К вопросу гомогенизации смеси бензинового ДВС

Keywords: gasoline engine with spark ignition, the volumetric and GDCI HCCI combustion, spontaneous combustion, accurate control of ignition, self-organizing systems. 

   Эволюционное развитие - это отбор состояний, имеющих смысл. На протяжении многих десятилетий в тепловых двигателях имели смысл хорошо управляемые режимы сгорания на основе дефлаграционных пламен. Ужесточающиеся экологические требования и гиперзвук потребовали более полного и быстрого сгорания, в связи с чем появился смысл в предетонационных и детонационных режимах.

    Перспективным направлением, с точки зрения топливной экономичности и экологичности бензиновых ДВС, является объемное сгорание, реализуемое в технологиях HCCI (воспламенение гомогенного заряда от сжатия) и GDCI (непосредственный впрыск топлива с воспламенением от сжатия). Технологии актуальны для глобального рынка в связи повышением эффективного КПД двигателя на 7-10%, снижения на порядки эмиссии оксидов азота, сажевых частиц и сокращения выбросов СО₂.

    Однако, не смотря на значительные финансовые затраты и технические усилия серийное внедрение технологий, уже много лет, сдерживается не решенной проблемой – это точное управление самовоспламенением, которая характеризуется ситуациями. Если при сжатии самовоспламенение не произойдет в ВМТ, когда температура и давление достигают максимальных значений, то понижение температуры заряда после ВМТ усиливается адиабатическим расширением. Вероятность возникновения критической температурной флуктуации в заряде резко снижается и происходят пропуски самовоспламенения или сгорание протекает крайне неэффективно. Пропуски самовоспламенения или низкая эффективность сгорания не позволяют обеспечить загазованность цилиндра для гомогенизации смеси в следующем цикле, что влечет переход в классическое приготовление. Если самовоспламенение происходит чуть раньше ВМТ, то из – за увеличения времени передачи тепла в стенки начинается разгонный процесс все более раннего самовоспламенения в следующих циклах, что также снижает эффективность, а ранние максимумы давления, вызывая сильные механические нагрузки, потенциально способны привести к разрушению двигателя.

    В соответствии с современными представлениями проблема закономерна и обусловлена трудностью управления «развитием» сложных систем с большим числом взаимодействующих переменных, когда каждое отдельное действие или локальное вмешательство в систему обретает коллективный аспект, который влечет за собой совершенно неожиданные глобальные изменения. Применительно к тепловым двигателям это означает, что при одних и тех же граничных условиях, наложенных на систему, в виде давления и температуры, но разных начальных условиях смеси, возникают качественно различные диссипативные структуры, и система эволюционирует в конечное состояние по разным кинетическим механизмам.

    Другими словами, трудность задания начальных условий с высокой точностью влечет за собой неопределенность, проявляющуюся в том, что момент самовоспламенения характеризуется случайностью. [1, стр. 206-207]. Подтверждением высокой чувствительности к изменению начальных условий служат эмпирические данные Тауненда и Мэндлейкера о влиянии состава смеси, т.е. α, на критическое давление при котором температура самовоспламенения сильно меняется, почти на 200⁰С. [2, стр. 32-33]. С учетом установленного ими влияния на критическое давление перехода и химической природы горючего существуют неустранимые неопределенности, влияющие на момент самовоспламенения. В самом деле, при широком фракционировании бензина можно говорить о фракционном составе только с определенной долей вероятности, что примерно 10% легких, 60% средних и 30% тяжелых. При этом природа самих фракций, т.е. химический состав также точно не определен поскольку сильно зависит от химического состава исходного сырья и технологии обработки. Помимо этого, давление и температура, при адиабатическом сжатии, зависят от частоты вращения двигателя, температуры смеси на входе, эффекта повышения давления и температуры в холодных пламенах (хемилюминесценция), теплонапряженности рабочей камеры. Добавив к этому флуктуационные колебаний α в газовой фазе, изменения уровня турбулентности в смеси, разброс цикловой подачи топлива форсунками (2-4%), влияющие на α, разброс в температуре отработавших газов и количестве экспортируемых радикалов в цилиндры, в виде СО, следует вывод: Точное управления моментом самовоспламенением на основе адиабатического сжатия, в диапазоне работы двигателя, под силу только демону Максвелла. В этой связи использование взрывных параметров (Т- температура, p - давление, τ – период индукции) и α для управления моментом самовоспламенения является тупиковым решением.

    На тенденцию отказа от использования взрывных параметров для определения температур самовоспламенения указывал Соколик еще в 1940г. [3, стр. 215-216] Кроме этого, оставаясь в рамках классических представлений невозможно дать физическую интерпретацию возникающей в турбулентном хаосе упорядоченности (самоорганизации) смеси, проявляющуюся в виде многоочагового сгорания цикла HCCI.

    Технологии HCCI и GDCI претендуют на ведущее место в повышении энергоэффективности бензиновых двигателей, в связи с чем представляет прикладной интерес реализация гарантированного управления моментом воспламенения от цикла к циклу.

    Для этого уточним условия реализации объемного сгорания, например, в формулировке Брозе:

1. Проведение в смеси предпламенных реакций.

2. Наработка свободных радикалов.

3. Возникновение точечного очага воспламенения, способного поджать смесь.

«Распространение горения этого типа оказывается сходным с распространением детонации (абзац 46), но в данном случае импульс давления не является носителем всей энергии, а лишь возбуждает начало процесса.» [4, стр. 41-42].

    Подтверждение условий можно найти у Соколика при анализе трех видов «стука» в двигателе. Он показал, что в отличие от «стука», вызванного детонационным сгоранием, в конечном объеме заряда, возможна реализация условий «недетонационного стука», когда возникает сферическая ударная волна, но без детонационного сгорания. Им отмечено, что сгорание при «недетонационном стуке» становится фактором повышения эффективности рабочего цикла двигателя. [2, стр. 410-411]. По поводу выяснения специфических свойств такого сгорания Соколик отметил: «Поскольку детонация в двигателе представляет сферическую (в простейшем случае, плоскую) детонационную волну, к ней не применим механизм образования ударной волны аккумуляцией элементарных волн сжатия. Единственно возможным способом образования такой волны является особого рода объемное самовоспламенение – идея, высказанная в общем виде Серрюисом в так называемой «теории нуклеарного воспламенения», однако без конкретной физической или химической интерпретации явления». [2, стр. 390] 

    В отношении предпламенных процессов, то оно имеет фундаментальный характер для всего процесса и требуют детального рассмотрения.

    Как установлено, при неравновесных условиях и автокаталитических реакциях, что полностью соответствует предпламенному периоду в двигателе, распределение не упруго сталкивающихся частиц перестает быть случайным. Химические корреляции в системе становятся крупномасштабными, и система ведет себя как единое целое, несмотря на то, что химическое взаимодействие носит короткодействующий характер. Априори можно ожидать, что не упругие столкновения приведут вместе с диффузией к хаотическому распределению продуктов первичного окисления, но это не так. [5, стр. 130 - 132]. В механизме высокотемпературного воспламенения реакции продолжения и разветвления цепи идут с участием кислорода. Не упругие столкновения, начиная с первичных бимолекулярных реакций присоединения кислорода, порождают локальные пространственные асимметрии в межмолекулярных столкновениях. Интенсивность межмолекулярных столкновений из внешних областей остается прежней, а со стороны топливных молекул, производящих присоединения кислорода, снижается. Локальные потоки молекул кислорода из внешних областей к топливным молекулам или частям молекул сдерживают диффузию отщепляющихся от них частей. При этом транспортные процессы, с ростом давления от сжатия, дополнительно подавляются усиливающейся интенсивностью столкновений. В результате при разветвлении цепи диффузия отщепляющихся фрагментов не может значительно превысить длину свободного пробега частиц в системе. Локализация промежуточных компонентов, т.е. близкое пространственное расположение, с учетом избытка молекул кислорода (бедные смеси) будет фактически соответствовать эффекту притяжения молекул в реакциях продолжения цепи. Иными словами, процесс столкновения молекул в предпламенный период характеризуется нарушением случайности.  При подходе к точке бифуркации амплитуды корреляций возрастают, и система смеси характеризуется разбиением на множество активных центров «ядер» с повышенной концентрацией продуктов первичного окисления с ярко выраженным взрывным характером. В свете эффекта самоорганизации, активное формирование «ядер» приходиться на стадию голубых пламен. Как показали Бейли и Норриш, голубое пламя, образующееся в продуктах холодного пламени, характеризуется более глубоким изменением состава продуктов, резким снижением количества исходного углеводорода и сильным снижением концентрации свободного кислорода О₂. [2, стр. 57-58]. Активное присоединения кислорода на стадии голубого пламени усиливает локальные потоки молекул кислорода к топливным молекулам, что способствует подавлению транспортных процессов в системе. При этом, как показали детальные исследования голубого свечения Гейдона и Мура, в спектре голубых пламен весьма интенсивны полосы радикалов НСО* и СН*, отсутствующие в холодных пламенах. [2, стр. 58-59]. С учетом этого, в период голубого пламени формирующиеся «ядра» обеспечиваются свободными радикалами, необходимыми для быстрого развития сгорания. Вовлечение в гомогенизацию на впуске и предпламенные процессы тяжелых топливных погонов с высокими температурами фракционной разгонки значительно, особенно на стадии голубых пламен, увеличит число молекул в системе. [2, стр. 57]. С учетом самоорганизации увеличение числа молекул будет способствовать повышению плотности образующихся активных «ядер» в системе. Повышение плотности позволит плазменному шнуру при искровом разряде произвести тепловое, радиационное и электронное воздействие на значительное число активных «ядер» с целью воспламенения. Иными словами, когда смесь еще не достигла температур самовоспламенения воздействие искрового разряда искусственно генерирует критическую температурную флуктуацию в системе. Воспламенившаяся группа «ядер», образует градиент давления, который через адиабатическое сжатие подожмет смесь. В формулировке И. Пригожина это означает, что первичная локальная область, через адиабатическое сжатие, подала со скоростью звука инновационный сигнал (транспортный процесс) остальным активным «ядрам» на необратимый процесс перехода в новое устойчивое состояние. Даже при флуктуационном разбросе параметров в «ядрах», часть активных «ядер» с параметрами близкими к воспламенению, воспримет, через волны сжатия, сигнал к переходу в новое устойчивое состояние и воспламениться. За счет общего повышения температуры и элементарных волн сжатия, остальные «ядра», обеспеченные свободными радикалами, очень быстро вовлекаются в необратимый процесс сгорания. Приведенная интерпретация полностью соответствует представлениям, развитых брюссельской группой на поведение сильно неустойчивых систем в окрестности точек бифуркации и подтверждается выводами Рёгера, Тизара и Пая о том, что самовоспламенение может возникать даже тогда, когда непосредственно после сжатия, остальная часть смеси не достигла температур самовоспламенения. [2, стр. 127]. Учитывая сказанное, существующее мнение, что многоочаговое сгорание в объеме смеси HCCI цикла возникает благодаря адиабатическому сжатию не соответствует физической реальности и является ошибочным.

    В отношении условия наработки свободных радикалов, то необходимо отказаться от радикалов в виде СО, транслируемых в цилиндры с отработавшими газами (рециркуляция). Содержание свободных радикалов в отработавших газах зависит от эффективности сгорания. Учитывая, что загазованность цилиндров в текущем цикле осуществляется отработавшими газами от предыдущего цикла данный параметр содержит неопределенность. Для устранения неопределенности целесообразно использовать свободные радикалы от тяжелых топливных фракций, которых в товарных бензинах порядка 30%. Как отмечено многими авторами, в том числе Брозе, при увеличении количества атомов в молекулах число степеней свободы вращательного и колебательного движения значительно превосходит энергию поступательного движения, в связи с чем, происходит быстрое разрушения внутримолекулярных связей. [3, стр. 13]. Быстрый распад тяжелых топливных молекул, с учетом автокаталитического процесса, запускает в низкотемпературной зоне окисления механизм разветвления цепи с образованием активных промежуточных продуктов в виде перекисей, альдегидов, формальдегида и углеводородных радикалов, а на стадии голубых пламен, когда давление стабилизирует наработку перекисей, распад формальдегида, высших альдегидов и углеводородных радикалов с образованием радикалов HCO^*и CH^*. По мнению Соколика, интенсивность специфического излучения голубого пламени (полос НСО*) является мерой создания в нем концентрации свободных радикалов. [2, стр. 59]. Другими словами, участие в предпламенных процессах многоатомных топливных молекул (тяжелые погоны) более эффективно решает задачу обеспечения смеси радикалами.

    Что касается точечного очага воспламенения, способного поджать смесь, то на первый взгляд, искровой разряд не способен создать локальную область воспламенения. (верхний предел воспламенения α ~ 1.3). Однако, трансляция этого предела на смеси в которых прошли предпламенные процессы не корректна. В подтверждение можно привести экспериментальные данные полученные в режиме двигателя для бедных смесей в которых прошли предпламенные процессы (Ливедаль, Говард). В них обнаружено облегчение воспламенения, начиная с α ˃ 1,25. В соответствии с графиком 108 [2, стр. 145] условия воспламенения бедных смесей с α ~ 1.5 – 1.6, т.е. при обеднении 40-50%, эквивалентны условиям воспламенения смесей стехиометрического состава. Доказательством, что объемному сгоранию всегда предшествует первичный точечный очаг зажигания можно привести комментарии Соколика к выводам Рёгера, Тизара и Пая и ссылки на фотографические регистрации, полученные методом непрерывной развертки в опытах Диксона и Дюшена. [2, стр. 127-128]. На возникновение самовоспламенения всегда в одной точке, даже при тепловом взрыве, когда температурные флуктуации подавлены, обращал внимание и Франк – Каменецкий.

     С учетом показанной Ландау аналогии в создании очага зажигания от искры и воспламенения от горячей точки, [(2, стр. 223] эффект облегчения условий воспламенения весьма убедительный аргумент в пользу утверждения о реализации точного принудительного управления воспламенением при α ~ 1,5 – 1,6 не от сжатия, как в технологиях HCCI и GDCI, а от искрового зажигания двигателя.

    Не сложно предвидеть сомнение, почему в экспериментальной деятельности по технологиям HCCI, GDCI не обнаружена возможность принудительного управления воспламенением от искрового разряда системы зажигания. Отнести это на случайность по крайней мере наивно.

     Причина в эффективности гомогенизации. В циклах HCCI и GDCI, общим в приготовления смеси является участие значительной доли холодного воздуха, поступающего в цилиндры. С учетом обеднения α ≈ 1.5 – 1.6, количество молекул холодного воздуха в разы превышает количество молекул топлива и молекул отработавших газов от рециркуляции. При этом только молекулы отработавших газов обладают повышенной энергией. Учитывая статистическое усреднение межмолекулярных столкновений, мы можем с большой вероятностью утверждать, что в период приготовления на одно столкновение топливной молекулы с молекулой отработавших газов, приводящее к активации, столкновений с молекулами воздуха, приводящих к дезактивации будет больше. При этом для активации топливных молекул, ввиду их больших масс, требуется значительное число столкновений с молекулами отработавших газов. Параллельный и превалирующий процесс дезактивации не позволит существенно увеличить энергию тяжелых топливных молекул, а тем более аэрозоля, т.е. к моменту сжатия в смеси присутствует жидкая фаза в микродозах, а энергия отработавших газов будет перераспределена между молекулами воздуха, топлива и аэрозолем. Жидкая фаза выводит в первую очередь тяжелые топливные фракций из предпламенных процессов, самоорганизации и наработки свободных радикалов. Не достаточная плотность «ядер» и радикалов исключает возможность создания условий облегчения воспламенением при α ≈ 1.5 – 1.6. В этой связи, применение компрессионного сжатия для управления самовоспламенением вынужденная мера, обусловленная слабым вовлечением в гомогенизацию тяжелых бензиновых фракций с температурами кипения порядка 160⁰ – 195⁰С. На недостаточную эффективность отработавших газов для гомогенизации указывают установленные факты:

- отсутствие возможности реализации HCCI цикла на холостом ходу. (термодинамические параметры отработавших газов на этом режиме, в диапазоне работы двигателя, самые низкие).

-  регистрируемое в отработавших газах HCCI цикла повышенное содержание СО и СН, в сравнении с классическим сгоранием.

  Как видим, проблема стабильного управления объемным сгоранием полностью определена включением в гомогенизацию тяжелых топливных фракций. В условиях бензинового двигателя без высокотемпературных условий приготовления смеси эту проблему не решить.

   На страницах журнала АП автором был предложен способ для организации эффективной гомогенизации, когда топливо подается в тонкостенные испарительные патрубки, по числу цилиндров, нагреваемых электрическим током с принудительным обогащением смеси до уровня α ≈ 0,1– 0,2. При таком подходе топливные молекулы непосредственно воспринимают температуру от стенок испарителей и гарантированно приобретают активацию. Фактически, покидая поверхность пленки на участке нагрева и испарения, они обладают энергиями, соответствующие температурам конца их фракционной разгонки. Учитывая, что при α ≈ 0,1– 0,2, примерно, одинаковое соотношение топливных молекул и молекул воздуха и принимая в расчет на порядки большие массы первых, активированные молекулы топлива в процессе диссипации на молекулах воздуха в испарителях теряют не значительную часть энергии возбуждения, т.е. остаются активированными. Дальнейший прогрев смеси, на участке интенсивного радиационного воздействия в испарителях, обеспечивает нарастание возбуждения молекул топлива и воздуха с задействованием вращательных и колебательных энергий. При дальнейшем смешении сильно прогретой смеси с основной массой воздуха, ближе к впускным клапанам, при котором достигается соотношение α ≈ 1.5 – 1.6, для дезактивации колебательных энергий тяжелых топливных молекул потребуется порядка 10⁸ - 10⁹ столкновений в секунду. Учитывая время приготовления 0,1- 0,01 сек, и возможность прогрева смеси изменением силы тока, создается реальная возможность вовлечения тяжелых топливных погонов в гомогенизацию на впуске и предпламенные процессы при сжатии. Другими словами, предлагаемый подход в отличии от технологий HCCI, GDCI позволяет создать и использовать условия облегчения воспламенением при α ≈ 1.5 – 1.6, т.е. при топливной экономичности 40 -50%.

 Литература:

1.     Г. Николис, И. Пригожин «Познание сложного», Издательство URCC, Москва, 2003.

2.     А. Соколик, «Самовоспламенение пламя и детонация в газах», Издательство АКАДЕМИИ НАУК СССР, Москва, 1960г.

3.     А. Соколик «Самовоспламенение и сгорание в газах», Успехи физических наук, том XXIII, вып. 3, 1940г.

4.     Д. Брозе «Сгорание в поршневых двигателях», Издательство Машиностроение, Москва, 1969г.

5.     И. Пригожин, «От существующего к возникающему» Издательство URCC, Москва, 2006г.

Разместил статью: pi31453_53
Дата публикации:  15-06-2016, 12:21

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Имя не указано  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!