Введение к работе
Актуальность. В настоящее время состояние окружающей среды - одна из наиболее остро стоящих перед человечеством проблем. Для крупных городов и промышленных регионов наибольшую экологическую опасность представляют промышленные и выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу. Одним из источников загрязнения атмосферы токсичными веществами является автотранспорт. Для условий двигателей внутреннего сгорания (ДВС) известны работы, посвященные расчетам процессов тепломассообмена и образования токсичных веществ В.А. Звонова, Н.А. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе, А.В. Козлова, М.П. Гириновича и др.
В современных ДВС самым экономичным является, так называемый, "дизельный" впрыск топлива непосредственно в цилиндры ДВС с искровым зажиганием. В этом случае впрыск производится в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием горючей смеси. Ниже показано, что это приводит к появлению сильно неоднородных полей в камере сгорания: полей коэффициента избытка воздуха, температуры горения и, тем самым, состава продуктов сгорания. Все это требует решения задач турбулентного тепломассообмена в нелинейной постановке. Поэтому постановка и решение такой задачи является актуальной.
Объектом исследования является ДВС типа Mitsubischi 4G93-DOHC-GDI (далее GDI) с непосредственным впрыском топлива в цилиндры.
Предмет исследования - процесс горения топлива, сопровождающийся образованием оксида азота.
Расчет наиболее выгодных полей КИВ и полей содержания оксида N0 в ПС требует применения современных методов турбулентного тепломассообмена и химической кинетики горения топлива. Уровень содержания оксида N0 в отработавших газах (ОГ) определяется, в основном, процессом догорания перемешивающихся масс ПС с избытком кислорода или с избытком горючих компонентов, происходящим за фронтом пламени. В связи с изложенным процесс догорания рассматривается как химический турбулентный тепломассообмен (ХТТ), понятие и метод которого введены в России С.А. Чесноковым. Метод ХТТ реализуется при последовательном решении задач турбулентной газодинамики, впрыска топлива, образования неоднородной горючей смеси, горения в турбулентном фронте и, наконец, трехмерного догорания за фронтом пламени (и в течение такта расширения), при допущениях, позволяющих получить надежные результаты при не слишком больших затратах машинного времени.
Ярко выраженные неоднородные поля при "дизельном" впрыске требуют постановки и решения нелинейных задач ХТТ, что является характерной особенностью и подчеркивает актуальность данной научной работы.
Целью работы является повышение эффективности снижение содержания оксида азота в отработавших газах для режима "дизельного" впрыска топлива двигателя GDI на основе метода химического турбулентного тепломассообмена.
Научная задача работы заключается в разработке и апробации нового варианта метода химического турбулентного тепломассообмена, позволяющего решать задачи смесеобразования и горения в нелинейной постановке, что позволит применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.
Цель и задача работы определили необходимость решения следующих промежуточных задач:
провести анализ литературных данных с целью выбора для условий ДВС модели турбулентности и кинетических механизмов горения и догорания;
произвести многовариантные расчеты задач впрыска и турбулентной газодинамики (программа GAS-2 проф. В.А. Дунаева), а также испарения топлива и конвективно-диффузионного образования горючей смеси в нелинейной постановке; обобщить полученные результаты в виде зависимости неоднородности поля КИВ перед зажиганием от параметров впрыска;
рассчитать движение и геометрию турбулентного фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси;
4) определить температуру горения и конечный состав продуктов
сгорания (включая оксид N0) в рамках одномерной модели химической
кинетики горения для микроламинарного фронта пламени при различных
локальных значениях коэффициента избытка воздуха в КС;
5) решить основную задачу ХТТ в зоне догорания за фронтом пламени,
и в течение такта расширения, в нелинейной постановке при различной степени
рециркуляции ОГ; обобщить полученные результаты в виде графических
зависимостей, позволяющих определить содержание оксида азота в ОГ по
итоговым данным впрыска; произвести оценку изменений среднего
индикаторного давления ДВС при варьировании параметрами впрыска;
провести измерения содержания оксида азота в ОГ двигателя GDI для
сравнения с расчетными данными.
Задачи 3 и 4 решались с применением программ, разработанных проф. С.А. Чесноковым [*].
Методы исследования базируются:
- теоретические: на основных положениях химической кинетики,
турбулентной газодинамики и механики газовых смесей; в работе используются
приемы математического анализа, а также математическое моделирование на
основе численных решений систем дифференциальных уравнений;
- экспериментальные: на применении спектрометрии при определении
турбулентной скорости горения, а также серийного газоанализатора для
замеров содержания оксида азота в ОГ.
Научная новизна заключается в разработке метода химического турбулентного тепломассообмена, отличающегося от известных математическим описанием неоднородных полей избытка воздуха и содержания компонентов продуктов сгорания. В результате:
- установлены закономерности формирования горючей смеси и
особенности процессов догорания в нелинейной постановке;
определена зависимость химической кинетики догорания от турбулентных пульсаций температуры и содержания радикалов;
- установлена динамика снижения содержания оксида азота в ОГ при
изменениях неоднородности поля КИВ и степени рециркуляции ОГ.
Научная значимость работы определяется применением современных методов тепломассообмена в многомерных задачах турбулентного горения в ДВС.
Практическая значимость работы:
методика прогноза содержания оксида азота в ОГ по итоговым графическим зависимостям без выполнения сложных расчетов;
методика оценки среднего индикаторного давления в ДВС и опасности чрезмерного снижения энергетических характеристик двигателя.
Реализация результатов работы. Результаты работы и методики использованы в ОАО "АК Туламашзавод". Материалы исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО "Тульский государственный университет" в рамках учебных дисциплин "Основы научных исследований и испытания двигателей" и "Теплотехника". Издано учебное пособие «Программирование и численное моделирование химического турбулентного тепломассообмена при горении в ДВС».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной конференции Двигатель - 2007, посвященной 100 - летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана - г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007; всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология» - г. Киров, ГОУ ВПО «ВятГУ», 2008; международной научно - производственной конференции, посвященной 50 - летию ПГУАС и 10 - летию кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» - г. Пенза, ГОУ ВПО «ПГУАС», 2008; VI всероссийской научно - технической конференции «Политранспортные системы» - г. Новосибирск, ГОУ ВПО «СГУПС», 2009; международной научно - технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» - г.Тула, ГОУ ВПО «ТулГУ», 2009.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
установлена закономерность турбулентного конвективно-диффузионного образования горючей смеси и догорания за фронтом пламени в нелинейной постановке;
определена турбулентная кинетика догорания с учетом пульсаций температуры и содержания радикалов;
установлена динамика снижения содержания оксида азота; методика использования итоговых графических зависимостей для определения содержания оксида азота в ОГ по параметрам впрыска и сравнение с экспериментальными данными.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 143 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 13 таблиц и состоит из введения, пяти
глав, заключения и списка литературы, включающего 51 русских и 24 иностранных источника.
