Образование оксидов углерода и азота при горении и догорании в двигателе внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Демидов, Максим Игоревич

• Демидов, Максим Игоревич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Демидов, Максим Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературных данных

1.1 Горение водорода.

1.2 Горение легких углеводородов.

1.3 Горение тяжелых углеводородов.

1.4 Образование оксида азота.

1.5 Анализ литературных данных.

Глава 2. Нульмерная химическая кинетика горения

2.1 Химико-физические характеристики н-октана.

2.1.1 Исходные характеристики.

2.1.2 Реакция распада н-октана.

Ф 2.1.3 Система уравнений химической кинетики.

2.1.4 Термодинамический расчет химического равновесия.

2.1.5 Теплоемкость продуктов сгорания.

2.2 Обобщение кинетического механизма.

2.3 Тестирование нульмерной кинетики горения.

2.4 Сокращение механизма кинетики догорания.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи

3.1 Общая постановка задачи

3.2 Исходные данные для решения задачи турбулентного догорания.

Щ 3.2.1 Вязкость смеси.

3.2.2 Теплопроводность смеси.

3.2.3 Диффузия компонентов смеси.

3.2.4 Турбулентные характеристики переноса.

3.2.5 Расчет полей скорости и коэффициента турбулентного обмена в цилиндре с помощью известных программ.

3.3 Задача турбулентного догорания

3.3.1 Реакции догорания компонентов продуктов сгорания при турбулентных пульсациях температуры в ДВС.

3.3.2 Граничные и начальные условия задачи турбулентного догорания

3.3.3 Общий вид уравнений турбулентного догорания.

3.3.4 Допущения задачи турбулентного догорания.

Й 3.3.5 Развернутое математическое описание задачи.

3.4 Тестирование двухмерных задач турбулентного догорания.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Трехмерные задачи и анализ.

4.1 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе в двигателе GDI "Mitsubishi"

4.1.1 Догорание при горении и расширении.

4.1.2 Догорание при выхлопе и выпуске продуктов сгорания.

4.1.3 Результаты и их анализ.

4.2 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе продуктов сгорания в двигателе ВАЗ-21011.

4.2.1 Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 (п=3000 об/мин).

4.2.2 Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011.

4.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Образование оксидов углерода и азота при горении и догорании в двигателе внутреннего сгорания»

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%; гмо = 0,0083 %; ген = 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 A.JI. 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, С.В. 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 ф цилиндра в процессах горения и расширения (программа GAS-2, проф. Дунаев

B.А., ТулГУ); полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и движения фронта горения в неоднородной горючей смеси (доцент Чесноков

C.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; ф 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 ц 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 Р номинальной нагрузкой 50 Нм и числом оборотов коленвала 3000 об/мин.

Радикалы - активные осколки молекул со свободными связями, ф 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; I - 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; ^ Uv- скорость выделения тепла, Вт/м3; ип - нормальная скорость горения (ламинарная), м/с; 9 ит- турбулентная скорость горения, м/с; v.u.w — полные скорости, м/с;

Vmax ~ средняя скорость оттока продуктов от фронта горения, м/с; ^-объем, м3; - 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; у - кинематический коэффициент вязкости, м/с; vT - коэффициент турбулентного обмена, м /с; р - плотность смеси, кг/м3;

Pi - распределенная (парциальная) плотность компонента, кг/м ; Щ 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. Л

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, ф 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). т

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Демидов, Максим Игоревич

4.3 Выводы по главе

Решение трехмерных задач ТД для разных режимов обоих двигателей позволяет сделать следующие выводы.

1 Рабочий режим двигателя GDI Mitsubishi ((n = 3000 об/мин, рмакс~ 60-105 Па)

1.1 Применение граничного условия 4-го рода (4.14) для расчета поля температур в турбулентной области камеры сгорания позволило эффективно, без увеличения машинного времени, учесть термическое сопротивление ламинарного подслоя в многомерной задаче турбулентного догорания.

1.2 Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры приводит, как показывают расчеты, к снижению ее среднего по объему значения на 100. 130 К и повышению остаточного содержания оксидов углерода СО и азота N0 в продуктах сгорания, соответственно, на 18 и 36 %.

1.3 К концу горения вблизи стенок камеры сгорания формируется турбулентный температурный пограничный слой, с температурами 2200 - 2400 К. Низкие температуры слоя определяют меньшие скорости химических реакций, но из-за их неуравновешенности суммарные скорости образования большинства компонентов в несколько раз превышают скорости в объеме камеры сгорания.

Наибольшая концентрация окиси углерода сохраняется в верхней части камеры сгорания, где горела богатая топливная смесь. В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: со+он->со2+н, со+но2->со2+он, со+о->со2 и

Н+СО—>НСО. В пограничном слое результирующие скорости первых двух реакций возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.

Максимальное содержание окиси азота наблюдается в зоне стехио-метрической горючей смеси. В области высоких температур все реакции N2+0->N0+N, N+02->N0+0, N+OH-»NO+H и N2+02->N0+N0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация NO уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота: N+N0-»N2+0, H+NO—ЮН+N. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции NO+NO—>N2+02

1.4 В процессе расширения смеси уровень температур снижается и для всех компонентов результирующая скорость ведущих реакций максимальна в зоне высоких температур. В турбулентном пограничном слое, в отличие от периода горения (п. 1.3), значения результирующих скоростей реакций на порядок и более ниже (табл. 4.9), тем не менее суммарная скорость расходования каждого компонента (кроме NO) по абсолютной величине на порядок выше. Это определяет, в частности, интенсивное выгорание оксида углерода СО в пограничном слое. Заметное раскисление оксида азота NO наблюдается в зоне высоких температур, в течение периода, когда они превышают 2000 К. В пограничном холодном слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше.

1.5 Методом пробных решений получен оптимальный режим работы ДВС "Mitsubishi" при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,05, изменении а в процессе выгорания неоднородной топливной 9 смеси от 0,95 до 1,11 и применении рециркуляции продуктов сгорания в объеме 20 %. Остаточное мольное содержание компонентов в продуктах сгорания составляет: оксид углерода СО - 0,299 %, оксид азота NO - 0,252 %, кислород 02 - 0,288 %. Показано, что основное изменение температуры и содержания СО, NO и 02 наблюдается в процессах горения и расширения. При выхлопе из цилиндра и выпуске через выпускную магистраль доля СО снижается на протяжении третьей части магистрали, пока температура смеси превышает 1000 К. При меньших температурах реакции с участием СО "замораживаются". Этот же эффект определяет постоянное содержание оксида азота NO в смеси при температурах менее 2200. .2500 К.

1.6 Расчеты при постоянных в полости камеры сгорания значениях коэффициентах избытка воздуха (однородное поле а) в диапазоне а = 0,8. 1,2 для рециркуляции 20 % показали удовлетворительное соответствие остаточного • содержания кислорода 02, оксида углерода СО и оксида азота NO (при а <

1,05) экспериментальным данным, опубликованным в работе [40].

2 Рабочий режим двигателя двигателя ВАЗ-21011 (п = 3000 об/мин, рМаКС= 47-105

Па)

2.1 Наличие остаточных газов в количестве 10 % приводит к уменьшению конечного содержания оксида азота NO на 45 %, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли NO является уменьшение температуры горения (на 100 К), поскольку именно при максимальных температурах наблюдается быстрый рост содержания оксида азота. Для поля температур характерно наличие "плато" в интервале 2640-2750 К, которое в дальнейшем, по мере развития турбулентного догорания значительно уменьшается.

Для поля кислорода минимальное содержание 02 приходится на зону Ф богатой смеси в окрестности точки зажигания S. В этой же зоне наблюдается максимальное содержание оксида углерода СО. Доля оксида азота NO максимальна и интенсивно возрастает на "плато" высоких температур.

2.2 Во второй половине горения изменение формы фронта горения таково, что по результатам решения задачи газодинамики с помощью программы GAS-2 в горизонтальном сечении камеры сгорания рядом со струей оттока образуется вихревая зона. После окончания горения вихревое движение вырождается в общую циркуляцию продуктов сгорания. К концу расширения за счет циркуляции формируются зоны минимального и максимального содержания кислорода 02 и, соответственно, максимального и минимального содержания оксида углерода СО. Такое соответствие зон является устойчивым, поскольку недостаток кислорода способствует высокому содержанию СО, а избыток кислорода - интенсивному его выгоранию. Реакции с участи

Ф ем оксида азота NO "замораживаются" уже к середине расширения, поэтому за счет перемешивания поле NO к концу расширения является более однородно-хаотичным и не несет четкого "отпечатка" кинетики высокотемпературных реакций, как в начале расширения.

3 Горячий холостой ход двигателя ВАЗ-21011 (п = 800 об/мин, рмакс= Ю-105 Па) В этом режиме температура горения не превышает 2670 К. Наличие остаточных газов в горючей смеси в количестве у - 0,24 приводит к снижению средней температуры в КС для конца горения до 2070 К и уменьшению содержания оксида углерода СО в этот период в 1,5 раза. Догорание СО в выпускной магистрали на участке, где температура < 1000 К, практически отсутствует, что определяет снижение мольной доли СО в магистрали от 0,55 до 0,42 % при у = 0, от 0,48 до 0,41 % при у = 0,12 и от 0,44 до 0,41 % при у = 0,24. Таким образом, остаточное содержание СО (0,41 %) в выбрасываемых продуктах горения холостого хода не зависит от доли остаточных газов в горючей смеси. Этот же эффект определяет практически одинаковое остаточное содержание оксида углерода для холостого и рабочего хода (0,41 и 0,37 %).

Ряд расчетных данных для режимов рабочего и горячего холостого хода двигателя ВАЗ-21011 показанных на рисунке 4.16 удовлетворительно совпадает с экспериментальными результатами (см. [64]):

- измерениями температуры горения цветовым методом с помощью модернизированного спектрографа ИСП-73;

- измерениями содержания оксидов СО и NO в выхлопных газах промышленным инфракрасным газоанализатором ИКАФ-057.

заключение

В диссертации решена научная задача теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе современного многомерного математического описания, образованного на основе методов химической кинетики, и названного в диссертации турбулентным догоранием (ТД). В работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений. Автору не известны аналогичные решения и публикации в отечественной литературе.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.

Тестирование двухмерной задачи турбулентного догорания (ТД) при горении и расширении в рабочем режиме двигателя GDI Mitsubishi ((n = 3000 об/мин, рМакс= 60-105 Па) привело к следующим результатам.

1. Разделение общей задачи ТД и предварительное решение задач: турбулентной газовой динамики (проф. Дунаев В.А.), образования горючей смеси в КС и движения фронта горения в неоднородных полях коэффициента избытка воздуха (доцент Чесноков С.А.) себя полностью оправдало. Известные поля скорости и коэффициента избытка воздуха использовались для моделирования собственно процесса ТД. Такой подход позволил создать эффективные математические модели и программное обеспечение, с помощью которых решение задачи ТД при использовании ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) требует не более 8 часов машинного времени. Альтернативным можно считать моделирование общего процесса ТД, проведенное Риглером У. (Германия, Штутгартский ун-т, 1999) при затратах машинного времени до 8 недель.

2. С использованием общего кинетического механизма (266 реакций для 33 частиц), созданного на базе детального кинетического механизма (ДКМ) Басевича В.Я., решена нульмерная задача химической кинетики (ХК). Температура горения и тепловыделение максимальны при коэффициенте избытка воздуха а ~ 0,9, что соответствует известным экспериментальным данным. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному, за исключением оксида азота NO (и 02). Применение метода переменного порядка точности Гира позволило уменьшить время решения задач нульмерной ХК на ПЭВМ в 105 раз, доведя его до нескольких секунд.

3. Разработана математическая модель процесса тепломассообмена при догорании продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смеси.

Выбор сокращенного ДКМ догорания (52 реакции для 14 частиц) является достаточно обоснованным - расширение схемы за счет неиспользованных реакций углеводородов ДКМ Басевича В.Я. не приводит к существенному изменению результатов. Изменение констант скоростей отдельных реакций в пределах, указанных различными литературными источниками, приводит к отклонениям концентраций основных компонентов ОГ не более, чем на 25 %.

Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры приводит, как показывают расчеты, к снижению ее среднего по объему значения на 100.130 К и повышению остаточного содержания оксидов углерода СО и азота NO в ОГ, соответственно, на 18 и 36 %.

4. На основе полученных данных и ДКМ догорания решены трехмерные задачи ТД для обоих двигателей при наличии остаточных газов. Состав смеси при догорании продуктов сгорания в течение такта расширения -существенно не равновесный.

1 Применение граничного условия 4-го рода (4.14) для расчета поля температур в турбулентной области камеры сгорания позволило эффективно, без увеличения машинного времени, учесть термическое сопротивление ламинарного подслоя в многомерной задаче химического тепломассообмена.

2 К концу горения вблизи стенок камеры сгорания формируется турбулентный температурный пограничный слой, с температурами 2200 - 2400 К. Низкие температуры слоя определяют меньшие скорости химических реакций, но из-за их неуравновешенности суммарные скорости образования большинства компонентов в несколько раз превышают скорости в объеме камеры сгорания.

Наибольшая концентрация окиси углерода сохраняется в верхней части камеры сгорания, где горела богатая топливная смесь. В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: С0+0Н->С02+Н, С0+Н02->С02+0Н, С0+0->С02 и Н+СО-»НСО. В пограничном слое результирующие скорости первых двух реакций возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.

Максимальное содержание окиси азота наблюдается в зоне стехиометрической горючей смеси. В области высоких температур все реакции N2+0->N0+N, N+02-»N0+0, N+OH-»NO+H и N2+02->N0+N0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация NO уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота: N+NO—>N2+0, H+NO—ЮН+N. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции N0+N0-^N2+02

4 В процессе расширения смеси уровень температур снижается и для всех компонентов результирующая скорость ведущих реакций максимальна в зоне высоких температур. В турбулентном пограничном слое, в отличие от периода горения, значения результирующих скоростей реакций на порядок и более ниже (табл. 4.9), тем не менее суммарная скорость расходования каждого компонента (кроме NO) по абсолютной величине на порядок выше. Это определяет, в частности, интенсивное выгорание оксида углерода СО в пограничном слое. Заметное раскисление оксида азота N0 наблюдается в зоне высоких температур, в течение периода, когда они превышают 2000 К. В пограничном холодном слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше.

4.5 Методом пробных решений получен оптимальный режим работы ДВС "Mitsubishi" при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,05, изменении а в процессе выгорания неоднородной топливной смеси от 0,95 до 1,11 и применении рециркуляции продуктов сгорания в объеме 20 %. Остаточное мольное содержание компонентов в продуктах сгорания составляет: оксид углерода СО - 0,299 %, оксид азота NO - 0,252 %, кислород 02 - 0,288 %. Показано, что основное изменение температуры и содержания СО и 02 наблюдается в процессах горения и расширения. При выхлопе из цилиндра и выпуске через выпускную магистраль доля СО снижается на протяжении третьей части магистрали, пока температура смеси превышает 1000 К. При меньших температурах реакции с участием СО "замораживаются". Этот же эффект определяет постоянное содержание оксида азота NO в смеси при температурах менее 2200. .2500 К.

Расчеты при постоянных в полости камеры сгорания значениях коэффициентах избытка воздуха (однородное поле а) в диапазоне1 а = 0,8. 1,2 для рециркуляции 20 % показали удовлетворительное соответствие остаточного содержания кислорода 02, оксида углерода СО и оксида азота NO (при а < 1,05) экспериментальным данным, опубликованным в работе [40].

Полные данные по содержанию СО и NO в ОГ (рис. 4.7) позволяют произвести для данного ДВС прогноз уровня токсичности ОГ по известным характеристикам поля коэффициента избытка воздуха а в КС перед зажиганием: среднему в объеме КС коэффициенту избытка воздуха аср и неоднородности поля Да. Возможен и обратный подход - по заданной токсичности ОГ определить необходимые значения аср и Да, которые должна обеспечить система впрыска топлива. Неоднородность поля Да можно изменять, варьируя, например, продолжительность впрыска.

5. Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 (п = 3000 об/мин, рмакс^ 47-105 Па)

5.1 Наличие остаточных газов в количестве 10 % приводит к уменьшению конечного содержания оксида азота NO на 45 %, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли NO является уменьшение температуры горения (на 100 К), поскольку именно при максимальных температурах наблюдается быстрый рост содержания оксида азота. Для поля температур характерно наличие "плато" в интервале 2640-2750 К, которое в дальнейшем, по мере развития турбулентного тепломассообмена значительно уменьшается.

5.2 Во второй половине горения изменение формы фронта горения таково, что по результатам решения задачи газодинамики с помощью программы GAS-2 в горизонтальном сечении камеры сгорания рядом со струей оттока образуется вихревая зона. После окончания горения вихревое движение вырождается в общую циркуляцию продуктов сгорания. К концу расширения за счет циркуляции формируются зоны минимального и максимального содержания кислорода 02 и, соответственно, максимального и минимального содержания оксида углерода СО. Такое соответствие зон является устойчивым, поскольку недостаток кислорода способствует высокому содержанию СО, а избыток кислорода - интенсивному его выгоранию. Реакции с участием оксида азота N0 "замораживаются" уже к середине расширения, поэтому за счет перемешивания поле N0 к концу расширения является более однородно-хаотичным и не несет четкого "отпечатка" кинетики высокотемпературных реакций, как в начале расширения.

6. Горячий холостой ход двигателя ВАЗ-21011 (п = 800 об/мин, рмакс= Ю-105 Па)

В этом режиме температура горения не превышает 2670 К. Наличие остаточных газов в горючей смеси в количестве у = 0,24 приводит к снижению средней температуры в КС для конца горения до 2070 К и уменьшению содержания оксида углерода СО в этот период в 1,5 раза. Догорание СО в выпускной магистрали на участке, где температура < 1000 К, практически отсутствует, что определяет снижение мольной доли СО в магистрали от 0,55 до 0,42 % при у = 0, от 0,48 до 0,41 % при у = 0,12 и от 0,44 до 0,41 % при у = 0,24. Таким образом, остаточное содержание СО (0,41 %) в выбрасываемых продуктах горения холостого хода не зависит от доли остаточных газов в горючей смеси. Этот же эффект определяет практически одинаковое остаточное содержание оксида углерода для холостого и рабочего хода (0,41 и 0,37 %).

Ряд расчетных данных для режимов рабочего и горячего холостого хода двигателя ВАЗ-21011 удовлетворительно совпадает с экспериментальными результатами (см. [64]):

- измерениями температуры горения цветовым методом с помощью модернизированного спектрографа ИСП-73;

- измерениями содержания оксидов СО и NO в выхлопных газах промышленным инфракрасным газоанализатором ИКАФ-057.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволяют повысить экологическую чистоту рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Демидов, Максим Игоревич, 2005 год

1. Баев К.Б. и др. К вопросу об изучении пламен водорода по излучению промежуточных продуктов реакции. ФГВ, 1995, № 6. С. 64-73.

2. Николаев Ю. Н. Обобщенная модель кинетики химических реакций в во дородно-кислородных газовых смесях. ФГВ, 1994, № 1. С. 66-72.

3. Шебеко Ю.Н., Корольченко А .Я., Цариченко С.Г. Численное моделирование распространения ДВ в газовом слое с детальным учетом химической кинетики. ФГВ, 1992, № 5. С. 128-132.

4. Шебеко Ю.Н., Корольченко А.Я.„ Шамонина В.Г., Цариченко С.Г. О взаимосвязи барического показателя нормальной скорости горения газовоздушных смесей и кинетики тримолекулярных реакций во фронте пламени. ФГВ, 1991, № 2. С. 46-49.

5. Басевич В.Я., Веденеев В.И., Арутюнов B.C. Моделирование задержек самовоспламенения метановоздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания. ФГВ, 1994, № 2. С. 7-14.

6. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. Математическая модель процесса горения в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Изв. вузов. Сев.- Кав.регион. Естеств. науки. 1995, № 4. С. 19-21.

7. Ладоши Е.Н., Яценко О.В. Моделирование кинетики горения заряда в поршневом двигателе с учетом процессов переноса. Изв.вузов. Сев.-Кав.регион. Естеств.науки. 2000. № 2. С. 44-46.

8. Басевич В.Я., Беляев А.А., Брандштетер В., Нейгауз М.Г., Ташл Р., Фролов С.М. Моделирование самовоспламенения изооктана и н-гептана применительно к условиям ДВС. ФГВ, 1994, № 6. С. 15-25.

9. Warantz J. // Temperature of combustion of alkenes up to octane. //Proc. 20th symp. (Int.) on Combustion. Pitsburg , Pensylvania.- 1984. p. 845.

10. Bui-Pham M., Seshadri K. Comparison between experimental measurement and numerical calculations of the structure of heptane-air diffusion flames //Combust. Sci. and Techn. -1991. -V. 79. P.293.

11. Axellson E.I., Brezinsky K., Dryer F.L. et al. Chemical kinetic modeling of the oxidation of large alkane fuels: n-octane and iso-octane //Proc. 21th Symp. (Int.) on Combustion. Pitsburg, Pensylvania. 1987. - P. 783.

12. Axellson E.I., Brezinsky K., Dryer F.L. et al. A detailed chemical kinetic reaction mechanism for oxidation of n-octane and iso-octane // Lawrence Livermore National Laboratory. Report UCRL-94449. 1986.

13. Chevalier С., Goyal G., Louessard P., Warantz .Simulations of auto-ignition chemistry in hydrocarbn-air mixture // Proc. Joint Meeting of the Soviet and Italien Sections of the Combustion Inst. Pisa.- 1993. P. 5-10.

14. Poppe Ch., Sheber M., Griffiths J.F. Modeling of n-heptane auto-ignition and validation of the results // Proc. Joint Meeting of the British and German Sections of the Combustion Inst. Kambidge .- 1993. P. 360.

15. Muller U.S., Petrs N., Linan A. Global kinetic for n-heptane ignition at hightlipressures // Proc. 24 Symp. (Int.) on Combustion. Pitsburg, Pensylvania.- 1992.- P. 777.

16. Basevich V. Ya. Chemical kinetics in the combustion process //Handbook of Heat and Mass Transfer / Ed. by N.P. Cheremisinoff.- Houston: Gulf Publ. Co., 1990.- P. 769.

17. Trevino C., Mendez F. Reduced kinetic mechanism for methane ignition //Proc.th

18. Symp. (Int.) on combustion. Pitsburg, Pensylvania. 1988. - p. 1695 .

19. Maas U., Waranz J. Ignition process in carbon monoxidehydrogen oxygen mixture //Proc. 22th Symp.(Int.) on Combustion. Pitsburg , Pensylvania.- 1988. -p. 1695.

20. Карасевич Ю.К. Нейгауз М.Г. Прямые и обратные задачи в химической кинетике / Ред. В.И. Быков. Новосибирск: Наука. 1993. 248 с.

21. Булыгин Ю.И., Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. Элементарные химические процессы в поршневых двигателях внутреннего сгорания: кинетическое описание. Изв.вузов. Сев.-Кав.регион. Естеств.науки. 1996, № 1, с. 44-54.

22. Гордин К.А., Масленников В.М. Об образовании окислов азота в диффузионном пламени Н2-О2. ФГВД979, № 2. С. 54-65.

23. Липатников А.Н. Численное моделирование образования окиси азота при турбулентном горении предварительно перемешанной газовой смеси. ФГВ, 1993, №3.-С. 78-81.

24. Бурико Ю.Я. и Кузнецов Р.В. Образование окислов азота в неравно-весном диффузинном турбулентном пламени. ФГВ, 1983, № 2. С. 71-81.

25. Фиалков А.Б. и Калинич К.Я. Формирование ионов NO и NH4+ в низкотемпературной периферийной зоне пламени. ФГВ, 1993, № 3. С. 111115.

26. Когарко С.М. и Басевич В.Я. Теоретическое рассмотрение возможных схем снижения концентрации N0 при горении. ФГВ, 1981, № 5. С. 3-8.

27. Teodorczyk A., Rychter T.J. Matematical model of nitric oxide formation in an SI piston engine. J. Techn. Phys., 28, p. 47-65, 1987.

28. Baulch D. L., Cobos C. J., Cox R. A. a. al. Summare Table of Evaluated Kinetic1. Data for

29. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. 454 с.

30. Талантов А.В. Горение в потоке. -М.: Машиностроение, 1978. 160 с.

31. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: Физматлит, 2003. - 352 с.

32. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970. 904 с.

33. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 384 с.

34. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Рыбаков Г.П. Плоская модельсмесеобразования при впрыске топлива в цилиндр ДВС с искровым звжиганием. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 6 -Тула.: ТулГУ, 2002. С. 120-127.

35. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П. Моделирование смесеобразования в ДВС с непосредственным впрыском. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 7 Тула: ТулГУ, 2003. - С. 236-245.

36. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П., Рябых А.Н. Модель образования горючей смеси в ДВС с непосредственным впрыском. Труды Всероссийской ежегодной научно-технической конференции Вятского государственного университета. Киров: Вятский гос. ун-т, 2004. С. 131-134.

37. Чесноков С.А., Фролов Н.Н., Дунаев В.А., Кузьмина И.В. Модели смесеобразования и горения в ДВС с непосредственным впрыском. Ж.

38. Двигателестроение", С-Петербург, 2005, № 1.-С.З-5.

39. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. М.: Машиностроение, 1983, - 372 с.

40. Железко Б.Е. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей. Минск: Вышэйшая школа, 1980. 304 с.

41. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П., Моделирование двухфазных потоков во впускном коллекторе ДВС. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 6 Тула.: ТулГУ, 2002.-С.165-170.

42. Чесноков С. А., Рыбаков Г.П., Демидов М.И. Одномерная модельдвухфазных течений во впускной магистрали ДВС. Тезисы докладов XXXIX

43. Международной научно-технической конференции. Секция "Поршневые и # газотурбинные двигатели".МГТУ"МАМИ",2002.-С.56-60.

44. Чесноков С.А. Тепломассообмен в задачах энергетики и строительной теплофизики / ТулГТУ. Тула, 1995. -176 с.

45. Чесноков С.А. Математические модели теплофизики / Учебное пособие. Тула: ТулГУ, 1997, -160 с.

46. Чесноков С.А. Теплофизика технологических процессов / Учебное пособие. Тула: ТулГУ, 2001.- 104 с.

47. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Моделирование теплофизических процессов / Учебное пособие. Тула: ТулГУ, 2001. -164 с.

48. Краткий справочяник по химии / Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некрич Е.Ф. Под ред. Куриленко О.Д. / Киев: Наукова думка, 1965. 835 с.

49. Фристром P.M., Вестенберг А.А. Структура пламени. М.: Металлургия, 1969. 364 с.

50. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химическихреакций. М.: Химия, 1970. 519 с.

51. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1988.-478 с.

52. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х томах / JI.B. Гурвич, И.В. Вейц, В.Д. Медведев и др., т. 2, М.: Наука, 1979.-439 с.

53. Чесноков С.А. Моделирование высокотемпературных реакций горения. Тула: Изд-во Тульского гос. ун-та, 2002. 163 с.

54. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд-во АН СССР, 1947. 191 с.

55. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1981.- 315 с.

56. Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. Луганск:

57. Восточно-украинский гос. ун-т, 1998. 126 с.

58. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 376 с.

59. Чесноков С.А., Елагин М.Ю. Кинетика образования окиси азота в ДВС. В сб. "Механика и процессы управления". Труды XXXI-го Уральского семинара. УрО РАН. Миасс Екатеринбург, 2001. - С. 224-225.

60. Gear C.W. The automatic integration of ordinary differential equations. Communicatuons of the ACM, 14, 3 (March 1971), p. 176-179.

61. GearC.W., Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1971.

62. GearC.W., The automatic integration of stiff ordinary differential equations. Information Processing 68, A.J.H.

63. Арушанян О.Б., Залеткин С.Ф. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений на фортране. М., Изд-во МГУ, 1990. 335 с.

64. Чесноков С.А. Спектрометрия двигателей внутреннего сгорания. Тула: Тульский гос. ун-т, 2001. 146 с.

65. Чесноков С.А., Соколова С.С. Моделирование локальной кинетики реакций легких частиц в ДВС. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 6 Тула.: ТулГУ,2002.-С.155-165.

66. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС / Учебное пособие. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. - 244 с.

67. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. Струйно-кинетическая модель горения для рабочего процесса в ДВС с искровым зажиганием. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 7 Тула: ТулГУ, 2003.- С. 245-255.

68. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. Моделирование горения неоднородной бензовоздушной смеси в ДВС. XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения. Миасс-Екатеринбург: УрО РАН-ВАК РФ, 2003. С. 57-59.

69. Дунаев В.А., Акименко Т.А. Численное моделирование и визуализация многокомпонентного газового потока. Тезисы докладов международной НТК "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации". М., МГТУ ГА, 1999. С. 93 - 94.

70. Иевлев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975. 278 с.

71. Riegler, U. G.: Berechnung der Verbrennung und der Schadstoffbildung in Ottomotoren unter Verwendung detaillierter Reaktionsmechanismen. Dissertation, Fakultat Energietechnik der Universitat Stuttgart. Germany, 1999.

72. Лыков A.B. Тепломассообмен / Справочник. M.: Энергия, 1978. -476 с.

73. Теория тепломассообмена / Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др.: Под ред. Леонтьева А.И. М.: Высшая школа, 1979. - 495 с.

74. Чесноков С.А., Демидов М.И. Моделирование тепломассообмена и химической кинетики образования окиси азота в ДВС с искровым зажиганием. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 7 -Тула: ТулГУ, 2003. С. 255-265.

75. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.: Наука, 1974.-558 с.

76. Кондратьев В.Н. Определение констант скорости газофазных реакций. М.: Наука, 1971.- 95 с.

77. Вулис Л.Я., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978. 216 с.

78. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1963. 589 с.

79. Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение. М.: Наука, 1986.-288 с.

80. Чесноков С.А., Демидов М.И. Химическая кинетика при турбулентных пульсациях температуры в ДВС. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 8 Тула: ТулГУ, 2004. - С. 124-131.

81. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1971. 704 с.

82. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982.-592 с.

83. Прудников А.Г., Волынский М.С., Сагалович В.Н. Процессы смесеобразования в воздушно-реактивных двигателях. М.: Машиностроение, 1971. 392 с.

84. Демидов М.И. Моделирование тепломассообмена и химической кинетики оксида углерода в ДВС. Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Молодые исследователи-региону». Вологда: ВоГТУ, 2004. -с.191-193.

85. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1972. 275 с.

86. Чесноков С.А. Применение k-s модели турбулентности при горении в ДВС. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 8 Тула: ТулГУ, 2004.-С. 103-110.