Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор образования и снижения эмиссии оксидов азота в отработавших газах поршневых двигателей с искровым зажиганием 14
1.1 Обзор токсичных элементов выпускных газов в поршневых ЛВС. 14
1.2 Общепринятые представления образования оксидов азота
1.2.1 Механизм образования «быстрых» оксидов азота 18
1.2.2 Механизм образования топливных оксидов азота 19
1.2.3 Термический механизм образования NOx 20
1.3 Расчётные модели концентрации оксидов азота в поршневых двигателях 28
1.4 Процесс сгорания в поршневых двигателях с искровым зажиганием и внешним смесеобразованием 32
1.4.1 Первая фаза сгорания 35
1.4.2 Вторая фаза сгорания 37
1.4.3 Основная фаза сгорания 39
1.4.4 Третья фаза сгорания 45
1.5 Методы исследования процесса сгорания в поршневых ДВС 45
1.6 Анализ факторов, определяющих образование окислов азота в отработавших газах поршневых двигателей 49
1.7 Методы снижения оксидов азота в поршневых двигателях с искровым зажиганием 52
1.8 Современные проблемы расчёта концентрации оксидов азота при проектировании и доводке поршневого двигателя с искровым зажиганием. 58
Выводы по I главе 61
ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование и методика проведения экспериментов 63
2.1 Методика проведения эксперимента 66
2.2 Оценка достоверностей результатов измерений 80
ГЛАВА 3. Обработка результатов испытаний 85
3.1 Зависимость времени от начала зажигания до появления ионного тока от состава ТВС при различной доле добавляемого в нее водорода и частоте вращения KB 85
3.2 Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB 87
3.3 Зависимость ионного тока от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB 89
3.4 Зависимость концентрации оксидов азота в отработавших газах от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте
вращения KB 91
ГЛАВА 4. Анализ и обобщение результатов экспериментального исследования 95
4.1 Скорость распространения пламени и ее зависимость от состава ТВС, величины добавляемого в неё водорода и частоты вращения KB 95
4.2 Анализ изменения ионного тока по составу ТВС при изменении доли добавляемого в неё водорода и частоты вращения KB 98
4.3 Теплотворная способность смеси и её зависимость от добавки водорода в топливно-воздушную смесь 101
4.4 Зависимость максимального давления и объёма рабочей смеси при окончании основной фазы сгорания от состава ТВС при различной доле добавляемого водорода и частоте вращения коленчатого вала 103
4.5 Экспериментальное исследование ширины зоны турбулентного горения при добавке водорода в ТВС 106
4.5.1 Зависимость ширины зоны турбулентного горения от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB 106
4.5.2 Зависимость ширины зоны турбулентного горения от ионного тока при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 108
4.5.3 Зависимость ширины зоны турбулентного горения от скорости распространения пламени при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 109
4.5.4 Влияние ширины зоны турбулентного горения на максимальное давление цикла и объём смеси при завершении основной фазы сгорания при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 112
4.6 Взаимосвязь продолжительности основной фазы сгорания с характеристиками пламени и параметрами процесса сгорания при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 114
4.6.1 Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от основных характеристик распространения пламени при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 115
4.6.2 Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от ионного тока у первого электрода датчика ионизации при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB 117
4.7 Влияние продолжительности основной фазы сгорания на концентрацию оксидов азота при изменении доли добавляемого водорода в ТВС, частоты вращения KB и угла опережения зажигания 118
4.8 Эмпирическая модель для прогнозирования концентрации оксидов азота в отработавших газах при добавке водорода в ТВС, изменении частоты вращения KB и угла опережения зажигания 120
4.8.1 Анализ и обобщение полученной математической модели оценки концентрации окислов азота в ОГ поршневых ДВС 124
4.8.2 Практическое применение эмпирической модели оценки концентрации оксидов азота применительно к другим топливным композициям 126
4.8.3 Методика применения эмпирической модели для оценки концентрации оксидов азота в отработавших газах на стадии
проектирования и доводки поршневых двигателей 127
Заключение 128
Список сокращений и условных обозначений 130
Список литературы
- Механизм образования «быстрых» оксидов азота
- Оценка достоверностей результатов измерений
- Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB
- Теплотворная способность смеси и её зависимость от добавки водорода в топливно-воздушную смесь
Введение к работе
Актуальность проблемы. Глобальное развитие промышленного производства привело к существенному увеличению выбросов в окружающую среду продуктов сгорания углеводородных топлив, применяемых в тепловых двигателях и установках, снижение которых представляет в настоящее время важнейшую нерешённую проблему. При этом установлено, что наибольшее количество вредных веществ в атмосферу вносит автомобильный транспорт. Поэтому разработка возможных и перспективных способов снижения данного негативного воздействия на окружающую среду является наиболее актуальной задачей, решению которой посвящены целый ряд как отечественных, так и зарубежных правительственных постановлений.
Как известно, в составе отработавших газов (ОГ) поршневых двигателей содержится более 200 различных веществ, из которых Правилами Европейской экономической комиссии ООН нормируются выбросы СО, СН, N0, СОг и твёрдые частицы. Данные компоненты, как принято, наносят наибольший вред зоо- и биосфере, в частности, окислы азота, наибольшее количество из которых представляют двуокиси азота NO2, являются основными реагентами в образовании фотохимического смога.
Стратегией развития автомобильной промышленности до 2020 г., принятой Правительством РФ, предусматривается опережающее развитие альтернативных топлив, наиболее вероятным из которых в настоящее время представляется водород. Учитывая определённые сложности и длительность периода перехода на водородное топливо, который, как считают многие исследователи, будет происходить путём применения возрастающих добавок водорода в углеводородные топлива необходимо опережающее научное обеспечение и проработка всех вопросов, связанных с оценками возможных показателей. В частности, в настоящее время мало исследован вопрос об особенностях образования окислов азота при сгорании то-пливно-воздушных смесей (ТВС), насыщенных водородом, отсутствует опытно апробированная методика расчётного анализа.
В связи с этим целью настоящей работы является разработка эмпирической модели для оценки концентрации оксидов азота при добавках водорода в топливно-воздушную смесь поршневого двигателя с искровым зажиганием.
Задачи исследования:
исследовать характеристики распространения пламени и параметры сгорания при добавках водорода в ТВС в зависимости от коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания;
провести анализ параметров, определяющих образование оксидов азота в двигателях с добавкой водорода в ТВС;
разработать эмпирическую модель для оценки концентрации NOx в отработавших газах поршневых двигателей с добавками водорода;
на основе полученной модели разработать методику расчёта концентрации оксидов азота при добавках водорода в ТВС на стадии проектирования и доводки двигателей с искровым зажиганием.
Объект исследования - процесс сгорания топливно-воздушной смеси в установке, моделирующей условия сгорания в поршневых двигателях с искровым зажиганием.
Предмет исследования - концентрация оксидов азота в отработавших газах, характеристики распространения пламени и параметры процесса сгорания.
Методы исследования. При выполнении работы проводилось теоретическое обобщение известных литературных данных. Проведены экспериментальные исследования, включающие регистрацию индикаторного давления, концентрации NOx и времени возникновения ионного тока, статистическая обработка данных и их обобщение на основе имеющихся фундаментальных теоретических представлений об особенностях образования NOx. Оценивалось влияние добавок водорода в топливно-воздушную смесь на характеристики пламени, параметры процесса сгорания и концентрацию оксидов азота.
Достоверность результатов исследования. Достоверность подтверждается значительным объёмом экспериментальных данных, статистической обработкой полученных результатов, а также непротиворечивостью полученных данных и зависимостей фундаментальным теоретическим представлениям об образовании NOx при сгорании топливно-воздушных смесей.
Научная новизна исследования.
-
Экспериментально исследована ширина зоны турбулентного горения и представлены зависимости её от коэффициента избытка воздуха, скорости распространения пламени, изменения частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания, добавки водорода вТВС.
-
Определена зависимость продолжительности основной фазы сгорания с характеристиками пламени при добавках водорода в топливно-воздушную смесь.
-
Разработана эмпирическая модель на основе безразмерного комплекса параметров сгорания, позволяющая прогнозировать концентрацию оксидов азота в отработавших газах поршневого двигателя с добавками водорода в ТВС с учётом режимных и конструктивных параметров работы двигателя.
Теоретическая значимость исследования.
-
Экспериментально исследована ширина зоны турбулентного горения в удалённой от свечи зажигания зоне камеры сгорания поршневого двигателя.
-
Получена взаимосвязь между продолжительностью основной фазы сгорания и характеристиками распространения пламени.
-
Показана принципиальная возможность оценки выбросов окислов азота в отработавших газах при добавке водорода в ТВС для двигателей с искровым зажиганием на основе полученного безразмерного комплекса параметров сгорания.
Практическая значимость исследования.
-
Разработана эмпирическая модель, позволяющая оценивать концентрацию оксидов в двигателях с добавками водорода в топливно-воздушную смесь с учётом режимных и конструктивных параметров работы двигателя.
-
На основе полученной эмпирической модели разработана методика расчёта концентрации оксидов азота при тепловом расчёте двигателей с искровым зажиганием.
-
Зависимости, полученные путём экспериментально исследования, могут быть использованы для выбора рациональных и оптимальных конструктивных и регулировочных решений при проектировании и доводки поршневых двигателей с искровым зажиганием.
Основные результаты работы получены при проведении исследований:
-
ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152: Повышение эффективности работы и снижение токсичности отработавших газов поршневых двигателей и установок при использовании органических топлив с газообразными активаторами горения.
-
ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0308: Разработка методов химического регулирования процесса горения углеводородных топлив в энергетических установках для повышения их энергоэффективных и экологических характеристик.
Реализация результатов работы. Результаты экспериментального исследования используются при модернизации ДВС с искровым зажиганием в ОАО «СуперАвто» и учебном процессе для подготовки бакалавров направления 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», магистров направления 13.04.03 «Энергетическое машиностроение - Поршневые и комбинированные двигатели», аспирантов по научной специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели», инженеров по специальности «Поршневые и комбинированные двигатели» и смежных специальностей.
Результаты исследования могут применяться при проектировании и доводке поршневых двигателей и энергетических установок.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольят-тинского государственного университета и доложены на следующих конференциях: II Международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 24-25 апреля 2012 г.; III Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 15-17 апреля 2014 г., III место; Научно-практическая конференция «Студенческие Дни науки», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, апрель 2014, II место; International conference on the methods of aero physical research, Novosibirsk, Russia, 30.06.2014-6.07.2014 г.; Международная научно-практическая конференция «Транспорт. Экономика. Социальная сфера. (Актуальные проблемы и их решения)», Пенза, 17-19 сентября 2014г.; VIII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», Пенза, 19-21 ноября 2014 г.; IV Международная научно-техническая конференция (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства», Тольятти, 27-28 мая 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3-й в журналах, рекомендованных ВАК, 2-а научно-технических отчета, зарегистрированных в
цнитс.
На защиту выносятся следующие положения:
зависимости концентрации оксидов азота, времени возникновения ионного тока на электродах ионизационного датчика, продолжительности основной фазы сгорания от коэффициента избытка воздуха при изменении частоты вращения коленчатого вала и доли добавляемого водорода в топливно-воздушную смесь;
результаты экспериментального исследования ширины зоны турбулентного горения при изменении коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания и доли добавляемого водорода в топливно-воздушную смесь;
взаимосвязи параметров сгорания с основными характеристиками распространения пламени;
эмпирическая модель, позволяющая оценивать выбросы оксидов азота по безразмерному комплексу параметров при добавках водорода в топливно-воздушную смесь двигателей с искровым зажиганием;
методика для прогнозирования концентрации оксидов азота при тепловом расчёте на стадии проектирования и доводки двигателей с искровым зажиганием, разработанная на основе полученной эмпирической модели.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 195 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированного 2 таблицами и 61 рисунком.
Механизм образования «быстрых» оксидов азота
Исследование процесса образования окислов азота в цилиндре двигателя внутреннего сгорания усложняется изменением объёма камеры сгорания (из-за движения поршня), относительной неоднородностью топливно-воздушной смеси, движением ТВС в камере сгорания, диссоциацией продуктов сгорания, неравномерностью распределения топлива по отдельным цилиндрам и цикловой неравномерностью.
В результате сгорания ТВС оксиды азота образуются вследствие химического воздействия кислорода воздуха и азота. Существует несколько направлений образования оксидов азота. В процессе горения углеводородов образование NOx происходит при высоком температурном окислении атмосферного азота (термический NO), низкотемпературное окисление азотосодержащих соединений топлива (топливный NO), а также вследствие столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).
В связи с вышесказанным, в теории рассматривается три основных механизма образования оксидов азота в рабочем процессе сгорания [24]: - механизм образования «быстрых» оксидов азота, который предложил в своей работе СР. Fenimor [25], в дальнейшем изучался и другими исследователями [6,26]; - «топливные» оксиды азота образуются в случае нахождения азотосодержащих соединений в топливе. При этом азот высвобождается при относительно низких температурах (1000-1200 К); - термический механизм образования оксидов азота, предложенный Я.Б.Зельдовичем [9]. Для осуществления реакции окисления азота необходима высокая температура ( 2000К). Такая температура присуща пламени в зоне продуктов сгорания поршневых двигателей. 1.2.1 Механизм образования «быстрых» оксидов азота
Для получения равновесных концентраций NO при горении стехиометрической бензино-воздушной смеси требуется период времени 9 "3 4 около 10" -10" с, однако время горения составляет менее 10" с. Вместе с тем, в углеводородных пламенях непосредственно в зоне горения обнаруживается достаточно высокие концентрации NO. В связи с этим, был предложен механизм образования быстрых оксидов азота, основателем которого является С.Фенимор [25]. В 1979 году С. Фенимор [25] на основание ряда реакций сделал предположение, что быстрое образование NO объясняется связыванием молекул азота радикалами СН и С2 в реакциях с очень малыми энергетическими затратами: CH+N2 HCN + TV - 8.38 кДжІмоль; 2C + N2 г+ 2CN-16.72кДж/молъ; СН2 +N2 HC + NH -37.6 кДж/моль.
Следует отметить, что по этим реакциям измеренные в зонах факела концентрации HCN подтверждают возможность образования некоторого количества NO [8].
Анализ работ по исследованию «быстрых» оксидов азота [8,25,27,28] позволяют сделать следующие выводы: - быстрое окисление азота во фронте пламени является достоверным и надежно установленным фактом. Явление хорошо воспроизводится в лабораторных условиях, независимо от разнообразия используемых для его наблюдения горелочных устройств и типов пламени; - наиболее характерными признаками быстрого окисления азота в пламене служат:
1) кратковременность процесса, в результате чего зона образования NO локализована на сравнительно небольшом участке фронта ламинарного пламени;
2) слабая зависимость выхода NO от температуры горения; 3) сильная зависимость выхода NO от соотношения топливо-воздух; - «быстрые» оксиды азота образуются непосредственно во фронте ламинарного пламени, на участке, составляющем около 10% ширины фронта пламени. Причем процесс образования начинается уже у передней границы фронта пламени в области температур около 1000 К; - наиболее вероятным механизмом образования "быстрых" NO является механизм С. Фенимора с участием углеводородных радикалов, хотя дополнительная проверка его является необходимой; - значительную роль при окислении азота в зоне горения играет радикал СН2 [27]; - при горении смеси СН4 - Ог - N2 непосредственно вблизи в зоны горения наблюдается сверхравновесная концентрация ОН.
Многие учёные [8,27-31] проводят опыты и соответствующие измерения по данному вопросу. В связи с этим, можно отметить, что быстрое образование оксида азота во фронте пламени - явление, органически связанное с горением и присуще сгоранию углеводородов и углесодержащих топлив. Проблема снижения "быстрых" NOx пока не решена.
Топливные оксиды азота образуются из азота, содержащегося в топливе. Превращение топливного азота, который иногда называют топливно-связанным азотом, наблюдается главным образом при горении угля, поскольку даже чистый уголь содержит около 1% химически связанного азота [6]. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот [1].
Образование топливных оксидов азота происходит во фронте пламени, в области образования "быстрых" NOx [32]. Реакции образования топливных оксидов азота протекают достаточно быстро и, таким образом, этот процесс не является лимитирующим по скорости. Степень перехода азотосодержащих соединений топлива в NO уменьшается с увеличением концентрации азота в топливе. Однако абсолютный выход NO при большем содержании азота топлива будет выше [32].
В связи с этим, выделяют основные положения механизма топливных оксидов азота: - степень перехода азотосодержащих соединений топлива в NOx быстро нарастает с увеличением коэффициента избытка; - выход топливных NOx слабо зависит от температуры продуктов сгорания; - вид азотосодержащего соединения и содержание кислорода в топливе не оказывают влияния на выход топливных NOx. По данным некоторых исследователей [1,32], при перегонке нефти азотные соединения остаются в тяжёлых фракциях, поэтому в ДВС с искровым зажиганием образование NOx обусловлено лишь окислением азота кислородом.
Оценка достоверностей результатов измерений
Эксперимент проводился на кафедре «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета. Для исследования процесса сгорания в камере сгорания одноцилиндровой установки использовался зондовый метод, основанный на явлении электропроводности углеводородного пламени.
При проведении исследований, связанных с исследованием характеристик пламени, параметров рабочего процесса и токсичных компонентов на практике используется методика снятия различных характеристик двигателя. Каждая характеристика представляет определённые зависимости параметров и характеристик пламени, позволяющих оценивать влияние тех или иных факторов на целевой эффект, например, экономические и экологические показатели.
С целью анализа влияния химического состава ТВС на параметры сгорания и экологические показатели к основному топливу добавлялся водород. Так как исследования добавок водорода в ТВС связано с непосредственным влиянием на процесс сгорания в поршневом двигателе, то в качестве основных характеристик при проведении эксперимента целесообразно применение регулировочных по составу смеси и углу опережения зажигания. Такие характеристики позволяют наиболее полно оценить влияние свойств топлива на показатели сгорания и особенности протекания рабочего процесса.
Таким образом, варьируемыми факторами в проведённом эксперименте являлись: состав смеси (0,7 а 1,4), массовая доля добавляемого водорода в ТВС (0% g#2 5% от массы ТВС), угол опережения зажигания (13 гр. #аз 22 гр.) и частота вращения коленчатого вала (600 мин_1 и 900 мин"1). По результатам эксперимента строились регулировочные характеристики по составу смеси при различных изменениях варьируемых факторов, сравнение которых позволяет отметить изменения параметров сгорания, приводящих к изменению концентрации оксидов азота. В процессе проведения испытания проводились измерения следующих величин: частоты вращения коленчатого вала, расходов бензина, воздуха и водорода, угол опережения зажигания, индикаторного давления, концентрации оксидов азота, степени сжатия и параметров ионизации.
С целью лучшего приготовления гомогенной смеси воздушный заряд на впуске подогревается электрическим нагревателем и имеет постоянную температуру 52С, поддерживаемую с помощью датчика температуры с обратной связью. Также контролировались параметры, характеризующие атмосферные условия (давление, влажность, температура) и состояние установки (температура охлаждающей жидкости и температура масла в позволяет бесступенчато изменять степень сжатия (є). В механизм изменения степени сжатия входит направляющая и червячная передача, позволяющая перемещать головку и изменять степень сжатия от 4 до 10. Измерение обеспечивается индикатором, установленным на платике головки цилиндра.
Для определения коэффициента избытка воздуха в эксперименте была разработана и собрана система измерения расхода топлива и воздуха. Схема системы измерения расхода топлива представлена на рисунке 2.3. Топливо набирается в расходную ёмкость 2 для измерений. Топливная система прокачивается ручной помпой для заполнения топливом и удаления воздуха. Поплавковая камера сообщается с расходной емкостью, поэтому, при постоянном уровне топлива в поплавковой камере, уменьшение массы расходной емкости 2, стоящей на весах, является массовым расходом топлива.
В системе измерения расхода топлива использованы весы лабораторные ВМ 512 2-го класса точности с СОМ-портом для связи с компьютером. Предел погрешности измерения - 20 мг, среднее квадратичное отклонение - не более 7 мг.
Весы установлены на такой высоте, чтобы обеспечить подачу топлива в поплавковую камеру карбюратора самотеком и при этом не нарушить герметичность уплотнения, поскольку поплавковая камера не имеет системы слива излишка топлива в топливный бак. Т.е. при постоянном уровне в поплавковой камере, все топливо, поступившее в поплавковую камеру из расходной емкости 2, расходуется двигателем. Постоянство уровня топлива обеспечивается указателем уровня 4. Внешний вид весов, установленных на специальной полке, показан на рисунке 2.4. Весы связаны с персональным компьютером (ПК) через СОМ-порт. Измерение времени происходит одновременно с измерением массы. Измерение массы в процессе эксперимента происходит через каждые 0,1 с. Результаты измерений регистрируются с помощью специального программного обеспечения и записываются в память компьютера. Пример регистрации веса представлен на рисунке 2.5.
Использование ресивера 2 позволило снизить пульсации воздуха для точной регистрации расхода воздуха. Для измерения массового расхода воздуха использовался термоанемометрический датчик расхода воздуха типа BOSCH 0 280 218 037. Датчик был доработан и предварительно откалиброван с помощью сужающего устройства на равномерном потоке. Кроме того, калибровка была проверена и уточнена в условиях работы двигателя с используемой конфигурацией впускного трубопровода и ресивера. Проверка осуществлялась двумя способами: - объемным способом (по расходованию двигателем ограниченного объема воздуха при обеспечении постоянного давления на впуске); - сравнением с показаниями широкополосного датчика кислорода (ф. ETAS) при измерении массового расхода бензина.
Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB
С увеличением частоты вращения KB с п=600 мин"1 до п=900 мин"1 ионный ток возрастает. Так, при работе двигателя на бензине, увеличение частоты вращения KB на 33% приводит к росту ионного тока на 11% при коэффициенте избытка воздуха а=\.
Показано, для исследуемого диапазона по составу смеси наблюдается заметное увеличение ионного тока только при добавке водорода в ТВС gH2=3%. При дальнейшем увеличении концентрации водорода в ТВС заметного роста ионного тока не наблюдается. Наиболее ярко данная тенденция проявляется при работе двигателя на бедных ТВС (а 1,1). Так, при а=\,\ добавка водорода gm=3% увеличивает ионный ток на 16% (п = 600 мин"1) и на 22% (п = 900 мин"1), а при а=1,3, увеличение ионного тока составляет 48% (п = 600 мин"1) и 28% (п = 900 мин"1). Таким образом, характер изменения тока на ионизационном зонде, расположенного в удалённой от источника зажигания зоне камеры сгорания, отзывается на изменение физико-химических свойств ТВС. Это позволяет использовать зондовый метод на основе явление электропроводности углеводородного пламени как инструмент для исследования процесса сгорания.
Зависимость концентрации оксидов азота в отработавших газах от состава ТВС при различной доле добавляемого в неё водорода и частоте вращения KB
Согласно термической теории образования оксидов азота Я.Б. Зельдовича [9] образование оксидов азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания. Количество окиси азота определяется максимальной температурой сгорания, концентрациями азота и кислорода в продуктах сгорания, временем пребывания их в зоне высоких температур и не зависит от химической природы топлива. В свою очередь известно, добавка водорода в ТВС приводит к увеличению максимальной температуры цикла, концентрации атомарного кислорода и гидроксила ОН, и как следствие увеличивается концентрация оксидов азота [67,157,173].
Работы [1,2,7,8,9] показывают, что наиболее изучен механизм образования концентрации оксидов азота при работе двигателя на бензине и природном газе. Однако недостаточно экспериментальных исследований изменения концентрации оксидов азота при работе двигателя с добавками водорода к основному виду топливно-воздушной смеси. Поэтому необходимо по результатам проведённого эксперимента провести анализ влияния добавок водорода в ТВС на выбросы оксидов азота.
Зависимость концентрации NOx от состава смеси при изменении доли добавляемого водорода, частоты вращения коленчатого вала и угла опережения зажигания представлена на рисунках 3.4.1 иЗ.4.2. NOx, ppm
Добавка водорода увеличивает концентрацию оксидов азота только в области бедной смеси. Это объясняется, во-первых, достаточным количеством свободного кислорода, который, как известно, ускоряет реакцию окисления азота, во-вторых, добавка водорода повышает максимальную температуру цикла, что повышает скорость образования термических оксидов азота. Согласно экспериментальным данным [67,156,173] добавка водорода значительно расширяет пределы сгорания топливно-воздушных смесей в область обеднения и, таким образом, даёт возможность использовать значительно обеднённые смеси при работе двигателя в области низких значений концентрации токсичных компонентов.
При частоте вращения KB п=600 мин"1 с увеличением доли добавляемого водорода наблюдается смещение максимума выбросов NOx в сторону обеднения состава ТВС по сравнению с работой двигателя на бензине без добавки водорода. Так, например, при 3 % добавке водорода максимальным значениям выбросов NOx соответствует а=1,12, а при 5% -а=1,15. С увеличением частоты вращения коленчатого вала наблюдается схожее влияние добавок водорода, то есть максимальные значения оксидов азота смещаются в сторону обеднения состава ТВС относительно наибольшего значения концентрации NOx при работе двигателя на бензине добавок водорода.
С увеличением частоты вращения KB с п=600 мин"1 до п=900 мин"1 максимальные выбросы NOx заметно снижаются. Это обусловлено сокращением времени на образование и разложение NOx, а также снижением максимальной температуры цикла за счёт неоптимального угла опережения зажигания [156,157,160]. С увеличением угла опережения зажигания до в03 = 22 гр. концентрация оксидов азота повышается, так как время на процесс сгорания увеличивается, что приводит к высоким температурам в камере сгорания.
Таким образом, экспериментально показано влияние добавок водорода в ТВС, частоты вращения коленчатого вала и угла опережения зажигания на концентрацию NOx в отработавших газах. Полученные данные подтверждаются известными результатами исследований, опубликованными ранее другими авторами [67,172-174,180].
Теплотворная способность смеси и её зависимость от добавки водорода в топливно-воздушную смесь
Продолжительность основной фазы сгорания является одним из наиболее важных параметров процесса сгорания. Многие авторы в своих работах уделяют большое внимание данному параметру. Время окончание основной фазы сгорания определяет индикаторные параметры термодинамического цикла, в значительной степени влияет на максимальную температуру цикла, которая непосредственно определяет выход оксидов азота. Основываясь на теории турбулентного пламени, полагают, что время горения определяется как время сгорания с поверхности какого-то характерного объёма турбулентного потока, при этом представление такого потока можно составить из рассмотрения масштаба искривлений мгновенно зафиксированного фронта пламени. То есть время сгорания основной массы ТВС прямо пропорционально ширине зоны турбулентного горения, которая косвенно характеризует масштаб искривлений фронта пламени.
Поэтому в данной работе особое внимание уделено анализу влияния характеристик пламени и параметров процесса сгорания на продолжительность основной фазы сгорания.
Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от основных характеристик распространения пламени при различной доле добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения KB Согласно работам [10,36,73,133], оценить время горения в турбулентном фронте пламени при сильной турбулентности возможно, располагая турбулентной скоростью пламени. Очевидно, что на продолжительность сгорания основной массы ТВС оказывает влияние средней скорости распространения пламени.
Как видно из рисунка, продолжительность основной фазы сгорания линейно зависит от средней скорости распространения пламени. Причём независимо от добавок водорода в ТВС и частоты вращения KB все экспериментальные точки ложатся на одну прямую.
Как показано ранее в работе, ширина зоны турбулентного горения является не менее важной характеристикой пламени, определяющей основные параметры процесса сгорания. Поэтому необходим анализ её влияния на продолжительность основной фазы сгорания. На рисунке 4.6.2 представлен график зависимости продолжительности основной фазы сгорания от ширины зоны турбулентного горения при разной доли добавляемого водорода в ТВС и частоте вращения коленчатого вала.
Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от ширины зоны турбулентного горения: п=600 мин"1, gm: 0-0%, и-3%, А-5%; п=900 мин"1, gm: -0 При увеличении ширины зоны турбулентного горения увеличивается время основной фазы сгорания. В представленных координатах продолжительность основной фазы сгорания не изменяется с добавкой водорода при равных значениях ширины ЗТГ, а изменяется с изменением частоты вращения коленчатого вала.
Для практического применения зондового метода на основе явления электропроводности углеводородного пламени при исследовании процесса сгорания построен график зависимости времени основной фазы сгорания от ионного тока, возникающего у первого электрода датчика ионизации при разной доли добавляемого водорода и частоте вращения коленчатого вала, который представлен на рисунке 4.6.3.
Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от ионного тока у первого электрода ИД: п=600 мин"1, gm: -()%, и-3%, А-5%; п=900 мин"1, gm: 0-0%, п-3%, А-5% По рисунку видно, что с увеличением ионного тока время основной фазы сгорания линейно уменьшается, при этом данная тенденция сохраняется при разной частоте вращения коленчатого вала и доле добавляемого водорода в ТВС. Так как амплитуда ионного тока в большей мере характеризует интенсивность химических реакций, следовательно, рассматривая данную зависимость, можно сделать вывод о значительном влиянии интенсивности химических реакций горения на продолжительность основной фазы сгорания.
Концентрация окислов азота в большей степени определяется температурой продуктов сгорания, свободными атомами кислорода и азота и времени пребывания их в зоне высокой температуры. Как показано ранее в работе, температура сгорания в большей степени определяется физико-химическими свойствами ТВС, следовательно, зависит от скорости распространения пламени, ширины зоны турбулентного горения и интенсивности химических реакций в ней. Ранее в работе установлено, что скорость распространения пламени обратно пропорциональна продолжительности основной фазы сгорания. В то же время, ширина зоны турбулентного горения определяет время сгорания основной массы ТВС и объём рабочей смеси в момент окончания основной фазы сгорания, а значит и потери в систему охлаждения и с отработавшими газами.
Эмпирическая модель для прогнозирования концентрации оксидов азота в отработавших газах при добавке водорода в ТВС, изменении частоты вращения KB и угла опережения зажигания
Как известно, одной из основных задач технических наук является описание нестационарных физических и химических процессов, протекающих в сложных технических системах, для изучения их динамических свойств, установления закономерностей и возможности достоверного прогнозирования характеристик с помощью математических моделей. Математические модели базируются как на теоретических, так и на экспериментальных методах научного исследования. Моделирование внутрицилиндровых процессов в поршневых двигателях с помощью математической модели позволяет описать эффективные и экологические показатели для существующих и спрогнозировать их для перспективных поршневых двигателей. Поэтому в данной работе на основе проведённого эксперимента была получена математическая модель, позволяющая оценивать концентрацию оксидов азота в отработавших газах поршневых двигателей.