Процесс сажеобразования в цилиндре дизеля и методы его моделирования

УДК 629.436

ПРОЦЕСС САЖЕОБРАЗОВАНИЯ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ И МЕТОДЫ ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Д. Ю. Глазков

THE PROCESS OF SOOT FORMATION IN A DIESEL CYLINDER AND METHODS OF ITS MODELING

D. Yu. Glazkov

Проведён анализ условий и механизма образования сажи в цилиндрах судовых дизелей. На основе литературных данных отмечено, что интенсивный прогрев топливовоздушной среды в струе (после начала сгорания), сопровождается образованием сажи при недостатке воздуха. Рассмотрены методы моделирования процесса сажеобразования. На основе метода расчёта процесса сгорания, разработанного профессором В.И. Одинцовым, получено выражение для расчёта величины выбросов сажевых частиц.

судовые дизели, сажа, сажеобразование

The analysis of conditions and mechanism of soot formation in cylinders of marine diesel engines has been carried out. On the basis of the literature data, it is noted that intensive heating of the fuel-air medium in the jet (after the start of combustion) is accompanied by the formation of soot with lack of air. Modeling methods of soot formation process are examined. Based on the method of calculating the combustion process, developed by Professor Viktor Odintsov, an expression was obtained for the calculation of the emission of soot particles.

marine diesel engines, soot, soot formation

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, в процессе сгорания топливо, поданное в цилиндр двигателя, сгорает не полностью. Полному (идеальному) сгоранию препятствует ряд факторов: ограниченность процессов смесеобразования и сгорания по времени, несовершенство процессов топливоподачи и распыливания, неравномерность концентрации кислорода и топлива и др. Так, при недостатке воздуха и высокой температуре воздушного заряда в цилиндре двигателя поданное топливо подвергается пиролизу с образованием продуктов неполного окисления: угарного газа, альдегидов, карбоновых кислот, сажи, различных тяжёлых углеводородов (в основном ароматических типа нафталина с большим числом сконденсированных колец и с кратными связями) [1, 2].

Сажа, по данным ряда исследований, например [1], имеет большую удельную поверхность, до 75-80 м /г, что обуславливает её высокую абсорбирующую способность. Поэтому, оседая в газовыпускной системе двигателя, сажа впитывает как губка пары несгоревших углеводородов, образуя

чёрные мазеобразные отложения [3]. С ростом температуры отработавших газов, например, при увеличении нагрузки на двигатель, эти отложения склонны к воспламенению. В результате возгораний и пожаров в газовыпускной системе образуются трещины в цилиндрах [4], происходят разрушения турбонаддувочных агрегатов [3] и утилизационных котлов [5].

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ САЖИ Процесс образования сажи при сгорании топлива условно разделяется [1] на три основные фазы: образование зародыша, рост зародыша в частице сажи, коагуляция первичных сажевых частиц. Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса). Схема возможных механизмов (путей) образования сажи, согласно проф. Д. Д. Брозе [1], показана на рис. 1.

При относительно низких температурах (менее 1500 0К) преобладают реакции полимеризации и конденсации над реакциями дегидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При мгновенных температурах 2000-3500 0К [1, 6], соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул.

Следует заметить [7], что чем выше молекулярная масса предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. При этом отложения хорошо растворяются в сероуглероде, что говорит о наличии ароматических колец и карбонильных групп.

Рис. 1. Схема возможных механизмов образования сажи [1] Fig. 1. Scheme of possible mechanisms of soot formation [1]

Рядом экспериментальных исследований [ 1, 6] установлены концентрации окислителя (коэффициент избытка воздуха при сгорании а), при которых начинается выделение сажи из пламени. Величина а зависит от многих факторов

(температуры и давления рабочего тела, качества топлива, качества его распыливания) и составляет 0,33-0,7. С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, а с увеличением давления - в сторону более бедных смесей.

Рис. 2. Зависимость концентрации сажи от коэффициента избытка воздуха

и температуры в цилиндре по данным Р.З. Кавтарадзе [6] Fig. 2. Dependence of the concentration of soot on the coefficient of excess air and temperature in the cylinder according to R. Kavtaradze [6]

Параллельно с образованием сажевых частиц происходит их выгорание в реакциях с гидроксильными группами и кислородом. В дизелях в основном происходит прямое окисление сажи. Скорость выгорания сажи существенно зависит от размеров частиц (поверхности). Было определено [1], что имевшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 А0.

Как отмечает профессор Р.З. Кавтарадзе, в дизелях отмечается два максимума сгорания. Первый обусловлен взрывным сгоранием паров топлива (1), второй (2) - диффузионным сгоранием сажевых частиц [6], что показано на рис. 3.

600 г к

1400

^  1

Т

Рис. 3. Два максимума сгорания по Р.З. Кавтарадзе [6] Fig. 3. Two combustion maxima according to R. Kavtaradze [6]

Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что сажа в основном выгорает в процессе расширения на участке догорания [6]. Таким образом, тепло, выделяющееся в результате сгорания сажи, используется недостаточно эффективно. Его эффективное использование возможно вне цилиндра: в турбине и утилизационном котле.

Процесс сажеобразования в дизелях зависит также и от способа смесеобразования. В двигателях с преимущественно струйным

смесеобразованием топливо подаётся в цилиндр в виде струй, содержащих около

1 ц 10 капель [8] с диаметрами от 1 мкм до 0,3 мм и более. Причём их максимальный

диаметр соответствует диаметру соплового отверстия [9]. Согласно

многочисленным исследованиям, например [10], пламя распространяется по

наружной поверхности топливных струй и в течение короткого интервала

времени (около 0,6 мс) охватывает всю их поверхность, включая головную часть.

Следовательно, поверхность топливных струй является границей, через которую

осуществляется тепломассообмен.

Таким образом, в качестве показателя, характеризующего качество распыливания топлива, можно применить относительную поверхность топливного конуса [11]:

= рФ£ / ёц, С1)

где Бф! - суммарная поверхность топливного конуса; §ц - величина цикловой подачи топлива.

С ростом величины цикловой подачи увеличивается, естественно, и дальнобойность топливных струй. Поэтому в ряде двигателей с преимущественно объёмным способом смесеобразования на режимах, близких к полной нагрузке, часть цикловой подачи топлива попадает на стенки камеры сгорания. К объёмному механизму смесеобразования подключается плёночный. Но в отличие от двигателей с преимущественно плёночным смесеобразованием испарение топлива происходит в худших условиях, с относительно холодных поверхностей. Это обстоятельство вызывает рост эмиссии сажи [7].

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ САЖИ Метод Н.Ф. Разлейцева основан на теории испарения распыленного жидкого топлива и теории цепных химических реакций [1, 2].

В методе выделяются два возможных пути образования сажевых частиц:

1. В результате цепной деструкции молекул топлива, диффундирующих из капли топлива к фронту пламени;

2. Вследствие полимеризации и дегидрирования парожидкостного ядра капель.

При движении паров топлива от поверхности струи до фронта пламени происходит их практически мгновенное нагревание до критической температуры 700-750 0К [10]. В начальной стадии процесса происходит пиролиз молекул топлива с образованием свободных радикалов, углубляющих дальнейший распад молекул, в результате чего образуются сильно дегидрированные углеводороды,

простейшим представителем которых является ацетилен. Достигнув зоны горения, где наблюдаются высокие температуры (2000.. .2500 0К) и недостаток кислорода, образовавшиеся углеводороды окисляются полностью и частично и дегидрируются с образованием ароматических сажевых ядер с общей формулой С6Н.

Вследствие ограниченности скорости диффузии капля не испаряется мгновенно, поэтому в её ядре интенсивно протекают процессы полимеризации и поликонденсации углеводородов. Таким образом, в результате испарения и неполного сгорания капли топлива на её месте остаётся сажевая частица.

Изменение концентрации сажи в объёме цилиндра профессор Н. Ф. Разлейцев [12] предлагает учитывать уравнением:

ё[С]/ёх=

где первое слагаемое описывает формирование сажи в пламени, второе -вследствие полимеризации, третье - выгорание сажи, а четвёртое - изменение текущего объёма цилиндра в течение процесса сгорания.

Скорость сажеобразования в зоне горения Н. Ф. Разлейцев принимает пропорциональной скорости побочных ответвлений основных химических цепей:

где В1 - эмпирический коэффициент; Gц и V - цикловая подача топлива и объём цилиндра соответственно; ^хМт) - скорость тепловыделения.

Формирование сажи вследствие полимеризации описывает уравнение:

де]Мт)п= В25 Gц/V

где В2 - эмпирический коэффициент; 5 - доля массы капли, превращающаяся в сажевое ядро; S - доля капель с диаметром меньше dk (закон Срезневского).

Для выгорания сажи предлагается следующее выражение:

де^т^ВЗи^рИ,

где и - обороты коленчатого вала; р - давление в цилиндре; [^ - текущая концентрация сажи в цилиндре.

Уменьшение концентрации сажи за счёт увеличения текущего объёма цилиндра описывается выражением:

где В4 - эмпирический коэффициент, учитывающий возможное превышение скорости изменения объёма цилиндра над скоростью изменения локальной концентрации сажи.

Метод, разработанный профессором В. И. Одинцовым [11], основан на сравнении исследуемого или проектируемого ДВС с эталонным, для которого показатели рабочего процесса и конструктивные характеристики известны. Данный метод также может быть использован для исследования режимов работы двигателя, отличных от эксплуатационного, а также для моделирования перевода двигателя на другой сорт топлива.

Закон сгорания по В. И. Одинцову описывается экспоненциальной функцией:

х=1-ехр

где m - эмпирическим показатель.

В =

ст.

ст.

И с

И сэ 0,37

И!

И э

а

а

Р ^ 1 цп

V Рfэ _Рцэ У

Р Т J

цэ цп ^с

Р

Т J

цэ сэ

Рч

Ртэ

с=

1ёу„(1/С08у„ + 1ёУ„) , 1ёУ3 (1/С05уз + 1ёу э)'

Д =

Е = 6,908

^ гл ^ Л 1,6

т — 0,5г

^^ ' вп р.п

— 0,5т

Р + Р

ссп_тах п

Р + Р

Таким образом, для расчёта процесса тепловыделения, согласно проф. В.И. Одинцову, следует вычислить показатели В, С, D, Е, где параметры проектируемого (исследуемого) ДВС сравниваются с эталонным, для которого параметры известны. Расчёт угла конуса топливной струи можно произвести, например, по методу проф. А.С. Лышевского [9].

На основании метода профессора В.И. Одинцова нами было предложено выражение для расчёта эмиссии сажи с отработавшими газами:

А=-и

9ип

с.

1сЛ и $ТЛЫ ^юн ^"ы ^н

я».

где Н — "7" '"1 - критерий; 1С и 4 - число и диаметр сопловых

отверстий распылителя; gц - цикловая подача топлива; pт - среднее давление топлива в процессе впрыска; а - коэффициент избытка воздуха при сгорании; С - геометрическая характеристика топливной струи (9); Qнэр и Qнпр - теплотворные способности топлив.

Модели процессов сгорания и сажеобразования, принятые за рубежом, достаточно полно описаны в [13].

Феноменологическая 0-мерная модель (рис. 4) основана на том, что в любой момент процесса сгорания объём цилиндра состоит из двух зон: зоны сгорания и зоны, где сгорание отсутствует. Зона, где огонь отсутствует, содержит сухой воздух с парами топлива (н-гептан). Массообмен в каждой зоне определяется по уравнениям массообмена через клапаны, массопередачи между зонами и количеством впрыснутого топлива. Схема модели представлена на рис. 4.

Данная модель достаточно простая, но в ней имеются некоторые затруднения. В частности, затруднения вызывает расчёт массопередачи между зонами и учёт аэродинамического сопротивления клапанов.

0.71

1.42

1.05

1.05

0.32

т

''инд.п вп Рэ

инд .э

вп р.п

0,5

1и

1 э

Рис. 4. Схема феноменологической 0-мерной модели Fig. 4. Scheme of the phenomenological 0-dimensional model

Впрысковая модель связывает геометрические характеристики топливной струи с формой топливного конуса. Модель была разработана Сиберсом ^еЬеге) [13]. В основу данной модели положена теория развития струи идеальной неиспаряющейся жидкости. Массопередача между струей топлива и окружающим её газом описывается следующим уравнением:

т'а8=р

где Vcyl и V.; - объёмы камеры сгорания и топливной струи, V's и V'cyl - скорости изменения объёма цилиндра и топливной струи.

В данной модели, на наш взгляд, вызывает затруднение определение скорости изменения объёма топливной струи, поскольку данная величина зависит от многих факторов, учесть которые в полной мере проблематично. В остальном же данная модель учитывает, хоть и не в явном виде, многие конструктивные и эксплуатационные факторы (параметры топливоподачи, характеристики распылителя и состояние воздушного заряда при впрыске через V.. и V's).

Модель двухстадийной турбулентности (К-К- модель) разработана ЗДет1а и ОлЬаЬег [14]. В основе модели лежит предположение, что основное влияние на процесс перемешивания и сгорания оказывает кинетическая энергия впрыскиваемого топлива и вихреобразование в цилиндре. В объёме камеры сгорания сначала в процессе продувки камеры сгорания образуется вихревой поток, который после начала впрыска рассеивает энергию, деформируя топливную струю. В объёме топливной струи кинетическая энергия топливоподачи образует турбулентность в большом объёме, затем передаётся в малые объёмы и рассеивается за счёт вязкостного трения.

Расчёт ведётся на основании закона сохранения энергии:

dKgyi _- -

clr

= Cint(m'intVtJ2)+Cexfl(piresh^xh

/2)-ь

d г

К dt Jdiss

+

+ к.

где К - кинетическая энергия; С - опытные коэффициенты; индекс "diss" значит «Рассеивание».

В данное уравнение, помимо опытных коэффициентов, входят: кинетическая энергия вихревого движения, скорости воздуха на входе в цилиндр и выпускных газов на выходе из него. Определение данных величин, особенно энергии вихря, вызывает большие трудности.

Модель диффузионного горения. Данная модель разработана Barba и Mauviot [13]. В основу модели положены статистические методы. В частности, для определения среднего количества смеси используется гамма-функция:

где Yfs - массовая концентрация топлива в объёме струи; Yo2s - массовая концентрация кислорода в струе топлива; Yo2anm - концентрация кислорода в объёме камеры сгорания.

Данная модель достаточно проста, но содержит Yo2s - массовую концентрацию кислорода в струе топлива. Данная величина трудна в определении, во многом условна, зависит от многих факторов, которые проблематично учесть, и непостоянна по длине и диаметру струи.

В основе метода Хироясу [15] содержание сажи определяется как разность между количеством образовавшейся и выгоревшей сажи:

dMs/dt=dMsf/dt-dMso/dt

Первое слагаемое отвечает за образование сажи, а второе - за её выгорание.

Количество образовавшейся сажи определяется по уравнению Аррениуса:

dMsf/dt=AsfMspPnexp

В данном уравнении Asf и n - эмпирические показатели; Msp - масса топлива в цилиндре; Р и Т - давление и температура в цилиндре; R - универсальная газовая постоянная.

Окисление сажи определяется следующим образом:

dMso/dt=6MWcMsRtot/

где M - масса воздуха в цилиндре; Wc - скорость поршня; Ds - диаметр топливной струи; ps - её плотность.

По своей структуре метод Хироясу близок к методу Н.Ф. Разлейцева и обладает теми же достоинствами и недостатками.

Модель Мосса [16] базируется на упрощённых представлениях процессов нуклеации, коагуляции и окисления сажи, связывая объём фракции fv и её относительную плотность n. Уравнение данного метода выглядит следующим образом:

d

В данном уравнении у и 5 - коэффициенты роста поверхности и нуклеации, соответственно.

В явном виде в данной модели влияние каких-либо эксплуатационных и (или) конструктивных факторов на образование сажи не просматривается.

ВЫВОДЫ

Таким образом, на основе проведенного анализа следует, что:

1. Существующие методы моделирования можно разделить на геометрические, основанные на приближении экспериментально определённых законов сгорания топлива к тем или иным математическим зависимостям, и химические методы, определяющие концентрацию топлива и кислорода в цилиндре ДВС по углу поворота коленчатого вала и частично или полностью учитывающие влияние конструктивных особенностей и эксплуатационных факторов;

2. В методе профессора В. И. Одинцова учитывается максимум конструктивных и эксплуатационных факторов, характеризующих рабочий процесс ДВС;

3. На основании метода, предложенного В.И. Одинцовым, разработано выражение для расчёта эмиссии сажи с отработавшими газами двигателей с объёмным способом смесеобразования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВAННЫХ ЛИТЕРAТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Брозе, Д. Д. Сгорание в поршневых двигателях / Д. Д. Брозе. -Москва: Машиностроение, 1969. - 247 с.

2. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н. Х. Дьяченко [и др.]; под ред. Н. Х. Дьяченко. - Ленинград: Машиностроение, 1974. - 552 с.

3. Межерицкий, A. Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей / A. Д. Межерицкий. - Ленинград: Судостроение, 1986. - 248 с.

4. Вахтенный машинный журнал т/х "Cape Navarin".

5. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler. - www.manbw.com., 2005. - 25 p.

6. Кавтарадзе, Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для вузов / Р. З. Кавтарадзе. - Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 719 с.

7. Одинцов, В. И. Некоторые закономерности образования сажи в цилиндрах судовых дизелей / В. И. Одинцов, Д. Ю. Глазков // Вестник AГТУ. Сер. Морская техника и технология. - Aстрахань, 2014. - № 3. - С. 83-87.

8. Лышевский, A. С. Распыливание топлива в судовых дизелях /

A. С. Лышевский. - Ленинград: Судостроение, 1971. - 248 с.

9. Гафуров, Р. A. Исследование структуры дизельной топливной струи при циклическом впрыскивании методом импульсной голографии / Р. A. Гафуров, Г. A. Глебов, Ю. М. Скворцов // Двигателестроение. - 1996. - №3-4. - С. 10-12

10. Теоретические основы химмотологии / под ред. A. A. Браткова. -Москва: Химия, 1985. - 320 с.

11. Одинцов, В. И. Рабочий процесс судовых ДВС: моногр. /

B. И. Одинцов. - Калининград: Изд-во Б^ РФ, 2010. - 135 с.

12. Разлейцев, Н. Ф. Aнализ и моделирование рабочего процесса ДВС / Н. Ф. Разлейцев. - Харьков: Вища школа, 1980. - 180 с.

13. Bordet N., Caillol C., Higelin P. "A Physical 0D Diesel Combustion Model Using Tabulated Chemistry withPresumed Probability Density Function

Haynnbiu wypnan «H3eecmuH KfTY», № 48, 2018 г.

Approach:For engine pre-Mapping". Institut PRISME - University of Orleans, France. 2010

14. Chmela, F., Engelmayer, M., Pirker, G., Wimmer, A. "Prediction of turbulence controlled combustion in diesel engines", in: THIESEL 2004 Conference on Thermo- and Fluid dynamic Processes in Diesel Engines, 2004.

15. H. Hiroyasu, T. Kadota, M. Arai. Development and Use of a spray combustion Model to predict Diesel Engine efficiency Pollutant Emissions. Part 1A Combustion Modelling. Bull JSME, vol.26,(no214) pp. 569-575, 1983.

16. J. B. Moss, C.D. Steward, K. J. Young. Modelling soot formation and burnout in a high temperature laminar diffusion flame burning under oxygen-enrichedcombustion/ Combustion and flame, 1995. vol.101: pp.491-500,

REFERENCES

1. Broze D. D. Sgoranie v porshnevykh dvigatelyakh [Combustion in piston engines]. Moscow, Mashinostroenie, 1969, 247 p.

2. D'yachenko N. Kh., Kostin A. K., Pugachev B. P., Rusinov R. V., Mel'nikov G. V. Teoriya dvigateley vnutrennego sgoraniya [Theory of internal combustion engines] L., Mashinostroenie, 1974, 552 p.

3. Mezheritskiy A. D. Turbokompressory sistem nadduva sudovykh dizeley [Turbochargers of systems of pressurization of marine diesel engines]. L., Sudostroenie, 1986, 248 p.

4. Vakhtennyy mashinnyy zhurnal t/kh "Cape Navarin" [The watch log of m / v "Cape Navarin"].

5. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler, 2005, 25 p. Available at: www.manbw.com.

6. Kavtaradze R. Z. Teoriya porshnevykh dvigateley. Spetsial'nye glavy: uchebnik dlya vuzov [Theory of reciprocating engines. Special chapters: textbooks for universities]. Moscow, Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2008, 719 p.

7. Odintsov V. I., Glazkov D. Yu. Nekotorye zakonomernosti obrazovaniya sazhi v tsilindrakh sudovykh dizeley [Some Regularities of Soot Production in Cylinders of Marine Diesels]. Vestnik AGTU. Ser. Morskaya tekhnika i tekhnologiya. Astrakhan', 2014, no. 3, pp. 8 -87.

8. Lyshevskiy A. S. Raspylivanie topliva v sudovykh dizelyakh [Spraying of fuel in marine diesel engines]. L., Sudostroenie, 1971, 248 p.

9. Gafurov R. A., Glebov G. A., Skvortsov Yu. M. Issledovanie struktury dizel'noy toplivnoy strui pri tsiklicheskom vpryskivanii metodom impul'snoy golografii [Investigation of the structure of a diesel fuel jet during cyclic injection by pulsed holography]. Dvigatelestroenie, 1996, no. 3-4, pp. 10-12.

10. Teoreticheskie osnovy khimmotologii [Theoretical foundations of chemotherapy]. Moscow, Khimiya, 1985, 320 p.

11. Odintsov V. I. Rabochiy protsess sudovykh DVS [Working process of ship engines]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010, 135 p.

12. Razleytsev N. F. Analiz i modelirovanie rabochego protsessa DVS [Analysis and modeling of the ICE workflow]. Khar'kov, Vishcha shkola, 1980, 180 p.

13. Bordet N., Caillol C., Higelin P. A Physical 0D Diesel Combustion Model Using Tabulated Chemistry withPresumed Probability Density Function Approach: For engine pre-Mapping. Institut PRISME - University of Orleans, France. 2010.

14. Chmela F., Engelmayer M., Pirker G., Wimmer A. Prediction of turbulence controlled combustion in diesel engines, in: THIESEL 2004 Conference on Thermo-and Fluid dynamic Processes in Diesel Engines, 2004.

15. Hiroyasu H., Kadota T., Arai M. Development and Use of a spray combustion Model to predict Diesel Engine efficiency Pollutant Emissions. Part 1, Combustion Modelling. Bull JSME, 1983, vol. 26, no. 214, pp. 569-575.

16. Moss J. B., Steward C. D., Young K. J. Modelling soot formation and burnout in a high temperature laminar diffusion flame burning under oxygen-enrichedcombustion. Combustion and flame, 1995, vol. 101, pp. 491-500.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Глазков Дмитрий Юрьевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»; старший преподаватель кафедры «Судовые энергетические установки»; E-mail: 2338697@gmail.com

Glazkov Dmitry Yurievich - Baltic Fishing Fleet State Academy of Kaliningrad State Technical University; Senior lecturer of the Ship power plants department;

E-mail: 2338697@gmail.com