Диффузионное пламя.

Диффузионным называется пламя, которое осуществляется при раздельной подаче горючего и окислителя. Для диффузионного горения характерно наличие границы между топливом и окислителем, на которой создается фронт диффузионного пламени, которое называется так потому, что его положение и скорость сгорания в нем определяются интенсивностью диффузии горючего и окислителя (к пламени) и продуктов сгорания (от пламени).

Рассмотрим горение капли дизельного топлива в среде предварительно сжатого и окислителя, нагретого выше температуры воспламенения.

Схема испаряющейся капли показана на рис. 4.3.

Здесь слой а – слой, состоящий из одних паров топлива. За ним расположен слой б, состоящий из паров топлива и небольшого количества окислителя с концентрацией (α < 0, 4); на внешней границе этого слоя имеем концентрацию соответствующую верхнему концентрационному пределу воспламенения.

За слоем б располагается слой в; в пределах этого слоя находятся смеси, способные к распространению пламени, причем верхняя граница слоя в – это поверхность слоя, на которой состав смеси соответствует нижнему пределу воспламенения. За пределами этого слоя в слое г расположена бедная смесь, содержащая мало горючего и не способная гореть.

Сначала капля должна прогреться до температуры мокрого термометра, которая в нашем случае, практически равна температуре кипения. Сначала начинают испарение более легких фракций, идет разгон жидкого топлива.

Концентрация кислорода повышается в направлении от точки 1 к точке 2. Самовоспламенение начинается в точке 2 на внешней поверхности, а затем распространяется во внутренний слой. После воспламенения температура слоя повышается, испарение капли становится более интенсивным, и раз возникшее пламя сохраняется до полного выгорания капли.

При высоких температурах скорость реакции весьма велика. Молекулы топлива и окислителя не могут находиться вместе, поскольку они мгновенно реагируют. Следовательно, фронт диффузионного пламени разделяют потоки топлива и окислителя. Диффундируя к фронту пламени, сложные молекулы углеводородного топлива разлагаются с выделением сажи. Мельчайшие частички сажи, нагреваясь, ярко светятся, поэтому такие пламена оказываются светящимися, коптящими.

В технике топливо сжигают при высоких скоростях, т.е. в турбулентном режиме. Структура турбулентного факела при диффузионном горении сложнее, чем при кинетическом, поскольку в этом случае происходит смешение трех компонентов: топлива, окислителя и продуктов их горения. Поскольку процесс выгорания осложнен диффузией – процессом, протекающим довольно медленно, он идет с меньшей скоростью, чем горение подготовленной смеси.

В дизельных двигателях топливо впрыскивается в нагретый вследствие сжатия воздух. Основным требованием к дизельному топливу является легкость его воспламенения при соприкосновении с нагретым воздухом, т.е. минимально возможное время от момента начала подачи топлива до его воспламенения. Этот интервал времени, называемый периодом задержки воспламенения, в значительной мере зависит от физико-химических свойств топлива.

Как уже рассматривалось, ведущую роль в ходе цепных реакций горения имеют свободные радикалы – активные промежуточные продукты разложения молекул. Легкость или трудность образования радикалов обусловлены термической стабильностью топлива. Чем выше стабильность, тем труднее «разорвать» углеводородные молекулы и обеспечить протекание окислительных реакций. Термическая стабильность характеризует воспламеняемость топлива

Воспламеняемость топлива оценивается цетановым числом (ЦЧ), характеризующим период задержки воспламенения – чем оно выше, тем меньше период.

Цетановое число топлива численно равно процентному содержанию легко воспламеняющегося цетана в его смеси с a – метилнафталином, которая по характеру сгорания (по самовоспламеняемости) равноценна испытуемому топливу. Используя эталонные топлива, можно получать смеси с любыми цетановыми числами от 15 до 100. Неспособность топлива к самовоспламенению также можно характеризовать цетановым числом – чем оно ниже, тем сложнее «разорвать» углеводородные молекулы и тем менее топливо способно к самовоспламенению. Однако это качество, как правило, характеризуют октановым числом. Октановое (ОЧ) и цетановое (ЦЧ) числа связаны между собой эмпирической формулой: ЦЧ = 60 – ОЧ/2.

Цетановое число можно определить тремя способами: по совпадению вспышек, по запаздыванию самовоспламенения и по критической степени сжатия. Цетановое число дизельных топлив обычно определяют по методу «совпадения вспышек» на специальных установках. Это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные для работы с воспламенением от сжатия. Двигатели имеют переменную степень сжатия e = 7 … 23. Угол опережения впрыска топлива устанавливается равным 13° до верхней мертвой точки (ВМТ). Изменением степени сжатия добиваются, чтобы воспламенение происходило строго в ВМТ. При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (n = 900 ± 10 об/мин).

После этого подбирают два образца эталонных топлив, один из которых дает совпадение вспышек (т.е. задержку самовоспламенения, равную 13°) при меньшей степени сжатия, а второй – при более высокой степени сжатия.

Путем интерполяции находят смесь цетана с a – метилнафталином, эквивалентную испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число.

Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетанововыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов.

Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40 – 50. Применение топлив с ЦЧ < 40 приводит к жесткой работе двигателя, а ЦЧ > 50 – к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания. Летом можно успешно применять топлива с ЦЧ равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется ЦЧ > 45. Применение дизельного топлива с цетановым числом менее 40 ед. приведет к увеличению периода задержки самовоспламенения и возникновению жесткой работы, а выше 50 ед. – нецелесообразно, так как при этом возрастает расход топлива из-за уменьшения полноты его сгорания, повышается дымность отработавших газов.

Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему добавляют специальные высокоцетановые присадки: синтин (продукт синтеза окиси углерода и водорода), перекись углеводородов, нитросоединения. Однако они широкого распространения не получили из-за невысокой стабильности при хранении, и большой взрывоопастности.