Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС

Частица сажи — это агломерат пакетов (кристаллитов), которые, в свою очередь, состоят из набора отдельных сеток (пластинок) графитовых шестиугольников. Кроме углерода сажа содержит 1—3% по массе (т. е. 10—30% по числу атомов) водорода, который может быть химически или физически связан с углеродом.

Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).

Реакция пиролиза углеводородов может быть выражена уравнением

(1)

которое не описывает действительного механизма, приводящего к образованию твердого углерода. Существуют различные точки зрения на процесс образования сажи.

Наиболее общая схема включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т. е. расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т. е. присоединение молекул, приводящее к образованию очень больших молекул другого типа).

Механизм образования включает несколько стадий:

— образование зародышей;

— рост зародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок графита);

— увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований — конгломератов, включающих 100—150 атомов углерода;

— выгорание.

Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса).

Схема возможных механизмов (путей) образования сажи показана на рис. 1.

При относительно низких температурах (менее 1500 К) реакции полимеризации и конденсации преобладают над реакциями гидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При температурах 2000— 3500К, соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул или даже их расщепление.

Необходимо отметить, что образование сажи в предварительно перемешанном и диффузионном пламени (ламинарном и турбулентном) также происходит через пиролиз молекул углеводорода.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлены концентрации окислителя, при которых начинается выделение сажи из пламени. Эти концентрации оценивают коэффициентом избытка воздуха при сгорании α.

Концентрационный предел начала образования сажи зависит от многих факторов (температуры, давления, вида топлива, типа горелки) и по α составляет 0,33—0,7. С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, с увеличением давления — в сторону более бедных смесей. Максимум сажесодержания при повышении температуры процесса также сдвигается в сторону богатых смесей. Необходимо отметить, что на образование сажи в пламени (горелка или цилиндр двигателя внутреннего сгорания) коэффициент избытка воздуха влияет не непосредственно, а через физические факторы (температура пламени; появление зон смеси с концентрациями, благоприятными для термического разложения).

Количество образовавшейся сажи в большой степени зависит от температуры в зоне пиролиза углеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так как скорость реакции (1) контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет и увеличение давления.

В исследованиях сажеобразования на модельной установке (при впрыске вторичного жидкого топлива в продукты сгорания) установлено существование равновесной температуры процесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуется равновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении.

Максимальное сажесодержание в продуктах горения соответствует равновесной температуре. Уменьшение или увеличение температуры по сравнению с равновесной уменьшает сажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эксперимента и вида топлива.

Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярный вес предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. Это можно объяснить тем, что прочность одной и той же связи зависит от длины молекулы. Так, при увеличении числа атомов углерода в молекуле от 2 до 5 прочность связи между группами СН у алканов уменьшается от 333 до 268 кДж/моль. Выявлено также, что концентрации сажи тем больше, чем выше отношение С/Н в топливе.

Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7

Другие материалы

Газы и их влияние на человека
Каждый из нас существует, находясь в окружении газов. В природе они находятся везде: в атмосфере, водах мирового океана, земной коре. Наибольшее влияние на человека оказывают газы, находящиеся в атмосфере.Современный газовый состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара. Он представля ...