CC BY
104
УДК 621.43 + 536.24
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Б.И. Руднев, О.В. Повалихина, Дальрыбвтуз, Владивосток
Представлены основные аспекты излучения пламени в камере сгорания дизельных двигателей, приведены данные о температурах сгорания составляющих дизельного топлива. Оценено влияние режимов работы и вида топлива на уровень радиационных тепловых потоков.
Для обоснованного расчета локального радиационного теплового потока, передаваемого от пламени к стенкам камеры сгорания (КС) дизельного двигателя, необходимо располагать надежными данными по температуре пламени, его интегральной степени черноты, радиационным свойствам поверхности и оптико-геометрическим характеристикам системы в целом.
Методы экспериментального определения температуры и других излучательных характеристик пламени базируется на основных законах теплового излучения, полученных в работах Планка, Вина, Кирхгофа и Стефана-Больцмана для абсолютно черных тел. Последние, как известно, имеют непрерывный (сплошной) спектр излучения.
В теории радиационного теплообмена показано, что частицы сажи в видимой области спектра являются основным излучателем, определяющим эмиссионную способность дизельного пламени. Кроме того, А.Г. Блох [1] выделяет следующие пять участков в ближней инфракрасной области, излучение на которых также связано только с излучением твердых частиц сажистого углерода: А^1 = 0,99-1,03 мкм; АА2 = 1,23-
1,25 мкм; АЛз = 1,07-1,70 мкм; АЛ4 = 2,10-2,27 мкм; АЛ5 = 3,57-4,00 мкм.
Эти положения в полной мере распространяются и на пламя в КС дизельного двигателя. Основными факторами, влияющими на интенсивность излучения светящегося пламени, являются: температура, оптическая толщина излучающего слоя, размеры и концентрация излучающих частиц сажи. В связи с этим очень важно рассмотреть вопрос о температурах собственно частиц сажи и окружающего их газа в очаге горения, а также о соотношении теоретической температуры горения (при стехиометрии) и значением экспериментальной температуры пламени.
По вопросу о температуре пламени существует два мнения. Первая группа исследователей [2, 3] считает, что температура частиц сажи в пламени мало отличается от температуры газов. По мнению второй группы авторов [1, 4, 5] указанные температуры в реальных
условиях горения существенно отличаются, причем температура частиц сажи может значительно превосходить температуру газов.
Следует отметить, что модель, рассмотренная в свое время А. Шаком [2], и его вывод о незначительной (порядка одного градуса) разнице в температурах частиц сажи и газа могут быть применены только для условий стационарной теплопроводности, когда система находится в термодинамическом равновесии и размеры частиц соизмеримы со средней длиной пробега газовых молекул. В этом случае, согласно А.Г. Гейдону и Х.Г. Вольфгарду [5], температура частиц устанавливается такой, чтобы градиент температуры обеспечивал равенство поступающей теплоты теплоте, теряемой вследствие излучения. Последнее и приводит к довольно значительной разнице температур газа и твердого тела при больших поверхностях (размерах) частиц сажи, а при малых размерах частиц разность незначительна.
В то же время коэффициент теплоотдачи малых частиц примерно обратно пропорционален их диаметру. С физической точки зрения это объясняется тем, что в условиях сгорания нам приходится иметь дело с пространственной задачей, поэтому, чем меньше размер частиц, тем больше температурный градиент у ее поверхности. В итоге, достаточный для уравновешивания потерь излучением перенос теплоты обеспечивается меньшей разностью температур [5].
Таким образом, в пламени температура мелких частиц близка к температуре газов только в том случае, когда отсутствует нагрев за счет катализа. В реальных условиях, как показывают исследования [2,
5, 6, 7, 8], пламя весьма редко является равновесной системой. Как известно, перенос энергии и перенос массы пропорционален, поэтому поверхностная реакция, так же как и перенос теплоты, приобретает для мелких частиц сажи относительно большое значение по сравнению с излучением. Например, в исследованиях Беренса и Ресслера [9] экспериментально установлено наличие каталитического поверхностного нагрева частиц сажи. Теоретическая температура пламени (смесь бензола и воздуха) составляла в опытах этих авторов 1450 К, в то же время определенная по излучению сажи -2180 К, т.е. разница между температурой частиц сажи и температурой газов составила 730 К.
Следует отметить, что дизельное топливо является весьма сложной смесью углеводородов. Разлагаясь в процессе сгорания на самые различные соединения (это определяется совокупностью факторов: локальными температурами, локальными значениями
коэффициентов избытка воздуха, давлением в КС и т.п.), эти составляющие могут иметь целый набор температур сгорания [10].
По данным Р. Зигеля и Дж. Хауэлла [11], теоретические температуры сгорания некоторых составляющих дизельного топлива (горение в среде сухого воздуха при температуре 298 К) приведены в таблице.
Теоретические температуры сгорания составляющих дизельного топлива
Составляющая дизельного топлива Химическая формула составляющей Теоретическая температура сгорания, К
Окись углерода СО 2615
Водород Н2 2490
Пропан СэНа 2629
Этилен С2Н4 2523
Ацетилен С2Н2 2859
Экспериментальные исследования, выполненные в последнее время на дизельных двигателях, подтверждают теоретическую возможность значительного отличия температуры пламени (температуры сажистых частиц) от средней по объему цилиндра температуры в процессе сгорания [8,12]. Сейчас уже не является дискуссионным вопрос о том, что температура пламени, определенная тем или иным способом, намного превышает индикаторную температуру газа и что последняя не может быть использована для оценки радиационного теплового потока в КС дизельного двигателя [13,
14, 15, 16].
Процесс излучения дизельного пламени существенно зависит от вида КС, быстроходности двигателя, вида применяемого топлива, угла опережения впрыска и режима работы. Изменение этих параметров оказывает влияние на эмиссионные свойства пламени в основном через концентрацию частиц сажи в пламени и температуру. Отмеченное подтверждается глубокими экспериментальными исследованиями радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя, выполненного Флинном и его сотрудниками [17].
В частности, в этих исследованиях были получены следующие результаты при изменении различных факторов. С увеличением частоты вращения коленчатого вала кривые тепловыделения и радиационного теплового потока все дальше смещаются от верхней мертвой точки (ВМТ) в сторону конца сгорания. При этом наблюдалось также запаздывание на 4-6° поворота коленчатого вала (ПКВ) начала заметного излучения по сравнению с началом тепловыделения. Такое же запаздывание по фазе наблюдалось между максимумами на кривых тепловыделения и излучения.
В результате анализа полученных экспериментальных данных авторы работы [17] приходят к заключению о существовании двух фаз излучения в КС. Первая фаза, где наблюдается относительно высокие значения радиационного теплового потока, по мнению Флинна, связана
с явлениями, происходящими при реакциях горения с быстрым выделением теплоты. Вторая фаза, которая наблюдается дальше по ходу расширения, связана с частью процесса сгорания, когда большая часть выделения теплоты уже завершилась.
Первая фаза излучения характеризуется относительно большими постоянными значениями оптической толщины пламени и высокими значениями его температуры. Можно предположить, отмечает Флинн, что эти величины зависят от кинетики реакции и от температур, существующих вокруг индивидуальных капелек топлива при их горении в очень плотной струе. Считается также, что реакции образования и выгорания частиц сажи происходят одновременно и что наблюдаемое в опытах излучение является следствием этих явлений плюс соответствующих температур зоны реакции.
Вторая фаза излучения происходит в более поздний период и сопровождается видимым увеличением концентрации частиц сажи. Среднее по времени значение радиационного теплового потока, как показали эксперименты [17], увеличивалось с возрастанием частоты вращения коленчатого вала, но это увеличение не было ей пропорционально. Это означает, что потери теплоты через излучение должны оказывать большее влияние на КПД двигателя при малых частотах вращения.
Анализ результатов экспериментального исследования Флинна, полученных при переменном угле опережения подачи топлива (в пределах от 10 до 300 ПКВ до ВМТ) и повороте распылителя форсунки на 360 в плане относительно оси КС, позволяет сделать следующие выводы.
При увеличении опережения подачи топлива за пределы 200 ПКВ до ВМТ происходило возрастание задержки воспламенения с изменением характера сгорания. Сравнение наблюдаемых в опытах значений температуры пламени показывает, что с увеличением опережения впрыска ее максимум сильно возрастает. Для режимов с углами опережения впрыска 10 и 300 до ВМТ различие в максимумах температуры пламени составило примерно 480 0С. Максимальное значение радиационного теплового потока для угла опережения впрыска топлива 30° было примерно в 1,65 раза больше, чем при угле опережения впрыска 100 до ВМТ. Сравнение среднего за цикл радиационного теплового потока показало, что он возрос примерно в 1,34 раза при увеличении опережения впрыска с 10 до 30°.
В работе [17] отмечено, что при осмотре отложений нагара на поршне после первой части испытаний было установлено попадание топлива из отверстия распылителя форсунки в смотровой канал, выбранный в поршне для обеспечения оптического доступа в КС. Для определения влияния этого специфического положения отверстий распылителя относительно канала для «просмотра» излучения была применена вторая форсунка, у которой система отверстий распылителя была повернута в плане на 36°. Она распыляла топливо так, что факел
попадал на стенки впадины по обе стороны смотрового отверстия. Замеренные температуры пламени были практически одинаковы для обеих форсунок. В то же время отличия в значениях среднего по времени радиационного теплового потока оказались большими, его значение для форсунки с повернутым на 360 в плане распылителем превышала таковую для первой форсунки на 20 %.
Авторами работы [17] экспериментальным путем было также оценено влияние структуры топлива на температуру пламени и плотность радиационного теплового потока. При проведении этих испытаний использовались следующие виды топлива.
1. Дизельное коммерческое топливо с цетановым числом 40.
2. Смесь равных объемов вторичных эталонных испытательных дизельных топлив И9 и Т16 (стандарт США) с цетановым числом около 44.
3. Нормальный гептан с цетановым числом 55.
Анализ экспериментальных данных [17] показывает, что кривые тепловыделения для дизельного топлива и смеси эталонных топлив почти идентичны по форме. Кривая тепловыделения для нормального гептана несколько отличается от двух остальных топлив большей длительностью периода задержки воспламенения и очень малой долей «подготовленного» сгорания, связанной с топливом, подготовленным к сгоранию за период задержки.
Отличие в величинах среднего по времени радиационного теплового потока при испытании на нормальном гептане и дизельном топливе составляло 20 %. Путем изменения пропорции при смещении различных объемов эталонных топлив Флинном было исследовано влияние цетанового числа (для цетановых чисел 30, 40, и 50) на излучение пламени. Испытание дизельного двигателя при этом проводились как без наддува, так и при имитации турбонаддува. Данные для режимов без наддува показывают увеличение задержки воспламенения при снижении цетанового числа, при этом также наблюдалось значительное снижение максимума плотности радиационного теплового потока. Величина последнего для цетанового числа 50 составляла 1,47-106 Вт/м2 против 1,25-106 Вт/м2 для топлива с цетановым числом 40 и 1,09-106 Вт/м2 для цетанового числа 30. Максимальные давления в цилиндре, которые наблюдались при этих испытаниях, показывают снижение Ртах при увеличении цетанового числа. Значения средней по времени плотности радиационного теплового потока имели ту же тенденцию, что и его максимальная величина, изменяясь от 0.449-105 Вт/м2 для топлива с цетановым числом 30 до 0,611105 Вт/м для цетанового числа 50.
При имитации турбонаддува отмечалось более высокое значение максимальной плотности радиационного теплового потока как для топлива с цетановым числом 30, так и для цетанового числа 50, по сравнению с топливом, имеющим цетановое число 40 (соответственно 1,47-106 Вт/м2, 1,49-106 Вт/м2 и 1,35-106 Вт/м2. Таким образом, при
изменении цетанового числа за счет вариации процентного состава вторичных эталонных топлив оказалось, что наименьшее излучение дает топливо со средним цетановым числом 4О (максимальное значение плотности радиационного теплового потока составляет
1,З51Об Вт/м2).
Важные с точки зрения передачи теплоты радиацией в КС данные были получены Флинном при испытаниях дизеля на топливе различных групп углеводородов с постоянным цетановым числом. Для определения влияния характеристик топлива по группе углеводородов при данном цетановом числе было выбрано три вида топлива: ароматик, парафин и олефин. В качестве ароматического топлива использовался толуен, в качестве парафинового топлива - изооктан, а в качестве олефинового - изооктен. Для получения цетанового числа 4О каждое из топлив было модифицировано добавлением 50-58,7 % (по объему) нормального гептана. Таким образом, при испытаниях сравнивались топлива, имеющие общую составляющую, нормальный гептан, с добавлением углеводородов других групп. Соотношение углерод - водород для этой серии топлива менялось от О,422 для октано-гептановой смеси и до О,6О8 для толуено-гептановой.
В результате этих испытаний установлено увеличение радиационного теплового потока для смеси толуен - нормальный гептан по сравнению с двумя другими топливами. Последнее объясняется значительным увеличением концентрации частиц сажи в зоне реакции в виду высокого отношения числа атомов углерода и водорода в этом топливе. В частности, величина максимальной плотности радиационного теплового потока для смеси толуен -нормальный гептан составила 1,651Об Вт/м2 , для смеси изооктан -нормальный гептан - 1,51 ■ 10б Вт/м2 и 1,251Об Вт/м2 для смеси изооктен - нормальный гептан, т.е. увеличение потока излучения между первой и последней смесью равно ЗО %.
Приведенные результаты подтверждают высокую степень влияния режима работы, частоты вращения коленчатого вала, вида применяемого топлива (как при смесях с постоянным цетановым числом, так и при его переменном значении) и угла опережения впрыска на процесс тепловыделения, сажеобразования и излучения пламени в КС дизельного двигателя.
Полученные в результате анализа особенностей излучения пламени в КС дизельных двигателей данные по его температурам, плотности радиационного теплового потока и влиянию на них режимов работы, частоты вращения коленчатого вала и вида применяемого топлива позволяют более обоснованно подходить к построению математических моделей теплообмена излучением и отказаться от задания априори некоторых важных параметров, определяющих тепловую нагрузку деталей цилиндропоршневой группы.
Библиографический список
1. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
2. Борги Р. Модели для численных расчетов турбулентного горения / Методы расчета турбулентных течений. М.: Мир, 1984. С. 399455.
3. Smith G.W. Kinetic aspects of diesel soot coagulation // Soot Combust. Syst. and Toxic Prop. NATO Workshop, Obernai, 31 Aug. - 3 Sept. 1981. New York; London, 1983. P. 163-170.
4. Болдырев И.В. Особенности сгорания частиц углерода в цилиндре быстроходного дизеля: Тр. НИИ. 1966. № 18. С. 26-34.
5. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1959. 333 с.
6. Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
7. Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение. М.: Наука, 1986. 288 с.
8. Matsuoka S., Kamimoto T., Sakai K. Studies on flame temperature measurements in Diesel engine // JARI Techn. Memorandum. № 10, 1972. P. 278-284.
9. Behrens H., Possler F.Z. Naturforsch., 1950. 5A. Р. 311-315.
10. Махов В.З. Процессы сгорания в двигателях: Уч. пос. М.: МАДИ, 1980. 76 с.
11. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975. 934 с.
12. Kamimoto T., Yagita M. Particulate formation and flame structure in diesel engine // SAE Preprints, 1989, № 890436. 9 p.
13. Костин А.К., Руднев Б.И. Количественные характеристики нестационарного теплообмена в цилиндре высокооборотного дизеля с наддувом // Двигателестроение. 1986. № 11. С. 6-10, 11.
14. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ / Петриченко Р.М., Батурин С.А., Исаков Ю.Н. и др. Л.: Машиностроение, 1990. 328 с.
15. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей. Владивосток: Дальнаука, 2000. 221 с.
16. Rudnev B.I., Bespalov V.M., Izrailsky Yu.G. Tsitsiashvili G.Sh. A simple model of convective heat transfer in combustion chamber of diesel engine // Fourth International Symposium on Small Diesel Engines. Journal of Polish CIMAC. Vol. 2. No. 1. Warsaw, Poland, 1996. P. 177-182.
17. Flynn P., Mizusawa M., Uyehara O.A., Myers P.S. An experimental determination of the instantaneous potential radiant heat transfer within an operating Diesel engine // SAE Preprints, 1972, № 720022. 32 p.
