авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Гиринович, Михаил Петрович

Исследование процессов образования оксидов

азота при сгорании топлив в перспективных

дизелях

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Гиринович, Михаил Петрович.

   Исследование процессов образования оксидов азота при

сгорании топлив в перспективных дизелях  [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн. наук

 : 05.04.02. ­ М.: РГБ, 2006.

­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Тепловые двигатели Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0575/060575026.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Гиринович, Михаил Петрович Исследование процессов образования оксидов азота при сгорании топлив в перспективных дизелях Москва  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ И АВТОМОТОРНЫЙ ИНСТИТУТ" ГНЦ «НАМИ»

На правах рукописи

61 -.06-5/3281 УДК 621.436. ГИРИНОВИЧ Михаил Петрович ИССЛЕДОВАНИЕ НРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСВДОВ АЗОТА ПРИ СГОРАНИИ ТОНЛИВ В НЕРСНЕКТИВНЫХ ДИЗЕЛЯХ 05.04.02 — Тепловые двигатели Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.А. Звонов Москва - 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ВВЕДЕНР1Е ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 1.1 Токсичные компоненты отработавших газов дизелей 1.2 Нормирование выбросов вредных веществ дизелей 1.3 Методы снижения токсичности дизелей 1.4 Механизмы образования оксидов азота 1.5 Методы расчета образования NO в дизелях 1.6 Цель и задачи исследования ГЛАВА 2. Разработка математической модели расчета образования NO в дизеле 2.1 Исследование механизмов образования NO 2.1.1 Методика проведения численных экспериментов 2.1.2 Результаты расчетов 2.2 Построение детального кинетического механизма, описывающего образование «быстрых» NO при сгорании сложных углеводородных топлив 2.2.1 Детальный кинетический механизм образования NO при сгорании дизельного топлива 2.2.2 Детальный кинетический механизм образования NO при сгорании диметилового эфира 2.3 Математическая модель процесса сгорания и образования NO в дизеле 2.4 Проверка адекватности математической модели и анализ полученных результатов 2.5 Выводы по второй главе ГЛАВА 3. Экспериментальное оборудование, методика обработки экспериментальных данных и анализ погрешностей измерений 3.1 Испытательный стенд и его метрологическое обеспечение 3.2 Методика обработки экспериментальных данных 3.3 Анализ факторов эксперимента, влияющих на точность расчетов N 0 по двухзонной математической модели 3.4 Выводы по третьей главе : ГЛАВА 4. Оценка роли «быстрых» N 0 в образовании оксидов азота для перспективных рабочих процессов дизелей 4.1 Образование N 0 при использовании альтернативных топлив....;





. 4.1.1 Сопоставление показателей сгорания дизельного топлива, диметилового эфира и метана, влияющих на образование NO 4.1.2 Параметры рабочего процесса и образование NO при использовании дизельного топлива, диметилового эфира и метана 4.2 Образование NO при сгорании обедненной гомогенной топливовоздушной смеси 4.3 Выводы по четвертой главе ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СОКРАЩЕНИЯ:

ВВ — вредные вещества;

ВМТ - верхняя мертвая точка;

две - двигатель внутреннего сгорания;

ДКМ — детальный кинетический механизм;

ДМЭ - диметиловый эфир;

ДТ - дизельное топливо;

ДЧ - дисперсные частицы;

КС — камера сгорания;

ОГ — отработавшие газы;

пкв - поворот коленчатого вала;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ELR - испытательный цикл для оценки дымности отработавших газов;

ESC — испытательный цикл со стационарными режимами;

.

ETC - испытательный цикл с переменными режимами;

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Ai - показатель относительной агрессивности i-ro вещества, усл.т/т;

Су — мольная изохорная теплоемкость газа, кДж/кмольК;

^0 - удельный выброс оксида азота, г/кВтч;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/кВтч;

Мпс — количество продуктов сгорания, кмоль;

АМпс — количество продуктов сгорания, образовавшихся на участке расчета, кмоль;

п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"';

Ne - эффективная мощность, кВт.

- потери тепла вследствие диссоциации и неполного сгорания, QAHC кДж;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг-К);

— объемная доля «чистых» продуктов сгорания в заряде цилиндра;

Тпс - температура в зоне продуктов сгорания, К;

Vc - объем камеры сжатия, м^;

х(ф) - закон сгорания;

а - коэффициент избытка воздуха;

аг - локальный коэффициент избытка воздуха в зоне горения и продуктов сгорания;

8 - степень сжатия двигателя;

Tie - эффективный КПД двигателя;

фнг — угол поворота кривошипа, соответствующий началу сгорания.

— продолжительность сгорания, Остальные обозначения, кроме общепринятых в научно-технической ли тературе, оговорены в тексте диссертации.

ВВЕДЕНИЕ Автомобильный транспорт ъносит существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна. Значительная доля выбросов вредных веществ прихо дится на транспорт, оборудованный дизелями. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям дизель еще долго будет оставаться ос новным силовым агрегатом для коммерческого автотранспорта, а доля легко вых автомобилей с дизелями будет увеличиваться. Поэтому работы по улуч шению экологических характеристик дизелей являются актуальными.





В Российской Федерации нормы выбросов вредных веществ и сроки их введения для автомобильной техники устанавливаются Специальным техни ческим регламентом «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ». В соответствии с данным документом определя ются максимально допустимые выбросы следующих составляющих отрабо тавших газов: оксидов углерода (СО), углеводородов (СщН,,), оксидов азота (NOx) и дисперсных частиц (ДЧ). Наибольшей токсичностью обладают NOx и частицы. Основными направлениями по их снижению являются: уменьшение образования в камере сгорания и нейтрализация отработавших газов.

Большое разнообразие источников и механизмов образования частиц не позволяет предотвратить их формирование в цилиндре дизеля. Поэтому жесткие требования перспективных экологических норм (Евро-4, 5) не могут быть достигнуты без использования систем снижения дисперсных частиц в отработавших газах дизелей. Способы одновременного сокращения выбросов NOx и ДЧ вне цилиндра дизеля весьма дороги и громоздки, поэтому необхо димо искать пути по снижению образования оксидов азота в камере сгора ния.

Для уменьшения образования NOx в цилиндре двигателя проводят ме роприятия, направленные на снижение максимальной температуры продук тов сгорания, так как основная их масса формируется по «термическому» ме ханизму Зельдовича. Однако последовательное снижение выбросов NOx, на блюдаемое в последние годы, может привести к повышению вклада «быстро го» и «N2O» механизмов, поскольку воздействие температуры на лих не столь значимо. Поэтому для разработки эффективных мер по дальнейшему уменьшению образования NOx в камере сгорания перспективного дизеля не обходимо оценить значимость этих механизмов.

Это определяет актуальность исследований, выполненных в данной ра боте.

Цель работы. Целью настоящей работы является исследование меха низмов образования оксидов азота в камере сгорания дизеля.

Для достижения поставленной цели необходимо:

— провести анализ механизмов образования оксидов азота в усло виях, характерных для камеры сгорания дизеля;

— разработать математическзао модель и программное обеспечение для расчета образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом всех рассмотренных механизмов;

— провести экспериментальные исследования и выполнить проверку адекватности модели расчета образования NO в дизеле;

— провести расчетные исследования возможных направлений уменьшения образования NO в перспективных дизелях, где роль «быстрого» и «N2O» механизмов может быть значительной.

Методы исследования. Методология моделирования процесса образо вания оксидов азота при сгорании топлива в цилиндре дизеля представляет собой сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований была разработана матема тическая модель образования оксидов азота в цилиндре дизеля, базирующая ся на уравнениях термодинамики и основных положениях химической кине тики. Для проверки адекватности разработанной модели проводились экспе риментальные исследования дизеля, установленного на стенде.

Научную новизну составляют;

• Результаты анализа механизмов образования оксидов азота в ус ловиях, характерных для камеры сгорания дизеля;

• Количественная оценка образования N 0 по «быстрому» механиз му в камере сгорания дизеля;

• Методика составления детального кинетического механизма горе ния сложного углеводорода для описания кинетики образования «быстрых» N0, которая может быть использована для моделиро вания образования N 0 при сгорании как традиционного, так и альтернативного топлива;

• Математическая модель для расчета образования оксидов азота в дизеле с учетом «термического» и «быстрого» механизмов, позво ляющая исследовать перспективные рабочие процессы, например, при высоком уровне рециркуляции отработавших газов, при го могенном смесеобразовании и сгорании в дизелях, а также при ис пользовании альтернативных топлив;

• Результаты анализа факторов эксперимента, влияющих на точ ность расчетов N0 при оценке адекватности двухзонной матема тической модели;

• Расчетные исследования направлений уменьшения образования NO в перспективных дизелях.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель расче та образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом «термического» и «быстрого» механизмов позволяет глубже понять кинетику формирования NO и оценить роль «быстрого» механизма в условиях дизеля. Особое значе ние использование разработанной модели имеет при проведении поисковых исследований, направленных на снижение образования оксидов азота в пер спективных дизелях, где сгорание топлива происходит при низких темпера турах, например, в дизелях с организацией гомогенного смесеобразования и сгорания или в дизелях, работающих на альтернативных топливах.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доло жены на:

- Научно-технической конференции «2-е Луканинские чтения.

Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплек са», МАДИ (ГТУ), 2005 г., Москва;

- XLIX Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», МАМИ, 2005 г., Москва;

- Международном симпозиуме «Образование через науку», МГТУ им. Баумана, 2005 г., Москва;

- L Международной научно-технической конференции ААИ «Ав томобиль и окружающая среда», НИЦИАМТ, 2005 г., Дмитров;

- 3-ем Международном автомобильном научном форуме (МАПФ), НАМИ, 2005 г., Москва.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных ра ботах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций;

содержит 123 страницы машинописного текста, 11 таблиц, 47 рисунков и списка используемой литературы из 159 на именований.

•* * Автор выражает свою глубокую признательность сотрудникам ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ" за оказанную помощь в работе. И в особенности научно му руководителю - доктору технических наук, профессору Василию Алек сеевичу Звонову, за постоянное внимание и поддержку при выполнении дис сертационной работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Токсичные компоненты отработавших газов днзелей Более 99% по объему отработавших газов дизелей составляют продук ты полного сгорания топлива (СОг и НгО) и избыточный воздух [95]. Эти вещества нетоксичны. Остальные 0,02... 1% объема отработавщих газов при ходятся на продукты неполного сгорания, оксиды азота, сульфаты, оксиды примесей и присадок, содержащихся в топливе, и т.д. Большая часть этих веществ обладает токсичными свойствами и носит название вредных ве ществ, которые, попадая в окружающую среду, наносят разносторонний ущерб растительному и животному миру, создают угрозу жизни и здоровью людей. Среди них особо выделяют: оксиды углерода (СО), углеводороды (СщНп), оксиды азота (NOx) и дисперсные частицы [3, 19, 25].

В последнее время возрастает внимание к проблеме снижения выбро сов парниковых газов, приводящих к глобальному потеплению на планете [32, 125, 126]. Основной вклад в антропогенную эмиссию парниковых газов вносит диоксид углерода, доля которого в общей (выраженной в эквиваленте СОг) эмиссии газов с непосредственным парниковым эффектом, подпадаю щих под действие Рамочной Конвенции ООН об изменении климата, состав ляет около 80%. Поэтому при совершенствовании экологических характери стик дизелей необходимо также уделять внимание уменьшению выбросов СО2.

Оксид углерода СО в дизелях образуется на всех стадиях процесса сгорания топлива при недостатке кислорода или при диссоциации СОг. Анализ опытных и рас-.

четных данных показал, что концентрация СО в ОГ соответствует ее равно весной концентрации при заданном составе смеси и температуре в зоне про дуктов сгорания Т=1600-1700 К [35]. Это объясняет наличие СО в ОГ дизе лей, работающих при значениях коэффициента избытка воздуха значительно больших единицы.

Моноксид углерода воздействует на нервную систему, вызывает обмо роки. Сущность его действия заключается в более высокой, чем у кислорода, способности присоединяться к гемоглобину крови. При этом образуется ус тойчивое соединение — карбоксигемоглобин (СОГб), который затрудняет процессы газообмена в клетках и приводит к кислородному голоданию. Вды хание человеком воздуха с концентрацией Ссо—1200 ррт (0,12%) в течение 2-х часов приводит к потере сознания, при концентрации Ссо=3000 ррт (0,3%) в течение 30-ти минут - к смерти.

Углеводороды Наличие углеводородов в ОГ дизелей обусловлено неидеальными ус ловиями сгорания и особенностями состава топлива. Они образуются в пере обогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количеств кисло рода, то углеводороды окажутся в составе ОГ.

По характеру действия на организм человека углеводороды разделяют на две группы: раздражающие и канцерогенные. Соединения первой группы оказывают наркотическое воздействие на центральную нервную систему и раздражают слизистые оболочки, вызывая слезотечение и пр. К ним относят альдегиды, все предельные и непредельные соединения углерода с водоро дом, не являющиеся ароматическими соединениями.

Наибольшую опасность для организма человека представляют тяжелые углеводородные соединения канцерогенной группы - полициклические аро матические углеводороды (ПАУ) [102], к которым относятся 1,2-бензатрацен (C18H12), 1,2,3,4-дибензпирен, коронен (С24Н12) и другие, особенно 3,4-бенз(а)пирен, являющийся своеобразным индикатором присутствия в от работавших газах других канцерогенов. В организме человека ПАУ стимули руют образование злокачественных опухолей.

Помимо этого, углеводороды вместе с оксидами азота участвуют в об разовании смогов.

Оксиды азота Большую часть NOx составляет моноксид азота (N0). В зависимости от процессов, приводящих к его образоваиию, различают следующие виды N 0 :

«термические», «топливиые», «быстрые» и N 0, образующиеся по механизму «N2O».

К «термическим» N 0 отиосят оксиды азота, образующиеся в зоне про дуктов сгорания по механизму Б.Я. Зельдовича. «Топливные» N 0 образуют ся в процессе горения вследствие частичного окисления азотсодержащих со единений топлива до NO. «Быстрые» NO образуются непосредственно в зоне горения углеводородных топлив в результате связывания молекул азота ра дикалами СН и СНг. По механизму «N2O» оксиды азота образуются через промежуточное формирование закиси азота N2O.

Многочисленные экспериментальные и расчетные работы [30, 32, 94] показывают, что основное формирование оксидов азота в КС ДВС происхо дит по «термическому» механизму Зельдовича. Однако последовательное снижение выбросов N 0, наблюдаемое в последние годы, может привести к повышению вклада остальных механизмов образования N 0, поскольку воз действие температуры на них может быть не столь значимым. Для оценки роли всех перечисленных механизмов образования NO в условиях КС совре менного и перспективного дизеля необходимы дополнительные исследова ния.

Оксиды азота сохраняются в атмосфере в течение 3...4 дней и являются исходными продуктами фотохимических реакций, приводящих к образова нию смогов, а также паров кислот в атмосфере и кислотных дождей [102]. На организм человека основное действие оказывают не оксиды азота, а азотная и азотистая кислоты, образующиеся непосредственно в дыхательной системе человека при соединении их с водой. По степени воздействия на организм человека NOx во много раз сильнее СО. Критическое поражение организма происходит при вдыхании воздуха с концентрацией CNOX=100 ppm (0,01%) в течение 30 минут.

Дисперсные частицы В составе частиц в настоящее время выделяют более 1000 веществ ор ганической и неорганической природы в твердом и капельножидком состоя нии. Их формирование происходит в процессе сгорания дизельного топлива и смазочного масла, процессов, происходящих с отработавшими газами в уст ройствах для сокращения выбросов (сажевых фильтрах, окислительных ней трализаторах), а также процессов разбавления й охлаждения отработавших газов атмосферным воздухом.

По определению, данному американским агентством по защите окру жающей среды, частицами считаются все субстанции, которые, находясь в смеси с чистым воздухом при максимальной температуре 52 °С (125 F), за держиваются фильтром из стекловолокна с тефлоновым покрытием и не яв ляются водой [115].

Основную массу частиц современного дизеля составляют [143]:

- 35-40%-сажа;

- 32-50% - несгоревшие углеводороды, из них:

- 25-45% - образуются из масла, попавшего в КС, — 5-7% - результат неполного сгорания топлива;

- около 14% - свободные и связанные водой сульфаты, образую щиеся из серы, содержащейся в топливе и масле;

- около 10% - частицы, образующиеся из присадок, а также метал лические частицы - результат износа двигателя.

Высокая потенциальная опасность дизельных частиц обычно связыва ется с двумя особенностями этого материала:

- во-первых, с их химическим составом, в частности, наличием в них высокотоксичных соединений;

- во-вторых, с дисперсным составом, а именно с «долгоживущими»

фракциями, способными проникать в дыхательные пути человека и накапливаться там.

Основными «входными воротами» дизельных частиц в организм явля ются органы дыхания, в частности, легкие. Причем, чем мельче частицы, тем больщей проникающей способностью они обладают, и тем больщую потен циальную активность могут иметь в легких. Наибольщую опасность для здо ровья человека представляют наночастицы, основное количество которых (более 90%) составляет 1-^20% от общей массы ДЧ. В целом в легких взрос лого человека при дыхании в спокойном состоянии оседает от 12 до 20% массы частиц, содержащихся во вдыхаемом воздухе [78].

1.2 Нормирование выбросов вредных веществ дизелей С целью снижения негативного воздействия автомобильного транспор та на окружающую среду законодательно устанавливаются ограничения на выбросы токсичных веществ автомобилями и их двигателями. В Российской Федерации нормы выбросов вредных веществ и сроки их введения для авто мобильной техники определяются специальным техническим регламентом «О требованиях к выбросам вредных (загрязняющих) веществ колесных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации» (таблица 1.1) [1].

Таблица 1. Сроки введения в действие в Российской Федерации технических нормативов выбросов вредных веществ Для всех выпускаемых в обращение Уровень требований.

колесных транспортных средств Экологический класс 2 (Евро-2) 22.04.2006 г.

Экологический класс 3 (Евро-3) 01.01.2008 г.

01.01.2010 г.

Экологический класс 4 (Евро-4) Экологический класс 5 (Евро-5) 01.01.2014 г.

Нормы выбросов вредных веществ дизелями автомобилей и процедуры проведения сертификационных испытаний, определенных техническим рег ламентом, соответствуют стандартам, принятым Европейской Экономиче ской Комиссией ООН (Нравила ЕЭК ООН ^224,.№49,1^283 и №96).

/ Европейские директивы, на основании которых производится оценка вредных выбросов с отработавшими газами дизелей, разделяют транспорт ные средства по суммарной массе на две группы: до 3500 кг и свыше 3500 кг.

Для автомобилей полной массой менее 3500 кг применяется городской испытательный цикл (UDC) со скоростной добавкой (EUDC) — уровень Евро-2, и тот же цикл, но без 40 секунд прогрева двигателя - уровень Евро-3.

Для уровня норм Евро-4 дополнительно вводятся холодные испытания при старте двигателя автомобиля при температуре -7 ^С.

В таблице 1.2 представлены нормы выбросов ВВ дизелями автомоби лей с полной массой менее 3500 кг.

Таблица 1. Нормы выбросов вредных веш,еств дизелями автомобилей с полной массой менее 3500 кг (Правила ЕЭК ООН № 83) Нормы выбросов. г/км Нормативный Объем испытаний со документ N0, ДЧ 4 г.ц. и 1 скоростной цикл 2,2 0,5 0, R 83-04С (Евро-2) 0,15 0,05 4 г.ц. и 1 скоростной цикл 0, 2, R 83-05А (Евро-3) холодный старт 0,08 0, 0, R 83-05В (Евро-4) 1, 4 г.ц. и 1 скоростной цикл Для дизелей автомобилей и автобусов полной массой более 3500 кг с введением международных норм Евро-3 изменяется процедура сертификаци онных испытаний (испытательные циклы). Вводится измененный 13-ти сту пенчатый испытательный цикл для определения выбросов ВВ на установив шихся режимах - European Stationary Cycle (ESC - цикл) [1]. На рис. 1. представлены контрольные точки и весовые коэффициенты для режимов но вого 13-ти ступенчатого стационарного цикла. Введен также испытательный цикл двигателя на неустановившихся режимах European Transient Cycle (ETC - цикл), причем двигатели, оборудованные системами снижения NOx и час тиц, и газовые двигатели должны испытываться только по циклу ETC. Он длится 1800 секунд и включает участки, имитируюш;

ие движение по городу, по сельским и магистральным автодорогам. Значения частоты вращения вала двигателя и нагрузки задаются через каждую секунду. Для реализации этого цикла требуется новое испытательное оборудование, способное в автомати ческом режиме его воспроизводить.

Холостой ход Рис. 1.1. Контрольные точки и весовые коэффициенты для режимов нового 13-ти ступенчатого цикла Вводится также новый испытательный цикл для оценки дымности от работавших газов European Load Response (ELR - цикл).

На рис. 1.2 показана зона контрольных режимов и последовательность изменения частот вращения двигателя для новых циклов ESC и ELR.

Рис. 1.2. Схема определения режимов испытаний двигателей для новых циклов ESC и ELR Габлица 1. Нормы выбросов вредных веществ дизелями автомобилей с полной массой более 3500 кг (Правила ЕЭК ООН № 49 - 03) ESC -цикл ELR- цикл ETC - цикл Норматив ный доку- кх сн/'^) ДЧ(Ф NOx СО NOx СО NMHC ДЧ СтНп мент (дымность) г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч г/кВт ч м-'(%) R 49 - 04А 0,10 0, 0,66 5, 5,0 0,8 (29) 5,45 0, 2,1 1, (Евро -3) 0,13(' 0,21'' R49-04B 0,46 3,5 0,02 0,5(19) 3,5 0, 4,0 0, 1,5 1, (Евро - 4) R 49 -04В 0,46 2,0 0,02 2,0 0, 0,5 (19) 4,0 0, 1,5 1, (Евро-5) R 49 - 04С (сверхниз 0, 0,02 2, кие выбросы 1,5 0,25 0,15(7) 3,0 0,40 0, 2, вредных веществ) (а) - дЛя двигателей с рабочим объемов менее 0,75 дм^ на цилиндр и числом оборотов при номинальной мощности более 3000 мин"'.

(c) - только для двигателей, работающих на газе.

(d) - не применяется для двигателей, работающих на газе в стадиях Евро-3,4, в табл. 1.3 приведены нормы выбросов ВВ дизелями при испытаниях по циклам ESC, ETC и ELR, причем в них несгоревшие углеводороды разде лены на две категории: неметановые и метановые. Содержание метана опре деляется только для газовых двигателей, но зато для них не оцениваются вы бросы ДЧ.

Так как отдельные компоненты ОГ оказывают различное как по спосо бу, так и по величине воздействие на организм человека, то для того чтобы это учесть, вводят показатель относительной агрессивности Аь который ко личественно показывает, во сколько раз рассматриваемый загрязнитель более опасен при попадании в атмосферу, чем диоксид серы SO2 [13]. Значения ве личин Ai для некоторых распространенных видов примесей приведены в таб лице 1.4.

Таблица 1. Предельно допустимые концентрации и показатели относительной агрессивности для различных токсичных веществ, содержащихся в отработавших газах ДВС Ai, ПДКраб.юны, ПДКахм., Вещество мг/м^ усл.т/т мг/м^ Оксид углерода 3 0, 10 Сернистый ангидрид 0, Оксиды азота в пересчете по массе на 0,04 3, NO Аммиак 0,04 20 0, Летучие низкомолекулярные углеводо роды (пары жидких топлив — бензинов 100 0, 1, и др.), по углероду 3,4-бензпирен 10"^ 1,5-10-' 1,1-10^ Неорганические соединения свинца 0, 0,003 поРЬ Твердые частицы дизелей и газовых двигателей Величина приведенного выброса (удельного или абсолютного) какого либо вещества определяется путем умножения соответствующего выброса этого вещества на показатель его (вещества) oтнocитeJIЬHoй агрессивности.

Так, например, приведенный удельный выброс оксидов азота:

MNo=gNo-ANO, уел.г/кВт-ч. (1.1) Использование приведенных выбросов позволяет не только оценить суммарную токсичность двигателя, но и определить доли отдельных компо нентов в ней как доли этих компонентов в суммарном приведенном выбросе.

Сопоставляя приведенные выбросы вредных веществ в отработавщих газах дизелей при выполнении ими европейских экологических норм, можно заключить, что наибольший вклад в суммарный экономический ущерб окру жающей среде вносят оксиды азота и дисперсные частицы (рис. 1.3). В сум марных выбросах на них приходится 30...80% по массе и 60...96% по эквива лентной токсичности вредных веществ, в зависимости от режима работы двигателя, его конструкции, физических свойств топлива и др. [62, 95, 96].

Причем, наибольший вклад вносят оксиды азота. Поэтому проведение иссле дований, направленных на сокращение выбросов NOx, приобретает особую актуальность при соверщенствовании экологических показателей дизелей.

Евро - 2 Евро - -2.7% 1.0% Рис. 1.3. Вклад нормируемых веществ в суммарный ущерб окружающей среде в % при выполнении норм Евро-2 и Евро-4 (Правила ЕЭК ООН J\ 1.3 Методы снижения токсичности дизелей Основой снижения выбросов вредных веществ является совершенство вание рабочего процесса дизеля, что достигается при помощи:

- оптимизации КС, параметров топливоподачи и движения воздушно го заряда;

- совершенствования системы турбонаддува, систем впуска и выпуска, оптимизации фаз газораспределения, а также охлаждения наддувоч ного воздуха;

.

- применения рециркуляции ОГ, впрыскивания воды, присад1ок и эмульсий.

Вместе с совершенствованием рабочего процесса для сокращения вы бросов дисперсных частиц необходимо:

- совершенствовать конструкцию двигателя с целью уменьшения расхода масла на угар;

- улучшать свойства горюче-смазочных материалов, сокращать со держание соединений серы в топливе и масле.

Однако внедрение всех перечисленных выше мер не позволяет снизить выбросы вредных веществ с ОГ дизелей до уровня, удовлетворяющего пер спективным экологическим нормам токсичности (Евро-4 и выше). Поэтому дальнейшее улучшение экологических показателей дизелей невозможно без применения систем очистки ОГ.

Необходимо отметить, что в дизелях наибольшие трудности связаны с уменьшением выбросов оксидов азота и дисперсных частиц. Выбросы СО и СН сравнительно невелики и могут быть снижены при использовании окис лительных каталитических нейтрализаторов.

Для уменьшения количества дисперсных частиц в ОГ дизелей разра батывают фильтры, которые должны сочетать в себе две функции: улавлива ние частиц и регенерацию (периодическую или постоянную) фильтрующего слоя путем окисления осажденных на нем частиц [70, К8].

Фильтры частиц, несмотря на эффективность по улавливанию ДЧ, до сйх пор не получили широкого серийного применения, так как не найдено устойчивых и надежных способов их регенерации.

Для снижения концентрации NOx в ОГ дизелей используют каталити ческие системы восстановления оксидов азота:

- адсорбер-катализаторы NOx (происходит периодическое накопление оксидов азота на рабочей поверхности катализатора, их высвобожде ние и восстановление при а1);

- катализаторы селективного восстановления (SCR) NOx (для этого в нейтрализатор добавляют аммиак, где он реагирует с NOx, в резуль тате чего образуется азот и вода).

Селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком представляется наиболее перспективной из имеющихся технологий обезвре живания выбросов NOx, обеспечивающей эффективность очистки порядка 70-80%. Эта технология разрабатывалась в СССР в 1960-1970 гг. под руково дством профессора В.А.Звонова [43], однако тогда еще не было столь жест ких норм на выбросы NOx и работы не были доведены до практического вне дрения на автомобильном транспорте. В настоящее время селективное вос становление NOx хорошо зарекомендовало себя во многих странах, в частно сти, в Странах Европейского Союза и в Японии [127, 128]. В качестве вос станавливающего реагента можно использовать: безводный аммиак, аммиач ную воду, либо 30...40% водный раствор мочевины, что наиболее удобно и безопасно [128].

Основной проблемой при эксплуатации каталитических нейтрализато ров является их отравление диоксидом серы SO2, образующимся при окисле нии серных соединений топлива и масла. Кроме того, в нейтрализаторе про исходит доокисление SO2 до SO3, в результате чего происходит, во-первых, увеличение общей массы дисперсных частиц, а, во-вторых, в соединении с водой SO3 образует серную кислоту. Поэтому необходимо с одной стороны повышать стойкость катализатора к соединениям серы, с другой — уменьшать содержание серы в топливе [92].

Для достижения более жестких экологических норм (Евро-5, 6) в пер спективе потребуется создание систем очистки ОГ, которые позволят осуще ствить как фильтрацию частиц, так и максимально эффективное снижение уровня эмиссии NOx- Такие системы называют четырехкомпонентными, по скольку наряду с NOx и ДЧ они снижают также содержание углеводородов и оксидов углерода.

Применение систем очистки ОГ, а особенно их комбинаций, требует эффективного управления работой дизеля, которое практически невозможно реализовать без использования электронных систем регулирования.

Поскольку способы одновременного сокращения выбросов NOx и ДЧ вне цилиндра дизеля весьма дороги и громоздки, а образование частиц не удается предотвратить только воздействием на процесс сгорания, то наибо лее предпочтительным направлением для достижения перспективных эколо гических требований является снижение образования оксидов азота в камере сгорания, а для уменьшения ДЧ использование фильтров частиц. В связи с этим в последнее время все большее внимание уделяется исследованию аль тернативных способов организации процесса сгорания, которые позволяют снизить максимальные температуры в зоне продуктов сгорания, так как ос новное формирование NO в цилиндре дизеля происходит по «термическому»

механизму Зельдовича.

Одним из таких направлений является гомогенизация топливовоздуш ного заряда с большим а (до 2) до начала процесса сгорания, так называемый nomogenous Charge Compression Ignition (HCCI-процесс - «воспламенение гомогенного заряда при сжатии»), при этом может использоваться как газо образное, так и жидкое топливо [123]. Следствием гомогенизации заряда яв ляется повышение коэффициента избытка воздуха в зоне горения и продук тов сгорания, что приводит к уменьшению температуры и уменьшению обра зования NO. Кроме того, благодаря отсутствию в цилиндре зон, обогащен ных топливом, также происходит существенное уменьшение образования сажи.

Экспериментальные исследования такого процесса при подаче топлива во впускную систему дизеля, начатые в Юго-Западном институте, США, в настоящее время проводятся в ведущих фирмах Германии, Японии, Австрии.

По результатам исследований, проведенных фирмой AVL применительно к дизелю с рабочим объемом цилиндров 2,2 л, предназначенному для автомо биля массой 1590 кг, при организации гомогенного смесеобразования кон центрации NOx в ОГ не превышали 150 ррш, а выбросы ДЧ удалось снизить на 70% при сохранении хорошей топливной экономичности [70].

Однако как показали опыты, проведенные в газовых печах при стацио нарном сгорании топливовоздушных смесей [94], после достижения некото рого значения температуры (-1900 К) дальнейшее ее уменьшение с целью сокращения выхода NO становится малоэффективным, так как увеличивается вклад «быстрых» и «N2O» механизмов, воздействие температуры на которые менее значимо по сравнению с «термическим» механизмом. Методов по снижению этой составляющей N 0 пока не найдено, однако известно, что при сжигании углеводородов с меньшим размером молекулы происходит умень шение образования «быстрых» NO [150]. Поэтому при использовании аль тернативных топлив, таких как природный газ, диметиловый эфир, метанол и т.д., в «гомогенных» дизелях можно обеспечить сверхнизкие выбросы окси дов азота.

В заключение обзора методов снижения выбросов ВВ автомобильными дизелями необходимо отметить, что токсичность дизелей зависит от большо го числа факторов (конструктивных, регулировочных, эксплуатационных па раметров рабочего процесса), влияние которых сложно и противоречиво.

Экспериментальный подбор наиболее рациональных значений совокупности этих факторов представляет трудноразрешимую задачу. Поэтому появляется необходимость в создании и использовании адекватных математических мо делей образования ВВ в цилиндре двигателя, на основе которых можно было бы проводить расчетные исследования. Применение таких математических моделей позволит существенно сократить временные и материальные затра ты на проведение исследований, поскольку их использование дает возмож ность:

- установить взаимосвязь параметров и, соответственно, вести исследования более осмысленно и целенаправленно;

- сократить количество экспериментов, необходимых при проведе нии исследовательских и доводочных работ;

- получить исходные данные для проектирования на начальных стадиях создания нового двигателя.

При моделировании экологических показателей особое внимание сле дует уделить описанию процессов образования оксидов азота и дисперсных частиц, так как на их долю приходится более 95% ущерба от выброса вред ных веществ с отработавшими газами. Однако ввиду большого разнообразия компонентов, входящих в состав частиц, и механизмов их образования на се годняшний день не удается составить математическую модель, которая смог ла бы адекватно описать процесс их формирования. Поэтому в качестве од ной из задач исследования было выбрано создание математической модели образования оксидов азота в КС дизеля с учетом всех известных механизмов.

1.4 Механизмы образования оксидов азота Как было отмечено ранее, в настоящее время выделяют следующие ос новные группы оксидов азота, образующихся при сгорании углеводородных топлив:

1. «термические»;

2. «топливные»;

3. «быстрые»;

4. NO, формирующиеся по механизму «N2O».

Рассмотрим их более подробно.

Образование NO по «термическому» механизму «Термическая» теория образования оксида азота была разработана рус скими учеными Зельдовичем Б.Я., Садовниковым П.Я. и Франк Каменецким Д.А. [44, 91]. В ней ведущую роль играют свободные атомы ки слорода и азота:

О2=О+О - 494 кДж/моль, (1.2) O+N2=NO+N-314 кДж/моль, (1.3) N+O2=NO+O +134 кДж/моль, (1.4) иногда добавляют еще одну реакцию [31, 60, 69,-75, 153, 154]:

N+OH=NO+H. (1.5) Эндотермическая реакция 1.3 — ключевая в данной схеме, поскольку является единственной реакцией, принимающей участие в разрыве прочной связи молекулы азота. Для ее осуществления необходимы существенные энергетические затраты (Е=314 кДж/моль). Помимо этого необходима энер гия для образования атомарного кислорода (Е=494/2 кДж/моль). Высокий энергетический уровень и объясняет сильную зависимость цепного механиз ма от температуры.

Согласно данной теории количество образовавшегося оксида азота бу дет зависеть от температуры в зоне продуктов сгорания Тпс, времени реак ции т и концентрации атомарного кислорода, которая, в свою очередь, зави сит от Тпс и коэффициента избытка воздуха в зоне продуктов сгорания ар. То есть образование оксидов азота характеризуется влиянием трех факторов:

NO=f(Tnc, аг, т).

В условиях д в е наиболее простым и эффективным средством умень шения выбросов N0 является воздействие на Тпс- Поэтому все основные ме роприятия по снижению выхода NO были направлены на уменьшение мак симальной температуры продуктов сгорания. К ним можно отнести: охлаж дение наддувочного воздуха, перенесение активного тепловыделения на ли нию расширения, увеличение коэффициента избытка воздуха при сгорании, рециркуляцию отработавших газов и т.д.

Образование «топливных» N По результатам проведенных экспериментов по сжиганию этилена с добавками азотсодержащих соединений Фенимор [132] установил, что при малой концентрации данных веществ они быстро и практически полностью переходят в N 0.

Из традиционных видов топлив большое количество азотсодержащих веществ имеется в угле и тяжелых углеводородных фракциях (0,3-0,8%). В дизельном топливе и бензине этих компонентов либо крайне мало (0,007 0,01%) [30] и они не оказывают существенного влияния на процесс образова ния NOx, либо они вообще отсутствуют.

«Быстрый» механизм образования NO Первоначально ускорение процесса образования N 0 перед фронтом пламени и непосредственно в зоне горения при низкой температуре пытались объяснить сверхравновесной концентрацией О и ОН, которая на 1-2 порядка выше равновесной. Однако дальнейшие более углубленные исследования оп ровергли это предположение. При низких температурах «термический» ме ханизм работает очень медленно и осноЁная часть N 0 образуется через пред варительное формирование углеводород-азотных соединений.

Впервые предположение об активном участии углеводородных радика лов в процессе образования NO высказал Фенимор [133]. Им была предложе на схема связывания молекулы азота радикалами СН, СНг и С:

CH+N2=HCN+N- 8,38 кДж/моль, (1.6) 2C+N2=2CN - 16,72 кДж/моль, (1.7) CH2+N2=HCN+NH - 37,6 кДж/моль. (1.8) Предлагались и другие реакции, например [151]:

CH2+N2=H2CN+N - 42,4 кДж/моль. (1.9) Энергетические затраты, необходимые для осуществления реакций 1.6 1.9 малы, поэтому взаимодействие по ним может осуществляться даже при низкой температуре.

Далее образовавшийся атомарный азот N, взаимодействуя с радикалом ОН по реакции 1.5, образует оксид азота. Взаимодействие азотсодержащих углеводородов и их окисление до N 0 происходит по более сложным и раз ветвленным направлениям. Существует несколько версий данного процесса.

Гаррисом Р. и соавторами [136] была предложена следующая схема:

HCN+(H, ОН) - CN+(H2, Н2О), • (1.10) CN+O2-^ CO+NO, (1.11) CN+OH -^ CO+NH, (1.12) NH+OH - NO+H2, (1.13) NH+NO- N2+OH. (1.14) Матсуи Д. [150] выдвинул предположение о промежуточном образова нии NH в процессе перехода HCN в NO:

HCN^NH-^NO.

Миллером Д. [151] приведена схема:

HCN +О - NCO +Н - NH +Н - N +(ОН, О2)-^ NO.

Макаров В.Н. [67] предложил более сложную схему:

HCN+OH - CN+CO2 - NCO+H - NH+CO2 - HNO+O -* NO.

В рассмотренных работах отсутствует количественная оценка значимо сти этих реакций в условиях, характерных для ДВС, поэтому нельзя отдать предпочтение какой-либо из приведенных схем без дополнительного анали за. Номимо этого, необходимо определить наиболее значимый углеводород ный радикал и реакцию, приводящую к первоначальному распаду молекулы азота N2. В большинстве рассматриваемых работ [6, 7, 8, 97, 133, 137] пред почтение отдается радикалу СН, взаимодействующему по реакции 1.6. Одна ко для условий ДВС это предположение необходимо проверить.

Образование NO по механизму «N2O»

Образование «быстрых» N 0 не всегда обусловлено взаимодействием N2 с углеводородными радикалами. Ю. Хомер и М. Саттон [141] зафиксиро вали образование «быстрых» N 0 в бедных и умеренно богатых водородовоз душных пламенах (а=0,9 -г 1,4) при Т«2000 К.

П. Мальте [149] предложил механизм, объясняющий формирование N при данных условиях. Он заключается в первоначальном образовании закиси азота N2O:

N2+O=N2O, (1.15) N2O+O=NO+NO, (1.16) N2O+O=N2+O2. (1.17) Так как здесь ключевую роль играет атомарный кислород, количество которого при низкой температуре мало, то можно заранее сделать предполо жение о невысокой значимости данного механизма.

Для анализа механизмов образования оксидов азота в быстроизменяю щихся условиях КС д в е и сопоставления полученных результатов с экспе риментальными данными необходимо выбрать математическую модель, опи сывающую условия, в которых происходит формирование N 0.

1.5 Методы расчета образования NO в дизелях Можно выделить два основных типа моделей, используемых при моде лировании процесса образования оксидов азота в КС;

- феноменологические модели;

- многозонные модели, учитывающие кинетику образования N 0.

Феноменологические модели образования NO К первой группе относятся расчетные методы, в которых предприни мается попытка найти взаимосвязь между сложным процессом образования N 0 в КС и характеристиками рабочего процесса двигателя.

в работах [81, 87] выдвигается гипотеза о взаимосвязи между характе ристикой тепловыделения в начальный период сгорания и концентрацией NOx в ОГ дизелей. Камфер [24] пытался связать корреляционной зависимо стью количество образовавшихся оксидов азота с количеством испарившего ся топлива за период задержки воспламенения.

Самой развернутой из этого типа моделей является феноменологиче ская физико-химическая модель профессора Н.Ф. Разлейцева [84, 85, 86].

В основу данной модели положено предположение о существовании неразрывной связи между процессом образования оксидов азота и процессом сгорания топлива в цилиндре дизеля. Предполагается, что количество обра зующегося N0 зависит от количества активных частиц (О, ОН, СН), которое, в свою очередь, пропорционально количеству сгоревшего топлива.

В модели рассматриваются три механизма образования N0: «быстрый»

(называемый автором «циан-аминным»), «термический» и «топливный».

Образование N0 по «циан-аминному» механизму происходит в момент «первой вспышки» и их количество пропорционально доле выгоревшего на этом участке топлива.

После завершения «первой вспышки» основную роль в формировании NO начинает играть «термический» механизм. Количество образовавшегося N 0 по данному механизму, как и в предыдущем случае, пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Образование NO по «топливному» механизму происходит на всем про тяжении испарения и выгорания топлива.

Таким образом, образование N 0 по каждому из механизмов определя ется по формуле:

Мыо=к-[Сы2]"Ьс-х, (1.18) где к — коэффициент пропорциональности, который зависит от условий смесеобразования и сгорания (температуры заряда цилиндра, интенсивности и масштаба турбулизации заряда, качества распыливания топлива, особенно стей конструкции камеры сгорания и др.);

CN2 - концентрация азота в КС;

m - порядок реакции;

be — цикловая подача топлива;

X - доля выгоревшего на данном участке топлива.

Прекращение образования NO через 30-40 ^пкв после ВМТ объясняется тем, что в заключительной фазе сгорания, в условиях повышенной концен трации продуктов сгорания вокруг локальных очагов пламени усиливается конкуренция в потреблении кислорода, что ускоряет рекомбинацию атомов N по реакции N+NO=N2+O.

Сложность и неудобство использования данной модели заключается в том, что для расчетов N 0 необходимо определять большое количество экс периментальных значений коэффициентов пропорциональности, которые могут быть различными не только для разных двигателей, но и для разных режимов работы дизеля.

Подобные модели появились в тот момент, когда впервые возникла проблема эмиссии N0 тепловыми двигателями.

Многозонные модели, учитывающие кинетику образования NO На образование оксидов азота в процессе сгорания существенное влия ние оказывают температура и концентрации активных веществ (О, ОН и СН) в зоне горения и продуктов сгорания, причем последние зависят от состава смеси и уровня температуры. Поэтому в моделях сгорания, применяемых для расчета образования N0, необходимо определять локальные температуры и концентрации. Данные требования можно выполнить только при использо вании многозонных моделей процесса сгорания.

Процесс сгорания в дизеле представляет собой весьма сложное и до конца нерасшифрованное явление, состоящее из нестационарных быстропро текающих процессов: впрыска топлива, двухфазного турбулентного движе ния среды, испарения, взаимодействия топливного факела со стенками КС, тепломассообмена, сложного многостадийного процесса окисления. Помимо этого изучение данного вопроса осложняется цикловой нестабильностью ра боты двигателя и случайным характером протекания некоторых процессов.

Разумеется, для описания столь сложного явления приходится прибе гать к ряду допущений. Эти допущения и формируют различные типы мате матических моделей. К настоящему времени было предложено такое боль шое количество моделей и методов, что даже краткое рассмотрение каждого из них в данной работе не представляется возможным. Поэтому остановимся на основных подходах к решению этой задачи.

Со временем модели усложняются. Однако начинать их обзор с более ранних и простых было бы крайне нежелательно, поскольку более сложные модели зачастую формируются не простым добавлением уравнений к более ранним, а принципиально новым подходом и изменением самих уравнений.

Вместе с тем, из более сложной модели всегда можно получить более про стую путем наложения дополнительных условий и исключением ряда урав нений. Таким образом, мы получим более простую модель с вполне понят ными и обоснованными допущениями.

С математической точки зрения КС представляет собой замкнутый из меняемый объем V=V(t), ограниченный поверхностью S=S(t), в котором со держится реагирующий газ [120]. В определенный момент времени т=0 в КС подается жидкость через небольшие отверстия, расположенные на поверхно сти S. Жидкость движется со скоростью v. Она начинает взаимодействовать с газом, который движется со скоростью и.

Эти процессы могут быть описаны в каждой точке х на каждом участке времени т двумя похожими системами уравнений: одной для движения жид кой фазы, другой - для газовой. Это уравнения сохранения массы, импульса, энергии и химического баланса, уравнения тензора давлений, переноса тепла из-за температурного градиента и диффузии, уравнения диффузии, скорости изменения концентраций, а также уравнения термического и энергетического состояния вещества.

Для замыкания двух систем необходимо добавить третью, выражаю щую взаимодействие двух фаз на границе: обмен массой, импульсом и энер гией, а также изменение химического состава. Ее нолучают интегрированием первых четырех уравнений на границе взаимодействия топливной струи и воздуха.

Известно, что уравнения, описывающие процессы испарения и турбу лентного движения газового заряда в КС, могут быть решены только при ис пользовании дополнительных уравнений, содержащих опытные коэффици енты. Таким образом, вводятся первые два допущения.

Третье связано с проблемой точного определения размера и концен трации капель внутри топливного факела.

Наложение четвертого и пятого допущений связаны с отсутствием дос товерной информации о химизме сгорания сложного углеводородного топ лива в условиях КС (отсутствие достоверной кинетической схемы процесса сгорания и трудность определения констант в уравнениях Аррениуса).

Таким образом, мы получаем систему уравнений, описывающих трех мерное двз^сфазное неустановившееся движение реагир^тощей смеси с пятью допущениями. Если исключить из рассмотрения одну координату, то полу чим двухмерную модель с шестью допущениями. Исключение еще одной ко ординаты приводит к одномерной модели с семью допущениями, еще одной к нольмерной с восемью допущениями.

Целесообразность применения того или иного подхода определяется в зависимости от решаемой задачи, а также имеющейся экспериментальной информации, необходимой для идентификации модели.

Например, при использовании трехмерных моделей объем КС разде ляют на миллионы элементарных объемов (зон) и рассматривают процессы в каждой из этих зон с учетом тепло- и массобмена между зонами, кинетики протекания химических реакций. Такие модели чрезвычайно требовательны к вычислительной мощности компьютера и для выполнения расчетов необ ходим очень большой объем данных (в т.ч. трехмерная модель двигателя).

Достоверные результаты могут быть получены только после тонкой настрой ки модели на конкретный двигатель с иснользованием большого объема экс периментальных данных. Наиболее известные трехмерные модели: KIVA (Los Alamos Laboratory, США), Fire (AVL, Австрия), Star-CD (Imperial Col lege, Великобритания).

При двухмерном представлении процесса сгорания, движение топлив ного факела предполагается осесимметричным [122, 146]. В этом случае бы вает достаточно провести расчеты только для одного сектора цилиндра.

При одномерном представлении принимается, что пламя распространя ется либо по цилиндрическим поверхностям от оси цилиндра, либо перпен дикулярно ей по плоскостям [120]. Скорость распространения пламени опре деляется экспериментально.

Наиболее простыми и, в тоже время, наиболее проверенными являются нольмерные модели. Конечно, в данном случае уже нельзя получить какую либо информацию о движении заряда, испарении и перемешивании топлива с воздухом и т.д. Но зато эти модели позволяют быстро и эффективно обраба тывать экспериментальные данные и выявлять направления дальнейших бо лее углубленных исследований для улучшения показателей двигателя.

При вычислении локальных параметров с использованием данного ти па моделей максимальную детализацию обеспечивает многозонное представ ление камеры сгорания: объем условно разделяют на п зон, в каждой из ко торых определяют локальные температуры, количество топлива, воздуха, а в процессе сгорания и концентрации продуктов сгорания. Однако для иденти фикации многозонных моделей требуется достаточно большой объем экспериментальных данных.

Профессором В.А. Звоновым было показано [32], что для адекватного описания процесса образования оксидов азота может быть использована двухзонная нольмерная математическая модель сгорания, которая является частным случаем многозонных моделей.

При математическом моделировании процесса сгорания и образования оксидов азота по двухзонной модели объем цилиндра условно разделяют на две зоны: зону свежей смеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь остаточных газов с воздухом, поступившим в ци линдр при наполнении. В ходе сгорания, протекающего с локальным коэф фициентом избытка воздуха ар, происходит увеличение зоны продуктов сго рания. Для проведения идентификации данной модели необходимо иметь только закон сгорания (или индикаторную диаграмму давлений) и значение коэффициента избытка воздуха в зоне продуктов сгорания, которое для дизе лей находится в достаточно узком диапазоне аг=0,9-г1 [32, 84, 147]. Благода ря столь малому объему исходных данных эта модель может использоваться как концептуальная при исследовании перспективных направлений в процес се создания малотоксичных дизелей или при разработке новых, когда отсут ствует детальная информация о параметрах дизеля.

Необходимо отметить, что во всех рассмотренных моделях для описа ния кинетики образования NO используется только «термический» механизм Зельдовича. Данный подход обеспечивает хорошую сходимость результатов при исследовании образования N0 в камере сгорания современного дизеля.

Однако при разработке перспективных дизелей необходимо провести анализ вклада «быстрого» и «N2O» механизмов, поскольку при снижении температу ры их роль может увеличиться. Для этого необходимо разработать математи ческую модель процесса образования N 0 с учетом всех перечисленных меха низмов.

1.6 Цель н задачи исследования Из проведенного обзора проблем снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей можно сделать следующие выводы:

1. Основной вклад в суммарный экономический ущерб, наносимый окружающей среде отработавшими газами, приходится на оксиды азота и дисперсные частицы, причем наибольший урон наносят N0;

2. Наиболее перспективным направлением снижения эмиссии окси дов азота для достижения жестких экологических норм является уменьшение их образования в камере сгорания. В решении этой задачи существенную по мощь могут оказать теоретические исследоваиия с использованием математи ческого моделирования сложных процессов, приводящих к формированию NO в цилиндре дизеля;

3. В настоящее время при исследовании образования оксидов азота в камере сгорания ДВС рассматривается только «термический» механизм Зельдовича, однако последовательное снижение максимальной температуры продуктов сгорания с целью уменьшения образования N 0 может привести к увеличению значимости других механизмов, так как воздействие температу ры на них может быть не столь значимым.

На основании сделанных выводов были определены цель и задачи дан ного исследования.

Целью настоящей работы является исследование механизмов образова ния оксидов азота в камере сгорания дизеля.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести анализ механизмов образования оксидов азота в усло виях, характерных для камеры сгорания дизеля;

- разработать математическую модель и программное обеспечение для расчета образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом всех рассмотренных механизмов;

- провести экспериментальные исследования и выполнить проверку адекватности модели расчета образования N0 в дизеле;

- провести расчетные исследования возможных направлений уменьшения образования N 0 в перспективных дизелях, где роль «быстрого» и «N2O» механизмов может быть значительной.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ОБРАЗОВАНИЯ NO В ДИЗЕЛЕ 2.1 Исследование механизмов образовання NO Для выбора математической модели процесса сгорания, адекватно опи сывающей изменение основных параметров, влияющих на формирование NO в условиях КС дизеля, предварительно необходимо провести анализ меха низмов образования оксидов азота.

2.1.1 Методнка проведення численных экснериментов Численные эксперименты образования NO проводились на примере сгорания метана СН4, так как кинетика горения этого простейшего углеводо рода наиболее полно изучена и описана кинетическими уравнениями. Усло вия проведения экспериментов соответствуют условиям, при которых обра зуется основная масса оксидов азота в цилиндре дизеля [32, 84]: aг=0,8-^l,2;

T=2400-i-2800 К;

Р=6^10 МПа;

расчетный интервал времени т=4 мс (ф«24 ^пкв при п=1000 мин'') - типичное время, за которое происходит фор мирование оксидов азота в транспортных дизелях.

Для удобства исследования влияния Т, ар и Р на процесс образования NO эти параметры принимались постоянными во времени для каждого вари анта расчета.

Для расчетов N 0 использовались две кинетические схемы:

Схема 1 - детальный кинетический механизм (ДКМ), описывающий процесс горения метана и образования N 0 с учетом «термического», «быст рого» и «N2O» механизмов [7]. Он включает в себя 199 реакций и определяет концентрации 33 компонентов: СНЦ, СгН, С2Н2, С2Н3, С2Н3О2, С2Н4, С2Н5, С2Нб, СН, СН2, СНз, СНзО, СН2О, СНО, СО, С02, Н, Н2, Н2О, Н2О2, Н02, О, 02, ОН, N2, N, NO, NO2, N2O, HNO, NH, HCN, CN.

Кинетическая схема образования N 0 при сгорании метана, построен ная на основе кинетической схемы проф. Басевича В.Я. [4], была взята из ра бот отечественных ученых Бочкова М.В. и Ловачева Л.А. [7] (см. табл. 2.1).

Таблица 2. Кинетическая схема образования NO при сгорании метана [7] Коэффициенты для Коэффициенты для прямых реакций обратных реакций № Реакции Е А Е А П П 1 ОН+Н2=Н2О+Н 2637 0,00 -0, 2,24-10^'^ 1,27-10*"* 2 - Н+О2=0Н+О 0,00 0, 2,00-10''''* 8455 1,47-10*' 3 0+Н2=0Н+Н 1,00 0,98 2,00-10'""' 4479 1,05-10*'° 4 Н+О2+М=НО2+М -0, 0,00 1,58-10^*^ -503 7,80-10*'^ 5 Н+Н02=0Н+0Н 0,00 0,46 2,51-10^'^ 4,87-10*" 6 6,ЗМ0^'2 0Н+0Н=Н20+0 -0, 0,00 6,84-10*'^ 7 Н2+М=Н+Н+М 0,00 - 2,00-10^''* 8,05-10*'^ • -0, 8 О2+М=О+О+М -1,00 59738 1,42-10*'^ -0, 2,51-10^'* - 2,00-10^22 9 Н-ЮН+М=Н2СН-М -2,00 2,82-10*2^ -1,98 10 Н+НО2=Н2+О2 2,51-10''" 0,00 0,20 1,26-10*'^ 11 Н+Н2О2=Н2+НО2 0, 1,58-10'''2 0,00 1912 2,53-10*'° 12 N2O+O=N2+O2 14092 0,71 1,00-10^"* 0,00 1,52-10*" 13 Н202+М=ОН-ЮН+М 0, 1,26-10*"' 0,00 22899 - 1,57-10*' 14 0,00 0,38 ОН+Н2О2=Н2О+НО2 1,00-10**^ 960 1,03-10*' 15 Н+Н202=Н20+ОН 2100 0, 7,05-10*'^ 0,00 1,39-10*^ 16 N2O+M=N2+O+M 29190 0,95 5,01-10**'' 0,00 4,32-10*" 17 0,00 0 3,05-10*"* -0, 1,00-10*'^ НО2+НО2=Н2О2+О 18 503 0, 3,30-10*'^ 0, Н+НО2=Н2О+О 7,00-10*'° 19 0,17 5,01-10*'^ 0,00 503 1,44-10*'^ ОН+НО2=Н2О+О 20 3221 0,59 1,40-10**^ 0,00 3,65-10*" О+Н2О2=Н2О+О 21 1,40 10*'^ 0,41 0,00 3221 1,16 10*" О+Н2О2=ОН+НО о+н+м=он+м 22 1,00 10*'^ 0,00 0 L30 10*'^ 0, 23 5,01 10**' 0,00 1,32 10*'^ 0, НО2+О=ОН+О 24 1,00 10*'^ 0,00 503 1,91 10*" 0, NO2+O=NO+O 25 1,08 10*' NO2+M=NO+O+M 1,00 10*'^ 0,57 - 0,00 26 25164 2,00 10*"* 0,00 0, 1,60 10*" NO+N2O=NO2+N 27 1,00 10*'^ 30196 2,22 10*'^ -0,35 0, NO+NO2=N2O+O 28 0Н+0+М=Н02+М 1,00 10*'' 6,70 10*'" -0,43 0,00 29 N20+0=N0+N0 1,00 10*''* 14092 8,59 Ю**" 0,69 0, 30 N+O2=NO+O 6,31 10*' 1,05 1,00 3171 8,61 10*^ 31 NO+M=N+O+M 3,98 10*2° -1,50 - 75491 1,65 10*'^ -1, 32 5,01 10** 0,00 0, 5033 1,04 10*' N+N2O=NO+N 5,01 10*' 33 0,00 0 1,51 10*"* -0,30 N+NO2=N2O+O 1,00 10*' 34 0 0, 0,00 4,61 10*'° N+NO2=N2+O 3,98 10*' 35 N+N02=N0+N0 0,00 0 1,04 10*'° 0,38 N+NO=N2+O 1,58 10*'^ 36 0,00 0 3,83 10*'^ 0,07 3,98 10*2' 37 N2+M=N+N+M -1,60 113236 6,84 10*'" -1,49 - 38 3,16 10*" 0,00 7549 0, OH+N2O=HO2+N2 1,83 10*" 39 1,00 10*'^ 1,38 10*'^ -0, 0,00 1510 HO2+NO=OH+NO HO2+N=OH+NO 1,00 10*" 0,00 3,60 10*" 0, 40 2516 Продол:жеиие таблицы 2. Коэффициенты для Коэффициенты для прямых реакций обратных реакций № Реакции п Е А Е А П 41 1,00 10*'^ 2516 1,21 10*'" -0, H02+N=HN0+0 0,00 42 HNO+O=OH+NO 5,01 10*" 0,50 1,49 10*'° 0,78 43 СН+СН0=СН2+С0 3,16 10*'° 0,70 503 6,19 10*'° 0, 44 СН+СН2О=СН2+СНО 1,00 10*" 0,70 6,85 10° 2013 0, 45 5,01 10*" 0,50 3020 3,35 10*'^ 0, СН2+СН2=СН+СНз 2,51 10*" 3020 3,06 10*'° 46 0,70 0, СН+СН4=СН2+СНз СН+СО2=СНО+СО 47 1,00 10*'° 0,50 3020 1,08 1,03 10*^ 48 1,00 10*'^ -1,00 0 1,85 10*^° -1,13 СН+Н+М=СН2+М 49 сн+он=сно+н 5,01 10*" 0,50 5033 1,23 10*"* 0,18 50 2,00 10*" 0,70 1,4110*'° 0, СН2+0=СН+0Н 51 СН+Н02=СН0+0Н 3020 0, 5,01 10*" 0,50 2,40 10*" 52 7549 3,74 10*'° 0,51 1,00 10*'° 0, СН+НО2=СН2+О 53 5,01 10*" 3,84 10*" 0,66 СН2+ОН=СН+Н2О 0, 54 сн+о+м=сно+м 1,00 10*'^ -0,50 0 3,20 10*'* -0,79 55 сн+о=со+н 0, 5,01 10*" 0,50 0 1,70 10*'^ 56 СН+02=СН0+0 5,01 10*" 0,50 9,06 10*" 0,46 57 со+н+м=сно+м 1,58 10*^° 0 1,49 10*2' -1,83 -1, 58 СН0+СН0=СН20+С0 1,58 10*" 0,50 0 4,54 10*'^ 0,64 59 СНО+СН2=СНз+СО 3,16 10*'° 503 4,14 10*" 0,81 0, 60 СН2+СН2О=СНО+СНз 3020 1,45 10*'° 0,48 3,16 10*'° 0, 61 СНО+СНз=СН4+СО 0 5,08 10*'^ 0,78 3,16 10*" 0, 3020 0,64 62 СН2О+СНз=СНО+СН4 1,00 10*'° 0,50 5,62 10*^ 8,67 10*'^ 63 СН2+О=СНО+Н 5,01 10*" 2013 0, 0, 64 СН20+М=СН0+Н+М 1,17 10*'^ - 3,16 10*" 43785 0, 0, 0,89 0 4,18 10*" 65 СН0+Н=С0+Н2 1,58 10*'^ 0, 0,22 66 СН20+0=СН0+0Н 2315 2,42 10*" 5,01 10*'^ 0, 67 СНО+ОН=СО+Н2О 1,00 10*'^ 0,00 0 1,50 10*"* 0, 68 СНО+НО2=СН2О+О2 1510 5,47 10*'^ -0,04 1,00 Ю*"* 0, 69 СН2О+Н=СНО+Н2 1912 3,66 10*'° 0,25 3,98 10*'^ 0, 70 СН2О+ОН=СНО+Н2О 3171 2,62 10*'^ 5,01 10*'^ 0,00 0, 1,38 10*'^ 71 сно+о=со+он 1,00 Ю*"* 0 0,37 0, 1,04 10*'^ 72 СН0+0=С02+Н 0 -0,53 3,16 10*" 0, 73 СНО+О2=СО+НО2 1,66 10*' 3,16 10*'^ 0,00 0,18 74 СН2+СН4=СНз+СНз 1,26 10*'^ 10065 1,03 10*'^ 0,70 0, 75 СН2+ОН=СН2О+Н 1,00 10*'^ 2516 3,59 10*'^ -0,38 0, 76 СН2+ОН=СНз+О 5,01 10*" 3020 4,75 10*'^ 0,25 6776 0, 34977 1,26 10*" 0, 77 СНз+О2=СН2+НО2 3,16 10*'^ 0,00 78 СН2+Н2=СНз+Н 3,16 10*'^ 0,00 3523 1,57 10*'^ -0,27 6,31 10*'° 1007 7,22 10**^ 0, 79 СНз+ОН=СН2+Н2О 0,70 80 СН2+Н2О=СН2О+О 5,01 10*" 0,50 3523 1,32 10*'^ 0,41 -0, 81 СНз+О=СН2О+Н 1,26 10*'^ 0,00 1007 4,76 10*'^ 82 СНзО+М=СН2О+Н+М 5,01 10*'^ 10569 2,79 10*" 0,33 - 0, 1,40 10*'^ 83 СНз+О2=СН2О+ОН 5,01 10*'^ 0,00 17400 0,15 Продолжение таблицы 2. Коэффициенты для Коэффициенты для прямых реакций обратных реакций Реакции № п А А Е Е П 84 СНзО+О=СН2О+ОН 1,00 10*'' 0,00 7,24 10*" 0,37 85 0,00 3020 0,18 1,00 10*'^ 2,74 10*'° СНзО+О2=СН2О+НО 86 0,00 0,39 -1,00 10"^* 0 1,38 10*'^ СНзО+Н=СН2О+Н 87 СНзО+ОН=СН2О+Н2О 0,00 2,48 10*'^ 0,36 3,16 10*" 88 0,00 0, СН4+М=СНз+Н+М 1,26 10*" 44489 8,32 10*'" - 89 СН4+О=СНз+ОН 2,00 10*'^ 0,00 4529 1,71 10*" 0,08 90 0,50 1,00 10*" 3,08 10*'^ 0,60 СНз+НО2=СН4+О 91 6,31 10*'^ 0,00 5988 1,03 10*'^ 0,10 СН4+Н=СНз+Н 92 СН4+ОН=СНз+Н2О 3,16 10*^ 3,08 1007 2,95 10^^ 3, 93 2,51 10*'^ СНэ+О2=СНзО+О 0,00 9,66 10*'^ -0,21 94 0, С0+0Н=С02+Н 1,26 10*' 1,30 -403 2,99 10*'^ 95 СО+НО2=СО2+ОН 1,00 10*''* 0,00 11575 4,62 10*'^ -0,44 96 6,31 10**5 1,95 10*^' СО+О+М=СО2+М 0,00 2063 -0,87 97 2,51 10*'^ 0, 0,00 22043 1,44 10*' СО2+О=СО+О 98 СН+02=С0+0Н 1,26 10*** 12934 3,15 10*'° 0,67 0,99 99 СН2+О2=СНО+ОН 1,00 10*''' 1862 1,28 10*'^ 0, 0,00 2516 4,25 10*'° 0, 100 3,16 10*" 0,70 СН2+Н=СН+Н 101 СНз+Н2О=СНзО+ОН 1,58 10*'^ -0, 0,00 0 1,61 10*'" 102 3,98 10*'^ -0, 0,00 0 2,86 10*'" СНз+ОН=СН2О+Н 2,00 10*" 9059 -0,07 - 103 0,00 3,92 10*'^ СН4+НО2=СНз+Н2О 1,00 10*'^ 104 4026 -0, 0,00 5,64 10*" СН2О+НО2=СНО+Н2О 2,00 10*'^ 105 HN0+N0=0H+N20 0,00 13085 6,87 10*'" -0,40 2516 0, 106 1,00 10*" 0,00 7,16 10*" HN0+N=0H+N 0, 107 HN0+0H=H20+N0 3,16 10*" 0,00 0 1,02 10*'^ 108 OH+N+M=HNO+M 1,00 10*'^ -0,50 0 8,13 1 0 * " -0,97 5,62 10*"^ 109 0,00 45045 4,29 10*"* 1,06 - С2Нб=СНз+СНз ПО 1,00 10*'^ 0,00 410 0,00 3,60 10*'° С2Нб=Н+С2Нз 111 4,00 4177 3,34 10-- 4,21 5,01 10-' С2Нб+СНз=С2Н5+СН 112 3,50 2617 4,07 5,01 10*^ 1,05 10-' С2Нб+Н=С2Н5+Н 113 С2Нб+ОН=С2Н5+Н2О 6,31 10*'3 0,00 1208 8,49 10*'° 0, 114 С2Нб+О=С2Н5+ОН 2,51 10*" 0,00 3221 2,74 10*'' 0, 115 С2Н5=С2Н4+Н 0,00 19124 4,33 10*'^ 0,06 - 3,98 10*" 116 С2Н5+О2=С2Н4+НО2 0,00 2516 5,51 10*'^ -0, 1,00 10*'^ 117 С2Н5+С2Нз=С2Н4+С2Н4 0,00 -0, 3,16 10*'^ 17916 8,26 10*^° 118 С2Н4+О=СНз+СНО 0,00 554 1,63 10**^ 0,59 1,00 10*" 119 С2Н4+М=С2Нз+Н+М 0,00 49421 1,66 10*'" 0, 3,98 10*'' - 120 С2Н4+Н=С2Нз+Н2 0,00 7,20 10*" 0, 7,00 10*'^ 7300 121 С2Н4+ОН-С2НЗ+Н2О 0,00 0, 1,00 10*"* 1761 6,61 10*" 3,24 10**^ 0, 122 2,51 10*" 0,00 2516 С2Н4+О=СН2О+СН -0, 123 С2Нз+М=С2Н2+Н+М 3,16 10*'^ 0,00 20382 1,95 10*" - 124 С2Н2+М=С2Н+Н+М 1,00 10*'^ 0,00 57373 1,52 10*" 0,33 - С2Н2+О2=СНО+СНО 0, 125 3,98 10*'^ 0,00 14092 1,85 Ю*** 0,00 9562 0, 126 2,00 10*'^ 7,50 10*" - С2Н2+Н=С2Н+Н ]7родо 4?treHue таблицы 2. i V о т г 1± i Коэффициенты для Коэффициенты для прямых реакций обратных реакций Реакции № п А Е А Е П 6,31 10*'-' 127 С2Н2+ОН=С2Н+Н2О 0,00 1,5210*" 3523 0, 3,16 10*'^ -0, 128 С2Н2+О=С2Н+ОН 8556 4,7Э 10*'^ -0,24 - 0, 129 С2Н2+О=СН2+СО 6,31 10*" 2013 1,35 10*'' 1,10 С2Н+О2=СНО+СО 1,00 10*'^ 0, 130 3523 3,55 10*"' 0,75 131 С2Н+0=С0+СН 5,01 10*'^ 0,00 9,33 10*'° 0,79 1,00 10*'^ 132 0,00 25667 4,30 10*" 0,33 С2Нб+О2=С2Н5+НО 4,90 10*^ 0,00 0, 133 33 6,00 10*^ Н2О2+С2Н5=НО2+С2Нб 1,50 10*'' 134 0,00 0 1,00 10*'^ 0 НО2+С2Н2=С2НзО CH2+CN=CH+HCN 3,16 10*'^ 0, 135 2516 1,70 10*"* -0,39 CH+NH=HCN+H 0,00 1,04 10*'^ 136 1,00 10*'^ 2516 -0,53 CH2+N=CH+NH 6,31 10*" 0,67 20382 3,53 10*'° 137 0,78 0, 138 1,00 10*" 0 2,10 10*'° 0, HO2+N=NH+O2 1,00 10*'^ 0, CH+HNO=CHO+NH 2516 3,13 10*'^ 139 0,12 0,50 140 CH+HN0=CH2+N0 6,31 10*" 2,65 10*" 0,60 141 0, 1,00 10*" 3523 1,73 10*'° 0, HN0+0=NH+02 0, 142 NH+O=OH+N 3,16 10*" 4026 3,98 10*" 0,56 0, CH+N=CN+H 1,00 10*'^ 2516 1,11 10*"* -0, 143 CH+NO=HCN+O 2,00 10*'^ 0,00 0 -0, 144 8,89 Ю*"* 1,58 10*'^ -0,00 2,10 10*'" 145 CH+NO=CHO+N 5033 -0, 1,00 10*'^ -0,50 0 1,02 10*'^ 146 NH+O+M=HNO+M -0,91 0,00 5560 147 CH+N2=HCN+N 8,00 10*" 1,47 10*"* -0, 148 CH+N2=CN+NH 3,16 10*''^ 0,00 6,22 10*'^ 46301 0,07 CN+H+M=HCN+M 3,16 10*'^ -0, 149 0 3,07 10*'^ -1,03 150 CH20+CN=HCN+CH0 1,26 10*" 0,70 1510 4,52 10*" 0, 151 0,70 1,00 10*" 1510 7,85 10*" 0, CH3+CN=HCN+CH 152 1,00 10*" 0,50 1510 8,83 10*^ 1,04 NH+N2O=HNO+N 0, 153 CH4+CN=HCN+CH3 3,16 10*" 0,70 2516 2,02 10*'^ 154 CHO+CN=HCN+CO 2,00 10*" 0,50 2,06 10*'^ 0, 155 NH+N02=HN0+N0 2,0010*" 0,50 2516 2,20 10*'° 0,66 CN+H2=HCN+H 3,16 10*'^ 156 0,00 2516 1,?4 10*'^ -0,59 157 CH2+N2=HCN+NH 1,00 10*"* 35229 -0,32 0,00 1,03 10*'^ 2,90 W 158 HCN+0H=CN+H20 - 2,00 10*" 0,60 2516 1, 159 CN+NH=HCN+N 1,00 10*" 0,50 1007 9,38 10*'^ 0,00 160 CN+bINO=HCN+NO 3,98 10*" 0,50 0, 0 8,79 10*'^ 161 CHO+N=HCN+O 1,00 10*'^ 0,00 -0, 0 3,36 10*'^ 162 CN+OH=HCN+O 3,16 10*'^ 0,00 -0, 1510 2,36 10*'^ HNO+N=NH+NO 1,00 10*" 0,50 0, 163 1007 2,36 10*" 13680.

164 1,00 10*'^ 0,00 2,61 10*'^ CH0+NH=CH20+N 2516 -0,16 CH0+HN0=CH20+N0 3,16 10*" 0,50 1,94 10*'^ 0 0,55 166 CHO+N=CO+NH 2,00 10*" 0,50 1007 2,19 10*'° 0,81 9,29 10*" CHO+NO=CO+HNO 2,00 10*" 0,50 1007 0,58 CH2+NH=CH3+N 1,19 10*'^ 168 1,00 10*'^ 0,00 2516 -0,19 NH+0H=H20+N 6,84 10*'^ 169 5,01 10*" 0,50 1007 0, Окончание таблицы 2. Коэффициенты для Коэффициенты для прямых реакций обратных реакций Реакции № Е п А А Е П 170 CH2+HNO=CH3+NO 0,50 0 1,77 10*'^ 0,52 6,31 10^" 171 CH2+NO=CH2O+N 1,58 Ю"""^ 0.00 3523 3,08 10*"* -0,15 172 1,00 10**^ 1,35 10*'^ 0,00 0 -0,01 NH+NH=H2+N 173 7,94 10^'^ 0,00 7594 8,91 10*^ 0,99 H+N2O=OH+N 174 1,00 10^'^ 5,75 10*" CH3O+N=CH2O+NH 0,00 0 0,31 175 HN0+N=H+N20 1510 3,20 10*'^ -0,13 5,01 10^"^ 0, 176 CH3+NH=CH4+N 1,00 10""'^ 2516 1,47 10*'^ -0,02 0, 177 CH3O+NH=CH3+HNO 1,00 10^'^ 2516 1,51 10*'^ 0,04 0, 178 CH3+HNO=CH4+NO 1,73 10*'^ 5,01 10^" 0,50 0 0,70 179 CH3O+N=CH3+NO 1,00 Ю""'^ 2516 3,54 10*'° 0,27 0, 180 7,35 10*'2 0,11 CH3+NO2=CH3O+NO 1,00 10^'^ 0,00 181 0,00 0 2,34 10*' 3,16 Ю""" 0,13 CN+NO=CO+N 182 0 3,94 10*'^ CN+O=CO+N 1,28 Ю""'^ 0,00 0,06 183 0 1,32 10*" CN+02=C0+N0 3,16 Ш""" 0,00 0,11 184 C0+HN0=C02+NH 3523 3,02 10*'^ 0, 1,00 10^" 0,50 185 2,00 Ю""" 0,50 1, C02+N=C0+N0 1,55 10*' 186 CO+NO2=CO2+NO 0,00 6,65 10*'^ 2,00 10^'^ -0,29 187 0,00 2,67 10*" 0, 1,00 10*" 10065 CO+N2O=CO2+N 188 H+NH=H2+N 0, 6,31 10*" 0,50 1,51 10*'^ 189 H+bINO=NH+OH 0,50 0,95 - 2,00 10*" 2,54 10*^ 190 1,00 10*'^ 0,00 0, H+HN0=H2+N0 1258 5,65 10*" 1,00 10*" 1,74 10*" 191 H+HN0=H20+N 0,00 2516 0,49 2,5М0*'^ 192 H+N+M=NH+M -0, -0,50 2,59-10*'^ 6,ЗМ0*" 193 NH+O=H+NO 0, 0,50 1,47-10*'^ 5,0М0*'^ 194 H+NO+M=HNO+M -0, 0,00 -302 2,20-10*" 195 OH+N=H+NO 0,50 0 0, 1,17-10*'^ 6,31-10*" 5,0М0*'° 196 HN0+0=H+N02 0,50 0 0,17 1,06-10*'^ 197 H+N02=0H+N0 0,00 755 0,61 3,16-10**'' 4,44-10*'° 198 NH+N=H+N2 0,50 0 0,41 6,ЗМ0*" 3,56-10*'^ 199 H+N20=NH+N0 0,50 1,35 - 1,00-10*" 3,68-10*' Символ М, встречающийся в реакциях, используется для обозначения условного вещества, концентрация которого остается неизменной. Если раз мерности концентраций веществ выражаются в [моль/моль CMQCV(\, ТО М = 1.

А — предэкспоненциальный множитель, п — показатель степени, Е — энергия активации, R - универсальная газовая постоянная. Данные парамет ры используются для определения констант скоростей химических реакций по уравнению Аррениуса:

-^). (2.1) RxT Далее для каждого вещества рассчитывается скорость изменения его концентрации. Так, например, при рассмотрении бимолекулярной реакции вида:

A + B = C + D, (2.2) скорость изменения концентраций веществ А, В, С и D описывается кинетическим уравнением:

с С -к С С ^ ^ t.

,, 1 *^ ах ах ах ах где Сд, Св, Сс, Со - мольные доли соответствующих веществ;

к+ и к_ константы скорости прямой и обратной реакций.

Тогда материальный баланс веществ, участвующих в химических реак циях, описывается системой уравнений:

"^ p • :,CjC|, "'p^r' dx + k Г Г l...±k, (2.4) dx dC33_ +k,C,C' +k Г ГI +к с С где Cj, Ck,... C^ - мольные доли соответствующих веществ;

х - время;

к,=0, если компонент не участвует в i- ой реакции.

Количество уравнений в системе соответствует количеству веществ, участвующих в химическом процессе, количество слагаемых в правой части каждого уравнения соответствует количеству реакций, в которых участвует данное вещество, умноженное на два (для учета прямой и обратной реакции).

Численное решение системы дифференциальных уравнений осуществ лялось методом Гира переменного порядка точности [111], в котором при изменении шага расчета происходит автоматический выбор порядка точно сти путем изменения количества слагаемых в аппроксимирующем полиноме.

Благодаря гибкости алгоритма данного метода удается значительно сокра тить расчетное время: с нескольких часов (при использовании метода Эйле ра) до нескольких секунд.

Схема 2 — «термическая», основанная на «термической» теории Зель довича. Методика проведения расчетов образования N 0 с использованием данной кинетической схемы для условий камеры сгорания ДВС была разра ботана проф. Звоновым В.А. В ней вычисления NO производятся по реакци ям «термического» механизма 1.3-1.5:

O+N2=NO+N, (1.3) N+O2=NO+O, (1.4) N+OH=NO+H (1.5) при условии равновесия элементов О, ОН и N, концентрации которых в про дуктах сгорания определяются из условия равновесия 18 компонентов: СН4, С, СО, С02, Н, Н2, Н2О, О, О2, Оз, ОН, N2, N, N0, NO2, ЫНз, HNO3, HCN. В условиях двигателя, когда параметры ар, Тпс и Р постоянно изменяются, равновесные концентрации вычисляются на каждом шаге расчета.

Справедливость данного подхода оправдана тем, что скорость сгорания углеводородных топлив значительно больше скорости окисления кислородом атмосферного азота в зоне продуктов сгорания.

При проведении расчетов NO с использованием двух кинетических схем образование «топливных» N 0 не учитывалось, поскольку, как было по казано ранее, концентрацией азотсодержащих элементов в метане и во всех рассматриваемых в работе топливах можно пренебречь.

2.1.2. Результаты расчетов Пример результатов расчета процесса сгорания метана и образования NO, выполненного по схеме 1 (ДКМ), представлен на рис. 2.1 и 2.2 (аг=1, Т=2600К,Р=10МПа).

Треугольниками на графиках обозначены равновесные концентрации соответствующих элементов, определенные из условия равновесия 18 ком понентов при тех же условиях ар, Т и Р.

H2O • I CO a, '^ к • I I 100 — 1' —CH 1.E.08 l.E-07 l.E-06 l.E-05 l.E-04 l.E-03 l.E- T,C Puc. 2.1. Зависимость концентраций исходных веществ и продуктов сгорания от времени о.

Си _— _ —^ =x^— се / 100 I / 10 1.Е-08 1.Е-07 1.Е-06 1.Е-05 1.Е-04 1.Е-03 1.Е- t, С Рис. 2.2. Зависимость концентраций N0, О и ОН от времени Совпадение значений равновесных концентраций NO и остальных компонентов продуктов сгорания (СОг, НгО, Ог, СО, ОН и т.д.) является под тверждением правильности расчетов, выполненных по схеме 1 (ДКМ).

На рисГ 2.3 представлено сопоставление результатов расчетов, выпол ненных по схемам 1 (ДКМ) и 2 («термический» механизм) при неизменных по времени значениях ар, Т и Р.

0, NO, ppm 400 • • •••!

200, m 0 I T ••• •-*—' O.E+00 l.E-03 2.E-03 3.E-03 4.I-- NO, ppm 7000 5000 / ^^F== • Ш L - —= O.E+00 l.E-03 3.E-03 4.i:- 2.E- T, С NO, ppm 14000 !

• 1 "• O.E+00 l.E-03 2.E-03 3.E-03 4.E- T, с Puc. 2.3. Сопоставление результатов расчетов, выполненных с использованием кинетических схем:

1(ДКМ);

— - 2 («термический» механизм).

Необходимо сразу указать, что расчеты выявили слабую зависимость процесса образования NO от давления в выбранном интервале Р=6^10 МПа, поэтому на графиках она не представлена. Нужно лишь отметить, что с рос том Р равновесная концентрация NOPABH немного уменьшается, а время, не обходимое для ее достижения, сокращается.

Уменьшение NOPABH С ростом Р объясняется уменьшением Орлвн- Со гласно принципу Ле Шателье в случае увеличения Р равновесие химических реакций смещается в сторону образования более крупных молекул СОг, НгО.

Таким образом Ордвн и NPABH уменьшаются. Давление также влияет на ско рость химических процессов, что связано с увеличением вероятности столк новения молекул.

Существенное расхождение результатов расчетов N 0 по схемам (ДКМ) и 2 («термический» механизм) наблюдается на начальном участке времени при сгорании обогащенной метановоздушной смеси. При увеличе нии аг и Т этот участок уменьшается.

Если принимать во внимание только «термический» механизм Зельдо вича (реакции 1.3-1.5), используемый в обоих методах, а вкладами других ре акций ДКМ в образование NO пренебречь, то расхождение в начале расчета можно было бы объяснить различием концентраций атомарного кислорода и гидроксила, поскольку в период активного горения при т1 мкс (ф0,01 ° при п=1000 мин"') они превосходят равновесные концентрации на 1^2 поряд - ка.

Для проверки этого предположения была создана программа, в которой при расчете образования NO по схеме 2 («термический» механизм), вместо ОрАвн и ОНрАвн использовались текущие значения О к ОН, полученные при расчетах по схеме 1 (ДКМ).

В табл. 2.2 представлено сопоставление результатов расчетов при аг= и Р=10 МПа на момент времени т«1 мкс, когда концентрации основных уча стников процесса горения (О, ОН, Н) приближаются к равновесным значени ям.

Видно, что различие О и ОН на начальном участке расчета не объясня ет расхождение результатов N 0, определенных по схемам 1 и 2. Следова тельно, реакций 1.3-1.5 механизма Зельдовича недостаточно для описания возникновения «ранних» NO и необходимо рассматривать остальные реак ции образования NO, входящие в ДКМ.

Таблица 2. Результаты расчетов концентраций О и NO, выраженные в ррт, при аг=1, Р=10 МПа и т»1 мкс (ф0,01 ^пкв при п=1000 мин'') т,к 2400 3000 ^тах 36 130 ОрАВН 180 •'^^-'схема 0,0 5, NOcxcMa 4,0 23 N O схема Где NOcxeMa 1 — концентрация N 0, рассчитанная по схеме 1 (ДКМ);

2 " концентрация N 0, рассчитанная по схеме 2 («термиче ский» механизм);

2 " концентрация N 0, рассчитанная по схеме 2, где вместо ОрАвн и ОНрАви использовались т:гкущие значения О и ОН, полученные при расчетах по схеме 1.

С этой целью на печать выводились значения вкладов каждой реакции ДКМ в процесс изменения концентраций реагирующих веществ. Данные по зволили выявить пути образования N 0 и распределить все реакции, участ вующие в данном процессе, по трем механизмам:

1) механизм 1 -«термический»;

2) механизм 2 - «быстрый», с участием углеводородных радикалов;

3) механизм 3 - «N2O», с промежуточным образованием N2O.

Ведущую роль в механизме 1 играют реакции 1.3 и 1.4, которые хоро шо известны и изучены к настоящему времени.

Механизм 2 определяется реакцией 1.6: CH+N2=HCN+N.

в условиях сверхравновесных концентраций ОН образовавшийся N превращается в N 0 по реакции 1.5: N+OH=NO+H. А HCN переходит в NO с некоторой задержкой по схеме:

HCN - CN - * NH -^ HNO - * NO.

Механизм «N2O» состоит из четырех реакций с участием N2:

(1.15) (1.17) (2.5) (2.6) Далее N2O переходит либо непосредственно в N 0 по реакции 1.16:

N2O+O=NO+NO, но значение этой реакции мало, либо в NO2:

(2.7) (2.8) (2.9) Затем NO2 превращается в NO по реакциям:

HO2+NO=OH+NO2, (2.10) H+NO2=OH+NO, (2.11) NO2+O=NO+O2, (2.12) NO2+M=NO+O+M. (2.13) Расчеты показали, что в рассматриваемых условиях около 90% образо вавшегося N2O превращается обратно в N2, что еще раз подтверждает сде ланное ранее предположение о невысокой значимости данного механизма.

Чтобы это проверить схема.2 («термический» механизм) была допол нена соответствующими реакциями механизма «N2O»: 1.15-1.17, 2.5-2.13.

По результатам проведенных расчетов был сделан вывод, что добавле ние данного механизма немного ускоряет процесс образования NO только при ar^l и Т2500 К, причем его значимость увеличивается с ростом ар и уменьшением Т. Пример расчета представлен на рис. 2.4 (аг=1,2, Т=2400 К, Р=10МПа).

NO, ppm О.Е+ОО 2.Е-06 4.Е-06 6,Е-06 8.Е-06 1.Е- о З.Е- 2.Е-03 4.Е- О.Е+ОО LE- т, с Рис. 2.4. Сопоставление результатов расчетов при Р=10 МПа:

- схема 1 (ДКМ);

-• схема 2 («термический» механизм);

-• схема 2 с добавлением механизма «N2O».

На рисунке хорошо видно, что в отличие от «быстрого» механизма, действие механизма «N2O» начинает проявляться значительно позже (т»10 мкс), из чего можно сделать вывод об отсутствии прямой связи между процессом горения и образованием N 0 по этому механизму.

По результатам сделанного анализа можно заключить, что при прове дении расчетов N0 по кинетической схеме 1 (ДКМ) в условиях, характерных для КС дизеля:

- образование N0 по «быстрому» механизму происходит на доста точно коротком участке времени т10-5-50 мкс (фя»0,3 ^'пкв при п=1000мин'');

- учет сверхравновесных концентраций О и ОН оказывает слабое влияние на конечный результат расчетов NO по «термическому»

механизму;

— вклад механизма «N2O» является несущее гвенным, поэтому в дальнейшем он не выделялся отдельно.

Таким образом, основной причиной расхождения результатов расчетов NO по схемам 1 (ДКМ) и 2 («термический» механизм) на начальном участке времени является образование NO по «быстрому» механизму. Поэтому в дальнейшем их количество определялось как разность:

(2.14) «Быстрые» NO=NOcxeMa 1 -N0cxeMa Результаты расчетов концентраций «быстрых» NO, проведенные при неизменных во времени условиях (ар, Т, Р) были обобщены и представлены на графиках 2.5, 2.6 в виде линий уровня на координатной сетке Т-т.

\v v Oppm 2600 о V СП о ОЕ-01 1Е-03 2Е-03 ЗЕ- Т, С Рис. 2.5. Зависимость выхода «быстрых» NO от Т и т при аг=0, W " V 3E- lE-03 2E- OE- X,C Puc. 2.6. Зависимость выхода «быстрых» NO от Т и т при аг—1, Поскольку образование «быстрых» N 0 происходит на очень коротком отрезке времени х50 мкс (ф«0,3 VKB при п=1000 мин''), то также была по строена зависимость концентрации «быстрых» N 0 от ар и Т для этого мо мента времени (рис. 2.7).

3' 1О 09 11 «Г Рис. 2.7. Зависимость выхода «быстрых» NO от аг и Т при т«50 мкс Видно, что с ростом аг и уменьшением Т количество «быстрых» N уменьшается.

Скорость образования «быстрых» NO определяется концентрацией ра дикалов СН, которая помимо состава топлива, зависит также от коэффициен та избытка воздуха и температуры (см. рис. 2.8).

. Рис. 2.8. Максимальные значения концентраций радикалов СН при различных условиях.

На рис. 2.9 представлена зависимость времени существования радика лов СН от температуры и ар.

— - - ^ ^ —-—--.

—-—^ •.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.