Методика экспериментального определения температуры пламени и концентрации частиц сажи в камере сгорания дизельного двигателя

УДК 621.431

Б.И. Руднев, О.В. Повалихина

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,

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

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПЛАМЕНИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ САЖИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Представлена методика экспериментального определения температуры пламени и концентрации частиц сажи в камере сгорания дизельного двигателя и проанализированы ее теплофизические основы.

Ключевые слова: дизельный двигатель, камера сгорания, температура пламени,

концентрация частиц сажи.

B.I. Rudnev, O.V. Povalikhina THE METHODOLOGY OF EXPERIMENTAL DEFINITION OF FLAME TEMPERATURE AND CONCENTRATION OF SOOT PARTICLES IN DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER

This article deals with methodology of experimental definition of flame temperature and concentration of soot particles in diesel engine combustion chamber and its thermal physics basics are analyzed.

Key words: diesel engine, combustion chamber, temperature offlame, concentration of soot particles.

В основе методики экспериментального определения температуры пламени в камере сгорания (КС) дизельного двигателя в функции угла поворота коленчатого вала лежат известные из теплофизики положения об излучении сажистых пламен. Дизельное пламя можно представить как совокупность микрообъемов горящей смеси, неравномерно распределенных по КС, причем каждый микрообъем имеет сложную структуру, состоящую из горючего газа в смеси с окислителем, газообразных продуктов сгорания и мельчайших частиц углерода в виде сажи. При термодинамическом равновесии системы температура сажи и газообразных продуктов сгорания равна температуре горящего газа. В этом случае как температура частиц сажи, так и температура газообразных продуктов сгорания характеризуют собой локальную температуру реакции непосредственно в очагах сгорания, т.е. действительную температуру пламени.

На кафедре двигателей внутреннего сгорания Санкт-Петербургского государственного политехнического университета был разработан метод высокотемпературной пирометрии дизельного пламени [1], в котором истинная температура пламени определяется по величине отношения спектральных интенсивностей излучения пламени на двух выбранных участках спектра (\ = 0,397 мкм и Я2 = 0,634 мкм), т.е. в видимой области. Следует отметить, что в видимой и ультрафиолетовой областях спектра может иметь место излучение различных радикалов [2]. В частности, ОН - 0,3064 мкм, СН - 0,39 и 0,4315 мкм, Н - 0,336 мкм и др. Радикал СС дает полосу в видимой области спектра 0,56 мкм. В то же время интегральная интенсивность подобных отдельных полос мала, а плотность их излучения незначительна. Анализ энергий перехода молекул газов, относящихся к устойчивым продуктам сгорания: Н2О, СО2, СО, О2 и N2, -показывает, что они имеют сравнительно низкий энергетический уровень. Энергии перехода в таких многоатомных молекулах составляют величину 0,1-10 кДж/моль. Фотоны с указанной энергией соответствуют инфракрасной области спектра. Видимой области спектра

(0,4-0,76 мкм) соответствуют энергии перехода 75-36 кДж/моль. Вместе с тем ни одна из

перечисленных молекул продуктов сгорания дизельного топлива не имеет такого энергетического уровня. Частицы сажи имеют сплошной спектр излучения, а следовательно, и более высокую интегральную интенсивность излучения. В результате можно считать, что частицы сажи в видимой области спектра являются основным излучателем, определяющим эмиссионную способность дизельного пламени.

Теоретическими предпосылками указанного выше метода определения температуры пламени являются следующие положения, получившие неоднократное экспериментальное подтверждение [3, 4, 5]:

1) средний диаметр частиц сажи в пламени (d ~ 0,05 мкм) намного меньше максимальной длины волны излучения (Лгпях ~ 0,9 мкм) при ожидаемой температуре частиц 2200-2500 К, т.е. пламя в дизеле имеет мелкодисперсную структуру;

2) дизельное пламя в видимой области спектра обладает свойствами серого излучателя, а раскаленные частицы сажи излучают сплошной спектр и являются основными источниками излучения в названной области спектра. Следует отметить, что независимость коэффициента поглощения (степени черноты) от длины волны распространяется нами лишь на ту узкую часть спектра (0,397-0,634 мкм), в которой производятся измерения интенсивности излучения пламени. Однако неправомерно было бы распространение серого характера излучения пламени за пределами видимой области и особенно на инфракрасную часть спектра, так как здесь на сплошной спектр излучения сажи накладывается линейчатый спектр излучения многоатомных газов продуктов сгорания СО, СО2, Н2О и др. [6], а зависимость излучательной и поглощательной способностей пламени от длины волны становится существенной. Поэтому для количественной оценки излучения дизельного пламени следует пользоваться не спектральной ел, а интегральной е излучательной способностью;

3) дизельное пламя в исследуемой области видимого спектра является термодинамически равновесной системой, т.е. в течение времени, пока сажистая частица, находящаяся в очаге горения, способна излучать в видимой области, количество тепла, теряемое частицей вследствие излучения, восполняется за счет подвода тепла к ней из зоны горения, а температура частицы остается равной температуре горения. По мере затухания очага горения частица остывает и прекращает излучать в видимой области. Таким образом, интенсивность излучения пламени в видимой области зависит только от его температуры.

Выбор рабочего спектрального диапазона определяется требуемой точностью измерения температуры пламени, которая зависит от того, насколько далеко друг от друга по спектру отстоят рабочие длины волн. По мере приближения одной из длин волн измерений к максимальной длине волны Лтах точность измерения температуры

возрастает. Вместе с тем в условиях дизеля возможный спектральный диапазон измерений температуры пламени по отношению интенсивностей его излучения на двух длинах волн ограничен только видимой областью спектра, так как наличие в ультрафиолетовой области хемилюминесцентного и холоднопламенного свечения промежуточных радикалов нарушает термодинамическое равновесие системы, а в инфракрасной области сажа не является единственным излучателем. В связи с этим был применен метод определения температуры пламени в функции угла поворота коленчатого вала по величине отношения спектральных интенсивностей излучения пламени на двух длинах волн, максимально разнесенных по видимой области спектра. Такой метод обладает существенными преимуществами, так как не требует последовательной регистрации излучения во всем спектральном диапазоне. Кроме того, при этом методе не играет роли абсолютное значение ординат кривой интенсивности излучения, важна лишь величина их отношения при одном и том же угловом положении коленчатого вала. Теоретические аспекты указанного метода и подробный вывод аналитических зависимостей для определения температуры пламени можно найти в [6].

Выбирая длины волн \ = 0,397 мкм и Л2 = 0,634 мкм и полагая, что дизельное пламя

в этом диапазоне обладает свойствами серого тела и излучает спектр, подобный спектру излучения абсолютно черного тела, условие подобия можно представить в виде

Е0

Eo(Лі,71) = Еп(Лі,Ті)єп(Лі,Ті) ’

где Е0 (Л2 , Т1 ), Е0 (Л1, Т1 ) - спектральная интенсивность излучения абсолютно черного

тела; ЕпЛ2,Ті), Еп(Лі,Ті) - спектральная интенсивность излучения дизельного

пламени; єп (Л2, Т1 ), єп (Л1, Т1 ) - спектральная степень черноты дизельного пламени.

По условию серого характера излучения пламени в видимой области спектра степень его черноты не зависит от длины волны и температуры, т.е. єп

можно записать следующим образом:

Ео (Л2,7) Еп (Л, Ті) Ео (Лі, Ті) Еп (Лі, Ті) ’

обозначив в

Е0 (Л2, 7 ) , \ Еп (Л2, Ті ) , ч

0( 2' 1 ) = По(Лі,Л2,Ті) ’’Л ') = П„(ЛЬЛ_,Ті),

Ео

в итоге получим П0

Из выражения (3) следует, что если отношение интенсивностей излучения пламени

на выбранных длинах волн Лі и Л2 равно аналогичному отношению интенсивностей излучения абсолютно черного тела, то температура пламени равна температуре абсолютно черного излучателя. Спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела определяется по закону Планка:

Е0 =

Сі

Л5 (ехр [С2/ (ЛТ )]-1)’

где С1 и С2 - постоянные Планка.

Однако для условий КС дизеля вполне можно применить закон излучения Вина (5) взамен закона Планка, так как условие ЛТ < 3000 мкм-К приближенно выполняется.

Еп =

С

Л5 (ехр[С2/(ЛТ)])'

Погрешность в среднем для всей ближней инфракрасной области спектра (Л от

0,5 мкм до Л= 6 мкм) составляет «1-1,5 % [6]. Такая замена широко используется в практике оптической пирометрии пламен [6]. Подставляя в (3) значения интенсивностей излучения согласно закону Вина (5), после преобразований получим уравнение для определения температуры дизельного пламени:

Т =

С2

Л1Л2 ln П0

Для сокращения объема вычислений при обработке данных эксперимента значение функции П0 Д, Л Т ) рассчитано в требуемом температурном диапазоне для конкретных длин волн Л2/Л1 и построена соответствующая номограмма [1].

Определив экспериментальным путем интенсивности излучения пламени на выбранных длинах волн по отношению этих интенсивностей, пользуясь номограммой, можно определить истинное значение искомой температуры пламени для любого момента времени (угла поворота коленчатого вала).

В процессе опытов регистрация свечения пламени может производиться последовательно с поочередным выделением длин волн Д1 и Л2 или одновременно по двум идентичным каналам связи [1].

Принципиальная схема двухканального оптического индицирования КС дизельного двигателя показана на рисунке. Рассмотренный метод определения температуры пламени был применен одним из авторов настоящей работы при испытании дизеля 8ЧН 13/14 [7].

Принципиальная схема двухканального оптического индицирования цилиндра дизеля:

1 - камера сгорания; 2 - разобщающее устройство; 3 - кварцевое окно; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - газовый лазер (ЛГ-28); 6 - усилители; 7 - шлейфный осциллограф (Н-115);

8 - светофильтры; 9 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ -22) - приемник излучения;

10 - источник питания; 11 - стабилизатор тока

Principle scheme of double - channel optics indication of diesel cylinder: 1 - combustion chamber;

2 - disengaged system; 3 - window quartz; 4 - mirror translucent; 5 - gas laser (LG-28); 6 - boosters; 7 -track oscillograph (N-115); 8 - light filters; 9 - radiometer (FEU-22); 10 - electric battery;

11 - electric stabilizer

В основу методики определения концентрации частиц сажи в цилиндре дизеля положена гипотеза Бугера-Беера, которую запишем в виде [8]

ЕИ Е\ = ехР

где Е\, Е^ - спектральная интенсивность светового потока от лазера соответственно на входе в пламя и после прохождения им пламени; JH - концентрация частиц сажи; -спектральный коэффициент ослабления; L - длина пути луча.

Обозначив через М величину 1/(k^L) и выполнив простые преобразования в (7), получим уравнение для относительной безразмерной концентрации сажи в КС дизельного двигателя

- 1 Ех и = ln---------.

E\

При проведении экспериментального исследования по определению концентрации сажи в цилиндре дизеля 8ЧН 13/14 для просвечивания КС использовался оптический квантовый генератор (лазер) типа ЛГ-28 с длиной волны излучения, равной 0,630 мкм.

Величина поглощения светового потока от лазера при прохождении его через пламя в КС определяется по результатам регистрации интенсивностей потоков излучения при трех условиях:

1) двигатель не работает, лазер включен. В этом случае регистрируется интенсивность излучения собственно лазера после прохождения света через два кварцевых окна и КС Ел, ей соответствует ордината на осциллограмме Ал;

2) двигатель работает, лазер включен. При этом регистрируются суммарное излучение пламени и частично поглощенное пламенем излучение лазера Ел+п соответственно на осциллограмме Ал+п;

3) двигатель работает, лазер выключен. Производится регистрация интенсивности излучения собственно пламени Еп, ордината на осциллограмме Ап.

Переходя к указанным выше ординатам на осциллограммах, в мм, относительную величину безразмерной концентрации сажи в КС дизеля можно определить по зависимости

h л

U = ln----^-.

h — h

л+п п

В результате серии градуировочных опытов [7] была получена величина М = 2,44-10-3 кг/м3/(ед. и), позволившая определить действительную концентрацию сажи в КС в функции угла поворота коленчатого вала.

В заключение необходимо отметить, что использование описанной в настоящей работе методики дает возможность получать достоверные данные для энергетической части зональной модели радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя [9].

Список литературы

1. Дьяченко Н.Х. Метод высокотемпературной пирометрии пламени в дизеле [Текст] / Н.Х. Дьяченко, СА. Батурин, В.Н. Ложкин // Двигатели внутреннего сгорания. -М.: НИИинформтяжмаш, 1977. - № 4-77-14. - С. 12-14.

2. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы [Текст] / Р.З. Кавтарадзе. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.

3. Гладышев A3. Экспериментальное исследование температурно-концентрационных полей в цилиндре дизеля [Текст] / A3. Гладышев, ВА. Вагнер, Д.Д. Матиевский // Двигателестроение. - 199G. - №7. - С. 3-6.

4. Matsuoka, S. Studies on flame temperature measurements in diesel engine / S. Matsuoka, T. Kamimoto, K. Sakai // JARI Techn. Memorandum. - 1972. - №.10. - P. 278 -284.

5. Чесноков СА. Химический турбулентный теплообмен в ДВС [Текст] / СА. Чесноков, М.И. Демидов. - Тула: Изд-во Тул ГУ, 2005. - 424 с.

6. Гордов A.H. Основы температурных измерений [Текст] / A.H. Гордов, О.М. Жагулло, AX. Иванова. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 304 с.

7. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей [Текст] / Б.И. Руднев. - Владивосток: Дальнаука, 2000. - 221 с.

8. Ключников A^. Теплопередача излучением в огнетехнических установках [Текст] / A^. Ключников, Г.П. Иванцов. - М.: Энергия, 1970. - 400 с.

9. Руднев Б.И. Aнализ использования зональной модели радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Тр. пятой Рос. национальной конф. по теплообмену: в 8 т. Т. 6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010.

С. 261-263.

Сведения об авторах: Руднев Борис Иванович, доктор технических наук, профессор; Повалихина Ольга Владимировна, доцент, e-mail: povalichina@mail.ru.