Analiza procesu spalania paliw

W okolicy GMP tłoka do komory spalania zostaje wtryśnięta struga ciekłego paliwa, która następnie rozpada się na zbiór kropel o określonej dystrybucji przestrzennej. Paliwo powinno być rozpylone w stopniu umożliwiającym jego odparowanie i wytworzenie mieszanki par z powietrzem gwarantującej wysoką sprawność spalania. W miejscach, gdzie koncentracja paliwa w powietrzu osiąga zakres palny następuje samozapłon, którego następstwem jest wytworzenie znacznych ilości ciepła. Strefy objęte samozapłonem zlewają się ze sobą propagując w kierunkach, w których wytworzyła się mieszanka palna. W konsekwencji cały obszar z wtryśniętym paliwem tworzy jeden wspólny front spalania.

Proces spalania dobiega końca w momencie, gdy front natrafi na obszar, w którym skład mieszanki jest poza zakresem palności.

Proces spalania odgrywa bardzo ważne zadanie w silniku spalinowym. Zamiana energii chemicznej paliwa na ciepło, podczas reakcji utleniania, które zachodzą wewnątrz cylindra jest kluczowa dla uzyskiwanych parametrów pracy silnika i decyduje o:

 właściwościach energetycznych opisywanych mocą użyteczną,

 właściwościach ekonomicznych opisywanych sprawnością ogólną silnika, jak również jednostkowym zużyciem paliwa,

 właściwościach ekologicznych opisywanych wartością stężeń szkodliwych składników spalin.

W silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym początek procesu spalania następuje samoistnie w momencie wtrysku paliwa do podgrzanego w wyniku sprężania powietrza.

Zapłon w silniku o zapłonie samoczynnym jest skutkiem przebiegu procesów zachodzących podczas przygotowania ładunku do spalania. Procesy te przebiegają od momentu wtrysku paliwa do komory spalania samoistnie i brak jest możliwości korygowania ich przebiegu.

Ważne znaczenie ma czas przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest on w rzeczywistości bardzo krótki, przez co stwarza wiele przyczyn niedoskonałości dalszego przebiegu spalania. Najważniejszymi z nich są:

 niedostateczna szybkość parowania paliwa,

 spalanie powierzchniowe na ściankach komory spalania i na powierzchni kropli paliwa,

 lokalne niedobory tlenu znajdujące się w objętości strugi rozpylonego paliwa,

 niejednorodny rozkład paliwa w przestrzeni komory spalania.

Pierwsze ogniska zapłonu w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym występują w miejscu, gdzie wytworzyła się mieszanina o składzie λ = 0,8–0,9, dla którego w określonych warunkach samozapłon występuje najłatwiej. Stąd rozchodzi się czoło płomienia obejmując mieszaniny par paliwa z powietrzem. Procesom fizykochemicznym prowadzącym do samozapłonu ulegają w pierwszej kolejności porcje paliwa, które najdłużej przebywają w warunkach wysokiej temperatury oraz ciśnienia w obecności powietrza, a więc głównie te dostarczone w pierwszej fazie wtrysku. W pozostałych miejscach komory spalania, bardzo często oddzielonych od rozpatrywanego obszaru strefą „czystego” powietrza, spalanie może rozpocząć się w wyniku działania istniejącego płomienia, lub w wyniku wystąpienia samozapłonu. Reasumując należy stwierdzić, że samozapłon może wystąpić jednocześnie w kilku miejscach komory spalania.

33 Podczas procesu wtrysku wokół strugi tworzy się powłoka odparowanego paliwa.

Mając na uwadze szybką zmienność pola temperatur oraz koncentracji paliwa w strudze, zwłaszcza w warunkach dużej względnej prędkości powietrza i kropel paliwa, należy stwierdzić, że znaczna część kropel wtryśniętych podczas pierwszej fazy wtrysku nie zdoła utrzymać wokół siebie optymalnego składu mieszanki dla zainicjowania samozapłonu.

Samozapłonowi łatwiej ulegają pary paliwa, które towarzyszą kroplom poruszającym się ze znacznie mniejszą prędkością [2, 3, 46]. Należy zatem założyć, że pierwsze ogniska samozapłonu pojawiają się zazwyczaj między zewnętrzną strefą par paliwa, a rdzeniem strugi.

Wykorzystanie nowoczesnych technik optycznych pozwala na określenie obszaru, w którym najwcześniej pojawia się płomień. Wyniki przeprowadzonych w tej tematyce badań oraz dane literaturowe [27, 29, 72, 108] potwierdzają teoretycznie wyznaczoną lokalizację ognisk samozapłonu (rys. 2.27).

Rys. 2.27. Miejsca występowania ognisk samozapłonu w strudze rozpylonego paliwa [44]

Zależnie od lokalnej temperatury w obszarze, który jest objęty strugą rozpylonego paliwa występują różne odmiany spalania. Wyróżnić można trzy zasadnicze rodzaje spalania, związane z istnieniem pewnej temperatury granicznej Tg, dla której prędkości procesów fizycznych oraz chemicznych zachodzących w strudze są zbliżone. W przypadku, gdy T = Tg, utlenianie przebiega synchronicznie z homogenizacją mieszaniny. Prędkość spalania ulega istotnym zmianom, przy czym przeważa tendencja jej progresywnego wzrostu do momentu pojawienia się płomienia wybuchowego (detonacyjnego). Model takiego spalania odznacza się umiarkowanym czasem zwłoki zapłonu. Gdy początkowa temperatura mieszaniny T jest mniejsza od Tg, wtedy wytwarzanie mieszaniny palnej oraz wyrównywanie koncentracji paliwa przebiega szybciej niż procesy chemiczne. Płomień rozprzestrzenia się w stosunkowo jednorodnej mieszaninie, natomiast spalanie przebiega według prawideł dla mieszaniny quasijednorodnej. Taka sytuacja jest związana z dużym opóźnieniem samozapłonu. Dla temperatur wyższych w przypadku, gdy T jest większa od Tg, występuje krótszy okres opóźnienia samozapłonu, niestety za krótki, aby mieszanina uległa całkowitej homogenizacji.

W takim przypadku procesy chemiczne przygotowania mieszanki do spalania przebiegają znacznie szybciej od procesów fizycznych odpowiedzialnych za jej wytworzenie. Płomień rozprzestrzenia się w mieszaninie o dużej niejednorodności, przechodząc w spalanie kontrolowane procesami dyfuzji par paliwa i powietrza [44].

Na poniższym rysunku 2.28 przedstawiono przebieg ciśnienia Pb charakterystyczny dla opisywanych przypadków spalania. Przebiegi zostały uzyskane w wyniku przeprowadzonego eksperymentu w komorze o stałej objętości, dla strug rozpylonego paliwa o zmiennym

34 składzie mieszaniny, który określono lokalnym współczynnikiem nadmiaru powietrza λ rozpatrywanym w kierunku promieniowym. Przypadek pierwszy obrazuje sytuację, gdy struga paliwa przed spalaniem odznacza się stosunkowo dużą jednorodnością składu mieszaniny paliwowo-powietrznej. Takie warunki tworzenia mieszaniny występują przy temperaturze około 600 K. W tym przypadku zaobserwowano długi czas opóźnienia samozapłonu, spalanie przebiega z prędkością określoną głównie przez szybkość reakcji chemicznych, charakteryzuje je płomień kinetyczny. Drugi przypadek pokazuje przebieg spalania dla strugi o bardziej niejednorodnym składzie. Warunki takie występują w zakresie temperatur od 600 do 700 K. Przy skróconym opóźnieniu samozapłonu, spalanie ulega ciągłemu przyspieszaniu i towarzyszą mu szybki przyrost, jak również wahania ciśnienia o charakterze detonacyjnym. Trzeci przypadek spalania regulowanego głównie przez prędkość procesu dyfuzji występuje, gdy struga odznacza się bardzo dużą niejednorodnością (λ = 0 w rdzeniu), warunki takie występują dla temperatury powyżej 700 K. W miejscach, w których znajdują się jeszcze nieodparowane krople paliwa, zwiększenie temperatury powoduje cieplny rozkład paliwa. Ze względu na braku tlenu wypalanie tej części paliwa trwa dość długo, a produktem termicznego rozpadu cząsteczek węglowodorowych jest między innymi sadza. Ciśnienie PbCiśnienie Pb

Rys. 2.28. Odmiany spalania strugi rozpylonego paliwa w zależności od składu mieszaniny [44]

Schemat struktury płomienia wokół kropli lub lokalnego skupiska wielu kropel dla stężenia par paliwa cpal malejącego wraz ze wzrostem odległości od powierzchni kropli pokazano na rysunku 2.29. W tym obszarze wydzielono pięć stref, które różnią się od siebie charakterem reakcji chemicznych oraz składem i temperaturą. W strefie I odcinek 1-2 na krzywej zmian temperatury zachodzi początkowe stadium przegrzewania par paliwa, a także wstępne reakcje termodestrukcji oraz utleniania cząsteczek węglowodorowych paliwa.

35 Produktami reakcji są nadtlenki i aldehydy, których rozpad jest niemożliwy w tej strefie ze względu na niską temperaturę oraz krótki czas dyfuzji. W strefie II odcinek 2-3 zachodzi już głęboka destrukcja, a także utlenianie nadtlenków i aldehydów, prowadzące do formowania się końcowych dla tej strefy produktów, tj. CO, H2, H2O, węglowodorów i produktów ich rozkładu, które po procesach odwodornienia, cyklizacji oraz polimeryzacji prowadzą do pojawienia się cząstek sadzy [44]. Utlenianie tlenku węgla jest utrudnione ze względu na obecność węglowodorów. W strefie III odcinek 3-4 endotermiczne reakcje rozpadu węglowodorów intensyfikują się, powoduje to w konsekwencji spadek szybkości wydzielania się ciepła, który przejawia się spadkiem szybkości narastania temperatury. Strefa IV charakteryzuje wysokotemperaturowy obszar płomieniowy, który obejmuje świecący front płomienia (odcinek a-b). Na tym odcinku zachodzi dopalanie, CO i H2 oraz podwyższenie do maksimum temperatury, oprócz tego odcinek ten odznacza się największą prędkością przebiegania reakcji syntezy NO. W ostatniej V strefie zaobserwować można dalsze dopalanie, CO i H2, jak również wypalanie cząstek sadzy o skuteczności zależnej od turbulentności ładunku oraz dostępności tlenu. Pomimo tworzenia się, CO2 i H2O w tej strefie, ich stężenia maleją w wyniku dyfuzji od wewnętrznej granicy strefy płomieniowej i postępującego wyrównywania się stężeń w całej objętości komory spalania. Występowanie kropel w niewielkich odległościach może być przyczyna przenikania się tych stref oraz ograniczenia wielkości stref zewnętrznych IV i V.

Odległość od powierzchni kropli

Rys. 2.29. Schemat struktury płomienia wokół kropli paliwa [44] (szczegółowe wyjaśnienie w tekście)

W pracy [44] autor wyraża opinię, że spalanie w płomieniu dyfuzyjnym dwufazowej mieszanki palnej, znamienne dla spalania pojedynczej kropli lub ich lokalnych skupisk, charakteryzuje się następującymi właściwościami:

 wysoką temperaturą w strefie reakcyjnej, gdzie tworzy się tlenek azotu i dużym gradientem temperatury w obszarze między czołem płomienia i powierzchnią parującej kropli,

 intensywnym procesem termodestrukcji cząstek węglowodorów paliwa, który prowadzi przez odwodornienie, do przygotowania substratów do późniejszego formowania się cząstek stałych,

36

 wielostopniowym charakterem utleniania węglowodorów oraz tworzeniem się CO i H2 w stadiach początkowych, a także CO2 i H2O w końcowych,

 jedynie częściowym dopalaniem CO i H2 w strefie frontu płomienia i intensywnym za tą strefą, czemu towarzyszy wypalanie powstałych wcześniej cząstek stałych.

Analiza makrostruktury palącej się strugi wtryskiwanego paliwa do cylindra wyraźnie ukazuje, że sadza powstaje w obszarach bogatych w paliwo (rys. 2.30). Przyjmując rozkład temperatur przedstawiony na rysunku 2.30 można w palącej się strudze wyróżnić następujące strefy (rys. 2.31) [44]:

 strefa (a) - strefa zewnętrzna, w której znajduje się powietrze porwane przez strugę paliwa,

 strefa (b) - strefa porywania powietrza przez strumień paliwa, w tej strefie zachodzi wypalanie sadzy w trakcie przemieszczania się ku zewnętrznym warstwom strugi,

 strefa (c) - bogaty w paliwo rdzeń, który zawiera nie zmieszane z powietrzem i nie spalone paliwo, przeważnie w tej strefie powstaje sadza,

 strefa (d) - strefa reakcyjna, zachodzą w niej reakcje chemiczne z wydzielaniem ciepła oraz gromadzą się produkty spalania.

 = 1

Rys. 2.30. Schemat rozkładu temperatury, składu mieszanki palnej oraz szybkości formowania się NOx i PM wzdłuż: a) promienia r w przekroju poprzecznym, b) osi podłużnej x palącej się strugi paliwa [44]

rozpylacz

Rys. 2.31. Obszary makrostruktury palącej się strugi paliwa: a) strefa zewnętrzna, b) strefa porywania powietrza, c) strefa rdzenia strugi, d - strefa reakcyjna [44]

37 Powyższa analiza, a także informacje dostępne w literaturze przedmiotu wskazują, że formowanie sadzy odbywa się w obszarach bogatych w paliwo [29, 82]. Powstawanie NO następuje z kolei podczas spalania mieszanek ubogich, przy wyższych temperaturach. Na podstawie badań opisanych w [93] przedstawiono na rysunku 2.32 schemat przedstawiający obszary formowania sadzy oraz NO w strudze rozpylonego paliwa.

temperatura

500 1000 1500 2000 2500 3000

0 0,5 1 1,5 2

obszar formowania sadzy

obszar formowania NO

pożądane 



Temperatura [K]

struga paliwa rozpylacz

Rys. 2.32. Schemat ideowy obszarów tworzenia się sadzy i NO w strudze rozpylonego paliwa w zależności od jej składu i temperatury [93]

Przedstawiony rozkład został wykonany z uwzględnieniem lokalnej temperatury oraz współczynnika nadmiaru powietrza w rozpylonej strudze paliwa. Ciemniejszy kolor charakteryzuje większe stężenie rozpatrywanych produktów spalania. W przytoczonym modelu pokazano także strefy występowania mieszaniny o określonym współczynniku nadmiaru powietrza w strudze. Najkorzystniejszym rozwiązaniem z punktu widzenia emisji zarówno sadzy jak i NO byłoby ujednorodnienie strugi tak, aby w całej objętości występowało λ ≈ 0,8–0,9. Jednak z punktu widzenia autora pracy, jest to trudne do osiągnięcia w rzeczywistych warunkach.