Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Современные представления на природу образования оксидов азота 8
1.2. Современные способы снижения эмиссии оксидов азота двигателями с искровым зажиганием 10
1.3. Расслоение топливовоздушной смеси как способ расширения пределов эффективного обеднения 15
1.4. Основные задачи исследования 24
Глава 2. Математическое моделирование образования в цилиндре двс оксидов азота при локальном расслоении топливовоздушной смеси в области межэлектродного зазора свечи зажигания 26
2.1. Общая характеристика модели и принятые допущения 26
2.2. Расчет концентрации NOx 28
2.3. Расчет равновесного состава продуктов сгорания 29
2.4. Математическое описание рабочего процесса двигателя 32
2.4.1. Система основных уравнений 32
2.4.2. Термодинамическое состояние заряда в конце сжатия 34
2.4.3. Моделирование локального расслоения топливо- воздушной смеси 37
2.4.4. Теплота сгорания смеси Q0 40
2.4.5. Моделирование процесса сгорания и скорости выгорания горючего 41
2.4.6. Теплоемкости свежего заряда и продуктов сгорания 48
2.4.7. Теплоотдача в стенки 49
2.4.8. Моделирование процесса расширения 51
2.5. Программная реализация модели 51
2.6. Проверка модели на адекватность 52
2.7. Выводы по главе 56
Глава 3. Теоретическое исследование образования в цилиндре двс оксидов азота при локальной подаче горючего газа в область межэлектродного зазора свечи зажигания 57
3.1. Влияние избыточного давления рг горючего газа и продолжительности Тф его локальной подачи на параметры расслоения 57
3.2. Влияние локальных добавок горючего газа на образование в цилиндре ДВС оксидов азота 63
3.3. Рекомендации по организации рабочего процесса двигателя с локальными добавками горючего газа в область электродов свечи зажигания 68
3.4. Выводы по главе 70
Глава 4. Экспериментальные установки и методика проведения экспериментов 71
4.1. Экспериментальная установка, использованная при проведении исследований на поршневом ДВС 71
4.1.1. Общие сведения об объекте испытаний 71
4.1.2. Система подачи газа в область межэлектродного зазора свечи зажигания 75
4.1.3. Устройство для подачи газа в область межэлектродного зазора 75
4.1.4. Системы зажигания и питания 81
4.1.5. Аппаратурный комплекс для анализа состава отработавших газов 81
4.2. Экспериментальная установка для визуальной регистрации факелов горючего газа, подаваемого в область межэлектродного зазора 83
4.3. Общая методика экспериментов на ДВС 83
4.4. Выводы по главе 85
Глава 5. Экспериментальные исследования влияния локальных добавок горючих газов в область электродов свечи зажигания на образование оксидов азота nox 86
5.1. Особенности воспламенения газа, подаваемого при помощи разработанной конструкции узла подачи газа 86
5.2. Влияние локальных добавок горючих газов на эмиссию оксидов азота 93
5.3. Влияние параметров подачи горючего газа на эмиссию оксидов азота NOx 99
5.4. Выводы по главе 103
Основные результаты и выводы 104
Литература
- Современные способы снижения эмиссии оксидов азота двигателями с искровым зажиганием
- Общая характеристика модели и принятые допущения
- Влияние избыточного давления рг горючего газа и продолжительности Тф его локальной подачи на параметры расслоения
- Экспериментальная установка, использованная при проведении исследований на поршневом ДВС
Введение к работе
Снижение загрязнения окружающей среды выбросами токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) ДВС остается актуальной задачей современного двигателестроения. По оценкам некоторых специалистов, на долю автомобильного транспорта приходится до 80 % всех вредных выбросов в крупных городах России.
Основными токсичными веществами, выделяемыми ДВС являются: оксиды углерода СО и азота NOx, углеводороды CmHn, бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды серы, сажа и др.
Анализ тенденций развития энергетических установок транспортных средств показывает, что поршневой двигатель по своим технико-экономическим характеристикам продолжает оставаться основной энергетической установкой для наземного транспорта. Поэтому существенную роль в уменьшении загрязнения атмосферы может сыграть снижение токсичности поршневых ДВС.
Известно несколько подходов к решению поставленной задачи:
нейтрализация токсичных компонентов в выпускной системе двигателя;
воздействие на процесс сгорания в цилиндре двигателя с целью снижения образования токсичных веществ;
совместное использование указанных выше вариантов. Наибольший эффект может дать последний подход, тем более, что
наряду с проблемой снижения токсичности ОГ автомобильных двигателей не менее важное значение приобрела проблема снижения расхода углеводородных топлив как вследствие ограниченности мировых запасов нефти, так и в свете необходимости сократить выбросы "парниковых" газов, прежде всего С02.
Известно, что регулировка рабочего процесса двигателя на наиболее экономичный режим работы приводит к уменьшению выделения токсичных продуктов неполного сгорания (СО и CmHn), но при этом выделение оксидов азота NOx может увеличиваться. Вместе с тем, многие методы снижения NOx приводят к ухудшению топливной экономичности двигателей.
Таким образом, перед двигателестроителями стоит задача поиска путей повышения топливной экономичности и снижения выделения продуктов неполного сгорания при одновременном снижении эмиссии оксидов азота NOx.
На сегодняшний день одним из перспективных направлений улучшения экономических и экологических характеристик бензиновых ДВС является создание двигателя с рабочим процессом на бедных топливовоздушных смесях. Однако расширение пределов эффективного обеднения (ПЭО) может быть достигнуто лишь при условии надежного и быстрого развития начального очага (НО) горения, например за счет расслоения.
С этой целью на кафедре "Теплотехника и гидравлика" ВолгГТУ разработан и защищен патентом способ организации рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием, при котором в область межэлектродного зазора свечи зажигания незадолго до искрообразования подается небольшое количество горючего газа, например метана. Проведенные исследования показали эффективность подобного способа рабочего процесса с точки зрения расширения ПЭО топливовоздушной смеси и сокращения удельного эффективного расхода топлива, однако влияние предлагаемого способа организации рабочего процесса на эмиссию NOx не изучалось.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию этого вопроса. В ходе исследования была специально разработана математическая модель и проведено теоретическое исследование влияния на образование NOx в цилиндре ДВС предлагаемого способа организации рабочего процесса.
Для экспериментальной проверки выводов теоретических исследований был создан специальный экспериментальный стенд, на котором был проведен большой объем экспериментов.
Как теоретические, так и экспериментальные исследования показали, что организация рабочего процесса с локальным расслоением топливовоз-душной смеси позволяет заметно снизить эмиссию оксидов азота. Эти исследования позволили установить оптимальные значения ряда регулировочных параметров: избыточного давления подачи метана, момента подачи и продолжительности импульсов, управляющих дозированием газа и моментом электрического разряда между электродами свечи зажигания.
Часть данной работы выполнялась в рамках проекта 205.08.01.006 "Снижение выбросов окислов азота двигателями легкого топлива путем локального расслоения топливовоздушной смеси вблизи источника воспламенения" подпрограммы "Транспорт" научно-технической программы Минобразования России "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники".
Автор выражает огромную благодарность и признательность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Злотину Григорию Наумовичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Захарову Евгению Александровичу за неоценимую помощь и поддержку, внимание и терпение. Автор признателен доктору технических наук, профессору Федянову Евгению Алексеевичу за ценные консультации, советы, помощь и поддержку, кандидату технических наук, доценту Шумскому Сергею Николаевичу за содействие в изготовлении, наладке и ремонте электронной измерительной аппаратуры, заведующему лабораторией Холодову Владиславу Сергеевичу за помощь при разработке и создании узла подачи горючего газа, а также всем сотрудникам кафедры, содействовавшим выполнению данной работы.
Современные способы снижения эмиссии оксидов азота двигателями с искровым зажиганием
На сегодняшний день можно считать установленным, что при максимальных температурах в двигателях с искровым зажиганием (Ттах = 2800 -2900 К) из оксидов азота практически образуется только N0 (до 99 % от количества всех оксидов азота) [4].
В процессе сгорания углеводородных топлив оксиды азота образуются в результате реакций окисления азота воздуха [32, 33], а также азота, который может содержаться в топливе [84]. По данным некоторых исследователей [25], при перегонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях, поэтому в бензиновых ДВС образование NO обусловлено лишь окислением азота воздуха.
Общепринятой является термическая теория [24, 32, 33] образования оксидов азота из атмосферных азота и кислорода в процессе сгорания. Основные положения этой теории можно сформулировать следующим образом.
1. Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продук тов сгорания.
2. Выход оксидов азота определяется максимальной температурой горения, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива, участвующего в реакции (при отсутствии в топливе азота).
3. Окисление азота происходит по цепному механизму: N2+0 NO + N-ЗІбкДж/моль, (1.1) N+02 ї± N0 + 0 + 316 кДж/моль. (1.2) ч
Определяющей является реакция (1.1), скорость которой зависит от концентрации кислорода. В условиях, когда в газовой смеси содержатся пары воды, механизм процесса образования N0 может быть комбинированным и включать, наряду с реакциями (1.1) и (1.2), следующие реакции: OH + N2 = NO + NH, (1.3) NH + 02 NO + OH. (1.4)
Однако основным механизмом термического образования N0 является цепная реакция через атомы кислорода (1.1). 4. Выход оксидов азота зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания. 5. В бедных смесях (при малой подвижности реакции) выход N0 определяется максимальной температурой горения, то есть кинетикой его образования. В богатых смесях выход N0 перестает зависеть от максимальной температуры горения и определяется кинетикой разложения, то есть "закалкой" образовавшихся оксидов азота. 6. Концентрация оксидов азота не превышает равновесную при максимальной температуре горения.
7. Махе - эффект (неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания) заметно влияет на выход N0 при горении бедных смесей и слабо при горении богатых смесей.
Для анализа образования оксидов азота в цилиндре двигателей внутреннего сгорания имели место попытки применения бимолекулярного механизма. В некоторых случаях при использовании указанного механизма было получено достаточно хорошее совпадение опытных и расчетных концентраций N0 [83]. Однако работы ряда исследователей [25, 32] показывают, что при условиях, существующих при сгорании в цилиндре двигателей, доля бимолекулярного механизма в общем процессе образования N0 незначительна по сравнению с цепным механизмом.
В ряде работ [27, 30, 92] отмечается, что в цилиндре двигателей внутреннего сгорания (дизелей и двигателей с искровым зажиганием) происходит "закалка" оксидов азота на уровне максимальной концентрации. Исключением является случай сжигания обогащенных смесей. Таким образом, в процессе расширения и выпуска концентрация N0 не изменяется.
По утверждению Звонова В.А. [25, 28], расчетные данные образования N0 в цилиндрах двигателей по двум реакциям цепного механизма (через О и N) и реакции бимолекулярного механизма по равновесным концентрациям Ог и О в зоне продуктов сгорания достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Это также является подтверждением того, что в основном N0 в цилиндре двигателей образуется в зоне продуктов сгорания по термическому механизму (при работе на топливах без содержания азотистых соединений).
Общая характеристика модели и принятые допущения
В модели считается, что локально обогащенная топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха щ занимает некоторый объем Vj вблизи электродов свечи зажигания (рис. 2.1). В остальном пространстве камеры сгорания Уц концентрация дополнительно поданного горючего газа равна нулю, оно занято топливовоздушной смесью с коэффициентом избытка воздуха а//.
В процессе сгорания, как обогащенная часть, так и основная (обедненная) часть топливовоздушной смеси рассматриваются состоящими из двух зон: зоны продуктов сгорания объемом У ь и зоны свежего заряда объемом Vu. Масса продуктов сгорания в первой зоне ть, их температура Ть. Масса несгоревшей смеси (вторая зона) составляет ти, а ее температура Ти .
В связи с тем, что скорости распространения фронта пламени и потока свежего заряда в камере сгорания малы по сравнению со скоростью звука, давление смеси в каждый момент времени принимается одинаковым по всему объему: ръ = ри= р.
Масса смеси в рабочей полости цилиндра в течение цикла считается постоянной, то есть предполагается отсутствие утечек заряда через уплотни-тельные элементы.
Расчет образования оксидов азота производится по двум реакциям цепного механизма (через О и N) и реакции бимолекулярного механизма.
Модель дополнена моделью рабочего процесса ДВС, что позволяет производить расчет давления и температур (свежей смеси и продуктов сгорания) и дает возможность определять концентрации NOx по камере сгорания в функции угла поворота кривошипа. Совместное рассмотрение модели образования оксидов азота и модели рабочего процесса позволяет оценить влияние на эмиссию NOx ряда факторов: состава топливовоздушной смеси, степени расслоения, степени сжатия, рециркуляции ОГ (учитывается через коэффициент остаточных газов уг), теплоотдачи в стенки КС и др.
Расчет процесса образования NOx производился по уравнению, предложенному В.А. Звоновым [25]: где ср - угол поворота коленчатого вала; р - давление в цилиндре двигателя; п - частота вращения коленчатого вала двигателя; Тпс - температура продуктов сгорания; Щп, Ксх , КС1П, К4, К1П - константы скоростей реакций цепного и бимолекулярного механизмов; rN , г0 , г0 - равновесные объемные доли N2, СЬ и О в продуктах сгорания.
Необходимые для расчета значения констант скоростей реакций определялись по уравнениям [25, 68]: К\п =1,36-1014 .ехр(-315700 / RT), Кс{р =3,12-1013 -ехр(-1670 / RT), КС1П =1,33-1010 -Г-ехр(-29600 / RT), \ (2.2) Kln =9,1-1024 -Г5/2 -ехр(-538000 / RT), АГ4 =21,12-ехр(-181000 / RT).
Для определения равновесных значений объемных долей компонентов, входящих в (2.2), необходимо знать равновесный состав продуктов сгорания при каждом значении угла поворота коленчатого вала.
Существуют различные подходы к расчету равновесного состава продуктов сгорания [39, 42, 45, 54, 75, 94]. Достаточно точные результаты расчетов концентраций основных компонентов отработавших газов ДВС получаются при использовании широко применяемой методики, основанной на определении равновесных концентраций следующих одиннадцати компонентов: С02, СО, Н20, Н2, Н, 02, ОН, N2, NO, N, О [39]. Этот метод использован в настоящей диссертации. Существо его описано ниже. Химическое равновесие между указанными выше компонентами описывается следующими балансовыми уравнениями [76]:
Влияние избыточного давления рг горючего газа и продолжительности Тф его локальной подачи на параметры расслоения
Подаваемый в область электродов свечи зажигания горючий газ, например метан, способствует локальному обогащению топливовоздушной смеси, снижая, тем самым, концентрацию кислорода в этой области. Учитывая, что сгорание начинается у электродов свечи зажигания, принимая во внимание Махе-эффект и термическую природу образования NOx, можно утверждать, что при подобной организации процесса сгорания выход оксидов азота должен уменьшаться. Насколько ощутимым будет это снижение, зависит от размера зоны локального обогащения и коэффициента избытка воздуха в ней.
Как уже отмечалось в главе 2, в процессе исследований была установлена зависимость размера зоны локального обогащения от избыточного давления и времени подачи метана (рис. 3.1). После проведения вычислений по представленной выше модели, были установлены зависимости размера зоны обогащения и коэффициента избытка воздуха в этой области от массы поданного газа (рис. 3.2 и 3.3).
Полученные результаты указывают на то, что при постоянной массе подаваемого газа и уменьшении времени подачи метана (т.е. увеличении его массового расхода), поданный газ занимает меньший объем (рис. 3.2) и обогащение смеси в области межэлектродного зазора увеличивается (рис. 3.3). При определенных условиях трехкомпонентная горючая смесь может оказаться обогащенной настолько, что ее не удастся воспламенить. Так, при коэффициенте избытка воздуха основной бензовоздушной смеси ац = 1,2, горючая смесь в зоне локального обогащения находится в пределах воспламенения при подаче метана в течение 1,5 мс с избыточным давлением более 30 кПа (рис. 3.4). При той же массе газа и уменьшении времени подачи газа до 1 мс подача искры, сразу после окончания впрыска метана, не воспламеняет трехкомпонентную смесь.
С увеличением времени подачи облако газа расширяется за счет как изменения температуры и диффузии, так и за счет движения свежего заряда в цилиндре двигателя. Это приводит к меньшим градиентам изменения коэффициента избытка воздуха. В результате во всех точках этой области состав смеси находится в пределах воспламеняемости.
Таким образом, можно сделать вывод о необходимости согласования величин избыточного давления рг, времени Хф и угла опережения впрыска (относительно ВМТ) 0впр горючего газа.
Основываясь на сделанных выводах, с помощью разработанной математической модели произведены вычислительные эксперименты по исследованию влияния локальных добавок горючего газа на процесс образования в цилиндре двигателя ВАЗ - 1111 оксидов азота [12, 56]. Ниже приведены расчеты при использовании в качестве горючего газа метана. В процессе исследований определялись концентрации NOx по углу поворота коленчатого вала двигателя (рис. 3.5). Линия 1 на рисунке соответствует концентрации оксида азота, образующегося при работе двигателя без локального расслоения топливовоздушной смеси и коэффициенте избытка воздуха а = 1,1. Работа двигателя с локальными добавками метана и средним по камере сгорания коэффициентом избытка воздуха аср = 1,1 приводит, как видно из графика, к снижению эмиссии NOx на 30 % (линия 2). Организация работы двигателя с локальным расслоением топливовоздушной смеси и обеднением ее по объему цилиндра до значения аср = 1,4 еще значительнее уменьшает выброс оксидов азота (линия 3). Однако в этом случае может ухудшаться работа двигателя с точки зрения стабильности процессов воспламенения и сгорания, увеличения за счет этого концентрации несгоревших углеводородов в ОГ двигателя.
Как уже отмечалось, существенное влияние на эмиссию оксидов азота могут оказывать параметры расслоения топливовоздушной смеси, зависящие от избыточного давления, времени и угла опережения впрыска газа.
Экспериментальная установка, использованная при проведении исследований на поршневом ДВС
Работа с микродобавками горючего газа требует точного регулирования величины его избыточного давления, а также согласования при данном давлении импульсов, управляющих дозирующей форсункой и системой зажигания. В противном случае возможно появление пропусков воспламенения [35].
С целью определения оптимальных комбинаций избыточного давления подачи газа и указанных выше управляющих импульсов была использована установка для визуализации факелов горючего газа, подаваемого в межэлектродный зазор на воздухе, схема которой приведена на рис. 4.8 [23].
С помощью точного редуктора 7 по образцовому манометру 6 устанавливалось необходимое давление подачи горючего газа. Высокое напряжение на СЗ, момент и продолжительность подачи газа устанавливались с помощью блока управления 4. Процесс воспламенения горючего газа фиксировался на фотографической пленке при помощи фотоаппарата 9.
При проведении экспериментов на поршневом ДВС ставились следующие задачи: - подтвердить на ДВС справедливость основных результатов и выводов, полученных при проведении вычислительных экспериментов; - исследовать влияние на топливную экономичность и токсические показатели работы двигателя таких факторов, как продолжительность впрыска горючего газа, угол опережения впрыска, избыточное давление впрыска; p - определить оптимальные значения перечисленных выше факторов с целью минимизации эмиссии с ОГ двигателя оксидов азота.
В соответствии с этим была принята следующая методика. При проведении экспериментов запуск и прогрев двигателя осуществлялись при штатных регулировках систем питания и зажигания без подачи метана. Затем двигатель выводился на необходимый скоростной и нагрузочный режим, производились замеры. После начала подачи в область межэлектродного зазора свечи зажигания метана, замеры повторялись. При измерениях контролировались: скоростной (пе), нагрузочный (Ne, Ме) режимы, измерялись расходы воздуха и топлива, концентрации СО, CmHn, NOx.
1. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить изучение на ДВС влияния подачи горючего газа в область межэлектродного зазора свечи зажигания на эмиссию оксидов азота NOx.
2. Разработан и создан узел, объединяющий устройство для подачи горючего газа в межэлектродный зазор и свечу зажигания.
3. Разработана методика проведения исследований влияния локальных подач горючего газа на эмиссию оксидов азота в условиях ДВС.
Для проверки результатов теоретических исследований, описанных в главе 3, и получения дополнительных сведений о влиянии локальных добавок горючих газов в область электродов свечи зажигания на образование в цилиндре двигателя оксидов азота, были проведены натурные эксперименты на опытной установке, описанной в 4-ой главе.
Как было отмечено выше, невозможность применения для наших экспериментов созданного ранее на кафедре узла подачи в область межэлектродного зазора горючего газа потребовала разработки новой конструкции этого узла. Поскольку образование оксидов азота напрямую связано с организацией процесса сгорания, постольку в первую очередь было исследовано влияние этой новой конструкции узла локальной подачи на процесс воспламенения подаваемого газа.
Для исследования влияния разработанной и созданной конструкции узла подачи на процесс воспламенения локально подаваемого газа были вначале проведены эксперименты по зажиганию струи метана и пропана на воздухе. В ходе опытов производилось фотографирование горящих факелов, для чего использовалась установка, описанная в главе 4.
Результаты опытов показали, что узел новой конструкции обеспечивает устойчивое воспламенение струи горючего газа в широком диапазоне избыточных давлений газа (рис. 5.1, 5.2, 5.3). В пределах исследованных значений форма факела слабо зависит от давления, под которым газ подается к форсунке. При этом факел располагается вблизи электродов свечи зажигания, т.е. условия воспламенения практически не меняются во всем исследованном диапазоне давлений подачи газа.
Кроме того, некоторые экспериментальные данные [35], полученные в камере сгорания постоянного объема, позволяют утверждать, что использование новой конструкции приводит к заметному форсированию НО горения и существенному повышению вероятности воспламенения обедненной топ-ливовоздушной смеси по сравнению с локальной подачей газа с помощью узла прежней конструкции (рис. 5.4, 5.5).
Полученные положительные результаты могут быть объяснены тем, что подача горючего газа в объем юбки свечи зажигания, обеспечиваемая новой конструкцией узла, приводит к уменьшению скорости истечения газа из-за его расширения в этом объеме. При этом уменьшается расстояние, которое должна преодолеть струя газа, прежде чем в объеме межэлектродного зазора будет образована воспламеняемая трехкомпонентная смесь, состоящая из основного топлива, воздуха и поданного в межэлектродный зазор горючего газа.
