автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Образование оксидов углерода и азота при горении и догорании в двигателе внутреннего сгорания

На правах рукописи

СЬелллА^<£

Демидов Максим Игоревич

ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ УГЛЕРОДА И АЗОТА ПРИ ГОРЕНИИ И ДОГОРАНИИ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТУЛА 2005

\

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» ГОУ ВПО Тульский государственного университета

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Чесноков Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Поляков Евгений Павлович

кандидат технических наук, доцент Котюхов Федор Алексеевич

Ведущее предприятие: „ ТуцШН***^ ^

Защита состоится «16» 2005 года в Л2 часов на заседании

диссертационного совета КР 212.271.44 при ГОУ ВПО Тульский государственный университет по адресу: 300600, г.Тула, пр-т Ленина 92 (3 уч. корпус ауд.316)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан « / 4 » и^Л^Я 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Агуреев

rjf ¿</¿22

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.

Объемное содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) сравнительно невелико и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 90 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: СО, NOx, СН„, альдегидов RCHO, диоксида серы S02. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EUR0-4) являются СО, N0,, 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 нспрогретого двигателя на режимах пуска и холосто1 о 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 H.A. и др.; Звонова В.А.; Горбунова В.В. и Патрахальцева H.H.: Кульчицкого А.Р.; Морозова К.А.

Концентрация монооксида углерода СО в ОГ двигателя внутреннего сгорания может достигать значительных величин. Так, на режимах холодного холостого хода при значительном избытке топлива объемная доля СО в ОГ достигает 6 - 12 %. Монооксид углерода СО окисляется в атмосфере до нетоксичного диоксида углерода 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 от 1 до 100 часов в зависимости от условий окисления.

Следует отметить последовательное ужесточение норм токсичных выбросов в Европе в течение последних десятилетий, причем нормы EURO-4, соответствуют очень низкому содержанию токсичных веществ в ОГ - для легковых автомобилей с расходом топлива ~ 7 л /100 км предельные объемные доли г со = 0,11%; rN0 - 0,0083 %; ген = 0,010 %. Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса и, конечно, при наличии в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.

В течение последних десятилетий общепринятое математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС является нульмерным (термодинамическим), и полуэмпирическим (модель Вибе). Оно предполагает наличие однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, концентраций компонентов смеси и, тем самым, коэффициента избытка воздуха горючей смеси в камере сгорания (КС). Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей для снижения токсичности ОГ.

Чтобы избежать этого, необходимо использовать более гибкие системы смесеобразования, такие как программируемый (неоднократный) впрыск топлива непосредственно в цилиндр, позволяющий получать в КС неоднородные и наиболее выгодные поля коэффициента избытка воздуха а перед зажиганием. Такие поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания (где смссь должна быть достаточно богатой), отсутствие детонации к концу трения и малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аср= 1 ...2,5). Известны работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников А.Л. Аб-дуллина, A.B. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в нес чных камер его-

рания; 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.

В то же время, до сих пор в отечественной литературе отсутствуют решения задачи для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии. В связи с этим сформулируем следующее.

Целью работы является повышение экологической чистоты рабочих процессов в ДВС с искровым зажиганием по данным теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах, проводимого на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики для процессов горения и турбулентного догорания в цилиндре двигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: 1 ) моделирование нульмерной химической кинетики горения для потока, пересекающего фронт пламени в ДВС; определение температуры и состава продуктов горения на выходе фронта (продуктов оттока);

2) разработка, с использованием методов химической кинетики, математического описания процесса тепломассообмена для описания догорания продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смеси; определение кинетического механизма догорания продуктов; оценка влияния турбулентности на константы скорости реакций;

3) моделирование турбулентного догорания продуктов оттока в объеме камеры сгорания (и цилиндра), анализ расчетного содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах и сравнение с опубликованными экспериментальными данными.

Решение перечисленных задач получено для перспективного ДВС Mitsubishi Galant (1996 г.) с непосредственным впрыском топлива (Gasoline Direct Injection - в дальнейшем GDI) и двигателя ВАЗ-21011, для которого имеется обширный банк опытных данных. В работе использованы известные методики и программы для расчета: турбулентных полей скорости в полости цилиндра в процессах горения и расширения (программа GAS-2, проф. Дунаев В.А., ТулГУ); полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и движения фронта горения в неоднородной горючей смеси (доцент Чесноков С.А.).

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- предложен сокращенный детальный кинетический механизм реакций догорания продуктов оттока за фронтом горения в условиях ДВС (52 реакции для 14 частиц);

- определены поправки к константам скорости химических реакций, учитывающие турбулентные пульсации температур;

- на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики горения разработана математическая модель для описания процесса турбулентного догорания за фронтом пламени и при расширении продуктов сгорания в ДВС; по результатам расчетов проведено сравнение с известными экспериментальными данными.

Методы исследования базируются на основных положениях химической кинетики и механики гомогенных смесей газов; в работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений.

Научная значимость работы заключается в решении задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики при догорании продуктов оттока

за фронтом горения, как основного процесса, определяющего образование токсичных оксидов в ДВС.

Практическая значимость работы заключается в разработке эффективных алгоритмов и программ расчета па ЭВМ, позволяющих произвести расчеты содержания оксидов углерода и азота при горении, догорании и выхлопе из двигателя. Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены

- в виде программ расчета содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания (акт внедрения в практику ОАО АК "Ту-ламашзавод" от 16.08.05);

- в учебный процесс ТулГУ и используется в лекционных курсах «Теплотехника», а так же при выполнении курсового проектирования по специальности 101200 (акт внедрения от 12.09.2005).

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на XXXIX Международной научно-технической конференции. Секция "Поршневые и газотурбинные двигатели" (МГТУ "МАМИ", 2002 г.), НТК "Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса" (МАДИ (ГТУ), 2003 г.), 3-й Всероссийской научно-технической конференции "Современные тенденции развития автомобилестроения в России" (Тольятти: Тольят. гос. ун-т, 2004 г.), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи-региону» (Вологда: ВоГТУ, 2004 г.), 1 -й всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России» (Тула: ТулГУ, 2004 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет страницы, из них 133 страниц основного текста, 35 рисунка, 41 таблиц и список литературы, включающий 94 источника.

Основные положения, выносимые на защиту:

- детальный кинетический механизм химических реакций в ДВС при догорании продуктов оттока за фронтом горения;

- методика оценки влияния турбулентных пульсаций температур на величину кон-стан I химических реакций;

- математическая модель турбулентного догорания, полученная для описания процессов догорания и расширения; модель догорания при выхлопе;

- результаты расчетов этих процессов и сравнение с известными экспериментальными данными.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Сокращения:

ГС - горючая смесь. ОКМ - общий кинетический механизм

ДКМ-детальный кинетический механизм (266 реакций, 33 частицы)

ДКМД-ДКМ догорания (26реакций 14часпщ) OK-основные компоненты (доля которых>0,1%) КС - камера сгорания ПС - продукты сгорания

КТО - коэффициент i урбулентного обмена ТД - турбулентное догорание ОГ - отработавшие газы двигателя.

GDI - Gasoline Direct Inaction - ДВС с впрыском топлива в цилиндр (Mitsubishi Galant,1996)

Основные обозначения:

а - коэффициент температуропроводности, м2/с, О - выделение тепла при горении, Дж/кг,

D - коэффициент диффузии, м2/с; г, - мольная (объемная) доля компонента,

Е - энергия активации, Дж/моль Sj - скорость химической реакции,

g, - массовая доля компонента; Т<; - температура горения, К,

Я, - тепловой эффект реакции, Дж/моль, (Л - скорость выделения тепла, Вт/м3,

k¡ - константа скорости реакции, и, w, v - проекции скорости, м/с;

Л/ - кратность коэфф-та турбулентного обмена, ит-турбулентная скорость горения, м/с, р - давление, Па;

а - коэффициент избытка воздуха топливной смеси, fx - молярная масса, кг/моль, у- кинематический коэффициент вязкости, tifie, р - плотность смеси, ki/mj,

ß - распределенная (парциальная) плотность компонента, кг/м3,

Нижние индексы

F - фронт горения, G - горение, i - номер компонента^ - номер реакции, w - граница, н - начальное, см смесь, Т - турбулентное

Верхние индексы; р - прямая реакция; о - обратная

Нумерация разделов, формул, рисунков и таблиц сохранена такой же как в диссертации Ссылки на публикации доцента Чеснокова С А. обозначены как [Ч]

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, рассмотрены научное и практическое значение диссертационной работы.

1. Обзор литературных данных.

Среди рассмотренных работ ведущее положение занимают публикации Института химической физики РАН, в одной из которых полностью опубликован ДКМ горения метана в условиях ДВС проф. Басевича В.Я. (256 реакций для 29 частиц). Этот ДКМ положен в основу используемых ниже кинетических механизмов. Данные по кинетике тяжелых частиц, образующихся при распаде бензина в начале горения в условиях низких температур, малочисленны - полный детальный механизм распада основных фракций неизвестен. Это обстоятельство делает невозможным, в частности, определение толщины слоя затухания пламени вблизи холодной стенки камеры сгорания и, тем самым, оценку содержания несгоревших углеводородов в ПС.

По известным литературным данным в перспективных двигателях GDI Mitsubishi Galant (1996 г.), Pajero Pinin и Carisma (1997 г) применяются два варианта впрыска - основной для работы на стехиометрической и форсированный для сверхбедной смеси. В первом случае впрыск производится широким коническим факелом в течение такта впуска (рис. 1.4). Длительное, в течение полутора тактов, испарение способствует образованию гомогенной (но неоднородной) смеси (acp« 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.

рис. 1.4

точка

зажигания S

ркс.3.1

Рис. 1.4. Схема конвективных процессов при всасывании - впрыске. Рис.3.1. Зона догорания продуктов оттока от фронта двигателя GDI

Во втором случае впрыск производится узким факелом в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием. Для этого варианта впрыска характерно одновременное протекание процессов испарения частиц, горения смеси и перемешивания продуктов сгорания, что на сегодня практически делает невозможным моделирование процесса в целом. В диссертации рассмотрен первый вариант впрыска (рис. 1.4), для которого разделены во времени процессы испарения частиц, горения смеси и перемешивания ПС.

2.Нульмерная химическая кинетика горения. Предварительное тестирование и оценки

В качестве модельного горючего, заменяющего бензин, в данной работе использован н-ошан С8Н18, 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 (рис. 2.3):

C8Hi8->C3H6+2C2H4+CH4, С3Нб->С2Н4+0,5С2Н2+Н.

Выбор скорости распада н-октана, как для тетрадекана обусловлен отсутствием литературных данных по распаду н-октана и требует оценки влияния этого процесса на дальнейший кинетический процесс.

В рамках проведенного тестирования по образованию оксида азота NO показана необходимость совместного учета трех реакций механизма Зельдовича Я.Б. и термической реакции окисления азота N2, предложенной для условий ДВС Звоновым В.Л. (Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1981): N + N0 <-» N2 + О, N + 02 <-> N0 + О; N + ОН <-» NO + Н; N2 + 02 -м- NO +N0.

На основе ДКМ горения легких углеводородов в условиях ДВС Басевича В.Я. с учетом реакций образования NO и эмпирических реакций распада октана, как модельного топлива заменяющего бензин, образован общий кинетический механизм (ОКМ) горения топлива, содержащий 266 реакций для 33 частиц. Механизм уравновешен для условий воспламенения и горения в ДВС: при температурах Т = 1000, 2000, 3000 К и, соответственно, давлениях р = 2; 3,5; 5 МПа.

Применение метода Гира для решения кинетических уравнений нульмерной задачи позволяет уменьшить машинное время в I05 раз, сократив его от нескольких суток до нескольких секунд (см. Чесноков С.А. Моделирование высокотемпературных реакций горения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002).

По многочисленным оценкам в ряде работ турбулентный фронт горения ДВС имеет микроламинарную структуру. Для потока, пересекающего ламинарный участок фронта горения на основе ОКМ, решается система уравнений химической кинетики и уравнение энергии

dv

;»2Х

-wnf-^I/fA

и, ,

(2.17)

(2.19)

Здесь а, Р- различные значения /; ц - текущая средняя молярная масса смеси; с'"р,(Т) -мольные теплоемкости основных компонентов, аппроксимация которых проведена по литературным данным в виде с"';„= а -I вТ01 + сТ02 .

Результаты решения

1. Расчет процесса горения, описываемый нульмерной кинетикой ОКМ удается "запустить" при начальной температуре горючей смеси не ниже 1100 - 1200К (рис. 2.1). 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 соответствовала экспериментальным данным (2800. ..3000 К) эта неточность компенсируется завышением удельной теплоемкости смеси температурной поправкой. Ниже (п. 3) установлено, что конечный состав смеси соответствует равновесному состоянию при температуре горения (кроме N0, доля которого мала), 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 1_!у имеет два характерных максимума - в диссертации обсуждается возможный механизм их образования.

Г' С8Н18,'......-----------Гн

1 ю-2и„^/ , Ч 10-4

/ ч ч \\ Н \ \ а=1

/ А ' С2Н2 \ V СЗН6 \ \ \

10 Т, мке

Рис. 2.1 - Температура и скорость тепловыделения для потока, пересекающего фронт горения (р=4 МПа)

10-"

КГ6

1(Ге

10"1

1<Г Т, с

Рис. 2.3 - Мольные доли компонентов при распаде октана в начале процесса (р = 4 МПа)

В начале процесса (при т < 1 мке) расчетная скорость тепловыделения за счет химических реакций является существенно отрицательной из-за сильного поглощения тепла реакциями распада октана. В значительной степени отрицательное тепловыделение реакций распада компенсируется при сгорании атомарного водорода Н (рис. 2.3). В итоге временное снижение температуры смеси составляет 100200 К. Изменение скорости распада октана в широком интервале в большую или меньшую стороны (рис. 2.2) совершенно не влияет на температуру и кинетику процесса в течение основного периода (при т > 1 мке), что оправдывает достаточно произвольный выбор констант скорости распада.

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 -выгорание 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. 2.4 для режима горячего холостого хода ВАЗ-21011.

3. По данным кинетических расчетов с различными а = 0,8 . . . 1,5 при горении смеси конечное содержание основных компонентов смеси соответствует равновесному состоянию при температуре горения, с отклонениями не более 12 %. Содержание оксида азота N0 при горении является неравновесным. Ниже показано, что конечное состояние при расширении смеси в двигателе является существенно неравновесным. Полученная при расчетах температура горения, тепловыделение и экспериментально оцененная [Ч] турбулентная скорость горения (рис. 2.5) имеют максимальные значения при а - 0,9, что соответствует известным опытным данным. Температура горения и состав продуктов на выходе фронта горения будут использованы в гл. 3 и 4 как граничные условия задачи ТД.

4. На основе ДКМ Басевича В.Я. для температуры горения при сравнительной оценке скоростей реакций в уравнениях кинетики получен сокращенный детальный кинетический механизм для догорания смеси (ДКМД) при ее расширении в цилиндре, включающий 52 реакции (из 266) для 14 компонентов (из 33). Он будет использован при решении многомерных задач ТД в гл. 3 и 4. Изменение констант отдельных реакций ДКМД в пределах, определяемых по данным различных литературных источников, приводит к отклонениям в содержании основных компонентов смеси не более, чем на 25 %.

Т,К

1100

1000

\ а=1 II

3 N

г

10-2

10"3

ИГ5 ПР 10Г6 X, с

10"4

а=1

С8Н18

V V

г

Ю-3

10-

10-* 1СГ8 X, с б

Ю-5

а=1

Н

N

Рис. 2.2 - Температура (а), содержание октана (б) и атомарного водорода (в) в начале процесса при различной скорости распада октана: 1 - номинальной: 2 - уменьшенной на два порядка; 3 - увеличенной на порядок

0,5

'■"В □ о & д/ Ч ч Г - /\д ОН \ Л \

д ° о \ □ /Ч " ° сн4^

0,6

1

1.5 а

С!,кДж/кг

2500

2000

Рис. 2. 4-Расчетные графики относительной доли радикалов и экспериментальные точки [Ч] относительной интенсивности их излучения в возбужденном состоянии: Д-ОН*; П-СН»

Рис. 2.5 - Расчетные графики температуры горения и тепловыделения, а также экспериментальной [Ч] турбулентной скорости горения для ВАЗ-21011

3. Турбулентное догорание 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 при горении и расширении продуктов сгорания:

для двигателя GDI - в вертикальном диаметральном сечении цилиндра (и КС); для двигателя В АЗ-21011 - в характерных горизонтальных сечениях КС и цилиндра

Результаты 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, определяющая затем общую циркуляцию газов в процессе расширения.

Задача турбулентного догорания. В гл. 2 на основе ДКМ Басевича В Я. определен сокращенный детальный кинетический механизм для догорания смеси (ДКМД) за фронтом пламени (табл. 3.3), реакции которого 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 > 1. Его значения определены для гармонических колебаний температуры, амплитуда которых по данным спектральных измерений в КС двигателя ВАЗ-21011 составляет примерно 20 %. Результаты представлены полиномом, что позволяет вычислять эффективные значения констант скорости реакций к(Т)= кАТехр(-Е/ЯТ) в процессе решения задачи.

Таблица 3.3 - Ведущие обратимые реакции догорания (ДКМД)

№ Реакции № Реакции № Реакции

1 он+н2=н+н2о 10 0н+н02=02+н20 19 h+ccnhco

2 он+о=н+о2 11 он+н2о2=но2+н2о 20 нсо+о2=но2+со

3 он+н=о+н2 12 0н+0н=н202 21 он+нсо=со+н2о

4 он+он=о+н2о 13 0+н202=02+н20 22 н+нсо=н2+со

5 он+н=н2о 14 но2+но2=н2о2+о2 23 n+no=n2+o

6 н+но2 =н2+о2 15 соон=со2+н 24 n+o2=no+o

7 н+о2=н2о 16 со+но2=со2+он 25 n+oh=no+h

8 н+но2=он юн 17 со+о=со2 26 n2+o2=no+no

9 о+но2=о2+он 18 с0+0г=с02+0

Основные допущения задачи турбулентного догорания.

1. В условиях высоких давлений 50 атм) температуры компонентов непрерывно выравниваются за счет эффективного обмена энергией при многочисленных соударениях молекул, и внутри каждого компонента устанавливаются общие для всей смеси поля температур. Тем самым считаем, что, несмотря на интенсивные химические реакции, равновесное распределение молекул по энергиям не нарушается.

2. В связи с небольшой скоростью течения (менее 50 м/с) в зоне продуктов сгорания пренебрегаем кинетической энергией газа по сравнению с внутренней энергией 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 диссипатив-ных сил 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 [Ч] на основе полей скорости, полученных с помощью программы ОА8-2. В трехмерных задачах, для сокращения машинного времени, поля коэффициентов переноса задаем как однородные и изменяющиеся во времени (рис. 3.6). Считаем, что изменение турбулентного коэффициента температуропроводности смеси аг определяется только турбулентной теплопроводностью Хъ поскольку объемная теплоемкость ср по сравнению с Яг меняется незначительно.

5. Догорание горючих компонентов смеси за фронтом пламени характеризуется 52 ведущими реакциями для 14 компонентов (табл. 3.3).

6. Компоненты и смесь в целом являются идеальными газами.

При этих допущениях уравнения сохранения энергии смеси и массы компонентов, полученные на основе математического описания для гомогенной смеси из монографии Нигматулина Р.И. (Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987), имеют вид:

дТ дТ дТ дТ

--1-й——+ М'—- + 1>—:

д т дх ду дг

д:

8т

+ и-

дх

Источники теплоты и масс компонентов:

9у

А*.

дх) ду

дТ_ ду

д + —

дг

д.8, " дх М).

нь

ду

дТ_ г д:

д:

¿А

д:

1

Р др р2 дх

м

(3.29)

+ Я,

(3.30)

(3.31)

Турбулентные характеристики переноса определяются среднеобъемной кратностью КТО N-1 £как отношении КТО и ламинарной вязкости), поэтому: ат=а,шм Ыт; 01=0,ал, Мт. Значение определяется по данным рис. 3.6.

Для скорости реакции имеем:

к>" = кАГехр{-Е/КГ). (334)

Система (3.29)-(3.34) включает 15 уравнений и позволяет произвести расчет полей температуры и массовых долей 14-ти компонентов: Н, Н2, ОН, Н02, Н202, Н20, НСО, 0,02,С0, С02, N0, Ы, N2.

При решении использованы: метод переменного порядка точности Гира для решения уравнений химической кинетики, метод расщепления шага по времени для многомерных задач тепломассообмена, метод прогонки для одномерных решений (алгоритмический язык - Фортран-95).

Тестирование двухмерных задач турбулентного догорания проведено на примере первого впрыска рабочего режима двигателя вШ (п = 3000 об/мин, р„ак= 60 1 05 Па). Камера сгорания этого двигателя, образованная выемкой в поршне, и оба клапана расположены в диаметральной плоскости цилиндра (рис. 1.4), поэтому двухмерная постановка задачи ТД является достаточно обоснованной. Приняты параметры двигателя, характерные для легкового автомобиля: диаметр цилиндра 0,08 м, рабочий объем 0,373Т0"3 м\ степень сжатия 12, опережение зажигания 18 °пкв. В качестве исходных данных используются:

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

- ламинарный коэффициент температуропроводности смеси аш, =0,1910"4 м2/с и средний ламинарный коэффициент диффузии для компонентов смеси £>га,,=0,25-10"4 м2/с;

- геометрия поля решения (форма и перемещение фронта горения и поршня); поля скорости и коэффициента избытка воздуха а в КС (рис. 3.9); а также давление в функции времени по результатам расчета рабочего процесса;

- параметры констант скорости и тепловые эффекты реакций ДКМД (табл 3.3);

- температуры фронта горения То и состав продуктов оттока для различных а (гл.2).

Замена полученных в работах [Ч] полей кратности КТО средним объемным значением А'/, изменяющимся во времени, приводит к погрешностям содержания основных компонентов к концу расширения в пределах 5 %. Поэтому изменение средней кратности КТО во времени процесса, полученное для обоих двигателей (рис. 3.6), будет использовано в трехмерных задачах ТД. Это позволяет уменьшить время решения на ЭВМ без заметного снижения точности.

Поля содержания компонентов ПС анализируются в следующей главе, тем не менее отметим следующее. По сравнению с реакциями во фронте горения для реакций догорания водорода и углеводородов характерна относительная уравновешенность - близость скоростей прямых и обратных реакций. Это определяет сильное влияние содержания компонентов на результирующую скорость реакций (как разности скоростей прямой и обратной реакций) и, тем самым, на интенсивность источников массы компонентов и теплоты. Тем не менее, все рассмотренные реакции при догорании в камере сгорания ДВС не являются полностью уравновешенными. Медленные реакции окисления азота, скорость которых ~10°...10 молы / (моль с), и быстрые реакции окисления водорода и углерода (~104...Ю6) определяют результирующие скорости близких порядков ~10" ...101. Результирующие скорости образования радикалов в значительной степени компенсируют друг друга вследствие их активности.

8 А-А„

Рис. 3.9 - Поля коэффициента избытка воздуха в КС перед зажиганием (п = 3000 об/мин) для двигателя GDI

Рис. 3.10 - Поля коэффициента избытка воздуха в КС перед зажиганием (п = 3000 об/мин) для двигателя ВАЗ 21011 [Ч]

Проверка на точность численного решения задачи ТД показала, что уменьшение шага по координатам в 10 раз изменяет содержание основных компонентов не более, чем на 5 %, а для остальных компонентов- не более, чем на 20 %. Уменьшение на порядок шага по времени приводит к меньшим погрешностям, ~ 1 .2%. Учитывая, что время решения двухмерной задачи на ПЭВМ РеШшт-4 (1,9 ГГц) возрастает при этом с 0,5 часа до 60 часов, исходная величина шагов может считаться оптимальной.

Рис. 3 6 - Изменение средней по объему кратности КТО Рис. 4.1 - Схема тепло-

в период горения (G) и расширения смеси для двигателей. обмена на границе поля 1 - GDI, 2 - ВАЗ, рабочий ход; 3 - ВАЗ, холостой ход [Ч] решения

4 Турбулентное догорание в ДВС. Трехмерные задачи и анализ

Двигатель GDI

Горение и расширение. Система уравнений ТД (3.29)-(3.34) решена в трехмерной постановке. Параметры двигателя GDI (рис. 1.4) и необходимые исходные данные приведены в гл. 3. Термическое сопротивление ламинарного подслоя толщиной 5Л было учтено в виде простого соотношения стационарной теплопередачи в форме граничного условия 4-го рода (рис. 4.1). Из равенства тепловых потоков на границе поля решения (qT = ял) температура на границе

Tw=(To+ АТср)/(1 + А), где А = 5Л %/LT. (4.15)

Примем в первом приближении, что относительная ширина поля LT / 5Л = const = Cw, тогда А = Nt / Cw- Кратность КТО NT уменьшается во времени процесса в соответствии с рис. 3.6. Значение коэффициента граничных условий Cw подбиралось при тестовых решениях задачи ТД таким образом, чтобы температура смеси в начале выпускной магистрали соответствовала экспериментальной. Оценим толщину ламинарного подслоя 5Л. Считая, что LT = Н/4, где Н ~ 0,025 м - высота камеры сгорания двигателя GDI, получим 8Л = LT / Cw = 0,006/100 = 0,6-1 О*4 м, что хорошо соответствует оненкам в монографии Петриченко P.M. (1983), где Зл ~ 10"4 м.

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 NO) 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, 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 догорания, в частности, окисление оксида углерода с выделением тепла. В процессе выхлопа и после его окончания, в течение -100 мс, смесь перемещается по выпускной магистрали, где реакции продолжаются. Процессы выхлопа и выпуска можно описать в рамках нульмерной кинетики реакций догорания для потока, вычисляя по известной из эксперимента кривой давления на каждом шаге по вре-

мени адиабатную температуру и выделение геплоты химических реакций в течение шага, повышающее эту температуру.

Анализ результатов. К концу горения турбулентное поле скорости, полученное с помощью программы ОА8-2 (рис. 4.3,а), имеет вихревую зону с центром С]. Ломаной линией показан фронт горения Р Пунктиром выделены зоны источников теплоты или массы компонента, положительные + или отрицательные -. Температура 2230 К (б) является температурой границы поля решения Т„ (рис. 4.1). Вблизи стенок камеры сгорания формируется турбулентный пограничный слой с температурами 2230-2500 К.

Для нескольких контрольных точек поля решения проведен анализ скоростей химических реакций Низкие температуры 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 СО (г) сохраняется в верхней части КС, где горела богатая топливная смесь. В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: С0+0Н->С02+Н, С0+Н02->С02+0Н, С0+0->С02 и Н+СО->НСО. В пограничном слое для первых двух реакций результирующие скорости возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.

Максимальное содержание оксида азота N0 (д) наблюдается в зоне сгоревшей стехиометрической горючей смеси. В области высоких температур все реакции Н2+0->Ш+Ч ^02->Ш+0, N+011—»N0+11 и N2+02—>N0+7^0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация N0 уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота. К+М0->М2+0, N+N0—»ОН+ТУ. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции

ш+ш->м2+о2.

В процессе расширения смеси (рис. 4.5) помимо основного вихря с центром С1 (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. 4.3 - Поля скорости (а), температуры (б) и массовых долей компонентов (в-д) в КС двигателя GDI для конца горения (т =1 мс; R =20%; п =3000об/мин; (р=370°пкв)

Поля радикалов ОН, О, Н02 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 02 (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 и более 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 холодном слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше.

Методом пробных решений задачи ТД получен оптимальный режим работы двигателя 001 (обеспечивающий низкое содержание 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: оксид углерода СО - 0,299 %, оксид азота N0 - 0,252 %, кислород 02 - 0,288 %.

Рис. 4.5 - Поля скорости (а), температуры (б) и массовых долей компонентов (г-з) в диаметральном сечении цилиндра двигателя GDI для середины процесса расширения (т = 4 мс; R = 20%; п = 3000 об/мин; ф = 424°пкв)

Расчеты при постоянных в полости КС значениях коэффициентах избытка воздуха (однородное поле а) в диапазоне а = 0,8... 1,2 для рециркуляции R -= 20 % (рис. 4.6,а) показали удовлетворительное соответствие остаточного содержания кислорода 02, оксида углерода СО и оксида азота N0 известным экспериментальным данным

Полные данные по содержанию СО и NO в ОГ (рис. 4.6,6), позволяют произвести для данного ДВС предварительный прогноз уровня токсичности ОГ по известным характеристики гюля а перед зажиганием- среднему в объеме КС коэффициенту избытка воздуха асн и неоднородности поля Да — ctviAx ~ '^min• Возможен обратный подход - при заданной токсичности ОГ определить необходимые <ХсР и Аа. Эти параметры можно варьировать, регулируя систему впрыска топлива. В частности, неоднородность поля Да можно изменять за счет продолжительности впрыска топлива

[Ч].

%

\ \ \\ Vco * о г/7 / /

/ / / ✓ / ✓ / / /

/ / no

о

0,8 0,9

1.1 а

1,1 0,32

Рис 4 6,а - Объемное содержание компонентов в отработавших газах при различном избытке воздуха в однородных полях а. —результаты расчетов,

----экспериментальные данные монографии'

Вы|^бов Д Н, Иващенко H.A., Ивин В.И. и др.

Рис 4 6,6 - Объемное содержание компонентов в ОГ двигателя GDI при различных значениях' среднего в объеме КС коэффициента избытка воздуха аср и неоднородности поля Да (R = 20 %, п = 3000 об/мин)

Двигатель ВАЗ-21011

Описан алгоритм решения трехмерной задачи ТД (3.29)-(3 34) для двигателя ВАЗ-21011. При решении используется неоднородное поле а = 0,9... 1,1 (рис. 3.10). Изменение средней кратности КТО Ыт в период расширения (рис. 3.6) получено при использовании к-е модели турбулентности [Ч]

Анализ результатов. Наличие остаточных газов в количестве у = 10 % приводит к уменьшению конечного содержания оксида азота N0 на 45 %, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли N0 является уменьшение температуры горения (на 100 К). В начале горения для поля температур характерно наличие "плато", которое в дальнейшем, по мере развития турбулентного тепломассообмена значительно уменьшается.

Из графиков рис. 4.8 следует, что основное изменение температуры и содержания компонентов наблюдается при горении и в течение такта расширения. При выхлопе из цилиндра доля СО снижается на протяжении третьей части выпускной 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. Представлены экспериментальные данные с доверительными интервалами, указанными в виде скобок. Термопарные измерения температуры газа (В и Г) проведены на входе в выпускную магистраль, эти результаты использованы для подбора коэффициента граничных условий СИ'.

Рис. 4.8 - Изменение средних в объеме цилиндра ВАЗ-21011 температуры и мольных долей основных компонентов во времени процесса - от горения до выпуска: а - рабочий режим двигателя (п = 3000 об/мин; у = 0,1; рмдх = 6 МПа); б -горячий холостой ход (п = 800 об/мин; у = 0,24; рма\= 1 МПа);

А, В,.. ,,С - данные экспериментов 14]

Температуры горения в режимах рабочего хода (А) и горячего холостого хода (Е) измерялись цветовым методом. Содержание оксидов N0 и СО в отработавших газах (С, О, в) определялось серийным инфракрасным газоанализатором ИКАФ-057. Соответствие расчетных данных экспериментальным представляется вполне удовлетворительным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертации на основе уравнений тепломассообмена решена задача турбулентного догорания (ТД) в ДВС с искровым зажиганием с целью прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах. 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 СО и N0 в продуктах сгорания; низко-

температурная кинетика тяжелых частиц такого влияния не имеет. При решении задачи проведены расчеты турбулентных характеристик переноса и оценка влияния турбулентных пульсаций темпера! уры на величину констант скорости химических реакций.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

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

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

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

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

Увеличение констан! скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры в двигателе GDI определяет, как показывают расчеты, снижение ее среднего по объему значения на 100. .130 К и повышение содержания оксидов углерода и азота в ОГ, соответственно, на 18 и 36 %.

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

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 оксидов углерода и азота в ОГ от известных экспериментальных данных (рис. 4.6,а).

Полные данные по содержанию СО и NO в ОГ (рис. 4.6,6) позволяют произвести для данного ДВС прогноз уровня токсичности ОГ по известным характеристикам поля коэффициента избытка воздуха а в КС перед зажиганием' среднему в объ-

еме КС коэффициенту избытка воздуха аГр и неоднородности поля Да. Возможен и обратный подход - по заданной токсичности ОГ определить необходимые значения аСр и Аа, которые должна обеспечить система впрыска топлива. Неоднородность поля Да можно изменять, варьируя, например, продолжительность впрыска.

Для двигателя ВАЗ-21011 расчетные значения мольных долей оксидов углерода и азота в ОГ (с учетом остаточных газов, рис. 4.8) соответствуют измеренным промышленным датчиком ИКАФ-057 для одного из цилиндров в рабочем режиме и в режиме горячего холостого хода.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Чесноков С.А., Рыбаков Г.П., Демидов М.И. Одномерная модель двухфазных течений во впускной магистрали ДВС. Тезисы докладов XXXIX Международной научно-технической конференции. Секция "Поршневые и газотурбинные двигате-ли".МГТУ"МАМИ",2002.-С.56-60.

2. Чесноков С.А., Демидов М.И., Кузьмина И.В., Рыбаков Г.П. Математическая модель смесеобразования при впрыске топлива в цилиндр ДВС. Тезисы докладов НТК "Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса",- М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - С. 57 - 59.

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

4. Чесноков С.А., Кузьмина И.В., Демидов М.И., Рябых А.Н. Химическая кинетика горения в двигателях ВАЗ. 3-я Всероссийская научно-техническая конференция "Современные тенденции развития автомобилестроения в России". Тольятти: Тольят. гос. ун-т, 2004. - С. 159-165.

5. Чесноков С.А., Демидов М.И.. Химический турбулентный тепломассообмен за фронтом пламени в ДВС. Часть 1. Химическая кинетика. Известия ТулГУ, сер. Автомобильный транспорт, вып. 8 - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 110-124.

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

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

8. Демидов М.И. Моделирование тепломассообмена и химической кинетики образования оксида азота в ДВС с искровым зажиганием. 1-я всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России». Тула: ТулГУ, 2004. - регистрационное свидетельство №3928, номер гос. регистрации 0320400297.

»22 82 0

РНБ Русский фонд

2006-4 24682

Изд лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97 . Подписано в печать Формат бумаги 60х84'/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. № . Уч.-изд. л 0,$ . Тираж ^ОСэкз. Заказ^Х

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературных данных

1.1 Горение водорода.

1.2 Горение легких углеводородов.

1.3 Горение тяжелых углеводородов.

1.4 Образование оксида азота.

1.5 Анализ литературных данных.

Глава 2. Нульмерная химическая кинетика горения

2.1 Химико-физические характеристики н-октана.

2.1.1 Исходные характеристики.

2.1.2 Реакция распада н-октана.

Ф 2.1.3 Система уравнений химической кинетики.

2.1.4 Термодинамический расчет химического равновесия.

2.1.5 Теплоемкость продуктов сгорания.

2.2 Обобщение кинетического механизма.

2.3 Тестирование нульмерной кинетики горения.

2.4 Сокращение механизма кинетики догорания.

2.5 Выводы по главе.

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

3.1 Общая постановка задачи

3.2 Исходные данные для решения задачи турбулентного догорания.

Щ 3.2.1 Вязкость смеси.

3.2.2 Теплопроводность смеси.

3.2.3 Диффузия компонентов смеси.

3.2.4 Турбулентные характеристики переноса.

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

3.3 Задача турбулентного догорания

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

3.3.2 Граничные и начальные условия задачи турбулентного догорания

3.3.3 Общий вид уравнений турбулентного догорания.

3.3.4 Допущения задачи турбулентного догорания.

Й 3.3.5 Развернутое математическое описание задачи.

3.4 Тестирование двухмерных задач турбулентного догорания.

3.5 Выводы по главе.

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

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

4.1.1 Догорание при горении и расширении.

4.1.2 Догорание при выхлопе и выпуске продуктов сгорания.

4.1.3 Результаты и их анализ.

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

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

4.2.2 Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011.

4.3 Выводы по главе.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Объемное содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) сравнительно невелико и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 90 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: СО, NOx, СНХ, альдегидов RCHO, диоксида серы S02. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EURO-4) являются СО, NOx, СНХ и твердые частицы (для дизелей). Нормирование выбросов оксидов серы осуществляется косвенно, через ограничение содержания серы в топливе. Наибольшее содержание альдегидов в ОГ отмечается при работе непрогретого двигателя на режимах пуска и холостого хода, их содержание в ОГ, как правило, не нормируется, поскольку составляет сравнительно небольшую часть в общей массе токсичных веществ. Эти оценки, а также последующие, взяты из наиболее весомых монографий последнего десятилетия Маркова В.А. и др.; Иващенко Н.А. и др.; Звонова В.А.; Горбунова В.В. и Патрахальцева Н.Н.; Кульчицкого А.Р.; Морозова К.А.

Концентрация монооксида углерода СО в ОГ двигателя внутреннего сгорания может достигать значительных величин. Так, на режимах холодного холостого хода при значительном избытке топлива объемная доля СО в ОГ достигает 6 - 12 %. Монооксид углерода СО окисляется в атмосфере до нетоксичного диоксида углерода СОг в течение 2-40 месяцев. Из оксидов азота, содержащихся в ОГ, 99 % объема приходится на монооксид NO. В атмосфере он окисляется до менее токсичного NO2 в течение от 1 до 100 часов в зависимости от условий окисления.

Следует отметить последовательное ужесточение норм токсичных выбросов в Европе в течение последних десятилетий, причем нормы EURO-4, соответствуют очень низкому содержанию токсичных веществ в ОГ - для легковых автомобилей с расходом топлива ~ 7 л / 100 км предельные объемные доли г со = 0,11%; гмо = 0,0083 %; ген = 0,010 %. Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса и, конечно, при наличии в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.

В течение последних десятилетий общепринятое математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС является нульмерным (термодинамическим), и полуэмпирическим (модель Вибе). Оно предполагает наличие однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха и, тем самым, концентрации компонентов смеси в камере сгорания (КС). Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей для снижения токсичности ОГ.

Чтобы избежать этого, необходимо использовать более гибкие системы смесеобразования, такие как программируемый (неоднократный) впрыск топлива непосредственно в цилиндр, позволяющий получать в КС наиболее выгодные поля коэффициента избытка воздуха а перед зажиганием. Такие поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания (где смесь должна быть достаточно богатой), отсутствие детонации к концу горения и малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аср= 1.2,5). Известны работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников A.JI. Абдуллина, А.В. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгорания; работы Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина, М.Ю. Свердлова, С.В. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС.

В то же время, до сих пор в отечественной литературе отсутствуют решения задачи для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии. Именно этот процесс определяет, в основном, появление оксидов СО и NO в продуктах сгорания. В связи с этим сформулируем следующее.

Целью работы является повышение экологической чистоты рабочих процессов в ДВС с искровым зажиганием по данным теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах, проводимого на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики для процессов горения и турбулентного догорания в цилиндре двигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1) моделирование нульмерной химической кинетики горения для потока, пересекающего фронт пламени в ДВС; определение температуры и состава продуктов горения на выходе фронта (продуктов оттока);

2) разработка, с использованием методов химической кинетики, математического описания процесса тепломассообмена для описания догорания продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смеси; определение кинетического механизма догорания продуктов; оценка влияния турбулентности на константы скорости реакций;

3) моделирование турбулентного догорания продуктов оттока в объеме камеры сгорания (и цилиндра), анализ расчетного содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах и сравнение с опубликованными экспериментальными данными.

Решение перечисленных задач получено для перспективного ДВС Mitsubishi Galant (1996 г.) с непосредственным впрыском топлива (Gasoline Direct Injection - в дальнейшем GDI) и двигателя ВАЗ-21011, для которого имеется обширный банк опытных данных. В работе использованы известные методики и программы для расчета: турбулентных полей скорости в полости ф цилиндра в процессах горения и расширения (программа GAS-2, проф. Дунаев

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

C.А.).

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- предложен сокращенный детальный кинетический механизм реакций догорания продуктов оттока за фронтом горения в условиях ДВС (52 реакции для 14 частиц);

- определены поправки к константам скорости химических реакций, учитывающие турбулентные пульсации температур;

- на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики горения разработана математическая модель для описания процесса турбулентного догорания за фронтом пламени и при расширении продуктов сгорания в ДВС; ф по результатам расчетов проведено сравнение с известными экспериментальными данными;

Исследования базируются на основных положениях химической кинетики и механики гомогенных смесей газов; в работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений.

Научная значимость работы заключается в решении задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики при догорании продуктов оттока за фронтом горения, как основного процесса, определяющего образование токсичных веществ в ДВС. Практическая значимость работы заключается в разработке эффективных алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, позволяющих произвести расчеты содержания ц оксидов углерода и азота при горении, догорании и выхлопе из двигателя.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Брутто-реакции - обобщенные по экспериментальным данным итоговые химические реакции.

Детальный кинетический механизм - теоретический (не обобщенный) механизм элементарных химических реакций с экспериментальными значениями констант скорости.

Гомогенная смесь - составляющие которой (компоненты) перемешаны на молекулярном уровне, например продукты сгорания; в общем случае -неоднородная смесь.

Основные компоненты смеси - мольная доля которых превышает 0,1 %. Рабочий режим ДВС ВАЗ-21011- установившийся режим работы с Р номинальной нагрузкой 50 Нм и числом оборотов коленвала 3000 об/мин.

Радикалы - активные осколки молекул со свободными связями, ф Результирующая скорость обратимой химической реакции - разность скоростей прямой и обратной реакций.

Суммарная скорость образования компонента - алгебраическая сумма результирующих скоростей реакций, в которых участвует компонент.

Химический тепломассообмен - процесс массообмена между реагирующими компонентами продуктов сгорания, происходящий при конвективном и диффузионном ламинарном перемешивании с выделением (поглощением) теплоты химических реакций и наличии теплообмена со стенкой цилиндра.

Турбулентное догорание - процесс химического тепломассообмена при конвективном и диффузионном турбулентном перемешивании продуктов сгорания в полости цилиндра.

Холостой ход ДВС ВАЗ-21011 (холодный или горячий) - пусковой режим ♦ работы без нагрузки: в течение первых 5. 10 мин - не установившийся холодный (n ~ 1400.1000 об/мин); после 20 мин - установившийся горячий (п ~ 800 об/мин).

А - предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса; а - коэффициент температуропроводности, м /с; D - коэффициент диффузии, м2/с;

Е - энергия активации в уравнении Аррениуса, Дж/моль; F - площадь, м2;

Н - тепловой эффект реакции, Дж/моль; gi - массовая доля компонента; h - постоянная Планка; I - относительная интенсивность излучения; ^ к - - постоянная Больцмана; - показатель адиабаты;

F, к0 - константы скорости прямой и обратной реакций; М- масса, кг;

NT - кратность коэффициента турбулентного обмена; п - нормаль, м; - число оборотов коленвала ДВС, об/мин; р -давление, Па;

Q - выделение тепла при горении, Дж/кг;

R - радиус, м; - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); г - мольная (объемная) доля компонента; Sp'° - скорости прямой и обратной реакций; TG - температура горения, К; U - удельная внутренняя энергия, Дж/кг; и, w, v - проекции скорости, м/с; ^ Uv- скорость выделения тепла, Вт/м3; ип - нормальная скорость горения (ламинарная), м/с; 9 ит- турбулентная скорость горения, м/с; v.u.w — полные скорости, м/с;

Vmax ~ средняя скорость оттока продуктов от фронта горения, м/с; ^-объем, м3; - результирующая скорость химической реакции; х, у, z - координаты, м; а - коэффициент избытка воздуха горючей (топливной) смеси;

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); ju - молярная масса, кг/моль; у - кинематический коэффициент вязкости, м/с; vT - коэффициент турбулентного обмена, м /с; р - плотность смеси, кг/м3;

Pi - распределенная (парциальная) плотность компонента, кг/м ; Щ г-время, с;

X - соотношение компонентов топливной смеси;

ВМТ (НМТ) - верхняя (нижняя) мертвая точка перемещения поршня. ДВС - двигатель внутреннего сгорания.

ДКМ - детальный кинетический механизм реакций, в котором (в отличие от брутто-реакций) использованы только элементарные химические реакции. ДКМД- ДКМ догорания (52 реакции, 14 частиц). КС - камера сгорания. Л

КТО - коэффициент турбулентного обмена, м /с.

Н-октан - нормальный октан, молекула которого имеет нормальное (не разветвленное) строение цепи атомов углерода. ГС - горючая смесь. ОГ - отработавшие газы двигателя, ф ТД - турбулентное догорание.

ОКМ - основной кинетический механизм реакций (266 реакций, 33 частицы).

ОК - основные компоненты (доля которых > 0,1%).

ПС - продукты сгорания.

СНХ - остаточные углеводороды.

GDI - Gasoline Direct Injection - ДВС с впрыском топлива в цилиндр (Mitsubishi Galant,1996). т

4.3 Выводы по главе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Па)

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

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

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

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

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

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

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

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

заключение

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

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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