Фазовые превращения и КПД бензинового двигателя

Фазовые превращения и КПД бензинового двигателя.

Введение.        

Теория смесеобразования бензинового двигателя рассматривает организацию испарения топлива, т.е. прямого фазового перехода первого рода. К основным лимитирующим факторам, ограничивающим этот процесс теория относит:

1.Наличие многокомпонентности в составе моторных топлив.

2.Малыми временными интервалами, отводимыми на процесс приготовления смеси.

3.Наличие при любом способе топливоподачи мелкой аэрозоли и пристеночной топливной пленки как не устранимый и сопутствующий фактор.

4.Низкотемпературными условиями впускного тракта и цилиндра двигателя.

Вместе с тем, такие представления недостаточно полны, поскольку не учитывают физику обратного фазового перехода первого рода конденсацию.

Фазовые переходы первого рода.

В типичном случае равновесия газа и жидкости изображенного на рис.1 сплошной линией (кривая равновесия фаз), области, лежащие по разные стороны кривой, соответствуют стабильным фазам вещества. Однако вблизи поверхности раздела фаз лежат границы метастабильных фаз вещества, (пунктирные линии) которые термодинамически неустойчивы. Эти области называют состоянием переохлажденного пара или перегретой жидкости. Такая неустойчивость системы может сохраняться при широком изменении температуры Т, вплоть до нескольких десятков градусов или при одновременном изменении температуры Т и давления Р. Эти области характеризуются некоторыми особенностями. В окрестностях фазового перехода свойства системы меняются резким и, зачастую, непредсказуемым образом, интервал этих изменений чрезвычайно узок, поведение системы в этом интервале оказывается чувствительным к внешним воздействиям. Физическая причина этих особенностей состоит в том, что добавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температуру системы, а

расходуется на её перестройку. При низких температурах свободная энергия жидкости меньше чем пара, следовательно, жидкое состояние выгоднее.

Превращение метастабильной фазы в стабильную начинается случайным, флуктационным образованием небольших скоплений стабильной фазы в недрах метастабильной. Эти скопления представляют зародыши возникающей фазы. Образование зародышей может происходить на одиночных молекулах, посторонних вкраплениях, частицах, капельках, пузырьках и т.д. Зародыши возникающей фазы характеризуются числом молекул ٧ из которых он состоит, а также испускательной W٧- и поглощательной W٧+ способностью. Отношение испускательной спосотности зародыша в реальном паре и поглощательной в гипотетическом паре, имеют примерное равенство,

Wv--≈ Wv+ (1)., где Wv+ поглощатнльная способность зародыша в гипотетическом паре.

Это равенство (1) позволяет найти отношение W٧-/W٧+ испускательной и поглощательной способности в реальном паре. Поведение этого отношения как функции ٧ изображено в случае стабильного и метастабильного пара жирной линией на рис.2.

На рис.2а видно, что в случае стабильного пара испускательная способность зародыша W٧- всегда больше его поглощательной способности W٧+ так, что зародыш не способен к росту. В случае метастабильного пара рис.2б видно, что на оси переменной ٧ существует критическая точка ٧с, которая соответствует критическому зародышу. В ней испускательная и поглощательная способности зародышей совпадают. Зародыши, которым удалось «преодолеть» точку ٧с, начинают расти далее неудержимо, становясь центром возникновения стабильной фазы. Такое зарождение закритических зародышей представляет собой всего лишь начальную стадию фазового превращения, но она оказывается решающей в процессе фазового перехода. Преодолев точку ٧с зародыши, далее растут необратимо, поглощая при этом

интенсивно молекулы исходной фазы, вызывая тем самым снижение степени ее метастабильности практически до нуля. Приведенные теоретические представления имеют простую физическую интерпретацию, основанную на термодинамических представлениях.

В газовых системах, находящихся в неустойчивом (метастабильном) состоянии, при определенных граничных условиях, могут флуктационно возникать образования (зародышы), которым удается в определенный момент времени больше поглотить молекул, чем испустить. Это означает, что в системе случайно возникают зародыши большего размера (диаметра) по сравнению с среднестатистической дисперсностью. Увеличение размера зародыша сопровождается увеличением площади соприкосновения его с системой. При стабильном состоянии системы, т.е. системе, имеющей достаточный запас энергии, размер зародышей ограничивается, поскольку при возрастании площади соприкосновения с средой возрастает тепловой поток к зародышу из системы. Увеличение притока энергии, позволяет зародышу в дальнейшем испустить больше молекул, чем поглотить, т.е. создаются условия, когда зародыш не способен к росту. Ограничению роста способствует и эффект уменьшения сил поверхностного сцепления молекул при возрастании размера зародыша, что способствует более легкому разрыву межмолекулярных связей. Иная ситуация возникает при метастабильном состоянии, характеризуемом общим недостатком энергии в системе. В таких системах рост размера зародыша не ограничен, поскольку низкий уровень притока энергии из системы не может быть компенсирован увеличением площади поверхности зародыша и уменьшением сил поверхностного сцепления молекул. В результате подавляющая часть случайно увеличенных в размерах зародышей обязательно продолжит свой рост и достигнет закритических размеров. Почему подавляющая часть, а не все зародыши объясняется теми же статистическими соображениями. Дело в том, что части зародышей при росте все же удастся больше испустить молекул, чем поглотить, следовательно, они выйдут из игры. Однако, зародыши, достигшие закритических размеров, продолжат рост притягивая к себе молекулы из системы, т.е. начнут играть роль активных центров стягивающих молекулы из системы. Причина стягивающих свойств закритических зародышей определена локальной неравновесностью, возникающей вокруг зародыша из-за асимметрии в процессах поглощения и испускания молекул. Закритические зародыши из-за недостаточного притока энергии из системы, практически перестают испускать молекулы, а только поглощают. Следовательно, в локальной области пространства системы нарушается Максвелл–Больцмановское распределение молекул в области нахождения зародышей. Иными словами, молекулы из системы, окружающие зародышы перестают ощущать межмолекулярные столкновения при движении к зародышу, а столкновения при движении от зародыша остается на прежнем уровне. Дисимметрия в межмолекулярных столкновениях сопровождается появлением направленного импульса у молекул, т.е. упорядоченного потока молекул из системы к зародышам. Выражаясь термодинамическим языком: флуктуации в неустойчивой системе вызывает появление неравновесности,

которая порождает упорядоченное (кооперативное) поведение молекул. Поскольку предполагается примерно равномерное распределение по системе закритических зародышей, можно говорить о появлении в системе помимо короткодействующих микроскопических корреляций на уровне молекул, когерентных дальнодействующих макроскопических корреляций. Как результат, сфазированные локальные потоки присоединяющихся молекул к зародышам лавинообразно увеличат их размеры до капельного состояния, т.е. возникнет фазовый переход первого рода (конденсация). Скорость такого перехода при комнатной температуре и атмосферном давлении близка к скорости звука. Безусловно, все сказанное в полной мере относится к однокомпонентным и большим физическим системам, т.е. системам, имеющим количество частиц порядка числа Авогадро. (10²³ частиц). Для малых физических систем, в зависимости от граничных условий, фазовый переход растягивается во времени.

Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют о метастабильном состоянии приготавливаемой смеси в цикле бензинового ДВС, поскольку к концу смесеобразования топливо присутствует в двух агрегатных состояниях. Однако, не сложно убедиться, что метастабильность смеси сохранится если на этапе приготовления использовать заранее испаренное топливо. Например, испаренное топливо подавать из отдельной подогреваемой емкости с бензином по барботажному принципу. Исходя из таких условий приготовления и принимая во внимание, что бензин - это смесь углеводородов с различными температурами фракционной разгонки, разумно ожидать получение температуры топливного пара идущего на приготовление примерно 124⁰С.

Поскольку топливо испарено, т.е. произошел разрыв межмолекулярных связей, и этот процесс не сопровождается химической перестройкой молекул, то для газового состояния топливовоздушной смеси межмолекулярные связи можно учесть, включив в рассмотрение интенсивность столкновения возбужденных (испаренных) молекул бензина М* с исходными не возбужденными молекулами воздуха М присутствующими в системе. (О₂, N₂).

М*+ М → Мо + М (2), где М0 энергия молекулы после диссипации.

Энергия возбужденных (испаренных) молекул топлива М* может, как уменьшаться, так и увеличиваться. Однако, в бензиновом цикле процессы столкновения возбужденных молекул бензина с невозбужденными молекулами воздуха превалируют так, что это приводит к диссипации энергии возбужденных молекул. Теряемая энергия превращается в кинетическую энергию молекул воздуха. В соответствии с законом о равнораспределении энергии молекул по степеням свободы и используя соотношение между тепловой энергией W и температурой Т.

W = кТ (3), где к постоянная Больцмана, а Т температура в Кельвинах.

Можно установить: энергия молекул испаренного топлива при температуре 1240С будет на уровне энергий характерных значениям энергии вращательного возбуждения молекул, т.е. порядка 0,034эв. Данная энергия за счет

межмолекулярных столкновений при смешивании с воздухом перераспределится по колебательной, вращательной и поступательной степеням свободы молекул топливовоздушной смеси. При смесеобразовании поддерживается примерное соотношение 1кг топлива на 15кг воздуха, а температуре воздуха при значении 20⁰C соответствует тепловая энергия молекул примерно- 0,025эв. При данном соотношении компонент, испаренные молекулы топлива проведут диссипацию на молекулах воздуха, имеющих меньшие тепловые энергии. После завершения процесса диссипации каждая молекула топливо - воздушной смеси будет иметь энергию порядка - 0,027эв, что соответствует температуре не более 30⁰С. При таких значениях температур молекулам тяжелых фракций бензина, имеющих температуры кипения в пределах 150⁰-193⁰С энергетически более выгодно жидкое состояние. Временной интервал процесса диссипации энергии, определяется на основе данных газовой кинетики. Известно, что среднее число столкновений, необходимых для превращения вращательного и колебательного возбуждения молекулы в тепловую сильно зависит от энергии возбуждения, масс партнеров по столкновению и сил взаимодействия между ними при сближении и для различных пар сталкивающихся молекул принимает значение в широком диапазоне. Для вращательной, порядка 10-ти столкновений для колебательной 10² ÷ 10⁷ столкновений. Также известно, что при давлениях близких атмосферному и комнатной температуре каждая молекула воздуха испытывает около 109 ÷ 1010 столкновений в секунду. Учитывая, что при температуре 124⁰С колебательные уровни энергии молекул топлива не возбуждаются (требуются энергии порядка 0,1эв), не сложно определить время отводимое на диссипацию вращательного возбуждения испаренных молекул топлива при давлениях смесеобразования, примерно 10^-8 сек. Полученное значение, даже с учетом замедления фазового перехода из-за образования малой физической системы при смесеобразовании, меньше на несколько порядков самого короткого интервала отводимого на процесс приготовления смеси.( ~ 0,01с). Из этого следует простой и очевидный вывод: на стадии приготовления смеси тяжелые молекулы топлива, которым удалось перейти в другое агрегатное состояние (пар), приходят в термодинамическое равновесие с остальными молекулами смеси. И это имеет принципиальное значение для теории смесеобразования бензинового ДВС. Метастабильное состояние у тяжелых погонов бензина сохранится во всем диапазоне приготовления. Следовательно, предположение о зарождении нуклеации для тяжелых фракций на этапе приготовления смеси обоснованы. Жидкое состояние для них становится энергетически более выгодным, и этот процесс будет развиваться неудержимо. Ошибочно надеяться, что дальнейшее повышение температуры в цилиндре за счет сжатия может исключить развивающийся фазовый переход.

Во-первых, как отмечалось, процесс зарождения закритических зародышей оказывается принципиальным, при фазовом превращении и он необратим.

Во-вторых, на рис.1 видно, что метастабильность не исчезает, если одновременно меняются два параметра – температура Т и давление Р. В конечном итоге, на этапе сжатия скачкообразно возникнет топливо в жидкой

фазе. А как известно, нахождение топлива в жидкой фазе даже в микродозах ухудшает процесс сгорания. Исключить развитие нуклеации на этапе смесеобразования возможно только за счет получения стабильного пара (см. рис.2а). В нем испускательная способность зародыша Wv- всегда больше его поглощательной способности Wv+. Физические обоснование такого утверждения лежит в изменении механизма перераспределения энергии в процессе столкновений, который приводит к уменьшению передачи энергии возбуждения от одного партнера по столкновению к другому. Стабильный пар - это газовая смесь в виде одиночных молекул и мелкий аэрозоль с очень малым числом молекул v, где все компоненты имеют достаточный запас энергии по степеням свободы. В этом случае дискретный (квантовый) характер поведения молекул и капель становится существенным. Показанный на рис.2 рост отношения испускательной и поглощательной способности с уменьшением числа молекул в зародыше v, т.е. с уменьшением размера зародыша объясняется квантовыми явлениями. Поведение таких частиц нужно рассматривать на волновом уровне, когда микрочастицы ведут себя как волна и проявляют способность проходить через другой микрообъект практически без значительного перераспределения энергии, т.е. им свойственны такие явления, как интерференция и дифракция. В результате для дезактивации таких молекул потребуется на порядки больше столкновений с другими молекулами, а значит, исключается процесс нуклеации во всем диапазоне приготовления и сжатия смеси.

ВЫВОДЫ.

Возникает вопрос, – какие конструктивные решения можно применить, чтобы получить стабильный пар на этапе смесеобразования бензинового двигателя.

На первый взгляд решение этой проблемы просматривается в дальнейшем совершенствовании качества распыла топлива, т.е. когда мелкий аэрозоль содержит малое число молекул v в каждой образующейся капле. Однако более внимательное рассмотрение такой возможности указывает на то, что существуют принципиальные ограничения, не позволяющие этого достичь. Эти ограничения определены существующими физико-химическими свойствами легких моторных топлив, низкотемпературными условиями впускного тракта и цилиндра, а также отсутствием при распылении значительного тепломассообмена со средой. Получить идеальный пар возможно только в одном случае. Параллельно впускному тракту установить испарительный имеющий высокотемпературный нагрев, в который подается все топливо и не значительная часть чистого воздуха, идущего на смешение. Впервые целесообразность такого подхода была экспериментально исследована в 1955г Д. Ивановым. Такая компоновка позволяет решить ряд задач:

1. Исключить влияние нагрева на наполнение цилиндров двигателя, поскольку основная масса воздуха, поступающая в цилиндры, не подвергается нагреву.

2. Обеспечить в испарителе приобретение равных тепловых энергий молекулами топлива и молекулами воздуха.

3. Получить на выходе испарителя температуру смеси выше критической, определенной для самых тяжелых бензиновых фракций. (220⁰-230⁰С).

На выходе из испарителя топливо представляет идеальный пар, состоящий из отдельных молекул, обеспеченных запасом энергии по степеням возбуждения. Смешивание такой смеси с воздухом основного впускного тракта, ближе к впускным клапанам, замедляет процессы дезактивации молекул топлива, а значит, нуклеация не успевает зародиться и развиться на циклах смесеобразования и сжатия.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Ю.Б.Свиридов "Особенности образования и движения пленок моторных топлив в воздушном канале." Труды ЦНИТА 1968г, вып.37.

2. Ю.Б.Свиридов "О теплообмене между движущейся топливной пленкой и испарителем". Труды ЦНИТА 1968г, вып37.

3. Ю.Б.Свиридов "К вопросу организации оптимального режима испарения топлива во впускном тракте бензинового двигателя." Труды ЦНИТА 1978г, вып.71.

4.Ю.Б.Свиридов."О теплопередаче к испаряющейся топливной пленке" Труды ЦНИТА,1978, вып.72.

5.Д.Н. Иванов, "Системы питания двигателей" МАШГИЗ, 1955г.  

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

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!