Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 11
1.1 Токсичные компоненты отработавших газов дизелей 11
1.2 Нормирование выбросов вредных веществ дизелей 15
1.3 Методы снижения токсичности дизелей 21
1.4 Механизмы образования оксидов азота 25
1.5 Методы расчета образования NO в дизелях 29
1.6 Цель и задачи исследования 35
ГЛАВА 2. Разработка математической модели расчета образования NO в дизеле 37
2.1 Исследование механизмов образования NO 37
2.1.1 Методика проведения численных экспериментов 37
2.1.2 Результаты расчетов 44
2.2 Построение детального кинетического механизма, описывающего образование «быстрых» NO при сгорании сложных углеводородных топлив 54
2.2.1 Детальный кинетический механизм образования NO при сгорании дизельного топлива 55
2.2.2 Детальный кинетический механизм образования NO при сгорании диметилового эфира 58
2.3 Математическая модель процесса сгорания и образования NO в дизеле 61
2.4 Проверка адекватности математической модели и анализ полученных результатов 66
2.5 Выводы по второй главе 73
ГЛАВА 3. Экспериментальное оборудование, методика обработки экспериментальных данных и анализ погрешностей измерений 75
3.1 Испытательный стенд и его метрологическое обеспечение 76
3.2 Методика обработки экспериментальных данных 79
3.3 Анализ факторов эксперимента, влияющих на точность расчетов N0 по двухзонной математической модели 80
3.4 Выводы по третьей главе : 87
ГЛАВА 4. Оценка роли «быстрых» N0 в образовании оксидов азота для перспективных рабочих процессов дизелей 88
4.1 Образование N0 при использовании альтернативных топлив ...:. 88
4.1.1 Сопоставление показателей сгорания дизельного топлива, диметилового эфира и метана, влияющих на образование NO 90
4.1.2 Параметры рабочего процесса и образование NO при использовании дизельного топлива, диметилового эфира и метана 94
4.2 Образование NO при сгорании обедненной гомогенной топливовоздушной смеси 101
4.3 Выводы по четвертой главе 105
Основные результаты работы и выводы 107
Список литературы
- Токсичные компоненты отработавших газов дизелей
- Построение детального кинетического механизма, описывающего образование «быстрых» NO при сгорании сложных углеводородных топлив
- Испытательный стенд и его метрологическое обеспечение
- Образование N0 при использовании альтернативных топлив
Введение к работе
Автомобильный транспорт "вносит существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна. Значительная доля выбросов вредных веществ приходится на транспорт, оборудованный дизелями. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям дизель еще долго будет оставаться основным силовым агрегатом для коммерческого автотранспорта, а доля легковых автомобилей с дизелями будет увеличиваться. Поэтому работы по улучшению экологических характеристик дизелей являются актуальными.
В Российской Федерации нормы выбросов вредных веществ и сроки их введения для автомобильной техники устанавливаются Специальным техническим регламентом «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ». В соответствии с данным документом определяются максимально допустимые выбросы следующих составляющих отработавших газов: оксидов углерода (СО), углеводородов (CmHn), 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 необходимо искать пути по снижению образования оксидов азота в камере сгорания.
Для уменьшения образования NOx в цилиндре двигателя проводят мероприятия, направленные на снижение максимальной температуры продуктов сгорания, так как основная их масса формируется по «термическому» механизму 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 необходимо оценить значимость этих механизмов.
Это определяет актуальность исследований, выполненных в данной работе.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование механизмов образования оксидов азота в камере сгорания дизеля.
Для достижения поставленной цели необходимо:
провести анализ механизмов образования оксидов азота в условиях, 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 NO в дизеле;
провести расчетные исследования возможных направлений уменьшения образования NO в перспективных дизелях, где роль «быстрого» и «N20» механизмов может быть значительной.
Методы исследования. Методология моделирования процесса образования оксидов азота при сгорании топлива в цилиндре дизеля представляет собой сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований была разработана математическая модель образования оксидов азота в цилиндре дизеля, базирующаяся на уравнениях термодинамики и основных положениях химической кинетики. Для проверки адекватности разработанной модели проводились экспериментальные исследования дизеля, установленного на стенде.
Научную новизну составляют;
Результаты анализа механизмов образования оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля;
Количественная оценка образования N0 по «быстрому» механизму в камере сгорания дизеля;
Методика составления детального кинетического механизма горения сложного углеводорода для описания кинетики образования «быстрых» N0, которая может быть использована для моделирования образования N0 при сгорании как традиционного, так и альтернативного топлива;
Математическая модель для расчета образования оксидов азота в дизеле с учетом «термического» и «быстрого» механизмов, позволяющая исследовать перспективные рабочие процессы, например, при высоком уровне рециркуляции отработавших газов, при гомогенном смесеобразовании и сгорании в дизелях, а также при использовании альтернативных топлив;
Результаты анализа факторов эксперимента, влияющих на точность расчетов N0 при оценке адекватности двухзонной математической модели;
Расчетные исследования направлений уменьшения образования NO в перспективных дизелях.
Практическая ценность. Разработанная математическая модель расчета 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 значение использование разработанной модели имеет при проведении поисковых исследований, направленных на снижение образования оксидов азота в перспективных дизелях, где сгорание топлива происходит при низких температурах, например, в дизелях с организацией гомогенного смесеобразования и сгорания или в дизелях, работающих на альтернативных топливах.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на:
Научно-технической конференции «2-е Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса», 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 «Автомобиль и окружающая среда», НИЦИАМТ, 2005 г., Дмитров;
3-ем Международном автомобильном научном форуме (МАНФ), НАМИ, 2005 г., Москва.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
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 наименований.
Автор выражает свою глубокую признательность сотрудникам ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ" за оказанную помощь в работе. И в особенности научному руководителю - доктору технических наук, профессору Василию Алексеевичу Звонову, за постоянное внимание и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Токсичные компоненты отработавших газов дизелей
Более 99% по объему отработавших газов дизелей составляют продукты полного сгорания топлива (С02 и Н20) и избыточный воздух [95]. Эти вещества нетоксичны. Остальные 0,02...1% объема отработавших газов приходятся 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 веществ, 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 (СтН„), оксиды азота (NOx) и дисперсные частицы [3, 19, 25].
В последнее время возрастает внимание к проблеме снижения выбросов 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 С02) эмиссии газов с непосредственным парниковым эффектом, подпадающих под действие Рамочной Конвенции ООН об изменении климата, составляет около 80%. Поэтому при совершенствовании экологических характеристик 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 С02. Анализ опытных и рас-. четных данных показал, что концентрация СО в ОГ соответствует ее равновесной концентрации при заданном составе смеси и температуре в зоне продуктов сгорания Т=1600-1700 К [35]. Это объясняет наличие СО в ОГ дизелей, работающих при значениях коэффициента избытка воздуха значительно больших единицы.
Моноксид углерода воздействует на нервную систему, вызывает обмороки. Сущность его действия заключается в более высокой, чем у кислорода, способности присоединяться к гемоглобину крови. При этом образуется устойчивое соединение — карбоксигемоглобин (СОГб), который затрудняет процессы газообмена в клетках и приводит к кислородному голоданию. Вдыхание 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 условиями сгорания и особенностями состава топлива. Они образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количеств кислорода, 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 водородом, не являющиеся ароматическими соединениями.
Наибольшую опасность для организма человека представляют тяжелые углеводородные соединения канцерогенной группы - полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) [102], к которым относятся 1,2-бензатрацен (Сі8Н12), 1,2,3,4-дибензпирен, коронен (С24Н12) и другие, особенно 3,4-бенз(а)пирен, являющийся своеобразным индикатором присутствия в отработавших газах других канцерогенов. В организме человека ПАУ стимулируют образование злокачественных опухолей.
Помимо этого, углеводороды вместе с оксидами азота участвуют в образовании смогов. Оксиды азота
Большую часть NOx составляет моноксид азота (N0). В зависимости от процессов, приводящих к его образованию, различают следующие виды N0: «термические», «топливные», «быстрые» и N0, образующиеся по механизму «N20».
К «термическим» N0 относят оксиды азота, образующиеся в зоне продуктов сгорания по механизму Б.Я. Зельдовича. «Топливные» N0 образуются в процессе горения вследствие частичного окисления азотсодержащих соединений топлива до NO. «Быстрые» NO образуются непосредственно в зоне горения углеводородных топлив в результате связывания молекул азота радикалами СН и СНг- По механизму «N2O» оксиды азота образуются через промежуточное формирование закиси азота N20.
Многочисленные экспериментальные и расчетные работы [30, 32, 94] показывают, что основное формирование оксидов азота в КС ДВС происходит по «термическому» механизму Зельдовича. Однако последовательное снижение выбросов N0, наблюдаемое в последние годы, может привести к повышению вклада остальных механизмов образования N0, поскольку воздействие температуры на них может быть не столь значимым. Для оценки роли всех перечисленных механизмов образования NO в условиях КС современного и перспективного дизеля необходимы дополнительные исследования.
Оксиды азота сохраняются в атмосфере в течение 3.. .4 дней и являются исходными продуктами фотохимических реакций, приводящих к образованию 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 Смох=ЮО ррт (0,01%) в течение 30 минут.
Построение детального кинетического механизма, описывающего образование «быстрых» NO при сгорании сложных углеводородных топлив
Анализ образования «быстрых» NO при сгорании моторных топлив, содержащих сложные углеводороды, представляет существенные затруднения ввиду отсутствия детального кинетического механизма, достоверно описывающего процесс их сгорания. Для решения этой задачи необходимо, во-первых, выбрать молекулярную формулу углеводорода, так как состав моторного топлива, как правило, является неоднородным, а, во-вторых, составить кинетическую схему сгорания.
В настоящее время при моделировании процесса сгорания сложных углеводородов общепринятыми являются следующие положения о двухэтап-ном процессе сгорания [27, 157]:
1) на первом этапе сгорания происходит очень быстрый распад молекулы сложного углеводорода на радикалы и молекулы, число атомов углерода в которых не превышает одного-двух. Значения энергий связи между атомами углерода в молекуле топлива различаются слабо, поэтому их можно принять одинаковыми;
2) скорость сгорания на втором этапе определяется, главным образом, количеством метиловых (СН3) и этиловых (СгН5) радикалов, образовавшихся из молекулы топлива, поскольку: разложение С2Н5 приводит к образованию Н: С2Н5+М=С2Н4+Н+М , (2.15) что ускоряет процесс горения; радикал СН3, в отличие от остальных углеводородных радикалов, не распадается на более мелкие радикалы и свободные атомы водорода, а, на против, преимущественно реагирует по реакции: СНз+СН3=С2Нб, (2.16) что приводит к уменьшению числа радикалов и замедлению процесса горения.
Для упрощения описания первого этапа сгоранил в расчетные схемы вводят формальные брутто-реакции, которые редуцируют высшие углеводороды и их производные до более мелких молекул и радикалов. Процесс дальнейшего взаимодействия сформировавшихся углеводородных радикалов описывается при помощи детального кинетического механизма сгорания метана.
Молекулярную формулу углеводорода для расчета сгорания ДТ, как правило, выбирают из предельных углеводородов (алканов) с молекулярной массой и соотношением масс углерода и водорода в молекуле наиболее близкой к ДТ. Этим условиям удовлетворяет СнНзо - тетрадекан [10]. Для анализа были выбраны три возможных варианта первоначального распада молекулы С14Н30 (см. табл. 2.3): Вариант 1 был взят из работы [10]; Вариант 2 - пример быстрого распада СнНзо с образованием большого количества радикалов С2Н5 и Н; Вариант 3 - пример медленного распада СнНзо с образованием большого количества радикалов СН3. Пример расчета сгорания гомогенной смеси воздуха и С14Н30 при постоянных условиях (аг=1, Т=2600 К, Р=10 МПа) по варианту 1 представлен нарис. 2.10.
Видно, что образование оксидов азота начинается после полного исчезновения молекул тетрадекана С14Н30, поэтому можно предположить слабую взаимосвязь между образованием «быстрых» NO и характером распада молекулы СнНзо. Для ее оценки были произведены расчеты образования NO по ДКМ горения СІ4Нзо, в котором варианты первичного распада молекулы топлива приведены в таблице 2.3. Пример расчета представлен на рис. 2.11 ( хг=1, Т=2600 К, Р=10 МПа).
Испытательный стенд и его метрологическое обеспечение
Для получения экспериментальных данных, необходимых для идентификации математической модели процесса сгорания и образования NO, автором были проведены опытные исследования на одноцилиндровой установке дизеля 1ЧН 12/13 в лаборатории кафедры двигателей МАДИ (ГТУ). Основные характеристики дизеля представлены в таблице 3.1.
Дизель был укомплектован экспериментальной топливоподающей аппаратурой разделенного типа (см. табл. 3.2).
В работе также использовались данные, полученные в отделе дизельных двигателей ГНЦ «НАМИ» при исследовании рабочего процесса дизеля 6ЧН 13/14 и одноцилиндровой установки 14 12/12, работающей на традиционном дизельном топливе и на диметиловом эфире.
Схема экспериментальной установки с одноцилиндровым отсеком дизеля 1ЧН12/13 показана на рис. 3.1. Коленчатый вал двигателя 1 через упругую втулочно-пальцевую муфту 2 связан с ротором электрической балансир-ной машины 3, включенной в электрическую сеть по схеме Леонардо. С помощью этой машины осуществлялось торможение и прокручивание дизеля. Для определения нагрузки и момента прокручивания балансирная машина была связана с весовым устройством 5.
Избыточное давление воздуха во впускной системе создавалось компрессором 7 ротационного типа с автономным приводом от электродвигателя 6. Компрессор был оборудован холодильником 8 и электроподогревателем 15 мощностью 27 кВт, которые позволяли обеспечивать температуру воздуха перед впускными органами в пределах от 20 до 180 С. После компрессора воздух проходил очистку во влагомаслоотделителе 9. Регулирование величины давления воздуха после компрессора осуществлялось дистанционно с пульта управления регулятором 13 с точностью 2 кПа. Во впускной системе были установлены два ресивера: 10 (объемом 1 м3), расположенный после влагомаслоотделителя, и 11 (объемом 0,3 м3) - непосредственно перед двигателем. Заданный температурный уровень наддувочного воздуха поддерживался включением нужного числа ступеней электронагревателя 15, которое осуществлялось автоматически или вручную. Точность регулирования составляла ±1 С.
Для приближенной имитации системы изобарного газотурбинного над-дува в выпускной системе был установлен ресивер 12 (объемом 0,064 м ). Имитация сопротивления газовой турбины осуществлялась двухступенчатым дросселем 16.
При испытаниях производились измерения: частоты вращения, крутящего момента, температуры охлаждающей жидкости (вход, выход), температуры и давления в системе смазки, температуры и давления окружающей среды, температуры и давления воздуха на впуске и отработавших газов на выпуске из двигателя, расхода топлива и воздуха. Концентрация NOx измерялась прибором Инфралайт 11П.
Для получения индикаторных давлений в камере сгорания был установлен пьезодатчик фирмы AVL типа 12QP505clk". Угловые метки задавались датчиком с дискретностью 0,1 пкв.
В «НАМИ» для измерения концентраций NOx в отработавших газах дизелей 6ЧН 13/14 и 14 12/12 отбираемая проба пропускалась через холодильник, где происходило вымораживание паров воды. За холодильником был ус тановлен конвертор, который осуществлял преобразование NO2 в N0. Измерение концентрации N0 в сухих продуктах сгорания производилось хеми-люминесцентным газоанализатором Beckman 95IE.
Испытания проводились, главным образом, при работе дизеля по нагрузочным характеристикам на частотах максимального момента и номинальной мощности, что соответствует наиболее значимым режимам в 13-ти ступенчатом цикле, используемом при оценке токсичности дизелей.
Для обработки полученных индикаторных диаграмм давлений в цилиндре дизеля была составлена вычислительная программа, основанная на двухзонной математической модели процесса сгорания (ее подробное описание было представлено в главе 2). Поэтому при расчете характеристик тепловыделения х((р) в тепловом балансе учитывались потери тепла на диссоциацию. Кроме того, в программу были включены модули для расчета NO по «комбинированной» и «термической» схемам. Идентификация модели образования NO проводилась путем подбора коэффициента избытка воздуха в зоне горения ар. Пример обработки экспериментальной индикаторной диаграммы представлен на рис. 3.2.
Образование N0 при использовании альтернативных топлив
Обзор, проведенный в первой части работы, показал, что наиболее перспективными направлениями по созданию малотоксичных дизелей являются: - использование альтернативных топлив (вместе с улучшением экологических показателей работы дизелей, позволяет сократить потребление топлив нефтяного происхождения и, при использовании биотоплив, уменьшить выброс С02); - организация гомогенного смесеобразования и сгорания.
В результате реализации данных мер происходит дальнейшее снижение максимальных температур в зоне продуктов сгорания и уменьшение образования «термических» N0. При этих условиях пренебрежение ролью «быстрого» механизма может привести к возникновению существенных ошибок и неверной интерпретации экспериментальных данных. Поэтому для оценки вклада «быстрых» N0 и возможных путей уменьшения их образования в цилиндре перспективного дизеля было проведено расчетно-экспериментальное исследование при помощи разработанной математической модели с «комбинированной» кинетической схемой, которая учитывает формирование оксидов азота по «быстрому» и «термическому» механизмам.
Образование NO при использовании альтернативных топлив
К наиболее перспективным альтернативным топливам для дизелей в настоящее время относят: природный газ, диметиловый эфир и метанол. В табл. 4.1 приведены основные характеристики этих топлив в сопоставлении с дизельным топливом [14, 41, 58].
В отличие от ДТ, при сгорании рассматриваемых альтернативных топлив практически не образуется сажа, что объясняется отсутствием в их молекулах углерод-углеродных связей, а для ДМЭ и метанола также наличием большого количества кислорода. Это позволяет обеспечить практически бездымную работу двигателя, а эмиссия дисперсных частиц существенно снижается. Кроме того, необходимо отметить, что при использовании газообразных топлив (ДМЭ и метан), в соответствии с требованиями экологических норм, на стадии Евро-3, 4 и 5 выбросы дисперсных частиц не нормируются. Поэтому основной экологический ущерб, наносимый окружающей среде токсичными компонентами ОГ двигателей, работающих на этих топливах, будет приходиться на оксиды азота.
В НАМИ проводятся экспериментальные работы по конвертации дизелей для работы на диметиловом эфире и метане. Поэтому остановимся более подробно на исследовании образования NO при сгорании этих топлив.
Для сопоставления температурных условий в зоне продуктов сгорания и анализа механизмов образования NO при сгорании рассматриваемых топ-лив были проведены предварительные расчеты при неизменных во времени аг, Т и Р.
Анализ физико-химических свойств топлив, влияющих на температурные условия
При сопоставлении свойств ДТ и ДМЭ, проведенных в работе [40], было установлено, что основным фактором, влияющим на снижение температуры продуктов сгорания ДМЭ является увеличение количества молей продуктов сгорания, учитываемое в расчетах коэффициентом молекулярного изменения (Ро).
Сравнение адиабатной температуры продуктов сгорания метана с температурами ДТ и ДМЭ, проведенное при условиях постоянного давления Р=10 МПа и начальной температуре воздуха Т0=873 К, приблизительно соответствующей температуре начала воспламенения в цилиндре дизеля, показало, что Тпс метана слабо отличается от ТПс ДМЭ, которая на 100...170 К меньше температуры ДТ (рис. 4.1).
