Investigation of carbon-black emissions of a tractor biofuel diesel

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время дизели благодаря своим, в определенной степени, лучшим мощностным и экономическим критериям, в сравнении с бензиновыми двигателями, широко используются в железнодорожном, морском, сельскохозяйственном и автотранспортном хозяйствах. Однако, ввиду значительного усложнения взаимодействия человека с окружающей средой происходят непредвиденные изменения в экологических системах, вызванные загрязнениями воздушного бассейна, водных и лесных ресурсов. Поэтому, в настоящее время, дизели, особенно по критериям токсичности отработавших газов (ОГ), перестают удовлетворять современным требованиям [1–4]. В значительной степени это относится конечно же к их сажесодержанию в ОГ. Кроме того, сажа, образующаяся при сгорании топлива, является одним из наиболее токсичных компонентов ОГ тракторных дизелей [5–9]. Выбрасываемые в окружающую среду с ОГ частицы сажи адсорбируют на своей поверхности канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе чрезвычайно опасный бензапирен, способный вызывать опухоли и новообразования в живых организмах. Ну и наверно известно каждому, что частицы сажи вызывают хронические заболевания органов дыхания. Поэтому проблема снижения содержания сажи в ОГ тракторных дизелей была и, к сожалению, все еще остается актуальной на сегодняшний день, и требует решения [10–15].

В энергетическом горении с экономической и экологической точек зрения сажа является нежелательным продуктом. Традиционно большой интерес к вопросам сажеобразования существовал в области технологического горения, где сажа является целевым продуктом процесса. Несмотря на различный целевой подход в технологическом и энергетическом горении, физические и химические основы процесса во многом идентичны. Поэтому весь большой опыт изучения процесса сажеобразования, накопленный в различных областях науки о горении, может составить единую и надежную теоретическую основу рассмотрения этого сложного многостадийного процесса применительно к условиям сгорания в тракторных дизелях, работающих на новых (альтернативных) видах топлива [16–23].

Изучению физико-химических свойств сажи посвящено значительное число работ [24–29]. Благодаря применению современных методов исследований, таких как электронная микроскопия высокого разрешения, рентгеноскопия и спектроскопия, газовая хроматография, контактных и оптических методов исследования за последние десятилетия получено достаточно полное представление о размерах, структуре и физико-химических свойствах сажи [24–29].

Цель работы — разработка современной модели сажевыделения в тракторном дизеле, работающем на этаноле и рапсовом масле (РМ), для оценки дымности отработавших газов и снижения антропогенного воздействия на природные экосистемы.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для моделирования процессов образования и выгорания частиц сажи в тракторном дизеле условно разделим объем камеры сгорания (КС) на три зоны (зону «чистого», не участвующего в сгорании воздуха; зону термического разложения топлива, в которой происходят процессы образования частиц сажи, их рост и коагуляция и зону продуктов сгорания, в которой преимущественно идут процессы окисления и газификации частиц сажи).

Геометрически зона чистого воздуха занимает периферийные объемы КС, в которых не происходят процессы пиролиза и горения. Зона термического разложения топлива и образования сажи совпадает с внутренней областью топливного факела. Зона выгорания частиц сажи находится на поверхности горящей паровой мантии факела. Каждая зона характеризуется однородным по всему объему составом и температурным полем. Aналогичная методика моделирования сажеобразования в цилиндре дизеля при работе на дизельном топливе представлена в работах Батурина, Лоскутова, Кожина [30].

При работе тракторного дизеля на этаноле и РМ в зону термического разложения в процессе испарения топлив поступают углеводороды и газ из окружающего объема. Допустим, что по мере развития фронта пламени, часть углеводородов выгорает, не проходя стадий глубокого пиролиза, тогда скорость изменения концентрации компонентов газовой смеси в реакционной зоне может быть выражена уравнением:

$\frac{d{M}_i}{d\phi }={\left(\frac{d{M}_i}{d\phi }\right)}_{\sigma }+{\left(\frac{d{M}_i}{d\phi }\right)}_k+{\left(\frac{d{M}_i}{d\phi }\right)}_{\chi }$, (1)

где dМ_i /dφ — суммарная скорость изменения концентрации i-го компонента газовой смеси; (dМ_i /dφ)_σ — скорость изменения концентрации i-го компонента, связанного с подводом испарённого топлива; (dМ_i /dφ)_k — скорость изменения концентрации i-го компонента вследствие предпламенных химических превращений топлива; (dМ_i /dφ)_χ — скорость изменения концентрации i-го компонента в процессе основного горения; φ — угол поворота коленчатого вала (п.к.в.) дизеля.

Скорости химических превращений реагентов газовой смеси определяются из уравнения:

${\left(\frac{d{M}_i}{d\phi }\right)}_k=\frac{V_p}{6n}\cdot \sum _j{W}_j$, (2)

где V_p — объем реакционной зоны; W_j — скорость j-той химической реакции кинетического механизма, n — частота вращения коленчатого вала дизеля, мин^-1.

Декарбоксилирование является начальной стадией термического распада молекул жирных кислот РМ и происходит при более низких температурах, поэтому скорость брутто-реакции распада молекулы РМ в зоне высокотемпературного пиролиза лимитируется скоростью разложения образовавшегося олефина.

Оценку температуры пламени проведем по балансу энтальпий газов в зоне продуктов сгорания. Состав газов в зоне горения характеризует локальный коэффициент избытка воздуха ${\alpha }_{\text{г}}$, который определяется по выражению [25]:

${\alpha }_{\text{г}}=\frac{\alpha \cdot {\xi }_{\text{в}}}{\chi }$, (3)

где ${\xi }_{\text{в}}$ — степень эффективного использования воздушного заряда, χ — интегральная функция тепловыделения.

Функция ${\xi }_{\text{в}}\left(\phi \right)$ в соответствии с работой [25] удовлетворительно аппроксимируется зависимостью:

${\xi }_{\text{в}}=1-C_{\text{в}}h\cdot \overline{{\phi }_Z}\frac{2}{\sqrt{\pi }}\exp \left(-h^2{\overline{{\phi }_Z}}^2\right)$, (4)

где С_в и h — коэффициенты пропорциональности; $\overline{{\phi }_Z}$  — отношение текущего угла п.к.в. к действительной продолжительности сгорания.

Испарение каждой капли топлива подчиняется закону Срезневского:

$d_k^2=d_0^2-K\cdot {\tau }_{\text{и}}$, (5)

где d₀, d_k — соответственно начальный и текущий диаметр капли; K — константа испарения; τ_и — время от начала испарения данной капли (момента поступления ее в рассматриваемую зону) до текущего момента.

Функция испарения капли массой m от угла п.к.в. на основании закона Срезневского примет вид:

$m=\frac{\rho \cdot \pi }{6}{\left(d_0^2-K\cdot \frac{\phi {}_i}{6n}\right)}^{\frac{3}{2}}$, (6)

где m — масса капли; φ_i – текущий угол п.к.в. от момента попадания капли в КС.

Если закон топливоподачи задан массивом, тогда количество топлива в цилиндре удобно определять по уравнению суммы неиспарившихся частей, поступивших в различные моменты времени по закону топливоподачи.

Количество молей i-го вещества dM_i, выводимого из зоны пиролиза, зависит от его объемной концентрации и пропорционально доле выгорающего топлива, моль/град п.к.в.:

${\left(\frac{d{M}_i}{d\phi }\right)}_{\chi }=M_i\frac{\raisebox{1ex}{$d\chi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$d\phi $}\right.}{{\sigma }_{и}-\chi }$, (7)

где σ_и — интегральный закон испарения топлива в КС.

В реакционную зону поступают молекулы углеводородов топлива пропорционально скорости испарения, которые распадаются на более мелкие молекулы и радикалы. Заключительным этапом цепочки реакций пиролиза углеводородов является взрывное разложение ацетилена с образованием химических зародышей сажи. Следовательно, скорость образования зародышей сажи пропорциональна скорости разложения ацетилена, которая определяется по представленным уравнениям химической кинетики. Состав продуктов в реакционной зоне зависит от скорости испарения топлива и локального коэффициента избытка воздуха.

Обозначим количество частиц сажи в реакционной зоне N₁ в зоне выгорания N₂. Учитывая скорость разложения углеводородов и окисления молекул ацетилена, а также отвод компонентов из зоны реакции, которая принимается пропорциональной скорости тепловыделения, можно определить количество моль C₂, которые перешли в твердую фазу по гетерогенным реакциям роста частиц сажи. Пренебрегая незначительным содержанием атомов водорода и других элементов в частице сажи, принимая постоянную плотность частицы 1,9 г/см³, можно вывести уравнение, связывающее количество моль C₂ z_ч в частице диаметром D_C:

$D_C=\mathrm{0,342}\cdot \sqrt[3]{N_A\cdot z_{\text{ч}}}$, (8)

где z_ч — моль С₂ в частице сажи; N_A — число Авогадро.

Для того, чтобы установить средний диаметр частицы сажи, нужно общее количество моль С₂ z₁ поделить на количество частиц в реакционной зоне N₁. Тогда скорость изменения среднего диаметра частицы сажи в зоне образования с учетом уравнения (8) определится по выражению:

$\frac{d{D}_1}{d\phi }=\mathrm{0,342}\cdot \frac{1}{3}\cdot {\left(\frac{z_1}{N_1}\right)}^{-\frac{2}{3}}\cdot \frac{\left[\frac{d{z}_1}{d\phi }\cdot N_1-\frac{d{N}_1}{d\phi }{z}_1\right]}{{N_1}^2}$, (9)

где D₁ — среднемассовый диаметр частиц в зоне образования сажи, нм;

В зоне образования сажи происходит частичная газификация атомов углерода по гетерогенным реакциям окисления. Массовая скорость выгорания частиц сажи пропорциональна произведению потока углерода на суммарную поверхность частиц, находящихся в единице объема. Следовательно, скорость газификации углерода зависит от диаметра частицы. Согласно представленной выше теории газификации сажи окислителями в этих реакциях главным образом выступают диоксид углерода, вода и кислород. Поток углерода по этим реакциям суммируется. Аналогично скорость гетерогенного роста частиц сажи пропорциональна поверхности частиц, следовательно, зависит от диаметра.

В зону выгорания частицы поступают, проходя через фронт пламени без газификации. В зоне выгорания частицы сажи продолжают взаимодействовать с окислителем, смешиваясь с продуктами сгорания. Изменение диаметра частиц в зоне выгорания определяется совокупностью трех процессов: выгорания, массоподвода из зоны образования и процессом коагуляции.

Количество частиц сажи в зоне выгорания с учетом броуновской коагуляции можно определить по уравнению [25]:

$\frac{d{N}_2}{d\phi }=\frac{\raisebox{1ex}{$d\chi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$d\phi $}\right.}{{\sigma }_{и}-\chi }\cdot N_1-P_0\cdot \mathrm{3,51}\cdot {10}^{14}\cdot \sqrt{T_2/1800}\cdot \sqrt{D_2}\cdot \frac{N_2^2}{6\cdot n\cdot V_2}$, (10)

где P₀ — стерический фактор; T₂ — температура в зоне выгорания.

Первое слагаемое в уравнении (10) учитывает подвод частиц сажи из зоны образования. В первом приближении за V₂ можно принять текущий объем цилиндра. В более точной трактовке V₂ это объем КС, охваченный пламенем. Принимая ввод частиц сажи с начальным диаметром Dн в количестве Nн пропорционально скорости испарения топлива, дифференциальное уравнение количества частиц в зоне образования можно записать в виде:

$\frac{d{N}_1}{d\phi }=d{\sigma }_{и}\cdot N_{\text{H}}+\frac{d{N}_{\text{О}}}{d\phi }-N_1\cdot \frac{\raisebox{1ex}{$d\chi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$d\phi $}\right.}{{\sigma }_{и}-\chi }$, (11)

где dN_O/dφ — скорость образования зародышей частиц сажи.

Скорость газификации твердого углерода в зоне выгорания сажи определяется согласно уравнению:

$\frac{d{z}_{\text{CГ}}}{d\phi }=-\frac{z_2\cdot F_{\text{y}}\cdot J_C}{4\cdot 6\cdot n}$, (12)

где J_c — суммарный поток углерода, г/(м² с); F_y — удельная поверхность частиц сажи, г/м².

Величина J_c рассчитывается по выражениям для всех реакций газификации частиц сажи свободным, оставшимся от сгорания топлива кислородом воздуха, углекислым газом и парами воды. Состав продуктов сгорания и величина потока углерода рассчитываются по отдельным подпрограммам.

Начальное количество молей С₂ определяется пропорционально доле воздуха в реакционной зоне и вычисляется по выражению:

$z_{\text{НО}}=\frac{z_{\text{Н}}\cdot {\alpha }_{\text{г}}}{\alpha }$. (13)

Текущую массу сажи в цилиндре можно определить, умножив количество моль С₂ в каждой зоне на молярную массу частицы роста:

$N=24\cdot \left(z_1+z_2\right)$. (14)

Количество частиц сажи в цилиндре также вычислялось алгебраическим сложением частиц, находящихся в каждой зоне. Массовая концентрация сажи в цилиндре определялась как отношение массы сажи к текущему объему цилиндра. Начальное содержание сажи в цилиндре принимаем пропорционально объему остаточных газов и концентрации сажи, замеренной на выпуске.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Отладка работы математической модели производилась по экспериментальным данным дымности ОГ тракторного дизеля [7, 21, 25, 28] при работе на ДТ в условиях различных нагрузочных и скоростных режимов работы. Исходными данными для расчета являлись полученные экспериментально индикаторное давление в цилиндре, осредненная температура газов, скорость тепловыделения (рис. 1), скорость испарения топлив (рис. 2).

 

Рис. 1. Показатели процесса сгорания тракторного дизеля 2Ч 10,5/12,0 на номинальном режиме работы: a — индикаторное давление; b — осредненная температура газов в цилиндре; c — активное тепловыделение; d — скорость тепловыделения.

Fig. 1. Indicators of the combustion process of the 2Ch 10.5/12.0 tractor diesel engine at the nominal operating mode: a — indicator pressure; b — average temperature of gases in the cylinder; c — active heat dissipation; d — heat dissipation rate.

 

Рис. 2. Характеристики испарения топлив и тепловыделения в КС тракторного дизеля.

Fig. 2. Characteristics of fuel evaporation and heat dissipation in the combustion chamber of the tractor diesel.

 

Оптимальные установочные углы опережения впрыскивания топлив (УУОВ) определялись экспериментальным путем и составили для РМ и этанола Θ_РМ = Θ_Э = 34^о п.к.в. до ВМТ. Цикловые подачи топлива были равны для этанола q_Э = 52 мг/цикл, для запального РМ q_РМ = 13 мг/цикл [7, 21]. УУОВ дизельного топлива составлял 30 град. п.к.в. до ВМТ. Цикловая подача дизельного топлива составляла 42 мг/цикл.

Период задержки воспламенения при работе тракторного дизеля на биотопливе увеличивался. Это происходит по трем основным причинам: пониженное цетановое число, падение скорости испарения запального топлива в КС вследствие ухудшения процесса смесеобразования, снижение температуры газов в цилиндре при испарении спирта. Этот эффект компенсируется высокой скоростью сгорания этанола и активным подводом тепла к рабочему телу после ВМТ. Поскольку цикловая подача этанола на номинальном режиме на 20% больше цикловой подачи ДТ и начало подачи этанола смещено на 4 градуса п.к.в. от ВМТ, то увеличивается объем факела этанола к моменту начала сгорания. Теплота сгорания этилового спирта и РМ ниже, чем ДТ. Это приводит к снижению расчетной температуры газов в зоне сгорания (рис. 3).

 

Рис. 3. Определяющие температуры процессов образования и выгорания сажи.

Fig. 3. Temperature curves of the processes of carbon black formation and burnout.

 

После инициации тепловыделения начинается отвод частиц сажи из зоны образования и их смешивание с частицами, находящимися в зоне выгорания. Масса поступивших частиц распределяется на все частицы. До начала сгорания частицы сажи в зонах не претерпевали изменения диаметра. С появлением большого количества зародышей средний диаметр частиц сажи стремительно падает (рис. 4).

 

Рис. 4. Расчётные показатели сажесодержания в цилиндре тракторного дизеля при работе: а — количество частиц сажи, шт.; b — текущий среднемассовый диаметр частиц сажи в цилиндре, нм; c — массовая концентрация сажи в цилиндре, г/м³; d — массовое содержание сажи в цилиндре, мг.

Fig. 4. Calculated indicators carbon-black content in the cylinder of the tractor diesel engine during operation: а — the number of carbon black particles, pcs.; b — the current average mass diameter of carbon black particles in the cylinder, nm; c — the mass concentration of carbon black in the cylinder, g/m³; d — the mass content of carbon black in the cylinder, mg.

 

Максимальное количество частиц при работе дизеля на этаноле и РМ в 2,5 раза выше, чем при работе на ДТ. Это вызвано ростом периода задержки воспламенения и накопления большого количества углеводородов в реакционной зоне, а также низкой скоростью коагуляции частиц в реакционной зоне разложения этанола, что уже отмечалось выше. Перемещение экстремумов функций количества частиц и среднемассового диаметра на поздние углы п.к.в. вызвано смещением процесса сгорания.

К моменту открытия выпускного клапана при φ = 140° п.к.в. массовое содержание сажи в цилиндре дизеля стабилизируется, а скорость газификации сажи постепенно снижается до минимальных значений.

По результатам расчёта процесса сажеобразования мы видим, что концентрация сажи в цилиндре снижается на всех углах п.к.в. При работе дизеля на этаноле и РМ на номинальном режиме максимальная расчетная концентрация сажи в цилиндре составляет 1,93 г/м³ при φ = 15,6° п.к.в. При φ = 140° п.к.в. концентрация сажи в цилиндре падает до 0,091 г/м³. Массовое содержание сажи достигает максимального значения при 26,1 град п.к.в. и составляет 0,216 мг. В момент открытия выпускного клапана масса сажи падает до 0,092 мг. При работе на ДТ расчетное максимальное содержание сажи составляет 0,825 мг при φ = 19,2° п.к.в. Масса сажи при открытии выпускного клапана составляет 0,279 мг, что в три раза больше, чем при работе на биотопливе.

ВЫВОДЫ

На основании разработанной математической модели проведен расчет концентрации сажи и основных компонентов газовой смеси в реакционной зоне КС и содержание сажи в ОГ при различных скоростных и нагрузочных режимах работы тракторного дизеля, работающего на этаноле и РМ. Получена ценная информация о динамике протекания основных этапов образования и выгорания сажи в цилиндре при работе тракторного дизеля на этаноле и РМ, показывающая снижение в 3,4–3,8 раза в сравнении с работой на штатном дизельном топливе.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.А. Лиханов ― научное руководство, анализ и доработка текста, утверждение финальной версии; О.П. Лопатин ― формирование структуры статьи, анализ литературных данных, редактирование текста, создание изображений, составление выводов и заключения. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.A. Likhanov ― scientific guidance, analysis and revision of the text, approval of the final version; O.P. Lopatin ― formation of the structure of the article, analysis of literary data, text editing, image creation, drawing conclusions and conclusions. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Условные обозначения и сокращения:

РМ — рапсовое масло

КС — камера сгорания

ОГ — отработавшие газы

ПЗВ — период задержки воспламенения

п.к.в. — поворот коленчатого вала

ВМТ — верхняя мертвая точка

УУОВ — установочный угол опережения впрыскивания

q_РМ — цикловая подача рапсового масла

q_Э — цикловая подача этанола

Θ_Э — установочный угол опережения впрыскивания этанола, град

Θ_РМ — установочный угол опережения впрыскивания рапсового масла, град

About the authors

Vitaly A. Likhanov

Vyatka State Agrotechnological University

Email: lihanov.va@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3033-7176
SPIN-code: 9474-7629

Professor, Dr. Sci. (Engineering), Head of the Heat Engines, Automobiles and Tractors Department

Russian Federation, 133 Oktyabrsky avenue, 610017 Kirov

Oleg P. Lopatin

Vyatka State Agrotechnological University

Author for correspondence.
Email: nirs_vsaa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0806-6878
SPIN-code: 8716-0189

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Heat Engines, Automobiles and Tractors Department

Russian Federation, 133 Oktyabrsky avenue, 610017 Kirov

References

Supplementary files