CC BY
12«щ
Альтернативные топлива
Особенности развития топливных факелов в цилиндре дизеля при работе на этаноле
В.А. Лиханов,
заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», д.т.н., А.С. Полевщиков,
инженер ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», аспирант
Приведены результаты исследований двигателя Д-120 (2Ч10,5/12,0) при работе на этаноле с использованием двойной системы топливоподачи. Рассмотрены процессы впрыскивания дизельного топлива и этанола, смесеобразования и сгорания топлив в цилиндре дизеля на установившихся режимах. Изучена теоретическая возможность расширения топливной базы имеющихся современных дизелей путем применения этанола. Описано влияние применения этанола на смесеобразование и сгорание.
Ключевые слова: дизель, этанол, двойная система топливоподачи, процессы впрыскивания и смесеобразования, сгорание.
На базе научно-исследовательской лаборатории кафедры ДВС Вятской ГСХА проведены исследования с целью улучшения экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле с двойной системой топливоподачи (ДСТ) путем снижения содержания токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ). В результате применения этанола было достигнуто определенное улучшение экологических и эффективных показателей [1, 2].
Рассмотрим процессы, происходящие в цилиндре дизеля и приведшие к положительным результатам. Как известно, получить в дизеле с полусферической камерой, в частности в дизеле 2Ч 10,5/12,0, управляемое сгорание с плавным нарастанием давления, определяемым законом подачи топлива, можно, применяя так называемое ступенчатое впрыскивание с подачей вначале небольшой порции топлива, а затем его основной массы.
Вариантом ступенчатого
впрыскивания можно считать процесс, осуществляемый с помощью дополнительной системы топливоподачи. В этом случае возможно применение двух топлив: основного и запального. Основным топливом в рассматриваемом случае является этиловый спирт, запальным - дизельное топливо, которое необходимо для протекания предпламенных реакций, инициирования воспламенения и горения топлив в цилиндре дизеля. Запальное дизельное топливо также необходимо из-за низкой способности этилового спирта к самовоспламенению при сжатии в цилиндре дизеля.
Для быстрого и полного сгорания жидкого топлива при впрыскивании необходимо обеспечить максимальную поверхность контакта жидкости с воздухом для интенсивного тепломассообмена и наибольший объем смеси, охваченной факелом, для более полного
использования воздуха. В рассматриваемом дизеле это достигается за счет строгой ориентации сопловых отверстий распылителя и, следовательно, струй топлива относительно камеры сгорания, что и приводит к оптимальному смесеобразованию.
В дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле с ДСТ смесеобразование осуществляется в полусферической камере сгорания (КС), расположенной в поршне со смещением к форсункам (рисунок), и обеспечивается кинетической энергией впрыснутого топлива и энергией воздушного заряда. Топливо в КС впрыскивается распылителями. Штатные распылители с тремя сопловыми отверстиями используются для подачи этанола. Для подачи запальной порции ДТ используются распылители оригинальной конструкции также с тремя сопловыми отверстиями, расположенными в носке распылителя под углами, ориентированными по осям впрыскивания этанола. Диаметры сопловых отверстий
I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.
Альтернативные топлива
ш
распылителей - 0,30 мм каждое, эффективное проходное сечение отверстий - ^ = 0,162.. .0,182 мм2.
При ДСТ большое влияние на мощностные и экологические показатели дизеля оказывают диаметр и взаимное расположение сопловых отверстий распылителя. Диаметр выбирался исходя из условия обеспечения требуемой дальнобойности топливного факела, а расположение - исходя из необходимости достижения пересечения факелов запального ДТ и этанола.
Феноменологическая многозонная модель смесеобразования разработана для использования в дизелях с непосредственным впрыском. Основные процессы в цилиндре - впрыскивание, образование аэрозоля, испарение капель, воздушно-топливное смешивание, взаимодействие струй и стенок КС, воспламенение и горение топлива - являются основополагающими при анализе. Для того, чтобы смоделировать процессы, происходящие в цилиндре дизеля в широком диапазоне оборотов двигателя, нагрузку и состав топливовоздушной смеси в переходных режимах, были учтены характер распределения скорости частиц топлива в струе, местные завихрения, свойства газов в цилиндре и химические реакции сгорания топлива, в том числе твердого углерода.
Очень важным является понимание внутрицилиндровых процессов в целях обеспечения эффективных мер по сокращению выбросов загрязняющих веществ и оптимизации горения. Моделированиепроцессов является важным инструментом для понимания как процесса сгорания, так и проектирования двигателей.
Многие аспекты, например, точность определения выбросов выхлопных газов и изменения
давления в цилиндре, нуждаются в совершенствовании моделей процессов сгорания. Предлагаемая феноменологическая модель была разработана для анализа работы двигателя в установившемся рабочем состоянии.
Базовая концепция модели заключается в следующем. Топливо впрыскивается в камеру сгорания, разделенную условно на множество мелких зон. Процессы в каждой зоне, например, распад струи, испарение, воздушно-топливное смешивание, воспламенение, тепловыделение, теплообмен и образование выхлопных газов, прослеживаются и рассчитываются для определения зональных температур и состава смеси. Модель может содержать подмодели развития струи топлива, его смешивания с воздухом, испарения капель, теплоотдачи зон, сгорания, формирования токсичных компонентов и позволяет определять свойства газа и компоненты химического равновесия.
Выходящая из сопла струя под действием начальных возмущений в канале распылителя на выходе из него разделяется на отдельные нити и капли и под влиянием сил поверхностного натяжения, а также аэродинамического сопротивления сжатого в КС воздуха приобретает форму факела [3].
При рассмотрении элементарного объема топлива в ядре топливного факела можно предположить, что капли, двигаясь по следам предыдущих, практически не испытывают сопротивления среды, за исключением воздействия силы со стороны воздушного вихря в КС, который отклоняет факел и пары топлива от прямолинейного движения в направлении, перпендикулярном к оси соплового отверстия.
Интенсивного испарения и тепломассообмена в этот момент не происходит, но имеет место взаимная диффузия топлива и воздуха. Данные положения относятся в равной мере к обоим топливам - ДТ и этанолу.
Если принять, что в ядре факела воздух отсутствует, то есть а = 0, то по мере приближения к периферии факела концентрация топлива уменьшается, а коэффициент избытка воздуха повышается, и на внешней поверхности струи, точнее, в непосредственной близости от нее а =
Следовательно, можно предположить, что каждая из струй ДТ и этанола условно делится на пять зон (см. рисунок): обедненные зоны этанола 5 и ДТ 10, зоны, обогащенные этанолом 4 и ДТ 9, зоны, переобогащенные этанолом 3 и ДТ 8, оболочки факелов этанола 2 и ДТ 7, ядро факелов этанола 1 и ДТ 6.
Кинетическая энергия первых жидких частиц расходуется на преодоление сопротивления воздушного вихря, что проявляется в виде искривления траектории движения капель и потоков. При этом на границах соседних зон частицы из более глубоких зон имеют большую скорость, а соответственно и энергию, чем частицы внешних слоев, что позволяет им продвигаться на большие расстояния. Внешние же слои за счет сопротивления воздуха увлекаются воздушным вихрем и заменяются свежим воздушным зарядом.
Во фронтальных зонах 12-14 факелов ДТ начинается активное взаимодействие капель жидкого ДТ со струями этанола, стенками КС и воздушным вихрем, заключающееся как в силовом взаимодействии, выражающемся в столкновении
т
Альтернативные топлива
капель различных топлив, взаим- температуры капель. В частности,
ном проникновении потоков, тор- при вылете факела ДТ V из сопла
можении капель топлива, так и в форсунки образовавшееся ядро
тепловом, приводящем к росту факела увлекается воздушным
в г
Схема смесеобразования в КС дизеля 2Ч 10,5/12,0 при одновременном впрыскивании ДТ и этанола: 1 - ядро факела этанола; 2 - оболочка факела этанола; 3 - зона, переобогащенная этанолом; 4 - зона, обогащенная этанолом; 5 - зона обедненной этаноло-воздушной смеси; 6 - ядро факела ДТ; 7 - оболочка факела ДТ; 8 - зона, переобогащенная ДТ; 9 - зона, обогащенная ДТ; 10 - зона обедненной топливовоздушной смеси; 11 - зоны свежего воздушного заряда; 12-14 - зоны взаимодействия топливных факелов ДТ и этанола;
а - вид сбоку; б - вид сверху (расположение форсунок не указано); в - схема расположения факелов этанола; г - схема расположения факелов ДТ
вихрем. Его оболочка и внешние слои достигают факела этанола II. В зоне 12 происходит физическое взаимодействие факелов топлив. В свою очередь головная часть факела этанола II достигает стенки КС и оседает на ней. В связи с высокой теплотой парообразования происходит интенсивный теплообмен между этанолом и поверхностью КС. Далее этанол начинает интенсивно испаряться и распределяться по объему КС, увлекаемый воздушным вихрем.
В целом аналогичные процессы протекают и с факелами ДТ VI и этанола III. Отличие заключается в том, что наблюдается более глубокое взаимное проникновение факелов в связи с наличием воздушного вихря в КС, который переносит пары этанола навстречу факелу ДТ VI. У факела ДТ VI наблюдается более интенсивное торможение струи относительно других факелов ДТ из-за встречного движения воздушного вихря, что способствует более мелкому распыливанию ДТ и созданию оптимальных условий для самовоспламенения.
Зона взаимодействия 14 является более обширной по сравнению с зонами взаимодействия других факелов. В ней сосредоточена большая часть переобогащенной топливо-воздушной смеси, в которой происходит молекулярная диффузия трех компонентов - ДТ, этанола и воздуха. Эта зона впоследствии будет являться самым мощным источником воспламенения топливовоздушной смеси в КС и затем будет распространяться по всему объему КС.
Особенностью распространения топливного факела ДТ I является то, что он, находясь в центре КС поршня, мало подвержен влиянию воздушного вихря, однако его
Альтернативные топлива
т
головная часть взаимодействует со всеми тремя факелами этанола. Сам факел ДТ I практически полностью испаряется с образованием обедненной концентрации ДТ в данной части КС. В этом случае можно предположить, что капли ДТ из данного факела будут увлекаться потоком впрыскиваемого этанола и распространяться по всей КС.
Увеличение температуры капель достигается при полном испарении головных частиц факела или столкновении последующих частиц с головными. Вместе с тем взаимодействие капель ДТ и этанола также сопровождается теплообменом, взаимным нагревом, дроблением на более мелкие капли и т.д. Капли топ-лив и сопровождающий их воздушный поток начинают тормозиться, увлекая за собой соседние воздушные слои и капли, что характеризуется интенсивным нагревом частиц топлива, в первую очередь ДТ, из-за высокого коэффициента теплообмена и градиента температур. По мере прогрева может наступить момент, когда тепловой поток ослабнет вследствие уменьшения перепада между температурами воздушного заряда Т0 и капли. После достижения температуры начала кипения наступает фракционная разгонка капель ДТ, и нагрев остальных компонентов может происходить до температуры Т0. При проникновении частиц ДТ во фронтальную зону резко меняется характер тепломассообмена между частицами топлива и воздухом, причем, помимо подвода теплоты от свежего воздушного заряда, может возникнуть теплообмен при коагуляции частиц и диффузии.
Коагуляция частиц наблюдается в зоне взаимодействия факелов этанола III и ДТ VI из-за изменения режима движения, а именно - при
взаимном торможении головных капель факелов ДТ и этанола. В данной зоне также возможно локальное повышение температуры в результате указанного взаимодействия капель. Коагуляция может происходить в зоне взаимодействия факелов ДТ V и этанола II как результат большой концентрации топлив и возможного их оседания на поверхности КС.
Возможно испарение капель и без коагуляции, когда тепловой поток достаточно велик и имеются условия для мгновенного испарения головной капли при торможении в воздушном заряде без слияния ее с другой каплей. В данном случае возможен тепловой микровзрыв капель и их распад на большое количество более мелких частиц, разлетающихся в различные стороны во фронтальной зоне. В свою очередь каждая микрочастица, отлетая с большой скоростью, испаряется намного быстрее за счет увеличения поверхности раздела фаз. На интенсификацию испарения влияет и турбулентное движение воздушного заряда. При этом ускоряется диффузия паров жидкого топлива и воздушного вихря за счет гомогенизации в условиях увеличенной локальной турбулизации.
Также можно отметить, что в КС находятся зоны с различной
концентрацией ДТ и этанола, и это приводит к постоянной диффузии частиц в другие зоны. Следует учитывать, что пары топлива диффундируют с определенной конечной скоростью.
При анализе процессов смесеобразования и испарения топлив в КС дизеля следует учитывать, что этанол, имея существенно более низкую температуру кипения, чем ДТ, в большинстве своем испаряется и распределяется по объему КС. Из-за достаточно высокой теплоты парообразования происходит существенное охлаждение воздушного заряда на 110...120 °С [4], что намного превышает значения для работы по дизельному циклу. В свою очередь чрезмерное охлаждение заряда затрудняет испарение ДТ и, как следствие, его самовоспламенение.
С учетом этих особенностей можно предположить, что в КС дизеля имеются условия для протекания предпламенных реакций и самовоспламенения ДТ, а также последующего воспламенения этанола. Однако чрезмерноеуменьшениезапальной порции ДТ может привести к так называемому срыву пламени, что обусловлено недостаточным количеством капель ДТ, которое является основным элементом воспламенения этаноловоздушной смеси.
Литература
1. Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р., Полевщиков А.С., Долгих М.А., Верстаков С.А. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. - С. 62-64.
2. Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р., Полевщиков А.С., Долгих М.А., Верстаков С.А. Показатели процессов сгорания и тепловыделения в дизеле при работе на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 2. - С. 15-16.
3. Лиханов В.А., Полевщиков А.С. Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле с двойной системой топливоподачи: Монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. - 146 с.
4. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.:МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
