Определение энергетических затрат при озонировании воздушного заряда во впускном коллекторе дизеля

УДК 546.214:621.43

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ОЗОНИРОВАНИИ ВОЗДУШНОГО ЗАРЯДА ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ ДИЗЕЛЯ

Канд. техн. наук, доц. ВЕРШИНА Г. А., асп. ПИЛАТОВ А. Ю.

Белорусский национальный технический университет

В последнее время существенно возрос интерес к проблеме использования в качестве обработки свежего заряда на впуске озонирования воздушного заряда путем пропускания воздушного потока через тлеющий разряд определенной мощности. Согласно имеющимся на данном этапе сведениям и исходя из физико-химических свойств озона известно, что он является высокоактивным окислителем. Повышение его концентрации в воздушном коллекторе двигателя до 2 % по объему существенно улучшает пусковые качества двигателя, повышает реакционную способность смеси, полноту сгорания и мощность двигателя [1].

Вопросу практической реализации и описанию соответствующих устройств уделено достаточное внимание в исследованиях. В то же время согласно законам химической кинетики применительно к процессам образования и одновременного распада озона известна достаточно явно выражаемая неустойчивость химического соединения О3. Таким образом, одновременно с образованием озона в тлеющем разряде идет его распад. В связи с этим встает вопрос об обеспечении или сохранении требуемых концентраций озона в воздушном потоке в коллекторе двигателя, что на сегодняшний день остается малоизученным. Поэтому следует обратить внимание на точное определение уровня энергии озонирования воздушного заряда с целью сохранения при последующем неизбежном повышении температуры свежего заряда с использованием наддува и последующего сжатия необходимой объемной концентрации озона в воздушном потоке для обеспечения необходимой заранее установленной концентрации озона в потоке воздушного заряда, осуществляющего более качественное протекание рабочего процесса дизельного двигателя.

Как отмечено, концентрация до 2 % по объему во впускном коллекторе дизеля может существенно повысить качество рабочего процесса дизеля. В данной работе предлагается метод,

согласно которому определяется требуемое количество энергии для обеспечения указанной концентрации озона в объеме коллектора с учетом его неустойчивости и повышенной склонности к распаду, особенно при росте температуры.

На практике считается, что при прохождении через зону разряда молекулы кислорода частично в общем случае диссоциируют по схеме:

02 + е ^ 20 + е; 0 + 02 ^ 0* + М ^ 03 + М;

0 + 03 ^ 202; О + О + М ^ О2 + М,

где М - любая третья частица, представляющая один из благородных газов и выступающая в

роли акцептора; 03 - возбужденная молекула

озона.

Первая реакция является схемой диссоциации молекулы кислорода в электрическом поле. Затем образовавшийся атомарный кислород реагирует с молекулой кислорода, образуя озон. Параллельно этому процессу идет соединение атомарного кислорода с трехатомным озоном и образованием двух молекул кислорода. Конкуренция этих двух реакций ограничивает возможность увеличения концентрации озона в газе свыше 5-7 % по объему [2]. Также в литературных источниках отмечается, что озон является весьма неустойчивым соединением. При этом процесс его распада может ускоряться с повышением температуры. Поэтому при применении озонирования следует учитывать возможность его распада путем расчета по законам химической кинетики с учетом действующих констант скорости реакций (1) первого и второго порядка, а также зависимость последних от температуры, что особенно важно при использовании наддува.

Исходя из литературных данных, во второй и четвертой реакциях схемы (1) в качестве не-

обходимого акцептора М могут выступать с различной эффективностью молекулы N2, С02, Лг, Не, ^0 и др. В ряде проводимых исследований [3] установлена возможность протекания следующих реакций:

О + 02 + N ^ 03 + О + О + N 2 ^ О 2 + N 2.

Так, в воздушном потоке концентрация азота N превалирует по массе и объему над концентрацией других указанных газов, суммарное содержание которых находится в пределах 1 %, в разработанном методе принимается допущение, что осуществление реакций синтеза озона (1) происходит в среде N2 который и является в свою очередь акцептором в указанных реакциях. Таким образом, схема (1) с учетом (2) может быть записана в виде:

0

О + 02 + N -

О + 03

0 + 0 + N

•20 + е;

->03 + N2;

202;

->02 + N2,

где к1 - константа скорости реакции (4); к2 - то же (5); к3 - то же (6).

Массовый расход воздуха через двигатель определяется по формуле

О =

30 г

Рк ФаПи ,

где г - тактность; п - частота вращения коленчатого вала; - рабочий объем двигателя; рк -плотность свежего заряда; фа - коэффициент продувки; 1 - число цилиндров; пи - коэффициент наполнения.

Масса воздуха, проходящего через впускной коллектор двигателя, определяется

Мв =

где А^ - время впуска.

Объем воздуха, входящего в цилиндры двигателя:

V = Мв

в

Рв

где рв - плотность воздуха на впуске.

Плотность воздуха на впуске определяется из уравнения Клайперона - Менделеева

Рв =

ЯТ

где рв - давление воздуха на впуске; Я - газовая постоянная для воздуха; Тв - температура в воздушном потоке.

Мольную концентрацию кислорода по объему в рассматриваемом воздушном потоке рассчитаем

(

= 0,23

Мв

^О,

тт,

где цО - молярная масса кислорода; п0 - процентный выход по массе атомарного кислорода в озонаторе.

Мольная концентрация атомарного кислорода по объему в потоке, проходящем через тлеющий разряд и принимающем участие в реакциях (1), определяется следующим образом:

СО = 0,23

(МвПо ^ 1

Цо

где цО - молярная масса атомарного кислорода. Мольную концентрацию азота можно найти

а = 0,79

(„г

М

где ц^ - молярная масса молекулы азота.

Процесс образования и одновременного распада молекул озона может быть описан с помощью системы дифференциальных уравнений, задающих закон С0 = / (^) изменения

концентрации озона во времени. Численно определив характер его протекания, можно рассчитать по исходным начальным условиям (11)—(13) концентрацию в конечный момент времени и в то же время решить обратную задачу по заранее установленной концентрации в конечный момент времени можно определить исходные необходимые для воздействия озона на рабочий процесс концентрации атомарного СО молекулярного С0 кислорода. С целью определения объемных концентраций озона в текущий момент времени следует записать исходя из законов химической кинетики на основании (1) систему дифференциальных уравнений. В качестве начальных условий используется начальная объемная концентрация молекулярного (11) и образованного атомарного кислорода (12):

2

в

дСо

дл

дС0

дл

дС03 дл

-к\ (С02 С0 ) Ск2 - (С0С03 ) - к3 (Со ) Ск2; : к2 (С0С03 ) - (С02 С0 ) СК2 + к3 (С0 ) СК2 ; : к1 (С02 С0 ) СК2 - к2 (С0С03 ) ,

где С0 - мольная объемная концентрация озона.

Константы скорости реакций определены в [3]. Система (14) описывает процесс синтеза озона в озонаторе. Одним из ее решений является зависимость С0 = / (л), что дает возможность (в предлагаемой методике за конечный момент времени принимается время окончания такта впуска, начальный момент времени отнесен к моменту воздействия тлеющего разряда на рассматриваемую массу свежего заряда) определить начальные концентрации атомарного С0 молекулярного С0 кислорода, обеспечивающие получение в конечный момент времени требуемую концентрацию озона в коллекторе. Зависимость значения концентрации озона в момент окончания такта впуска от массового соотношения атомарного и молекулярного кислорода в начальный момент времени представлена на рис. 1.

4.0

О*

моль/м3 3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,2

0,4

0,6

Лс, 10-3

1,0

Рис. 1. Изменение текущей концентрации озона в воздушном потоке на впуске в зависимости от массового соотношения атомарного и молекулярного кислорода: а - 10 % О и 90 % О2; б - 20 % О и 80 % О2; в - 30 % О и 70 % О2; г - 40 % О и 60 % О2

Учитывая склонность озона к распаду при повышении температуры [1, 2, 4-10] на втором этапе согласно предлагаемому методу количественно оценивается часть массы озона, которая не может находиться в цилиндре в момент воспламенения топливовоздушной смеси к кон-

цу такта сжатия вследствие ее термического разложения.

Схема термического разложения озона описана в [3] и представляется следующим уравнением:

а + 0,

к

^•30,

Константа скорости реакции разложения озона как функция температуры описывается законом Аррениуса

к

где Еа - энергия активации реакции (15); Я -универсальная газовая постоянная; Т(Л) - закон изменения температуры в ходе впуска и сжатия.

Дифференциальное уравнение, описывающее ход течения реакции (15), выглядит как

дл

:-к

где к(Т (л)) - функциональная зависимость

константы скорости реакции (15) от температуры в ходе впуска и сжатия, зависящей в свою очередь от времени.

Ход распада молекул образовавшегося на впуске озона по (17) отражен на рис. 1 в зависимости от температуры во впускном коллекторе для двигателя рабочим объемом V^ = = 4,75 дм3.

Согласно полученному решению уравнения (17) в интервале времени такта сжатия определено, что существенное повышение температуры в конце такта сжатия и в момент начала воспламенения не способно существенным образом интенсифицировать распад образованных на впуске молекул озона.

В конце по известной и определенной на первой стадии расчета мольной концентрации атомарного кислорода, образованного диссоциацией молекул кислорода в воздушном потоке на впуске и необходимого для генерации реакций синтеза озона, определяется количество энергии, выделяющейся в разрядном промежутке озонатора, идущей на разрыв межатомных ковалентных связей молекулы кислорода и необходимой для создания требуемой концентрации атомарного кислорода в воздушном потоке на впуске.

Затраты энергии на разрушение молекулы кислорода зависят от способа воздействия на связь. При термическом воздействии на связь она разрушается при энергии 5,13 эВ, а при механическом воздействии на связь достаточно затратить 2,56 эВ энергии. Поскольку диссоциация молекулы кислорода в озонаторе - механический, а не термический процесс, то в качестве энергии нужно принять 2,56 эВ. При этом энергия возбуждения одного из кислородных атомов до метастабильного состояния равна 1,96 эВ.

Количество диссоциированных атомов можно оценить как

N = Мл

где МЛ - число Авогадро; С, - мольная концентрация молекулярного кислорода при полном отсутствии диссоциации; С, - то же за

вычетом определенной части диссоциированных его молекул.

Затраты энергии на диссоциацию требуемого количества молекул кислорода и образования в последующем синтеза озона, который посредством своего воздействия на рабочий процесс повышает его качество протекания, определятся как

Р = ЕМ1,

где Еа - энергия разрыва молекулярной связи молекулы кислорода; 1 - число тактов в единицу времени.

В Ы В О Д

Разработанный метод определения энергетических затрат в двигатель позволяет установить численную взаимосвязь между заранее известным требуемым количеством озона в со-

отношении с воздухом во впускном коллекторе в цилиндр и энергетическими затратами, идущими на диссоциацию части молекул кислорода и генерацию процессов синтеза озона в входном потоке воздуха. Данный метод может быть применен в двигателестроении при проектировании и компоновке средств обработки воздушного заряда, применяемых с целью более качественного воздействия на воздушный заряд.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Адамович, Б. А. Способ улучшения пусковых характеристик, повышения мощности и уменьшения токсичности отходящих из камеры сгорания газов двигателей внутреннего сгорания и устройство для его реализации: пат. 2180051 РФ / Б. А. Адамович // Бюл. изобр. - 2002. -№ 6.

2. Разумовский, С. Д. Озон и его реакции с органическими соединениями / С. Д. Разумовский, Г. Е. Заиков. -М.: Наука, 1974.

3. Кондратьев, В. Н. Константы скорости газофазных реакций / В. Н. Кондратьев. - М.: Наука, 1970.

4. Лунин, В. В. Физическая химия озона / В. В. Лунин, М. П. Попович, С. Н. Ткаченко. - М.: Изд-во МГУ, 1998.

5. Самойлович, В. Т. Физическая химия барьерного разряда / В. Т. Самойлович, В. И. Гибалов, К. В. Козлов. -М.: Изд-во МГУ, 1989.

6. Masuda, S. A ceramic-based ozoniser using high frequency discharge / S. Masuda // IEEE Trans. Ind. Appl. -1988. - № 2. - Р. 45-67.

7. Филиппов, Ю. В. Электрическая теория озонаторов. Статические вольтамперные характеристики озонаторов / Ю. В. Филиппов, Ю. М. Емельянов // ЖФХ. -1958. - № 12. - C. 54-63.

8. Филиппов, Ю. В. Об активной мощности озонаторов / Ю. В. Филиппов, Ю. М. Емельянов // ЖФХ. -1959. -№ 5. - C. 23-35.

9. Энгельшт, В. С. Высокочастотный озонатор: пат. 2075433 РФ / В. С. Энгельшт // Бюл. изобр. - 2001. - № 33.

10. Энгельшт, В. С. Устройство для инициирования физико-химических реакций: пат. 2080171 РФ / В. С. Эн-гельшт // Бюл. изобр. - 2001. - № 33.

Поступила 25.05.2007