Cząstki stałe

Cząsteczka stała zbudowana jest z rozpuszczalnej frakcji organicznej (SOF⁶) i nierozpuszczalnej (lub suchej) utożsamianej z cząsteczkami sadzy (z ang. Soot). Ilość węgla w cząsteczce stałej zależy od wielu czynników, lecz najczęściej mieści się między 40% - 80%. Sadza jej głównym budulcem. W skład cząsteczki stałej wchodzą ponadto cząsteczki niespalonego oleju, cząsteczki niespalonego paliwa, cząsteczki pary wodnej (wraz z siarczanami) oraz popioły i inne związki. Przykładowy podział procentowy cząsteczki stałej między wymienione frakcje, dla współczesnego silnika z wtryskiem bezpośrednim i zasobnikowym układem wtryskowym przedstawiono na rys. 3.2. Ze względu na opisany poniżej charakter powstawania (tworzenie skupisk pojedynczych cząsteczek) oraz na duże możliwości adsorpcyjne, wielkość cząstki stałej mieści się w granicach 20 nm – 10 m.

Rys. 3.2. Przykładowy skład cząstki stałej dla współczesnego silnika o ZS [na podst. 30]

W związku z tematyką rozprawy, bardziej istotnym od budowy chemicznej jest przedstawienie obecnego stanu wiedzy na temat mechanizmu powstawania cząstek stałych, a w szczególności frakcji nierozpuszczalnej, przede wszystkim sadzy. Cząsteczki sadzy w spalinach mają swoje pochodzenie z niespalonego paliwa. Proces ich powstawania intensyfikowany jest ponadto temperaturą. Im wyższa temperatura tym wyższa jest

„produkcja” sadzy.

Rys. 3.3. Mechanizm powstawania cząstek stałych w strudze wtryskiwanego paliwa z uwzględnieniem etapów składowych (opis w tekście) [na podst. 2]

6 z ang. Soluble Organic Fraction

Atomy węgla

Wytworzenie sadzy występuje w obszarach komory spalania, w które trafiają cząsteczki rozpylanego paliwa. Mechanizm powstawania cząstek stałych można podzielić na sześć etapów [2]. Poszczególne etapy formowania cząstki stałej przedstawiono schematycznie na rys. 3.3. W pierwszym etapie, następującym bezpośrednio po wtrysku paliwa i w obecności wysokiej temperatury dochodzi do zjawiska pirolizy (rozkładu cząsteczek węglowodorów pod wpływem temperatury na mniej złożone frakcje, bez dostępu tlenu). W wyniku tego zjawiska powstaje szereg nasyconych i nienasyconych węglowodorów. W drugim etapie, niektóre z nich tworzą tzw. zarodki cząstek stałych. Przykładem takich zarodków mogą być pierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH⁷) [36]. W kolejnym, trzecim etapie, w wyniku adsorpcji, na zarodkach osiadają różnego rodzaju związki z otoczenia (inne węglowodory, związki siarki itp.). Zarodki przemieszczają się wraz z innymi związkami ze strugą wtryskiwanego paliwa w głąb komory spalania. Duża niejednorodność struktury oraz oddziaływanie strugi paliwa z otoczeniem doprowadzają do czwartego etapu, czyli koagulacji. W wyniku tego procesu zarodki łączą się, tworząc przestrzenne struktury o kształcie kulistym. Wynik procesu koagulacji zarodków oraz możliwy sposób ich łączenia przedstawiono na rys. 3.4.

Rys. 3.4. Pierwsze cztery etapy tworzenia cząstek stałych obejmujące: 1 – piroliza cząsteczek paliwa (np.

powstaje C₂H₂), 2 – formowanie zarodków cząstek stałych, 3 – nakładanie się różnych struktur, adsorpcja, 4 – koagulacja, czyli tworzenie przestrzennych struktur [36]

Po procesie koagulacji można mówić o wytworzeniu pierwotnych cząstek stałych. Właściwa struktura cząstek tworzy się jednak w piątym etapie tzw. aglomeracji. Dochodzi wtedy niejako do sklejania pierwotnych cząstek. W odróżnieniu od etapu koagulacji, w etapie aglomeracji cząstki nie tworzą struktur sferycznych a przestrzenne łańcuchy.

Rys. 3.5. Obraz z miroskopu elektronowego przedstawiający cząstkę stałą (po procesie koagulacji i aglomeracji) [2]

7 Z ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons

Wygląd cząstki stałej, z charakterystyczną strukturą łańcuchową (uzyskaną po etapie koagulacji i aglomeracji), przedstawiono na rys. 3.5.

Powstałe w procesie aglomeracji cząsteczki przemieszczają się w kierunku czoła strugi.

Podczas ruchu dochodzi do procesów kondensacji i odwodornienia i w ich wyniku zwiększa się koncentracja sadzy w pobliżu czoła strugi. Na granicy strugi, a w szczególności w obrębie czoła, dochodzi do szeregu zjawisk m.in. parowania, konwekcji, wymiany pędu i ciepła oraz tworzenia struktur wirowych. Również w tych obszarach dochodzi do, opisywanego także w rozdziale 4, oddziaływania z cząsteczkami paliwa w strudze, siłami pochodzących od zawirowania Swirl i Squish. Struktury wirowe na obrzeżach strugi, w szczególności na jej końcu, doprowadzają do transportu cząsteczek sadzy, w kierunku powrotnym, wzdłuż obrzeży strugi (kierunek przemieszczania przedstawiono przy pomocy żółtych strzałek na rys.

3.3). Przepływ ten ma szczególne znaczenie, ze względu na to, że w jego wyniku poprawia się dostęp cząsteczek tlenu do cząstek węgla, umożliwiając tym samym ich utlenienie. Twierdzi się również [2], że znacząca rolę w utlenianiu sadzy na obrzeżach strugi pełnią jony OH.

Utlenianie sadzy stanowi ostatni z etapów, tym razem redukcji powstałych cząstek stałych w komorze spalania. Etap 6 trwa najdłużej i obejmuje część suwu pracy oraz kończy się wraz z otwarciem zaworu wydechowego. Liczba cząstek stałych wytworzonych w poszczególnych etapach przedstawiono na rys. 3.6. Finalna emisja cząsteczek stałych zależy od proporcji pomiędzy etapami tworzenia cząstek (1-5) a etapem utleniania (6).

[°OWK ]

Rys. 3.6. Schemat zmiany koncentracji cząsteczek sadzy w komorze spalania i prędkości wywiązywania ciepła w funkcji kąta obrotu wału korbowego, z uwzględnieniem poszczególnych procesów składowych (opis w tekście)

[na podst. 36]

Produkcja cząstek stałych jest związana przede wszystkim z ilością wtryskiwanego paliwa, a zatem z obciążeniem silnika. Dodatkowo, wraz ze wzrostem ilości paliwa w komorze spalania wzmacniany jest efekt termochemiczny i proces tworzenia cząstek stałych jest intensyfikowany (szczególnie w pierwszym etapie tworzenia – proces pirolizy). Redukcja wytworzonych w ten sposób cząstek stałych następuje we wspomnianym etapie 6. Aby jednak mógł zajść proces utleniania, konieczne jest zakończenie fazy spalania dyfuzyjnego.

Zwiększenie czasu trwania fazy spalania dyfuzyjnego, skraca czas trwania etapu 6, spada stopień utlenienia, a koncentracja sadzy w spalinach wzrasta. Na czas trwania fazy

dyfuzyjnego spalania wpływ ma również ilość wtryśniętego do cylindra paliwa. Zatem przy wyższych obciążeniach proces tworzenia cząstek stałych jest niejako podwójnie niekorzystny.

Należy również dodać, że reakcje chemiczne związane z utlenianiem sadzy, po zakończeniu spalania dyfuzyjnego, mogą zachodzić dopiero wtedy, gdy zostanie przekroczony próg aktywacji, który zasadniczo zostaje osiągnięty przy temperaturze 1600 K.

Na tle omawianego w następnym rozdziale wpływu ruchu ładunku na proces spalania, warto zwrócić uwagę również na fakt, że na czas trwania fazy spalania dyfuzyjnego (obszar B na rys. 3.6) znaczenie ma właśnie ruch. Intensyfikacja ruchu ładunku wydłuża czas trwania fazy spalania dyfuzyjnego. Zależność szybkości wywiązywania ciepła ( ) i koncentracji cząstek stałych w komorze spalania, od przemieszczenia tłoka przedstawiono na rys. 3.6.

Wpływ ruchu na czas trwania procesu spalania potwierdza wielu badaczy, m.in. prof.

Matsuoka [53], który zauważył, że dla takich samych dawek paliwa wtryskiwanych do cylindra, lecz dla różnego poziomu zawirowania (2 i 4), uzyskano zmianę rozkładu temperatury oraz koncentracji sadzy w strudze paliwa (określaną przy pomocy izolinii).

Obiektem badań był silnik o średnicy tłoka 92 mm, wyposażony w płaską komorę cylindryczną, a kąt początku wtrysku następował 15 przed GMP. Wyniki eksperymentu przedstawiono na rys. 3.7. W okolicy GMP (TDC), dla zawirowania 2 i 4 maksymalna temperatura (odpowiednio 2460C i 2500C) w strudze była na podobnym poziomie, koncentracja sadzy wykazywała również zbliżony rozkład.

Rys. 3.7. Porównanie rozkładu temperatur i koncentracji sadzy podczas spalania pojedynczej strugi paliwa, w początku suwu pracy, dla dwóch intensywności zawirowania: a) Rs = 2, b) R_s = 4 [53]

Wraz z postępem spalania (10, 20, 30 po GMP) porównywalnie wyższe temperatury występują przy większym zawirowaniu. Wyższa temperatura, utrzymująca się powyżej 2000K, wskazuje, że wytwarzanie cząstek stałych następuje z większą intensywnością.

Zmianie ulegają również obszary koncentracji sadzy. Przy Rs = 4 obszary koncentracji sadzy zajmują mniejszą powierzchnię, a w wyniku większej energii wirowania, cząsteczkom przekazywany jest większy pęd i transportowane są, w porównaniu do Rs = 2, w inne obszary komory spalania.

Spadek stopnia utleniania cząstek stałych w etapie 6 związany jest również z nierównomierną koncentracją sadzy w objętości cylindra. Nierównomierna koncentracja sadzy wynika ze struktury wtrysku i z nierównomiernej dystrybucji paliwa w strudze jak i w całej komorze spalania. Zwiększenie ciśnienia wtrysku, zmniejszenie średnicy kropel paliwa oraz poprawa szybkości parowania wyrównują przestrzenny rozkład sadzy w objętości cylindra na końcu suwu pracy i w początku suwu wydechu.

Poprawę stopnia utlenienia sadzy można uzyskać oddziałując nie tylko na równomierność rozkładu paliwa, lecz także stan ruchu powietrza. Wywołanie przepływów turbulentnych, w szczególności w małej skali, pozwala (zgodnie z ustaleniami rozdziału 4) niejako na

„zmagazynowanie energii ruchu” z okolic GMP i przekazanie tej energii gazom w suwie rozprężania. Dzięki turbulencji powstają struktury wirowe, które ułatwiają kontakt niewykorzystanych cząsteczek tlenu z niespalonymi cząsteczkami sadzy. Podsumowując turbulencja jest jednym z narzędzi umożliwiających przeniesienie energii w postaci wirów na suw rozprężania dając możliwość zmniejszenia emisji cząstek stałych [2].

Wspomniano powyżej, że najkorzystniej, z punktu widzenia dopalenia cząstek stałych, jest gdy struktury wirowe będą w jak najmniejszej skali. Podczas procesu spalania, w obecności wysokich temperatur, najprawdopodobniej zmniejsza się lepkość kinematyczna mieszaniny palnej [2]. Mniejsza lepkość kinematyczna wpływa na zmianę struktury przepływu oraz na jego laminaryzację. Im jednak ruch turbulentny odbywa się w mniejszej skali, spada jego podatność na laminaryzację. Zgodnie z rozdziałem 4, anizotropia naprężeń turbulentnych wywołanych w przepływie powietrza w suwie sprężania, pozwala również na „przedłużenie”

czasu trwania struktur wirowych w suwie rozprężania, potrzebnych do utlenienia cząstek stałych. Część naukowców m.in. prof. Kamimoto [2] twierdzi również, że obecność płomienia w komorze spalania może być bodźcem do powstania struktur turbulentnych wspomagających utlenianie cząstek stałych.

Po przeciwnej stronie do procesu laminaryzacji przy wysokiej temperaturze stoi proces wygaszania płomienia i wzrost emisji cząstek stałych w wyniku temperatury zbyt niskiej. Do wygaszania płomienia dochodzi najczęściej w czole strugi, gdzie zgromadzone tam cząstki paliwa, jako pierwsze stykają się z względnie chłodnym otoczeniem, podczas procesu wtrysku, osłabiając proces dyfuzji i strukturę przepływu turbulentnego. Do zjawiska wygaszania płomienia oraz osłabienia bodźca turbulentnego dochodzi również w chwili, gdy struga paliwa natrafia na ścianki cylindra.

Dyskusję nad wpływem ruchu na emisję cząstek sadzy, z uwzględnieniem opisu ilościowego, przeprowadzono również w rozdziale 4 pkt 4.3.2.