Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ОБРАЗОВАНИЮ И СНИЖЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИЮ ОКСИДОВ АЗОТА В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ 12
1.1. Содержание оксидов азота в продуктах сгорания поршневых двигателей 12
1.2. Механизмы образования оксида азота 18
1.2.1. Механизм Я.Б. Зельдовича (Термический механизм) 18
1.2.2. «Быстрый» оксид азота NO (Prompt-NO) 23
1.2.3. Топливный оксид азота 24
1.2.4. Образование N0 из N20 25
1.2.5. Схемы образования N0 на основе детального кинетического механизма 26
1.2.6. Упрощенные и полуэмпирические зависимости для расчета [N0X] в продуктах сгорания поршневого двигателя 32
1.2.7. Влияние давления, температуры и временного фактора на образование оксидов азота 34
1.3. Моделирование образования оксидов азота в рабочем цикле поршневого двигателя 37
1.4. Краткий анализ работ по расчетно-экспериментальным исследованиям [N0X] в продуктах сгорания поршневых двигателей 42
1.5. Выводы по главе 1. Цель и задачи диссертационной работы 56
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДОВ АЗОТА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ ТОПЛИВА 59
2.1. Постановка задачи и краткое описание алгоритма ее решения 59
2.2. Моделирование распределения топлива по объему камеры сгорания 62
2.3. Моделирование локальных температур рабочего тела в объеме камеры сгорания 65
2.4. Моделирование локальных концентрации оксидов азота в объеме камеры сгорания 68
2.5. Анализ различных законов впрыскивания топлива, предназначенных для улучшения экологических характеристик дизеля 73
2.6. Основные факторы, влияющие на локальные концентраций оксидов азота в цилиндре двигателя 81
2.6.1. Конструктивные и регулировочные параметры 81
2.6.2. Базовые факторы математической модели 83
2.7. Экспериментальная проверка метода расчета концентраций оксидов азота.. 87
2.7.1 .Апробация метода расчета на дизелях с непосредственным впрыскиванием топлива 87
2.7.2. Экспериментальное исследование концентраций оксидов азота в выпускных газах дизеля с вихревой камерой сгорания 94
2.8'. Выводы по главе 2 102
ГЛАВА З.СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ ЗМЗ-5145.10 С ОДНОКРАТНЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ ТОПЛИВА 105
3.1. Краткая характеристика семейства быстроходных дизелей ЗМЗ 105
3.2. Результаты экспериментальных исследований дизеля ЗМЗ-5145
используемые в качестве исходных условий при расчете [NOx] 107
3.2.1. Результаты измерения концентраций оксидов азота 109
3.2.2. Результаты индицирования двигателя 112
3.2.3. Получение характеристик тепловыделения из индикаторных диаграмм 113
3.2.4. Характеристики впрыскивания топлива 117
3.2.5. Интенсивность вращательного движения заряда 119
3.3. Влияние интенсивности вихревого движения заряда и закона топливо-подачи на динамику топливного факела 120
3.4. Анализ локальных нестационарных температур рабочего тела в камере сгорания 130
3.5. Влияние характеристики однократного впрыскивания на концентрации оксидов азота 135
3.6. Влияние конструктивных и регулировочных параметров на концентрацию оксидов азота при однократном впрыскивании топлива 137
3.6.1. Влияние количества сопловых отверстий 139
3.6.2. Влияние диаметра и количества сопловых отверстий 141
3.6.3. Влияние угла опережения подачи топлива 145
3.6.4. Влияние степени сжатия 148
3.7. Снижение концентраций оксидов азота путем гомогенного сгорания 150
3.8. Выводы по главе 3 154
ГЛАВА 4.СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ ЗМЗ-5148.10 С ДВУКРАТНЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ ТОПЛИВА 157
4.1. Выбор базовых параметров математической модели 157
4.2. Влияние конструктивных параметров двигателя на концентрацию оксидов азота при двукратном впрыскивании топлива 159
4.2.1. Влияние степени сжатия 159
4.2.2. Влияние количества сопловых отверстий 161
4.2.3. Влияние диаметра и количества сопловых отверстий 162
4.3. Влияние регулировочных параметров двигателя на концентрацию оксидов
азота при двукратном впрыскивании топлива 166
4.3.1. Влияние давления впрыскивания топлива 166
4.3.2. Влияние интенсивности воздушного вихря в цилиндре двигателя 168
4.4. Влияние параметров двукратного впрыскивания на концентрацию оксидов азота 169
4.5. Выводы по главе 4 172
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 174
ЛИТЕРАТУРА 178
- Содержание оксидов азота в продуктах сгорания поршневых двигателей
- Постановка задачи и краткое описание алгоритма ее решения
- Краткая характеристика семейства быстроходных дизелей ЗМЗ
- Выбор базовых параметров математической модели
Введение к работе
Согласно научным прогнозам в обозримом будущем поршневые двигатели будут составлять основу транспортной энергетики. Это объясняется, прежде всего, их высокой топливной экономичностью, а также рядом других преимуществ по сравнению с остальными типами тепловых двигателей.
Тенденции развития современных поршневых двигателей, в частности дизелей, связаны, прежде всего, с улучшением их экологических характеристик. Это особенно касается дизелей российского производства, которые согласно решению правительства РФ от 06.10.2005 г. в настоящее время должны удовлетворять нормам Euro-2, а к 2014 г. - нормам Euro-5.
Экологические характеристики поршневых двигателей решающим образом зависят от содержания в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые своим вредным воздействием на человеке, флору и фауну существенно превосходят другие компоненты. В связи с этим снижение концентрации оксидов азота [NOx] в выпускных газах быстроходных дизелей является одной из самых актуальных задач современного двигателестроения.
Цель и задачи работы. Исследование возможностей снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания быстроходных дизелей семейства ЗМЗ путем усовершенствования рабочего процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка многозонной модели для расчета концентрации оксидов азота локальных нестационарных температур, учитывающей характеристику подачи топлива в цилиндр, распределение топлива по объему камеры сгорания в зависимости от интенсивности закрутки воздуха, тепло- и массообмен между зонами и теплообмен со стенками камеры сгорания.
Проведение расчетно-теоретических исследований образования оксидов азота и экспериментальная проверка результатов численных экспериментов.
9 3. Определение оптимальных значений конструктивных и регулировочных
параметров дизелей ЗМЗ, позволяющих снизить концентрацию оксидов азота до ш
уровня, предусмотренного международными нормами.
Научная новизна работы. Исследовано влияние на [NOx] закона
впрыскивания топлива произвольного характера, в том числе и многократного и
многоступенчатого впрыскивания. При этом учитывается распределение
топлива по объему камеры сгорания в зависимости от интенсивности вихря
впускного воздуха (в том числе и гомогенное сгорание), дана оценка принятых
t механизмов образования NOx и определены влияния процессов теплообмена
между отдельными локальными зонами камеры сгорания и теплообмена между
рабочим телом и стенками камеры сгорания.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
-использованием фундаментальных законов и уравнений термодинамики,
тепло-массообмена и физической химии с соответствующими граничными
условиями, современных численных и аналитических методов реализации
математических моделей;
- применением достоверных опытных данных, полученных автором в МГТУ
им. Н.Э. Баумана, а также данных заводов-изготовителей ЗМЗ, КамАЗ, ЯМЗ
и др.;
-использованием экспериментальных индикаторных диаграмм в качестве
исходных данных при откладке программы расчета;
-экспериментальным подтверждением достаточной точности результатов
расчета концентрации оксидов азота в продуктах сгорания быстроходных
дизелей;
-применением существующих нормативных актов при расчетно-
экспериментальных исследованиях дизелей.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
-Разработанные метод, алгоритм и программа расчета позволяют
прогнозировать содержание оксидов азота в продуктах сгорания при доводке
существующих и создании перспективных двигателей;
10 - Определены значения конструктивных и регулировочных параметров, обеспечивающих снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания быстроходных дизелей ЗМЗ-5145.10 и 5148.10;
-Результаты исследования в рамках хоздоговорной работы переданы заводу изготовителю и используются при доводке и развитии двигателей семейства ЗМЗ. Они применяются также в учебном процессе на кафедре «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Апробация работы. Диссертационная работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э. Баумана (июнь 2006 г,). Ее отдельные разделы докладывались на третьей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, май 2002 г.), на межвузовских научных конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, ноябрь, 2001г. и ноябрь, 2002 г.), на международном симпозиуме «Образование через науку», посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, май, 2005г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 работ.
Объем работы. Диссертационная работа содержит 189 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 18 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 115 наименований (55 из них на иностранном языке).
* * ф
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, профессору Н.А. Иващенко за постоянное внимание и поддержку во время работы над диссертацией.
Автор приносит благодарность главному конструктору ОАО «Заволжский моторный завод (ЗМЗ)» М.А. Миронычеву и начальнику бюро отдела главного конструктора ОАО «ЗМЗ» А.Д. Блинову за заинтересованность данной работой и плодотворное сотрудничество.
Автор благодарен также преподавателям и сотрудникам кафедры «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э. Баумана, обсудившими ряд вопросов, изложенных в диссертации и давшими полезные советы.
Содержание оксидов азота в продуктах сгорания поршневых двигателей
При полном сгорании топлива, состоявшего только из атомов углерода С и водорода Н, общая химическая формула которого имеет вид CmHn , выпускные газы двигателя состоят из кислорода 02 , азота N2 , диоксида углерода С02 и водяного пара Н20. В реальном процессе почти всегда имеем дело с неполным сгоранием и к этим компонентам добавляются опасные для здоровья человека вещества, такие, как монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды СН, оксиды азота NOx, а также твердые частицы сажи и ряд других веществ. Продукт полного сгорания СОг не рассматривается как вредное для здоровья вещество, так как не представляет непосредственную опасность для здоровья, однако играет основную роль в образовании парникового эффекта. Очевидно, что снижение концентрации С02 в выпускных газах поршневого двигателя возможно уменьшением расхода топлива или применением таких топлив, которые при такой же теплоте сгорания, какая имеется у традиционного углеводородного топлива, не имеют или имеют малое содержание углерода.
Образование вредных компонентов СО, СН и N0X прежде всего зависит от коэффициента избытка воздуха ак и связанной с ним температуры горения (рис. 1.1). Как видно, концентрации продуктов неполного сгорания СО и СН при обогащении смеси (а„ 1) растут, а максимальная концентрация оксидов азота NOx получается при высокой температуре в цилиндре и коэффициенте избытка воздуха ав=1,1. Обеднение смеси {ав 1,2) приводит к снижению температуры в цилиндре при горении (при избытке воздуха, несмотря на полное сгорание, часть выделенной теплоты идет на подогрев избыточного воздуха и температура смеси невысокая), вследствие чего концентрация NOx уменьшается. При этом [СН] и [СО] повышаются, так как сильно обедненная смесь горит относительно медленно, особенности в пристеночных слоях и при расширении, когда температура заметно падает. Видно, что в области 0 =0,8-1,2 невозможно добиваться одновременного снижения концентрации всех вредных веществ. Этого можно было бы достигнуть при сверхбедных смесях (о4, 1,4), однако при таком составе бензо - воздушная смесь практически не воспламеняется, если не применять метод расслоения заряда в цилиндре или использовать альтернативные топлива, например, водород, имеющие более широкие пределы воспламенения и высокие скорости сгорания бедных смесей, В этом смысле, добавка водорода (5-15% от расхода бензина) может обеспечить работу при %=2 без специальных мер (например, расслоение заряда).
В таблице 1.1 приведены примерные составы выпускных газов бензинового двигателя и дизеля, не оснащенных нейтрализаторами вредных веществ. Видно, что доли вредных веществ в выпускных газах поршневых двигателей с энергетической точки зрения не имеют практического значения. Тем не менее, они представляют собой большую потенциальную опасность для здоровья человека и окружающей среды в целом. Несмотря на то, что в выпускных газах дизеля содержится примерно в 5 раз меньше вредных веществ, чем в выпускных газах бензинового двигателя, абсолютные значения [NOx] у этих двигателей не сильно отличаются друг от друга. Кроме высоких значений [NOJ типичным для выпускных газов дизелей является наличие твердых частиц (сажи), а в выпускных газах бензинового двигателя доминирует [СО].
Обычно встречаются различные оксиды азота - NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4, N205. Их общую химическую формулу правильно было бы записать в виде NyOx, однако, в научно-технической литературе наиболее распространена формула N0X, которая используется и в данной работе. Они, попадая в дихательные пути, образуют с водой соединения азотной (HN03) и азотистой (HNO2) кислот, обладающих разрушающим воздействием на легкие. Допустимая норма содержания оксидов азота- ОД мг на 1 м3 воздуха, и считается, что они примерно в 10 раз опаснее, чем монооксид углерода СО (дальше вместо термина «монооксид» везде используется слово «оксид», кроме того, принимается эквивалентность терминов «окисление» и «оксидация»).
Постановка задачи и краткое описание алгоритма ее решения
Ужесточение норм токсичности отработавших газов (ОГ) для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приводит к необходимости создания и использования математических моделей образования вредных веществ (ВВ) в цилиндре двигателя [2,37,56,57]. Основываясь на них, можно проводить расчетные исследования, существенно сокращающие затраты на разработку перспективных двигателей. Значимость математического моделирования процессов образования ВВ растет также из-за того, что в ряде случаев диагностирование серийных двигателей, особенно когда речь идет об оценке концентрации таких компонентов, как оксиды азота или твердые частицы, связано с большими материальными затратами.
Для расчетов концентрации оксидов азота в настоящее время широкое применение получила 2-х зонная модель рабочего процесса [2,37], согласно которой объем камеры сгорания делится не две условные зоны: зона со свежим зарядом, еще не успевшим сгореть, и зона со сгоревшим уже газом (продуктами сгорания). Типичными для таких моделей являются: 1. Допущение о мгновенном смесеобразовании и мгновенном сгорании; Пренебрежение теплообменом между зонами, температуры которых значительно отличаются друг от друга, а также грубая оценка теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания с использованием известных а - формул, справедливых, как правило, для однозонной модели рабочего процесса и не приспособленных для случая двухзонного представления камеры сгорания.
В качестве основной в данной работе используется математическая модель, разработка и экспериментальная проверка которой осуществлялась на кафедре «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э. Баумана при непосредственном участии автора [56,57]. Следует подчеркнуть, что предложенная модель рабочего процесса является многозонной, свободной от вышеуказанных допущений и учитывающей реальный характер сложных внутрицилиндровых процессов.
Назначение разрабатываемой математической модели - определение локальных концентраций оксидов азота в различных зонах объема камеры сгорания. Математическая модель должна предоставить возможность проведения исследований в зависимости от таких важнейших факторов, как режим работы двигателя, момент и закон впрыскивания топлива, вид топлива, интенсивность закрутки впускного воздуха, процессы смесеобразования и сгорания и др.
Очевидно, что решение такой задачи позволит оценить не только интегральные за рабочий цикл значения выбросов оксидов азота, но и создает возможности воздействия на протекание рабочего процесса в целях уменьшения этого вредного компонента.
Для достижения поставленной цели задача решается в два этапа. На первом этапе объем цилиндра двигателя представляется в виде конечного числа отдельных зон (в данном случае их количество 40, см. рис. 2.1), каждая из них рассматривается как отдельный контрольный объем, для которого используются закон сохранения энергии в виде первого закона термодинамики [95]. Форма камеры сгорания, приведенная на рис. 2.1, отличается от реальной формы полуразделенной камеры, обычно используемой в быстроходных дизелях. Однако различие по форме компенсируется введением в концептуальную многозонную модель понятия эквивалентной камеры сгорания (см. раздел 2.7.1).
Краткая характеристика семейства быстроходных дизелей ЗМЗ
Проектировать двигатель с воспламенением от сжатия на ЗМЗ начали в 1993 г. Современная техническая политика ОАО «ЗМЗ» направлена на создание и освоение массового производства модельного ряда отечественных 4-х цилиндровых дизельных двигателей. Целью завода-производителя является выпуск дизелей, которые по своим техническим характеристикам (шум, частота вращения, габариты) соответствовали бы уровню современных бензиновых двигателей и могли бы заменить (или дополнить) их в качестве силового агрегата. Здесь, прежде всего, имеются в виду легковые автомобили среднего класса, вседорожники, микроавтобусы и малотоннажные грузовики с полной массой до 3500 кг, выполняющие требования Европейских стандартов по экологии (таблица 10). Конкретно дизели семейства ЗМЗ предназначены для автомобилей производства ГАЗ и УАЗ.
Общие черты конструкций быстроходных дизелей ЗМЗ соответствуют современным концепциям, исходящим, прежде всего, из экологических требований: непосредственное впрыскивание, головка из легкого алюминиевого сплава с четырьмя клапанами на цилиндр, центральное расположение форсунки, турбонаддув, рециркуляция отработавших газов. Клапанный механизм не нуждается в регулировке благодаря гидроопорам 1NA немецкого производства.
Поршень с камерой сгорания в днище изготовлен из алюминиевого сплава с нирезистовой вставкой под компрессионное кольцо. Планируется использование поршней, как собственного производства, так и производства фирмы «Male». Специально для ЗМЗ фирма «Bosch» модифицировала насос распределительного типа VE, который теперь развивает максимальное давление 1100 бар и снабжен корректорами для наддува и прогрева дизеля зимой. Привод ТНВД от коленчатого вала зубчатым ремнем. Форсунки фирмы «Bosch»-двухпружинные. Они позволяют осуществлять предварительное впрыскивание топлива. Топливопроводы высокого давления поставляет фирма «Guido».
В перспективе намечается применение ТНВД с электронным управлением «Bosch-VP30» или «Bosch-VP44», что практически не меняет компоновку двигателя и самой топливной аппаратуры. Такой двигатель должен удовлетворять Евро-3. Создан и испытывается опытный вариант ЗМЗ-5145.10 с промежуточным охлаждением надувочного воздуха, развивающий мощность на 10 кВт больше базового варианта. Следующий шаг - 3M3-5148.I0 с повышенной мощностью, удовлетворяющий Евро 3 и Евро-4. Предусмотрены установки аккумуляторной системы топливоподачи типа «Common Rail» и турбины с регулируемым сопловым аппаратом. Не исключается также н использование нейтрализатора выпускных газов.
Исходя из технической политики ОАО «ЗМЗ» в данной диссертационной работе была разработана программа исследований возможностей дальнейшего снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания существующих и перспективных дизелей семейства ЗМЗ. Результаты реализации этой программы, часть которых автором были получена в рамках хоздоговора [106], изложены в последующих разделах диссертации. В качестве исходных данных для проведения численных экспериментов, а также для проверки достоверности полученных результатов, были использованы результаты опытных исследований, проведенных в стендовых условиях на заводе-изготовителе.
Выбор базовых параметров математической модели
Расчетно-теоретические исследования, проведенные численные эксперименты, а также их сравнение с опытными данными, проведенными для оценки выбросов оксидов азота для двигателя ЗМЗ-5145.10 показывают, что разработанные в данной работе метод, алгоритм и программа расчета могут служить в качестве научно-технической основы для улучшения экологических характеристик дизеля, В связи с этим в данной главе предложенный метод используется для реализации мероприятий, направленных на достижение требований Евро - 3 при создании семейства более мощных дизелей ЗМЗ. В частности, исследуются возможности снижения выбросов оксидов азота на двигателе ЗМЗ-5148.10 с мощностью Ne = 96 кВт. Система топливоподачи Common Rail (CR), используемая на этом двигателе, позволяет регулировать не только давление и угол опережения впрыскивания, но сам закон подачи топлива [66, 70, 71, 72, 73, 97], в частности, использовать различные варианты многократного впрыскивания, рассмотренные в разделе 2.5. Заметим, что в результате предварительных расчетов, проведенных для указанных вариантов закона впрыскивания, а также по согласованию с заводом-изготовителем, было выбрано двукратное впрыскивание с предварительным (пилотным) впрыскиванием, как наиболее приемлемое для дизеля ЗМЗ-5148.10. Ниже приведены результаты исследования возможностей снижения [NOx] для дизеля ЗМЗ-5148.10, оснащенного системой топливоподачи с электронным управлением типа CR. Как в предыдущей главе, отдельно рассматриваются влияния конструктивных (степень сжатия, диаметр и количество сопловых отверстий форсунки) и регулировочных (интенсивность вихревого движения заряда, давление впрыскивания, параметры двукратного впрыскивания). Особое внимание уделяется исследованию влияния интервала между предварительным и основным впрыскиваниям. Этот интервал, как показали численные эксперименты, играет большую роль при двукратном впрыскивании.
В таблице 17 приведены результаты расчета концентраций оксидов азота на режимах максимального крутящего момента и номинальной мощности, полученные в результате поиска по различным диаметрам сопловых отверстий. Диапазон изменения диаметров dc=(0,I6 - 0,18) мм соответствует современным зарубежным аналогам. В дальнейшем эти результаты используются как базовые для сравнения с другими вариантами. Доля предварительной подачи топлива при двукратном впрыскивании составляет 6 % от доли основной подачи. В последующих таблицах приведены отклонения (в процентах) от этих базовых значений.
