ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И
КПД БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Михаил Викторович Пищулин

Введение

Одним из важных вопросов теории смесеобразования в бензиновом двигателе считается организация испарения топлива, т.е. прямого фазового перехода первого рода. К основным факторам, наиболее сильно влияющим на протекание указанного процесса, теория относит: многокомпонентность моторных топлив; краткость интервалов времени, отводимых на процесс приготовления смеси; наличие при любом способе топливоподачи мелкой аэрозоли и пристеночной топливной пленки; температурные условия во впускном тракте и цилиндре двигателя.

Вместе с тем, такие представления не достаточно полны, поскольку не учитывают физику обратного фазового перехода первого рода - конденсацию.

Фазовые переходы первого рода

В типичном случае равновесия газа и жидкости области, лежащие по разные стороны кривой на Р-Т диаграмме, соответствуют стабильным фазам вещества. Однако вблизи поверхности раздела фаз лежат границы метастабильных фаз вещества, которые термодинамически неустойчивы. Эти области называют состоянием переохлажденного пара или перегретой жидкости. Такая неустойчивость системы может сохраняться в относительно широком диапазоне температур Т, вплоть до нескольких десятков градусов, или при одновременном изменении температуры Т и давления Р. Указанные области характеризуются некоторыми особенностями. В окрестностях фазового перехода свойства системы меняются резким и, зачастую, непредсказуемым образом. Диапазон параметров, при которых происходят изменения, чрезвычайно узок; поведение системы в этом интервале оказывается чувствительным к внешним воздействиям. Физическая причина этих особенностей состоит в том, что добавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температуру системы, а расходуется на ее перестройку. При низких температурах свободная энергия жидкости меньше, чем у пара, следовательно, жидкое состояние выгоднее.

Превращение метастабильной фазы в стабильную начинается случайным, флуктуационным образованием небольших скоплений стабильной фазы в недрах метастабильной. Эти скопления являются зародышами возникающей фазы. Образование зародышей может происходить на одиночных молекулах, посторонних вкраплениях, частицах, капельках, пузырьках и т.д. Зародыши возникающей фазы характеризуются числом молекул , из которых они состоят, а также испускательной - и поглощательной + способностью. Отношение испускательной способности зародыша в реальном паре и поглощательной в гипотетическом паре примерное одинаковы - ~ +, где + - поглощательная способность зародыша в гипотетическом паре.

Приведенное равенство позволяет найти отношение -/+ испускательной и поглощательной способности в реальном паре.
В случае стабильного пара испускательная способность зародыша W - всегда больше его поглощательной способности +, поэтому зародыш не способен к росту. В случае метастабильного пара существует критическая точка, которая соответствует критическому зародышу. В ней испускательная и поглощательная способности зародышей совпадают. Зародыши, которым удалось "преодолеть" критическую точку, начинают расти далее неудержимо, становясь центрами возникновения стабильной фазы. Такое зарождение закритических зародышей представляет собой всего лишь начальную стадию фазового превращения, но она оказывается решающей в процессе фазового перехода. Преодолев точку, зародыши далее растут необратимо, интенсивно поглощая при этом молекулы исходной фазы, вызывая тем самым снижение степени ее метастабильности практически до нуля. Приведенные теоретические представления имеют простую физическую интерпретацию, основанную на термодинамических представлениях.

В газовых системах, находящихся в неустойчивом (метастабильном) состоянии, при определенных граничных условиях, могут флуктуационно возникать образования (зародыши), которым удается в определенный момент времени поглотить больше молекул, чем испустить. Это означает, что в системе случайно возникают зародыши большего размера (диаметра) по сравнению со среднестатистической дисперсностью. Увеличение размера зародыша сопровождается увеличением площади соприкосновения его с системой. При стабильном состоянии системы, т.е. системе, имеющей достаточный запас энергии, размер зародышей ограничивается, поскольку при возрастании площади соприкосновения со средой возрастает тепловой поток к зародышу из системы. Увеличение притока энергии позволяет зародышу в дальнейшем испустить больше молекул, чем поглотить, т.е. создаются условия, когда зародыш не способен к росту. Ограничению роста способствует и эффект уменьшения сил поверхностного сцепления молекул при возрастании размера зародыша, что способствует более легкому разрыву межмолекулярных связей.

Иная ситуация возникает при метастабильном состоянии, характеризуемом общим недостатком энергии в системе. В таких системах рост размера зародыша не ограничен, поскольку низкий уровень притока энергии из системы не может быть компенсирован увеличением площади поверхности зародыша и уменьшением сил поверхностного сцепления молекул. В результате подавляющая часть случайно увеличившихся в размерах зародышей обязательно продолжит свой рост и достигнет закритических размеров. Почему подавляющая часть, а не все зародыши - это объясняется теми же статистическими соображениями. Дело в том, что часть зародышей при росте все же успевает испустить больше молекул, чем поглотить; следовательно, они выйдут из игры. Однако зародыши, достигшие закритических размеров, продолжат рост, притягивая к себе молекулы из системы, т.е. начнут играть роль активных центров. "Закритические" зародыши из-за недостаточного притока энергии из системы практически перестают испускать молекулы, только поглощая их. Следовательно, в локальной области пространства системы нарушается Максвелл-Больцмановское распределение молекул. Иными словами, молекулы из системы, окружающие зародыши, "перестают ощущать" межмолекулярные столкновения при движении к зародышу, а число столкновений при движении от зародыша остается на прежнем уровне. Асимметрия в межмолекулярных столкновениях сопровождается появлением направленного импульса у молекул, т.е. упорядоченного потока молекул из системы к зародышам.
Выражаясь термодинамическим языком, флуктуации в неустойчивой системе вызывают появление неравновесности, которая порождает упорядоченное (кооперативное) поведение молекул. Поскольку предполагается примерно равномерное распределение закритических зародышей по системе, можно говорить о появлении в ней, помимо короткодействующих микроскопических корреляций на уровне молекул, когерентных дальнодействующих макроскопических корреляций. Как результат, сфазированные локальные потоки присоединяющихся молекул к зародышам лавинообразно увеличивают их размеры до капельного состояния, т.е. возникает обратный фазовый переход первого рода (конденсация). Скорость такого перехода при стандартных температуре и атмосферном давлении близка к скорости звука. Безусловно, все сказанное в полной мере относится к однокомпонентным и большим физическим системам, т.е. системам, имеющим количество частиц порядка числа Авогадро (10²³ моль^-1). Для малых физических систем фазовый переход растягивается во времени в зависимости от граничных условий.

Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют о метастабильном состоянии приготавливаемой смеси в цикле бензинового ДВС, поскольку к концу смесеобразования топливо присутствует в двух агрегатных состояниях. Однако несложно убедиться в том, что метастабильность смеси сохранится, если на этапе приготовления использовать заранее испаренное топливо. Например, испаренное топливо можно подавать из отдельной подогреваемой емкости с бензином, используя барботажный принцип. Принимая во внимание, что бензин - это смесь углеводородов с различными температурами фракционной разгонки, в этом случае следует ожидать получение температуры топливного пара, равной приблизительно 124 °С, т.е. температуре кипения бензина.

Поскольку топливо испарено (произошел разрыв межмолекулярных связей) и этот процесс не сопровождается химической перестройкой молекул, то для газового состояния топливовоздушной смеси межмолекулярные взаимодействия можно учесть, включив в рассмотрение интенсивность столкновения возбужденных (испаренных) молекул бензина М* с исходными невозбужденными молекулами воздуха М, присутствующими в системе (О₂, N₂).

Энергия возбужденных (испаренных) молекул топлива М* может как уменьшаться, так и увеличиваться. Однако в бензиновом цикле процессы столкновения возбужденных молекул бензина с невозбужденными молекулами воздуха превалируют, что приводит к диссипации энергии возбужденных молекул. Теряемая энергия превращается в кинетическую энергию молекул воздуха.

Нетрудно убедиться в том, что энергия молекул испаренного топлива при температуре 124 °С будет примерно равной характерным значениям энергии вращательного возбуждения молекул, т.е. порядка 0,034 эВ. Данная энергия благодаря межмолекулярным столкновениям при смешивании с воздухом перераспределится по колебательным, вращательным и поступательным степеням свободы молекул топливовоздушной смеси. При смесеобразовании поддерживается примерное соотношение 1 кг топлива на 15 кг воздуха, а температуре воздуха 20 °C соответствует тепловая энергия молекул примерно 0,025 эВ. При указанном соотношении компонент испаренные молекулы топлива вызовут диссипацию на молекулах воздуха, имеющих меньшие тепловые энергии. После завершения процесса диссипации каждая молекула топливовоздушной смеси будет иметь энергию порядка 0,027 эВ, что соответствует температуре не более 30 °С. При такой температуре молекулам тяжелых фракций бензина, имеющих температуры кипения в пределах 150…193 °С, энергетически более выгодно жидкое состояние.
Временной интервал процесса диссипации энергии определяется на основе газовой кинетики. Известно, что среднее число столкновений, необходимых для превращения вращательного и колебательного возбуждения молекулы в тепловую, сильно зависит от энергии возбуждения, масс партнеров по столкновению и сил взаимодействия между ними при сближении и для различных пар сталкивающихся молекул принимает значение в широком диапазоне. Для вращательной - порядка 10 столкновений, для колебательной - 10²…10⁷ столкновений. Также известно, что при давлении, близком к атмосферному, и комнатной температуре каждая молекула воздуха испытывает около 10⁹…10¹⁰ столкновений в секунду. Учитывая, что при температуре 124 °С колебательные уровни энергии молекул топлива не возбуждаются (требуются энергии порядка 0,1 эВ), несложно определить время, отводимое на диссипацию вращательного возбуждения испаренных молекул топлива при давлениях смесеобразования: порядка ~10^-8 с. Полученное значение, даже с учетом замедления фазового перехода из-за образования малой физической системы при смесеобразовании, меньше на несколько порядков самого короткого интервала, отводимого на процесс приготовления смеси (~0,01 с). Из этого следует простой и очевидный вывод: на стадии приготовления смеси тяжелые молекулы топлива, которым удалось перейти в другое агрегатное состояние (пар), приходят в термодинамическое равновесие с остальными молекулами смеси. И это имеет принципиальное значение для теории смесеобразования бензинового ДВС.

Метастабильное состояние у тяжелых погонов бензина сохранится во всем диапазоне температур приготовления смеси. Следовательно, предположение о зарождении нуклеации для тяжелых фракций на этапе приготовления смеси обоснованы. Жидкое состояние для них становится энергетически более выгодным, и этот процесс будет развиваться неудержимо. Ошибочно надеяться, что дальнейшее повышение температуры в цилиндре за счет сжатия может исключить развивающийся фазовый переход.

Во-первых, как отмечалось, процесс зарождения закритических зародышей оказывается принципиальным в фазовом превращении и он необратим. Во-вторых, метастабильность не исчезает, если одновременно меняются два параметра - температура Т и давление Р. В конечном итоге, на этапе сжатия скачкообразно возникнет топливо в жидкой фазе. Но, как известно, нахождение топлива в жидкой фазе даже в микродозах ухудшает процесс сгорания. Исключить развитие нуклеации на этапе смесеобразования возможно только за счет получения стабильного пара. В нем испускательная способность зародыша - всегда больше его поглощательной способности +.

Стабильный пар - это газовая смесь в виде одиночных молекул и мелкий аэрозоль с очень малым числом молекул n, в которых все компоненты имеют достаточный запас энергии по степеням свободы. В этом случае дискретный (квантовый) характер поведения молекул и капель становится существенным. Рост отношения испускательной и поглощательной способности с уменьшением числа молекул в зародыше, т.е. с уменьшением размера зародыша, объясняется квантовыми явлениями. Поведение таких частиц нужно рассматривать на волновом уровне, когда микрочастицы ведут себя как волна и проявляют способность проходить через другой микрообъект практически без значительного перераспределения энергии, т.е. им свойственны такие явления, как интерференция и дифракция. В результате для "дезактивации" таких молекул потребуется на порядки больше столкновений с другими молекулами, а значит, исключается процесс нуклеации во всем диапазоне приготовления и сжатия смеси.

Выводы

Возникает вопрос: какие конструктивные решения можно применить, чтобы получить стабильный пар на этапе смесеобразования бензинового двигателя.

На первый взгляд, решение этой проблемы просматривается в дальнейшем совершенствовании качества распыла топлива, т.е. получении мелкого аэрозоля с малым числом молекул в каждой образующейся капле. Однако более внимательное рассмотрение проблемы указывает на то, что существуют принципиальные ограничения, не позволяющие этого достичь. Эти ограничения определяются физико-химическими свойствами легких моторных топлив, температурными условиями работы впускного тракта и цилиндра, а также отсутствием при распылении сущеcтвенного тепломассообмена со средой. Получить идеальный пар возможно только в одном случае. Параллельно впускному тракту необходимо установить высокотемпературный испаритель, в который нужно подавать все топливо и незначительная часть чистого воздуха идущего на смешение. Впервые целесообразность такого подхода была экспериментально исследована в 1955 г. Д. Ивановым. Указанная компоновка позволяет решить ряд задач: исключить влияние нагрева на наполнение цилиндров двигателя, поскольку основная масса воздуха, поступающая в цилиндры, не подвергается нагреву; обеспечить в испарителе приобретение равных тепловых энергий молекулами топлива и воздуха; получить на выходе испарителя температуру смеси выше критической для самых тяжелых бензиновых фракций (220…230 °С).

На выходе из испарителя топливо представляет собой идеальный пар, состоящий из отдельных молекул, обеспеченных запасом энергии по степеням возбуждения. Смешивание такой смеси с воздухом основного впускного тракта, ближе к впускным клапанам, замедляет процессы дезактивации молекул топлива, а значит, нуклеация не успевает зародиться и развиться на циклах смесеобразования и сжатия.