Рациональное сочетание расчета и эксперимента позволяет повысить эффективность работ по улучшению экологических показателей дизелей и расширить границы исследования.
Математическая модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля должна быть адекватна описываемому физико-химическому явлению, включать в себя основные влияющие факторы, обладать определенностью выбора коэффициентов расчетных уравнений и быть достаточно простой для использования. Этим требованиям отвечает предложенная модель образования и выгорания частиц сажи в цилиндре по кинетическим уравнениям испарения и горения распыленного топлива. При разработке математической модели учтены особенности динамики, структуры и испарения топливных факелов в цилиндре дизеля, структуры пламени и кинетики цепных химических реакций в неоднородной смеси. В предложенной модели предполагается, что сажевые частицы в цилиндре дизеля образуются преимущественно двумя путями:
1) в результате распада молекул топлива в процессе диффузии с поверхности капель топлива в передний фронт пламени;
2) вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель.
Параллельно этому происходит процесс выгорания частиц сажи и снижение их объемной концентрации.
Скорость изменения концентрации сажи в объеме цилиндра:
, (1)
где U — коэффициент для учета скоростного режима;
— скорость образования сажи в области сгорания;
— скорость образования сажи при полимеризации центра капель;
— скорость выгорания сажи;
— скорость уменьшения концентрации сажи при расширении.
Коэффициент U в уравнении сажевыделения вводится для учета скоростного режима при расчете динамики образования сажевых частиц:
, (2)
где n — частота вращения коленчатого вала двигателя;
nном — частота вращения коленчатого вала двигателя на номинальном режиме работы;
A, m — эмпирические коэффициенты.
Для описания скорости образования сажи в области сгорания воспользуемся кинетическими уравнениями разветвленных цепных реакций.
Скорость расходования топлива:
, (3)
где [A]0, [A] — начальная и текущая концентрация топлива;
— скорость тепловыделения;
k — константа скорости реакции;
n — концентрация активных центров (атомов и свободных радикалов).
Изменение концентрации активных центров зависит от фактора φ автоускорения химических реакций при высоком давлении среды:
, (2.27)
где 
— коэффициент, зависящий от текущей концентрации топлива.
Скорость образования сажи в области сгорания в общем виде:
, (4)
где В1 — коэффициент пропорциональности.
С учетом (2.26) и (2.27), выражение для скорости образования сажи в области сгорания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 имеет следующий вид:
, (5)
где qс — цикловая подача топлива;
V — текущий объем цилиндра.
Скорость образования сажи при полимеризации центра капель пропорциональна скорости испарения жидких капель:
, (6)
где В2 — коэффициент пропорциональности;
δ — доля массы капли, превращающаяся в сажевую частицу;
S –массовая доля капель диаметром менее dk;
dk — начальный диаметр капель, испаряющихся полностью за время τ.
, (7)
где К — константа испарения.
Дисперсность распыливания топлива оценивают с помощью характеристик распределения капель по размерам. В теории испарения и горения струй распыленного топлива используется формула Розина — Раммлера [3]:
, (8)
где d32 — средний диаметр капель;
n' — коэффициент распределения, для дизельных форсунок n' = 2...4.
Полагаем, что при работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ количество частиц сажи, образующихся при полимеризации центра капель, значительно меньше, чем при работе на ДТ. Это связано с разрывом капель эмульгированного топлива при горении. При дроблении капель увеличивается скорость их испарения и улучшается перемешивание топлива с воздухом.
На разных стадиях процесса расчет ведется по разным уравнениям.
Выражение для скорости образования сажи при полимеризации центра капель в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в период впрыска:
, (9)
где τ1 — текущее время с начала впрыска;
τвпр — продолжительность впрыска.
Для периода после окончания впрыска топлива выражение имеет вид:
, (10)
где χквпр — доля теплоты, выделившаяся к моменту окончания впрыска;
τ2 — текущее время после окончания впрыска.
Скорость горения углеродных сфер в движущемся воздухе зависит от скорости химических реакций на поверхности углерода, а также от скорости взаимной диффузии кислорода и продуктов сгорания возле поверхности сферы. Если температура поверхности горящей углеродной частицы Тs превышает 1600 К, лимитирующим процессом является диффузия. В этих условиях скорость реакции мало зависит от температуры поверхности частицы Тs, она пропорциональна парциальному давлению кислорода в окружающем газе и существенно зависит от скорости газового потока U:
, (11)
где d — диаметр частицы;
— парциальное давление кислорода в окружающем газе.
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.
