Сгорание метана в дизелях

В настоящее время наблюдается постоянный рост цен на заправочных станциях: в 2021 г. подорожание бензина и дизельного топлива происходило 30 раз, что составило 8,84 % [8]. Несмотря на рост цен, потребность дизельного топлива с каждым годом увеличивается из-за возрастания количества автомобилей, работающих на дизельном топливе.

Работа дизельного двигателя сопровождается повышенной дымностью на больших нагрузках. Процесс сгорания камеры переменного объема состоит из лучистого и конвективного теплообмена. Образование сажи (дымности) рабочего процесса характеризуется лучистым теплообменом. Анализируя состояние с использованием моторных топлив, делаем вывод, что таким топливом уже в ближайшее время могут быть этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз. Замене традиционных источников энергии на альтернативные в настоящее время уделяется огромное внимание [1-5].

Условия и методы

При сгорании метана ( СН 4 ) в автотракторных двигателях наблюдается снижение образования сажи (дымности), окислов азота ( NO х ) и других токсичных компонентов. Объясняется это увеличением продолжительности процесса сгорания, вызывающим снижение максимальной температуры цикла и более полного окисления продуктов сгорания.

Результаты и обсуждение

Рассмотрим влияние изменения теплового баланса двигателя с учетом лучистого и конвективного теплообмена. Исследованиями Л.М. Белинского [3, 5] установлено следующее:

• 1)    излучение в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является сплошным в течение всего интервала свечения пламени;

• 2)    коэффициент излучения пламени при сгорании топлива в цилиндре двигателя не зависит от длины волны;

• 3)    температура сажистых частиц, являющихся источником теплового излучения, на 25 - 45 % выше температуры газа.

Светящееся пламя, образующееся в цилиндре дизеля при сгорании топлива, излучает и поглощает энергию во всех спектрах длин волн. При сгорании топлива пламя фиксируется с момента резкого нарастания давления и продолжает свечение на линии расширения [1]. Конец свечения пламени обычно соответствует положению вала 60 - 90 ° после верхней мертвой точки (ВМТ).

По данным Л.М. Белинского, температура газа достигает максимума при 30 ° угла поворота коленвала после ВМТ, в пламени - 30 - 40 ° . Температура пламени соответствует процессу сгорания и образования при этом сажистых частиц, а температура газа – суммарному эффекту, включающему работу газа, изменение его внутренней энергии, диссоциацию и диффузию в объеме камеры сгорания.

Расчеты, связанные с лучистым теплообменом в камере сгорания дизеля при работе на различных видах топлива, целесообразно производить не для усредненных, а для местных значений текущих параметров. Тепло, выделяющееся при сгорании топлив, идет на изменение внутренней энергии газа и совершение им внешней работы, что составляет индикаторные показатели. Остальная часть введенного тепла отдается стенкам за счет конвекции и радиации, а также расходуется на диссоциацию газа.

Коэффициент тепловыделения на основании первого начала термодинамики для элементарного участка рабочего хода двигателя запишем:

nq = (1- V )п О^н Ny- = [ ^^iCi lY ^"^ —( ^т ” ^ 1 + ^а ‘ ^ ‘ СТ- _— Т )1 ^^          (1)

‘ i^^P i [3600 [\100/ \100/ ] 3600 ^ ‘    W^J бп, где Qi – тепло, отведенное в охладительную среду; Ψi – характеристика горения по И.И. Вибе; qц - удельная теплота сгорания в цилиндре [Дж/м3]; Qp - низшая теплотворность топлива; Дхi -относительное тепловыделение при сгорании топлива; Fi – текущая поверхность теплообмена цилиндра; Ci - приведенная текущая излучательная способность факела; a - текущее значение коэффициента теплоотдачи конвекцией; Tni, Ti – текущие значения температур пламени и газов в цилиндре; Tw – температура стенок камеры сгорания; ∆Yi – элементарный угол поворота коленвала; n – частота вращения коленвала в минуту.

Приращение относительного тепловыделения на участке ∆ Y i равно:

ДХ, = ^Ду = 6,91 — P) ^Z_e^-6,^91(Y i ^/Y z ^)Z+1 -ду, ¹ ДY_i¹ ,      Y_t YY_Z)                             ^l ’

где z – характеристика горения; e – число Эйлера; Y z – условная длительность процесса сгорания.

Температура сажистых частиц в рассматриваемом процессе – наибольшая температура (≈ 2500 К) в данной системе тел ( Т г ≈ 1850 К).

В связи с этим целесообразно ввести понятие относительных температур газов Q i = T i / T ni и стенок Q w = T w / T ni .

После преобразования приведенные зависимости будут равны:

„     z + 1/Ya^z -^VYiV*¹

(1- ^dq^g '^^Yy) ^e ' =

= 3^ 'тА^П, -10 ^-8 (1-9Ь) + « i T „_l ( e _l - ад.               (3)

Температура стенок камеры сгорания T w существенно ниже температуры пламени – Q w <  1, а θ w → 0. В первом приближении не считаются и с θ w . Далее найдем:

Yi.^*¹ (1- _y i )q_uQ H . 6,9^^) e-⁶'^91Y Yz)

3600-6П              ₈

---- =1+ ^-1°^ ,

^ 11

^Y i ^Y z

F i E i C_sTA10^-8

где ε i – приведенная степень черноты системы; С s – излучательная способность абсолютно черного тела; θ i – относительная температура газов.

Выражение в левой части уравнения есть отношение теплосодержания газов в данный момент к теплу, переданному лучеиспусканием на стенку гильзы цилиндров, поршень и головку цилиндров, представляет собой критерий Больцмана В 0 . Отношение введенного в цилиндр А к количеству тепла, переданного лучеиспусканием Б, можно назвать критерием Больцмана для камеры сгорания двигателя:

„ zYi^*

_ _д_ 6,91- 3600ц^^_е^^^ _n

^0l = Б =            10^-8-4.96F _i £ _i C _s T^ _i

Далее приводим к виду зависимость:

_ (1-Vi)Boi-1 °l=

где M= “i10з - коэффициент, который зависит от угла поворота коленчатого вала, так же как EiCsTni" "

и величина ψ i . В связи с этим уравнение можно привести к виду:

6i = acB0i-bi,(7)

где a i и b i – коэффициенты, зависящие от типа двигателя и угла Y i .

Для ориентировочных расчетов, по данным Л.М. Белинского, можно принять зависимость

6*i = е%р[-0,106 • (2B01)0,24].(8)

Эта зависимость учитывает тот факт, что при малых значениях Y i , соответствующих началу горения, численное значение критерия B 0i велико и ему отвечают малые значения относительной температуры газов θ i . По мере развития процесса горения, т. е. с ростом Y i , критерий B 0 уменьшается, а θ i стремится к единице.

Степень черноты светящегося пламени определяют по уравнению:

е£ = 1 — е 1,зр^эф

где р i – текущее давление в цилиндре; l эф – эффективная толщина излучающего слоя.

Основной величиной, определяющей силу излучения пламени, является концентрация сажистых частичек в единице объема.

Лучистый тепловой поток, согласно закону Стефана - Больцмана, определяется выражением:

ч-   [О* -(М

где ε i = ε wi ε ni – текущая система излучения (приведенная степень черноты).

Приведенные зависимости позволяют проследить кинетику развития лучистого теплообмена в камере сгорания переменного объема, т. е. в синтезе рабочего процесса ДВС.

Заключение

Можно сделать следующие выводы: если при работе дизельного двигателя на дизельном топливе выбросы сажи составляют 100 %, то на метане - 0 %, а окислов азота NO – 65 и 35 % соответственно, по данным ООО «ГГМТ». Это объясняется превалирующим лучистым излучением, имеющим температуру пламени от 2400 до 2500 К, приводящим к окислению азота воздуха (65 %), температура же газа на метане – от 1600 до 1850 К, что дает 35 % окисления азота воздуха и отсутствие сажи.