Механизм образования сажи связан с большим числом химических реакций и очень сложен. В общем случае он представляет собой последовательность процессов разложения углеводородных топлив, образования активных углеродных частиц в пламени, роста ядер сажи, агломерации частиц и окисления сажи. Содержание сажи в ОГ дизеля зависит от всех перечисленных процессов, из которых наиболее изучен только последний. Как показали исследования, частицы углерода образуются в центральной зоне топливной струи, где содержание кислорода недостаточно.
Содержание сажи в ОГ зависит от свойств топлива, структуры топливного факела, формы КС, температуры пламени и является результатом протекания двух определяющих процессов — образования и окисления. Эти процессы, в свою очередь, зависят от особенностей конструкции двигателя и режимов его работы.
В процессе исследований применялась ЭТЭ следующего состава:
ДТ — 67,5 %, этиловый спирт — 25 %, вода — 7 %, присадка — 0,5 % [1, 2].
На рисунке 1 представлен возможный химизм процесса образования сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ.
Воспламенение топлива от сжатия в цилиндре дизеля носит сложный и многостадийный характер. Принято считать, что воспламенение перемешанных с воздухом углеводородов носит цепочно-тепловой характер. Скорость протекания подготовительных процессов зависит от склонности топлива к образованию активных частиц. При работе дизеля на ЭТЭ спирт и ДТ впрыскиваются в цилиндр одновременно. Пары спирта поджигаются пламенем ДТ, воспламенение которого происходит по традиционной схеме.
Поскольку сажа является метастабильным продуктом процесса горения, то нельзя исключать возможность существования нескольких путей перехода (механизмов) в это состояние в зависимости от условий реализации процесса горения. При работе дизеля на ЭТЭ основное количество сажи в составе ОГ образуется при сгорании ДТ [3, 4].
Особенности образования сажи при сгорании ДТ в цилиндре детально рассмотрены в трудах многих российских и зарубежных ученых. Полагаем, что основными механизмами, оказывающими наиболее весомый вклад в образование частиц сажи в цилиндре дизеля, являются низкотемпературный фенильный механизм (НТФМ), преобладающий при температурах менее 1500 К, и высокотемпературный ацетиленовый механизм (ВТАМ), который преобладает при температурах более 1500 К.
Рис. 1. Химизм процесса образования сажи в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии
Этанол оказывает существенное влияние на процессы горения, образования и окисления вредных веществ в цилиндре. Значительную роль играют особенности горения эмульгированных топлив и термическое разложение этанола с образованием значительного количества активных радикалов С2Н5 и ОН, которые способствуют интенсификации процессов горения.
Рассмотрим возможный механизм образования сажи из этанола.
Этанол — представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. При сгорании этанола образуются углекислый газ и вода:
. (1)
В цилиндре дизеля наблюдается значительная неоднородность заряда на всем протяжении процессов впрыска топлива, горения и расширения. Выделение в процессе сгорания твердого углерода в виде мелких сажевых частиц может происходить в результате пиролиза, а также окислительного крекинга молекул топлива в зонах сильно переобогащенной смеси при условии, что температуры в этих зонах достаточно высоки. Именно такие условия создаются в дизелях при горении капелек жидкого топлива, когда в одних зонах факела распыла местные значения состава смеси близки к стехиометрическим, и, соответственно, температуры пламени максимальны, в то время как в смежных зонах имеет место значительный недостаток кислорода. В таких условиях при распаде молекулы этанола возможно выделение углерода.
Спирты характеризуются более высокой активностью при горении по сравнению с углеводородами. Благодаря этому горение протекает устойчивее, а предел воспламенения смеси смещен в более бедную область. Основной причиной этого является диссоциация этанола в условиях высоких температур. Это ведет к образованию активных радикалов, облегчающих начало цепной реакции и ускоряющих процесс окисления топлива. В интервале температур 1000...2600 К молекула этанола подвергается термическому распаду:
. (2)
При окислении этанола происходит внедрение атомов кислорода между атомами углерода и водорода с образованием молекул, содержащих группу ОН. Это явление ускоряет процессы окисления сажевых зародышей и предотвращает коагуляцию. Вероятны следующие направления реакций:
; (3)
; (4)
; (5)
; (6)
. (7)
Далее окисление идет через последовательность реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их осколки с группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы.
После образования физических зародышей происходит коагуляция первичных сажевых частиц, сопровождающаяся гетерогенным процессом поверхностного роста частиц до характерных размеров 10...30 нм. Подавляющая часть массы частиц сажи (> 95 %) образуется за счет поверхностного роста, а не за счет процесса образования зародышей. Процесс коагуляции заключается в столкновении двух частиц, которые затем «слипаются» друг с другом с образованием общей внешней оболочки. Химизм процесса роста частиц заключается в разложении молекул углеводородов и радикалов на поверхности частицы. При быстром охлаждении часть высокомолекулярных углеводородов, образовавшихся при распаде молекул ДТ, не успевает пройти все стадии превращений и адсорбируется поверхностью сажевых частиц, что определяет канцерогенную опасность сажи.
Литература:
1. Анфилатов А. А. Результаты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 226–229.
2. Анфилатов А. А. Особенности расчета периода задержки воспламенения при работе дизеля на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 229–232.
3. Анфилатов А. А. Теоретические расчеты содержания оксидов азота в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 232–235.
4. Анфилатов А. А. Расчет содержания оксидов азота в цилиндре дизеля с воздушным охлаждением при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 235–238.
5. Анфилатов А. А. Изменение экономических показателей дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 238–241.
6. Анфилатов А. А. Влияние метанола на максимальное давление сгорания в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 117–120.
7. Анфилатов А. А. Влияние метанола на максимальную осредненную температуру цикла в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 120–123.
8. Анфилатов А. А. Влияние применения метанола на содержание оксидов азота в дизеле при изменении установочных УОВТ // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 123–125.
9. Анфилатов А. А. Изменение объемного содержания оксидов азота в дизеле при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 125–128.
10. Анфилатов А. А. Индицирование тепловыделения в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 128–131.
11. Анфилатов А. А. Методика исследований дизеля 2Ч 10,5/12,0 по снижению содержания оксидов азота при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 131–134.
12. Анфилатов А. А. Обработка полученных результатов исследований дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 134–136.
13. Анфилатов А. А. Объемное содержание оксидов азота в дизеле при работе на дизельном топливе и метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 136–139.
14. Анфилатов А. А. Расчет выбросов вредных газообразных веществ с отработавшими газами дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 139–141.
15. Анфилатов А. А. Содержание оксидов азота в дизеле при работе на метаноле в зависимости от изменения установочных УОВТ // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 141–144.
16. Анфилатов А. А. Влияние применения метанола на мощностные и экономические показатели дизеля // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 73–76.
17. Анфилатов А. А. Изменение массовой концентрации оксидов азота в дизеле при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 76–79.
18. Анфилатов А. А. Изменение мощностных и экономических показателей дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 79–82.
19. Анфилатов А. А. Массовая концентрация оксидов азота в дизеле при работе на дизельном топливе и метаноле // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 82–85.
20. Анфилатов А. А. Мощностные и экономические показатели дизеля при работе на дизельном топливе и метаноле // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 85–87.
21. Анфилатов А. А. Удельный эффективный расход топлива дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). с. 87–90.
