовоздушной смеси для двухмоторных поршневых самолётов 95 , а также по обогащению водородом топливо-воздушных смесей газотурбинных и поршневых двигателей, в которых получен положительный результат по показателям экономичности, дымнос-ти и токсичности отработавших газов (ОП.
Более широко и успешно добавки водорода и связанные с ним химические реакции используются в химии и технологии. Интерес представляет работа 47 , в которой показано, что при гидропи -ролизе углеводородов (метан, пропан, ацитилен и др.) в установках импульсного сжатия увеличение доли водорода в смеси приводит к значительному уменьшению выхода сажи.
Благоприятное влияние водорода на торможение процесса саже-образования в цилиндре дизеля указывается и в исследованиях С. 1\ .Батурина 13 I, который разработал модель сажеобразования, основанную на гипотизе о высокотемпературном ацетиленовом механизме с учётом последовательных химических превращений углево -дородов в предпламенной зоне пиролиза.
Уменьшение текущей концентрации сажи в цилиндре дизеля, а вместе с этим и к моменту открытия выпускных органов приводит, с одной стороны, к снижению дымности и канцерогенной опасности ОГ, а с другой способствует повышению экономичности рабочего цикла двигателя вследствие уменьшения несвоевременности выделения теплоты 59 .
Таким образом, благоприятное влияние участия водорода в процессе выгорания топливо-воздушных смесей в экологическом и экономическом планах, получение существенного положительного эффекта применением присадок в топливо для эффективного решения других задач, - например, антидымных присадок для снижения дым-ности отработавших газов (ОГ) - позволяют считать целесообраз -ным исследования по изучению влияния присадки водорода к топливу на показатели рабочего процесса, дымность и токсичность ОГ дизеля.
В соответствии с вышеизложенным настоящая работа посвящена экспериментально-теоретическому исследованию рабочего процесса дизеля пр работе на водородонасыщенном углеводородном топливе, улучшению энерго-экологических характеристик и разработке физически обоснованных математических моделей абсорбции дизельным топливом и модели результирующего сажевыделения, учитывающей избыточный водород топлива.
Научная новизна. Газработана математическая модель процесса водородного насыщения жидкого углеводородного топлива, позволяющая установить количественную связь между процессом впрыска дизельного топлива и характеристиками растворения водорода в нем. Определены экспериментально основные кинетические характеристикйми процесса абсорбции водорода дизельньм топливом. Теоретически и экспериментально показана возможность повышения экономичности и снижения токсичности и выбросов сажи с ОГ дизеля при работе его на водородонасыщенном топливе. фНа основе математической модели результирующего сажевыделения, разработанной С. .А .Батуриным, предложена математическая модель результирующего сажевыделения, учитывающая избыточной водород топлива, позволяющая прогнозировать характеристики сажевыделения и дымности ОГ дизеля, а также радиационный теплообмен.
Практическая ценность. Разработана и защищена авторским свидетельством № І08768І система насыщения жидкого углеводородного топлива газообразными присадками. Разработанные методики позволяют на любой стадии проектирования и доводки двигателя, направленной на замену традиционных углеводородных топлив альтернативными, на повышение экономичности, снижения токсичности . и уменьшения уровня радиационного теплообмена, показать эффек -тивность разработанного метода насыщения дизельного топлива водородом. При этом значительно уменьшается общий объём трудоёмких Й дорогостоящих экспериментальных работ и сокращает время доводки дизеля. Полученные данные о высокой эффективности присадки водорода и её незначительный расход показывает неоспоримое преимущество разработанного способа. Разработанные практические рекомендации по выполнению конструктивной схемы системы насы -щения дизельного топлива водородом значительно снизят трудоём -кость работ при внедрении предложенной системы.
Экспериментальная часть работы выполнена на установках с двигателями ІЧНІЗ/І4, 4410,5/12. Обработка экспериментальных данных и расчётная часть работы проводилась на ЭВМ единой Серии ЕС-Ю22; EC-I020.
Результаты работы использовались на Алтайском моторном заводе и АПИ им.И.И.Ползунова (г.Барнаул) см.материалы о внедрении) при исследовании и доводке дизелей серии "А".
Результаты работы докладывались на:
- всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Тепловыделение, теплообмен и теплонапрякенность ДВС, работа их на неустановившихся режимах", г.Ленинград, ЛПИ им. М.И. Калинина 1-3 декабря 1982 г.
- всесоюзной научно-технической конференции "Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания", г.Ворошиловград ВМИ 7-9 июня 1983 г. - 43-й научно-технической конференции, г.имск Сиб-АДИ им. В.В.Куйбышева, 14-19 февраля 1983 г. ,
- всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Тепловые процессы и теплообменные аппараты ДВС", г.Ленинград, ЛПИ им. М.И. Калинина, 16-18 ноября 1983 г.,
- семинаре на ВДНХ СССР "Применение водорода для уменьшения выбросов в атмосферу токсичных веществ транспортньми двигателями" , г.Москву ВДНХ СССР, 17-19 января 1984 г.,
- всесоюзном семинаре по топливной экономичности ДВС, г.Уфа, Уфимский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе, 27-29 марта 1984 г.,
- всесо юзном научно-техническом семинаре "Рациональные способы применения альтернативных топлив и антидетонационных добавок в двигателях внутреннего сгорания" г.МоскваМДНТП, 28-29 мая 1984 г.
Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Работа выполнена на кафедре ДВС ЛШ им. И.И.Нолзунова. Результаты исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ по заданию предприятий отрасли.
Современное состояние проблемы и перспективы её развития
Истощение всех доступных ресурсов нефти на земле явля -ется лишь вопросом времени. Более того, объем добычи нефти имеет тенденцию к уменьшению как по экономическим, так и по политическим причинам I б, 1U J . Это положение, тем не менее, может значительно измениться, если суметь выявить новые источники энергии, которые смогут заменить традиционные, нефтяного происхождения. Поэтому разработка новых источников энергии и технология их использования является целью современных научных исследований. Одним из таких источников энергии является водород, которому предсказывается роль носителя энергии будущего Гб, 102, lb, 44, 77, 67, 6b].
Применение водорода в качестве топлива для транспортных энергетических установок на современном этапе связывают с международной программой по водородной энергетике, призванной в перспективе выработать универсальную энергетическую систему всего земного шара. Использование для этих целей управляемой термоядерной реакции позволит решить вопрос энергетического изобилия.
Для сравнения возможных вариантов развития энергетики определенный научный интерес представляют расчётные модели развития энерегтики в работе В.А.Легостаева Г 551 и /Jeweeea. І ІЗI, результаты расчёта приведены на рис. I.I, 1.2.
Как видно из рис. I.I развитие энергетики 56 для модели промышленно-развитого общества с населением 250 млн. \ человек на основании принятой потребностью мощности на душу населения, равной 20 кВт, ( в США. около 10 кВт) и роста на -родонаселения в 2050 году, около 55% потребления энергии будет приходиться на ядерную энергию, которая затем будет преобразована в тепло и водород.
Аналогичные результаты даёт математическое прогнозирование развития энергетических технологий 114J рис. 1.2. Приве -денные графики являются математическим инструментом изучения тенденций потребления энергии в будущем. Они могут быть использованы для того, чтобы показать продолжающееся истощение запасов нефти как доли от общего количества энергии EQ/I-EH, (где: EQ- общее потребление энергии, Ен- энергия потребляемая с нефтью), рост потребления природного газа до его пиковых значений в 2010 г. и последующий спад, возрастание потребления ур анового топлива в качестве источника термоядерной энергии и, в конечном итоге, увеличение использования совершенно новых альтернативных источников энергии, таких, как солнечная энергия, атомно-водородная энергетика и т.д.
Данные графики позволяют выявить интересные закономерности развития энергетических технологий относительно периодов, через которые человечество проходит в настоящее время.
Таким образом, с точки зрения энергетических технологий перспективным носителем энергии вероятнее всего будет водород. Как определено в работе ІI14 , "Водород является неиз -бежностью, а когда что-либо становится неизбежным, мы должны использовать наше знание этого факта для того, чтобы лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью"
В настоящее время в мире ежегодно производится около 30 млн. т водорода. Около 90% этого количества используется в химической промышленности, остальная часть потребляемого водо -рода приходится на долю черной металлургии и п роизводство синтетического топлива.
Если обратиться к прогнозам по развитию производства водорода в зарубежных странах (США, ФРГ, Франция), производимым с учётом необходимости покрытия дефицита и удорожания органического топлива, то оцениваемое производство на 2000-й год составит несколько сот миллионов тонн водорода в год 53 .
Перспективы производства водорода связываются с так на -зываемыми термохимическими циклами разложения воды. Ожидается, что эти циклы будут иметь больший суммарный КПД использования ядерного горючего по сравнению с электролизом, так как в данном случае исключается фаза производства электричества. Использование многостадийного процесса в присутствии катали -затора позволяет снизить температуру разложения воды на водород и кислород с 4000-3000 до Ю00С при КОД процесса 45-50% [43, б] .
Аппаратура для оптического индицирования цилиндра
Стстема питания дизеля газовым топливом (водородом) состоит из баллона 20, крана 21, мерного объёма 22 с термометром 23 и манометром 24, редуктора 25 с манометрами 26 и 27, крана 28 и газопроводов, (рис.2.3).
Для одновременной подачи циклового количества дизельного топлива и водорода в цилиндр разработана и защищена авторским свидетельством специальная двухтопливная форсунка 4І , изображенная на рис.2.4. Базовой конструкцией такой форсунки серийного дизеля А-0ІМ, в которой цикловая доза дизельного топлива подаётся, как обычно, через канады 3 и 4.
Для подачи водорода штатная форсунка дополняется отдельной магистралью, кооторая состоит из штуцера подвода водоро да 14, и каналов в корпусе форсунки 13 и распылителя 9, В канале 13 выполнен обратный клапан 12, прижимаемый к седлу пружиной II. Обратньм концом пружина упирается в запресован-ную в корпус втулку 10. Канал 9 с запресованной цилиндрической вставкой 8 и винтовой нарезнкй на поверхности одновре -менно служит смесительно-аккумулирутащей камерой форсунки и соединяется с подигольной полостью распылителя 7.
Одновременная подача цикловой порции дизельного топлива и водорода осуществляется следующим образом.
В конце впрыска под действием разгружающего действия нагнетательного клапана давление в полости 7 снижается и водород, имея давление большее, чем остаточное давление ди -зельного топлива в трубопроводе, поступает через клапан в смесительно-аккумулирующую камеру. При этом часть дизель -ного топлива вытесняется из смесительно-аккумулирутащей камеры, увеличивается его давление на участке до нагревательного клапана, что устраняет разрывы сплошности потока, которые по данным И.В.Астахова 5 при работе серийной топливной аппаратуры могут достигать 40%. Благодаря этому давлению и наличию винтовой нарезки на цилиндрической вставке смесительно-аккунулирующей камеры,увеличивающей поверхность контакта водорода с дизельным топливом, в период до очередного впрыска пррисходит насыщение дизельного топлива во дородом.
Количество поступившего в форсунку водорода будет определяться величиной разгрузочного объёма нагнетательного клапана и давления водорода в смесительно-аккумулирутащей камере, оптимальная величина которого, как показали экспе -рименты, колеблется в зависимости от режима от 3 до 9 МПа.
При очередном набегании кулачка топливного насоса на толкатель давление топлива в системе превысит давление водорода, клапан 12 закроется, поднимется игла форсунки, и газо-топливная эмульсия через сопловые отверстия поступит в цилиндр дизеля.
Как показали эксперименты, описанная форсунка хорошо зарекомендовала себя в работе дизеля при добавке к дизельному топливу не только водорода, но и других видов газообразных присадок топлива.
Для имитации условий газотурбинного наддува на одноци -линдровом отсеке УК-2 рядом с ним смонтирована компрессорная станция. Принципиальная схема этих установок показана на рис. 2.5. Компрессорная станция представляет из себя автономный комплекс, состоящий из одноступенчатого компрессора марки ЛК-ІІ0 и электродвигателя мо щностью 55 кВт. Компрессор обеспечивает: - диапазон давления на входе в двигатель в пределах 0,105 - 0,25 мПа; - температуру подаваемого воздуха в пределах 35-I40G; - производительность не менее 360 м3/час.
Компрессорный агрегат установлен на воздушном ресивере I, имеющем внутри трубную арматуру для водяного охлаждения нагнетаемого воздуха. Воздух от компрессора поступает в масловлагоотделитель 17, очищается в нем и переходит в воздушный ресивер I, где охлаждается или подогревается в зависимости от условий эксперимента. Далее воздух через расходную заслонку 20 и расходомер РГ-250 поступает в ресивер 15, предназначенный для сглаживания пульсаций воздуха и создания температурной имитации поддувочному воздуху с помощью электронагревательных элементов.
Физико-химические основы процесса растворения газа в жидкости
Растворение - сложный гетерогенный процесс. Его скорость зависит от многих факторов, причём, как правило, характер изменения этих факторов в ходе самого растворения подчиняется сложным закономерностям. Современное состояние теории растворения даёт возможность представить себе физико-химическую картинумногих существующих элементов процесса растворения.
Процесс растворения является результатом действия ван-дерваальсовых сил взаимного притяжения между молекулами рас -творяемого вещества и растворителя и зависит от химического строения последних.
Главным источником сил связи являются электрические заряды молекул. Молекула водорода представляет собой электрический диполь, поэтому проявляются лвияния взаимного притяжения двоякого рода.
1. Электрическое взаимодействие жестких диполей,ориентирующихся друг к другу противоположными зарядами (ориентацион-ный эффект).
2. Воздействие жестких диполей молекул водорода на молекулы дизельного топлива и индуцирование в них диполей, играющее в принципе меньшую роль (индукционный эффект).
Третьим источником сил Ван-дер-Ваальса может быть взаимное притяжение колеблющшхся электронов квантово-механическо-го характера. Оно может появляться у молекул, построенных симметрично и лишенных дипольного момента.
При перемещении молекул газообразного водорода в жидкую фазу дизельного топлива ва поверхности контакта фаз и в непосредственном соседстве с ней происходят такие явления,которые могут иметь существенное влияние на количественный эффект процесса. Связаны они с поверхностными силами. Эти силы, возникающие в слое жидкости у поверхности толщиной менее радиуса сферы их действия, втягивают молекулы внутрь. Силы эти вызывают напряжение на поверхности. Зависит оно как от рода жидкости, так и от природы соседней с ней среды.
Прохождение малекул между фазами требует преодоления межмолекулярных сил и связано с энергетическими изменениями. Этот вопрос рассматривали Вард и Бруке 140 J , пользуясь поня -тием барьера свободной энергии молекулы. Эта энергия около поверхности контакта достигает максимума. Вест 40 принимает возможность существования на поверхности контакта жидкой фазы с газом межфазного барьера, построенного из молекул, и приписывает ему большое влияние на массопередачу. Такой барьер образуют молекулы с разной степенью ориентации, расположенные по одну сторону контакта. Ориентированные молекулы могут образовывать слой некоторой толщины, который оказывает проходящим через ,него молекулам растворенного вещества сопротивление, большее чем неупорядоченные молекулы в глубине жидкости. Барьер может пропускать только такие молекулы растворенного вещества, кинетическая энергия которых больше средней, или молекулы, которые попадают в отверстие в упорядо -ченной системе.
Схематично изменение свободной энергии молекул при переходе через поверхность контакта показана на рис.3.1 Перенос молекул можно представить как преодоление ван-дер-ваальсовых сил молекулой водорода и абсорбцию, причём изменение свободной энергии представляют разности (Е - Е ) и (Е - Е ). Общее изменение свободной энергии представляется разностью (Ее - Е ), наибольшие значения свободной энергии равно Е и Е. При этом энергия активации для передачи молекулы газообразного водорода в основном направлении будет определяться как ( Е - Е ), а в обратном направлении (Е - Е ).
Существует два вида абсорбции - физическая и химическая. Вид абсорбции зависит от химического состава растворяемого вещества и растворителя, внешних условий, при которых происходит абсорбция. В большинстве случаев растворения газа жидкостью имеют место оба вида абсорбции, но протекающие как правило с определенными скоростями реакций. Наличие двух видов абсорбции одновременно показано в работах.И.И.Иоффе,Л.М. Пимена I 42 I . На рис. 3.2. представлен типичный вид зависимости количества абсорбированного вещества моль от температуры при постоянном парциальном давлении сорбируемого вещества (изобара абсорбции) и наличия обоих видов абсорбции.
При низких температурах наибольшую роль играет быстрая физическая абсорбция. Её равновесие с повышением температуры смещается в сторону меньших заполнений, чему соответствует левая нисходящая ветвь кривой. Одновременно расчёт скорость химической абсорбции ( для которой в типичном случае требуется энергия активации). Восходящая ветвь кривой рис. 3.2. соответствует той ситуации, когда рост количества хемосорбированного вещества с температурой опережает падение вещества, абсорбированного физически. Хемосорбция в этих условиях уже играет преобладающую роль. Весь участок изобары абсорбции до максиму
ма кривой соответствует ложному равновесию: истинное равновесие здесь не достигается из-за малых скоростей хемосорбции. С дальнейшим ростом температуры, равновесие хемсорбции обратимой экзотермической реакции - смещается в сторону десорбции вещества с поверхности, что изображается правой нисходящей ветвью изобары абсорбции. Эта ветвь соответствует истинному равновесию.
Таким образом, на основании выполненного анализа можно сделать вывод, что абсорбция водорода дизельным топливом мо -жет протекать как физическая, так и химическое. Поэтому большое значение для обоснования теоретических предпосылок той или иной модели процесса абсорбции имеет знание скоростей хемосорбции и физической абсорбции применительно к конкретным условиям схемы насыщения дизельного топлива водородом на двигателе с учётом конкретных давлений, температур и располагаемого времени процесса.
Физико-химическое влияние избыточного водорода на процессе результирующего сажевыделения
Многие исследователи обращали внимание на факт образования сажи в дизеле и пытались определить его место и роль в развитии процесса сгорания. Так, А.Гейдон I 29J считает, что при сгорании углеводородов в условиях высоких температур и давлений процессы образования углерода способны успешно кон -курировать с процессами окисления. Обосновывая три типа горения в ДВС, автор работы І75 рассматривает двухстадийный механизм горения в дизеле, согласно которому после первоначаль -ного охвата пламенем части гомогенной квазиоднородной смеси наступает фаза диффузионного сгорания " несмешанных веществ при расположении пламени между горючим и окислителем", сопровождаемого обильным сажевыделением. По мнению И.В. Болдырева 171 сажеобразование является своеобразным регулятором скорости сгорания, который предотвращает возможность детонационного сгорания в дизеле.
Большинство исследований процесса сажевыделения в дизелях носило формальный характер, ограничивалось замерами дым -ности ОГ и не позволяло раскрыть физическую сущность процесса [22 , 57, 56, 79, 87] .
В последнее время появился ряд работ І8, 9, II, 24, 32, 60, 72 J , в которых авторы делают попытку объяснить и описать физическую сторону процесса сажевыделения в дизеле. Но основные посылки и выводы настолько противоречивы, недостаточно обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально, что с их помощью трудно объяснить механизм влияния избыточного водорода на процесс результирующего сажевыделения.
Наибольший научный и практический интерес, по мнению автора, представляет появившаяся в последнее время работа Батурина С.A. _I6j , в которой обобщен опыт других исследователей в областисгорания в ДВС и предложен теоретически обоснованный многостадийный механизм образования и выгорания сажи в условиях цилиндра дизеля. На основе работы 1б J феноменология процесса сажевыделения и механизм влияния свободного водорода на отдельных стадиях процесса можно представить в виде следующей схемы.
На первом этапе происходит термическое разложение сложного углеводорода топлива на индивидуальные, более низкомолекулярные углеводороды по радикально цепному механизму и частичная диссоциация десорбированного из топлива водорода. Брутто уравнения этих реакций будут иметь следующий вид: сЛ iu... с3н6 + сзнб + с2нб + с2н4 + сн4 + Н2 (4Л-.) н2 — Н + Н
Химическая аппроксимация цепного механизма мономолеку -лярной реакции разложения топлива при произвольно ограниченном числе стабильных компонентов запишется в виде:
Сх - % + 4СзН6 + 4G2H6 + + СН4+4Нг (4.3) где Сл Ну - условная молекула углеводородного топлива У/f...V/s- стехиометрические коэффициенты. Для уравнения диссоциации Hg имеем :
Н9 2Н (4.4.) Скорость суммарной мономолекулярной реакции ( 4.3.) по данным 16 определится следующим выражением: Г -, г л - SSOOO -rffyJ .N (4.5.) Скорость реакции диссоциации избыточного водорода согласно данным, приведенньм в Г361 и [88 L определится следующим выражением Г у 1 - SSSOOO і- -і /2. 4Ш =І70 т [ J (4.6.)
На втором этапе происходит термическое разложение индивидуальных углеводородов с образованием ацетилена в качестве основного продукта последующих процессов образования сажи, дальнейшая диссоциация десорбированного и образовавшегося в результате реакции (4.3.) водорода. Процесс термического разложения индивидуальных углеводородов можно представить в виде следующих брутто-уравнений мономолекулярного распада ( 4.7,4.9,4.11,4.13,4.15). Заключительным Ш этапом высокотемпературного превращения топлива является взрывное разложение ацетилена, которое рассматривается как химические зародьши будущей сажистой час -тицы. Процесс образования радикалов описывается следующим брутто-уравнением: С2Н2 С2Н + Н (4.18.) Суммарная скорость реакции (18) определится из следующего выражения:
При этом идёт дальнейшая диссоциация водорода по уравнению (4.17.). При прочих равных условиях это приведет к большей вероятности обрыва цепей. Уравнение обрыва цепей для разложения будет иметь следующий вид:
