Замена нефтяных топлив на альтернативные - экологически чистые виды топлива является одним из радикальных средств решения экологических проблем транспортной энергетики. Реальным заменителем традиционного жидкого топлива в ближайшие годы вероятно станет сжатый природный газ. Поскольку природный газ имеют низкую воспламеняемость, его применение требует запальной дозы дизельного топлива (массовая доля которого обычно составляет 0,10-0,20). Использование двухкомпонентных топлив ставит задачу прогнозирования процессов воспламенения с целью оптимизации параметров рабочего процесса еще на стадии проектирования дизеля. Если экспериментальное определение задержки воспламенения невозможно, то приходится прибегать к расчетным методам или эмпирическим формулам. Однако теоретические модели и расчетные методики определения задержки воспламенения двухкомпонентного топлива в настоящее время практически отсутствуют. Задача осложнена тем, что двухкомпонентное топливо находится в газовой и конденсированной фазах. В настоящей работе задержка воспламенения топлива в газодизеле определяется как задача динамического теплового взрыва (обусловленного сжатием поршнем) двухкомпонентной топливно-воздушной смеси в локальном объеме на основе гипотезы о независимости макрокинетических реакций воспламенения газового и паров жидкого топлива в рамках подхода, обоснованного в работах [1,2].

Полагаем, что факел поджигается от самовоспламенившегося локального объема, образованного практически в момент начала впрыска топлива из смеси природного газа с воздухом, c концентрацией заряда в камере сгорания образованной к моменту закрытия впускного клапана (заданной коэффициентом избытка воздуха без учета запальной порции топлива ), и испарившихся мельчайших капель запального топлива. Этот локальный объем имеет стехиометрическую концентрацию со смесевым топливом, то есть коэффициент избытка воздуха . Предполагается, что из имеющегося набора локальных объемов с различной стехиометрией локальный объем стехиометрического состава самовоспламеняется ранее других. Температура этого локального объема отличается от термодинамической температуры в других зонах и рассчитывается с учетом затраты теплоты на испарение запального топлива до стехиометрической концентрации. Искомая задержка воспламенения топлива (период индукции) складывается из физической и химической составляющих. Однако, в рассматриваемом локальном объеме физическая составляющая, связанная с испарением мельчайших капель оказывается значительно меньше химической и ей можно пренебречь. Горючую смесь, состоящую из двух основных зон (включающих зону основного топлива и зону факела, в последней присутствует запальное топливо), и рассматриваемый локальный объем считаем идеальным газом. Учитывается только конвективный теплообмен зоны факела с камерой сгорания (находящейся в поршне) и зоны основного топлива с поршнем и стенками. Тепло- и массообменом между этими зонами в течении периода индукции пренебрегаем, но учитываем закономерности испарения капель запального топлива в зоне факела. Предполагается, что стенки камеры сгорания не участвуют в процессе испарения капель запального топлива, поскольку время их подлета к стенке соизмеримо с задержкой воспламенения топлива. В локальном объме протекают две параллельные независимые химические реакции самовоспламенения топлива. Процесс рассматривается в приближении глобальной кинетики (то есть в макрокинетическом подходе). Основное топливо (природный газ) моделируется кинетикой метана, а запальное дизельное топливо - кинетикой цетана. Локальный объем считаем находящимся в эластичной адиабатической оболочке (тепло - и массообмен отсутствует). В виду малости локального объема процессы, протекающие в нем не влияют на динамику давления в системе. Считается, что период индукции воспламенения заканчивается в момент выполнения дифференциального критерия воспламенения, предложенного в [2].

За начальные параметры примем параметры системы в момент впрыска топлива, а в качестве независимой переменной, аналогичной времени, - угол поворота коленчатого вала (п.к.в.). Анализируем случай самовоспламенения до момента прохождения верхней мертвой точки. Параметры системы в момент начала впрыска топлива находятся путем предварительных расчетов и считаются заданными. Система уравнений описывающих процесс самовоспламенения, включает уравнения: энергии локального объема и зоны факела (в форме уравнений динамики температур), динамики давления (уравнения энергии для всего заряда), состояния смеси в локальном объеме и в двух основных зонах, объема системы и его динамики для аксиального механизма, макрокинетики химических реакций в локальном объеме (два уравнения глобальной кинетики), динамики поступления запального топлива и динамики его испарения в зоне факела. Замыкают систему уравнения сохранения массы и объема с учетом их динамики.

Система уравнений решается численным интегрированием на ЭВМ методом Рунге-Кутта 4-го порядка с переменным шагом. Задача может рассматриваться как с учетом выгорания смеси в локальном объеме за период индукции, так и без учета выгорания. Численные исследования показывают, что задержка воспламенения топлива (выраженная углом п.к.в.) в зависимости от частоты вращения двигателя , суммарного коэффициента избытка воздуха , степени сжатия и угла опережения впрыска топлива может изменятся в широких пределах. Расчеты позволяют выбрать оптимальные параметры системы при заранее заданных технических требованиях к разрабатываемому двигателю, а также выявить влияние различных параметров двигателя и рабочего процесса на задержку воспламенения топлива. К сожалению, точность численных расчетов по предлагаемой модели ограничивается с одной стороны ее несовершенством, а с другой - отсутствием надежных данных о макрокинетике воспламенения (кинетических констант, включающих предэкспонент константы скорости , энергию активации и порядок химической реакции ) для большинства используемых топлив.

Литература

1. Матиевский Д.Д., Сеначин П.К. Задержка воспламенения топлива в дизеле как период индукции динамического теплового взрыва // Изв. вузов. Машиностроение. 1995. № 4-6. С. 27-32.

2. Сеначин П.К., Бабкин В.С. Самовоспламенение газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18, № 1. С. 3-8.