Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС

Количество образовавшейся сажи в большой степени зависит от температуры в зоне пиролиза углеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так как скорость реакции (1) контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет и увеличение давления.

В исследованиях сажеобразования на модельной установке (при впрыске вторичного жидкого топлива в продукты сгорания) установлено

существование равновесной температуры процесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуется равновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении.

Максимальное сажесодержание в продуктах горения соответствует равновесной температуре. Уменьшение или увеличение температуры по сравнению с равновесной уменьшает сажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эксперимента и вида топлива.

Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярный вес предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. Это можно объяснить тем, что прочность одной и той же связи зависит от длины молекулы. Так, при увеличении числа атомов углерода в молекуле от 2 до 5 прочность связи между группами СН у алканов уменьшается от 333 до 268 кДж/моль. Выявлено также, что концентрации сажи тем больше, чем выше отношение С/Н в топливе.

Различные углеводороды (с одинаковым числом атомов С) по степени увеличения склонности к образованию сажи располагаются следующим образом: нормальные парафины, изопарафины, циклопарафины, олефины, циклоолсфнни, деолефины, ароматики.

В дизеле можно наблюдать явление, когда при большой нагрузке топливо, содержащее ароматические углеводороды, меньше образует дыма, чем топливо, имеющее в своем составе парафины. Это происходит из-за более длительного периода индукции в случае сгорания топлива с ароматическими углеводородами, вследствие чего смесь в камере сгорания имеет больше возможностей стать гомогенной до начала горения.

В процессе образования и после образования сажевых частиц может происходить выгорание их в реакциях с радикалами ОН или кислородом. В основном при составах смеси беднее стехиометрического (в дизелях) происходит прямое окисление сажи кислородом. Скорость выгорания сажи значительно меньше скорости выгорания газообразных продуктов неполного сгорания (например, СО). Скорость выгорания сажи существенно зависит от размеров частиц (поверхности). Было определено, что вся образовавшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 А. Все это позволяет объяснить особенности выделения сажи в процессах сгорания в двигателях.

При сгорании гомогенных топливовоздушных смесей концентрационные пределы начала образования сажи выходят за границы диапазона α, при которых нормально работают карбюраторные двигатели с искровым зажиганием. В карбюраторных двигателях, имеющих в цилиндре перед началом сгорания гомогенную (или близкую к ней) топливовоздушную смесь, содержание сажи в отработавших газах незначительно. В цилиндре дизеля происходит диффузионное горение гетерогенной смеси. При этом в самой зоне пламени состав смеси близок к стехиометрическому, и температуры соответственно высоки. К этим высокотемпературным зонам примыкают зоны со значительно более богатой смесью (до α = 0); здесь создаются благоприятные условия для пиролиза с очень малым доступом кислорода. Таким образом, характер смесеобразования и сгорания в дизелях предопределяет значительно большее, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием, образование сажи.

Первичные структуры, из которых состоит сажа, образующаяся в дизелях, представляют собой частицы сферической формы диаметром 150—1700 А с удельной поверхностью до 76 м2/г. Однако еще в процессе сгорания происходит коагуляция частиц сажи, приводящая к образованию вторичных и третичных структур. Сажа в отработавших газах дизелей представляет собой образования неправильной формы с линейными размерами 0,3—100 мкм. Большая часть сажевых образований имеет размеры 0,4—5 мкм. В процессе расширения газов в цилиндре дизеля к частицам сажи поступает кислород (вследствие движения газов и диффузии кислорода), т. е. создаются условия, благоприятные для выгорания сажи. Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что значительная часть сажи выгорает в процессе расширения. Выделение сажи с отработавшими газами дизеля зависит, следовательно, как от процесса образования, так и от процесса выгорания ее. Однако некоторые исследователи процессу выгорания сажи при расширении придают меньшее значение.

Исследование образования сажи в цилиндре дизеля 12/14 с камерой сгорания в поршне, выполненное с использованием газоотборного клапана стробоскопического типа, показало, что выгорание сажи в процессе расширения может быть значительно.

При турбулентном перемешивании горящей смеси образование сажи уменьшается, а выгорание ее увеличивается. Интересно сопоставить экспериментальные данные с концентрацией С, полученной расчетом из условий равновесия для средних параметров газа в цилиндре. Равенство нулю равновесной концентрации С является дополнительным подтверждением того, что образование сажи происходит в местных переобогащенных топливом зонах.

Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра.

Моноксид углерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углерода может происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000 К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличии кислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующими элементарными стадиями.

Зарождение цепей

Н2O + СО = Н2 + СO2; (2)

Н2 + O2 = 2OН. (3)

Продолжение цепей

ОН + СО = С02 + Н. (4)

Разветвление цепей

Н + O2 = ОН + О; (5)

О + Н2 = ОН + Н. (6)

Обрыв цепей на стенках

2Н + стенки = Н2. (7)

Обрыв цепей в объеме

СО + О = СO2. (8)

Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.

В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:

— низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;

— капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;

— частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа

 Скачать реферат