автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Прогнозирование неравновесного образования токсичных веществ при горении в ДВС с искровым зажиганием

На правах рукописи

ЧЕСНОКОВ Сергей Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ГОРЕНИИ В Д В С С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 2006

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Звонов Василий Алексеевич

доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор Фомин Валерий Михайлович

Ведущее предприятие: ОАО АК "Туламашзавод" им. В.М.Рябикова, г. Тула

Защита состоится /У Ju.Ctj<L. 2006 года в часов на заседании диссертационного совета Д212.141.09 в Московском государственном техническом универститете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического универститета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан « » г.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, учебно-лабораторный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.09.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. 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. Так, например, в промышленных городах России доля автомобильных выбросов токсичных веществ достигает 70% от общих выбросов, а в Москве - почти 90%. Эти оценки, а также последующие, взяты из наиболее весомых монографий последнего времени Маркова В.А. и др.; Иващенко H.A. и др.; Звонова В.А.; Горбунова В.В. и Патрахальцева Н<Н.; Кульчицкого А.Р.; Морозова К.А. Низкое содержание токсических веществ в отработавших газах (ОГ) можно обеспечить лишь при высоком уровне организации рабочего процесса и, конечно, при наличии в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.

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 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. Эти поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания, низкую токсичность ОГ, отсутствие детонации к концу горения и малый общий расход топлива. Для подбора полей а необходимо использовать более совершенное математическое описание образования этих полей и горения в этих полях. Известны работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников A.J1. Абдуллина, A.B. 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, C.B. 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 трехмерных уравнений тепломассообмена для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии. В связи с этим сформулируем следующее.

Целью работы является решение научной проблемы надежного теоретического прогнозирования содержания монооксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе уточненного, многомерного математического описания горения в двигателях, полученного при синтезе основных уравнений физико-химических, газодинамических и тепловых процессов, позволяющего разрабатывать эффективные модели, алгоритмы и программы решения соответствующих задач на ЭВМ и применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач'.

- применение известных методов межфазного турбулентного тепломассообмена (МТТ) для описания процессов образования горючей смеси в ДВС;

- создание метода химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ), позволяющего описать для условий ДВС неравновесные процессы горения во фронте пламени и догорания за фронтом на основе химической кинетики при турбулентном конвективно-диффузионном перемешивании продуктов сгорания;

- выделение из общего описания ХТТ в ДВС ряда частных задач: Тазовой динамики, турбулентного переноса и турбулентной кинетики, которые можно решать отдельно, используя полученные результаты для моделирования собственно процесса ХТТ при небольших затратах машинного времени;

- создание на основе методов М/ХТТ математических моделей для процессов смесеобразования, горения, догорания и выхлопа в ДВС;

- получение результатов, подтверждающих возможность применения разработанных методов для повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.

При решении задачи газовой динамики использовалась программа GAS-2 д.т.н., проф. Дунаева В.А. (каф. Ракетостроение, ТулГУ), позволяющая рассчитывать нестационарные и двухмерные турбулентные поля скорости для химически не реагирующей смеси газов.

Решения перечисленных задач получены для перспективного ДВС типа Mitsubishi Galant (1996 г) с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection, в дальнейшем - GDI) и двигателя ВАЗ-21011, для которого имеется обширный банк экспериментальных данных.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- составлен кинетический механизм химических реакций горения бензовоз-душной смеси в ДВС (266 реакций для 33 частиц) на основе детального кинетического механизма (ДКМ) горения метановоздушной смеси В.Я. Басевича;

- предложен сокращенный ДКМ реакций догорания продуктов оттока за фронтом горения (52 реакции для 14 частиц);

- создана версия к-е модели турбулентности для- расчета полей турбулентных коэффициентов переноса в условиях ДВС; получены поля параметров

турбулентности в полости цилиндра; ~>

- при использовании метода МТТ предложены модели смесеобразования; на основе метода ХТТ разработана математическая модель для процесса догорания продуктов оттока, определяющего, в основном, образование оксидов СО и N0; составлены эффективные алгоритмы решения и программное обеспечение перечисленных задач;

- разработан метод спектроскопических исследований в ДВС с искровым зажиганием, позволяющий изучить излучение возбужденных радикалов СН и ОН в пламени и оценить тем самым активность и продолжительность (скорость) горения в двигателе.

Методы исследования: Теоретические исследования базируются на основных положениях химической кинетики, механики гомогенных и гетерогенных сред, турбулентного переноса. Экспериментальные исследования спектральных характеристик пламен в ДВС проведены на спектрографах ИСП-30, ИСП-51 и ИСП-73. При измерениях давлений, расходов и низких температур использовалась серийная аппаратура.

Основные положения, выноси.мые на защиту:

- кинетические механизмы химических реакций в ламинарных участках фронта горения ДВС и при догорании продуктов оттока за фронтом; оценка влияния турбулентных пульсаций температур на величину констант химических реакций;

- версия к-с модели турбулентности в условиях ДВС, предназначенная для определения характеристик турбулентного переноса в КС и цилиндре;

- математические модели М/ХТТ, полученные для описания процессов смесеобразования-горения-догорания-выхлопа и результаты расчетов этих процессов;

- методика спектроскопических измерений в ДВС;

Научная значимость работы заключается в разработке теоретических положений химического турбулентного тепломассообмена, как современного направления моделирования горения и образования токсичных веществ вДВС. Практическая значимость работы заключается:

- в разработке эффективных алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, позволяющих произвести расчеты содержания оксидов СО и N0 при горении, догорании и выхлопе из двигателя при затратах машинного времени не более 8 час;

- в постановке спектроскопических измерений в ДВС, позволяющих оценить активность и продолжительность горения, степень износа для каждого из цилиндров, а также произвести настройку качества топливной смеси по интенсивности излучения радикала ОН*.

Последнее защищено патентом РФ № 2182251 от 10 мая 2002 г: Устройство для диагностики качества горючей смеси двигателя внутреннего сгорания. Патент удостоин диплома и бронзовой медали на ежегодном "Международном смотр-конкурсе изобретений Лепин" Ассоциации изобретателей и фабрикантов Франции - Париж, 2004.

Результаты исследования внедрены в практику работы ОАО АК

Туламашзавод, были использованы при подготовке учебных курсов в Тульском государственном университете и легли в основу при написании монографий и учебных пособий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались н обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная научно-техническая конференция (НТК) "Энергосбережение - 98" - Тула, ТулГУ; XVIII Международный семинар "Течения газов и плазмы в соплах, струях и следах" - С.-Пб., БГТУ (2000); Всероссийские НТК "Технический вуз - наука, образование и производство в регионе"(2001) и "Современные тенденции развития автомобилестроения в России" (2004) -Тольятти, Тол. гос. ун-т; Н-я и Ш-я Международные научно-практические конференции (НПК) "Автомобиль и техносфера" (2001 и 2003) - Казань, Каз. гос. техн. ун-т; XXXI Международный научный симпозиум ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров" -Москва, МГТУ "МАМИ" (2000); XXXIX Международная НТК - Москва, МГТУ "МАМИ" (2002); Международная НПК "Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития" - Москва, МГТУ "МАДИ" (2000); Луканинские чтения: "Проблемы и пер спективы развития автотранспортного комплекса" - Москва, МГТУ "МАДИ" (2003); . Международная НПК "Прогресс транспортных средств и систем - 2002" - Волгоград, Волг. техн. гос. ун-т; VIII, IX и X Международные НПК: "Совершенствование мощ-ностных, экономических и экологических показателей ДВС" (2001), "Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств" (2002) и "Фундаментальные, и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей" (2003) - Владимир, Владим. гос. ун-т; IX Международная НТК "Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов" - Пенза, Пенз. гос. ун-т (2004).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения (книга 1) и приложений (книга 2). Содержание диссертации изложено в книге 1 на 326 страницах текста и включает 116 рисунков, 79 таблиц, список литературы из 208 наименований. В книге 2 на 139 страницах приведены тексты программ решения на ЭВМ. „

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Сокращения:

Г'С - горючая смесь. ДКМ-детальный кинетический мех-м. ДКМД-ДКМ догорания (52 реакции) ДЭТ-диссипация энергии турбулентности. КС - камера сгорания.

КЭТ-кинетическая энергия турбулентности. КТО-коэффициент турбулентного обмена.

MTX- межфазный турбулентный ТМО. ОГ - отработавшие гачы двигателя. ОКМ-основной кинет-й мех-м (266 реак) OK -основные компоненты (доля >0,1%) ПС — продукты сгорания. ТМО - тепломассообмен. ХТТ—химический турбулентный ТМО.

GDI - Gasoline Direct Injection - впрыск топлива в цилиндр (Mitsubishi Galant. 1996).

Основные обозначения:

а - коэффициент температуропроводности; с,, с,. - коэффициенты аэродинамического

сопротивления частиц топлива: Г> - коэффициент диффузии, м2/с;

— диаметр;

g - ускорение массовых сил (тяжести), м/с";

- массовая доля компонента или фракции; Hj - тепловой эффект реакции, Дж/ моль; ¿-кинетическая энергия турбулентности,м7с" А/ - константа скорости реакции; п —нормаль; Ыг - кратность коэф-та турбулентного обмена;

а -коэфф. избытка воздуха топливной смеси у - коэфф. остаточных газов; &г, <?,- эффективные тепловая и химическая толщины ламинарного фронта горения, м; е - скорость диссипации энергии турбулентности, м"/с"

Q - выделение тепла при горении; г, - мольная доля компонента; S - скорость реакции; Та - температура горения. К; U - удельная внутренняя энергия; Uvскорость выделения тепла, Вт/м'; ¡У„-норм. скорость горения (ламин.); Ut- турбулентная скорость горения; Vor- скорость оттока; IV - объем; V,ü, w - полные скорости; wn - диффузионная скорость.

р. - молярная масса, кг/моль; v-кинематический коэфф. вязкости; vr-коэфф. турбулентного обмена; р - плотность смеси, кг/м'; р,-парциальная плотность компонента; р° - истинная плотность ПС;

Нижние индексы;

С - центробежная; F - фронт горения; С - гравитационная, горение; GR - градиентная; R - расширение; с - частица; /- среда; /' - номер компонента; j - номер реакции; р - пар, г — ручей, s - воздух внутри струи частиц; w - граница; ж - жидкость; // — начальное; с.м - смесь;'Г- турбулентное; I - продукты сгорания; 2 - горючая смесь.

Верхние индексы: р - прямая реакция; о - обратная. Верхние символы: —> вектор; - простое осреднение; ~ осреднение с учетом плотности по Фавру.

Нумерация разделов, формул, рисунков и таблиц сохранена такой же, как в диссертации.

Во введении обосновывается актуальность научной проблемы, указана цель и решаемые в работе задачи, поясняется структура работы.

Глава 1. Обзор научной литературы

Обзор литературы проведен по трем направлениям: химическая кинетика горения, механика гомогенных и гетерогенных смесей, турбулентность при горении и в потоке. Среди работ по химической кинетике ведущее положение занимают публикации НИИ химической физики РАН, в одной из которых полностью опубликован ДКМ горения метана в условиях ДВС проф. ВЛ.Басевича (256 реакций для 29 частиц) - ФГВ, 1994, № 2, с. 7-14. Данные по кинетике тяжелых частиц, образующихся при распаде фракций бензина в начале горения в условиях низких температур, малочисленны - ДКМ распада основных фракций неизвестен. Это объстоятельство делает невозможным, в частности, определение толщины слоя затухания пламени вблизи стенки КС и, тем самым, оценку содержания несгоревших углеводородов в ОГ.

В основополагающей монографии Р.И.Нигматулина (Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987) получены общие уравнения сохранения для гомогенной и гетерогенной смесей. Будем считать, что рабочее тело в КС является гетерогенной смесью двух гомогенных фракций - продуктов сгорания

и горючей смеси. Аналогичным образом, рабочее тело при впрыскивании топлива можно рассматривать как гетерогенную смесь двух фракций - жидких частиц топлива и гомогенной смеси паров бензина и воздуха.

Для составляющих (фракций) гетерогенной смеси, в пренебрежении обменом импульса за счет межфракционных превращений и работой диссипативных сил, из общих уравнений сохранения получим уравнения тепломассообмена в следующем виде:

+ p.^L—r.v'p + V'r: + P.g+ÍX,; (1.63),(1.64)

Л^--*«:rta. Í'--V <"»

" Г Рл " Г ч»1 Рл Лм = "Лт, = -Rnm, Qmn = "£?лт ('»," = 1, 2.....N; т ¿ п),

где г„ — тензор напряжений; q„ — плотность теплового потока; индексы от,и -номера фракций, между которыми происходит обмен массой J, силами R или теплотой Q; к-номер координаты x,y,z; по повторяющимся к проводится суммирование.

Для составляющих (компонентов) гомогенной смеси, поля скорости и температуры которой известны, имеем уравнение сохранения массы dp - N —

где т,п — номера компонентов, между которыми происходит обмен массой J.

Глава 2. Некоторые случаи образования горючей смеси

2.1. Непосредственный впрыск в цилиндр двигателя GDI

В двигателях GDI Mitsubishi Galant (1996 г.), Pajero Pinin и Carisma (1997 г) применяются два варианта впрыска - для работы на стехнометриче-ской и сверхбедной смеси. В первом случае впрыск производится широким коническим факелом в начале такта впуска (рис. 2.1 ,а). Длительное, в течение полутора тактов, испарение способствует образованию гомогенной (но неоднородной) смеси (аср~ 1). Поршень двигателя имеет сферическую выемку, что обеспечивает разворот струи воздуха, насыщенного парами бензина, в сторону свечи зажигания и, тем самым, обогащенную смесь в ее окрестности.

i j Рис. 2.1. Схема конвектив-I ных процессов в двигателе ^^r^^j GDI при различных вариан-'ÍÁ/VUJ тах впрыска, при всасыва-* * / F нии (а) И в конце сжатия (б): s </ 1-форсунка; 2 —впускной

клапан; 3 - свеча зажигания; F - фронт горення

Во втором случае впрыск производится узким факелом в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием. Струя распыла огибает сферическую выемку и подходит к свече (рис. 2.1,6), перед которой образуется фронт горения. Для этого варианта впрыска характерно одновременное протекание испарения частиц, горения смеси и перемешивания ПС, что затрудняет описание процесса. Поэтому решение задачи перемешивания ПС с учетом их догорания, изложенное в гл. 4, основано на достаточно грубых оценках.

В этом разделе рассмотрен первый вариант впрыска (рис. 2.1,а). Особенностью конструкции первых двигателей GDI является размещение клапанов, свечи и форсунки в диаметральной плоскости цилиндра, что позволяет рассматривать лишь плоские (двухмерные) задачи. Заменим полый конический факел распыла четырьмя одномерными расширяющимися пучками частиц. С достаточной точностью итоговое поле плотности паров бензина можно получить наложением (суперпозицией) полей каждого пучка в отдельности. Поле скорости воздуха при всасывании рассчитано с помощью программы GAS-2.

Основные допущения. Впрыскиваемые частицы бензина имеют одинаковую сферическую форму и диаметр, при этом силы, воздействующие на них, равны, траекторли движения параллельны и столкновения отсутствуют. Частицы движутся под действием сил инерции и аэродинамического сопротивления в потоке газа. Силы аэродинамического сопротивления введены модифицированным законом Стокса, как для одиночных частиц. Закон испарения частиц бензина задаем в эмпирическом виде, при попадании частиц на стенку (поршень) они мгновенно испаряются. Уравнения (1.63),(1.64),(1.66) для различных фракций имеют следующий вид:

а) частицы:

диг диг диг / I 3 _ „

—-t- + ис —!- + wc —i- = сх р (и+ us- ис ). и + us - ис —-; (2.14)

дт дх ду 4dcpM.

c3nv dw,. dwr , \ I I 3

+ .■—^- + w,.-—^- = crp{w+w:i-w,.) w+-w(. —-- ; (2.15)

дт ôx 8y

+ ; (2.16)

or ôz m дт F oz

б) воздух (паровоздушная смесь) внутри пучка частиц:

+ -0P92Î--схр (Vs ~VC)\VS-VC\ —i— ; (2.17)

дт cz z 4"cP»

в) пары бензина:

дт Sx dv

д25Р д~ё „| ( 1 дт ,, /дЯЛ дх ду I \т дт 1-д:)

Здесь т - масса частицы; Р(:) — сечение пучка. Третье слагаемое в (2.17) определяет вязкостное сопротивление и получено аппроксимацией

поперечного профиля скорости в рамках известной теории затопленной турбулентной струи газа (JÏ. Прандтль) в стационарной постановке. На каждом шаге по времени шаговые координаты Ах, Лу оси z пучка частиц (рис. 2.1,а) определяются выражением: Лу = Ах wçluc\ шаг по оси z: Az = Ах Vf / и с ; диаметр испаряющихся частиц по Вырубову dc = 2(а - кт)ъ*.

В качестве исходных данных базового варианта расчета приняты: геометрия факела распыла в виде полого конуса; скорости впрыска (в проекциях на оси х, у) - ¡¡со - 50 м/с, wco — 15. м/с; плотность впрыска ра> = 9,6 кг/м1; начальный диаметр частиц dço - 50 мкм; время впрыска твцг= 4 мс; время полного испарения частиц Гц - 10 мс; турбулентный коэффициент диффузии паров Dp= 0,045 м2/с. Последний определен с учетом кратности КТО А/г, полученной при решении задачи турбулентности в цилиндре (аналогично гл. 6): Dp = DjuuNt

На рис. 2.7 изображены поля а, полученные в конце сжатия, в т.ч. результаты базового варианта расчета (а) при указанных выше данных. На остальных рисунках представлена часть результатов, полученных при варьировании отдельных параметров. Стрелкой W показаны направления впрыска. , Сравнение полей с базовым вариантом показывает следующее: повышение Dp в 3 раза (б) сильно влияет на неоднородность поля Да = аМлх - «min;' двухкратное увеличение продолжительности впрыска тПцр (в) (при соответствующем уменьшении скорости) снижает неоднородность поля Да с 0,32 до 0,17. Показано, что уменьшение времени испарения частиц, варьирование направления и скорости впрыска мало изменяют поле а. Слабое влияние этих параметров объясняется длительной конвекцией и диффузией паров, которые, в основном, и определяют конечный рельеф поля а в КС.

Рис. 2.7.Поля коэффициента избытка воздуха в КС ДВС рЭ! перед зажиганием (п = 3000 об/ми н): а) базовый вариант; б) Ор= 0,015 м"/с; в) гйда = 8мс;

2.2. Центральный впрыск или карбюратор в двигателе ВАЗ-21011 2.2.1. Одномерные двухфазные течения в четырехканальном впускном коллекторе (рис. 2.8) рассмотрены в промежуточном режиме холодного холостого хода (п~1200 об/мин). Учитывая колебательно-разгонный характер

а

б

в

течения в каналах и наличие жидкой пленки на поверхности (играющей роль "смазки") считаем течение ламинарным. Соответственно этому коэффициент сопротивления трением определим формулой Блазиуса £ = Яе"ъ . Принимаем, что частицы горючего генерируются центральной полостью как часть общего расхода топливной смеси. Испарением частиц в потоке пренебрегаем. Поток частиц считаем полидисперсным, столкновения не учитываем. Движение частиц определяется силами инерции, гравитации и аэродинамического сопротивления в потоке воздуха. Коэффициент аэродинамического сопротивления сх соответствует сферической форме частиц для 0,1 < Не < 1000. Падающие на стенку канала частицы образуют пленку, движение которой моделируется ниже.

Рис. 2.8. Схема впускного коллектора и его сечения: а) вид на коллектор сверху (в сечениях); б) продольное вертикальное сечение канала; в) поперечное сечение канала (Ф - форсунка или карбюратор)

Из уравнений (1.63) и (1.64) для фракций воздуха и частиц имеем систему достаточно известных одномерных уравнений движения и сохранения массы для' каналов (и цилиндров), позволяющих расчитать распределения скорости и плотности газовой и дисперсной фазы вдоль каналов и во времени.

Полученные данные и аналогичные результаты для рабочего режима двигателя (п = 3000 об/мин) позволяют сделать следующие выводы. Под действием гравитационных и центробежных сил на стенке канала оседают массовые потоки практически всех частиц, соответственно Со и вс (рис. 2.8,в). Особенно сильным этот эффект является для крупных фракций, мелкие частицы жидкости (<100 мкм) увлекаются потоком газа. Радиальный поток частиц в стенку Ос + Ос, = ССо (рис. 2.9) локализуется на начальном участке канала длиной х = Ь/2...Ь. Перетекание из канала в канал характерно для газового потока и мелких фракций жидких частиц. Влияние частиц на движение газового потока слабое. Все выводы соответствуют экспериментальным данным ряда известных работ.

2.2,2. Моделирование течения пленки топлива в канале коллектора в холодный пусковой период можно производить отдельно от предыдущей задачи, поскольку газокапельные потоки устанавливаются за 10 - 15 циклов

раооты двигателя, в то время как стекание пленки в ручей на дне канала стабилизируется в течение 50 - 200 циклов. Массовый расход частиц (С7с-<7> падающих на стенку, считается известными по результатам решения предыдущей задачи. Течение тонкой пленки является медленным - ползущим Ше ~ 0,2) и квазистационарным ут I 10 >>1), ручей более подвижен

вследствие большей глубины (Не — 70).

Clro,

кг/м-с 0,01

м„.Г

10"'кг 0,2

0,1

Mnu,

М„/ /Мпц /

/ У

о

40

N

Рис. 2.9.Параметры потока вдоль впускного канала в середине тактов: всасывания (1) и последующих (2-4)

Рис. 2.12.Масса пленки и ее по ступление в цилиндр по циклам работы ДЙС

По известным литературным данным волновые эффекты для ручья (и тем более пленки) не учитываем. Кинетической энергией падающих частиц и силами поверхностного натяжения пренебрегаем. Считаем, что пленки топлива образуются в каждом канале отдельно и независимо друг от друга. Уравнения неразрывности и движения запишем в следующем виде (рис. 2.8,в):

д5_ дт

1 d{8wcp) ду d!w dy> "

Рж

Gc sin у + Gc s/л у

Л„АТ

SQ„ 1

g{ ■ dS

■--siny +-cosy

v ^ rdy

}+A£c

■cosy t

гДе Que- теплота испарения; Лpc = 0fl3icd p

(2.31)

(2.32)

R

В уравнении (2.32) третье слагаемое определяет влияние центробежного давления газового потока Лрс, вытесняющего пленку на внутреннюю границу канала.

Движение ручья в конце канала (рис. 2.8,6), на участке установившегося течения, где диг/дх-0, д!г/дх~0 (и С7с=С7(;=0), можно описать уравнениями стационарного гравитационного течения и градиентно-пульсирующего под действием газового потока, циклически установившегося течения:

d'u,. . _

dy-

¿«gr _ t. d'llgr

дт ду

При r= О uoR-O; при у = О uc=uGR=(); при у = h дис/ду=0 duGR/dy= FCr(t).

Первое уравнение имеет простое решение для средней по глубине скорости, определяющей расход н(Т = Л'g sin р l(3v). Для второго уравнения необходимо задать градиент скорости со стороны жидкости FCr(г/Используя аналитическое решение первой задачи Стокса (покоящийся газ, ограниченный неподвижной стенкой, начинает разгоняться, когда она приходит в движение с постоянной скоростью) можно получить относительную толщину пограничного слоя и градиенты скорости газа и жидкости у поверхности раздела На рис. 2.12 изображены графики изменения массы пленки Мц и расхода пленки в цилиндр Мщво времени, по циклам N работы двигателя. В начальный период происходит медленное стекание пленки вниз, продольный градиентный расход тонкой пленки (-40 мкм) в цилиндр незначителен и только при образовании достаточно глубокого (-200 мкм) ручья начинает расти расход жидкой фазы в цилиндр. Выдавливание пленки на поверхность канала внутреннего радиуса кривизны под действием центробежной силы газового потока при малых расходах холостого хода невелико, и ручей течет по дну канала. С увеличением оборотов двигателя ручей "размазывается" по всей поверхности. Итоговый расход ручья в конце канала позволяет определить массу горючего, которая накапливается у закрытого впускного клапана и выбрасывается в цилиндр при его открытии. После прогрева двигателя и канала расчеты показывают, что падающие на стенку частицы топлива мгновенно испаряются и пленка топлива отсутствует.

2.2.3. В цилиндрах двигателя ВАЗ-21011 при всасывании, сжатии и расширении наблюдаются трехмерные поля скоростей. Тем не менее можно воспользоваться программой GAS-2, если считать, что вихревое движение локализуется в диагональном сечении цилиндра, имеющем наибольшую протяженность. Причем, по мере движения поршня это сечение меняет размеры и форму, превращаясь в конце сжатия в горизонтальное сечение КС. При известном в этом сечении поле скорости и заданном (из общих оценок) изменении доли паров горючего на входе в цилиндр при всасывании, можно рассчитать поле коэффициента избытка воздуха в КС к моменту зажигания, используя уравнение (2.18) без источников. Причиной такого упрощенного подхода являются трудности в постановке задачи движения двухфазной горючей смеси в коллекторе ДВС при больших расходах.

Глава 3. Химическая кинетика горения в ДВС.

Предварительное тестирование и оценки

В качестве модельного горючего, заменяющего бензин, в данной работе использован н-октан CsHls, что представляется оправданным в связи с близкими значениями характеристик октана и бензина, используемых в кинетических расчетах. Механизм термического распада октана соответствует опубликованным для различных тяжелых углеводородов:

С8Н,8-»С?Нб+2С2Н4+СН4, С3Н6->С2Н4+0,5С2Н2+Н.

Отсутствие литературных данных по скорости распада н-октана потребовало оценки влияния этого процесса на дальнейший кинетический процесс. В качестве исходной для н-октана выбрана известная скорость распада другого тяжелого углеводорода — тетрадекана. При тестировании кинетического механизма показано, что изменение скорости распада в широком интервале (+1, -2 порядка) совершенно не влияет на кинетику процесса в течение основного периода горения (после 1 мкс процесса).

В рамках проведенного тестирования по образованию оксида азота N0 показана необходимость совместного учета трех реакций механизма Зельдовича Я.Б. и термической реакции окисления азота N2, предложенной для условий ДВС Звоновым В.А. (Токсичность двигателей внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение. 1981):

N + + О; К + 02«-»1Ч0 + 0; N + ОН<-»ЫО + Н; Ы2 + 02<->Ш+ N0.

Последние фундаментальные работы проф. Звонова В.А. и его учеников посвящены многозонным термодинамическим моделям горения в ДВС с учетом различных механизмов кинетики образования N0, СО и СНП1.

Таким образом, в диссертации, на основе ДКМ горения метана в условиях ДВС Басевича В.Я., с учетом реакций образования N0 и эмпирических реакций распада н-октана, как модельного топлива заменяющего бензин, образован основной кинетический механизм (ОКМ) горения топлива, содержащий 266 реакций для 33 частиц. Механизм уравновешен для условий воспламенения и горения в ДВС: температур Т = 1000, 2000, 3000 К и, соответственно, давлений р = 2; 3,5; 5 МПа. Отметим, что применение метода Гира для решения кинетических уравнений позволяет уменьшить время решения на ПЭВМ задачи химической кинетики в нульмерной постановке в 105 раз, сократив его от нескольких суток до нескольких секунд.

Глава 4. Нульмерная химическая кинетика горения

На основе ОКМ методом Гира решается система уравнений химической кинетики и уравнение энергии для потока, пересекающего ламинарный участок фронта горения:

—¿"А,; Зи^Ы.

1 иТ Нем 1-1

Здесь а, р - различные значения М— количество реакций.

Результаты решения: 1. Расчет процесса горения с использованием ОКМ удается "запустить" при начальной температуре горючей смеси не ниже 1100—1200К (рис. 4.1). Причиной является то, что подогрев смеси с 600-700 К (температура в цилиндре ДВС в конце сжатия) до 1200 К происходит за счет неучтенных

низкотемпературных реакций тяжелых молекул. Для того, чтобы конечная температура горения не превысила реальные значения эта неточность компенсируется завышением удельной теплоемкости смеси температурной поправкой: с<— с(Тс - 650)/(Тс - Т,„,,,), где Тс и Ттш показаны на рис. 4.1.

■ Ниже (п. 3) установлено, что конечный состав смеси соответству-

Т,К

2800

2000

1200 1000

а=1 /У < 1с

' ту V, иу

1 1Л1П П .ГА

^ о

Рис. 4.1. Температура и скорость тепловыделения (р = 4 МПа)

ет равновесному состоянию при температуре горения (кроме N0), поэтому повышение теплоемкости влияет лишь на промежуточную кинетику реакций, не искажая конечный состав продуктов горения. График изменения во времени скорости тепловыделения за счет химических реакций Цу имеет два характерных максимума, в диссертации обсуждается механизм их образования.

В начале .процесса (при т < 0,1 мкс) расчетная скорость тепловыделения за счет химических реакций 11у является отрицательной из-за поглощения тепла реакциями распада октана. В значительной степени отрицательное тепловыделение реакций распада компенсируется при сгорании атомарного водорода Н. В итоге, временное снижение температуры смеси составляет 100-200 К.

2. Метин СН является типичным представителем углеводородной группы радикалов, концентрация которых достигает максимума уже в начале процесса, после чего начинается "развитое" горение смеси. Наибольшее содержание гидроксила ОН наблюдается в конце горения, его доля определяет ведущий процесс этого периода — окисление оксида СО. В настоящее время неизвестно соотношение концентраций возбужденных радикалов СН*, ОН* и "спокойных" радикалов СН, ОН, доля которых определяется в кинетических расчетах, и это соотношение может быть существенно нелинейным. Тем более показательным и подтверждающим достоверность кинетики Басевича В.Я. является качественное соответствие экспериментальных и расчетных (кинетических) данных рис. 4.4 для режима горячего холостого хода ВАЗ-21011.

3. В рабочем режиме ВАЗ-21011 МПа) для процесса горения, по данным локачьных кинетических расчетов в трех областях цилиндра с различными а = 0,9...1,1 (поле а получено в п. 2.2.3), конечное содержание ОК смеси соответствует равновесному состоянию при максимальной температуре горения, с отклонениями не более 12 %. Содержание оксида азота N0 (и Од) при горении является неравновесным.

Конечное состояние при расширении смеси в условиях этого же режима имеет существенно неравновесный характер. Догорание СО (и образование NO) зависит от содержания радикалов ОН и О, которое в свою очередь определяется концентрацией кислорода В области богатой смеси остаточная доля Ог стремится к равновесному, почти нулевому значению, в то время как содержание NO значительно больше равновесного. Дефицит кислорода, израсходованного на образование NO, препятствует выгоранию СО и способствует сохранению его высокой концентрации. Для бедной смеси (а > 1,05) кислорода достаточно и для образования N0, и для выгорания СО. Так как и в этом случае конечная доля NO превышает равновесную, то остаточное содержание кислорода меньше равновесного.

Обобщая изложенное, важно подчеркнуть, что сравнительно медленная кинетика образования и распада оксида азота в процессе горения (и в начале расширения) смеси шределяет неравновесное содержание кислорода и, тем самым, неравновесный процесс выгорания оксида углерода, замедленный при низких температурах расширения. При расчетах содержания СО, как это принято в многочисленных литературных источниках, возможны, конечно, и квазиравновесные подходы, но только использование общей кинетики углеводородов снимает все вопросы к этой проблеме.

4. Применение нульмерной кинетики для расчетов локальных температур и состава ПС по отдельным областям полости цилиндра ВАЗ-21011 с различным избытком воздуха приводит к значительным погрешностям. Например, для режима с нагрузкой при п = 3000 об/мин доли оксидов в ОГ можно получить лишь в виде интервалов rCC) ~ 1,3...0,3%; rNO ~ 0,2. ..0,9%. Причиной столь значительных неточностей является отсутствие в описании задачи эффектов перемешивания реагирующих компонентов в длительном процессе расширения ПС. Последнее приводит к необходимости решения пространственных (многомерных) кинетических задач с расчетом температурных и концентрационных полей методами теории ХТТ (гл. 6 и 7). Тем не менее ниже рассмотрены два частных случая, в которых реализуются достаточно определенные варианты перемешивания.

5. Для очень богатых смесей (а < 0,7) в промежуточном режиме холодного холостого хода ВАЗ-21011, когда в условиях низкого давления (рмакС = 0,7 МПа) и слабой турбулентности горение затягивается во времени (вплоть до выхлопа), можно принять, что перемешивание происходит только при выхлопе. Данные п. 2.2.2 по накапливанию массы пленки топлива перед закрытым впускным клапаном позволили решить задачу впрыска при его открывании (аналогично разд. 2.1) и получить поле значений а в КС двигателя. После этого решены задачи кинетики горения в трех областях

цилиндра (а = 0,8/0,6/0,7) с последующим мгновенным перемешиванием при выхлопе и, после этого, задача догорания при вытеснении ПС. Полученные результаты: доля оксида азота мала, весь кислород расходуется на догорание оксида углерода, поэтому для конечных температур расширения, превышающих 1500 К, состав ПС близок к равновесному. При меньших температурах расширения равновесие не успевает установиться. Остаточные мольные доли СО, С02, N0 в ОГ составляют 11/6,6/0,03 %.

Для второго впрыска рабочего режима (форсированного) двигателя (рмакс = 6 МПа), когда процессы впрыска, испарения, перемешивания и горения протекают в КС практически одновременно (рис. 2.1,6), можно принять, что перемешивание заканчивается уже в начале расширения, а в течение тактов расширения и вытеснения догорает гомогенная смесь ПС. Поскольку по опубликованным в печати данным неоднородность поля а в КС этого двигателя очень велика и обеспечивает среднее по объему КС аср « 2,3, а в окрестности свечи зажигания а « 0,9, примем следующее распределение по областям КС а = 0,9 / 2 / 4. Расчеты кинетики в отдельных областях и (после мгновенного перемешивания в начале расширения) в течение тактов расширения и вытеснения дали следующие результаты. Оксид углерода СО выгорает сразу же после перемешивания, доля оксида азота N0 достигает максимума в этот же период и в дальнейшем не изменяется - эффект "замораживания". Температура смеси при расширении падает до 1080 К (двигатель с высокой степенью сжатия), поэтому изменение ее состава при выхлопе и вытеснении можно не учитывать. В ОГ содержание СО пренебрежимо малое, доля кислорода От 8 %, доля оксида азота N0 0,14 %.

0,5

В' □ □ Л Ч V 4 /V* он \ Л \

д ° а \ о СИ

То, К

С2,кДж/кг

0,6

2500

2000

из а

Рис. 4.4. Расчетные графики относительной доли радикалов и экспериментальные точки относительной интенсивности их излучения в возбужденном состоянии (гл. 8): Д-ОН*; СТ-СН*

Рис. 5.2, Температура горения, тепловыделение и нормальная скорость ламинарного горения при различном избытке воздуха

Глава 5. Одномерная химическая кинетика горения и ее применение

5.1. Кинетическая модель ламинарного горения.

Система уравнений кинетической модели ламинарного горения включает в себя уравнения химической кинетики для 33-х компонентов смеси, а также уравнение энергии в стационарном приближении:

Т(0, п) = 1200 К; Т(т, 0)=1200 К; при п-юо дТ/дп = 0. Диффузию компонентов не учитываем. В первом приближении нормальная скорость горения и„ в уравнении (5.2) задавалась произвольно. Задача решалась методом установления (как нестационарная), тепловая толщина фронта 5т определялась по максимальному градиенту температуры, нормальная скорость горения и„ - по выражению ы„ = а / 5Г, полученному методом тепловых потоков Д.А.Франк-Каменецким. После этого задача решалась во втором приближении для нового значения и„ и т.д. Расчеты проведены при различных коэффициентах избытка воздуха а = 0,6... 1,5 и постоянном давлении 4 МПа. Общие результаты приведены на рис. 5.2, вертикальными скобками показана оценка влияния погрешностей исходных величин. Все особенности этих результатов соответствуют известным экспериментальным данным Мальцева В.М. и др.

На рис. 5.4 представлены полученные распределения температуры Т, скорости тепловыделения (а) и мольных долей всех компонентов смеси (а-з). Распад октана происходит за очень малое время (< 0,1 мкс) и на малой толщине фронта (п < 0,03 мкм). При п ~ 2 мкм заканчивается накопление радикалов Н02, НСО, СН, СН2, СНэ (6), что определяет интенсивное горение ацетилена С2Н2, этилена С2Н4, метана СН4 и др. уже при низких температурах. Выгорание продуктов распада октана: С2Н2, С2Н.» и СН4 (а) -заканчивается на толщине фронта менее 10 мкм. В конце процесса горения при высоких температурах быстро возрастает содержание гидроксила ОН (ж), образующегося совместно с радикалом О из кислорода 02 и, соответственно, ускоряется выгорание СО. В конце горения наблюдается период диссоциации диоксида С02 (ж), обозначенный буквой А, в течение которого доля СО повышается. Содержание атомарного азота N и оксида азота N0 в конце фронта горения только-только начинает возрастать (з). Конечное содержание ОК в смеси соответствует результатам гл. 4.

Изложенное полностью соответствует известным представлениям о роли цепных реакций радикалов и взаимодействии молекулярных компонентов при горении.

1010-'

снзснс

\ сн302н V

\с 130 \

снзсо ч\

ю П, МКМ 0.1 I

10 П, МКМ

10" 10-5 Ю-6

Н2СО

снзон

.снзог \ \

\\

А С2Н302 >х\ \\

0.3

ю п, МКМ

ю П. МКМ

10"1

10-

,02 со

X]

3 X 1 /

_ри

10"

10"

10 п, МКМ

Ю--»

А

о т

1/

лу

Г|

10» 10-*>

.11)

з 3 I» п. МКМ

Ряс. 5.4. Профили температур и скорости тепловыделения (а), а также мольных долей компонентов (а-з) по толщине ламинарного участка фронта горения (а = 1, р = 4 МПа)

5.2. Движение фронта горения в неоднородном поле горючей смеси

Полученные данные по ламинарной скорости горения и температуре горения (рис. 5.2) на участках фронта горения с различными значениями коэффициента избытка воздуха а позволили построить алгоритм вычисления текущих координат фронта горения в неоднородном поле а (рис. 2.7). Местную турбулентную скорость горения можно оценить как itf (a)=cr и„(в) используя поправку ст = ит1 м„, где средняя турбулентная скорость фронта и г определялась по данным спектроскопических измерений продолжительности горения в ДВС (гл. 8). Для рабочего режима двигателей (п = 3000 об/мин) значения uF~20...40 м/с при и„« 0,3 м/с.

Дадим краткое описание расчетного алгоритма движения фронта горения, который считаем достаточно узким. Будем различать условную "поверхность выгорания" S, образующуюся только за счет выгорания смеси со скоростью us, и реальную поверхность фронта горения F, формирующуюся при выгорании смеси и температурном расширении зоны продуктов сгорания с общей скоростью и г = Us (l+(Tj/T2-l)\V2/Wfcc)- Это позволяет учесть сжатие поля а(х,у) в горючей смеси, если значения а определять' по начальному полю а (перед зажиганием), используя координаты поверхности выгорания S. При сжатии реального поля а масштаб и плотность изолиний а = idem, возрастают. Так как выгорание этого поля имитируется в неизменном (начальном) масштабе, то необходимо увеличивать, по мере сжатия, условную скорость выгорания it's > Изменение координат фронта рассчитывается по простым геометрическим зависимостям.

Координаты поверхности выгорания позволяют войти на каждом шаге процесса в начальное поле а(х, у) для определения местного а и скорости выгорания «¿-(а). При этом формируется массив значений а вдоль фронта и во времени, а также массив скорости оттока продуктов за фронтом горения У от = i's Tt /Тг - up, которые необходимы для решения задачи ХТТ (гл. 6,7). Размеры элементарных участков фронта определяют при известной скорости потока приход элементарной массы AM¡j в зону ПС в течение шага по времени. Для определения приращения среднемассовой температуры продуктов сгорания ATi и самой температуры Ti используется теплосодержание, поступившеее в зону 1, как сумма по каждому участку (J) фронта:

ATi = £ (СПШЧТС1)/СC1Mi). Т, <~Т, + AT, . (5.21) i

Температура Ti в конце каждого шага уточнялась с помощью известного уравнения термодинамики, в котором отсутствует функция тепловыделения (теплотой догорания при а = 0,8 - 1,2 пренебрегаем):

Для давления в цилиндре имеем р = R (Л/;7; + М2Т2) / CuWac) •

Сильное расширение зоны продуктов сгорания в начале горения способствует сохранению сферической формы поверхности - ее заметное искривление наблюдается лишь в конце горения. Это позволяет в дальнейшем считать форму зоны сферической. Для всех вариантов задачи ХТТ получено изменение основных параметров рабочего процесса ДВС. Кривые давления и температур соответствуют результатам расчета по известным термодинамическим методикам с точностью 5—10 %.

Глава б. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи

По результатам расчета с помощью программы GAS-2 получены плоские турбулентные поля скорости нереагирующей смеси в периоды тактов наполнения и сжатия, а также в зоне ПС при горении и расширении:

- для двигателя GDI - в вертикальном диаметральном сечении цилиндра;

- для двигателя ВАЗ-21011 - в характерных горизонтальных сечениях КС и цилиндра. Результать1 расчета для обоих двигателей показывают, что к концу горения, рядом со струей оттока продуктов от фронта горения, со стороны наиболее динамичного сокращения длины фронта, образуется вихревая зона, влияющая на общую циркуляцию газов в процессе расширения.

На основе данных монографий Талантова A.B. (1978) и Иевлева В.М. (1975) для однородной турбулентности вдали от стенок проведена оценка турбулентного коэффициента вязкости Vj- « 0,0085 лГ/с. Эта величина примерно в 600 раз больше ламинарного кинематического коэффициента вязкости ПС ( к-Шг«13,5-Ю'6 м2/с при Т=2500 К и р=40-105 Па).

Уровень турбулентности в КС двигателя "Mitsubishi" определяет рабочую зону в диаграмме Борги, которая с учетом неточностей исходных данных накрывает две соседних области - расщепленного и микроламинарного фронтов горения. Поскольку рабочая зона расположена близко от начала координат, там где границы областей практически сходятся вместе, то однозначная диагностика режима горения затруднена. Это позволяет принять, как более разработанную, модель микроламннарного пламени, что будет использовано в дальнейшем.

При.иенение к-с модели турбулентности для определения коэффициента турбулентного обмена на основе полей скорости. Модель, созданная Кентом и Билгером (1976) и развитая в монографии Варнатца Ю. (2003), позволяет определить поле значеннй коэффициента турбулентного обмена (КТО) vr с помощью двух транспортных уравнений турбулентности -для кинетической энергии турбулентности к и скорости диссипации этой энергии s:

^д^ div(pük )- div{pvT gradk )= Gk - pc , (1.94)

^^-+div(püe)-div{pvT gradE) = (C,Gk-C2ps)i . л.95) от к ■

Здесь v, = Cvk2 / е ; Gk -сложная функция тензора напряжений; С,.=0,09; С; =

1,45; С2= 1,92. Следуя диссертации Riegler, U.G. (Universität Stuttgart,

Deutschland, 1999) и считая поле плотности р в цилиндре ДВС однородным,

т.е. р = р(т),в двухмерной постановке получим:

дк д

к д{ик) d{wk) д ( дк\ д ( дЛ , , \ ^ („ 1 - + —'- + ——'- = — v.. — +— v.. — -A(V. + р..) + 2и,. Vs + —p г дх dy dx{ dx) ду{'ду) 4 3

de | d(us) | ¿(vvg) д r dx dy

fk

-p. IV, -£;

(6.30)

-C,k^-ps\, (6.31)

где

„ к р' Ьуо ди „

= С,—; р = —; к4=——+ -—р^. Таким образом, для расчета . е р дх ду

полей ут в КС и цилиндре, и кратности КТО Ыт= ^/Кт-пл необходимо знать

только поле скоростей, т.е. расчеты можно провести независимо от решения

задачи ХТТ. На поверхности стенки к = О. По проведенным оценкам для поля

е применялись граничные условия 2-го рода {де/дп = 0), как наиболее

близкие к истинным. Типичные результаты для конца горения представлены

на рис. 6.22. Ломаной линией изображен фронт горения Р, знаком "х" - центр

вихревой зоны, в скобках указаны средние значения. Общий вид полей А- и £

свидетельствует в пользу интенсивной диссипации КЭТ в объеме КС,

что ведет к снижению уровня к по мере удаления от фронта горения.

к, м5/с2 (117)

Рис. 6.22. Параметры турбулентности в камере сгорания ДВС GDI {kF= 0,16 V2or!2; т = \ мс; п = 3000 об/мин; <р = 370'пкв)

Максимальная кратность КТО Л7 наблюдается вблизи вихревой зоны, которая является мощным генератором турбулентности. Замена полученных полей N7 средним по объему значением N7- (монотонно уменьшающимся во времени) приводит к погрешностям содержания ОК к концу расширения в пределах 5%. Поэтому изменение средней кратности КТО Л7 во времени процесса, полученное для обоих двигателей, будет использовано в трехмерных задачах ХТТ. Это позволит уменьшить время решения на ЭВМ без заметного снижения точности.

Задача химического турбулентного тепломассообмена. На основе ДКМ Басевича В.Я. при имитации догорания в рамках нульмерной кинетики определен сокращенный детальный кинетический механизм для догорания смеси (ДКМД) за фронтом пламени (табл. 42), реакции которого были уравновешены при параметрах, характерных для процесса расширения: Т = 3000 / 2000 / 1000 К и, соответственно, р = 5 / 3 / 0,5 МПа. Для учета влияния турбулентных пульсаций температур на константы химических реакций к введен турбулентный коэффициент к = ЦТ) / к (Т) > 1. Его значения определены для гармонических колебаний температуры, амплитуда которых по данным спектральных измерений в КС двигателя ВАЗ-21011 составляет ~ 20%. -

Таблица 42.

Ведущие реакции догорания (ДКМД)

№ Реакции № Реакции № Реакции

1 он+н2<-ж+н2о 10 0Н+Н02<->02+Н20 19 н+со<->нсо

2 он+ск-ж+сь 11 он+н2о2<->но2+н2о 20 нсо+о2«-жо2+со

3 он+н<-ю+н2 12 он+он<-»н2о2 21 он+нсо<->со+ню

4 он+он<-»о+ььо 13 о+н2о2<^о2+н2о 22 н+нсо<-»н2+со

5 0Н+Н<-»Н20 14 но2+но2<-ж.о2+о2 23 ы+мо<->м2+о

6 н+но2 <-*н2+о2 15 со+ож->со2+н 24 М+0;<-»ГЮ+0

7 н+о2<-»н2о 16 со+но2<-»со2+он 25 ы+он^ыо+н

8 н+но2<->он+он 17 со+о<-»со2 26 м2+о2<-»мо+мо

9 о+но2<-ю2+он 18 со+о2<->со2+о

Основные допущения задачи ХТТ.

1. В условиях высоких давлений (~ 5 МПа) за счет эффективного обмена энергией при многочисленных соударениях молекул равновесное распределение молекул по энергиям не нарушается, несмотря на интенсивные химические реакции. Поэтому внутри продуктов сгорания устанавливаются общие для всех компонентов поля температур.

2. В связи с небольшой скоростью течения (менее 50 м/с) в зоне продуктов сгорания пренебрегаем кинетической энергией газа по сравнению с внутренней. Кроме того, учитывая сравнительно небольшие различия температур в пределах поля решения, теплоемкость смеси считаем постоянной. Излучением пренебрегаем.

3. Эффекты термо- и бародиффузии, а также диффузионную теплопроводность и перенос энергии диффузионным потоком не учитываем. Работой диссипативных сил для фракции продуктов сгорания пренебрегаем. Обратимая работа сил давления вычисляется только в период интенсивного расширения продуктов сгорания.

4. Поля турбулентных коэффициентов переноса определяем по данным решения транспортных уравнений к-е модели турбулентности на основе двухмерных полей скорости, полученных с помощью программы ОА5-2. В трехмерных задачах для сокращения машинного времени поля коэффициентов переноса задаем как однородные, _используя для их определения среднюю по объему кратность КТО Мт(т). Считаем, что изменение турбулентного коэффициента температуропроводности смеси ат определяется только турбулентной теплопроводностью ЛТу поскольку плотность р по сравнению с Лт меняется незначительно.

5. Догорание горючих компонентов смеси за фронтом пламени характеризуется 26 ведущими обратимыми реакциями для 14 компонентов.

6. Компоненты и смесь в целом являются идеальными газами.

Развернутое математическое описание ХТТ, полученное на основе

уравнений (1.65), (1.66), выглядит следующим образом:

дТ дТ дТ дТ

--V и--Ь \%>--Ь V-=

д г дх ду дг

с%, дg¡ дg¡ дg¡ дт дх ду дг

АА АЛ Ал

дх дх ) + ду ду ) + д: д2

+ Ря; (6.46)

(1 - I, 2. .... И) ;

(6.47)

и >Х > '> рдт

Начальные условия - в небольшой зоне вокруг точки зажигания задаются Т„ = Тс,(а); £„, = £,(а). Граничные условия: на поверхности стенки Т = Т„; дgi¡дn = 0; на выходе фронта горения: 7}. = 77; (а); gF¡ = ос) (из гл. 4). Турбулентные характеристики переноса определяются средней кратностью КТО {т)\ аг~ а.7..|.|/ • Ыт\ Ог= Дги/• . Для скорости реакций имеем:

5Г = К'ЯЛрЦш,)-, *Г = *АТ" ехр {-Е/ЯТ).

Система (6.46), (6.47) включает 15 уравнений и позволяет произвести расчет полей температуры и массовых долей 14-ти компонентов: Н, Н2, ОН, Н02, Н202, Н20, НСО, О, 62, СО, С02, N0, N. N2.

Тестирование двух.черных задач химического тепломассообмена проведено на примере 1-го впрыска рабочего режима двигателя СВ1 (п = 3000 об/мин, р„акс=60-1 (/ Па). Приняты параметры двигателя, характерные для легкового автомобиля: диаметр цилиндра 0,08 м, рабочий объем цилиндра 0,373-Ю'3 м"\ степень сжатия 12. Исходных данные:

- радиус начального объема ПС вокруг точки зажигания 6 мм; начальное давление в этом объеме р„ = 2 МПа, начальная температура Т„ = 2900 К;

- ламинарный коэффициент температуропроводности смеси ¡7.7ш=0,19-10"4 м2/с и средний ламинарный коэффициент диффузии для компонентов смеси А ил/ = 0,25 -КГ4 м2/с;

- геометрия поля решения (форма и перемещение фронта горения и поршня) и поля скорости; массив коэффициента избытка воздуха а вдоль фронта и во времени; а также давление в функции времени по результатам расчета рабочего процесса в разд. 5.2;

- параметры констант скорости и тепловые эффекты реакций ДКМД(табл.42);

- температуры фронта горения То и состав продуктов оттока от фронта для различных а (гл. 4).

Результаты тестирования позволили проверить некоторые допущения, учесть сопротивление ламинарного подслоя и оптимизировать алгоритм решения.

Глава 7. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании в ДВС. Трехмерные задачи и анализ 7.2. Двигатель в01

Горение и расширение. Система уравнений ХТТ (6.46), (6.47) решена в трехмерной постановке. Параметры двигателя (рис. 2.1) и необходимые исходные данные приведены выше. Термическое сопротивление ламинарного подслоя у стенок учтено в виде простого соотношения стационарной теплопередачи на границе турбулентного поля решения и ламинарного подслоя. Граничный коэффициент (толщина подслоя) подбирался из условия совпадения расчетной и экспериментальной температур ПС в конце такта расширения.

Выхлоп и выпуск. При открытии выпускного клапана большая часть продуктов сгорания быстро выбрасывается в выпускную магистраль (выхлоп) и затем, вместе с принудительно вытесняемыми газами, уходит через нее в атмосферу (выпуск). Учитывая, что основное (> 90 %) изменение содержания СО (и N0) наблюдается в процессах горения и расширения, рассмотрена упрощенная постановка задачи выхлопа и выпуска.

Предположим, что быстрый процесс выхлопа продолжительностью < 2 мс является внешне адиабатическим процессом (к = 1,26), происходящим без теплообмена с поверхностью цилиндра, поршня и клапана. Примем, что при выхлопе смесь мгновенно перемешивается и становится идеально однородной. При этом в ней ускоряются химические реакции, в частности, окисление СО с выделением тепла. Этот процесс выхлопа можно описать в рамках нульмерной кинетики реакций догорания, вычисляя по известной из эксперимента кривой давления на каждом шаге по времени адиабатную температуру и выделение теплоты химических реакций в течение шага, повышающее эту температуру.

Анализ результатов. Рассмотрен вариант с рециркуляцией ОГ Я = 20%. К концу горения турбулентное поле скорости, полученное с помощью программы ОА8-2 (рис. 7.11,а), имеет вихревую зону с центром Сь Пунктиром выделены зоны источников теплоты или массы компонента: положительные (+) и отрицательные (-). Вблизи стенок КС формируется пограничный слой с температурами 2230-2400 К. Температура 2230 К (б) является температурой границы турбулентного поля решения и ламинарного подслоя у стенки.

Для нескольких контрольных точек поля решения проведен анализ скоростей химических реакций. Низкие температуры пограничного слоя определяют меньшие скорости реакций, но из-за их неуравновешенности суммарные скорости образования большинства компонентов в несколько раз больше, чем в объеме КС. Наибольшая концентрация окиси углерода сохраняется в верхней части КС, где горела богатая топливная смесь (рис. 2.7,а). В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: С0-ЮН-»С02+Н, С0+Н02->С0д+0Н, С0+0-»С02 и Н+СО-»НСО. В пограничном слое для первых двух реакций результирующие скорости (разность скоростей прямой и обратной реакций) возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.

Максимальное содержание оксида азота наблюдается в зоне, где горела стехиометрическая горючая смесь. В области высоких температур все реакции Ы2+0-»М0+М, ^02-»Ж>+0, К+ОН-э-ЫО+Н и Н2+02-»Ш+М0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация N0 уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота: Н+1Ч0-»!Ч2+0, Н+ИО->ОН+Н. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции ГЧО+ЫО—>И2+02.

В процессе расширения смеси (рис. 7.13) помимо основного вихря с центром С| (а) образуется вихревая зона С2 с обратным вращением. Максимум температуры Т (б) наблюдается в центре основного вихря. В вихревых зонах образуются зоны отрицательного (-) тепловыделения за счет преобладания эндотермических реакций.

Рис. 7.11. Поля скорости (а), температуры (б) и массовых долей компонентов (в-д) в КС двигателя ОШ для конца горения (г =7 мс; к = 20%', п = 3000 об/мин; <р = 370"пкв)

Рис, 7.13. Поля скорости (а), температуры (б) и массовых долей компонентов (г-з) в диаметральном сечении цилиндра двигателя GDI для середины процесса расширения (г =4 мс\ R = 20%; п = 3000 об/мин; </> - 424"пкв)

Поля радикалов Н02, ОН, О и, в какой-то степени, оксида углерода СО формируются быстрыми химическими реакциями с участием этих компонентов. В центре вихрей конвективное перемешивание отсутствует, реакции расходования радикалов замедляются, что способствует сохранению их повышенной концентрации. В отличие от радикалов, поля молекулярных компонентов: кислорода О2 (и N0), С02, Н20 и др. определяются в основном конвекцией и турбулентной диффузией. Для всех компонентов результирующие скорости ведущих реакций максимальны в зоне высоких температур. В турбулентном пограничном слое, в отличие от периода горения, значения результирующих скоростей реакций на порядок ниже, тем не менее суммарная скорость расходования каждого компонента (кроме N0) 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 слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше. Результаты для ОГ приведены на рис. 7.14, 7.16.

rf

%

\ \ \\ Yco V / / /

/ / у ✓ / / / / /

Л V > / / NO

О

0,8 0,9

1

1.1 а

0,95

Рис. 7.14. Объемное содержание компонентов в ОГ при однородных полях а: -результаты расчетов;-----экспери-

ментальные данные монографии: Вырубов Д.Н., Иващенко H.A., Ивин В.И. и др. (1983)

1,1 0,32

Рис.7.16,Объемное содержание

компонентов в ОГ двигателя GDI при различных значениях: агр и неоднородности поля Да (R = 20%; п = 3000 об/мин)

7.3. Двигатель ВАЗ-21011

При решении используется неоднородное поле а = 0,9... 1,1 (см. 2.2.3). Анализ результатов. Наличие в цилиндре остаточных газов в количестве у = 10 % приводит к уменьшению в ОГ содержания оксида азота N0 на 45 %, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли N0 является уменьшение температуры горения на 100 К.

Из графиков рис. 7.18 следует, что основное изменение температуры и содержания СО, 02 (и N0) наблюдается при горении и в течение такта расширения. При выхлопе из цилиндра 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 N0 в смеси при температурах менее 2200...2500 К.

Рис. 7.18. Изменение средних в объеме цилиндра ВАЗ-21011 температуры и мольных долей компонентов во времени процесса - от горения до выпуска: а - рабочий режим двигателя (п =3000 об/мин; у =0,1; М =50 Нм); б -горячий холостой ход (п = 800 об/мин; у =■ 0,24); A,B,...,G -данные экспериментов

Глава 8. Измерения в двигателе ВАЗ-21011

Использованы различные методы измерений давлений, расходов, температур и интенсивности спектров излучения. На базе типовой свечи зажигания разработан и изготовлен охлаждаемый тензометрический датчик давления. Расходы воздуха определялись анемометром, расходы бензина - с помощью измерительной бюретки. На рис. 7.18 представлены экспериментальные данные с доверительными интервалами, указанными в виде скобок. Измерения температуры газа на входе в выпускную магистраль (В и F) проведены хромель-копелевыми термопарами диаметром 0,1 мм. Эти результаты использованы для подбора коэффициента граничных условий С». Температуры горения в режимах рабочего хода (А) и горячего холостого хода (Е) измерялись цветовым методом с помощью спектрографа ИСП-73. Содержание оксидов NO и СО в ОГ определялось серийным газоанализатором ИКАФ-057 (C,D.G).

Регистрация яркости излучения спектральных полос ОН* и СН* в

цилиндрах проведена с помощью кварцевого спектрометра ИСП-30 (рис. 8.18). Импульсы яркости 1 с повторяемостью 80 % имеют выраженный пик горения и, в нижней части, излучение фона сплошного спектра сажи. Это излучение исчезает лишь при открытии выпускного клапана, когда резко падает температура газов. Для изношенных цилиндров в большей степени характерны импульсы 2 и 3, что связано с излучением сажи, образующейся при выгорании масла. Высокий пик излучения радикала является наиболее оптимальным для двигателя и отражает по мнению Хёт-гера М. (Германия, 1995) и Судзи X. (Япония, 1992) быстрое протекание цепных ре- Рис- 818- Импульсы излучения „ г полос радикалов в спектре пла-

акции и, в какой-то мере, предпламенных г мени

процессов в целом.

Основание пика соответствует времени горения тгор, по величине которого вычислялась средняя турбулентная скорость горения в ДВС. •

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертации решена научная проблема надежного теоретического прогнозирования содержания монооксидов углерода и азота в отработавших газах (ОГ) ДВС с искровым зажиганием на основе уточненного, многомерного математического описания горения в двигателях, полученного при синтезе основных уравнений физико-химических, газодинамических и тепловых процессов, позволяющего разрабатывать эффективные модели, алгоритмы и программы решения соответствующих задач на ЭВМ и применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС. Принятая система допущений, математическое описание и алгоритмы решения образуют метод, теория которого названа в диссертации химическим турбулентным тепломассообменом (ХТТ). Подтверждена возможность применения метода ХТТ для повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС. Автору не известны аналогичные решения и публикации в отечественной литературе.

Химическая кинетика горения применялась в рамках кинетики легких углеводородов, как наиболее разработанной по литературным данным, и оказывающей определяющее влияние на содержание оксидов в продуктах сгорания; низкотемпературная кинетика тяжелых частиц такого влияния не имеет.,

Механика гомогенных и гетерогенных сред использовалась как для описания горящих смесей, так и для изучения испарения и перемешивания распыленного при впрыске топлива; последний процесс исследуется известным методом межфазного турбулентного тепломассообмена (МТТ).

Основные научные и практические результаты, большинство из

которых получено в России впервые, состоят в следующем:

1. Численные и экспериментальные исследования, а также анализ литературных данных по группам процессов смесеобразования, горения, догорания и выхлопа позволили создать для условий ДВС основы (систему допущений и математическое описание) прикладного межфазного / химического турбулентного тепломассообмена для каждой из этих групп в рамках единой методологической системы, заложенной в механике гомогенных и гетерогенных сред Нигматулиным Р.И.

2. Система допущений, принятая для выделения из общего описания ХТТ задач газовой динамики, турбулентного переноса и турбулентной кинетики, себя оправдала. Указанные задачи можно решать отдельно, используя полученные данные для моделирования собственно процесса ХТТ. Такой подход позволил создать эффективные математические модели и программное обеспечение, с помощью которых решение задачи ХТТ при использовании ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) требует не более 8 часов машинного времени. Использованы: метод переменного порядка точности Гира для решения уравнений химической кинетики, метод расщепления шага по.времени для многомерных задач тепломассообмена, методы Мак-Кормака и прогонки для одномерных решений (алгоритмический язык - Фортран-95). Альтернативным можно считать моделирование объединенного процесса ХТТ, проведенное Риглером У. (Германия, Штутгартский ун-т, 1999) при затратах машинного времени около 8 недель.

3. Решены задачи смесеобразования для 1-го впрыска рабочего режима двигателя GDI и различных режимов работы ВАЗ-21011. Получены поля коэффициента избытка воздуха а топливной смеси в камере сгорания (КС) перед зажиганием. Разработан алгоритм расчета движения турбулентного фронта горения в неоднородном поле а с учетом его сжатия продуктами сгорания. Показано, что радиальное расширение горячих газов оказывает преобладающее влияние на скорость движения фронта в начале развитого горения, что позволяет считать геометрию фронта сферической.

4. С использованием основного кинетического механизма (266 реакций для 33 частиц), созданного на базе детального кинетического механизма (ДКМ) Басевича В.Я., решены нульмерные и одномерная (на ламинарном участке фронта горения) задачи химической кинетики (ХК) горения. Сравнительно медленная кинетика образования и распада оксида азота в процессе горения смеси (и в начале расширения) определяет неравновесное содержание кислорода и, тем самым, неравновесный процесс выгорания оксида углерода, замедленный при низких температурах расширения. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному, за исключением оксида азота NO (и 02). Состав смеси при догорании продуктов в течение такта расширения -существенно не равновесный.

Показана возможность создания новых моделей ламинарного горения и рабочего процесса в ДВС на основе химической кинетики горения легких углеводородов.

Нульмерная кинетика использована для оценки содержания СО и N0 в отработавших газах (ОГ) ДВС в двух частных случаях, когда реализуются определенные варианты перемешивания продуктов догорания. В промежуточном режиме холодного холостого хода ВАЗ-21011, когда горение затягивается во времени (вплоть до выхлопа), можно принять, что перемешивание в цилиндре (и реакции догорания) происходят только при выхлопе. Для 2-го впрыска рабочего режима (форсированного) двигателя СБ1, когда процессы впрыска, испарения, перемешивания и горения протекают в КС практически одновременно, перемешивание заканчивается уже в начале расширения.

5. Расчет полей скорости в КС обоих двигателей с помощью программы ОАБ-2 показал наличие вихревой зоны рядом со струей оттока продуктов сгорания за фронтом горения. Создана версия к-Е модели турбулентности для условий ДВС. Общий вид полей параметров турбулентности свидетельствует в пользу интенсивной диссипации кинетической энергии турбулентности в объеме КС. Максимальные значения кратности коэффициента турбулентного обмена наблюдаются вблизи вихревой зоны, которая, наряду с фронтом горения,является мощным генератором турбулентности.

Выбор сокращенного ДКМ догорания (26 обратимых реакций для 14 частиц) является достаточно обоснованным - расширение схемы за счет неиспользованных реакций углеводородов не приводит к существенному изменению результатов. Изменение констант скоростей отдельных реакций в пределах, указанных различными литературными источниками, приводит к отклонениям в содержании основных компонентов ОГ не более, чем на 25 %. Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры определяет, как показывают расчеты, снижение ее среднего по объему значения на 100... 150 К и повышение содержания оксидов углерода СО и азота N0 в ОГ, соответственно, на 18 и 36 %.

На основе метода ХТТ созданы математические модели процессов догорания в объеме КС (и цилиндра) и выхлопа (в нульмерной постановке). Тестирование двухмерной задачи ХТТ на точность численного решения при сетке 51x51 показало, что уменьшение шага по координатам в 10 раз изменяет содержание основных компонентов в ОГ не более, чем на 5 %, а для остальных компонентов- не более, чем на 20 %; уменьшение на порядок шага по времени приводит к погрешностям — 1...2%. Такая точность решения считается достаточной.

6. На основе полученных данных и ДКМ догорания решены трехмерные задачи ХТТ для обоих двигателей при наличии остаточных газов в цилиндрах.

Для двигателя GDI методом пробных решений получен оптимальный режим (с низким содержанием СО, N0) при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,00, изменении а в процессе выгорания неоднородной топливной смеси от 0,90 до 1,06 и применении рециркуляции ОГ в объеме 20 %. Мольное содержание компонентов в ОГ составляет: СО - 0,299 %, NO - 0,252 %, 02 - 0,288 %. Расчеты для однородных полей а = const в КС показали небольшое отличие содержания в ОГ оксидов углерода, азота и кислорода от известных экспериментальных данных (см. рис. 7.14). Полные данные по содержанию СО и NO в ОГ, представленные на диаграмме рис. 7.15, позволяют произвести предварительный прогноз уровня токсичности ОГ для данного ДВС по заданным характеристикам поля а перед зажиганием: среднему в объеме КС значению осср и величине неоднородности поля Да = амлх - «min- Возможен и обратный подход - по заданной токсичности ОГ определить необходимые значения аСР и Да. Результаты, приведенные на рис. 2.7,а,в, показывают, что неоднородность Аа.можно изменять, варьируя, например, продолжительность впрыскаТвпр-В диссертации показана возможность оптимизации формы границ КС.

7. Проведен ряд экспериментов на двигателе ВАЗ-21011. Измерения промышленным датчиком ИКАФ-057 содержания оксидов СО и NO в ОГ двигателя ВАЗ-21011 подтверждают расчетные данные. Разработана методика спектроскопических измерений в ДВС. Показано, что при правильной регулировке двигателя средней изношенности импульсы излучения полос радикалов СН* и ОН* имеют характерный пик горения, амплитуда которого определяет активность и скорость горения. В связи с этим предложено производить диагностику и регулирование рабочих процессов в цилиндрах ДВС по яркости излучения спектральной полосы радикала ОН* (длины волн 306...330 нм), находящейся в ультрафиолетовой области, где влияние сплошного спектра сажи практически отсутствует. Описанный метод защищен патентом РФ "Устройство для диагностики качества горючей смеси двигателя внутреннего сгорания" № 2182251 от 10 мая 2002 г.

ПУБЛИКАЦИИ

Содержание работы изложено в 53 публикациях, включающих 3

монографии, 4 учебных пособия, I патент РФ на изобретение. Наиболее

важные из них приводятся ниже.

1. Чесноков С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС. -Тула: Изд-во Тульского гос. ун-т, 2005. - 466 с.

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

3. Чесноков С.А. Спектрометрия двигателей внутреннего сгорания. - Тула: Изд-во Тульского гос. ун-та, 2001. - 146 с.

4. Модели смесеобразования и горения в ДВС с непосредственным впрыском

/ С.А. Чесноков, H.H. Фролов, В.А. Дунаев, И.В. Кузьмина// Двигателе-строение. - 2005. - № 1. - С. 3-5.

5. Моделирование горения и образования токсичных веществ в ДВС с непо-

средственным впрыском топлива / С.А. Чесноков, H.H. Фролов, В.А. Дунаев, И.В. Кузьмина // Двигателестроение . - 2005. - № 2. - С. 18-22.

6. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Спектроскопия пламени, как средство ис-

следования рабочих процессов ДВС // Автомобильная промышленность. -2001.-№4. -С. 34-36.

7. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. Моделирование; горения не-

однородной бензовоздушной смеси в ДВС // Наука и технологии. Итоги диссертационных исследований: Труды XXIII Российской школы по проблемам науки и технологий. - М.: УрО РАН - ВАК РФ, 2003. - С. 104-111.

8. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П., Демидов М.И. Одномерная модель двухфаз-

ных течений во впускной магистрали ДВС / Тезисы докладов XXXIX Международной научно-технической конференции. Секция "Поршневые и газотурбинные двигатели". - М.: МГТУ-МАМИ, 2002. - С. 56-60.

9. Математическая модель смесеобразования при впрыске топлива в цилиндр

ДВС / С.А.Чесноков, М.И. Демидов, И.В. Кузьмина, Г.П. Рыбаков // Лу-канинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Тезисы докладов НТК,- М.: МГТУ-МАДИ, 2003. - С. 57 - 59.

10. Чесноков С.А. Применение к-Е модели турбулентности при горении в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт.-2004.-Вып.8.-С, 103-110.

11. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. К вопросу создания струй-но-кинетической модели горения неоднородной бензовоздушной смеси в ДВС с искровым зажиганием // Автомобиль и техносфера. ICATS 2003: Труды III Международной научно-практической конференции. - Казань, 2003. - С. 354-362.

12. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Демидов М.И., Рябых А.Н. Химическая кинетика горения в двигателях ВАЗ // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Труды 3-й Всероссийской научно-технической конференции. — Тольятти, 2004. - С. 159-165.

13. Чесноков С.А., Демидов М.И. Химическая кинетика при турбулентных пульсациях температуры в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. - 2004. - Вып. 8. - С. 124-131.

14. Чесноков С.А. Уравновешенный кинетический механизм горения и расширения в ДВС // Прогресс транспортных средств и систем - 2002: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. 2. -Волгоград, 2002. - С. 158-162.

15. Чесноков С.А. Сокращенный механизм горения метана в условиях ДВС // Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств: Труды IX Международной научно-практической конференции. — Владимир, 2002. - С. 319-322.

Изл. лиц. ЛР Ха 020300 от 12.02.97 . Подписано в печать ( 03. СЬ Формат б> маги 60x84'/ . Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2.1 . Уч.-изл. л. . Тираж 1дО ?кэ. Заказ 20 Я

Тульский государственный \империи гст. 300600. г. Г\ла. пр. Ленина. 92.

Отпечатано о Нзлитсльстнц Тульского 1х1с>.1арстаснтях> > иипорсигега 300600. Тч.лх Vл. Вол.чииа. 151.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературных данных

1.1. Химическая кинетика горения

1.1.1. Горение водорода.

1.1.2. Горение легких углеводородов.

1.1.3. Горение тяжелых углеводородов.

1.1.4. Образование оксида азота.

1.1.5. Анализ литературных данных.

1.2.Уравнения гидромеханики сплошных гомогенных и гетерогенных сред.

1.2.1. Уравнения сохранения для составляющих. Приближения для гомогенных и гетерогенных смесей.

1.2.2. Межфазный обмен импульсом и энергией в смеси.

1.2.3. Система уравнений для смеси вязких сжимаемых фаз с общим давлением.

1.2.4. Итоговые"уравнения для изучаемых смесей.

1.3. Горение и турбулентные потоки

1.3.1. Эмпирические модели турбулентного горения.

1.3.2. Полуэмпирические модели турбулентного горения.

1.3.3. Плоская затопленная турбулентная струя.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Некоторые случаи образования горючей смеси в ДВС с искровым зажиганием

2.1. Непосредственный впрыск в цилиндр двигателя GDI "Mitsubishi".

2.2. Центральный впрыск или карбюратор в двигателе типа ВАЗ

2.2.1. Моделирование одномерных двухфазных течений в четырех-канальном впускном коллекторе.

2.2.2. Моделирование течения пленки топлива в канале коллектора в холодный пусковой период.

2.2.3. Моделирование полей скорости и коэффициента избытка воздуха в горячем двигателе.

Глава 3. Химическая кинетика горения в ДВС. Предварительное тестирование и оценки

3.1. Подготовка исходных данных.

3.2. Тестирование кинетического механизма горения метана

Басевича В.Я.

3.3. Тестирование кинетики оксида азота.

3.4. Уравновешивание общего кинетического механизма.

3.5. Тестирование кинетического механизма горения н-октана.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Нульмерная химическая кинетика горения

4.1. Тестирование нульмерной кинетики горения

4.2. Моделирование локальной кинетики реакций в ДВС.

4.2.1. Рабочий режим двигателя ВАЗ

4.2.2. Режим холодного холостого хода двигателя ВАЗ-21011.

4.2.3. Второй впрыск двигателя GDI Mitsubishi.

4.3. Сокращение общего механизма кинетики реакций при догорании.

4.4. Выводы по главе.

Глава 5. Одномерная химическая кинетика горения и ее применение

5.1. Кинетическая модель ламинарного горения.

5.2. Движение фронта горения в неоднородном поле горючей смеси.

5.3. Выводы по главе.

Глава 6. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании и расширении в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи

6.1. Общее описание процесса.

6.2. Исходные данные для решения задачи ХТТ.

6.2.1. Ламинарные характеристики переноса.

6.2.2. Турбулентные характеристики переноса.

6.3. Исходные поля для решения задачи ХТТ.

6.3.1. Применение программы GAS-2 для расчета полей скорости в цилиндре ДВС.

6.3.2. Аппроксимация полей скорости продуктов сгорания.

6.3.3. Применение к-емодели турбулентности для определения полей коэффициента турбулентного обмена.

6.3.4. Поле коэффициента избытка воздуха в бензовоздушной смеси.

6.4. Реакции догорания компонентов при турбулентных пульсациях температуры в ДВС.

6.5. Задача химического турбулентного тепломассообмена

6.5.1. Общая постановка задачи.

6.5.2. Общий вид уравнений ХТТ.

6.5.3. Граничные и начальные условия задачи ХТТ.

6.5.4. Допущения задачи химического турбулентного тепломассообмена.

6.5.5. Развернутое математическое описание задачи ХТТ.

6.6. Тестирование двухмерных задач химического турбулентного тепломассообмена.

6.6.1. Задача турбулентности.

6.6.2. Задача химического турбулентного тепломассообмена

6.6.2.1. Влияние параметров турбулентности.

6.6.2.2. Влияние химических реакций догорания.

6.6.2.3. Влияние турбулентных пульсаций температур на химическую кинетику догорания.

6.7. Выводы по главе.

Глава 7. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании и расширении в Д6С. Трехмерные задачи и анализ

7.1. Описание алгоритма решения задачи химического турбулентного тепломассообмена.

7.1.1. Конечно-разностное описание задачи.

7.1.2. Блок-схема решения задачи для двигателя ВАЗ-21011.

7.2. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании, расширении и выхлопе продуктов сгорания двигателя "Mitsubishi"

7.2.1. Тепломассобмен при догорании и расширении.

7.2.2. Тепломассообмен при выхлопе и выпуске продуктов сгорания.

7.2.3. Результаты и их анализ.

7.3. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании, расширении и выхлопе продуктов сгорания двигателя ВАЗ-21011.

7.3.1. Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011.

7.3.2. Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011.

7.4. Выводы по главе.

Глава 8. Измерения в двигателях внутреннего сгорания.

8.1. Измерение давлений и расходов.

8.2. Введение в спектрометрию ДВС

8.2.1. Излучение пламен.

8.2.2. Используемые спектральные приборы и их основные характеристики.

8.3. Видимый спектр горения

8.3.1. Монохроматр УМ-2.

8.3.2. Спектрограф ИСП-51. Модернизация, градуировка и тестирование (пламя С2Н2+02).2£

8.3.3. Спектрограф ИСП-73. Цветовая температура пламени в ДВС.

8.4. Ультрафиолетовый спектр горения

8.4.1. Спектрограф ИСГТ-30. Модернизация, градуировка и тестирование (пламя С2Н2+02).

8.4.2. Горение в двигателе внутреннего сгорания.!.

8.5. Результаты спектрометрии и их применение.

8.5.1. Изучение эффектов разноцилиндровости.

8.5.2. Диагностика и регулирование ДВС.

8.6. Выводы по главе.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. Отработавшие газы (ОГ) этих двигателей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Объемное содержание токсичных веществ в ОГ сравнительно невелико и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 90 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: оксидов углерода СО и азота NOx, несгоревших углеводородов СНХ, альдегидов RCHO, диоксида серы SO2. Нормируемыми токсичными копонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EURO-1, ., 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. [201-206].

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 С02 в течение 2-40 месяцев. Из оксидов азота, содержащихся в ОГ, 99 % объема приходится на монооксид NO. В атмосфере он окисляется до менее токсичного N02 в течение 1-100 часов в зависимости от условий окисления.

В промышленных городах России доля автомобильных выбросов токсичных веществ достигает 70% от общих выбросов, а в Москве - почти 90%. Автотранспортный комплекс России ежегодно наносит ущерб экологии страны на 3,4 млрд. долларов (около 1,5% от ВВП). Токсичность выхлопа ДВС прямым образом определяет низкое качество автомобилей, которые не выдерживают конкуренции с зарубежными автомобилями даже на внутреннем рынке России. По признанию Костина И.М. и Фасхиева Х.А. "отставание отечественных автомобилей от западных по уровню экологичности и безопасности является катастрофическим" [207].

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 гсо = 0,11%; гсн = 0,010 %; rN0 = 0,0083 % . Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса в целом, и, конечно, при наличии нейтрализаторов.

По данным отечественной научной литературы 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). Это накладывает соответствующие требования на работу систем смесеобразования, как карбюраторных, так и инжекторных систем центрального и распределенного впрыска. Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей 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 малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аср= 1. .2,5) и низкую токсичность ОГ. Для подбора полей а необходимо использовать более совершенное математическое описание образования этих полей и горения в этих полях.

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 трехмерных уравнений тепломассообмена для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии.

В качестве объекта исследования выбраны перспективный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection -GDI) Mitsubishi Galant (1996 г), первые сведения о котором появились в популярных изданиях, например [208], и двигатель ВАЗ-21011, для которого накоплен обширный банк экспериментальных данных.

В связи с изложенным сформулируем следующее.

Целью работы является решение научной проблемы надежного теоретического прогнозирования содержания монооксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе уточненного, многомерного математического описания горения в двигателях, полученного при синтезе основных уравнений физико-химических, газодинамических и тепловых процессов, позволяющего разрабатывать эффективные модели, алгоритмы и программы решения соответствующих задач на ЭВМ и применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

- применение известных методов межфазного турбулентного тепломассообмена (МТТ) для описания процессов образования горючей смеси в ДВС;

- создание основ химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ), позволяющего описать для условий ДВС неравновесные процессы горения во фронте пламени и догорания за фронтом на основе химической кинетики при турбулентном конвективно-диффузионном перемешивании продуктов сгорания;

- выделение из общего описания ХТТ в ДВС ряда частных задач: газовой динамики, турбулентного переноса и турбулентной кинетики, которые можно решать отдельно, используя потом полученные результаты для моделирования собственно процесса ХТТ при небольших затратах машинного времени;

- создание на основе методов М/ХТТ математических моделей для процессов смесеобразования, горения, догорания и выхлопа в ДВС;

- получение результатов, подтверждающих возможность применения разработанных методов для повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.

Сразу следует отметить, что решение трехмерной и нестационарной задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики горения углеводородов топлива - в дальнейшем, задачи химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ) - требует огромных трудозатрат при разработке программного обеспечения и его отладке. Для программиста "средней руки", к каким относит себя автор, наиболее длительный этап отладки такой программы составляет 5-10 месяцев ежедневного труда. Аналоги решения подобных задач в отечественной литературе не известны. Поэтому в данной работе выполнены лишь первые попытки расчета полей основных параметров процесса - поставлены и решены следующие задачи турбулентного (и химического) тепломассообмена [200]:

1. При впрыске топлива непосредственно в цилиндр или при центральном смесеобразовании (впрыск или карбюратор) с образованием неоднородного поля коэффициента избытка воздуха а в КС перед зажиганием (глава 2).

2. Горения на ламинарных микроучастках фронта пламени ДВС при различных местных значениях а с образованием продуктов сгорания различного состава и разных температур (главы 3-5).

3. Движения турбулентного фронта пламени с экспериментально найденной скоростью горения и скоростью температурного расширения продуктов сгорания, с учетом сжатия поля а в топливной смеси, и результатами в виде изменяющейся геометрии объема продуктов сгорания, скорости оттока продуктов от фронта и изменением давления во времени (глава 5).

4. Догорания продуктов в этом объеме при турбулентном конвективном-диффузионном перемешивании смеси в течение всего процесса горения и расширения вплоть до открытия выпускного клапана (главы 6 и 7).

5. Догорания продуктов после открытия выпускного клапана в предположении идеально перемешанной, полностью однородной смеси с протекающими химическими реакциями в ОГ (глава 7).

Результаты решения каждой из задач используются в качестве исходных данных для следующих. Поскольку решения подобных задач (кроме п. 2) опубликованы в отечественной научной литературе впервые, уровень принятых допущений при их постановке подчинен принципу целесообразности - получить достоверные результаты, которые можно использовать в дальнейшем, и получить их при не слишком больших затратах машинного времени.

Полностью последовательность задач 1 - 5 решена для первого впрыска (в течение такта всасывания) двигателя GDI фирмы Mitsubishi. Для этого варианта впрыска процессы испарения, перемешивания, горения и догорания разделены во времени. Второй впрыск в этом двигателе происходит в конце сжатия и указанные процессы протекают одновременно, что значительно усложняет постановку задачи тепломассообмена. Поэтому для получения хотя бы предварительных результатов эта задача решена упрощенно, в рамках нульмерной кинетики (глава 4).

Для двигателя ВАЗ-21011 цепочка задач 1 - 5 решена для пусковых режимов (холодного и горячего) и для рабочего режима с нагрузкой. Проведены спектральные измерения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра [128], позволившие получить цветовую температуру пламени в ДВС и импульсы излучения полос радикалов ОН и СН при горении, результаты обработки которых подтверждают данные расчетов химической кинетики (глава 8). Задача химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ), см. п. 4, поставлена с применением k-s модели турбулентности на основе детального кинетического механизма (ДКМ) горения метана Басевича В.Я. [5]. ДКМ горения метана в условиях ДВС дополнен полуэмпирическими реакциями распада н-октана, имитирующего бензин, и реакциями образования оксида азота N0. В итоге, ДКМ, содержащий 266 реакций для 33 частиц, использовался при решении задачи горения в ламинарном фронте пламени (п. 2). Для задачи ХТТ при догорании этот механизм был сокращен автором до 26 обратимых реакций, в которых участвуют 14 частиц.

Необходимо отметить, что использованный ДКМ горения метана является механизмом реакций легких частиц, взаимодействующих при высоких температурах горения топлива [112]. Именно они определяют, в основном, общее выделение тепла и состав продуктов сгорания, в том числе, содержание оксидов углерода СО и азота N0. Низкотемпературные ДКМ распада и окисления тяжелых молекул топлива разработаны в гораздо меньшей степени и полностью не опубликованы. Поэтому изучение кинетики низкотемпературных реакций в холодных пограничных слоях вблизи стенок КС, что позволило бы определить содержание несгоревших углеводородов СНХ, в рамках данной работы не представляется возможным.

Для упрощения задач тепломассобмена при впрыске и горении поля скорости в цилиндре (и КС) определялись предварительно, для химически не реагирующей турбулентной смеси известной температуры и плотности. При этом использовалась программа GAS-2 д.т.н., проф. Дунаева В.А. (кафедра Ракетостроение, ТулГУ). Поля скорости позволили применить к-с модель турбулентности для расчета полей коэффициента турбулентного обмена, которые в свою очередь использовались при моделировании собственно процесса ХТТ (п. 4). Такое разделение задач позволило разработать достаточно компактное программное обеспечение, каждый модуль которого допускает дальнейшее совершенствование и развитие. Максимальная продолжительность решения на ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) собственно задачи ХТТ не превышает 8 часов. Большая часть программ, разработанных на алгоритмическом языке Фортран-95, приведена в приложениях (книга 2).

Альтернативным примером является решение аналогичной задачи в Штутгартском университете, Германия [147], где при совместном решении задач турбулентной газодинамики и горения (причем учитывается только кинетика N0, а состав углеводородов считался равновесным) машинное время достигает 8 недель.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертации решена научная проблема теоретического прогнозирования содержания монооксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе современного многомерного математического описания, образованного при синтезе основных уравнений химической кинетики горения, механики гетерогенных сред и турбулентного переноса, и названного в диссертации химическим турбулентным тепломассообменом (ХТТ). Автору не известны аналогичные решения и публикации в отечественной литературе.

Химическая кинетика горения применялась в рамках кинетики легких углеводородов, как наиболее разработанной по литературным данным, и оказывающей определяющее влияние на содержание оксидов в продуктах сгорания; низкотемпературная кинетика тяжелых частиц такого влияния не имеет. Механика гомогенных и гетерогенных сред использовалась как для описания горящих смесей, так и для изучения испарения и перемешивания распыленного при впрыске топлива; последний процесс известен как межфазный турбулентный тепломассообмен (МТТ). Описание турбулентных процессов применялось для расчета турбулентных характеристик переноса и оценки влияния турбулентных пульсаций температуры на величину констант скорости химических реакций.

Основные научные и практические результаты, большинство из которых получено в России впервые, состоят в следующем:

1. Численные и экспериментальные исследования, а так же анализ литературных данных по группам процессов смесеобразования, горения, догорания и выхлопа позволили создать для условий ДВС основы (систему допущений и математическое описание) прикладного межфазного / химического турбулентного тепломассообмена для каждой из этих групп в рамках единой методологической системы, заложенной в механике гомогенных и гетерогенных сред Нигматулиным Р.И.

2. Система допущений, принятая для выделения из общего описания ХТТ задач газовой динамики, турбулентного переноса и турбулентной кинетики, себя оправдала. Указанные задачи можно решать отдельно, используя полученные данные для моделирования собственно процесса ХТТ. Такой подход позволил создать эффективные математические модели и программное обеспечение, с помощью которых решение задачи ХТТ требует не более 8 часов машинного времени. Альтернативным можно считать моделирование объединенного процесса ХТТ, проведенное Риглером У. (Германия, Штутгартский ун-т, 1999) при затратах машинного времени около 8 недель.

3. Решены задачи смесеобразования для 1-го впрыска рабочего режима двигателя GDI и различных режимов работы ВАЗ-21011. Получены поля коэффициента избытка воздуха а топливной смеси в камере сгорания (КС) перед зажиганием. Разработан алгоритм расчета движения турбулентного фронта горения в неоднородном поле а с учетом его сжатия продуктами сгорания. Показано, что радиальное расширение горячих газов оказывает преобладающее влияние на скорость движения фронта в начале развитого горения, что позволяет считать геометрию фронта сферической.

4. С использованием основного кинетического механизма (266 реакций для 33 частиц), созданного на базе детального кинетического механизма (ДКМ) Басевича В.Я., решены нульмерные и одномерная (в ламинарном фронте горения) задачи химической кинетики (ХК). Применение метода переменного порядка точности Гира позволило уменьшить время решения задач нульмерной ХК на ПЭВМ в 105 раз, доведя его до нескольких секунд (см. Чесноков С.А. Моделирование высокотемпературных реакций горения. Тула: ТулГУ, 2002). Сравнительно медленная кинетика образования и распада оксида азота в процессе горения смеси (и в начале расширения) определяет неравновесное содержание кислорода и, тем самым, неравновесный процесс выгорания оксида углерода,. замедленный при низких температурах расширения. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному, за исключением оксида азота N0. Состав смеси при догорании продуктов в течение такта расширения- существенно не равновесный.

Показана возможность создания новых моделей ламинарного горения и рабочего процесса в ДВС на основе химической кинетики горения углеводородов.

Применение нульмерной кинетики для оценки содержания СО и N0 в отработавших газах (ОГ) ДВС допустимо в двух частных случаях. В промежуточном режиме холодного холостого хода ВАЗ-21011 (рШкс= 0,7 МПа), когда горение затягивается во времени (вплоть до выхлопа), можно принять, что перемешивание в цилиндре (и реакции догорания) происходят только при выхлопе. При ступенчато-однородном поле коэффициента избытка воздуха в КС - а = 0,8; 0,6; 0,7 в трех областях цилиндра - остаточные мольные доли CO/CO2/NO в ОГ равны, соответственно, 11/6,6/0,03 %. Для 2-го впрыска рабочего режима (форсированного) двигателя GDI (рмакс= 6 МПа), когда процессы впрыска, испарения, перемешивания и горения протекают в КС практически одновременно, перемешивание заканчивается уже в начале расширения. При типичном распределении по областям КС а = 0,9; 2; 4 остаточные доли CO/O2/NO в ОГ составляют 0/8,0/0,14%.

5. Тестирование двухмерной задачи ХТТ на точность численного решения при сетке 51x51 показало, что уменьшение шага по координатам в 10 раз изменяет содержание основных компонентов в ОГ не более, чем на 5 °/о, а для остальных компонентов- не более, чем на 20 %; уменьшение на порядок шага по времени приводит к погрешностям ~ 1 .2%.

Расчет полей скорости в КС обоих двигателей с помощью программы GAS-2 показал наличие вихревой зоны рядом со струей оттока продуктов сгорания за фронтом горения. Общий вид полей параметров турбулентности, полученных при использовании k-s модели турбулентности, свидетельствует в пользу интенсивной диссипации кинетической энергии турбулентности (КЭТ) в объеме КС, что ведет к сильному снижению уровня КЭТ по мере удаления от фронта горения. Максимальные значения коэффициента турбулентного обмена наблюдаются вблизи вихревой зоны, которая, наряду с фронтом горения, является мощным генератором турбулентности.

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

Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры определяет, как показывают расчеты, снижение ее среднего по объему значения на 100. 130 К и повышение содержания оксидов углерода СО и азота NO в ОГ, соответственно, на 18 и 36 %.

6. На основе полученных данных и ДКМ догорания решены трехмерные задачи ХТТ для обоих двигателей при наличии остаточных газов.

Для двигателя GDI методом пробных решений получен оптимальный режим (с низким содержанием СО, NO) при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,00, изменении а в процессе выгорания неоднородной топливной смеси от 0,90 до 1,06 (Да = 0,16) и применении рециркуляции ОГ в объеме 20 %. Мольное содержание компонентов в ОГ составляет: СО - 0,299 %, NO - 0,252 %, 02 - 0,288 %. Расчеты для однородных полей а = const в КС показали небольшое отличие содержания в ОГ оксидов углерода, азота и кислорода от известных экспериментальных данных при а = 0,8/1,0/1,2 с отклонениями, соответственно: СО 20/-/- %; NO -/10/20 % и 02 -/30/7 % (см. рис. 7.14).

Полные данные по содержанию СО, NO, 02 в ОГ, представленные на диаграммах рис. 7.16, позволяют по известным значениям среднего в объеме КС коэффициента избытка воздуха аср и неоднородности поля Да произвести предварительный прогноз уровня токсичности в ОГ или, наоборот, по заданной токсичности ОГ выбрать необходимые характеристики поля .а перед зажиганием: значения аср и Да. Как следует из рис. 2.7,а,з неоднородность Да можно изменять варьируя продолжительность впрыска твпр.

При использовании разработанных в работе методов показана возможность оптимизации геометрии камеры сгорания с целью уменьшения токсичности выхлопа.

Для двигателя ВАЗ-21011 расчетные значения мольных долей в ОГ (с учетом доли остаточных газов у) соответствуют измеренным (в скобках) промышленным датчиком ИКАФ-057 для одного из цилиндров: в рабочем режиме при у = 0,1 гс0 = 0,37 % (0,30 ± 0,09); rN0 = 0,24 % (0,21 ± 0,05) и в режиме горячего холостого хода при у = 0,24 г со = 0,41% (0,45 ± 0,07). 7. Проведен ряд экспериментов на двигателе ВАЗ-21011, в частности, измерено содержание оксидов углерода СО и азота NO в отработавших газах двигателя промышленными датчиками; разработана методика спектроскопических измерений в ДВС; получены спектры излучения в видимой и ультрафиолетовой областях; измерена цветовая температура горения; произведена регистрация импульсов излучения возбужденных радикалов СН* и ОН* (см. Чесноков С.А. Спектрометрия ДВС. Тула: Тульский гос. ун-т, 2001).

Показано, что при правильной регулировке двигателя средней изношенности импульсы излучения полос радикалов имеют характерный пик горения, продолжительность которого соответствует основанию пика. Предложенный механизм образования пика горения позволяет объяснить особенности его изменения при регулировании опережения зажигания и качества бензо-воздушной смеси. В связи с этим предлагается производить диагностику и регулирование рабочих процессов в цилиндрах ДВС по яркости излучения спектральной полосы радикала ОН* (длины волн 306.330 нм), находящейся в ультрафиолетовой области, где влияние сплошного спектра сажи практически отсутствует. Предложенный метод защищен патентом РФ "Устройство для диагностики качества смеси двигателя внутреннего сгорания" № 2182251 от 10 мая 2002г, который удостоин диплома и бронзовой медали на ежегодном Международном смотр-конкурсе "Лепин" Ассоциации изобретателей и фабрикантов Франции - Париж, 2004.

Таким образом, разработанные на основе методов турбулентного массообмена и химической кинетики, математические модели и программное обеспечение задач смесеобразования, горения, расширения и выхлопа в ДВС с искровым зажиганием, позволяют получить достаточно достоверные расчетные данные по содержанию оксидов углерода и азота в отработавших газах. Подтверждена возможность применения этих методов для повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.

Полученные результаты могут использоваться:

1 Для оптимизации параметров впрыска, конструктивных особенностей камеры сгорания и двигателя в целом с целью снижения токсичности выхлопа.

2 При расчете и проектировании устройств (фильтров), нейтрализующих оксиды в выпускной магистрали двигателя.

Публикации по решению аналогичных задач в отечественной литературе отсутствуют, поэтому сравнение по эффективности и сложности алгоритмов решения возможно только с иностранными аналогами. Наиболее близкой по целям и задачам является докторская диссертация Удо Риглера [147] "Расчеты горения и образования токсичных веществ в бензиновых ДВС с применением детального кинетического механизма реакций", Институт технического горения Штутгартского университета - Германия, 1999 г., в которой решена трехмерная задача ХТТ и получены поля оксидов N0 и СО в камере сгорания и цилиндре (СНХ не определяется). Совместное решение задачи турбулентной газодинамики и уравнений химического тепломассообмена потребовало значительного объема машинного времени, достигающего нескольких недель и даже месяцев. И это несмотря на то, что в диссертации учитывается только кинетика образования оксида азота, а содержание углеводородов считается квазиравновесным. Удо Риглер не публикует свои программы, но можно ожидать, что они менее громоздкие, чем у автора настоящей работы, так как метод крупных частиц (МКЧ) [91,194-200], который он использует, позволяет создавать более компактные модули. В то же время метод требует большого числа шагов по координатам (~105. 106) и времени (~105), что чрезмерно увеличивает машинное время.

Автор использует не МКЧ, а "классический" метод расщепления шага по времени, внутри же расщепления применяется неявный метод решения (глава 7). Последний имеет второй порядок точности, является абсолютно устойчивым и позволяет эффективно использовать более крупный шаг по времени, чем МКЧ. Экономия машинного времени тем более увеличивается, поскольку внутри каждого основного шага по времени методом Гира решается сложная задача химической кинетики. В процессе решения алгоритм Гира последовательно увеличивает свой шаг почти на десять порядков (от 10"13 до 10"4 с), поэтому выгодно применять этот метод не прерывая его в течение длительного времени, то есть на протяжении достаточно большого основного шага по времени. Для всех разработанных автором программ, большинство которых приведено в приложениях (книга 2), характерна вполне приемлемая продолжительность машинного времени, не превышающая для ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) восьми часов.

Следует отметить дальнейшие пути совершенствования полученных автором решений:

1 Поиск в научной литературе и применение в задачах ХТТ низкотемпературного ДКМ тяжелых частиц, что позволит определить содержание несгоревших углеводородов в холодных пограничных слоях вблизи стенок КС.

2 Применение разработанных алгоритмов для переходных режимов работы ДВС, в которых наблюдается значительное выделение токсичных веществ.

3 Расширение кинетического механизма образования оксида азота при горении.

4 Уточнение граничных условий для k-Е модели турбулентности в ДВС, в первую очередь, на фронте горения.

В своей работе автор использовал основополагающие труды известных теоретиков по термодинамике тепловых двигателей, которые получили широкое признание и содержат несомненно фундаментальные по значимости результаты. Однако "катастрофическое отставание отечественных автомобилей от западных по уровню экологичности и безопасности" (см. стр. 10) требует, по мнению автора, резкого повышения уровня расчетных методик, перехода от нульмерных термодинамических расчетов к постановке и решению трехмерных задач химического турбулентного тепломассообмена на основе синтеза методов гидромеханики многокомпонентных сред, динамики турбулентных потоков и химической кинетики горения. В этой трудной работе большую помощь оказали автору докт. техн. наук, профессора Дунаев В.А., Звонов В.А., Юрманова Н.П., Поляков Е.П., Елагин М.Ю.; канд. техн. наук, профессора Фролов Н.Н., Чуканов К.П.; докт. техн. наук, доцент Агуреев И.Е. и другие коллеги по работе, которым автор приносит искреннюю и глубокую благодарность. И если в далеком 1967 году только отдельные "романтики от горения", к числу которых принадлежал и учитель автора канд. техн. наук, доцент Зеленин Р.А. (работавший на кафедре Ракетные двигатели Тульского политехнического института), пытались сформировать основные механизмы химической кинетики горения, то сейчас для этих сложнейших задач просто пришло время.

1. К вопросу об изучении пламен водорода по излучению промежуточных продуктов реакции / В.К. Баев., Р.Х. Абдуллин, Е.В. Перков и др. // 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. 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. Моделирование самовоспламенения изооктана и н-гептана применительно к условиям ДВС / В.Я. Басевич, А.А. Беляев, В. Брандштетер и др. // 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. 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 К., Dryer F.L. A detailed chemical kinetic reaction mechanism for oxidation of n-octane and iso-octane // Lawrence Livermore National Laboratory. Report UCRL-94449. 1986.

13. Chevalier C., Goyal G., Louessard P. 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. Kambridge. 1993. - P. 360.

15. Muller U.S., Petrs N., Linan A. Global kinetic for n-heptane ignition at high pressures // Proc. 24th 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. 24th Symp. (Int.) on combustion. Pitsburg, Pensylvania. - 1988. - P. 1695 .

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

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

20. 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.

21. Гордин К.А., Масленников В.М. Об образовании окислов азота в диффузионном пламени Н2-02 // ФГВ. 1979. - № 2. - С. 54-65.

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

23. Бурико Ю.Я. и Кузнецов Р.В. Образование окислов азота в неравновесном диффузинном турбулентном пламени // ФГВ. 1983. - № 2. - С. 71-81.

24. Фиалков А.Б. и Калинин К.Я. Формирование ионов N0 и NH4+ в низкотемпературной периферийной зоне пламени // ФГВ. 1993. - № 3. - С. 111-115.

25. Когарко С.М. и Басевич В.Я. Теоретическое рассмотрение возможных схем снижения концентрации NO при горении // ФГВ. 1981. - № 5. - С. 3-8.

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

27. Wray K.L., Teare J.D. Shock Study of the Kineticks of Niric Oxide at High Temperatures // The Journal of Chemical Physics. - 1962. - vol. 36. - N. 10. -P. 2582-2596.

28. Warnatz J. und Maas U. Technische Verbrennung. Heidelberg^ New YorK,-— Berlin: Springer-Verlag, 1993.-341 p.

29. Khan I. M., Greeves G., Wang С. H. Factors Affecting Smoke and Gaseous Emissions from Direct Injection Engines and a Method of Calculation // SAE Paper 730169,1973.-23 p.

30. Blumberg P., Kummer I. T. Prediction of NO Formation in Spark Ignited Engines - an Analysis of Methods of Control // Combustion Science and Technology. - 1971fVol. 4, - P. 73 - 95.

31. Glarborg P., Alzueta M. U., Dam-Johansen K., Miller J. A. Kinetic Modeling of Hydrocarbon/Nitric Oxide Interactions in a Flow Reactor // Combustion and Flame, 115. P. 1-27(1998).

32. Baulch D. L., Cobos C. J., Cox R. A. Summare Table of Evaluated Kinetic Data for Combustion Modeling: Sumplement 1 // Combustion and Flame, 98. -v P. 59-79 (1994).

33. Campbell I. M, Thruch B. Tt'll Trans. Faraday Soc., 64. ^ 1265^1968).- J>

34. Eyzat P., Guibet J. C. A New Look at Nitrogen Oxides Formation in Internal Combustion Engines. SAE Paper 680124,1968. - 17 p.

35. Yetter R.A., Dryer F.L., Rabitz H. A Comprehensive Reaction Mechanism for Carbon Monoxide/Hydrogen/Oxygen Kinetics // Combust. Sci. and Tech. -1991, Vol. 79.-P. 97-128.

36. Brabs T.A. and Brokaw R.S. Shock tube measurements of specific reaction rates in the branched chain CH4-C0-02 system // Fifteenth Symposium (International) on Combustion. P. 893-901 (1974).

37. Математическое моделирование турбулентного горения газов / С.М. Фролов, В.Я. Басевич, В.П. Карпов и др. // НТО ин-та хим. физики РАН им. Н.Н.Семенова, М., 1998. 107 с.

38. Westbrook С.К. and Dryer F.L. Chemikal kinetic modeling of hydrocarbon combustion // Prog. Energy Comb. Sci., 10,1 (1984).

39. Sulzman K.G., Myers B.F., Bartle E.R. // J. Chem. Phys., 42, 3969 (1965).

40. Кондратьев B.H. Константы скорости газофазных реакций / Справочник. М.: Наука, 1971.-351 с.

41. Marchese A., Dryer F.L., Nagagam V. // Combustion and Flame, 116: P. 432-459(1999).

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

43. Газовая динамика / Х.А. Рахматулин, А.Я. Сагомонян, А.И. Бунимович и др. М.: Высшая школа, 1965. - 722 с.

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

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

46. Щелкин К.И. О сгорании в турбулентном потоке // ЖТФ. 1943, т. XIII, вып. 9-10.-С. 520-525.

47. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. М., Изд. АН СССР, 1963.-256 с.

48. Зельдович Я.Б., Франк-Каменецкий Д.А. Турбулентное и гетерогенное горение. М., Изд-во ММИ, 1947. - 172 с.

49. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. - 740 с.

50. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. - 306 с.

51. Талантов А.В. Исследование зависимостей процессов горения в турбулентном потоке однородной смеси // ФГВ. 1969. - №1. - С. 106-113.

52. KarlovitcB., Denniston D., Wells F. Investigation of Turbulent Flames // The Journal of chemical Physics. 1951, vol. 19. - No 5. - P. 541-547.

53. Moss J.B. Simultaneous measurements of concentration and velocity in an open premixed turbulent flame. // Comb. Sci. Technol. 22:115,1979.

54. Williams F.A. Combustion theory. Benjamin / Cummings, Menlo Park, 1984.

55. Borghi R.B. Recent advances in aeronautical science. London, Pergamon, 1984.

56. Poinsot Т., Veynante D., Candel S. Diagrams of premixed turbulent combustion based on direct simulation. // 23rd Symp. (intl.) Comb. The Combustion Institute, Pitsburgh, 1991. - P. 613.

57. Peters N. Laminar flamelet concepts in turbulent combustion // 21st Symp. (intl.) Comb. The Combustion Institute, Pitsburgh, 1987. - P. 1231.

58. Becker H. et al. Investigation of extinction in unsteady flames in turbulent combustion by 2D-LIF of OH radicals and flamelet analysis // 23rd Symp. (intl.) Comb. The Combustion Institute, Pitsburgh, 1991. - P. 817.

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

60. Ломовский В.А. Впрыск топлива в транспортные двигатели с принудительным зажиганием. М.: Машгиз, 1958. - 198 с.

61. Лышевский А.С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. М.: Машгиз, 1963. - 172 с.

62. Будыко Ю.И. и др. Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей. Л.: Машиностроение, 1982. - 144 с.

63. Раушенбах Б.В. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. -М.: Машиностроение, 1964.-530 с.

64. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распиливания жидкостей. -М.: Химия, 1984. 250 с.

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

66. Гуреев А.А., Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. М., Химия, 1982, - 264 с.

67. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Рыбаков Г.П. Плоская модель смесеобразования при впрыске топлива в цилиндр ДВС с искровым зажиганием // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2002. - Вып. 6. - С. 120127.

68. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П. Моделирование смесеобразования в ДВС с непосредственным впрыском // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2003. - Вып. 7. - С. 236-245.

69. 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, 2004. С. 131-134.

70. Модели смесеобразования и горения в ДВС с непосредственным впрыском / С.А. Чесноков, Н.Н. Фролов, В.А. Дунаев, И.В. Кузьмина // Двига-телестроение. 2005. - № 1. - С. 3-5.

71. 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.

72. Круглов М.Г. Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1963. - 270 с.

73. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания. / Дьяченко Н.Х. и др. Л.: Машиностроение, 1979. - 392 с.

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

75. Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З. Многозонные модели рабочего процесса ДВС: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1997. - 58 с.

76. Куценко А.С. Моделирование рабочих процессов ДВС на ЭВМ. Киев, Наукова думка, 1988. - 104 с.

77. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.-592 с.

78. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие / Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Л.: Машиностроение, 1979.-222 с.

79. Рубец ДА Смесеобразование в . автомобильном двигателе прц переменных режимах. М.: Машгиз, 1948. - 149 с.

80. Андреев В.И., Васин С.Н., Горячин Я.В. Распределение смеси в карбюраторном двигателе. М.: Машиностроение, 1966. - 128 с.

81. Морозов К.А., Матюхин JI.M. Системы питания современных бензиновых двигателей. М.: МАДИ, 1988. - 112 с.

82. Бояджиев X., Бешков В. Массоперенос в движущихся пленках жидкости. -М.: Мир, 1988. 136 с.

83. Воронцов Е.Г, Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках. Киев: Техшка, 1972. - 196 с.

84. Андреевский А.А. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости // Температурный режим и гидравлика парогенераторов / Под ред. Ганчева В.Г.; Л.: Наука, 1978. - С. 181-230.

85. Волновое течение пленок жидкости / С.В. Алексеенко, В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев. Новосибирск: Наука, 1992. - 256 с.

86. Рудой С.П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика: Учебное пособие / Уфимский авиац. инст. Уфа, 1988. - 184 с.

87. Кэмпбелл Д.П. Динамика процессов химической технологии: Пер. с англ. М.: ГНТИХМ, 1962. - 351 с.

88. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. - 387 с.

89. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1984.-384 с.

90. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами / Под ред. Стернина Л.Е.; М.: Машиностроение, 1980. - 172 с.

91. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711 с.

92. Чесноков С.А., Елагин М.Ю., Кузьмина И.В. Общая математическая модель процессов МДВС с внешним смесеобразованием и ее применение для оценки эффектов разноцилиндровости. Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2001. - Вып. 5. - С. 103-106.

93. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П., Моделирование двухфазных потоков во впускном коллекторе ДВС. Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. -2002. Вып. 6. - С. 165-170.

94. Чесноков С.А., Безгубов А.П. Аналитические решения задачи фазового тепломассообмена в каналах автомобильных радиаторов // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 1998. - Вып. 2. - С. 105-117.

95. Чесноков С.А., Безгубов AJL, Оптимизация теплообменников-охладителей транспортных двигателей. Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 1998. - Вып. 2. - С. 118-124.

96. Чесноков С.А., Безгубов А.П. Изучение процесса сгорания топливовоз-душной смеси в цилиндре ДВС с искровым зажиганием // Энергосбережение 98: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. - Тула, 1998. - С. 63.

97. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Аналитические решения задачи фазового тепломассообмена в каналах / ТулГУ. Тула, 1983. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.04.98, № 1231-В98.

98. Чесноков С.А. Моделирование фазовых переходов в каналах охлаждения МДВС // Технический вуз наука, образование и производство в регионе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Ч. 2. - Тольятти, 2001. - С. 341-347.

99. Чесноков С.А. Тепломассообмен в задачах энергетики и строительной теплофизики: Учебное пособие / ТулГТУ. Тула, 1995. -176 с.

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

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

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

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

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

105. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М.: Химия, 1970. - 519 с.

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

107. 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.

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

109. Чесноков С.А. Сокращенный механизм горения метана в условиях ДВС // Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств: Труды IX Международной научно-практической конференции. Владимир, 2002. - С. 319-322.

110. Чесноков С.А. Уравновешенная схема химических реакций в ДВС // XXII Российская школа по проблемам науки и технологий: Краткие сообщения. Миасс-Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - С. 49-51.

111. Чесноков С.А. Уравновешенный кинетический механизм горения и расширения в ДВС // Прогресс транспортных средств и систем 2002: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. 2. -Волгоград, 2002. - С. 158-162.

112. Чесноков С.А., Соколова С.С. Моделирование высокотемпературных реакций горения и расширения в ДВС // Тезисы докладов XXXIX Международной научно-технической конференции. Поршневые и газотурбинные двигатели. МГТУ-МАМИ. 2002. - С.53-56.

113. Чесноков С.А., Соколова С.С. Тестирование кинетики горения углеводородных топлив // Известия ТулГУ. Материаловедение. 2002. - Вып. 2. -С. 154-155.

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

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

116. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, 1960. -715 с.

117. Седов Л.И. Механика сплошной среды, т. 1,2. М.: Наука, 1973. - 536 с.

118. Чесноков С.А., Елагин М.Ю. Кинетика образования окиси азота в ДВС // Механика и процессы управления: Труды XXXI-ro Уральского семинара. Миасс - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - С. 224-225.

119. Безденежных А.А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. Л.: Химия, 1973. -255 с.

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

121. Gear C.W., Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1971.

122. Gear C.W., The automatic integration of stiff ordinary differential equations. Information Processing 68, A.J.H.

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

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

125. Чесноков С.А., Соколова С.С. Моделирование локальной кинетики реакций легких частиц в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2002. - Вып. 6. - С. 155-165.

126. Чесноков С.А. Химическая кинетика горения углеводородов для модели локального горения в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2004. - Вып. 8. - С. 88-96.

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

128. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., Наука, 1967. -415с.

129. Чесноков С.А. Химическая кинетика горения углеводородов для модели ламинарного горения в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2004. - Вып. 8. - С. 96-103.

130. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. Струйно-кинетическая модель горения для рабочего процесса в ДВС с искровым зажиганием // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2003. - Вып. 7. - С. 245255.

131. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. - 320 с.

132. 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.

133. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Соколова С.С. Моделирование образования токсичных продуктов горения неоднородной бензовоздушной смеси // НАУКА-ПРОИЗВОДСТВО-ТЕХНОЛОГИЯ-ЭКОЛОГИЯ: Всероссийская научно-техническая конференция. Киров, 2003. - С. 97-98.

134. Дунаев В.А., Акименко Т.А. Численное моделирование и визуализация многокомпонентного газового потока // Современные научнотехнические проблемы гражданской авиации: Тезисы докладов международной НТК. М.: МГТУ ГА, 1999. - С. 93 - 94.

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

136. Баев В.К., Головичев В.И., Третьяков П.К. Горение в сверхзвуковом потоке. Новосибирск: Наука, 1984. - 415 с.

137. Freeman L.M., Korkegi R.H. Projectile Aft-Body Drag Reduction by Combined Boat-Tailing and Base Blowing. AFAPL-TR-75-112, February 1976.

138. Течение газа с подводом тепла вблизи внешней поверхности тела / Обзор БНТИ ЦАГИ. 1971. - № 347.

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

140. Чесноков C.A. Применение k-e модели турбулентности при горении в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт.-2004.-Вып. 8,-С. 103-110.

141. Лыков А.В. Тепломассообмен / Справочник. М.: Энергия, 1978.-476с.

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

143. Чесноков С.А:, Демидов М.И. Моделирование тепломассообмена и химической кинетики образования окиси азота в ДВС с искровым зажиганием // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт.-2003.-Вып. 7.-С255-265.

144. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Демидов М.И., Рябых А.Н. Химическая кинетика горения в двигателях ВАЗ // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Труды 3-й Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти, 2004. - С. 159-165.

145. Чесноков С.А., Демидов М.И. Химический турбулентный тепломассообмен за фронтом пламени в ДВС. Часть 1. Химическая кинетика // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2004. - Вып. 8. -С. 110-124.

146. Галин Н.М., Кириллин П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике) / Учебное пособие М.: Энергоатомиздат, 1987. - 376 с.

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

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

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

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

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

152. Чесноков С.А., Демидов М.И. Химическая кинетика при турбулентных пульсациях температуры в ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2004. - Вып. 8. - С. 124-131.

153. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1971. -704 с.

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

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

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

157. Лабораторно-измерительный комплекс для исследования горения в ДВС / С.А. Чесноков, А.А. Должиков, И.В. Кузьмина и др. // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 1999. - Вып. 3. - С. 108-110.

158. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Моделирование волновых процессов в выпускных каналах ДВС // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. -1999. Вып. 3.-С. 93-96.

159. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Волновые процессы в выпускном и впускном трактах ДВС // Течения газов и плазмы в соплах, струях и следах: Тез. докл. XVIII Международного семинара. С.-Пб.:БПУ,2000.-С. 112.

160. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Применение спектроскопии для исследования горения в карбюраторных двигателях // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2000. - Вып. 4. - С. 113-116.

161. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Исследование горения в ДВС методом спектроскопии // Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития: Труды Международной научно-практической конференции. -М.: МГТУ-МАДИ, 2000. С. 87-88.

162. Гейдон А. Спектроскопия пламён. М.: Иностр.лит., 1959. - 382 с.

163. Герцберг Г. Спектры и строение простых свободных радикалов. М.: Мир, 1974.-208 с.

164. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Наука, 1962.-431 с.

165. Тарасов К.И. Спектральные приборы. -Л.: Машиностроение, 1968.-388 с.

166. Бурриель-Марти Ф. и Рамирес-Муньос X. Фотометрия пламени. М.: Иностр. лит., 1962. - 520 с.

167. Практикум по спектроскопии /Под ред. Л.В.Левшина.-М.:МГУ,1976.-318с.

168. Атлас спектральных линий / С.К. Калинин, А.А. Явнель, А.И. Алексеева и др. М.: Государ, изд-во технико-теоретической лит., 1952. - 69 с.

169. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М. Таблицы спектральных линий. М.: Наука, 1969. - 782 с.

170. Электровакуумные электронные и ионные приборы. Справочник / Под ред. А.С. Ларионова. М.: Энергия, 1970. - 672 с.

171. Температурные измерения. Справочник / Под ред. О.А. Геращенко. -Киев: Наук, думка, 1989. 704 с.

172. Кадышевич А.Е. Измерение температуры пламени. М.: Металлург-издат, 1961.-218 с.

173. Кузьмина И.В. Математическое моделирование и диагностика рабочих процессов многоцилиндровых ДВС с внешним смесеобразованием: Дис. . канд. техн. наук. Тула, 2000.-137 с.

174. Hideo Shoji, Atsushi Saima, Toshifumi Sasao and al. The Behavior of Radi-kal Luminescence Intensity in a Spark Ignition Engine.ISAE Rev.l992,13,№l.

175. Hotger Michael / Einsatzgebiete der Integralen Lichtleit Meptechnik // MTZ : Motortechn. Z. - 1995. - 56, № 5.

176. Mayr, B.;H6tger, M.; Puschmann, H.: Integrale Lichtleit-Meptechnik: Ein neuer Weg zur Untersuchng des Verbrennungprozrsses in Dieselmotoren. In: MTZ 53 (1992) Nr.l.

177. Hotger, M.; Nesse, A.; Mayr, В.: Die Integrale Lichtleit-Meptechnik (ILM), 13. Internationales Wiener Motoren-symposium, Mai 1992.

178. Елагин М.Ю., Кузьмина И.В. Математическая модель и теоретические исследования рабочих процессов многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт 1999. -Вып. 3. - С. 104-107.

179. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Спектроскопия пламени, как средство исследования рабочих процессов ДВС // Автомобильная промышленность. -2001.-№4. -С. 34-36.

180. Чесноков С.А., Кузьмина И.В. Метод локальной ОН-спектрометрии при исследовании многоцилиндровых ДВС с внешним смесеобразованием // Известия ТулГУ. Автомобильный транспорт. 2001. - Вып. 5. - С. 82-86.

181. А. с. 1769282 СССР, МПК Н 01 Т 13/48. Прибор для настройки режима работы ДВС / П.П. Усов, С.Н. Сираж, Я.В. Тимошенко и др. (СССР). Опубл. 15.10.92. Бюл.№ 32.

182. Головачев Ю.П. Численное моделирование течений вязкого газа в ударном слое. М.: Наука, 1996. - 376 с.

183. Рейнольде А.Д. Турбулентные течения в приложениях. М.: Энергия, 1979. - 408 с.

184. Launder В., Spolding D. The numerical computation of turbulent flow // Сотр. Method in appl. Mech. and eng. 1974. - vol. 3. - P. 269-288.

185. Rodi W. A note on empirical constant in the Kolmogorov Prandtl eddy-viscosity expressin // J. of Fluids Engg., Transs. ASME. 1975. - P. 386-389.

186. Моделирование горения и образования токсичных веществ в ДВС с непосредственным впрыском топлива / С.А. Чесноков, Н.Н. Фролов, В.А. Дунаев, И.В. Кузьмина // Двигателестроение . 2005. - № 2. - С. 18-22.

187. Чесноков С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС. -Тула: Тульский гос. ун-т, 2005. 466 с.

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

189. Иващенко Н.А. Вагнер В.А., Грехов JI.B. Дизельные топливные системы с электронным управлением. Барнаул: Изд-во Алтайского гос. техн. унта, 2000. - 112 с.

190. Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. Луганск: Изд-во Восточноукраинского гос. ун-та, 1998. - 126 с.

191. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во Российского ун-та дружбы народов, 1998. - 216 с.

192. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. Владимир: Изд-во Владимирского гос. ун-та, 2000. - 256 с.

193. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей. М.: Легион-Автодата, 2000. - 80 с.

194. Костин И.М. и Фасхиев Х.А. Качество главная проблема отечественного автомобилестроения // Автомобиль и техносфера: Труды II Международной научно-практической конференции. - Казань, Казанский гос. техн. ун-т (КАИ), 2001. - С. 27-34.

195. Дмитриевский А., Филонов Д. Непосредственный впрыск: революция на грани тысячелетий // Автомобили.- № 1.- 2001. Илл. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.

196. Федеральное агентство по образованию РФ ГОУ ВПО Тульский государственный университет

197. На правах рукописи УДК 621.43

198. ЧЕСНОКОВ Сергей Александрович

199. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ГОРЕНИИ В ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

200. Специальность 05.04.02 Тепловые двигатели

201. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук1. Книга 21. Тула 20061. СОДЕРЖАНИЕ