Константин Владимирович Ефанов - Химмотология. ДВС и переработка нефти

ударной волной.

Из конструктивных особенностей двигателя на склонность к детонационному сгоранию влияет [1]: высокая степень сжатия в камере, относительно длинный путь прохождения фронта пламени, недостаточное охлаждение последних порций топливной смеси.

Конструкция двигателя внутреннего сгорания и конкретно камеры горения влияют на равномерность протекания процессов горения, то есть окисления топлива. В этом наблюдается сходство с аппаратами, в которых получают бензин при переработке нефти, где также требуется равномерность процесса по объему аппарата, за счет чего достигается равномерность состава продукта.

Процессы сгорания топлива в камере моделируются в программных пакетах методом конечных элементов в учетом гидро- и газодинамики, температурного поля и химических реакций. Лучшей из таких программ можно отметить пакет ANSYS. В работе [2] представлена последовательность моделирования процессов методом конечных элементов. При моделировании процесса сгорании при расчете и проектировании двигателя, в расчет методом конечных элементов закладывают все протекающие физико-химические процессы. По результатам расчета получают блок цилиндра с оптимальной конструкцией.

Приведем общий порядок расчета процесса сгорания топлива методом конечных элементов:

1. Построение геометрии или экспорт из программ для твердотельного моделирования,

2. Выбор условий расчета и назначение вариантов расчета для разных условий работы цилиндра,

3. Задание материалов и их физико-химических параметров,

4. Введение ограничений в модель, таких как стенка цилиндра и др.,

5. Построение расчетной сетки из конечных элементов, в узлах которой будут решаться уравнения, описывающие совокупность протекающих процессов, составляющих общий процесс горения топливовоздушной смеси,

6. Поиск решений, проверка сходимости и др. расчетные операции.

7. Получение цветных диаграмм с результатами расчетов и интерпретация данных, выполнения заключения по результатам расчета о протекании процесса и конструкции двигателя.

Механический расчет в программе ANSYS представлен в работе [3].

Остальные факторы относятся к самому топливу и будут рассмотрены ниже.

Горение топлива в камере

Рассмотрим влияние структуры углеводородов на детонационную стойкость.

Максимальное количество энергии от сгорания единицы массы топлива может быть рассчитано при известных составе топлива и средней температуре сгорания [4]. Введем комментарий. Наиболее точные результаты получаются если использовать для теплоемкости форму степенной зависимости [5], однако для смесей углеводородов коэффициенты не всегда известны и необходим фиксированный состав фракций (учитывается вклад каждой фракции). Потому используют средние значений. В целом тепловой эффект рассчитывается по разности энтальпий сырья и продуктов.

В работе [4] приводятся данные по теплоте сгорания некоторых видов топлив в размерности кДж/г:

– водород (газ) – 286,

– метан – 56,

– н-Бутан (газ) – 50,

– н-Октан – 48,

– циклогексан – 47,

– этилен – 50,

– ацетилен – 48,

– бензол – 42,

– метанол – 23,

– этанол – 30.

Из приведенный данных следует, что наибольшую энергию выделяет водород, углеводороды алканы дают больше энергии, чем ненасыщенные углеводороды и соединения, содержание кислород.

Наилучшим топливом по критерию выделяемой энергии при сгорании является водород. К недостаткам относят его опасность при эксплуатации.

В работе [4] приводятся теплоты образования углеводородов различного строения. Авторы делают два вывода по анализу проблемы зависимости энергии от структуры углеводорода:

1. Разветвленные углеводороды более устойчивы (до 12 кДж на каждую метильную группу). Энергия связи углерод-углерод максимальна в структурах с четвертичным атомом углерода. Изомеры не эквивалентны по энергии. Разветвленные изомеры устойчивее неразветвленных линейных изомеров.

2. В разветвленных изомерах углеводородов между группами возникает отталкивание, если расстояние сокращается радиуса взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Пространственная неустойчивость снижает стабильность разветвленных изомеров углеводородов.

Отметим, что в настоящее время расчеты молекулярных эффектов выполнятся методами квантовой механики в специальных программах, например, HyperChem [10].

На макроуровне, то есть на уровне расчета процесса горения расчет выполняется в --">