Наноструктуры частиц дизельной сажи

УДК 621.431.74.016

Б.И. Руднев, О.В. Повалихина

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,

690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б

НАНОСТРУКТУРЫ ЧАСТИЦ ДИЗЕЛЬНОЙ САЖИ

Приведены данные электронно-микроскопических исследований наноструктуры частиц дизельной сажи. Установлено, что наноструктуры частиц дизельной сажи имеют различную форму и охватывают диапазон размеров от 20 до 300 нм.

Ключевые слова: частицы дизельной сажи, диаметр частиц, наноструктуры частиц дизельной сажи.

B.I. Rudnev, O.V. Povalikhina DIESEL SOOT OF NANOSTRUCTURE PARTICLES

Data of electronic microscope investigations ofnanostructure diesel soot particles are given. It is stated that nanostructures of diesel soot particles have different shape and range from 20 - 300 nm.

Key words: diesel soot particles, diameter ofparticles, nanostructure of diesel soot particles.

Анализ физико-химических свойств частиц дизельной сажи выполнен авторами в работах [1, 2]. В них приведена информация, имеющаяся в научно-технической литературе, и показана важность достоверных данных, касающихся как геометрических размеров частиц дизельной сажи, так и состоящих из них наноструктур.

В настоящей работе представлена часть результатов экспериментального исследования наноструктуры частиц дизельной сажи. Пробы сажи отбирались непосредственно из камеры сгорания работающего судового дизельного двигателя типа 4Ч 18/24 контактным методом с помощью специального устройства, смонтированного на штатном индикаторном канале. Следует отметить, что для анализа процесса радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя необходимо располагать достоверными данными по оптическим характеристикам частиц сажи и их наноструктурам, взятым именно из камеры сгорания, а не из выхлопной трубы. Это обусловлено значительными отличиями по температуре и давлению, которые являются определяющими для процесса образования частиц сажи и их наноструктур в камере сгорания дизельных двигателей [3-6].

На рис. 1 представлена микрофотография частиц дизельной сажи, полученная на электронном микроскопе с большой разрешающей способностью.

Анализ рис. 1 показывает, что частицы дизельной сажи имеют в основном сферическую или близкую к ней форму. На рис. 2 представлен фрагмент микрофотографии (рис. 1) при большем увеличении.

Из рис. 2 видно, что одиночные частицы дизельной сажи охватывают диапазон размеров от 10 до 50 нм. Наноструктуры, в которые они объединяются, имеют значительно большие размеры: 150-200 нм и более. Рис. 3 демонстрирует наноструктуру частиц дизельной сажи, превышающую по размеру 1000 нм, на рис. 4 показан фрагмент этой микрофотографии.

Встречаются наноструктуры и больших размеров, это подтверждается экспериментальными данными, показанными на рис. 5, 6.

На рис. 7, а, б и 8, а, б представлены результаты спектрального анализа наноструктур частиц дизельной сажи. Их анализ показывает, что частицы в наноструктурах на 88-93 % по массе содержат углерод, т. е. сажу, содержание других элементов незначительно.

»

С

S5500 10.7kV -0.4mm х20.0к SE 5/20/2015 15:46 111111 2.Öoüm

Рис. 1. Электронно-микроскопический снимок частиц дизельной сажи

S5500 10.7kV -0.3mm хЗО.Ok SE 5/20/2015 16:13 111111

Рис. 3. Наноструктура частиц дизельной сажи

Рис. 5. Наноструктура частиц дизельной сажи

Element Setup | Analysis Setup | Compare Information Quant Results j Processing ] PfcS Select |

Wed May 2013:54:21 2015

Fillet Fit Cht-squated value: 24. Э13 Errois:t/-1 Sigma Correction Method: Proza [Phi-Fiho-2] AccVoHage; 23.0 kV Take Off Angte 15-0deg

Element Element WIZ Atom X Atom X Cotrpnd

Lrie Wt.Ä Errcr Errof Wt.K

CK. за SO +/-1.47 55 28 +/-149 93.80

OK 6.20 +/1,38 4.72 1/-1 06 6 20

Total ICO. 00 100.00 100.00

а

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 klni-76-Os keV

MMIflgfl*] Ätab-Status | Region Tool I

-Spectrum-

Date/Time:

ХЖШШ1

iAeciJiSstiijj;VoltageJk4i  29,0

Tate Off Angle |deg): 15.Ш

LivelimeSji 100.1

Cürreri'frÄnnrf: OOODG

&etfttioi Name: Ш;с['пг'

б

Е lemerit.S etup Analysis.Setup Compare I nformation Quant Result;? roe ее ting F'£:S Select

Wed May 20 ffi 10:03 2015

Filter Fit Chl-squared value  11 ?r!rrors:+/-1 Sigma

Correction Hetho-.i Proza (Phl-Rno-Zj

.- ! I '•' l-Y Take Off Ang 15.0 dog

FJement Element V.ï Atom % Atonri % Compnd

Line Щ§, Error Error fyiix

ЬЙ S8.09 +/-0.5Э 91.63 0.62 83.03

ai 3.27 +-/:0.79  7.24 m 0.62 S -27.

Na fi 0.55 fn'-O.O? 0.30 0.04 0.55

s; l.

ж 0.ЭЁ +-Л0.08 0.43 V- 0.04 0.96

S L

S" К. 0.Б5 +/-0.06 0.25 *t- 0.02 0.65

Ca L

Ca К . 0.49 0.15 W- 0.02 0.49

Total 100.00 100.00 100.00

а

4 Co un

3000

2500-

2000-

1500-

1000-

500-

klm -13 - Д1

Attributes' ?iotes | Delector.Status j Standards Match Results | Region Tool | Spectrum

Date/Time:

Accelerating Voltage (kV}:: lake Off Angle (degj: Live Time

El earn Current [nAmps]; Detector Name:

5/20/2015 4:08:24 PM

10.7

15.00

100.3'

0.0000

UltraDry

б

Полученные экспериментальные данные по оптическим характеристикам частиц дизельной сажи и их наноструктурам позволяет более обоснованно подходить к оценке таких важнейших параметров радиационного теплообмена, как параметр дифракции и коэффициент ослабления потока излучения [7-14].

Список литературы

1. Руднев, Б.И. Анализ физико-химических свойств частиц дизельной сажи / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Materials of the IX International research and practice conference «European Science and Technology». - Munich, Germany, 2014. - Vol. 2. - P. 428-432.

2. Руднев, Б.И. Основные физико-химические свойства частиц дизельной сажи / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Науч. тр. Дальрыбвтуза. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2014. - Т. 33. -С. 49-54.

3. Теснер, П. А. Образование сажи при горении / П. А. Теснер // Физика горения и взрыва. -1979. - № 2. - С. 3-13.

4. Kamimoto, T. Particulate formation and flame structure in diesel engines / T. Kamimoto, M. Yagita // SAE Preprints. - 1989. - № 890436. - 9 p.

5. Бакиров, Ф.Г. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив / Ф.Г. Бакиров, В.М. Захаров, И.З. Полещук и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 128 с.

6. Haynes, B.S. Soot formation / B.S. Haynes, H.G. Wagner // Progress in energy and combustion science. - 1981. - Vol. 17, № 4. - P. 229-273.

7. Руднев, Б.И. Оптические параметры частиц сажи и энергетические характеристики радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Тепловые процессы в технике. - 2013. - Т. 5, № 10. - С. 476-480.

8. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

9. Руднев, Б. И. Особенности расчета оптико-геометрических характеристик теплообмена излучением в камере сгорания дизельного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Тепловые процессы в технике. - 2015. - Т. 7, № 2. - С. 87-91.

10. Дмитриев, А.С. Тепловые процессы в наноструктурах / А.С. Дмитриев. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 303 с.

11. Zhang, Z. Nano / Micro scale Heat Transfer / Z. Zhang. - Mc Graw - Hill, New York, 2007. - 320 p.

12. Борен, К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / К. Борен, Д. Хафмен. -М.: Мир, 1996. - 660 с.

13. Елисеев, В.Н. Теплообмен и тепловые испытания материалов и конструкций аэрокосмической техники при радиационном нагреве / В.Н. Елисеев, В. А. Товстоног. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 396 с.

14. Руднев, Б. И. Экспериментальное исследование наноструктуры частиц дизельной сажи / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Materials of the X International research and practice conference «European Science and Technology». - Munich, Germany, 2015. - Vol. 2. - P. 343-349.

Сведения об авторах: Руднев Борис Иванович, доктор технических наук, профессор;

Повалихина Ольга Владимировна, доцент, e-mail: роvаliсhinа@mаil.ru.