Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модели образования оксидов азота в двс и методы расчета их концентраций 12
1.1 .Токсичные компоненты ог дизелей 12
1.2. Образование оксидов азота в кс 16
1.2.1. Химизм процесса 17
1.2.2. Методы расчета процесса образования оксидов азота ... 20
1.2.3. Феноменологическая модель образования no в цилиндре дизеля 26
1.3. Методы улучшения экологических показателей дизелей 31
1.4. Методы определения нестационарных локальных температур в цилиндре дизеля 34
1.4.1. Однозонная модель 34
1.4.2 двухзонная модель 35
1.4.3. Многозонная модель 38
1.5. Заключение к главе 1 и постановка задачи исследования 40
Глава 2. Многозонная модель расчета локальных температур рабочего тела в цилиндре двигателя с непосредственным впрыскиванием топлива 42
2.1. Распределение впрыскиваемого топлива по объему камеры сгорания дизеля. Построение трехмерной модели топливного факела 42
2.2. Краткое описание алгоритма расчета распределения топлива по объему кс 49 стр.
2.3. Интенсивность вихревого движения воздуха в камере сгорания 56
2.4. Расчет локальных температур рабочего тела в объеме камеры сгорания 59
Выводы к главе 2 71
Глава 3. Расчетно-экспериментальное исследование содержания оксидов азота в продуктах сгорания двигателя 72
3.1. Расчет равновесного состава продуктов сгорания 72
3.2. Модель для расчета парциальных давлений отдельных компонентов продуктов сгорания 76
3.3. Расчет образования оксидов азота на основе «расширенного» механизма я.б.зельдовича 78
3.4. Экспериментальная установка для исследования концентрации оксидов азота в выпускных газах дизеля 83
Выводы к главе 3 90
Глава 4. Анализ результатов расчетно- экспериментальных исследований 92
4.1. Определение содержания оксидов азота в продуктах сгорания быстроходных дизелей различной модификации 92
4.2. Особенности расчета оксидов азота в двигателе с непосредственным впрыскиванием бензина 101
4.3. Уменьшение содержания оксидов азота в продуктах сгорания путем воздействия на рабочий процесс 106
Выводы к главе 4 111
Основные выводы по диссертационной работе 112
Список литературы
- Методы расчета процесса образования оксидов азота
- Краткое описание алгоритма расчета распределения топлива по объему кс
- Модель для расчета парциальных давлений отдельных компонентов продуктов сгорания
- Особенности расчета оксидов азота в двигателе с непосредственным впрыскиванием бензина
Введение к работе
Токсичные вещества из различных источников загрязняют атмосферный воздух нашей планеты. К ним относятся газы и аэрозоли, образующиеся в результате деятельности человека и естественных источников. Естественные источники выбрасывают в атмосферу до 90,5% СО и СО2, до 74,3% CnHm, 85% твердых частиц [49]. Транспортные и стационарные энергетические установки выбрасывают примерно равные количества токсичных веществ по массе.
Почти все средства современного транспорта загрязняют атмосферу, однако большая часть из них приходится на автомобили. На автомобильный транспорт приходится около 53% общих выбросов оксидов азота [49,92].
Загрязнение воздушной среды создает угрозу жизни и здоровью людей. Такая угроза возникает в агломерациях, в пунктах пересечения дорог и улиц, при заторах в дорожном движении, особенно в безветренную погоду. Высокие концентрации вредных веществ вызывают заболевания органов кровообращения и дыхания.
Вредные вещества, попадая в окружающую среду, наносят разносторонний ущерб растительному и животному миру. Попадание некоторых из них в верхние слои атмосферы способствует возникновению парникового эффекта, который на 50% зависит от углекислого газа, образующегося при сжигании углеводородного топлива.
В 1952 году А.Дж. Хааген-Смит открыл, что проблема смога является результатом цепных реакций между оксидами азота, углеводородными составляющими и кислородом воздуха в присутствии солнечного света [31].
Согласно отечественным и зарубежным прогнозам, поршневой двигатель внутреннего сгорания сохранится в качестве основной энергетической установки самоходных машин еще в течение нескольких
десятилетий. Причем, предпочтение будет отдаваться наиболее экономичным двигателям - дизелям [96].
В настоящее время задача усовершенствования двигателей внутреннего сгорания, и в частности, дизелей, приобретает характер поиска компромисса между двумя основными требованиями. С одной стороны, всемерное стремление к улучшению топливной экономичности. С другой стороны, при этом накладываются жесткие ограничения, в виде нормативных документов и стандартов, на экологические характеристики двигателя: дымность и токсичность ОГ.
Оксиды азота обладают наибольшей токсичностью среди компонентов отработавших газов дизелей, в связи с этим в диссертационной работе исследованию их концентрации уделено основное внимание.
Ниже приведена краткая характеристика диссертационной работы.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка метода расчета локальных и суммарных концентраций оксидов азота для прогнозирования экологических характеристик проектируемых и для оценки уровня токсичности существующих двигателей.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка математической модели, алгоритма и программы для расчета локальных нестационарных температур рабочего тела в объеме камеры сгорания;
Разработка алгоритма и программы расчета локальных и суммарных концентраций оксидов азота на основе расширенного механизма Я.Б.Зельдовича;
Экспериментальное исследование концентрации вредных веществ в выпускных газах дизеля на специальной опытной установке;
- Анализ полученных расчетно-экспериментальных результатов, оценка адекватности предложенных математических моделей и определение путей, направленных на улучшение экологических характеристик быстроходных двигателей. Научная новизна. Разработан и экспериментально проверен метод расчета концентрации оксидов азота в продуктах сгорания двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива, отличается от существующих тем, что метод:
Учитывает локальное распределение впрыскиваемого топлива и на его основе локальные значения нестационарных температур рабочего тела в цилиндре;
Позволяет рассчитать не только суммарные значения оксидов азота, но и их локальные значения в цилиндре двигателя;
Учитывает влияние на концентрацию оксидов азота таких факторов как давление и закон впрыскивания топлива, количество сопловых отверстий, интенсивность закрутки потока впускного воздуха.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются: О Применением фундаментальных законов и уравнений термодинамики,
тепломассообмена и химической кинетики с соответствующими
граничными условиями, современных численных и аналитических
методов реализации математических моделей; О Использованием при обосновании и оценке адекватности
разработанных алгоритмов и математических моделей достоверных
опытных данных, полученных на специальной установке в МГТУ им.
Н.Э.Баумана с применением современной измерительной техники; О Использованием достоверных результатов исследований, выполненных
в МГТУ им. Н.Э.Баумана, НИИ химической физики РАН, КамАЗ, ЯМЗ,
СПбГТУ и др.
Практическая значимость работы состоит в том, что
Разработаны алгоритмы и программы, реализующие уточненные математические модели для расчета локальных концентраций оксидов азота в цилиндре двигателя, позволяющие с достаточной для практики точностью решать задачи оценки экологических характеристик проектируемых и существующих двигателей;
Разработан относительно простой экспериментальный метод определения концентрации оксидов азота, который в совокупности с предложенной математической моделью позволяет сократить временные и материальные затраты при создании малотоксичных двигателей.
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э.Баумана 4 июля 2002 г.
Основные разделы диссертационной работы были представлены: на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, 20 сентября 2000г; на 3-ей Всероссийской национальной конференции по теплообмену 21-25 октября 2002г., Москва, МЭИ; а также на заседаниях кафедры Э2 2000-2001 г.г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах [15, 37, 39, 40], а также в отчетах Э2 по НИР за 1999-2002 г.г.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 128 страниц основного текста, 32 рисунка, список использованной литературы, включающий 127 наименований.
* * *
11 Автор выражает свою глубокую признательность преподавателям и сотрудникам кафедры "Поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания" МГТУ им. Н.Э. Баумана. И в особенности научному руководителю - доктору технических наук, профессору Ревазу Зурабовичу Кавтарадзе, за постоянное внимание и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Методы расчета процесса образования оксидов азота
Краткое описание алгоритма расчета распределения топлива по объему кс
Можно выделить три основные группы методов расчета выбросов оксидов азота с ОГ двигателей: — по равновесным концентрациям реагирующих веществ; — на основе классического цепного механизма Я.Б.Зельдовича; — на основе расширенного механизма Я.Б.Зельдовича.
Первая группа методов, как правило, используется для оценки влияния тех или иных факторов на образование NOx (а, є, р, Т) [50, 26]. Равновесная концентрация оксидов азота может быть определена двумя методами:
1. По условиям равновесия для индивидуальной реакции образования N0 из азота и кислорода (реакция (1.7), п. 1.2.1). Методика такого расчета вытекает из термического механизма образования оксида азота [30].
2. При расчете равновесного состава продуктов сгорания, когда учитывается диссоциация веществ, участвующих и образующихся в процессе сгорания. Число определяемых компонентов при этом может быть различным. Часто расчет равновесного состава проводят для десяти [118] — одиннадцати [21, 55, 119] — двенадцати [5, 28] компонентов, таких как С02, СО, Н20, Н2, ОН, 02, О, NO, N2, N, N20. Содержанием других возможных компонентов пренебрегают. В работе [24] проведен расчет для 18 компонентов: О, 02, 03, Н, Н2, ОН, Н20, С, СО, С02, СН4, N2, NO, N02, NH3, HN03, HCN.
Для расчета равновесного состава продуктов сгорание оставляется система нелинейных уравнений, включающая в себя уравнения равновесия, материального баланса и уравнение Дальтона, устанавливающее связь между полным давлением смеси и парциальным давлением отдельных компонентов. При этом общее число уравнений равно числу компонентов, которые определяются в составе продуктов сгорания.
Для расчета динамики образования N0 в цилиндре двигателя используют вторую и третью группы методов. При этом применяют единое определяющее дифференциальное уравнение, описывающее общий процесс образования NO по двум { (1.2), (1.3)}, или нескольким реакциям цепного механизма [5, 21, 24, ЗО, 48, 51, 55, 61, 87 и др.]. Принимаются следующие допущения [50]: — применяют принцип квазистационарных концентраций для N, О, N20 и др. компонентов, концентрации которых в процессе образования N0 малы и быстро достигают равновесия; — углеводородные реакции в зоне пламени достигают химического равновесия одновременно с окончанием процесса тепловыделения, поскольку скорости пламенных реакций примерно на два порядка выше скорости послепламенных реакций; — состав действительных концентраций веществ в зоне продуктов сгорания — равновесный, несмотря на отставание реакций окисления азота от реакций окисления углеводородов.
Параллельно с определяющим дифференциальным уравнением, описывающим выход N0, решают систему нелинейных алгебраических уравнений для нахождения равновесного состава продуктов сгорания для каждого расчетного момента рабочего цикла двигателя.
Также для этих расчетов принимается ряд допущений о локальных температурах и концентрациях воздуха, топлива, продуктов сгорания. Для этих целей разработаны двухзонные и многозонные физические модели.
Особо следует отметить расчетные методы, основанные не на кинетических уравнениях химических реакций. Так, в работах [47, 54, 65] принято, что скорость образования оксида азота лимитируется скоростью отвода продуктов брутто-реакции N2+02=2NO из фронта пламени и расчет образования N0 производится по уравнению, включающему равновесную концентрацию NO и константу его скорости диффузии.
В работах [66, 77] выдвигается гипотеза о взаимосвязи характеристик тепловыделения в начальный период сгорания и концентрации N0X в ОГ для дизелей. Предлагаются эмпирические уравнения, связывающие выход N0X с максимальной скоростью нарастания давления в цилиндре или с количеством испарившегося за период задержки воспламенения топлива.
Рассмотренные методы расчета процесса образования оксидов азота в цилиндре двигателя не однозначны, по ряду положений противоречат друг другу, принятые допущения о распределении локальных температур, давлений, концентраций в КС носят условный характер, эти модели не лишены некоторых существенных недостатков и мало отражают специфику процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля.
Так, приближенный характер носит гипотеза о равновесном составе в зоне продуктов сгорания, то есть не учитываются процессы во фронте пламени вокруг капли. Но, как показывают исследования [74, 88], светящийся высокотемпературный фронт диффузионного пламени располагается в слое, где ос=0,6...0,9. Выгорание топлива в таких условиях не может быть полным. Даже из зоны смеси стехиометрического состава (а=1) в окружающую среду выбрасывается около 30% невыгоревшего СО и другие продукты неполного сгорания, в том числе активные частицы О, ОН, Н [32]. Это связано с быстротечностью диффузии и неравновесностью химических процессов [74].
Еще одной важной проблемой является возможность достоверного задания температуры и состава газов в локальных объемах КС и особенно в сильно турбулизированном факеле горящего топлива дизеля. Очевидно, что это требует проведения значительного количества экспериментальных исследований для определения начальных параметров состояния содержимого зон и особенностей тепловыделения в каждой из них.
Модель для расчета парциальных давлений отдельных компонентов продуктов сгорания
В приведенных восьми уравнениях констант равновесия реакций диссоциации содержится 11 неизвестных парциальных давлений газов, составляющих продукты сгорания.
Уравнение баланса элементов, входящих в горючую смесь, составляются путём приравнивания количества элемента, входившего в горючую смесь, количеству этого же элемента, водящего в продукты сгорания.
Для нашей системы элементов балансовые уравнения записываются следующим образом [100]: В отработавших газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота N0. В зависимости от процессов, приводящих к образованию оксидов азота, различают следующие виды N0 [27]: - "термические" N0; - "быстрые" N0; - "топливные" N0.
"Термические" N0 образуются в результате окисления атмосферного азота в зоне продуктов сгорания при высокой температуре, содержащимся там свободным кислородом ("термический" механизм).
"Быстрые" N0 образуются непосредственно в зоне горения углеводородных топлив в результате связывания молекул азота радикалами СН и СН2.
"Топливные" N0 образуются в процессе горения в результате частичного окисления до N0 азотсодержащих соединений топлива.
В реакциях образования оксида азота участвуют как топливный азот, так и азот атмосферного воздуха. При разгонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях. Поэтому при сгорании дизельных топлив и бензинов, получаемых из нефти, можно пренебречь образованием N0 из топливного азота. Общепринятой теорией образования N0 из атмосферного азота и кислорода является термическая теория, разработанная Я.Б.Зельдовичем, П.Я. Садовниковым и Д.А. Франк-Каменецким [30].
Основные положения этой теории можно сформулировать следующим образом [27]. 1. Окисление атмосферного азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания. 2. Образование NO зависит от максимальной температуры горения, концентрации кислорода и азота в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива. 3. Окисление азота происходит по цепному механизму, основные реакции которого: 02 2 0; (3.19) N2+0 - NO + N; (3.20) N + 02oNO + 0. (3.21) Определяющей является реакция (3.20), скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. В условиях, когда в газовой смеси содержатся пары воды, механизм процесса образования N0 включает следующие реакции: ОН + N2 - NO + NH; (3.22) NH + 02 NO + OH. (3.23) Однако и в этом случае определяющей является реакция (3.20). 4. Выход оксидов азота зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания. 5. В бедных смесях выход N0 определяется максимальной температурой горения взрыва, т.е. кинетикой его образования. В богатых смесях выход NO перестает зависеть от максимальной температуры взрыва и определяется кинетикой разложения, т.е. "закалкой" образовавшегося NO. 6. Концентрация NO не превышает равновесную при максимальной температуре взрыва. 7. Махе-эффект (неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания при сгорании в замкнутых объемах) существенно влияет на выход NO при горении бедных смесей и слабо - при горении богатых смесей.
На основании "термической" теории образования NO в процессах сгорания было выведено уравнение для расчета этого процесса.
Особенности расчета оксидов азота в двигателе с непосредственным впрыскиванием бензина
Для проверки адекватности модели расчета концентрации оксидов азота для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива был произведен также расчет быстроходного дизеля того же класса. Для расчета были взяты следующие двигатели:
Бензиновый двигатель 64 84/75 (BMW М50). Рассчитывался на режиме( 8 = 10,5, п = 6000 мин"1, Ne= 141 кВт). И быстроходный дизель 6ЧН 80/83 (BMWM51) на режиме ( є = 22, n = 4600 мин1, Ne= 105 кВт).
Расчет проводился с учетом всех вышеуказанных допущений. На рисунках 4.12-4.14 приведены результаты расчета. Видно, что хотя в некоторых КО температура и соответственно локальная концентрация [NOx] в дизелях были выше, чем в бензиновом двигателе (рис.4.12), в целом же средняя температура у дизеля все же была меньше. Следовательно, суммарная концентрация оксидов азота в бензиновом двигателе оказались выше, что видно на рис.4.14.
В заключении следует подчеркнуть, что использование разработанной модели расчета локальных концентраций оксидов азота для бензиновых двигателей можно использовать только в первом приближении. Действительно, в зоне расположения свечи зажигания, где возникают первые очаги сгорания, локальная температура и соответственно, локальная концентрация оксидов азота могут быть значительно выше, чем это получается в результате моделирования. Правда, можно предположить, что отдельно взятая высокая локальная концентрация [NOx] не сильно влияет на суммарную концентрацию [NOx] в выпускных газах.
В пользу такого допущения говорит, также, широкое использование для расчета бензиновых ДВС двухзонных моделей (см. главу 1), в которых место расположения свечи зажигания также не предусмотрено.
Все таки, в дальнейшем предложенную модель следует модифицировать с учетом высказанных соображений, и видимо, только после этого можно ее окончательно рекомендовать и для бензиновых ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива.
Результаты анализа публикаций, научных и технических разработок показывают, что в мировом двигателестроении приняты следующие основные направления совершенствования автомобильных двигателей для улучшения их экологических показателей: —выбор оптимальных (рациональных) конструкционных и регулировочных параметров двигателя и его систем, обеспечивающих низкую токсичность и высокую экономичность; —обеспечение автоматического регулирования параметров двигателя в зависимости от режима работы силовой установки.
Кроме того, важным фактором, влияющим на показатели рабочего процесса дизеля, являются параметры топливоподачи: максимальное давление впрыскивания, продолжительность топливоподачи, мелкость распыливания топлива, дальнобойность струй.
Из других средств воздействия на рабочий процесс можно назвать: применение рециркуляции ОГ; оптимизацию формы КС; улучшение наполнения цилиндра.
Была рассмотрена зависимость образования оксидов азота в цилиндре двигателя от таких факторов как: 1. угол опережения впрыскивания; 2. степень сжатия; 3. диаметр соплового отверстия; 4. послойное смесеобразование.
Влияние угла опережения впрыскивания топлива на выделение оксидов азота показано на рис.4.15. Из него видно, что с его уменьшением снижается также выход оксидов азота. Происходит уменьшение локальных температур в цилиндре двигателя за счет того, что процесс сгорания протекает менее интенсивно. Это вызвано тем, что вначале сгорания в цилиндре находится меньше топлива, кроме того, увеличивается теплоотдача от газов в стенки, что также снижает их температуру.
