среда, 13 февраля 2013 г.

диффузионное горение и кинетическое горение

Таким образом, воспламенение топливовоздушной смеси в дизелях носит многоочаговый характер и охватывает всю подготовленную к самовоспламенению топливовоздушную смесь. Топливовоздушная смесь воспламеняется и выгорает при различных температурах, определяемых локальным соотношением топлива и воздуха.

Представленная зависимость позволяет оценить частоту наблюдающихся пульсаций и их амплитуду, определить характеристики (вид и моду) затухающих акустических колебаний. В камере сгорания могут возникнуть продольные и поперечные колебания давления. Поперечные колебания давления могут иметь тангенциальную и радиальную форму. Моды тангенциальных колебаний давления определяются числом узловых диаметров, моды радиальных колебаний давления определяются числом узловых окружностей. Так как частота затухающих колебаний не изменяется в процессе расширения, можно утверждать, что в камере сгорания возникают поперечные  колебания давления. Расчеты показали, что частота колебаний давления составляет 4515 Гц, что соответствует поперечным радиальным колебаниям (вторая мода).

Рис. 5. Сглаженный участок затухающих акустических колебаний (детерминированная составляющая исключена). Цифрами на поле рисунка указано количество точек опроса, приходящихся на каждый период колебаний. [4]

Для анализа процесса регулярных затухающих акустических колебаний исключили на участке bc  детерминированную составляющую процесса, полученную методом рекуррентного сглаживания, и изобразили участок bc в увеличенном масштабе (см. рис. 5).

Частота опроса канала измерения давления составляла 24,38 кГц, шаг опроса в градусах поворота коленчатого вала - 0,202°. Как следует из рисунка, локализация нерегулярного колебательного процесса наблюдается в диапазоне кодов опроса 1680-1710.

Рис. 4. Характерные участки индикаторной диаграммы: ab - участок нерегулярных колебаний давления; bc - участок регулярных затухающих акустических колебаний давления [3].

Многократное взрывное воспламенение и горение гидропероксидов приводит к резкому многократному повышению давления в цилиндре дизеля. Это фиксируется на индикаторной диаграмме в виде пиков давления. На рис. 4 приведен фрагмент индикаторной диаграммы, в виде зависимости давления в цилиндре дизеля от номеров точек опроса, на котором выделен участок аb нерегулярных колебаний давления (многоочаговое воспламенение и горение), сопровождающих диффузионное горение топливовоздушной смеси, и участок bc, соответствующий регулярным затухающим акустическим колебаниям давления (диффузионное догорание топлива).

Как следует из рис. 2 и 3,  интенсивность спектрального излучения в момент воспламенения достигает максимального значения и резко снижается в районе верхней мертвой точки. Это связано с появлением нового качества в ходе химических превращений при локальном повышении температуры до значения выше 1300 К. При таком повышении температуры в отдельных локальных зонах в ходе процессов крекинга и окисления молекул происходит образование более термостойких продуктов с разнообразным сочетанием углерода, водорода и кислорода, в том числе канцерогенных, например бенз(а)пирена и сажистых частиц. Сажистые частицы окрашивают пламя в желтый цвет. Повышение температуры и давления многократно ускоряет также процессы образования молекул, содержащих кислород в упаковке -О-О-, заканчивающиеся взрывным сгоранием при достижении концентрации и температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси. Это приводит к повторному повышению интенсивности спектрального излучения в диапазоне углов поворота коленчатого вала 10-15° после верхней мертвой точки.

потока по углу поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля для различных участков видимого диапазона спектра.

Рис. 3. Изменение спектральной плотности лучистого потока для видимого диапазона длин волн. Цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 обозначены зависимости для длин волн 480, 500, 510, 517, 520, 550 нм [2].

Рис. 2. Изменение спектральной плотности лучистого потока для видимого диапазона длин волн. Цифрами 1, 2, 3, 4, 5 обозначены зависимости для длин волн 517, 655, 691, 710, 740 нм [2].

Прогрев и испарение топлива в предпламенный период при температуре до 1300К сопровождаются термическим распадом (крекингом) углеводородов и окислением активированных молекул и продуктов крекинга. Появление кислородосодержащих углеводородных молекул определяет способность топлива к самоокислению, протекающему с взрывной скоростью. Наибольшей склонностью к самовоспламенению обладают молекулы гидроперекисей углеводородов с общей химической формулой вида К-О-О-Н. Самовоспламенение и горение подготовленной топливовоздушной смеси происходит с бледно-голубым свечением пламени без образования сажи и сопровождается увеличением спектральной плотности лучистого потока радикалов С2, Н2О, СН и др., что одновременно отражает состав радикалов, образующихся в ходе химических реакций горения. На рис. 2 и 3 приведен характер изменения интенсивности спектральной плотности лучистого

В камерах сгорания тепловозных дизелей реализуется объемная схема смесеобразования и выгорания топливовоздушной смеси, при которой наблюдается существенная неравномерность распределения топлива и образование локальных зон по объему камеры с различным составом топливовоздушной смеси, с различными коэффициентами избытка воздуха. Это определяет особенности процессов самовоспламенения и горения топливовоздушной смеси, а также их влияние на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизелей.

Рис. 1.  Связь распространения горения по топливной струе с характеристикой скорости выделения тепла при PГ = 5,0 МПа; TГ = 736 К, dc = 0,29 мм; bц = 0,12 г/цикл; А - кинетическое (быстрое) горение; В - диффузионное горение; x и xпл  - проникновение вершины топливной струи и распространение пламени по струе; dQ/dτ - скорость выделения тепла [1].

Эффективность процесса горения в цилиндрах дизелей во многом определяется организацией высокоэффективного рабочего процесса. Наиболее узким местом в теории и практике организации рабочего процесса остаются вопросы смесеобразования, включающие в себя формирование и развитие топливного факела, его взаимодействие с воздушным зарядом и со стенкой камеры сгорания, нагрев и испарение капель топлива, смешение паров топлива с воздухом, прогрев смеси до температуры самовоспламенения. Впрыснутое топливо в виде струи, состоящей из значительного количества капель диаметром от 1 до 100 мкм, распределенных в объеме струи, распространяется по камере сгорания от сопла распылителя. Скорость распространения монотонно уменьшается,  при ее начальном значении на срезе сопла 250-280 м/с. Пространство между каплями заполнено воздухом и парами топлива, которые составляют 90-95 % объема струи. Воспламенение топлива происходит в средней части оболочки струи, где в первую очередь достигается благоприятное соотношение между топливом и воздухом. От очага воспламенения горение распространяется по наружной оболочке струи по направлению к вершине, как бы догоняя ее. В момент охвата горением всей наружной оболочки топливной струи заканчивается быстрое (кинетическое) сгорание и происходит спад в скорости выделения тепла (рис. 1). Время охвата пламенем всей наружной оболочки топливной струи не превышает 35-40 % от продолжительности топливоподачи и 20 % от продолжительности всего процесса сгорания.

(309 K)  |  

Носырев Д.Я., Климова Е.Н.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ В ЦИЛИНДРАХ ДИЗЕЛЕЙ

Экологические основы использования природных ресурсов

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ В ЦИЛИНДРАХ ДИЗЕЛЕЙ - Экологические основы использования природных ресурсов - Современные наукоемкие технологии

Комментариев нет:

Отправить комментарий