Макрокинетика сгорания нестационарной периодической топливной струи как научная основа повышения эффективности анализа и прогнозирования воспламенения, сгорания и образования вредных веществ в дизеле

Рост единичных мощностей грузового транспорта, повышающий эффективность его использования, связан с широким внедрением дизелей, обладающих преимуществами перед карбюраторными двигателями прежде всего по экономичности, что является определяющим фактором в условиях закономерного роста стоимости добычи сырья для производства топлива. Сложность повышения экономичности дизелей связана в настоящее время с тем, что двигатели внутреннего сгорания (ЛВС) достигли к настоящему времени высокой степени совершенства и улучшение их показателей требует углубления представлений о рабочем процессе и в первую очередь о процессе сгорания. Это прежде всего относится к широко распространенному типу дизелей с преимущественно объемным смесеобразованием и камерой в поршне, как, например, дизели ЯШ и КАМАЗ. Одновременно с повышением экономичности необходимо решать также сами по себе сложные задачи снижения вредных выбросов, оказывающих возрастающее влияние на окружающую среду по мере увеличения автомобильного парка. Процессы, определяющие токсичность продуктов сгорания, влияют и на ряд параметров, связанных с надежностью работы дизелей. Так, например, образование сажи в процессе сгорания в дизеле является причиной повышенного теплоотвода из камеры сгорания (КС), что отрицательно сказывается не только на экономичности процесса, но и на тепловой напряженности ряда ответственных деталей двигателя, таких как поршень и головка цилиндра, и в ряде случаев ограничивает возможности дальнейшего форсирования дизелей. В условиях изменения топливно-энергетического баланса исследование влияния физико-химических свойств тсшшва на сгорание и образование вредных веществ в дизеле является важной самостоятельной задачей. Большое значение имеют рекомендации по оптимизации свойств тошшв, а также наиболее дешевые и приешшмые пути ее осуществления.

Важную роль в ведущихся широким фронтом работах по поиску различных альтернативных тошшв призваны сыграть методы прогнозирования, расчета и анализа процесса сгорания, требующие создания физически обоснованной адекватной модели этого процесса.

Расчет процесса сгорания в дизеле в принципе может быть осуществлен путем трехмерного моделирования на основе системы точных уравнения сохранения массы, момента и энергии воздушного заряда и топлива вместе с уравнениями химической кинетики и математическим описанием турбулентности. Однако современное состояние теории этих процессов и их понимание применительно к условиям дизеля не позволяет точно описать процесс сгорания в дизеле в широком диапазоне изменения действующих факторов (и среди них физико-химических свойств тошшв). Кроме того, трудоемкость такого моделирования не позволяет эффективно использовать этот путь в инженерной практике.

Апцроксимационные модели, строящиеся на экспериментально получаемых коэффициентах, достаточно точно описывают процесс в соответствующих цределах изменения параметров. Однако именно поэтому такие модели не могут использоваться для целей пронозирования, которое нуждается не столько в точном предсказании протекания процесса, сколько в предсказании тенденций его изменения, возникающих проблем и путей их возможного предоления в широких пределах изменения определяющих параметров.

Более реальным оказывается путь построения приближенных моделей, основанных в свою очередь на моделях (иногда эмпирических) отдельных процессов и физически обоснованной функциональной взаимосвязи между ними. Подобные модели могут также оказать существенную помощь при доводке рабочего процесса в ДВС, но конечно не могут ее полностью заменить. По мере углубления понимания и расширения возможностей описания отдельных процессов такие модели приближаются к первому типу моделирования. Этой цели могут служить как аналитические, так и целенаправленные экспериментальные исследования. В СССР и за рубежом ведутся интенсивные работы в этом направлении, однако в целом решение проблемы далеко от завершения, что связано с необходимостью развития ряда разделов теории горения, а также углубления понимания процессов, происходящих в двигателе.

В создании основ теории горения большая заслуга принадлежит советским ученым. Работы В. А. Михельсона, Н. Н. Семенова, Д.А.Зраяк-Каменецкого, Я. Б. Зельдовича внесли основополагающий вклад в развитие теории горения и создали отечественную школу горения. Вопросам горения в условиях двигателей внутреннего сгорания были посвящены работы А. С. Соколика, А. Н. Воинова, Н. В. Иноземцева, В.Я.Басеви-ча, В. К. Кошкина, Ю. Б. Свиридова, Д. Н. Вырубова, А. И. Толстова, Н. Н. Иванченко, В. П. Карпова, Е. С. Семенова, Б. Н. Семенова и других.

Одним из вопросов, недостаточно разработанных к настоящему времени, является выявление функциональных взаимосвязей между физическими и химическими процессами при сгорании нестационарной периодической топливной струи в дизеле. Эта задача относится к области макрокинетики нестационарных процессов, интенсивно развивающейся в последнее время. Действующими физическими факторами в дизеле являются процессы подачи и распнливания топлива, его смешения с окислителем, прогрева и испарения. Все они происходят одновременно в масштабе камеры сгорания в сложных газодинамических условиях и изменяющемся объеме, что затрудняет изучение осншных закономерностей протекания этих процессов и их взаимосвязи непосредственно в условиях дизеля. Их исследование требует увязки ставящихся задач с методами проведения эксперимента и разработки комплекса соответствующих установок, позволяющих проводить опнты в условиях, от близких к однофакторному эксперименту до соответствующих реальному дизелю.

Целью настоящей работы явилась разработка макрокинетики процесса сгорания нестационарной периодической топливной струи и повышения на ее основе эффективности анализа и прогнозирования воспламенения, сгорания и образования вредных веществ в дизеле. Конкретными задачаш явились:

1. Разработка общего метода анализа и расчета воспламенения и сгорания нестационарной топливной струи, учитывающего температурные и концентрационные поля в КС и соотношение между скоростями процессов смешения и химического реагирования.

2. Разработка установок и методов для исследования макрокинетики процессов воспламенения и сгорания нестационарной топливной струи и образования вредных продуктов.

3. Исследование основных закономерностей процесса смешения и разработка методов его оценки.

4. Разработка основ макрокинетики и выявление закономерностей процессов воспламенения нестационарной топливной струи и формирования вокруг нее фронта диффузионного пламени. Выявление методов воздействия на процесс воспламенения.

5. Исследование закономерностей и разработка математической модели недогорания и образования окиси углерода, сажи и окислов азота. Разработка рекомендаций по снижению выхода вредных продуктов сгорания.

6. Разработка расчетной методики оценки основных параметров, характеризующих температурно-концентрационные поля в КС дизеля, и расчетных моделей процессов воспламенения, сгорания и образования вредных веществ дизеле.

Работа выполнена в Проблемной лаборатории транспортных двигателей кафедры" Автотракторные двигатели" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института согласно плану Министерства автомобильной промышленности от 1976 г. по теме «Исследование и разработка приближенной математической модели тепловыделения, процессов образования токсичных компонентов в дизеле» и заданию ГКНТ по разработке комплексной антидымной присадки.

На защиту выносятся:

1. Физическая модель и общий метод анализа и расчета воспламенения и сгорания нестационарной периодической топливной струи на основе взаимосвязи процессов смешения и химического реагирования и использования изостехиометрической поверхности в качестве базовой.

2. Физический механизм, его экспериментальное обоснование и математическая модель процессов воспламенения и формирования фронта диффузионного пламени при нестационарном смешении. Выявление различных режимов этих процессов.

3. Физический механизм, математическая модель и результаты экспериментального исследования особенностей процессов недогорания и образования МО при наличии тепломассообмена и рекомендации по их оптимизации.

4. Результаты экспериментального исследования механизма действия антидымных присадок и рекомендации по повышению их эффективности .

5. Расчетная модель процесса сгорания и образования окиси азота в дизеле для анализа и прогнозирования сгорания тошшв в широком диапазоне изменения их физико-химических свойств.

6. Метод анализа индикаторной диаграммы дизеля и расчета параметров тешературно-концентрационных полей в КС .

7. Методы и установки для исследования процессов смешения, образования сажи и N0, механизма действия антидымных присадок.

— 12.

ВЫВОДЫ.

I. Разработан общий подход к анализу макрокинетики воспламенения и сгорания нестационарной топливной струи, основанный на учете локализации химических процессов у изостехиометрической поверхности, на использовании её площади для определения скоростей смешения и химического реагирования в КС и на возможности независимого от скорости сгорания расчета скорости смешения. Указанный подход позволяет учесть взаимодействие тепловых и массовых потоков с химическими реакциями путем решения одномерных по нормали к изостехиометрической поверхности задач и упростить расчет скорости сгорания и образования вредных веществ в объеме КС.

— 321.

2. Химическим моделированием процесса смешения нестационарной топливной струи с окислителем выявлены основные качественные и количественные закономерности развития изостехиометрической поверхности в замкнутом объеме. Показана малая скорость изменения ее площади по отношению к характерному времени химических реакций в пламени. Максимальная достигаемая величина площади этой поверхности определяется цикловой подачей топлива, скорость ее увеличения в начальной стадии — скоростью впрыскивания топлива, а скорость ее уменьшения в конечной стадии — турбулизацией воздушного заряда.

3. Теоретически и экспериментально изучена макрокинетика нестационарной фазы процесса сгорания в дизеле, включающей в себя воспламенение нестационарной топливной струи, формирование вокруг нее фронта диффузионного пламени и диффузионное сгорание. Получена обобщенная закономерность для скорости сгорания в дизеле. а) Показано, что процесс воспламенения нестационарной топливной струи имеет физико-химическую природу во всем диапазоне температур и может протекать по механизму теплового взрыва при низких температурах воздушного заряда и поджигания — при высоких. Установлено определяющее влияние на воспламенение нестационарной топливной струи в режиме поджигания изменения теплоотвода внутрь топливной струи при ее прогреве. Этим объясняется наблюдаемое при переходе от теплового взрыва к поджиганию изменение влияния интенсификации теплообмена в топливной струе (от сдерживаемого к ускоряющему воспламенение) и уменьшение в 2−3 раза эффективного значения энергии активации. Для условий дизеля характерным является механизм поджигания. Снижение Т^ при поджигании трупцсвоспламеняемых топлив возможно осуществить уменьшением диаметра распиливающего отверстия и другими мероприятиями, сокращающими время до достижения критического значения теплоотвода в центр струи. б) Экспериментально установлено, что с уменьшением температур

— 322 ной неоднородности по длине струи механизм формирования фронта диффузионного пламени меняется от распространения пламени по реагирующему заряду к последовательному самовоспламенению ¦отдельных частей струи и в пределе — к одновременному воспламенению всей струи. Теоретически предсказано и экспериментально обнаружено явление остановки пламени, распространяющегося вдоль зоны раздела между топливом и окислителем, перед областью повышенного теплоотвода в центр топливной струи.

Таким образом, возможно управление сгоранием в фазе формирования фронта диффузионного пламени, например, изменением закона подачи топлива. С этой целью предложен критерий, связывающий температурную неоднородность по длине струи с характерными временами топливоподачи, смешения и периодом задержки воспламенения.

4. На базе общего подхода исследован механизм недогорания и образования СО и МО в дизеле. а) Установлены наличие и признаки недогорания в дизеле переобогащенных и переобедненных тошшвовоздушных смесей. Недогорание последних наиболее заметно при сгорании на режимах малых нагрузок облегченных и трудновоспламеняемых топлив и может быть снижено на этих режимах затрублением распиливания топлива. б) Показаны возможность диффузионного режима и высокая подвижность процесса образования-разложения N0 в стационарном диффузионном пламени. Выявлены факторы, рпределяющие образование NOb дизеле: действующая изостехиометрическая поверхность, температура во фронте диффузионного пламени и характер охлаждения МО с учетом ее диффузии в поле переменных температур.

5. Разработаны модели сажеобразования при горении неоднородных тошшвовоздушных смесей в фазе формирования фронта диффузионного пламени и при диффузионном горении. Определены характеристики процессов распада и сажеобразования при горении различных топлив. При.

— 323 низких температурах определяющим фактором в процессе сажеобразования является фракционный состав топлива, а при высоких — его элементный состав. На основании этого может быть рекомендована специализация тошшв при их использовании в процессах с низкой и высокой теплонапряженностью.

6. Изучен механизм действия антидымных присадок к топливу. Экспериментально показано действие присадок на выгорание сажи и рост эффективности этого воздействия при повышении термостойкости присадок по отношению к термостойкости углеводородов топлива. Рекомендовано создание эффективных комплексных присадок на базе компонентов с диффузионным и каталитическим механизмами действия.

7. Разработаны модели и программы расчета воспламенения, сгорания и образования МО в дизеле, позволяющие определять пространственно-временные характеристики этих процессов в КС. Соответствие результатов расчетов экспериментальным закономерностям позволяет использовать модели для анализа и црогнозирования воспламенения и сгорания нетрадиционных тошшв. Б условиях УИС и ДВС на примере метанола показано определяющее влияние на воспламенение химических характеристик топлива по отношению к его физическим характеристикам.

8. Разработана методика оценки по кривым тепловыделения температурных и концентрационных полей в КС дизеля. Методика использована для анализа и прогнозирования образования N0 по индикаторной диаграмме.

9. Создан комплекс установок и разработаны соответствующие методы, позволившие исследовать характеристики процессов смешения с окислителем, воспламенения и сгорания нестационарной периодической топливной струи в широком диапазоне условий — от условий, приближенных к однофакторному эксперименту, до условий дизеля. Разработанные методы и установки могут быть использованы при исследованиях и доводке рабочих процессов дизелей.