Физико-химические основы математического моделирования процесса образования и выгорания сажи в дизельных ДВС

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Д. В. КОЖИН 
 
 
 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ 
И ВЫГОРАНИЯ САЖИ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВС 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Йошкар-Ола 
2015 

 
УДК 621.4 
ББК  31.365 
К 58 
 
Рецензенты: 
проректор по научно-исследовательской работе  
Петрозаводского государственного университета, профессор  
кафедры транспортных и технологических машин и оборудования,  
доктор технических наук, профессор В. С. Сюнев; 
заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства  
и геодезии Воронежской государственной лесотехнической  
академии, доктор технических наук, профессор С. И. Сушков; 
декан механико-технологического факультета, заведующий кафедрой  
оборудования лесного комплекса Брянской государственной  
инженерно-технологической академии,  
доктор технических наук, профессор А. Н. Заикин 
 
 
 
 
 
Кожин, Д. В. 
К 58   Физико-химические основы математического моделирования 
процесса образования и выгорания сажи в дизельных ДВС: монография / Д. В. Кожин. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2015. – 176 с. 
ISBN 978-5-8158-1517-9 
 
Предложена и апробирована методика расчета процесса результирующего сажевыделения в цилиндре дизеля на основе кинетики термического и окислительного крекинга углеводородного топлива и ацетиленового механизма образования сажистых частиц. Выявлены экспериментально-теоретические основы математического описания процесса выгорания сажи с использованием диффузионнокинетической модели выгорания и газификации единичной сажистой частицы с 
применением положений теории приведенной пленки.  
Для научных, инженерно-технических работников, занимающихся проектированием двигателей внутреннего сгорания, а также аспирантов, магистрантов и студентов соответствующего профиля. 
УДК 621.4 
ББК  31.365 
 
ISBN 978-5-8158-1517-9 
© Кожин Д. В., 2015 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2015 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Предисловие 
 
Введение 
6 
 
1. Основные положения математической  
модели результирующего сажевыделения в дизелях 
7 
2. Кинетический механизм результирующего сажевыделения  
в дизелях 
12 
3. Система дифференциальных уравнений, описывающих  
процесс результирующего сажевыделения 
20 
4. Процесс испарения распыленного жидкого топлива  
в цилиндре дизеля 
41 
5. Динамика развития топливного факела 
49 
6. Кинетика термического крекинга углеводородов топлива 
58 
6.1. Термическое разложение исходных углеводородов топлива 
59 
6.2. Термическое разложение парафиновых и нафтеновых  
углеводородов топлива 
62 
6.3. Термическое разложение ароматических углеводородов  
топлива 
64 
6.4. Термическое разложение индивидуальных 
углеводородов топлива 
66 
7. Кинетическая модель начальной стадии сажеобразования  
и поверхностного роста частиц сажи при термическом  
разложении ацетилена 
73 
8. Физико-химический механизм процесса выгорания  
частиц сажи в дизеле 
119 
 
 
Заключение 
166 
 
Библиографический список 
168 
 
 
 

 
Светлой памяти Анатолия Сергеевича Лоскутова – 
бывшего декана механико-машиностроительного факультета МарГТУ (ныне ПГТУ), много лет заведовавшего 
кафедрой 
транспортно-технологических 
машин, подготовившего немало инженеров-механиков 
и внесшего свой вклад в развитие отечественного 
машиностроения, посвящается 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
В настоящей монографии представлены результаты многолетних 
оригинальных исследований в области процессов образования и выгорания сажи в дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).  
Несмотря на то, что изучению процесса сгорания топлива в дизеле 
посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ, 
до настоящего времени отсутствует общепризнанная теория, адекватно 
отражающая физическую природу и особенности рабочего процесса дизельного двигателя, основанная на ясных физических представлениях 
на всех стадиях: от подачи топлива до его сгорания. 
В сложной цепи причинно-следственных связей большого числа 
быстропротекающих процессов в камере сгорания дизеля процесс сажевыделения занимает вполне определённое самостоятельное место. Являясь обязательной составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива в дизеле, процесс сажевыделения играет определяющую роль в создании проблем дымности, токсичности и концерогенной опасности отработанных газов, и практически полностью определяет условия объемного теплового излучения в цилиндре. Поэтому глубокое изучение этого процесса как одного из последовательных этапов 
сгорания топлива в двигателе, имеет большое научное и практическое 
значение. 
Работа состоит из восьми глав, в которых отражается результат изучения вопросов сажеобразования в ДВС на основе системного подхода. 
Отличительной чертой авторского метода расчета сажевыделения в 
цилиндре дизеля является то, что в его основу положены кинетика термического и окислительного крекинга углеводородного топлива и ацетиленовый механизм образования сажистых частиц. Для математического описания процесса выгорания сажи использована диффузионнокинетическая модель выгорания и газификации единичной сажистой 
частицы с применением положений теории приведенной пленки. 

 
Автор благодарит рецензентов – докторов технических наук, профессоров А. Н. Заикина, С. И. Сушкова, В. С. Сюнева за советы, рекомендации, замечания, которые были учтены при работе над рукописью 
и способствовали совершенствованию издания. 
Монография предназначена для научно-технических работников, 
аспирантов и студентов технических направлений подготовки, а также 
специалистов, выполняющих практические расчеты в сфере проектирования малотоксичных двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, материалы исследований могут быть интересны специалистамэкологам при разработке природоохранных мероприятий.  
Научные проблемы, реализованные в монографии, были поставлены 
кандидатом технических наук, доцентом А. С. Лоскутовым, который много лет был научным руководителем, а в дальнейшем научным консультантом автора. Данный труд посвящается памяти любимого учителя.  
 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Известно, что применение в промышленной энергетике, сельском 
хозяйстве, на водном, железнодорожном, автомобильном транспорте 
силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые 
потребляют жидкие нефтяные моторные топлива, приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Проблема снижения токсичности и дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания является одной из самых сложных и актуальных проблем современного двигателестроения. Из всех типов ДВС наиболее многочисленную группу представляют автотранспортные двигатели, потребляющие 
более 40% всего моторного топлива, выпускаемого в стране. Данные 
двигатели являются также одним из основных источников загрязнения 
воздуха в густонаселенных районах и крупных городах. Все это делает 
тему снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) особенно актуальной. Она может быть решена только в результате качественного совершенствования рабочего процесса и 
конструкции ДВС путем устранения причин образования вредных веществ и создания оптимальных условий для сгорания топлива [109-116]. 
Основной массой токсичных компонентов, выходящей с отработавшими газами (ОГ) дизельных двигателей являются оксиды азота и сажа. 
Суммарная их токсичность в общем уровне токсичности отработавших 
газов дизелей достигает 70%. Поэтому особое внимание исследователей 
уделяется вопросам снижения концентрации оксидов азота и сажи в 
продуктах сгорания. 
Расчетные методы позволяют найти наиболее эффективные пути 
снижения токсичности ОГ, оптимизировать параметры рабочего процесса с учетом токсичности продуктов сгорания, сократить время доводки и проектирования двигателей. 
С другой стороны, развитие и совершенствование расчетных методов 
требует более глубокого проникновения в физику явления, выявления 
причинно-следственных связей процесса, что, в конечном счете, позволяет 
осознанно воздействовать на процесс в желаемом направлении. Это в полной мере относится и к вопросам снижения токсичности ОГ двигателей. 
К сожалению, проблемы процессов образования и выгорания сажи с 
применением математических методов моделирования в настоящее 
время малоизучены, что затрудняет проектирование двигателей с улучшенными токсическими характеристиками и требует издания необходимой профильной литературы, в которой сегодня наблюдается явный 
дефицит. Настоящая работа является попыткой автора в какой-то мере 
восполнить данный пробел. 
 

 
ОСНОВНЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ  
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ  МОДЕЛИ  
РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕГО  
САЖЕВЫДЕЛЕНИЯ  В  ДИЗЕЛЯХ 
 
Образование сажи при сгорании жидкого распыленного топлива в 
цилиндре дизеля происходит в результате высокотемпературного пиролиза углеводородов топлива по механизмам термического и окислительного крекинга. 
Основной причиной образования сажи в дизелях, как и во всех процессах диффузионного сгорания углеводородного топлива, является 
наличие и взаимодействие переобогащенных и высокотемпературных 
зон в горючей смеси. 
В цилиндре дизеля необходимые условия для образования сажи возникают сразу же после воспламенения и формирования устойчивого 
фронта пламени. Первоначальный фронт пламени формируется путем 
его нормального распространения по квазиоднородной смеси, образовавшейся за период индукции. Тем самым создаются высокотемпературные зоны в горючей еще не реагирующей смеси. 
Продолжающееся поступление жидкого топлива в реагирующую 
смесь при одновременной интенсивной турбулизации заряда приводит к 
тому, что режим нормального горения переходит в турбулентнодиффузионный. При диффузионном горении скорость и полнота сгорания топлива определяются только скоростью и качеством смешения, т.к. 
скорость испарения и скорость химических реакций значительно больше скорости смешения. 
Смешение паров топлива с воздухом происходит в непосредственной близости от зоны реакции, поэтому на этот процесс отводится очень 
мало времени, в результате чего образующаяся смесь крайне неодно

 
родна по составу. Таким образом, создаются благоприятные условия для 
протекания реакций пиролиза с образованием сажи. 
Чем больше неоднородность смеси, тем большее количество топлива участвует в крекинге и тем больше выход сажи. Наоборот, с увеличением однородности смеси большее количество топлива окисляется до 
конечных продуктов. Следует подчеркнуть, что однородность смеси не 
является достаточным условием предотвращения эмиссии сажи с продуктами сгорания топлива. Общеизвестно, что не менее интенсивно, 
чем в диффузионных пламенах, процесс образования сажи протекает 
при горении гомогенных углеводородовоздушных смесей закритического состава α ≤ 0,7.  
Итак, основными предпосылками сажеобразования в дизелях является наличие в камере сгорания переобогащенных топливом зон с  
α ≤ 0,7, имеющих температуру порядка 1000 К и выше. 
Процесс образования сажи в элементарных молях контролируется 
кинетикой процессов термического и окислительного крекинга углеводородов, а результирующий выход сажи определяется:  
 соотношением скоростей этих процессов; 
 локальным составом смеси; 
 временем процесса, зависящим от времени «жизни» микромолей 
и временного масштаба турбулентности. 
Процесс образования сажи является составной частью совокупности 
процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания топлива. На эти 
процессы накладываются не менее сложные процессы радиационного и 
конвективного теплообмена.  
Учитывая сложность этих процессов и ограниченность существующих представлений о детальной сущности процессов смесеобразования 
и сгорания топлива, для того чтобы перейти к рассмотрению вопросов, 
связанных с созданием математических методов расчета результирующего сажевыделения в дизелях, необходимо ограничить рамки исследований и сформулировать основные положения и допущения приближенной теории и математической модели образования и выгорания частиц сажи в камерах сгорания дизелей. Они сводятся к следующему: 
 процесс результирующего сажевыделения в дизелях представляет 
собой совокупность взаимосвязанных между собой процессов образования и выгорания частиц сажи, каждый из которых протекает по своим 
особым физико-химическим закономерностям; 

 
 процесс образования сажи является результатом протекания цепных многостадийных реакций термического и окислительного крекинга 
углеводородов топлива, идущих в известных неблагоприятных физических условиях сгорания топлива, оговоренных ниже; 
 сажа образуется в локальных зонах камеры сгорания, когда атомное отношение в реагирующей смеси больше С/Н > 0,5, или то же самое, когда α ≤ 0,7; 
 процессы образования и выгорания сажи протекают в различных 
зонах камеры сгорания. Процесс образования сажи протекает в зонах 
термического крекинга топлива, процесс выгорания – в зоне продуктов 
сгорания. Процесс выгорания сажи есть совокупность процесса окисления частиц сажи свободным, оставшимся от сгорания топлива, кислородом воздуха и процесса газификации частиц реакционноспособными 
компонентами продуктов сгорания: CO2, H2O и в богатых смесях частично ОН. Процесс образования сажи сопровождается процессом ее 
газификации, процесс окисления частиц сажи в зонах термораспада 
топлива в расчетных моделях можно не учитывать вследствие расходования кислорода на основной процесс окисления топлива; 
 физико-химической основой механизма начальной стадии образования сажи в дизелях является двухстадийный ацетиленовый механизм 
П. А. Теснера; 
 процессы окислительного, термического крекинга, механизм 
начальной стадии сажеобразования, процессы коагуляции и газификации частиц сажи для адекватного описания процесса образования сажи 
должны быть представлены в единой кинетической схеме реакций, так 
как эти процессы взаимосвязаны и физически протекают в одних и тех 
же элементах пространства и времени; 
 скорости реакций процесса образования сажи значительно меньше 
скоростей реакций окислительного крекинга углеводородов топлива. На 
основании этого концентрацию исходного сырья для образования сажи 
– ацетилена можно рассчитывать по условиям динамического равновесия. Для расчета равновесного состава продуктов частичного окисления 
богатых смесей использован кинетический метод; 
 в математической модели предполагается, что все химические реакции протекают в газовой фазе. Процессы жидкофазного крекинга уг

 
леводородов топлива не рассматриваются ввиду отсутствия надежного 
математического аппарата и экспериментальных данных о роли подобных процессов в кинетике сажеобразования; 
 в модели принято, что гетерогенные реакции поверхностного роста и выгорания частиц сажи протекают в кинетическом режиме; 
 процесс коагуляции частиц сажи происходит по механизму броуновской коалесценции; 
 процесс выгорания частиц сажи описывается в рамках теории 
приведенной пленки при негорящем пограничном слое; 
 процесс термического разложения углеводородов топлива рассматривается в рамках системы кинетических уравнений бруттореакций, разработанной на основе рассмотрения детальных кинетических радикально-цепных механизмов крекинга исходных и индивидуальных углеводородов топлива; 
 процессы, происходящие в цилиндре двигателя, баротропны, и 
давление газов в любой точке камеры сгорания одинаково в каждый 
момент цикла; 
 считаются заданными индикаторная диаграмма Р(φ), закон подачи 
топлива Ϭ(φ) и закон выделения теплоты в единичном цикле x(φ); 
 доля испарившегося топлива Ϭu(φ) рассчитывается по уравнениям 
испарения единичной капли, трансформированным с учетом особенностей условий испарения всего топливного факела; 
 располагаемое время процесса образования сажи рассчитывается 
как время между кривыми испарившегося Ϭu(φ) и выгоревшего топлива 
X(φ); 
 средняя температура газов Т в цилиндре двигателя определяется 
по уравнению состояния; 
 текущее значение температуры воздуха Тв, не участвующего в 
сгорании топлива, рассчитывается по уравнению адиабаты; 
 температура продуктов сгорания Тпс определяется для каждого 
момента цикла из уравнения баланса энтальпий с учетом потерь теплоты на недогорание топлива, диссоциацию продуктов сгорания и радиационных тепловых потерь из зоны реакции; 
 в качестве определяющей температуры процесса образования сажи принята средняя интегральная температура фронта пламени, усред