Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных
1.1 Горение водорода 9
1.2 Горение легких углеводородов 12
1.3 Горение тяжелых углеводородов 15
1.4 Образование оксида азота 25
1.5 Анализ литературных данных 32
Глава 2. Нульмерная химическая кинетика горения
2.1 Химико-физические характеристики н-октана 36
2.1.1 Исходные характеристики 36
2.1.2 Реакция распада н-октана 37
2.1.3 Система уравнений химической кинетики 38
2.1.4 Термодинамический расчет химического равновесия 39
2.1.5 Теплоемкость продуктов сгорания 40
2.2 Обобщение кинетического механизма 40
2.3 Тестирование нульмерной кинетики горения 45
2.4 Сокращение механизма кинетики догорания 52
2.5 Выводы по главе 53
Глава 3. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи
3.1 Общая постановка задачи 56
3.2 Исходные данные для решения задачи турбулентного догорания 57
3.2.1 Вязкость смеси 57
3.2.2 Теплопроводность смеси 59
3.2.3 Диффузия компонентов смеси 59
3.2.4 Турбулентные характеристики переноса 61
3.2.5 Расчет полей скорости и коэффициента турбулентного обмена в цилиндре с помощью известных программ 62
3.3 Задача турбулентного догорания
3.3.1 Реакции догорания компонентов продуктов сгорания при турбулентных пульсациях температуры в ДВС 67
3.3.2 Граничные и начальные условия задачи турбулентного догорания 74
3.3.3 Общий вид уравнений турбулентного догорания 79
3.3.4 Допущения задачи турбулентного догорания 80
3.3.5 Развернутое математическое описание задачи 81
3.4 Тестирование двухмерных задач турбулентного догорания 82
3.5 Выводы по главе
Глава 4. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Трех мерные задачи и анализ 85
4.1 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе в двигателе GDI "Mitsubishi"
4.1.1 Догорание при горении и расширении 85
4.1.2 Догорание при выхлопе и выпуске продуктов сгорания 89
4.1.3 Результаты и их анализ 89
4.2 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе продуктов сгорания в двигателе ВАЗ-21011 105
4.2.1 Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 (п=3000 об/мин) 106
4.2.2 Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011 115
4.3 Выводы по главе 119
Заключение 123
Список использованных источников 127
- Горение водорода
- Химико-физические характеристики н-октана
- Исходные данные для решения задачи турбулентного догорания
- Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе в двигателе GDI "Mitsubishi"
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Объемное содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) сравнительно невелико и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 90 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: СО, NOx, СНХ, альдегидов RCHO, диоксида серы S02. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EURO-4) являются СО, NOx, СНХ и твердые частицы (для дизелей). Нормирование выбросов оксидов серы осуществляется косвенно, через ограничение содержания серы в топливе. Наибольшее содержание альдегидов в ОГ отмечается при работе непрогретого двигателя на режимах пуска и холостого хода, их содержание в ОГ, как правило, не нормируется, поскольку составляет сравнительно небольшую часть в общей массе токсичных веществ. Эти оценки, а также последующие, взяты из наиболее весомых монографий последнего десятилетия Маркова В.А. и др.; Иващенко Н.А. и др.; Звонова В.А.; Горбунова В.В. и Патрахальцева Н.Н.; Кульчицкого А.Р.; Морозова К.А.
Концентрация монооксида углерода СО в ОГ двигателя внутреннего сгорания может достигать значительных величин. Так, на режимах холодного холостого хода при значительном избытке топлива объемная доля СО в ОГ достигает 6 - 12 %. Монооксид углерода СО окисляется в атмосфере до нетоксичного диоксида углерода СОг в течение 2-40 месяцев. Из оксидов азота, содержащихся в ОГ, 99 % объема приходится на монооксид NO. В атмосфере он окисляется до менее токсичного NO2 в течение от 1 до 100 часов в зависимости от условий окисления.
Следует отметить последовательное ужесточение норм токсичных выбросов в Европе в течение последних десятилетий, причем нормы EURO-4, соответствуют очень низкому содержанию токсичных веществ в ОГ - для легковых автомобилей с расходом топлива ~ 7 л / 100 км предельные объемные доли г со = 0,11%; rNO - 0,0083 %; гСн = 0,010 %. Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса и, конечно, при наличии в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.
В течение последних десятилетий общепринятое математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС является нульмерным (термодинамическим), и полуэмпирическим (модель Вибе). Оно предполагает наличие однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха и, тем самым, концентрации компонентов смеси в камере сгорания (КС). Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей для снижения токсичности ОГ.
Чтобы избежать этого, необходимо использовать более гибкие системы смесеобразования, такие как программируемый (неоднократный) впрыск топлива непосредственно в цилиндр, позволяющий получать в КС наиболее выгодные поля коэффициента избытка воздуха а перед зажиганием. Такие поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания (где смесь должна быть достаточно богатой), отсутствие детонации к концу горения и малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аср= 1...2,5). Известны работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников А.Л. Абдуллина, А.В. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгорания; работы Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина, М.Ю. Свердлова, СВ. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС.
В то же время, до сих пор в отечественной литературе отсутствуют решения задачи для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии. Именно этот процесс определяет, в основном, появление оксидов СО и NO в продуктах сгорания. В связи с этим сформулируем следующее.
Целью работы является повышение экологической чистоты рабочих процессов в ДВС с искровым зажиганием по данным теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах, проводимого на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики для процессов горения и турбулентного догорания в цилиндре двигателя.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) моделирование нульмерной химической кинетики горения для потока,
пересекающего фронт пламени в ДВС; определение температуры и состава продуктов горения на выходе фронта (продуктов оттока);
2) разработка, с использованием методов химической кинетики,
математического описания процесса тепломассообмена для описания догорания продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смеси; определение кинетического механизма догорания продуктов; оценка влияния турбулентности на константы скорости реакций;
3) моделирование турбулентного догорания продуктов оттока в объеме камеры
сгорания (и цилиндра), анализ расчетного содержания оксидов углерода и
азота в отработавших газах и сравнение с опубликованными
экспериментальными данными.
Решение перечисленных задач получено для перспективного ДВС Mitsubishi Galant (1996 г.) с непосредственным впрыском топлива (Gasoline Direct Injection - в дальнейшем GDI) и двигателя ВАЗ-21011, для которого имеется обширный банк опытных данных. В работе использованы известные
методики и программы для расчета: турбулентных полей скорости в полости цилиндра в процессах горения и расширения (программа GAS-2, проф. Дунаев В.А., ТулГУ); полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и движения фронта горения в неоднородной горючей смеси (доцент Чесноков С.А.).
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
предложен сокращенный детальный кинетический механизм реакций догорания продуктов оттока за фронтом горения в условиях ДВС (52 реакции для 14 частиц);
определены поправки к константам скорости химических реакций, учитывающие турбулентные пульсации температур;
на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики горения разработана математическая модель для описания процесса турбулентного догорания за фронтом пламени и при расширении продуктов сгорания в ДВС; по результатам расчетов проведено сравнение с известными экспериментальными данными;
Исследования базируются на основных положениях химической кинетики и механики гомогенных смесей газов; в работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений.
Научная значимость работы заключается в решении задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики при догорании продуктов оттока за фронтом горения, как основного процесса, определяющего образование токсичных веществ в ДВС. Практическая значимость работы заключается в разработке эффективных алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, позволяющих произвести расчеты содержания оксидов углерода и азота при горении, догорании и выхлопе из двигателя.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Брутто-реакции - обобщенные по экспериментальным данным итоговые химические реакции.
Детальный кинетический механизм - теоретический (не обобщенный) механизм элементарных химических реакций с экспериментальными значениями констант скорости.
Гомогенная смесь - составляющие которой (компоненты) перемешаны на молекулярном уровне, например продукты сгорания; в общем случае -неоднородная смесь.
Основные компоненты смеси - мольная доля которых превышает 0,1 %.
Рабочий режим ДВС ВАЗ-21011- установившийся режим работы с номинальной нагрузкой 50 Нм и числом оборотов коленвала 3000 об/мин.
Радикалы - активные осколки молекул со свободными связями.
Результирующая скорость обратимой химической реакции - разность скоростей прямой и обратной реакций.
Суммарная скорость образования компонента - алгебраическая сумма результирующих скоростей реакций, в которых участвует компонент.
Химический тепломассообмен - процесс массообмена между реагирующими компонентами продуктов сгорания, происходящий при конвективном и диффузионном ламинарном перемешивании с выделением (поглощением) теплоты химических реакций и наличии теплообмена со стенкой цилиндра.
Турбулентное догорание - процесс химического тепломассообмена при конвективном и диффузионном турбулентном перемешивании продуктов сгорания в полости цилиндра.
Холостой ход ДВС ВАЗ-21011 (холодный или горячий) - пусковой режим работы без нагрузки: в течение первых 5...10 мин - не установившийся холодный (n ~ 1400...1000 об/мин); после 20 мин - установившийся горячий (п ~ 800 об/мин).
А - предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса;
а - коэффициент температуропроводности, м /с;
D - коэффициент диффузии, м2/с;
Е - энергия активации в уравнении Аррениуса, Дж/моль;
F - площадь, м2;
Н - тепловой эффект реакции, Дж/моль;
gi - массовая доля компонента;
h - постоянная Планка;
/ - относительная интенсивность излучения;
к - - постоянная Больцмана; - показатель адиабаты;
F, к0 - константы скорости прямой и обратной реакций;
М- масса, кг;
Nt - кратность коэффициента турбулентного обмена;
п - нормаль, м; - число оборотов коленвала ДВС, об/мин;
р -давление, Па;
Q - выделение тепла при горении, Дж/кг;
R - радиус, м; - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);
г - мольная (объемная) доля компонента;
Sp' - скорости прямой и обратной реакций;
TG - температура горения, К;
U— удельная внутренняя энергия, Дж/кг;
и, w, v - проекции скорости, м/с;
Uy - скорость выделения тепла, Вт/м ;
un - нормальная скорость горения (ламинарная), м/с;
ит- турбулентная скорость горения, м/с;
V, й, w - полные скорости, м/с;
У max - средняя скорость оттока продуктов от фронта горения, м/с;
Ж-объем, м ; - результирующая скорость химической реакции;
х, у, z - координаты, м;
а - коэффициент избытка воздуха горючей (топливной) смеси;
Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);
ju - молярная масса, кг/моль;
v - кинематический коэффициент вязкости, м /с;
vT - коэффициент турбулентного обмена, м /с;
р - плотность смеси, кг/м3;
Pi - распределенная (парциальная) плотность компонента, кг/м ;
г- время, с;
X - соотношение компонентов топливной смеси;
ВМТ (НМТ) - верхняя (нижняя) мертвая точка перемещения поршня.
ДВС - двигатель внутреннего сгорания.
ДКМ - детальный кинетический механизм реакций, в котором (в отличие от брутто-реакций) использованы только элементарные химические реакции.
ДКМД- ДКМ догорания (52 реакции, 14 частиц).
КС - камера сгорания.
КТО - коэффициент турбулентного обмена, м /с.
Н-октан - нормальный октан, молекула которого имеет нормальное (не разветвленное) строение цепи атомов углерода.
ГС - горючая смесь.
ОГ - отработавшие газы двигателя.
ТД - турбулентное догорание.
ОКМ - основной кинетический механизм реакций (266 реакций, 33 частицы).
ОК - основные компоненты (доля которых > 0,1%).
ПС - продукты сгорания.
СНХ - остаточные углеводороды.
GDI - Gasoline Direct Injection - ДВС с впрыском топлива в цилиндр (Mitsubishi Galant,1996).
Горение водорода
Горение водорода в воздухе и в кислороде является наиболее изученным процессом. Из обширного списка литературных источников обратим внимание лишь на последние публикации.
В работе К.Б. Баева и др. «К вопросу об излучении пламен водорода по излучению промежуточных продуктов реакции» [1] приведены результаты измерений суммарной интенсивности излучения возбужденного радикала ОН в турбулентных пламенах гомогенных водородно-воздушных смесей в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 0,15 - 3,0 и диффузионных затопленных пламен водорода при различных скоростях истечения. Получена информация о влиянии на точность измерений излучения нагретых кварцевых стекол и, собственно, поглощения пламени. Показана возможность использования данных по излучению ламинарных пламен для количественной диагностики турбулентных пламен при одновременном определении формы и величины излучающего объема, а в сложных случаях и распределении давлений.
Описана методика оптической диагностики водородно-воздушных пламен по изменению интенсивности излучения возбужденных радикалов ОН в полосе длин волн X = 2800 - 3500 А. Результаты экспериментов наглядно демонстрируют отсутствие однозначной связи между количеством сгоревшего водорода и суммарной интенсивностью излучения пламени, не говоря уже об их прямой пропорциональности. Представляется очевидным, что интенсивность излучения из единицы объема пропорциональна скорости дезактивации возбужденных радикалов ОН путем перехода, излучение которого регистрируется. Авторы хотят обратить внимание на изменение характера зависимости при минимальных значениях а, что свидетельствует о заметном изменении кинетического механизма или, возможно, о недостаточной точности измерений в этом диапазоне интенсивностей. Приводятся выводы:
1. Разработанная методика имеет ограниченное применение и, в лучшем случае, при горении гомогенных смесей может быть использована для приближенного построения закона тепловыделения, если известно суммарное излучение всего пламени.
2. Для диффузионных пламен степень предварительного смешения может оказать существенное влияние на суммарную интенсивность излучения пламени, что, очевидно и наблюдалось.
В работе Ю. Н. Николаева «Обобщенная модель кинетики химических реакций в водородно-кислородных газовых смесях» [2] на основе рассмотрения модельного газа построена, содержащая два уравнения, обобщенная модель кинетики химических реакций, удовлетворительно, «сквозным» образом, описывающая все течение реакций в газовых смесях на основе водорода и кислорода в широком диапазоне давлений и температур. Развитие численных методов расчета процессов детонации и горения стимулировало создание простых моделей кинетики химических реакций, включающих одно или два уравнения. Высокие температуры в зоне реакции за детонационными волнами позволили разделить реакцию на два этапа: изотермический период индукции, включающий в себя цепное размножение активных центров, и последующее тепловыделение. Автором построена модель кинетики, хорошо описывающая период основного тепловыделения и последующее квазиравновесное течение химических реакций. Период индукции, как правило, описывается формулами типа аррениусовских, выбор констант в которых проблематичен. Это связанно с большими расхождениями в значениях задержки воспламенения, рассчитанных по формулам различных авторов.
Разбиение реакции на два этапа не всегда возможно даже для детонации. Например, в близких к пределу режима детонации (галопирующий режим), при критическом инициировании детонации или при «срыве» реакции в ячейке многофронтовой детонации, температура за фронтом ударной волны может падать ниже температуры самовоспламенения. Для описания таких процессов нужны другие подходы.
Основными продуктами считаются О, Н, О2, ОН, Н2, Н20, N2 (как показали предварительные численные оценки обобщенная модель, построенная без рассмотрения влияния Н02 и Н202, тем не менее удовлетворительно описывает пределы воспламенения). В такой смеси могут протекать реакции: 0. Н2+02 -ЮН+ОН , 4. Н+Н+М - Н2+М, 1. ОН+Н2«-»Н20+Н, 5. о+о+м -ю2+м , 2. Н+02 -ЮН+0, 6. о+н+м -юн+м , 3. 0+Н2 -ЮН+Н, 7. 0+Н2+МоН20+М , 8. Н+ОН+М -»Н20+М.
Основной вклад в тепловыделение вносят реакции 4-8, тепловые эффекты и скорости прямых реакций для которых примерно равны между собой. Реакции 0-3 при высоких температурах в начальные моменты времени определяют период индукции, а после его завершения ведут себя квазиравновесно. Второй предел воспламенения определяется соотношением скоростей реакций обмена 0-3, поставляющих активные центры, и скоростью гибели активных центров в объеме за счет реакций рекомбинаций типа 4-8. Первый предел воспламенения определяется гибелью активных центров на стенке сосуда, а третий - теплоотводом от смеси, активными центрами в которой являются О, Н и ОН.
Таким образом, обобщенная модель кинетики включает уравнения кинетики и несколько соотношений, с помощью которых можно рассчитать эволюцию остальных обобщенных концентраций и внутренней энергии смеси во времени При высоких температурах, когда реакции обмена выходят на квазиравновесие, предложенная обобщенная модель позволяет рассчитывать и реальные концентрации реагирующих компонентов.
В работе Ю.Н. Шебеко, А.Я. Корольченко, С.Г. Цариченко «Численное моделирование распространения ДВ в газовом слое с детальным учетом химической кинетики» [3] проведено численное моделирование распространения детонационной волны (ДВ) в газовом слое гремучей смеси (2Н2+О2), граничащем с одной стороны с твердой нетеплопроводной стенкой, а с другой - с воздухом. Учтено 19 прямых и 19 обратных элементарных химических реакций. Обнаружено определяющее влияние константы скорости реакции Н + Ог — ОН + О на величину критической толщины газового слоя. Конкуренция нагрева горючей смеси в ударной волне и охлаждения за счет боковой разгрузки приводят к существованию критической толщины газового слоя бкр по отношению к стационарному или квазистационарному (пульсирующему) распространению детонации. Опытное определение дает наиболее надежные значения критической толщины газового слоя, однако детальное понимание околопредельных явлений при детонации свободных зарядов вряд ли может быть достигнуто без развития математических моделей. Ряд работ рассматривает проблему моделирования распространения детонации в газовых объемах конечной толщины, однако в них наряду с детальным учетом газодинамических процессов химическая реакция записывается в упрощенном аррениусовском виде, что может привести к определенным ошибкам в структуре и характеристиках околопредельных детонационных волн.
Рассчитанные продольные и поперечные профили основных гидродинамических параметров газовой смеси (давление, температура, плотность) и концентрации радикалов отличаются весьма крутым падением в сторону непрореагировавшей смеси. Максимальные объемные доли радикалов Н, ОН, О составляют несколько процентов их равновесных значений, в отличие от водородовоздушных пламен, где максимальное содержание указанных радикалов в несколько раз превышает равновесное.
Расчеты показали, что для использованной кинетической схемы реакций происходит затухание детонационной волны при толщинах газового слоя 19 см. Из приведенных расчетов следует, что критическая толщина газового слоя довольно чувствительна к особенностям кинетики химических реакций, в частности, к константе скорости реакции разветвления Н+О2— ОН+0. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что именно индукционные процессы, а не процессы энерговыделения, ответственны за срывные явления в детонационной волне.
Химико-физические характеристики н-октана
Определим числа молей углерода С с и водорода С н, содержащиеся в 1 кг горючего. Из формулы октана CgHig следует, что на 8 молей углерода приходится 18 молей водорода, т.е. на 1 моль С приходится 2,25 моля Н или на С с молей углерода (молярная масса \хс = 0,012011 кг/моль) - 2,25-С с молей водорода (ЛН = 0,00100794 кг/моль). Поэтому 1 кг CgH18 = С с-Цс + 2,25-С с-Ин5 откуда: С с = 70,1213 моль/кг гор; С н = 2,25-С с = 157,7729 моль/кг гор. (2.1) Эти значения близки к данным для бензина: Мс = 71,2 моль/кг гор; Мн = 144,1 моль/кг гор [49]. Итоговое уравнение окисления октана имеет следующий вид: 2С8Н18+ 2502 = 16С02 + 18Н20. (2.2)
Коэффициенты уравнения представляют собой числа молей реагирующих компонентов. Определим массу воздуха, содержащего 25 молей 02 (молярная масса 0,032 кг/моль). Масса кислорода, участвующего в реакции, равна 25-0,032=0,80 кг 02. Известно, что в 1 кг сухого воздуха содержится 0,23 кг кислорода [49], тогда 0,80 кг 02 содержится в 0,80 / 0,23 = 3,48 кг воздуха. Разделив эту массу на массу октана С8НЇ8 (0,114 кг/моль), равную 2-0,114 = 0,228 кг С8Н18, получим стехиометрическое соотношение компонентов Хо=15,3, (2.3) что достаточно близко к значению Хо = 15,4 для бензо-воздушной смеси [41].
Пренебрегая содержанием аргона в воздухе ( 1,3 %) массу азота можно определить как 3,48 - 0,80 = 2,68 кг N2 (0,028 кг/моль) или как 2,68 / 0,028 = 95,6 моля N2. Таким образом смесь, вступающая в реакцию (3.2) содержит 2 моля CgHig, 25 молей 02 и 95,6 моля N2, т.е. всего 122,6 моля смеси. Мольные доли компонентов стехиометрической смеси: гс8Н18 = 2/122,6 = 0,0163; г02= 25/122,6 = 0,204; rN2= 95,6/122,6 = 0,780. По данным [50] гСші8 = 0,0165, что практически совпадает с полученным значением. Определим состав горючей смеси при различных коэффициентах избытка воздуха а по методике [41]: 1. Массовые доли углерода и водорода в горючем g c=C c{ic; g H=C H-juH. 2. Соотношение компонентов Z = 8a(gW3 + g H)/g"o, (2.4) где g"o — массовая доля кислорода в воздухе; g"o= 0,23148. 3. Числа молей C,H,N,0 в 1 кг горючей смеси (топлива) Сс=Сс/(1+%); Сн=С„/(1+х); CN=C"N-Z/(l+z); C0=C"0-z/(l+z) где C"Nt0- числа молей N и О в 1 кг воздуха; C"N= 54,64, С"о= 14,67. 4. Числа молей CsHig, N2 и О2 в 1 кг топлива, при условии полного сгорания водорода при любых а: Сс8Н18 Сн/18; Qv2= С#/2; Со2 Со/2 , где в знаменателе использованы числа молей (атомов) Н, N, О в молях, соответственно, CgHig, N2 и 02. 5. Общее число молей и мольные доли C8Hi8, N2, О2 в топливе: Cz=ECi; ri = Ci/C.
Эта методика использована в программах расчета равновесного состава продуктов сгорания при заданных давлении, температуре и коэффициенте избытка воздуха. Мольные доли CgHig, N2 и 02 в составе топлива являются исходными долями при расчетах кинетики химических реакций горения.
Из приведенного в гл. 1 обзора следует, что ДКМ низкотемпературного окисления и распада тяжелых углеводородов до сих пор не известен, поэтому заменим его односторонним процессом термического распада н-октана на легкие углеводороды и атомарный водород. Схему и константы скорости разложения октана заимствуем из [21], как для тетрадекана СнНзо (таблицы 1.2 и 1.5). Из реакций таблицы 1.2 выберем, как самые общие, реакции 2 и 3: С Нзо- СзНб+5С2Н4+Сгі4; СзНб-- С2Н4 1 С2Н2+2Н . Для октана аналогичные уравнения выглядят следующим образом: С8Н18- С3Н6+2С2Н4+СН4; (2.5) С3Н6- С2Н4+0,5С2Н2+Н. (2.6) Используем эти уравнения для вычисления теплового эффекта Н реакций распада октана. В таблице 2.1 приведены теплоты образования реагирующих компонентов АН0fi298 [51]. Тепловые эффекты реакций (2.5), (2.6) вычислены по формуле H = AHC8H18- JAHiMi, (2.7) і где МІ — число молей /-го компонента в реакциях, суммарное значение Н составляет 11 % от теплоты сгорания октана.
Реакции (2.5) и (2.6) образуют принятый механизм распада октана, каждая из них заменяет две параллельные реакции таблицы 1.2, поэтому константы скорости последних нужно удвоить. Полученные данные приведены в таблице 2.2. drj _ dr dr пропилена СзНб (2.5), насчитывает 31 уравнение. Для s компонентов, участвующих в q химических реакциях система имеет вид = ±k1rJrk±k2rlrm ... ±kqrprr; = ±k,rarb±k2rcrd ... ±kqrerf; (2.8) dr, s _ dr = +k,r ro+k-,r гя ... кк r rr vl a /3 v2 у S — q є QСистема уравнений кинетики типа (1.1), с учетом новых веществ - октана CgHjg и
Здесь: слагаемые ±ktr г соответствуют скоростям /-ой реакции - прямой (+) и обратной (-); kt = 0, если компонент не участвует в /-ой реакции; для мономолекулярных реакций в правой части некоторые доли г = 1. Поскольку сумма мольных долей всех компонентов в течение процесса не постоянна, значения мольных долей периодически корректируются, что обеспечивает
Для кинетических уравнений с концентрацией компонентов п, моль/л, используются константы скорости реакций таблицы 1.1 с размерностью для мономолекулярных реакций - 1/с, для бимолекулярных - л/(моль с), а для тримолекулярных - л /(моль с); общее обозначение размерности в таблице 1.1: МОЛЬ, Л, С. В случае кинетических уравнений (2.8) с мольными долями г эти константы к необходимо перевести в константы к с другой, одинаковой для всех реакций, размерностью - 1/с: - мономолекулярные к = к ; - бимолекулярные к = к щ; (2.9) - тримолекулярные к = к п02 , где щ = p/(1000RT) - мольная концентрация, моль/л, при давлении р, Па, и температуре Т, К; R = 8,314 Дж/(моль К). Посколькур и Тв течение процесса изменяются, значение щ необходимо вычислять на каждом шаге по времени.
Исходные данные для решения задачи турбулентного догорания
Горючая смесь в камере сгорания (КС) отделена от продуктов сгорания турбулентным фронтом горения, который в микроламинарном приближении [32] представляет собой сильно деформированный, изменяющийся во времени тонкий слой газовой смеси (промежуточных продуктов горения), решение для которого в рамках нульмерной кинетики получено в главе 2. Продукты сгорания представляют собой гомогенную (но не однородную) смесь компонентов, перемешанных на молекулярном уровне. Примем, что границей точка „ „ зажигания о поля решения задачи ТД является средняя поверхность фронта горения FS (рис. 3.1). В связи со сложностью общего математи ческого описания выделим газодинамическую задачу, определяющую турбулентное поле ско ростей смеси продуктов сгорания без учета хи мических реакций, и проведем расчеты при по стоянной и заданной температуре продуктов Рис. 3.1. Область догорания сгорания, воспользовавшись программой GAS-2 і su is і д.т.н., проф. Дунаева В.А.
В рамках k-є модели тубулентности поля скорости позволяют рассчитать поля коэффициента турбулентного обмена (КТО) [31, 32].
При движении фронта горения в неоднородном поле коэффициента избытка воздуха а отдельные участки его "средней" поверхности имеют различные местные значения а, определяющие по данным главы 2 температуру горения, состав продуктов (табл. 2.6) и скорость их оттока V0T (рис. 3.1). Перечисленные данные необходимо использовать в задаче ТД как граничные условия на фронте.
Поля а в КС с учетом их сжатия продуктами сгорания и значения скорости оттока продуктов определены в работах к.т.н., доцент С.А. Чеснокова [35-39, 69-71]. Давление считаем одинаковым по всему объему камеры сгорания вследствие ее небольших размеров и известным по данным [71].
Сокращенный механизм химических реакций догорания включает в себя 26 обратимых реакций окисления углеводородов и азота воздуха (для 14 компонентов), которые определены как ведущие в работах автора [78-80]. В таблице 3.3 приведены характеристики констант скорости этих реакций. Значения этих характеристик проверены при анализе данных в [81-83].
Таким образом, при решении поставленной задачи турбулентного догорания в зоне продуктов сгорания в качестве общих исходных данных используются: поле скорости в камере сгорания, поле коэффициента турбулентного обмена, скорость и геометрия фронта горения, значения (массив во времени) коэффициента избытка воздуха горючей смеси вдоль фронта, константы скорости 26-ти ведущих реакций окисления углеводородов и азота воздуха [91,92].
Широко используемая теория расчета характеристик переноса в газах Чэпмена и Энскога [88] исходит из следующих предположений: - газ достаточно разреженный и в нем происходит соударения только двух молекул; - движение молекул описывается законами классической механики; - возможны только упругие столкновения; - межмолекулярные силы действуют только между центрами молекул, то есть поле сил сферически симметричное.
С этими ограничениями теория была бы применима только для одноатомных газов при низких давлениях ( 50-105 Па) и высоких температурах. Однако из-за отсутствия других удобных моделей эту теорию часто применяют и для многоатомных газов и их смесей, в том числе химически реагирующих. Тем не менее, по мере возможности будем ориентироваться на экспериментальные значения вязкости, применяя теоретические зависимости лишь в случае необходимости. По данным известной монографии Рида и Шервуда [88, с.
452] экспериментальные значения динамического коэффициента вязкости (динамическая вязкость) при давлениях 40-105 Па и температурах 300 К для основных компонентов продуктов сгорания имеют следующие значения: азот - т] = 0,0185-10 3 Пас; двуокись углерода - TJ = 0,0170-103 Па-с (10"3 Пас = 10"2 пуаз). Для остальных компонентов используем значения, рекомендованные справочной литературой широкого пользования, например [49], при атмосферных давлении и температуре. Интерполяция вязкости в область высоких температур (до температуры продуктов сгорания), по рекомендации [89], может проводиться на основе зависимости, позволяющей по известной вязкости компонента rji при температуре Г/ рассчитать для него вязкость rj2 при температуре Т2: Здесь Т - приведенная температура, К; Q (Т) - интеграл столкновений; є— минимальная энергия притяжения молекул; к - постоянная Больцмана. Экспериментальные данные соответствуют, как правило, атмосферным условиям, поэтому Ті=300 К; среднюю температуру продуктов сгорания зададим, как Т2=2500 К.
Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе в двигателе GDI "Mitsubishi"
Система уравнений турбулентного догорания (3.29) - (3.34) была решена в трехмерной постановке для двигателя "Mitsubishi" (рисунок 3.9). Параметры двигателя приведены в разд. 3.4. Рассмотрен рабочий режим (со средней нагрузкой) обеспечивающий максимальное давление при горении 6 МПа и два варианта этого режима: без рециркуляции отработанных газов из выпускной магистрали (R = 0) и с рециркуляцией, учитывающей и остаточные газы в цилиндре (R = 0,2). Типичный мольный состав отработанных газов принят сле дующим: 0,1% Н2, 1% 02, 0,4 % CO+NO, 13 % Н20, 11,5 % С02, 74 % N2. Не будем учитывать компоненты, доля которых менее 0,5 %; остаются: 1 % 02, 13 % Н20, 11,5 % С02, 74,5 % N2. В таблице 4.1 в качестве примера приведены данные по стехиометрическому (а = 1) составу свежей горючей смеси (R = 0) и смеси разбавленной рециркулирующими газами (R = 0,2). Данные для свежей смеси получены при расчетах по программе R35.FOR, где в одном из фрагментов реализована методика расчета исходного состава свежей смеси. Состав разбавленной смеси определялся по выражению П = П (1 - R) + П" R, (4.1) где штрихом и двумя штрихами обозначены, соответственно, доли /-го компонента в свежей смеси и в отработанных газах. При других значениях а = 0,8 / 0,9 / 1,2 / 1,5 получены аналогичные данные. Отметим, что присутствие 1 % кислорода в отработанных газах приводит к некоторому обеднению разбавленной горючей смеси, соотношение кислород / горючее возрастает на 1,2 %.
Данные таблиц мольного состава горючей смеси при различных коэффициентах избытка воздуха а позволяют решить нульмерные задачи кинетики для ламинарного горения (гл. 2) и получить температуры горения и мольный состав продуктов горения на выходе фронта.
Эти результаты представлены в таблицах 4.2 и 4.3. Как показывает анализ (см. гл. 2), практически для всех компонентов, кроме оксида азота NO, состав продуктов близок к равновесному при температуре горения и заданном давлении. Уровень температур при рециркуляции ниже на 200 К, что уже на выходе фронта горения определяет существенно меньшее содержание оксидов углерода СО и азота NO. Данные таблиц 4.2 и 4.3 используются в качестве граничных условий на внутренней огибающей турбулентного фронта горения для решения задачи турбулентного догорания в полости цилиндра - расчетов полей температуры и содержания компонентов в период догорания и расширения.
Решение задачи проводилось методом расщепления шага по времени, внутри расщепленного шага по каждой из координат использовался метод прогонки, для вычисления источников тепла и массы компонентов применялся метод Гира (см. разд. 3.4). Для экономии машинного времени шаг по вертикальной координате увеличивался во времени в соответствии с перемещением поршня, что позволило сохранить общее число шагов по координатам постоянным. При шаге решения во времени 10"6 с и сетке поля решений 33x33x17 машинное время на ПЭВМ "Pentium-4" (1,9 ГГц) составляет не более 3 часов.
Для первых результатов решения была отмечена заниженная температура продуктов сгорания при расширении, что определило низкую температуру на входе в выпускной канал ( 700-900 К), а это противоречило результатам [64]. Такое занижение температур было обусловлено отсутствием в математическом описании задачи уравнений тонкого ламинарного подслоя, прилегающего к стенке камеры сгорания. Для того, чтобы учесть этот слой, необходимо уменьшить вблизи стенок шаг решения по координатам на два порядка, что приведет к увеличению машинного времени более, чем в 10 раз. В связи с этим, термическое сопротивление ламинарного подслоя толщиной 8Л было учтено в виде простого соотношения стационарной теплопередачи в форме граничного условия 4-го рода (рисунок 4.1). Тепловой поток плотностью qT, подводимый к границе турбулентного поля решения, и плотность потока тепла qjj, передаваемого через ламинарный подслой в стенку, равны: (TcpW)AT/LT = (Т„-Т0)ЛЛ/8Л (4.2) где Лл и Лт = ЛЛЫТ - ламинарный и турбулентный коэффициенты теплопроводности продуктов сгорания; LT - характерный размер турбулентной области; Т0 -средняя температура стенки, Т0 & 600 К. Таким образом, температура на границе поля решения Tw =(Т0 + АТср)/(1 +А), A- SJJNT/LT. (4.3)
Полученная зависимость является формулой осреднения - значение Tw является средним между Т0 и Тср. При больших A Tw — Тср , при малых A TW- T0 . В процессе расширения смеси характерный размер области решения LT увеличивается, что сопровождается уменьшением скорости конвективных течений в полости цилиндра, а это ведет к росту толщины ламинарного подслоя дл. Примем, в первом приближении, что LT/ SJJ = const = Cw, тогда A = NT/CW. (4.4)
Кратность коэффициента турбулентного обмена (КТО) NT уменьшается во времени процесса в соответствии с рисунком 3.6. Значение коэффициента граничных условий Cw подбиралось при тестовых решениях общей задачи таким образом, чтобы температура в начале выпускной магистрали соответствовала экспериментальной. Полученное значение Cw = 100 использовалось во всех расчетах. В течение процесса расширения кратность КТО изменялась в пределах NT = 700...70, а коэффициент A = 7...0,7.
Оценим толщину ламинарного подслоя 8Л . Считая, в соответствии с рисунком 4.1, что LT = Н/4, где Н 0,025 м - высота камеры сгорания двигателя "Mitsubishi", получим 8Л = LT/ Cw=" 0,006/100 = 0,6-10"4 м, это хорошо соответствует оценкам [66], где 10" м.
Поставленная таким образом задача позволила получить трехмерные поля температуры и мольных долей компонентов в течение горения и расширения смеси вплоть до открытия выпускного клапана.
Похожие диссертации на Образование оксидов углерода и азота при горении и догорании в двигателе внутреннего сгорания
