При сгорании топлива в цилиндре дизеля образуется большое количество сажи. Для ее количественного анализа пользуются следующими понятиями: массовая концентрация С сажи и относительная концентрация r сажи в цилиндре дизеля.
На основании закона Бугера — Беера массовая концентрация сажи при сером характере излучения может быть выражена через относительную концентрацию r (С= r/M). Поэтому относительная концентрация r всегда пропорциональна массовой концентрации C.
, (1)
где I0 и Ie — интенсивности луча начальная и после его прохождения через цилиндр;
М — число Бугера,
M = const для эксперимента.
К моменту открытия выпускного клапана величина ослабления проходящего света в цилиндре дизеля, как правило, невелика. Поэтому массовую концентрацию С сажи в цилиндре дизеля на момент открытия выпускного клапана необходимо сопоставлять с уровнем дымности ОГ.
Для зависимостей C = f(φ) и r = f(φ) существует три характерные точки:
- начало активного сажевыделения всегда совпадает с началом видимого сгорания и активного тепловыделения;
- Сmax — максимальное значение массовой концентрации сажи. Время достижения Сmax для дизеля 2Ч 10,5/12,0 составляет 2…3 мс, угол φ п.к.в., при котором достигается максимальное значение массовой концентрации частиц сажи в цилиндре дизеля, больше угла φ п.к.в., при котором достигается первый максимум активного тепловыделения;
- Свых — значение массовой концентрации сажи в момент начала открытия выпускного клапана.
Дымность ОГ зависит от интенсивности процесса выгорания массы сажи после достижения максимального значения Сmax. Выгорание сажи в свою очередь зависит от скорости процесса окисления сажевых частиц и от времени, отводимого на этот процесс.
Рис. 1. Основные фазы сажевыделения в дизелях с непосредственным впрыскиванием топлива: ¾¾ дизельный процесс; ― ― ― метанол с запальным ДТ: I — участок преимущественного образования сажи; II — участок одновременного образования и выгорания сажи; III — участок преимущественного выгорания сажи
Таким образом, процесс развития сажевыделения можно условно разбить на 3 характерных участка. Выделение участков в процессе сажевыделения основывается на предположении об относительной роли конкурирующих процессов образования и выгорания сажи. Процесс сгорания в целом обусловлен множеством различных физических явлений. Поэтому границы участков будут иметь условный характер:
I — участок преимущественного образования сажи
От угла φ п.к.в., при котором наблюдается начало активного сажевыделения, до угла φ п.к.в., когда достигается максимальное давление в цилиндре рmax. В этот промежуток времени процесс образования сажи преобладает над ее выгоранием. Этот участок включает в себя период наибольшего активного тепловыделения, связанный со сгоранием смеси, подготовленной за период задержки воспламенения.
Для дизеля при работе на метаноле с ДСТ этот участок имеет свои особенности, на которые влияют характеристики топлива и процесса впрыскивания. На основании теоретических и экспериментальных исследований известно, что сажа образуется в ядре факела ДТ. Таким образом, можно предположить, что массовая концентрация достигает значений близких к максимальному после впрыскивания запальной порции ДТ. Это подтверждается замедлением активного тепловыделения, что связано в свою очередь с тем, что метанол обладает высокой теплотой парообразования. При взаимодействии с факелом ДТ метанолу необходимо некоторое время для достижения необходимой температуры воспламенения. Также это предположение подтверждается тем, что запальная порция ДТ мала по сравнению с зарядом впрыскиваемого метанола, время его впрыскивания заканчивается значительно раньше, чем впрыскивание метанола. Это явление снижает скорость процесса сгорания, а следовательно, и процессов образования и выгорания сажи. При взаимодействии факелов ДТ и метанола образуется большое количество микро- и макрозон, характеризующихся химической и физической неоднородностью. При сгорании метанола образуются активные радикалы ОН, которые вступают в химические реакции с углеводородами топлива и образовавшейся сажей, тем самым увеличивая интенсивность процесса окисления сажи. Пересекающиеся струи ДТ и метанола выносят основную массу образовавшейся сажи за пределы пламенной зоны, и, основываясь на физических свойствах метанола, можно сделать предположение, что частицы сажи находятся в облаке испарившегося метанола.
II — участок одновременного образования и выгорания сажи
От угла φ п.к.в., когда достигается максимальное давление, до значения угла φ п.к.в., когда достигается максимальное значение температуры Тmax. В этот промежуток времени в цилиндре идет процесс развитого диффузионного горения основной части топлива. Диффузионным пламенем охвачена большая часть объема, а температура газов достигает своего максимального значения. Процессы образования и выгорания сажи идут с соизмеримыми скоростями, но количество образовавшейся сажи незначительно превосходит количество выгорающей сажи, что обусловливает рост сажесодержания до максимального значения.
III — участок преимущественного выгорания сажи
От угла φ п.к.в., когда достигается максимальное значение температуры Тmax, до угла φ п.к.в., когда открываются выпускные клапана, при φ = 140,0 º п. к.в. после ВМТ. Образование сажи практически завершилось и продолжается интенсивное выгорание сажи. Образовавшиеся в результате горения метанола активные радикалы ОН∙ вступают во взаимодействие с частицами сажи и увеличивают толщину пограничного слоя. Тем самым увеличивая вклад в процесс окисления реакций частиц сажи с водяным паром. Чем дольше длится этот интервал времени, тем меньше останется сажи к моменту открытия выпускных клапанов.
Наиболее эффективным представляется снижение дымности воздействием на выгорание сажи в цилиндре до открытия выпускных клапанов. С этой целью желательно смещение максимума сажевыделения в сторону ВМТ.
Литература:
1. Лиханов, В.А., Россохин, А. В. Исследование процессов сажеобразования и сажесодержания в цилиндре быстроходного дизеля с турбонаддувом Д-245.12С при работе на компримированном природном газе // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 223–226.
2. Лиханов В. А., Россохин А. В. Оценка влияния режимов работы дизеля Д-245.12С на дымность отработавших газов при работе на нефтяном и альтернативных топливах // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 226–229.
3. Россохин А. В. Показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 98–101.
4. Лиханов В. А., Россохин А. В. Особенности теплообмена излучением в цилиндре дизелей при работе на газомоторном топливе // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 10–1. с. 14–17.
5. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2006.
6. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киров, 2006.
7. Россохин, А. В. Влияние применения альтернативных топлив на процессы образования и окисления сажевых частиц в цилиндре дизеля с камерой сгорания типа ЦНИДИ // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 152–154.
8. Россохин, А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от установочного УОВТ // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 154–157.
9. Россохин, А. В. Результаты исследований влияния применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от установочного УОВТ // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 157–159.
10. Россохин, А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от установочного УОВТ // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 159–162.
11. Россохин, А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 163–165.
12. Россохин, А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от нагрузки // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 165–167.
13. Россохин, А. В. Показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 при работе на дизельном топливе и этаноло-топливной эмульсии в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 168–171.
14. Россохин, А. В. Результаты исследований влияния применения этаноло-топливной эмульсии на показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре и отработавших газах дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 в зависимости от нагрузки // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 171–174.
15. Лиханов, В.А., Россохин, А. В. Уточненный химизм процессов образования частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 103–105.
16. Лиханов, В.А., Россохин, А. В. Уточненная математическая модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0 / 12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). с. 106–109.
