Влияние добавок сложных эфиров на горение модельных дизельных топлив
А.Г. Шмаков, Д.А. Князьков, А.М. Дмитриев, Т.А. Большова, К.Н. Осипова, Л.В. Куйбида,
О.П. Коробейничев, Н.A. Славинская*, У. Ридель*
*Германский центр авиации и космонавтики, Институт технологий горения, Штутгарт, Германия
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность. В настоящее время большое внимание уделяется изучению химии горения смесей кислородсодержащих органических соединений с углеводородами, что обусловлено необходимостью частичной замены получаемых из ископаемого углеводородного сырья топлив на альтернативные, в том числе на биодизель (смесь сложных органических эфиров). Кроме того, добавка биодизеля к углеводородным топливам позволяет уменьшить в продуктах горения концентрацию вредных веществ, в частности, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и сажи. Это имеет важное значение не только с точки зрения экологии, но и с точки зрения повышения эффективности процесса горения. Таким образом, создание достоверного детального механизма горения смесей биодизеля с углеводородами позволило бы предсказывать параметры их горения (в том числе образование ПАУ и сажи), что важно при создании, разработке и оптимизации двигателей внутреннего сгорания. Однако из-за недостатка экспериментальных данных о химии горения таких смесей разработка достоверного механизма практически невозможна.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение. Представленный цикл работ объединяет одна цель – изучить механизм образования предшественников сажи при горении углеводородных топлив и их смесей со сложными эфирами. Для этого была поставлена задача экспериментально и численно исследовать химическую структуру богатых предварительно перемешанных и диффузионных пламен модельных углеводородых топлив (н-гептан, смесь н-гептан/толуол), а также их смесей с метилпентаноатом, метилгексаноатом и этилпентаноатом. Два последних эфира являются изомерами, в связи с чем ставилась задача не только установить, как введение сложного эфира в горючую смесь в целом влияет на образование промежуточных веществ, в первую очередь прекурсоров (в т.ч. короткоживущих) полициклических ароматических углеводородов и сажи, но также выяснить влияние структуры молекулы самого эфира на эти процессы. Такого рода экспериментальные данные отсутствуют в литературе, однако они очень востребованы, поскольку являются основой для тестирования разрабатываемых детальных химико-кинетических моделей.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность. В основу работы положен подход, заключающийся, с одной стороны, в экспериментальном определении структуры пламен, а с другой стороны – в проведении их численного моделирования на основе предполагаемого детального механизма химических реакций для проверки этого механизма на предмет описания результатов измерений и его анализа с применением современных методов компьютерного моделирования. Для исследования пламен применялся метод зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с мягкой ионизацией электронным ударом, а также хромато-масс-спектрометрии, что позволяет однозначно идентифицировать важные соединения в пламени. Полученные этим методом данные при атмосферном давлении особенно важны, поскольку условия атмосферного давления значительно ближе к тем, при которых происходит горение в реальных устройствах.
4. Полученные результаты и их значимость. Экспериментально и численно с использованием различных детальных механизмов химических реакций получены профили концентраций реагентов, основных продуктов горения и промежуточных стабильных и лабильных соединений в пламенах предварительно перемешанных смесей н-гептан/толуол/O2/Ar, н-гептан/толуол/метилпентаноат/O2/Ar и н-гептан/толуол/метилгексаноат/O2/Ar н-гептан/толуол/этилпентаноат/O2/Ar, а также в диффузионных пламенах на противотоках н-гептан/Ar - O2/Ar и н-гептан/метилпентаноат/Ar - O2/Ar при давлении 1 атм. Эксперимент и расчеты показали, что в пламенах с добавкой эфиров, по сравнению с пламенами чистых углеводородов, уменьшаются концентрации соединений, ведущих к образованию ПАУ, таких как ацетилен, диацетилен, аллен, аллил, пропен, пропаргил, бензол, этилбензол, инден, нафталин. Это косвенно свидетельствует о подавлении процессов образования ПАУ в пламенах углеводородов с добавкой эфиров. Анализ путей образования бензола (основного прекурсора сажи) показал, что механизм уменьшения его концентрации состоит в том, что при замене части топлива эфирами в исходной горючей смеси появляются пути реакций, в результате которых образуются соединения, в дальнейшем не участвующие в образовании C6H6. Однако используемые механизмы реакций предсказывают гораздо более слабое уменьшение концентраций этих соединений, чем это наблюдалось в экспериментах, что свидетельствует о необходимости введения в модели дополнительных путей реакций, способных обеспечить наблюдаемое изменение концентраций указанных соединений. Обнаруженные расхождения между данными экспериментов и моделирования для концентраций нафталина и индена устранены путем оптимизации моделей. Полученные в работе результаты измерений расширяют международную базу экспериментальных данных по горению смесей углеводородов с эфирами и могут быть использованы для тестирования новых механизмов химических реакций горения таких систем.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым. Проведенные авторами исследования имеют мировой уровень. Результаты работы представлялись на международных и всероссийских конференциях: Dynamics and Structure of Combustion Waves: 2nd In-ternational Conference (Vladivostok, July, 23–27, 2014), 8th International Seminar on Flame Structure (Berlin, Germany, 21-24 September, 2014), IX Всероссийская конференция с международным участием "Горение топлива: теория, эксперимент, приложения" (16 – 18 ноября 2015, Новосибирск), 36th International Symposium on Combustion (Seoul, Korea, July 31 - August 5, 2016), Всероссийская школа-конференция «Химия и физика горения и дисперсных систем» (Новосибирск, 19 - 20 сентября 2016), 9th International Seminar on Flame Structure (Novosibirsk, Russia, July 10-14, 2017), International Conference on Combustion Physics and Chemistry (Samara, Russia, 24-28 July, 2018), 37th International Symposium on Combustion (Dublin, Ireland, 29 July – 3 August, 2018).
6. Вклад авторского коллектива в данной работе является определяющим.
Все экспериментальные данные, а также численные расчеты структуры пламен смесей углеводородов с эфирами, анализ моделей проводились исключительно авторским коллективом из лаборатории КПГ. Расчеты структуры пламени и скорости распространения пламен смесей н-гептан-толуол были выполнены при непосредственном участии членов авторского коллектива с коллегами из Немецкого аэрокосмического центра.
Список прилагаемых статей