CC BY
27
ЭФФЕКТЫ ДИССОЦИАЦИИ ГАЗОВ ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Эффекты диссоциации и рекомбинации газов исследовались в приложении к различным областям знаний в связи с: осуществлением и влиянием на показатели цикла газотурбинных и ракетных двигателей, обеспечением требуемых значений и интервалов температуры в зоне плавки и дугового пространства - металлургия, сварочное производство, в активной зоне ядерного реактора - атомная энергетика [1, 2].
В теории комбинированных двигателей внутреннего сгорания (КДВС: ДВС и ГТД) диссоциация и рекомбинация газов ассоциируются с процессами сгорания и расширения; влияние на показатели цикла полагается незначительным: диссоциации - ввиду низкой температуры (Т < 2500 К), рекомбинации - ввиду малой эффективности преобразования выделяющейся теплоты в механическую работу [3]. Имеются также и другие точки зрения: 1) затраты теплоты на диссоциацию газов не могут быть причиной химической неполноты сгорания топлива, т. к. вполне компенсируются в обратном процессе рекомбинации; 2) из-за диссоциации в процессе сгорания существует граница максимальной температуры, для ДВС на углеводородных топливах это Т и 3000 К (ниже теоретически возможной на и 200 К) [4, 5].
Настоящий этап развития двигателестроения отличается повышенными требованиями к эффективности и экономичности продукции, а также жесткими экологическими нормами. В связи с этим обоснованность принимаемых допущений, полное, адекватное и точное описание цикла, минимизация потерь и оптимизация энергетического баланса остаются объектами пристального внимания научных и проектных организаций.
Вибе И. И. оценил потери теплоты относительно низшей теплоты сгорания топлива для бензиновых двигателей: от диссоциации 7 %, от теплоотдачи в стенки цилиндра 4 % [6]. В современных физико-математических моделях КДВС и расчетных методиках учтены только потери от теплоотдачи (меньшие!), диссоциация и рекомбинация, ввиду недостаточной изученности и действующих штампов, не рассматриваются [7, 8], лишь в некоторых работах упоминаются и приводится краткое описание [3, 9]. Поэтому углубление знаний, учет и оценка влияния диссоциации и рекомбинации на показатели КДВС актуальны и остры.
В химии различают реакции прямые и обратные, происходят они одновременно с разной интенсивностью, сущность процесса определяется превалированием (оценивается по соотношению интенсивностей: скоростей, равенство означает химическое равновесие). В ходе реакции количество вещества может увеличиться, уменьшиться, не измениться. Термический механизм прямых цепных реакций окисления в процесах сгорания разработали Зельдович Я. Б., Звонов В. А., значительный вклад в теорию внесли Разлейцев Н. Ф., Воинов А. Н., Кошкин В. К., Иноземцев Н. В. [5].
В цилиндре и выпускной системе КДВС имеют место диссоциация и рекомбинация газов, составляющих рабочего тела (РТ). Эти процессы взаимосвязаны и взаимозависимы, противоположны: когда диссоциация интенсифицируется, рекомбинация подавляется. Диссоциация - реакция разложения, обратная для реакции окисления; рекомбинация - реакция объединения (ассоциации, например атомов в молекулу), подобна прямой реакции окисления.
Диссоциация газов при низкой температуре Т < 1750 К очень слабая, зачастую не учитывается, пренебрегается, при 1775 < Т < 2500 К - становится заметной, значимой, при 2500 < Т< 6000 К молекулы разлагаются на атомы, могут проявляться свойства плазмы, при Т < 4000 К начинается ионизация атомов [10]. Степень диссоциации возрастает при повышении температуры и снижении давления [11], влияние этих факторов с течением цикла КДВС противоположное. В КДВС все химические реакции, диссоциации и рекомбинации в т.ч., лимитированы временем: не достаточно - не могут произойти [1].
Тепловой эффект химической реакции зависит от температуры, при которой она происходит, и от изменения количества вещества. Если количество вещества увеличивается, РТ совершает работу за счет своей внутренней энергии, при этом температура понижается. Если количество вещества уменьшается, работу совершает внешняя среда, РТ получает теплоту и его температура повышается. Если же количество вещества не меняется, тепловой эффект отсутствует.
На осуществление диссоциации энергия затрачивается, при рекомбинации наоборот энергия выделяется (эндотермические и экзотермические реакции: идут с поглощением и выделением теплоты - количество равно выделяющемуся при прямой реакции). Это влечет изменение состава и состояния РТ, индикаторной работы цикла и энергии выпускного газа, направляющегося в турбину, перераспределение энергетического баланса.
Оптимальный энергетический баланс означает такое сочетание показателей эффективности, экономичности, мощности, прочности, др., которое обеспечивает соблюдение действующих экологических норм в т. ч. (на данном этапе скорее в первую очередь). При осуществлении цикла КДВС образуются вредные токсичные и канцерогенные вещества: окись углерода (угарный газ) СО, окись и двуокись азота N0, М02. Их происхождение связывают обычно с прямыми реакциями окисления, однако они есть следствие диссоциации и рекомбинации в т. ч. [5]: значительны
НАУКОВО-ТЕХН1Ч НА 1НФОРМАЦ1Я
корреляция эффектов реакций (максимумы концентрации и интенсификация), перекрытие областей определения по температуре.
Каждый горючий элемент углеводородного топлива окисляется в связи с конкретно сложившимися условиями (может происходить одновременно до 10-ти конкурирующих реакций - включая промежуточные), сущность процесса сгорания (набор реакций) определяется по превалированию. Обозначить сущность сгорания, ответить какая именно реакция произойдет, возможно, пользуясь законами химической термодинамики: по соотношению констант равновесия и состоянию химического равновесия. При этом определяются состав РТ, температуры сгорания теоретическая и калориметрическая (действительная) - с учетом снижения ввиду диссоциации [1, 2, 10].
В общем случае в течение цикла КДВС в РТ могут быть представлены составляющие, молекулы: N О2 - азот и кислород; N0^ N0, N0^ ^03, ^04, ^05, - различные окислы азота: окись, двуокись и др.; СО2, Н2Огаз - углекислый газ и вода в парообразном состоянии; СО, Н2 - окись углерода и водород; атомы: N О, Н - азот, кислород, водород; 0Н - гидроксильная группа; происхождение и состояние составляющих (молекула, атом): исходное состояние, продукты полного и неполного окисления (сгорания), диссоциации и рекомбинации, распада на атомы и ионизации. N0 , в отличие от др., образуются вне связи с процессом сгорания: вне пламени в высокотемпературной зоне продуктов сгорания (ПС, т.н. термический механизм), причем N0 - в цилиндре ДВС, N02 - в выпускной системе и окружающей среде после выпуска отработавшего газа. С - углерод в виде сажи (графит), продукт сгорания топлива - твердое агрегатное состояние, не является составляющей РТ.
Реакции диссоциации газов приведены в табл. 1. С течением цикла количества составляющих РТ меняются, в определенные периоды некоторые могут отсутствовать; количества составляющих возможно рассчитать по стехио-метрическим соотношениям [5, 7], состав молекулярных ПС приведен в табл. 2.
Таблица 1 - Реакции при стандартных атмосферных условиях и области значимой диссоциации газов
Реакция Т, К Источник
СО2 + 405260 Дж/моль ^ С + О2 1800 ... 2500 [3, 12]
2С02 + 273000 Дж/моль ^ 2С0 + О2 [2]
2СО + 238300 Дж/моль ^ 2С + О2 [3]
2Н2О + 484360 Дж/моль ^ 2Н2 + О2 1900... 2500 [3, 6, 12]
2Н2О + 564000 Дж/моль ^ Н2 + 2ОН; 2200 ... 2800
2Ш2 + 111790 Дж/моль ^ 2Ш + 02 2300 ... 2500 [2, 12, 13]
Н2 + 435000 Дж/моль ^ 2Н 2500 ... 2800 [10, 12]
О2 + 494000 Дж/моль ^ 2О 2500 ... 2800 [10, 12]
Qх Дж/моль — тепловой эффект
Таблица 2 - Состав продуктов сгорания ДВС по объему, % [5]
Газ 02 С02 С0 Н20, пар N0*
Бензиновый 74.77 0.3.10 5.12 4.5 3.0.5.5 0.01.0.8
Дизель 74.78 2.18 1.12 0.1.0.3 0.5.9.0 0.004.0.5
МОх: N0 — 95 ... 99 %, N02 — остальное; N20^, NО5 — пренебрежимо мало
В [1, 5, 9, 14] тепловые эффекты реакций окисления и диссоциации N ^03, ^04, ^05 оставлены без внимания; в практических целях использовался и более урезанный список: СО2, Н2Огаз [2, 3]. Количество ^ и N0^ в ПС ДВС на 23 порядка меньше каждой наиболее представленной составляющей (табл. 1) и их долей в энергетическом балансе без ущерба достоверности можно пренебречь.
За основу принята известная расчетная методика [8] и соответствующее программное обеспечение БУ8-2. Настоящая методика учитывает энергию, участвующую в реакциях диссоциации и рекомбинации составляющих РТ, ниже приводятся ее отличительные особенности.
Уравнение энергии РТ
ёТ + dQw - dQдиC) - Т — - (к -1)^Т .
С„ш т V
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш №2, 2014
159
Теплота, затраченная на диссоциацию составляющих РТ
n
Qöna =Z(a' V • Qx )г , i
где i, n - порядковый номер и количество газов;
а - степень диссоциации;
V - парциальный объем;
Qx - тепловой эффект химической реакции.
Уравнение состояния РТ
dp = dm dT dV
p m T V
Рассчитан цикл автомобильного бензинового четырехтактного двигателя МеМЗ-307, учитывалась диссоциация
двух составляющих РТ: СО2, Н2Огаз. Установлена индикаторная работа цикла L. = 364 Дж и затраты энергии топлива в
связи с диссоциацией за цикл Q = 16 Дж, в принятых ограничениях погрешность базовой методики составляет 4,4 %.
Полученные результаты согласуются с оценкой И. И. Вибе [6], заниженные результаты поясняются учетом диссоциации не всех составляющих РТ.
Список литературы
1. Болдырев О. И. Необходимость учета равновесного состояния продуктов сгорания при термодинамических расчетах ГТД / О. И. Болдырев // Молодой ученый. - 2011. - № 7. - Т.1. - С. 19-24.
2. Щукин А. А. Газовое и печное хозяйство заводов / Щукин А. А. - М.-Л. : Энергия, 1966. - 232 с.
3. Дьяченко В. Г. Теория двигателей внутреннего сгорания : учебник / Дьяченко В. Г. - Харьков : ХНАДУ, 2009. - 500 с.
4. Путилов К. А. Курс физики. Том I. Механика. Акустика. Молекулярная физика. Термодинамика / Путилов К. А. - М. : ГИ ФМЛ, 1963, 560 с.
5. Двигуни внутршнього згорання: сер1я пщручниюв у 6 томах. Т. 5. Екологтзащя ДВЗ / за ред. Марченка А. П., Шеховцова А. Ф. -Харюв : Прапор, 2004. - 360 с.
6. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей / Вибе И. И. - М. : Машгиз, 1962. - 272 с.
7. Двигатели внутреннего сгорания : Теория поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М. : Машиностроение, 1983. - 372 с.
8. Егоров Я. А. Физико-математическая модель рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания автотракторного типа : Учебное пособие. - К. : УМК ВО, 1991. - 56 с.
9. Мехтиев Р. И. Расчет концентрации равновесных продуктов сгорания топливовоздушных смесей в ДВС / Мехтиев Р. И., Посвянский В. С., Багиров Х. Б. // Исследование, расчет, конструирование и испытание двигателей. - Харьков : ХПИ, 1981. -Вып. 3. - С. 13-15.
10. Беляев Н. М. Термодинамика / Беляев Н. М. - К. : Вища шк., 1987. - 344 с.
11. Эстеркин Р. И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива : справочное руководство / Эстеркин Р. И., Иссерлин А. С., Певзнер М. И. - Л. : Недра, 1981. - 424 с.
12. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент : справочник / под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. -М. : Энергоатомиздат, 1988. - 560 с. - (Теплотехника и теплоэнергетика; Кн. 2).
13. Крестовников А. Н. Химическая термодинамика / Крестовников А. Н., Вигдорович В. Н. - М. : Металлургиздат, 1962. -280 с. - С. 152.
14. Бондаренко Е. В. Образование окислов азота при сгорании моторных топлив / Бондаренко Е. В., Ерохов В. И. - http:// vestnik.osu.ru/2004_5_1/5.pdf
Одержано 23.04.2015
© Канд. техн. наук В. А. Мазин
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
Mazin V. Effects of gases dissociation during realization of working cycle of
combined internal combustion engine
