CC BY
28
DOI: 10.18721/JEST.251 05 УДК 621.43
В.А. Лиханов, О.П. Лопатин, А.Н. Козлов
Вятская государственная сельскохозяйственная академия, г. Киров, Россия МОДЕЛИРОВАНИЕ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ
Сажа — главная составляющая твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизелей; образуется из продуктов термического разложения углеводородного топлива. Предложена математическая модель для прогнозирования дымности отработавших газов дизелей на различных нагрузочных и скоростных режимах. По результатам численного моделирования получено текущее содержание компонентов газовой смеси в реакционной зоне в зависимости от угла поворота коленчатого вала и определены такие показатели сажесодержания в объеме цилиндра, как минимальный средний диаметр частиц, максимальная масса сажи, угол, соответствующий максимальному содержанию сажи, суммарная масса частиц сажи в цилиндре и суммарное сажевыделение. Проведены лабораторно-стендовые исследования дизеля 24 10,5/12,0 с определением индикаторного давления, индикаторной температуры газов в цилиндре, скорости тепловыделения и показателей токсичности и дымности отработавших газов. Результаты моделирования дымности отработавших газов дизеля подтверждены экспериментальными измерениями на различных режимах работы.
Ключевые слова: сажа, дымность, дизель, отработавшие газы, тепловыделение.
Ссылка при цитировании:
B.А. Лиханов, О.П. Лопатин, А.Н. Козлов. Моделирование сажеобразования в цилиндре дизеля // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 1.
C. 47-59. DOI: 10.18721/JEST.25105.
V.A. Likhanov, O.P. Lopatin, A.N. Kozlov
Vyatka state agricultural academy, Kirov, Russia
MODELING SOOT FORMATION IN CYLINDER OF DIESEL ENGINE
Soot is the main component of the solid particles contained in exhaust gases of diesel engines, which is formed from the products of thermal decomposition of hydrocarbon fuel. A mathematical model for predicting the fluidity of exhaust gases of diesel engines at different load and speed modes of operation is proposed. The current content of the gas mixture components in the reaction zone, depending on the angle of rotation of the crankshaft, was obtained by numerical simulation. Such indicators of soot content in the cylinder volume as the minimum average diameter of the particles, the maximum soot mass, the angle of the maximum soot content, the total mass of soot particles in the cylinder and the total soot release were determined. Laboratory and bench studies of diesel 2F 10.5/12.0 have been carried out, determining indicator pressure, indicator temperature of the gases in the cylinder, heat release rate and indicators of toxicity and smoke exhaust gases. The results of simulation of smokiness of the diesel exhaust gases are confirmed by experimental measurements in different operating modes.
Keywords: soot, smoke, diesel, exhaust gases, heat generation.
Citation:
V.A. Likhanov, O.P. Lopatin, A.N. Kozlov, Modeling soot formation in cylinder of diesel engine, St. Petersburg polytechnic university journal of engineering science and technology, 25(01)(2019) 47-59, DOI: 10.18721/JEST.25105.
Введение
Дизель — широко используемый двигатель, поскольку имеет высокую эффективность преобразования топливной энергии. Истощение невозобновляемых ископаемых ресурсов и загрязнение воздуха, вызывающее негативные последствия для здоровья человека, — две проблемы, стоящие перед всеми странами. С развитием автомобилизации они стали ещё более серьезными. В мире проводится множество исследований, направленных на повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания и снижение вредных выбросов [1, 2].
Сажа — главная составляющая твердых частиц, содержащихся в отработавших газах (ОГ) дизелей; она образуется из продуктов термического разложения углеводородного топлива. Мельчайшие частицы сажи долгое время могут находиться в воздухе, вызывая смог и ухудшая видимость. Твердые частицы создают широкий спектр пагубных последствий для здоровья человека. Они способны, проникая глубоко в легкие, вызывать респираторные и сердечно-сосудистые заболевания [3].
Хотя транспорт — ключевое звено в мировой экономике, он также является одним из основных факторов, влияющих на потребление энергии и выбросы загрязняющих веществ. Необходимо контролировать или ограничивать выбросы сажи для смягчения проблемы загрязнения, особенно в контексте двигателей внутреннего сгорания, применительно к которым законодательно ужесточаются правила по ограничению массы и количества частиц сажи. Это требует тщательного изучения процессов образования и горения частиц сажи в цилиндре дизеля. Поскольку процесс саже-выделения неразрывно связан с такими внут-рицилиндровыми процессами, как тепловыделение, испарение и сгорание топлива, то для повышения точности численного моделирования необходимо совершенствовать знания об этих процессах [4, 5].
Методика и расчетные исследования
На базе кафедры тепловых двигателей автомобилей и тракторов проводились стендовые исследования дизеля 24 10,5/12,0.
Основные характеристики и параметры режима работы этого дизеля следующие:
Тип дизеля .................................. С воздушным
охлаждением и полусферической камерой сгорания
Число цилиндров .................................... 2
Рабочий объем.................................... 2080 см3
Номинальная частота
вращения коленчатого вала...............1800 мин-1
Диаметр поршня ..................................10,5 см
Ход поршня ..........................................12,0 см
Степень сжатия ...................................... 16,5
Установочный угол опережения
впрыска топлива........................... 30 град. до ВМТ
Номинальная мощность .....................18,4 кВт
Среднее эффективное давление..........0,588 МПа
Удельный эффективный расход
топлива ........................................... 241,8 г/кВт-ч
Эффективный КПД .............................. 0,351
Двигатель, установленный на стенде, был оборудован датчиками давления Р8-01 в цилиндре и положения маховика относительно верхней мертвой точки (ВМТ). Сигнал с датчиков через усилитель и аналогово-цифровой преобразователь Ьа-2и8Б12 поступал на персональный компьютер. С помощью стандартных средств обработки циклического цифрового сигнала, реализованных в пакете базовых инженерных вычислительных программ, было выполнено наложение сигнала датчика давления в цилиндре дизеля (по соответствующим отметкам ВМТ) в многоцикловую матрицу [6].
По частоте дискретизации датчика определялась скорость вращения коленчатого вала дизеля в момент индицирования. Данные сопоставлялись с результатами измерения электронным цифровым тахометром ТЦ-1 во время стендовых испытаний. С помощью программного блока определялось максимальное значение функции давления в цилиндре (рис. 1) и его положение относительно ВМТ.
Давление, МПа
-130 -160 -140 -120 -100 -ВО -50 -40 -20
20 40 60 ВО 100 120 140 160 Угол 11KB
Рис. 1. Индикаторное давление в цилиндре дизеля 2410,5/12,0 на номинальном режиме в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ПКВ)
Fig. 1. Indicator pressure in the diesel cylinder 2F 10.5/12.0 at nominal mode depending on the angle of rotation of the crankshaft (RCS)
а) Тепловыделение
1
б) Скорость тепловыделения
0.07
Рис. 2. Интегральная характеристика активного (1) и полного (2) тепловыделения i и дифференциальная характеристика тепловыделения в цилиндре дизеля (б)
Fig. 2. An integral characteristic of active (1) and complete (2) heat dissipation (а) and differential characteristics of heat generation in the cylinder of a diesel engine (6)
Расчет индикаторной температуры газов в цилиндре, скорости тепловыделения, скорости отвода тепла производился по методике ЦНИДИ. Исходными данными для расчета служили энергетическая характеристика, расход топлива и коэффициент избытка воздуха, измерение которого производилось с помощью счетчика РГ-250, установленного перед впускным коллектором дизеля, и электронно-
го цифрового тахометра ТЭМП-4. Расход топлива измерялся электронным расходомером топлива АИР-50 [7].
Вычисление интегральной и дифференциальной характеристик тепловыделения, индикаторной температуры газов в цилиндре и скорости отвода тепла производилось по алгоритмам, реализованным в отдельных подпрограммах. Результаты расчетов представлены на рис. 2.
В точках пересечения дифференциальной характеристики и нулевой ординаты определены углы ПКВ, при которых начинается и заканчивается процесс сгорания. По результатам расчета конечное полное тепловыделение составило X = 0,98; активное тепловыделение в момент открытия выпускного клапана — Ха = 0,91. Угол начала сгорания составил 9,4 градуса ПКВ, а продолжительность сгорания — 84 градуса ПКВ. Период задержки воспламенения с учетом установочного угла начала подачи топлива (30 градусов ПКВ до ВМТ) составил 20,6 градуса. Скорость тепловыделения имеет два выраженных максимума, что соответствует современной теории процесса сгорания топлива в дизеле (рис. 2).
Для моделирования процессов образования сажи в цилиндре дизеля была использована двухзонная модель, согласно которой камера сгорания условно разбивалась на две зоны: образования сажи (глубокий пиролиз топлива) и выгорания. Геометрически зона выгорания сажи охватывает топливный факел снаружи, а зона образования сажи находится в высокотемпературных предпламенных участках с локальным коэффициентом избытка воздуха менее 0,7 (рис. 3) [8].
Концентрация частиц сажи
Рис. 3. Модель топливной струи: 1 — диффузионное пламя; 2 — жидкое топливо; 3 — пары топлива с каплями [9]
Fig. 3. Fuel jet model: 1 — diffusion flame; 2 — liquid fuel; 3 — fuel vapors with droplets [9]
В зоне пиролиза углеводородов топлива преимущественно происходил процесс нуклеа-ции сажи и гетерогенный рост поверхности частиц. В зоне горения идут процессы коагуляции и газификации частиц сажи. Для каждой из зон определялся локальный газовый состав и осредненные температуры участков.
Изначально принято, что в зоне пиролиза топлива содержится некоторое количество остаточных газов, испаренное топливо и воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и паров воды. Состав газов в зоне горения определялся по полуэмпирической модели Н.Ф. Раз-лейцева [10]. Текущее значение температуры Тв воздуха, не участвующего в сгорании топлива, рассчитывлось по уравнению адиабаты. Температура продуктов сгорания Тпс определялась для каждого момента цикла из уравнения баланса энтальпий с учетом потерь теплоты на недогорание топлива и диссоциацию продуктов сгорания, а также радиационных тепловых потерь из зоны реакции. В качестве определяющей температуры процесса образования сажи была принята средняя интегральная температура фронта пламени, усредненная в диапазоне от температуры воздуха до температуры продуктов сгорания по константе скорости гетерогенного процесса поверхностного роста частиц сажи при линейном профиле температур по фронту пламени (рис. 4).
В предпламенной реакционной зоне частица сажи зарождается из молекулярных предшественников, среди которых ключевым является ацетилен. После зарождения частиц и возникновения твердой фазы начинается рост частиц за счет гетерогенных реакций и коалесценции частиц. Предложено несколько механизмов (вариантов) процесса гетерогенного роста массы дисперсного углерода. Наибольшее распространение получил механизм НАСА (Нуёго-genAbstractionCarbonAddition), хотя в литературе были предложены и другие пути, такие,как механизм винилдобавления водорода (НАУА), механизм роста через конъюгированные полие-новые радикалы, фенильный механизм и др.
Определяющие температуры процесса сажевыделения, K
2500 -
2000
1500 -
1000 -
500 -
120 Угол град. ПКВ
Рис. 4. Определяющие температуры процесса сажевыделения Fig. 4. Determining the temperature of the process of soot
Маршрут механизма НАСА наиболее широко используется при моделировании образования сажи. Ключевую роль в кинетическом механизме играет ограниченное число компонентов (Н, О2, С2Н2, ПАУ). Установлено, что именно ацетиленовые и пропаргиловые соединения оказывают большее влияние на конечный выход сажи, по-
этому большинство исследователей используют ацетилен в качестве основного предшественника сажи. В работе [8] предложен кинетический механизм образования сажи в цилиндре дизеля, состоящий из относительно небольшого количества реакций, что позволяет существенно сократить время вычислений (см. табл.).
Механизм образования сажи в дизелях при работе на дизельном топливе [8] The mechanism of soot formation in diesel engines when working on diesel fuel [8]
Номер Реакция lgA B E
реакции
Термический крекинг углеводородов топлива
1 (СмНзо)п ^2СзНб+3,5С2Н4+ СН4 14 0 272
2 (СмНзо)н ^(СмНзо)п 14 0 272
3 (СбН4СНзСНз)А ^ СбН5СНз+0,5С2Н2+0,5Н2 1з,5 0 255
4 СзНб^ С2Н4+0,5С2Н2+0,5Н2 1з 0 з04
5 С2Н4^ С2Н2+Н2 11,5 0 265
6 СН4 ^ 0,5С2Н4+Н2 1з,5 0 з98
7 СбН5СНз^ 0,5С2Н4+0,5Н2+ СбН5 1з,5 0 з62
8 СбН5^ СбНз+Н2 1з,5 0 190
Механизм начальной стадии образования сажи
9 С2Н2^ С2Н + Н 1з,5 0 47з
10 С2Н2+ С2Н2^ С4Н3+Н 1з 0 190
11 С2Н2+ Н ^ С2Н+Н2 14,18 0 79,6
12 С2Н + Н+М ^ С2Н2+М 16,86 0,57з -81,5
Продолжение таблицы
Номер реакции Реакция lgA В Е
13 С2Н2+ С2Н ^ С4Н2+Н 13,6 0 0
48 Н + Н+М ^ Н2+М 16,99 -0,6 0
14 С4Н3^ С4Н2+Н 11,07 0 190
15 С4Н2+ М ^ С4Н+Н +м 17,54 0 335
16 С4Н + С2Н2^ С6Н3 11,81 0 27,2
17 С6Н3^ С6Н2+Н 13,5 0 190
18 С4Н + С2Н2^ С6Н2+Н 13,6 0 0
19 С6Н2+ М ^ С6Н+Н +м 16,7 0 335
20 С6Н + С2Н2^ С8Н3 11,81 0 27,2
21 С8Н3^ С8Н2+Н 13,5 0 190
22 С6Н + С2Н2^ С8Н2+Н 12,78 0 27,2
23 С8Н2+ М ^ С8Н+Н +м 16,7 0 335
24 С8Н + С2Н2^ С10Н3 11,81 0 27,2
25 СюШ^ С10Н2+Н 13,5 0 190
26 С8Н + С2Н2^ С10Н2+Н 12,78 0 27,2
27 С10Н2+ М ^ С10Н+Н +м 16,7 0 335
Образование зародышей
28 С10Н2 + С2Н ^ С12Н2+Н 12 0 0
29 С10Н + С2Н2 ^ С12Н2+Н 12,78 0 27,2
Гетерогенные реакции на поверхности частиц
30 С12Н2 + С2Н2 ^ С12Н2+Н2+С2 13,2 0 131
31 С12Н2 + С2Н ^ С12Н2+Н+С2 11,56 0,5 0
32 С12Н2 + С4Н2 ^ С12Н2+Н2+2С2 11,41 0,5 0
33 С12Н2 + С4Н ^ С12Н2+Н+2С2 11,41 0,5 0
34 С12Н2+С6Н2 ^ С12Н2+Н2+3 С2 11,33 0,5 0
35 С12Н2 + С6Н ^ С12Н2+Н+3 С 2 11,33 0,5 0
36 С12Н2 + С8Н2 ^ С12Н2+Н2+4 С2 11,27 0,5 0
37 С12Н2 + С8Н ^ С12Н2+Н+4 С 2 11,27 0,5 0
38 С12Н2 + С10Н2 ^ С12Н2+Н2+5 С2 11,22 0,5 0
39 С12Н2 + С10Н ^ С12Н2+Н+5 С 2 11,22 0,5 0
Гибель зародышей на частицах сажи
40 С12Н2 + С12Н2 ^ С12Н2+Н2+6 С2 11,19 0,5 0
Коагуляция частиц сажи
52 С12Н2 + С12Н2 ^ С12Н2 12,92 0,5 0
Окисление и газификация частиц сажи
41 (С12Н2+0,5 С 2)+ 02^ СО2+С12Н2 3,463 0 0
42 (С12Н2+0,5 С 2)+ 0,502^ СО+С12Н2 3,463 0 0
43 (С12Н2+0,5 С 2)+ С02^ 2 СО+С12Н2 3,463 0 0
44 (С12Н2+0,5 С 2)+ ШО^ СО+Н2 +С12Н2 3,463 0 0
Окисление углеводородов и реакции равновесия
45 С2Н2 + О2 ^ 2СО+Н2 9,221 1 163,2
49 2СО + Н2 ^ С2Н2+О2 - - -
46 Н2+0,5 02^ Н2О 14,56 0 28,7
Окончание таблицы
Номер реакции Реакция 1§А В Е
50 ШО^ Н2+ 0,5 О2 - - -
47 С0+0,5 02^ СО2 10,212 - 118,4
51 СО2 ^ С0+0,5 О2 - - -
53 СО+ ШО^ СО2+Н2 13,5 0 0
54 СО2 + Н2 ^ СО+ Н2О - - -
55 СН4 + СО2 ^ 2СО+2Н2 13,5 0 0
56 2СО+2Н2 -СШ + СО2 - - -
57 СН4 + СН4 ^ С2Н2+3Н2 13,5 0 0
58 С2Н2+3Н2 ^СН4 + СН4 - - -
В данной модели компонент С12Н2 представляет частицу сажи, которая рассматривается в качестве «крупной молекулы».
Для определения концентрации компонентов газовой смеси в реакционной зоне был использован метод решения прямой задачи химической кинетики. Скорость изменения концентрации г'-го компонента газовой смеси в предпламенной зоне может быть выражена уравнением
йМг ( йМ, Л ( йМ, Л (йМ, \
йф ^ йф )а ^ йф )к ^ йф
где ф — угол поворота коленчатого вала дизеля, град. ПКВ; йМ/йф — суммарная скорость изменения концентрации г'-го компонента газовой смеси; (йМг/йц>)а - скорость изменения концентрации г'-го компонента, связанного с подводом испаренного топлива; (йМг/йф)к — скорость изменения концентрации г'-го компонента вследствие предпламенных химических превращений топлива; (йМ/йф)х — скорость изменения концентрации г'-го компонента в процессе основного горения.
Количество йМг молей г'-го вещества, выводимого из зоны пиролиза, зависит от его объемной концентрации и пропорционально доле выгорающего топлива, моль/град ПКВ:
М - м,^-ив
йф аи-х где х — интегральная функция тепловыделения; ои — интегральный закон испарения топлива в камере сгорания.
Скорости химических превращений реагентов газовой смеси определяются по уравнению
йМг< -у,ЕЩ,
к }
йф
где у — объем реакционной зоны; Щ - скоростьу-й химической реакции кинетического механизма.
Скорости реакций рассчитываются по известным зависимостям с использованием справочных данных, приведенных в таблице.
Объем реакционной зоны определяется из расчета суммарного числа молей:
Ур - 83,14-Х
где Яг - количество молей г'-го компонента газа в расчете на кг ДТ; Тг - температура в реакционной зоне; Р - текущее давление в цилиндре.
Для определения массы сажи в цилиндре необходимо решить уравнение (1) относительно частиц С2. Учитывая реакций 30—44 таблицы уравнение (1) может быть представлено в виде
йМГ 1
-^ - Ис н А + -1-
С2Н 6пУ„
[К30 [С2Н2] +
й ф „„.р + К31 [С2Н] + 2(К32 [С4Н2 ] + К33 [С4Н]) +
+ 3(Кз4[СбН2] + Кз5[СбН]) + + 4(Кзб[С8Н2] + ^[^Н]) + (2)
+ 5( ^[С^] + Кз9[СшН]) +
+ 6К40 [С12Н2 ] - 0,5(К41 + К42 + К43 + + К44)] - мС2 В, где Мс2 - количество частиц С2 на поверхности частиц, моль/кг; Мс2я — начальное содержание С2; п - частота вращения коленчатого вала дизеля; А - относительная функция подвода
компонента газа в реакционную зону в процессе испарения топлива.
Для определения совокупной массы частиц сажи в зоне термического крекинга необходимо количество сажи умножить на молярную массу С2: Мобр = 24МС2.
Число N атомов углерода в частице сажи с её диаметром связано соотношением Бс = 0,2715.10-9^.
Поскольку в условиях дизеля сорбционные реакции на поверхности частицы сажи протекают практически мгновенно, химический процесс горения углеродных частиц лимитируется скоростью диффузии, которая зависит от условий протекания рабочего процесса. Это значит, что скорость выгорания сажи определяется концентрацией основных окислительных компонентов в газовом потоке.
Скорость газификации твердого углерода в зоне выгорания сажи определяется по уравнению [9]
dN,
сг
d ф
Nc Fy J с 4 • 6n '
(5)
где /с - суммарный поток углерода, г/(м2 с); Иу - удельная поверхность частиц сажи, г/м2.
Величина /с рассчитывается по выражениям для всех реакций газификации свободным, оставшимся от сгорания топлива кислородом воздуха, углекислым газом и парами воды частиц сажи. Состав продуктов сгорания и величина потока углерода рассчитываются по отдельным подпрограммам (рис. 5).
С началом активного тепловыделения концентрация кислорода в локальной зоне горения постепенно падает и достигает минимальных значений после второго максимума скорости тепловыделения. Дальнейший рост концентрации кислорода связан с его диффузией в зону горения, вызванной ростом температуры газов и окончанием фазы диффузионного сгорания. Снижение концентраций углекислого газа и воды в зоне горения вызвано их отводом в зону продуктов сгорания и расходом на окисление сажи [11, 12].
а) Продукты сгорания,
%
б)
Угол ПКВ
Рис. 5. Состав газов в зоне выгорания частицы сажи Fig. 5. Composition of gases in the burn-up zone of soot particles
Парафины
Нафтены
0.3
0.2 0.1 0 -0.1
Ароматики
0.03
0.02
0.01
20 40 60 Угол ПКВ
20 40 6С Угол ПКВ
С2Н2
0.3
н •
0 20 4С 60 Угол ПКВ
Н2О
Угол ПКВ
20 40 50 Угол ПКВ
Моль частиц •
1
60 Угол ПКВ
Рис. 6. Содержание, моль/кг, компонентов газовой смеси в предпламенной зоне Fig. 6. The content, mol/kg, of components of the gas mixture in predpremerny area
Результаты и обсуждение
В результате численного решения системы уравнений получаем текущее содержание компонентов газовой смеси в реакционной зоне (рис. 6).
Концентрация кислорода, поступающего вместе с воздухом в реакционную зону, очень
быстро падает после начала активного тепловыделения. Вместе с этим на короткое время растет содержание продуктов полного сгорания углеводородов топлива. Затем начинается рост содержания продуктов глубокого пиролиза в реакционной зоне - ацетилена и метана. Подходящий в зону реакции кислород быстро
2
а) Диаметр частиц
3&
б) Количество частиц сажи, 105
Масса сажи 0.9
Рис. 7. Показатели сажесодержания в цилиндре дизеля в зависимости от угла ПКВ Fig. 7. Indicators of soot content in the diesel cylinder depending on the angle of the RCS
расходуется на реакции окисления и выводится с продуктами сгорания, поэтому его концентрация квазистационарна. Ускоренный гетерогенный рост сажи происходит при высокой температуре в реакционной зоне и достаточной концентрации углеводородного «сырья», в том числе молекул ацетилена. Падение массы сажи, выраженное в молях частиц С2, связано с выходом частиц сажи из реакционной зоны [13].
Частицы сажи в предпламенной зоне формируются с некоторой задержкой после начала тепловыделения при гомогенном горении топлива. При этом проявляется первый пик концентрации частиц. Как видно по результатам численного моделирования, большая часть частиц образуется при диффузионном сгорании
топлива. Частицы сажи продолжают образование до момента окончания подвода испаренного топлива в реакционную зону. Скорость образования частиц замедляется с увеличением скорости расходования зародышей сажи на гетерогенный рост дисперсного углерода на поверхности. Уменьшение количества частиц в зоне образования связано с процессом коагуляции и отводом частиц из зоны реакции [14].
Суммарные показатели сажесодержания в объеме цилиндра представлены на рис. 7. По результатам численного моделирования установлено, что минимальный средний диаметр частиц в цилиндре составляет 0,8 нм при угле 3,3 град. ПКВ до ВМТ. Максимальное количество частиц составило 2-1015 при 0,5 градусов ПКВ. Максимальная масса сажи в цилиндре
превысила 0,82 мг. Угол, соответствующий максимальному содержанию сажи, — 19,2 град. ПКВ. В дальнейшем скорость газификации превысила скорость гетерогенного роста частиц сажи, и масса дисперсного углерода начала снижаться. Вместе с тем падала температура процесса выгорания, однако диффузия окислителя из участков камеры сгорания, не охваченных пламенем, поддерживала процесс интенсивной газификации. В результате суммарная масса частиц сажи в цилиндре упала до 0,279 мг при открытии выпускного клапана. При этом интенсивность процесса газификации существенно сократилась и не играла большой роли в суммарном сажевы-делении. Учитывая падение температуры продуктов сгорания в выпускной системе дизеля, можно принять массу сажи при открытии выпускного клапана равной массе сажи при измерении в ОГ дизеля. При этом концентрация сажи в ОГ изменяется, поскольку изменяются параметры состояния газа [15].
Максимальная расчетная концентрация сажи в цилиндре достигается при 15 град. ПКВ после ВМТ и составляет 8,7 г/м3. В ОГ концентрация падает до 0,348 г/м3, что соответствует 4,8 ед. по шкале Bosch. Средний расчетный диаметр частиц сажи при открытии выпускного клапана составляет 30,5 нм. Расчетное количество частиц сажи средним диаметром 30,5 нм и плотностью 1,9 г/см3 при открытии выпускного клапана составляет 9,84-1012 шт.
Заключение
По результатам численного моделирования получено содержание компонентов газовой смеси в реакционной зоне в зависимости от угла поворота коленчатого вала и определены такие показатели сажесодержа-ния в объеме цилиндра, как минимальный средний диаметр частиц, максимальная масса сажи, угол, соответствующий максимальному содержанию сажи, суммарная масса частиц сажи в цилиндре и суммарное сажевыде-ление.
Рассчитанная динамика показателей саже-выделения в целом соответствует современным представлениям о механизме и основных этапах процессов образования и выгорания сажи в дизеле. Результаты моделирования дымности ОГ дизеля подтверждаются экспериментальными измерениями на различных режимах работы дизеля. Следовательно, представленная модель может быть использована для прогнозирования дымности ОГ дизелей при различных нагрузочных и скоростных режимах работы.
Авторы выражают глубокую благодарность за помощь и участие в выполнении отдельных этапов работы по моделированию сажеобразования в тепловых двигателях академику РАН, научному руководителю Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Юрию Сергеевичу Васильеву.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Ю.С. Избранные сочинения. Экология. Охрана окружающей среды: сборник статей. Санкт-Петербург: Изд-во Политехи. университета, 2017. 220 с.
2. Frances C. Moore. Climate change and air pollution: exploring the synergies and potential for mitigation in industrializing countries // Sustainability. 2009. №1. P. 43-54.
3. Sanli H., Canakci M., Alptekin E. [et al.]. Effects of Waste Frying Oil Based Methyl and Ethyl Ester Biodiesel Fuels on the Performance, Combustion and
Emission Characteristics of a di Diesel Engine // Fuel. 2015. Vol. 159. P. 179-187.
4. Arent D.J., Wise A., Gelman R. The status and prospects of renewable energy for combating global warming // Energy Economics. 2011. Vol. 33. Issue 4. P. 584-593.
5. Titak W., Szwaja S., Lukacs K. [et al.]. Alcohol-Diesel Fuel Combustion in the Compression Ignition Engine // Fuel. 2015. Vol. 154. P. 196-206.
6. Козлов А.Н., Арасланов М.И. Определение оптимальных установочных углов опережения
впрыскивания топлива дизеля 24 10,5/12,0 при работе на этаноле и рапсовом масле // Аграрный научный журнал. 2014. № 6. С. 47-49.
7. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение токсичности отработавших газов автомобильного дизеля конвертацией на спирто-топливные эмульсии // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22. №10. С. 54-59.
8. Кожин Д.В. Физико-химические основы математического моделирования процесса образования и выгорания сажи в дизельных ДВС: Монография. Йошкар-Ола: Изд-во Поволжского государственного технологического университета, 2015. 176 с.
9. Агафонов Г.Л., Власов П.А., Рябиков О.Б. Численное моделирование снижения образования твердых частиц сажи в камере сгорания дизелях // Горение и взрыв. 2017. Т. 10. № 3. С. 15-21.
10. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа, 1980. 169 с.
11. Kopeika A.K., Golovko V.V., Zolotko A.N. [et al.].
Influence of Biofuel Additions on the Ignition Delay of Single Diesel Fuel Drops // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2015. Vol. 88. № 4. P. 948-957.
12. Mwangi J.K., Lee W.J., Chang Y.C. [et al.]. An
Overview: Energy Saving and Pollution Reduction by Using Green Fuel Blends in Diesel Engines // Applied Energy. 2015. Vol. 159. C. 214-236.
13. Lif A., Holmberg K. Water-in-diesel emulsions and related systems // Advances in Colloid and Interface Science. 2006. Vol. 123. № 126. P. 231-239.
14. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. № 12. P. 935-944.
15. Torres-Jimenez E., Jerman M.S., Gregorc A. [et al.]. Physical and Chemical Properties of Ethanol-Diesel Fuel Blends // Fuel. 2011. Vol. 90. № 2. C. 795-802.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ЛИХАНОВ Виталий Анатольевич — доктор технических наук профессор Вятской государственной сельскохозяйственной академии E-mail: [email protected]
ЛОПАТИН Олег Петрович — кандидат технических наук доцент Вятской государственной сельскохозяйственной академии E-mail: [email protected]
КОЗЛОВ Андрей Николаевич — ассистент Вятской государственной сельскохозяйственной академии
E-mail: [email protected]
Дата поступления статьи в редакцию: 21.01.2019
REFERENCES
[1] Vasilyev Yu.S. Izbrannyye sochineniya. Ekologiya. Okhrana okruzhayushchey sredy: sbornik statey. Sankt-Peterburg: Izd-voPolitekhn. Universiteta, 2017. 220 s. (rus.)
[2] Frances C. Moore Climate change and air pollution: exploring the synergies and potential for mitigation in industrializing countries. Sustainability. 2009. № 1. P. 43-54. (rus.)
[3] Sanli H., Canakci M., Alptekin E. [et al.]. Effects of Waste Frying Oil Based Methyl and Ethyl Ester Biodiesel Fuels on the Performance, Combustion and Emission Characteristics of a di Diesel Engine. Fuel. 2015. Vol. 159. P. 179-187.
[4] Arent D.J., Wise A., Gelman R. The status and prospects of renewable energy for combating global warming. Energy Economics. 2011. Vol. 33. Issue 4. P. 584-593.
[5] Titak W., Szwaja S., Lukacs K. [et al.]. Alcohol-Diesel Fuel Combustion in the Compression Ignition Engine. Fuel. 2015. Vol. 154. P. 196-206.
[6] Kozlov A.N., Araslanov M.I. Opredeleniye op-timalnykh ustanovochnykh uglov operezheniya vpryskivaniya topliva dizelya 2Ch 10,5/12,0 pri rabote na etanole i rapsovom masle. Agrarnyy nauchnyy zhur-nal. 2014. № 6. S. 47-49. (rus.)
[7] Likhanov V.A., Lopatin O.P. Snizheniye toksichnosti otrabotavshikh gazov avtomobilnogo dizel-ya konvertatsiyey na spirto-toplivnyye emulsii. Ekologi-ya ipromyshlennost Rossii. 2018. T. 22. №10. S. 54-59.
[8] Kozhin D.V. Fiziko-khimicheskiye osnovy ma-tematicheskogo modelirovaniya protsessa obrazovaniya i vygoraniya sazhi v dizelnykh DVS: monografiya. Yosh-kar-Ola: Izd-vo Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta, 2015. 176 s. (rus.)
[9] Agafonov G.L., Vlasov P.A., Ryabikov O.B. Chislennoye modelirovaniye snizheniya obrazovaniya tverdykh chastits sazhi v kamere sgoraniya dizelyakh. Goreniye i vzryv. 2017. T. 10. № 3. S. 15-21. (rus.)
[10] Razleytsev N.F. Modelirovaniye i optimizatsi-ya protsessa sgoraniya v dizelyakh. Kharkov: Vishcha shkola, 1980. 169 s. (rus.)
[11] Kopeika A.K., Golovko V.V., Zolotko A.N.[et al.]. Influence of Biofuel Additions on the Ig-
nition Delay of Single Diesel Fuel Drops. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2015. Vol. 88. № 4. P. 948-957.
[12] Mwangi J.K., Lee W.J., Chang Y.C. [et al.]. An Overview: Energy Saving and Pollution Reduction by Using Green Fuel Blends in Diesel Engines. Applied Energy. 2015. Vol. 159. S. 214-236.
[13] Lif A., Holmberg K. Water-in-diesel emulsions and related systems. Advances in Colloid and Interface Science. 2006. Vol. 123. № 126. P. 231-239.
[14] Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants. Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. № 12. P. 935-944.
[15] Torres-Jimenez E., Jerman M.S., Gregorc A. [et al.]. Physical and Chemical Properties of Ethanol-Diesel Fuel Blends. Fuel. 2011. Vol. 90. № 2. S. 795-802.
THE AUTHORS
LIKHANOV Vitalii A. - Vyatka state agricultural academy E-mail: [email protected]
LOPATIN Oleg P. - Vyatka state agricultural academy E-mail: [email protected]
KOZLOV Andreii N. - Vyatka state agricultural academy E-mail: [email protected]
Received: 21.01.2019
© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019
