СОВРЕМЕННЫЙ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАМЕР СГОРАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

euroasia

8 лет назад

В камерах сгорания тепловых двигателей приходится иметь дело с горением жидких углеводных топлив в турбулентном потоке подвижного воздуха. Если топливо и окислитель подводят к зоне реакции из разных сторон, то время горения определяется временами смешивания – диффузии.

Другой предельный типичный случай есть кинетическое горение гомогенной (однородной, перемешанной) смеси топлива с окислителем. При этом подготовленная смесь подводится к зоне реакции, а время горения будет, преимущественно, определяться временем, нужным на протекание химической реакции. Подобный процесс называется кинетическим, так как при нем время горения определяется механизмом и скоростью химической реакции.

Малая скорость реакции окисления низкокалорийных газообразных топлив нуждается в дополнительном увеличении объема зоны горения. А трудности обеспечения оптимальных скоростей смешивания в зоне горения приводят или к срыву пламени при «бедных» смесях через очень большие скорости смешивания, или к «жесткому» горению при низкой скорости смешивания.

В связи с возрастающими требованиями к тепловым двигателям (увеличение полноты сгорания топлива, снижение вредных выбросов, возможности использования альтернативных топлив) вопросу подготовки и подачи топлива отводится все большее внимание.

В настоящее время усовершенствования параметров рабочего процесса в камере сгорания основывается на оптимизации их термодинамических и эмиссионных параметров при различных режимах работы двигателя. Для этого разрабатываются новые конструкции камер сгорания, которые развиваются по двум основным направлениям: организация процесса горения (стабилизация горения, обеспечение необходимой температуры и равномерности поля температур) и подготовка топливо-воздушной смеси (распыление, испарение топлива, смешивание топлива с воздухом).

Не менее важным направлением повышения эффективности камер сгорания, есть усовершенствования способов подготовки топливо-воздушной смеси и интенсификации процессов горения.

Повышение интенсивности горения в камерах сгорания телових двигателей можно добиться применением разных католизаторов [1]. Перспективными являются католизаторы в виде твердых тел с развитой площадью активной поверхности, изготовленные из платины хрома, оксидов кобальта, лантана, цезия и др. Однако, пока что нерешенны проблемы сохранения их продолжительной активности в агрессивных средах и защите от вибрационных и температурных нагрузок.

Введением специальных присадок [2] к топливу удается снизить содержимое частичек углерода в продуктах сгорания приблизительно на 50%, а эмиссию NO_x ‒ на 30 %. Однако, оксиды металлов, которые содержатся в присадках, могут образовывать в проточной части двигателя отложения, которые оказывают воздействие местным перегревам и коррозии.

Среди современных способов повышения эффективности камер сгорания отдельно можно выделить способ электромагнитного воздействия на углеводородные топлива. Электромагнитное воздействие происходит на этапе подготовки топлива к сгоранию.

Сущность его заключается в том, что технологическую жидкость с определённой скоростью пропускают через устройство электрофизического воздействия (ЭФВ), в котором создано постоянное магнитное поле с известными характеристиками и топографией поля, а также резонансное переменное электромагнитное поле. В результате ЭФВ происходит повышение “энергозапаса” молекулярной системой жидкости и за счет поглощенной электромагнитной энергии увеличивается максимальная энергия U_max межмолекулярного взаимодействия при постоянном числе молекул в ассоциированном осцилляторе.

Так как энергия активации Е_а является функцией максимальной энергии межмолекулярного взаимодействия U_max, то можно заключить, что энергия активации Е_а убывает с ростом U_max при этом создаются благоприятные условия для подготовки активированного комплекса к процессу сгорания. Иными словами можно сказать, что электрофизическое воздействие на углеводородные жидкости приводит к уменьшению энергии активации Е_а, необходимой для предварительного ослабления или разрыва внутренних связей стабильной молекулы с целью дальнейшего совершения химической реакции горения.

Величина энергии активации Е_а оказывает влияние на период задержки воспламенения τ_i, который определяется по формуле Н. Н. Семенова

(1)

Из формулы (1) следует, что после ЭФВ на углеводородное топливо, при сохранении прочих условий сгорания в цилиндре, период задержки воспламенения τ_i должен уменьшаться, так как Е_а снижается. Это подтверждается результатами экспериментов, проведенных на установке ИДТ-90 с рабочим объёмом цилиндра 652 см³ и переменной степенью сжатия. Показано, что цетановое число (ЦЧ) дизельного топлива после воздействия возросло на 2-3 единицы. Следует иметь в виду, что τ_i сильно подвержен флуктуациям. Длительности периода задержки воспламенения τ_i, измеренные в последовательных опытах при одинаковых условиях быстрого сжатия топливной смеси, оказываются различными, причем разница в определении τ_i превышает погрешность измерения, т.е. τ_i является статистической величиной.

При увеличении ЦЧ период задержки воспламенения становится короче, более плавно нарастает давление dp/dφ и снижается его максимальное значение, увеличивается доля топлива, сгораемого во второй фазе. Снижается удельный расход топлива и уменьшается содержание продуктов сгорания (СО, С_mН_n) в отработавших газах (ОГ) вследствие увеличения скорости сгорания во всех фазах.

Скорость химической реакции горения по топливу в данный момент времени пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ

в тот же момент времени

, (2)

где С_f , С_k — концентрация соответственно топлива и кислорода, τ — время; К_f— константа скорости реакции; v_f ,v_k — порядки реакции соответственно по топливу и кислороду.

Зависимость константы скорости химической реакции выражается по закону Аррениуса

, (3)

где К_о — коэффициент зависящий от молярных масс вещества и размеров реагирующих молекул.

Следовательно, при уменьшении энергии активации Е_а, как следствие ЭФВ на топливо, по уравнениям (2) и (3) скорость реакции горения по топливу W_f возрастает.

На основании проведенных исследований влияния электрофизического воздействия на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив разработано и изготовлено устройство ЭФВ (Рисунок 1), которое устанавливается в топливную систему дизеля между топливным баком и топливо-подкачивающим насосом. При этом через устройство проходит все топливо, подаваемое к двигателю.

Рисунок 1. Устройство электрофизического воздействия.

Установлено, что при включении устройства ЭФВ в топливную систему дизеля удельный расход топлива уменьшается на 3-5 % при постоянном расходе воздуха. Обеднение смеси вследствие ЭФВ приводит к снижению выбросов оксида азота NО и уменьшению содержания продуктов неполного сгорания в ОГ – углеводородов C_mH_n в среднем на 20 % и оксида углерода СО на З0-40%. Максимальное значение, снижения дымности К с 18 до 13, т.е. на 28 % наблюдали при наибольшей мощности испытаний.

Полученный экономический эффект позволяет сделать вывод о более высокой скорости окисления топлив после ЭФВ. В двигателях внутреннего сгорания скорость последующих процессов окисления испаренного топлива существенным образом зависит от “предыстории” топлива, т.е. сравнительно легко осуществляемое инициирование окисления капель топлива служит способом регулирования самовоспламенения топлива в двигателях.

Более интенсивное зарождение цепей происходит вследствие реакции между предварительно возбуждёнными протонами водорода и растворённым кислородом, что достаточно хорошо коррелируется с опытными данными по определению склонности жидких углеводородов к окислению молекулярным кислородом. Для проверки этого предположения были проведены исследования окисления топлива при повышенной температуре с образованием смол. Содержание фактических смол определяли для исходного товарного топлива и для топлива подвергнутого ЭФВ. Измерение проводили через 60 и 120 минут после воздействия (Таблица 1).

Таблица 1.

Содержание фактических смол

на 100 мл топлива, мг.:

Топливо ТС-1

Топливо РТ

— для исходного топлива

— топливо после ЭФВ(через 60 мин.)

(через 120 мин.)

1,4

6,7

2,1

4,5

12,6

4,6

Как следует из таблицы, содержание фактических смол при нагревании топлива после ЭФВ увеличивается в пять раз для топлива ТС-1 и в три раза для РТ. Причём наибольшее изменение наблюдается через 60 мин. после воздействия, а через 120 мин. содержание фактических смол почти такое же, как в исходном образце. Очевидно, что повышенная реакционная способность кислорода сохраняется в течение 1-1,5 часа, после чего она снижается и топливо приходит к исходному состоянию.

Наличие прямой корреляционной связи между смолами и кислотностью позволяет судить о степени окисляемости систем по показателю кислотности. Проведенные исследования показателя кислотности дизельного топлива свидетельствуют, что ЭФВ на дизельное топливо приводит к увеличению его кислотности на 25-30%. Это говорит об увеличении кинетической скорости процесса вступления кислорода в реакцию окисления.

При всех испытаниях отмечена возможность использования разработанного устройства ЭФВ в качестве фильтра тонкой очистки для удаления из топлива смолистых соединений, окислов металлов и других ферро и парамагнитных частиц. Установлено, что при пропускании дизельного топлива через устройство в нем адсорбируется до 200…300 мг смолистых соединений на 100 л.

Приведенные выше результаты испытаний позволяют рассматривать ЭФВ на углеводородное топливо как момент интенсивного формирования “предыстории” горючей смеси, определяющий ее реакционную способность и существенно влияющий на характер горения топлива в двигателе. Таким образом, воздействуя на углеводородные жидкости резонансным электрофизическим способом, можно осуществлять эффективное регулирование процесса горения топлива в двигателе транспортного средства.

Разработаный способ дает возможность качественно улучшать ряд характеристик, от которых напрямую зависят расход топлива, эксплуатационные показатели и динамика работы двигателя.

В результате применения электрофизического воздействия на топливо достигается:

снижение расхода топлива до 3-5% в зависимости от состояния двигателя и качества исходного топлива;
снижение коэффициента трения на 20-40% и снижение изнашивания пары трения при трении скольжения в дизельном топливе на 38-46%;
увеличение критической осевой нагрузки схватывания на 20%;
более равномерная и динамическая работа двигателя;
уменьшение образования нагара на стенках камеры сгорания на 20-25%, катализаторе и выхлопных трубах;
двигатель становиться менее чувствительным к качеству топлива;
увеличение срока службы тепловых двигателей;
уменьшение выброса вредных газов в атмосферу (CO до 25%, C_mH_n до 35%, NO_x до 20% ).

Список литературы:

Высокоэффективные католизаторы. // [Электронный ресурс] – https://ion.e-autopay.com/shop/catalog78
Данилов А. М. Применение присадок в допливах для автомобилей. // [Электронный ресурс] – https://globecore.ru/справочная/присадки/данилов-а-м-применение-присадок-в-топл.html
Кульчицкий А. Р. Токсичность автомобильних и тракторних двигателей. // Наука. – 2004. – № 4. – С. 17-21
Пат. 107241 Україна, МПК C 10 G 32/00, C 10 G 15/00, C 10 L 1/00, F 02 M 27/04. Спосіб підвищення детонаційної стійкості вуглеводневих рідин (бензинів) / Дмитрієв М. М., Морозов В. І., Рутковська І. А., Морозова І. В., Марчук В. Є.; заявник і власник Національний транспортний університет. – № а201301521; заявл. 08.02.2013; публік. 10.12.2014, Бюл. № 23.
Сергеев Н.А. Основы квантовой теории ядерного магнитного резонанса. / Сергеев Н.А., Рябушкин Д.С. – М.: Логос.– 2013.– 270 с.[schema type=»book» name=»СОВРЕМЕННЫЙ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАМЕР СГОРАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ» description=»Разработан способ электрофизического воздействия на углеводородное топливо для повышения эффективности камер сгорания тепловых двигателей. Проанализирован физико-химический процесс, который происходит при использовании данного метода, вследствие чего увеличивается полнота сгорания, снижение выбросов CO и углеводородов отработавших газов, возможно, использовать альтернативное топливо.» author=»Морозов Владимир Иванович, Терещенко Юрий Матвеевич, Морозова Ирина Владимировна» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-13″ edition=»euroasia-science_28_28.07.2016″ ebook=»yes» ]