автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение концентрации оксидов азота и сажи в отработавших газах дизеля путем усовершенствования рабочего процесса

На правах рукописи УДК 621.434:536.24

Сергеев Сергей Сергеевич

СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ

В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

4858358

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кавтарадзе Реваз Зурабович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марков Владимир Анатольевич

кандидат технических наук Федоров Вадим Анатольевич

Ведущее предприятие: Научно-производственное и технологическое предприятие «Агродизель»

Защита диссертации состоится /О се_2011г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.141.09 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направить по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.09.

Автореферат разослан « 7 » о/гУсё^Л 20L¿r.

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

Тумашев Р.З.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Улучшение экологических характеристик -одна из главных задач современного транспортного дизелестроения. Экологические показатели дизеля определяются, прежде всего, уровнем выбросов оксидов азота и твердых частиц сажи. Эти компоненты отработавших газов (ОГ) являются наиболее токсичными и опасными для здоровья человека. Внутрицилиндровая минимизация образования оксидов азота и сажи - обязательное условие выполнения актуальных и перспективных экологических стандартов по содержанию вредных веществ в выпускных газах дизелей. Большое значение при оптимизации рабочего процесса дизеля с целью минимизации внутрицилиндровых образований оксидов азота и сажи имеет математическое моделирование, позволяющее сократить временные и материальные затраты при создании новых и доводке существующих двигателей.

Цель работы: Исследование возможностей одновременного снижения концентрации оксидов азота и сажи в продуктах сгорания автомобильного дизеля без применения систем дополнительной очистки ОГ.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1. Разработка математической модели рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива;

2. Моделирование образования оксидов азота и сажи в камере сгорания (КС) дизеля;

2. Верификация математической модели на основе экспериментальных данных;

3. Определение значений конструктивных и регулировочных параметров, позволяющих одновременно снизить концентрацию оксидов азота и сажи в ОГ исследуемого дизеля с целью соответствия эмиссий этих компонентов актуальным экологическим стандартам;

4. Исследование альтернативных процессов сгорания для дальнейшего улучшения экологических показателей.

Научная новизна:

- моделирование образований оксидов азота и сажи осуществляется с учетом трехмерных нестационарных течений во впускной системе, при этом форма впускных каналов подобрана таким образом, что обеспечивается закрутка свежего заряда с требуемой интенсивностью;

- установлено оптимальное сочетание конструктивных и регулировочных параметров, позволяющих одновременно снизить эмиссию оксидов азота и сажи;

- исследована возможность одновременного снижения эмиссии оксидов азота и сажи за счет организации альтернативного (частично-гомогенного) процесса сгорания.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, химической физики, гидро- и газодинамики с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- применением достоверных опытных данных по исследованию процессов сгорания и образования вредных веществ в цилиндре дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработан инструмент, позволяющий прогнозировать с достаточной точностью значения концентрации оксидов азота и сажи в ОГ быстроходного дизеля, и оценивать соответствие этих эмиссий различным экологическим стандартам на стадии проектирования новых, а также при доводке существующих дизелей;

- определены значения конструктивных и регулировочных параметров, обеспечивающих одновременное снижение концентраций оксидов азота и сажи в выпускных газах исследуемого дизеля до значений, допускаемых экологической нормой Евро-4, без применения систем дополнительной очистки ОГ;

- предложен вариант альтернативного процесса сгорания, позволяющий практически полностью устранить эмиссию оксидов азота, а также значительно снизить эмиссию сажи по отношению к классическому дизельному процессу.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

- Международных научно-технических конференциях «3-, 4-, 5-ые Лу-канинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», Москва, МАДИ, в 2007,2009, 2011 гг.

- XVI, XVII, XVIII Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», в 2007г.(Санкт-Петербург, СПбГПУ), 2009 г. (г.Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского), в 2011г.(г. Звенигород).

- Пятой Российской Национальной Конференции по Теплообмену, 2010г., Москва (диплом за лучший доклад).

- Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель-2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, из них по Перечню ВАК - 3.

Объем работы: диссертационная работа содержит 134 страницы машинописного текста, 65 рисунков, 13 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 91 наименований (67 из них на иностранном языке).

Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках грантов РФФИ: № 05-08-01311, №08-08-00348, №09-08-00279.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении изложена общая характеристика диссертационной работы (см. выше)

В первой главе проведен анализ работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию образования оксидов азота и сажи в КС дизеля, выполненных отечественными и иностранными исследователями, среди которых: Звонов В.А., Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Кульчицкий А.Р., Марков В.А., Патрахальцев H.H., Скрипник A.A., Фролов С.М., Хачиян A.C., Boulouchos К., Reitz R., Merker G., Pischinger R., Priesching Р., Tatsehl R. и ряд других ученых.

На основе проведенного анализа работ по заданной тематике была поставлена цель диссертационной работы и определены задачи, решение которых необходимо для ее достижения (см. выше).

Вторая глава посвящена разработке математической модели для расчета образования оксидов азота и сажи в цилиндре дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива. Дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие физические процессы переноса массы, количества движения и энергии, можно представить в виде закона сохранения, выраженного обобщенным дифференциальным уравнением. В декартовой системе координат это уравнение можно представить в тензорной форме:

1 1 V J /

где Ф - произвольная зависимая переменная; W- скорость газа; р - плотность газа; Гф - коэффициент обмена (диффузии); 5Ф- источниковый член, который в общем случае можно представить как разность генерации 5Ф и аннигиляции потоков, т.е. 5Ф = S„ - S^. Конкретный вид Гф и ¿>ф, а также и S0a зависит от физического смысла переменной Ф. В (1) и в таблице 1 используется правило суммирования слагаемых при повторении индексов ij, к.

Для моделирования турбулентных течений используется подход, предложенный О. Рейнольдсом, согласно которому мгновенное значение любого параметра потока Ф представляется как сумма его усредненного по времени Ф и пульсационного Ф' значений. Для определения усредненной составляющей используется метод Фавра (Favre).

Таким образом, исходная система уравнений переноса заменяется незамкнутой системой усредненных по Фавру уравнений в форме Рейнольдса (табл.1).

Для замыкания этой системы используется модель турбулентности, относящаяся к категории моделей вихревой вязкости и состоящая из трех уравнений переноса - известных уравнений для к (кинетической энергии турбулентности) и для е (скорости диссипации кинетической энергии турбулентности), а также уравнения для нормированного масштаба скорости С=Ш2/к\

pf = rf-eh+± Dt к dXj

А

JcJ

(2)

где/- эллиптическая функция релаксации.

Важным достоинством модели является возможность хорошего описания отрывных течений по сравнению, например, с к-е моделью турбулентности.

Таблица 1.

Уравнения законов сохранения, как частные случаи обобщенного

дифференциального уравнения (2)_

Значение переменных

Вид уравнений

Ф = W„ Гф=м,

Уравнение сохранения количества движения (уравнение Навье-Стокса):

-DW, - Bpj 0

р-= Cri---1--

Dt дх, 8Xj

(ij,k= 1,2,3)

dWj_+dWj__ 2 dWt дх, дх, 3 " 8xt

\

-pW¡Wj

Ф = А, Гф = —, +pGJWJ-wrQr-VqR

Уравнение сохранения энергии:

дт dXj

d4R¡ дхj

ф = 1, гф=0,

S*=0

Уравнение сохранения массы (уравнение неразрывности):

р

5Ф =щ

Уравнение диффузии (концентрации):

Ш.к= 1,2,3)

DC__д_

Dt ~ дх,

дх, '

Расчет процесса впрыскивания основан на статистическом методе дискретных капель (Discrete Droplet Metod), базирующемся на решении обыкновенных дифференциальных уравнений для динамики, нагрева и испарения отдельных капель топлива. 4

Для моделирования процесса турбулентного сгорания топлива используется известная и хорошо апробированная модель Магнуссена-Хартагера Magnussen-Hjertager). В этой модели предполагается мгновенное сгорание топливовоздушной смеси, поэтому средняя скорость горения wr определяется временем турбулентного перемешивания реагентов и записывается в следующем виде:

— А- тог ит„Р.сг.

w, =—ргат(тТ,—~,В-——), (3)

г, 4 1 + 4

ГД6 TYlT, YYlOi j Шпр.сг. - среднее значение масс реагентов (топлива и кислорода) и продуктов сгорания соответственно; L0 - массовое стехиометрическое количество воздуха; г, = k Is - время турбулентного перемешивания; А и В -эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние параметров турбулентности и вида топлива на скорость химической реакции. Значение коэффициента А для конкретного случая было уточнено в соответствии с экспериментальными данными (см. ниже). Значение второго коэффициента постоянно и для дизельного топлива составляет В= 1.

Для расчета процесса сажеобразования использовалась кинетическая модель, предложенная проф. С.М. Фроловым. Для моделирования образования оксидов азота рассматривается расширенный механизм Зельдовича.

Численная реализация модели осуществляется в CFD-коде Fire фирмы AVL List GmbH (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E.Bauman and AVL List GmbH, 2010).

В качестве базового двигателя рассматривается быстроходный дизель ЗМЗ 5145.10, предназначенный для установки на легковые и легкие грузовые автомобили с полной массой не более 3.5 тонн.

Для проведения численных исследований рассматриваются три режима работы двигателя: режим номинальной мощности (Ne=85 кВт, п=4000 мин"1), режим максимального крутящего момента (МК=265 Н-м, и=2000 мин"1) и режим частичной нагрузки (ре=4.5 бар, и=2000 мин"1).

Важной особенностью математической модели является учет трехмерных нестационарных течений во впускной системе, что позволяет получить реальные поля локальных параметров рабочего тела в начале такта сжатия. Для учета этих течений создана концептуальная модель системы «впускные каналы-цилиндр», характеризующаяся комбинацией спирального и тангенциального впускных ка-

Рис. 1. Поле скоростей в процессе такта наполнения (НМТ)

налов (рис.1), обеспечивающих закрутку впускного воздуха с вихревым отношением D„~ 1 (на момент закрытия впускных клапанов - 580° ПКВ). Здесь D„=njri (п, - частота вращения вихря впускного воздуха, п - частота вращения коленчатого вала двигателя).

Для подтверждения целесообразности учета впускной системы, при моделировании образования оксидов азота и сажи в цилиндре исследуемого дизеля, были выполнены сравнительные расчеты рабочего процесса с учетом и без учета такта наполнения.

Установлено, что «твердотельное» представление вихревого движения впускного воздуха, в случае отсутствия модели впускной системы, приводит к сильному упрощению реальной газодинамической картины внутрицилинд-ровых течений и оказывает существенное влияние на результаты расчетов образования оксидов азота и сажи в камере сгорания исследуемого двигателя.

Главным образом различие в полях локальных параметров рабочего тела сказалось на режиме частичной нагрузки (ре=4.5 бар, и=2000 мин"1). Уменьшение результирующего выхода сажи составило 42%, а результирующего выхода оксидов азота - 10% по сравнению со случаем при отсутствии модели впускной системы. Таким образом, подтверждается целесообразность усложнения расчетной модели за счет учета течений во впускной системе.

Третья глава посвящена верификации математической модели с использованием экспериментальных данных.

Для проверки модели сгорания и образования оксидов азота в цилиндре быстроходного дизеля ЗМЗ 5145.10 используются результаты экспериментальных исследований, выполненных в стендовых условиях на заводе-изготовителе в рамках хоздоговорной работы между ОАО «ЗМЗ» и кафедрой «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. В ходе проведенных исследований были получены экспериментальные индикаторные диаграммы и эмиссии оксидов азота для режимов максимального крутящего момента и номинальной мощности. Индицирование двигателя проводилось на экспериментальной установке «Indimaster» фирмы AVL с пъезокварцевыми датчиками давления GM12G этой же фирмы. Для измерения концентрации оксидов азота использовался газоанализатор EXSA-1500 фирмы «HORIBA».

Ранее было отмечено, что для эмпирического коэффициента А модели сгорания Магнуссена-Хартагера требуется корректировка на основе согласования расчетных и экспериментальных данных. Лучшие согласование расчетной и экспериментальной индикаторных диаграмм на указанных режимах работы наблюдается при значении А-10. Максимальное расхождение между расчетом и экспериментом по среднему давлению в цилиндре на режиме максимального крутящего момента составило 4.35%, а на режиме номинальной мощности - 4.2%. Минимальное расхождение с экспериментом по выбросам оксидов азота для обоих режимов работы также достигается при А=10, что составляет 4.22% на режиме максимального крутящего момента и 5.2% на режиме номинальной мощности соответственно. Значение А=10 ис-б

пользуется для дальнейших исследовании по улучшению экологических показателей базового двигателя.

Для верификации модели сажеобразования используются экспериментальные данные, полученные для дизеля на базе Caterpillar 3400 (.DIS=\21.6 __мм / 165.1 мм) в лаборатории

2.5

1.5

S го и

0.5

0

щ Ш Расчет

i

ш3 р И 1

С' EL [ 1

1 Эксперимент

ДВС университета Wisconsin-Madison, США (руководитель лаборатории - проф. Reitz R.). Для проведения сравнительных расчетов рассматриваются пять режимов работы, характеризующихся диапазоном нагрузок от 25 до 100% и частот вращения двигателя от 953 до 1690 мин"1.

В среднем, расхождение между расчетом и экспе-

1 2 3 4 5 № режима Рис. 2. Сравнение расчетных и экспериментальных значений эмиссии сажи

риментом по абсолютным значениям эмиссии сажи составило 15% (рис. 2). Учитывая сложность процесса сажеобразования, а также отсутствие в данном случае модели впускной системы, такую погрешность можно считать приемлемой и использовать модель сажеобразования С.М. Фролова для дальнейших исследований данной работы.

В четвертой главе исследуются возможность одновременного снижения содержания N0* и сажи в выпускных газах базового дизеля путем настройки конструктивных и регулировочных параметров, а также за счет организации альтернативного процесса сгорания.

Целевой режим для этих исследований - режим частичной нагрузки (ре=4.5 бар, и=2000 мин"1), являющийся одним из типичных для европейского ездового цикла. Соответствие стационарных эмиссий N0* и сажи (в г/кг топлива) на этом режиме нормам Евро для легковых автомобилей показано в таблице 2.

Соответствие концентрации оксидов азота и сажи в ОГ

Таблица 2.

NOx, г/кг.т Сажа, г/кг.т

Евро-2 18 2

Евро-3 10 1

Евро-4 5 0.5

Евро-5 3.6 0.1

Евро-6 1.6 0.1

Результаты моделирование образования оксидов азота и сажи в цилиндре дизеля ЗМЗ 5145 с концептуальной моделью впускных каналов показало, что его эмиссия соответствует экологической норме Евро-3 по оксидам азота и норме Евро-2 по саже, что составляет 7.5 г/кг.т для N0* и 1.5 г/кг.т для твердых частиц соответственно.

С целью снижения выхода сажи рекомендуется увеличить количество сопловых отверстий форсунки до z=8 при одновременном снижении их диаметра до значения 0.14 мм и повышении максимального давления впрыскивания до уровня 1800 бар. Очевидно, что для создания такого давления впрыскивания, необходима установка топливной системы аккумуляторного типа (Common Rail).

Интенсификация процесса сгорания при новых параметрах системы впрыскивания способствует лучшему выгоранию сажи и снижению ее содержания в выпускных газах примерно в 2.7 раза, что составляет 0.58 г/кг.т и удовлетворяет экологическому стандарту Евро-3. Негативным последствием интенсификации процессов смесеобразования и сгорание является почти трехкратное увеличение эмиссии оксидов азота из-за роста максимальных температур цикла. Для компенсации этого повышения доля рециркулируе-мых ОГ увеличивается с 10% до 20%. Это приводит к снижению максимальных температур сгорания и снижению эмиссии оксидов азота до 7.45 г/кг.т, т.е. к возвращению практически на прежний уровень. Однако, из-за ухудшения условий выгорания, выход сажи при EGR=20% увеличивается до 1.19 г/кг.т (на 51.3%).

С целью дальнейшего снижения эмиссии оксидов азота рекомендуется уменьшение степени сжатия до значения 16:1 вместо 19.5:1 для базового дизеля. За счет снижения максимальных температур сгорания удается снизить эмиссию оксидов азота примерно на 25%.

Уменьшение степени сжатия приводит к снижению давления и температуры воздуха в цилиндре к началу подачи топлива. Это способствует существенному увеличению периода задержки воспламенения и дальнейшему сгоранию топ-ливовоздушной смеси с преобладанием кинетического механизма горения (рис.3).

Благодаря более равномерному распределению топлива по объему КС, а также сокращению диффузионной стадии сгорания (из-за увеличения периода за-

£0 ас с

£ с£

а

■а

200 - S

160 -120 II II И 11 ! 1 — 16:1 — 19.5:1

80 - 1 ! и

40 -0 ■ 1 t \ 1 V 4-

710 720

730 740 °пкв

750

760

Рис. 3. Скорости тепловыделения при различных значениях степени сжатия (ре=4.5 бар, п=2000 об/мин)

держки воспламенения), при использовании камеры сгорания с более низкой степенью сжатия удается также уменьшить выход сажи - примерно на 40%. Таким образом, при снижении степени сжатия удалось достигнуть одновременного снижения эмиссии оксидов азота и сажи.

На рис. 4 показаны поля локальных концентраций сажи в цилиндре исследуемого дизеля для рассматриваемых значений степени сжатия и при положении поршня 10°ПКВ после ВМТ.

о о.оосз о.оооб о.ооо а 0.0012 0.0015

а) б)

Рис. 4. Поля массовых долей сажи при различных значениях степени сжатия: а - 19.5:1; 6-16:1 (ре=4.5 бар, и=2000 мин"')

Несмотря на более низкое значение степени сжатия, благодаря интенсификации процессов смесеобразования и сгорания при новых параметрах системы впрыскивания, удалось не только сохранить, но и улучшить эффективные показатели (мощность, крутящий момент и удельный расход топлива) базового дизеля на 3% на режиме максимального крутящего момента и на 6% на режиме номинальной мощности соответственно.

Дальнейшего снижения выбросов сажи на режиме частичной нагрузки

можно достигнуть за счет усиления закрутки впускного воздуха путем частичного или полного перекрытия тангенциального канала. Для проведения численных экспериментов рассматриваются два предельных случая - при полностью открытом и полностью закрытом тангенциальном канале. В первом случае расчетная область (система «впускные каналы -цилиндр») включает как спиральный, так и тангенциальный канал (рис. 1). Во втором случае расчетная область представляется только спиральным впускным каналом и цилиндром дизеля (рис.5).

В результате отключения тангенциального канала удается увеличить закрутку впускного воздуха почти в два раза, что составляет £>„~ 2 на момент закрытия впускных клапанов. На рис 6 приведены результаты расчета образований оксидов азота и сажи при £>„=уаг, различных долях ЕвЯ и с учетом границ для норм Евро. При этом рассмат-

Рис. 5. Разбивка расчетной области на контрольные объемы при полностью закрытом тангенциальном канале

ривается четыре значения степени рециркуляции: 15%; 20%; 22.5% и 25%. Оптимальное значение степени рециркуляции выбирается из условия лучшего компромисса между выбросами оксидов азота и сажи. С точки зрения выполнения нормы Евро-4 для Д,=2 это значение составляет 22.5%.

1.2 -| 1

£ 0.8 -х

ГО $

¿5 0.4 -

0.2 -0 -■ 0

1Юх, г/кг.т

Рис. 6. Выбросы оксидов азота и сажи при различных значениях долей ЕСН и закрутки впускного воздуха: а - Д,=1; б - А,=2 (ре=4.5 бар, «=2000 мин"1)

При таком значении доли ЕвК концентрация оксидов азота в ОГ составляет 3.31 г/кг.т, а сажи - 0.33 г/кг.т., что на 51% ниже, чем при Д,=1. Уменьшение содержания в выпускных газах сажи при Ц,=2 достигается за счет интенсификации процесса ее окисления (рис. 7).

Несмотря на достигнутые результаты по одновременному снижению концентрации оксидов азота и сажи в ОГ исследуемого дизеля и доведения их уровня до соответствия экологическому стандарту Евро-4, рабочий процесс на рассматриваемом режиме работы протекает с большими скоростями тепловыделения, приводящих, в частности, к высоким скоростям нарастания давления. Максимальная скорость нарастания давления при Д,=2 и Е011=22.5 % составила 10.4 бар/ТЕКВ. Известно, что величина этой скорости определяет дру-

10

15

"ПКВ

Рис. 7. Динамика сажеобразования: а - Д,=1; б -Д,=2 (ре=4.5 бар, л=2000 об/мин)

гой, наряду с эмиссией оксидов азота и сажи, важный экологический параметр поршневого двигателя - уровень шума от рабочего процесса. В последнем случае уровень шума составил 88.9 дБ (на расстоянии 1 м от двигателя).

Для снижения уровня шума рекомендуется характеристика впрыскивания с тремя порциями топлива за цикл: предварительной (пилотной), основной и дополнительной (рис.8).

Интервал между основным и предварительным впрыскиваниями составляет ГПКВ, а интервал между основным и дополнительным впрыскиваниями - 8°ПКВ. Рассматриваются равные массовые доли пилотной и дополнительной порций, составляющие 3.5% от основного впрыскивания.

Сгорание предварительной порции способствует повышению температуры в цилиндре перед подачей основной порции, сокращению периода задержки ее воспламенения и снижению максимальной скорости тепловыделения до 115 ДжЛПКВ (вместо 195 ДжЛПКВ при однократном впрыскивании). В результате изменения скорости тепловыделения максимальная скорость нарастания давления снижается до 7.2 бар/°ГЖВ, что приводит к снижению уровня шума ~ на 7% (до 82.6 дБ). При этом значения эмиссий оксидов азота и сажи, по отношению к варианту с однократным впрыскиванием топлива, практически не изменились и составили 3.27 г/кг.т для оксидов азота и 0.335 г/кг.т для сажи соответственно.

Цель подачи дополнительной, после основной, порции топлива заключается в компенсации повышения выхода сажи, возникающего из-за увеличения доли диффузионного сгорания. Численные исследования показали, что исключение из представленного на рис. 8 закона топливоподачи дополнительной, после основной, порции топлива приводит к увеличению выхода сажи примерно 40%.

Дальнейшее снижение эмиссии оксидов азота и сажи возможно за счет организации альтернативного процесса сгорания. В качестве альтернативного рассматривается частично-гомогенный процесс сгорания, относящийся к категории HPLI-процессов (Highly Premixed Late Injection).

Организация этого процесса осуществлялась за счет сокращения продолжительности впрыскивания (на 2°ПКВ) и значительного увеличения степени рециркуляции ОГ (50% вместо 22.5% для классического процесса) при неизменном моменте начала подачи топлива.

735

Рис. 8. Характеристика многократного впрыскивания топлива (ре=4.5 бар, я=2000 об/мин)

Указанные мероприятия приводят к значительному увеличению задержки воспламенения (за счет повышения доли EGR) и полному разделению процессов впрыскивания и воспламенения топлива примерно на 2.5° ГЖВ. Дальнейшее сгорание смеси воздуха и паров топлива носит преимущественно кинетический характер, диффузионная фаза процесса практически отсутствует. Максимальная скорость тепловыделения составляет порядка 160 Дж/°ПКВ (рис.9).

Несмотря на существенное увеличение скорости тепловыделения, максимальные локальные температуры, за счет высокой степени рециркуляции, не превышают 2100К. Снижение максимальных локальных температур, а также уменьшение содержания кислорода в заряде позволило практически полностью блокировать образование оксидов азота. Выход NOx при альтернативном процессе сгорания составил 0.005 г/кг.т.

О степени гомогенизации топливовоздушной смеси можно судить по полученным температурным полям в цилиндре двигателя при сгорании (рис. 10). Очевидно более равномерное распределение локальных температур при альтернативном процессе сгорания.

500 900 1300 1700 2100 2500

а) б)

Рис. 10. Локальные поля температур: а - классический процесс; б - частично-гомогенное сгорание (ре=4.1 бар, и=2000 мин"1)

Выравнивание полей локальных параметров топливовоздушной смеси и минимизация диффузионной стадии сгорания позволяют снизить выход сажи до значения 0.15 г/кг.т, что на 55% меньше, чем при классическом дизельном процессе. Гарантированное доведение, по необходимости, уровня эмиссии сажи до соответствия стандарту Евро-5 можно достичь путем дополнительной очистки ОГ с помощью фильтра твердых частиц, но при значительно меньших затратах, чем при классическом дизельном процессе. 12

со с

et

i XI

710

720 730

740

750

760

•пкв

Рис. 9. Скорости тепловыделения: а - классический процесс; б - частично-гомогенное сгорание (ре=4.1 бар, «=2000 мин"1)

Основные выводы

1. Для проведения численных экспериментов по исследованию возможностей снижения концентраций оксидов азота и сажи в выпускных газах быстроходного дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива целесообразно использовать 3D-CFD модель рабочего процесса, базирующуюся на методе контрольных объемов. Численную реализацию модели рекомендуется производить в CFD-коде FIRE фирмы AVL List GmbH (Австрия).

2. Установлена необходимость учета трехмерных нестационарных течений во впускной системе в общей модели расчета турбулентного сгорания и образования вредных веществ. Для учета процесса наполнения создана концептуальная модель системы «впускные канал-цилиндр» с различными комбинациями спирального и тангенциального впускных каналов и цилиндра двигателя. Целесообразность усложнения расчетной модели за счет включения такта наполнения подтверждена результатами отдельных сравнительных расчетов с учетом и без учета такта наполнения.

3. Верификации моделей сгорания и образования оксидов азота, проведенные с применением экспериментальных индикаторных диаграмм и измеренных эмиссии оксидов азота для двигателя ЗМЗ 5145.10 на режимах максимального крутящего момента и номинальной мощности, подтверждают адекватность принятых моделей. На основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных была уточнена модель сгорания Магнуссена-Хартагера. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм составило 4.35% на режиме максимального крутящего момента (N=53 кВт, и=2000 мин"1) и 4.2% на режиме номинальной мощности (Ne=85 кВт, «=4000 мин"1) соответственно. Максимальное расхождение по рассчитанным и измеренным эмиссиям оксидов азота составило 4.2% на режиме максимального крутящего момента и 5.2% на режиме номинальной мощности соответственно.

4. Апробация применяемой в этой работе модели сажеобразования, предложенной С.М. Фроловым, с использованием экспериментальных данных для дизеля Caterpiller 3400, подтвердила адекватность получаемых с ее помощью результатов. Расхождение между расчетом и экспериментом по абсолютным значениям эмиссии сажи составило в среднем 15%. Учитывая сложность процесса сажеобразования, а также отсутствие в данном случае модели впускной системы, такую погрешность можно считать приемлемой и рекомендовать используемую модель сажеобразования для практического применения при моделировании внутрицилиндровых процессов в поршневых двигателях.

5. Исследование образования оксидов азота и сажи в цилиндре базового дизеля на целевом режиме работы (ре=4.5 бар, п=2000 мин"1), являющегося одним из типичных режимов для европейского ездового цикла (МЖС), показало, что эмиссии этих веществ составляют 7.5 г/кг.т для N0* и 1.5 г/кг.т для сажи, что удовлетворяет экологической норме Евро-3 по оксидам азота и норме Евро-2 по твердым частицам соответственно.

6. С целью снижения выхода сажи предлагается увеличить количество сопловых отверстий форсунки до г=8 при одновременном снижении их диаметра до значения 0.14 мм и повышении максимального давления впрыскивания до уровня 1800 бар. Интенсификация процесса сгорания при новых параметрах системы впрыскивания способствует лучшему выгоранию сажи и снижению ее содержания в выпускных газах до значения 0.58 г/кг.т, что удовлетворяет экологическому стандарту Евро-3. Для компенсации повышения эмиссии оксидов азота при новых параметрах системы впрыскивания степень рециркуляции ОГ увеличена с 10% до 20%. Это приводит к снижению максимальных температур сгорания и возращению эмиссии оксидов азота практически на прежний уровень.

7. Для дальнейшей минимизации эмиссии №ЭХ рекомендуется снижение степени сжатия двигателя с 19.5:1 (для базового двигателя) до значения 16:1. За счет снижения максимальных температур сгорания это позволяет снизить [МОх] примерно на 25%. При этом, благодаря более равномерному распределения топлива по объему КС и сокращению диффузионной стадии сгорания из-за роста задержки воспламенения, удается также уменьшить эмиссию сажи на 40%.

8. Повышение интенсивности закрутки впускного воздуха, за счет отключения тангенциального канала, способствует снижению выхода сажи почти в два раза, при практически неизменном уровне эмиссии оксидов азота. При значении доли ЕвК 22.5% и интенсивности закрутки Д,=2 эмиссия оксидов азота составляет 3.31 г/кг.т, а сажи - 0.33 г/кг.т, что удовлетворяет требованиям экологического стандарта Евро-4.

9. Для снижения уровня шума рекомендуется применение трехкратного впрыскивания топлива за цикл, характеризующегося предварительной (пилотной), основной и дополнительной порциями. Реализация такой характеристики впрыскивания позволила снизить уровень шума (на 5дБ) без увеличения выхода сажи и оксидов азота, и без ухудшения эффективных показателей дизеля.

10. Установлена возможность одновременного снижения содержания оксидов азота и сажи в выпускных газах быстроходного дизеля за счет органи-

зации частично-гомогенного процесса сгорания. Переход от классического дизельного процесса на частично-гомогенное сгорание позволил практически полностью (до 0.005 г/кг.т ) блокировать образование оксидов азота. Выравнивание полей локальных параметров топливовоздушной смеси и минимизация диффузионной стадии сгорания позволили значительно снизить выход сажи (до 0.15 г/кг.т). Гарантированное доведение, по необходимости, уровня эмиссии сажи до соответствия стандарту Евро-5 можно достичь путем дополнительной очистки ОГ с помощью фильтра твердых частиц, но при значительно меньших затратах, чем при классическом дизельном процессе.

Список принятых обозначений и сокращений

С - концентрация кг/м3

£> - диаметр цилиндра мм

Д, - вихревое число -

Н - энтальпия Дж

Мк - крутящий момент двигателя Н-м

Ые - эффективная мощность кВт

р - давление Па

ре - среднее эффективное давление бар

5 - ход поршня мм

Т - температура К

(р - угол поворота коленчатого вала °ПКВ

г - время с

ВМТ - верхняя мёртвая точка; НМТ - нижняя мёртвая точка; КС камера сгорания; ОГ - отработавшие газы; г/кг.т - г/ кг топлива; EGR - Ех-aust Gas Recirculation; ° ПКВ - градус поворота коленчатого вала.

Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах:

1. Сергеев С.С. Экологические показатели дизельного процесса с частично-гомогенным сгоранием // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях: Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Звенигород, 2011. 424 с.

2. Сергеев С.С. Моделирование дизельного процесса с частично-гомогенным сгоранием // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения. М., 2011. 221 с.

3. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Сергеев С.С. Влияние впускной системы на образование вредных компонентов в камере сгорания дизеля // Тепловые процессы в технике. 2011. №5. С 210.

4. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Сергеев С.С. Сравнительный анализ трехмерных расчетов рабочего процесса дизеля с моделированием и без моделирования такта наполнения // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. М., 2010. Т.З. С. 230-233.

5. Кавтарадзе Р.З., Сергеев С.С. Влияние конструкции впускного канала на локальные образования оксидов азота и сажи в камере сгорания быстроходного дизеля // Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения: Материалы I Международной научно-технической конференции. Рыбинск, 2009. С.31-35.

6. Сергеев С.С. Моделирование локальных образований оксидов азота и сажи в камере сгорания быстроходного дизеля // Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях: Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Жуковский, 2009. Т.1. С. 414-416.

7. Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Sergeev S.S. The influence of rotational charge motion intensity on nitric oxide formation in gas-engine cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. P.4308-4316.

8. Леонтьев А.И., Кавтарадзе P.3., Сергеев С.С. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель // Известия РАН. Энергетика. 2009. №2. С.49-63.

9. Кавтарадзе Р.З., Сергеев С.С. Исследование локальных образований оксидов азота и сажи на основе трехмерной нестационарной модели сгорания // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 4-е Лука-нинские чтения. М., 2009. С. 28-30.

10. Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Моделирование трехмерного турбулентного движения газов во впускной системе поршневого двигателя // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. СПб., 2007. С. 145-147.

11. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Моделирование сгорания и образования вредных веществ в цилиндре быстроходного дизеля // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. СПб., 2007. С. 152-155.

12. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Численное исследование трехмерного турбулентного течения газа в системе «ресивер-цилиндр» // Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 3-й Луканинские чтения. М., 2007. С. 61-63.

Подписано к печати 26.09.11. Заказ № 659 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И

ИНДЕКСОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ В КАМЕРЕ

СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ.

1.1. Классификация существующих моделей расчета рабочего процесса дизелей.

1.2. Моделирование образования оксидов азота в цилиндре двигателя.

1.2.1. Механизмы образования оксида азота.

1.2.2. Определение концентрации оксидов азота.

1.3. Моделирование образования сажи в камере сгорания дизеля.

1.3.1. Химико-физические аспекты сажеобразования.

1.3.2. Модели сажеобразования.

1.3.3. Экспериментальные методы измерение концентрации твердых частиц.

1.4. Возможности снижения концентрации оксидов азота и сажи в ОГ дизеля.

1.4.1. Снижение эмиссии оксидов азота и сажи путем настройки конструктивных и регулировочных параметров.

1.4.2. Альтернативные процессы сгорания.

1.5. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ДИЗЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ

ТОПЛИВА.

2.1. Уравнения переноса в цилиндре двигателя.

2.2. Модель турбулентности.

2.3. Моделирование процесса впрыскивания топлива.

2.3.2. Динамика капель топлива.

2.3.1. Распад струи жидкого топлива.

2.3.3. Нагрев и испарение капель топлива.

2.3.4. Взаимодействие капель топлива со стенкой.

2.4. Моделирование турбулентного горения.

2.5. Моделирование образования вредных веществ.

2.6. Численное интегрирование уравнений переноса.

2.7. Влияние учета трехмерных нестационарных течений во впускной системе на результаты расчета образований оксидов азота и сажи.

2.8. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ ТОПЛИВА.

3.1. Верификация модели сгорания топлива и образования оксидов азота в цилиндре быстроходного дизеля ЗМЗ 5145.

3.2. Влияния мелкости разбивки и значения критерия сходимости на образование оксидов азота и сажи в цилиндре дизеля ЗМЗ

5145.

3.3. Верификация модели сажеобразования.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА И САЖИ. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ДИЗЕЛЯ ЗМЗ 5145.

4.1. Снижение выбросов оксидов азота и сажи путем настройки конструктивных и регулировочных параметров исследуемого двигателя.

4.1.1. Влияние давления впрыскивания и параметров распылителя форсунки на образование оксидов азота и сажи.

4.1.2. Влияние формы камеры сгорания.

4.1.3. Влияние интенсивности вихревого движения впускного воздуха.

4.1.4. Многократное впрыскивание топлива за цикл.

4.2. Альтернативный процесс сгорания.

4.3. Выводы по главе 4.

Актуальность проблемы. Улучшение экологических характеристик — одна из главных задач современного транспортного дизелестроения [7, 17]. Экологические показатели дизеля определяются, прежде всего, уровнем выбросов оксидов азота и твердых частиц сажи. Эти компоненты отработавших газов (ОГ) являются наиболее токсичными и опасными для здоровья человека.

Внутрицилиндровая минимизация образования оксидов азота и сажи — обязательное условие выполнения актуальных и перспективных экологических стандартов по содержанию вредных веществ в выпускных газах дизелей.

Большое значение при оптимизации рабочего процесса дизеля с целью минимизации внутрицилиндровых образований оксидов азота и сажи имеет математическое моделирование, позволяющее сократить временные и материальные затраты при создании новых и доводке существующих двигателей.

Цель работы: Исследование возможностей одновременного снижения концентрации оксидов азота и сажи в продуктах сгорания автомобильного дизеля без применения систем дополнительной очистки ОГ.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка математической модели рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива;

2. Моделирование образования оксидов азота и сажи в камере сгорания (КС) дизеля;

2. Верификация математической модели на основе экспериментальных данных;

3. Определение значений конструктивных и регулировочных параметров, позволяющих одновременно снизить концентрацию оксидов азота и сажи в ОГ исследуемого дизеля с целью соответствия эмиссий этих компонентов актуальным экологическим стандартам;

4. Исследование альтернативных процессов сгорания для дальнейшего улучшения экологических показателей.

Научная новизна:

- моделирование образований оксидов азота и сажи осуществляется с учетом трехмерных нестационарных течений во впускной системе, при этом форма впускных каналов подобрана таким образом, что обеспечивается закрутка свежего заряда с требуемой интенсивностью;

- установлено оптимальное сочетание конструктивных и регулировочных параметров, позволяющих одновременно снизить эмиссию оксидов азота'и сажи;

- исследована возможность одновременного снижения эмиссии оксидов азота и сажи за счет организации альтернативного (частично-гомогенного) процесса сгорания;

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, химической физики,, гидро- и? газодинамики? с соответствующими граничными условиями* современных численных методов реализации математических моделей;

- применением достоверных опытных данных по исследованию процессов" сгорания и образования вредных веществ в цилиндре дизелей с непосредственнымвпрыскиванием топлива^

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработан инструмент, позволяющий прогнозировать, с достаточной точностью значения концентрации оксидов азота и сажи в ОГ быстроходного дизеля, и оценивать соответствие этих эмиссий различным экологическим стандартам на стадии проектирования новых, а также при доводке существующих дизелей;

- определены значения конструктивных и регулировочных параметров, обеспечивающих одновременное снижение концентраций оксидов азота и сажи в выпускных газах исследуемого дизеля до значений, допускаемых экологической нормой Евро-4, без применения систем дополнительной очистки ОГ;

- предложен вариант альтернативного процесса сгорания, позволяющий практически полностью устранить эмиссию оксидов азота, а также значительно снизить эмиссию сажи по отношению к классическому дизельному процессу.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

- Научно-технической конференции «3-й Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 2007г., Москва, МАДИ.

- XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 2007г., Санкт-Петербург, СПбГПУ.

- Научно-технической конференции «4-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 2009г., Москва, МАДИ.

- XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика* РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках», 2009г., Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, МФТИ.

- Пятой Российской Национальной Конференции по Теплообмену, 2010г., Москва (диплом за лучший доклад).

- Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель-2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

- Юбилейной научно-технической конференции «5-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 2011г., Москва, МАДИ.

- XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», 2011г., г. Звенигород, Россия.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 12 работах.

Объем работы: диссертационная работа содержит 134 страницы машинописного текста, 65 рисунок, 13 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 91 наименований (67 из них на иностранном языке).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1) Для проведения численных экспериментов по исследованию возможностей снижения концентраций оксидов азота и сажи в выпускных газах быстроходного дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива целесообразно использовать 3D-CFD модель рабочего процесса, базирующуюся на методе контрольных объемов. Численную реализацию модели рекомендуется производить в CFD-коде FIRE фирмы AVL List GmbH (Австрия).

2) Установлена необходимость учета трехмерных нестационарных течений во впускной системе в общей модели, расчета турбулентного сгорания и образования вредных веществ. Для учета' процесса наполнения создана концептуальная модель- системы «впускные1 канал-цилиндр» с различными комбинациями спирального и тангенциального впускных каналов и цилиндра двигателя. Целесообразность усложнения расчетной модели за счет включения- такта наполнения подтверждена результатами отдельных сравнительных расчетов с учетом и без учета такта наполнения.

3) Верификации моделей сгорания и образования оксидов; азота, проведенные с применением экспериментальных индикаторных диаграмм и измеренных эмиссии оксидов азота для двигателя ЗМЗ 5145.10 на режимах максимального крутящего момента и номинальной мощности, подтверждают адекватность принятых моделей. На основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных была уточнена модель сгорания Магнуссена-Хартагера. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм составило 4.35% на режиме максимального крутящего момента (Ne=53 кВт, «=2000 мин"1) и 4.2% на режиме номинальной мощности (Nc=85 кВт, «=4000 мин"1) соответственно. Максимальное расхождение по рассчитанным и измеренным эмиссиям оксидов азота составило 4.2% на режиме максимального крутящего момента и 5.2% на режиме номинальной мощности соответственно.

4) Апробация применяемой в этой работе модели сажеобразования, предложенной С.М. Фроловым, с использованием экспериментальных данных для дизеля Са1егрШег 3400, подтвердила адекватность получаемых с ее помощью результатов. Расхождение между расчетом и экспериментом по абсолютным значениям эмиссии сажи составило в среднем 15%. Учитывая сложность процесса сажеобразования, а также отсутствие в данном случае модели впускной системы, такую погрешность можно считать приемлемой и рекомендовать используемую модель сажеобразования для практического применения при моделировании внутрицилиндровых процессов в поршневых двигателях.

5) Исследование образования оксидов азота и сажи в. цилиндре базового дизеля на целевом режиме работы (рс=4.5 бар, «=2000 мин"1), являющегося одним из типичных режимов для европейского ездового цикла (№ШС), показало, что эмиссии этих веществ составляют 7.5 г/кг.т для Ж)х и 1.5 г/кг.т для сажи, что удовлетворяет экологической! норме Евро-3 по оксидам азота и норме Евро-2 по твердым частицам соответственно.

6) С целью снижения выхода сажи предлагается увеличить количество сопловых отверстий форсунки до 2=8 при одновременном снижении их диаметра до значения 0.14 мм и повышении максимального давления впрыскивания' до уровня 1800 бар. Интенсификация процесса сгорания при новых параметрах системы впрыскивания способствует лучшему выгоранию сажи и снижению ее содержания в выпускных газах до значения 0.58 г/кг.т, что удовлетворяет экологическому стандарту Евро-3. Для компенсации повышения эмиссии оксидов азота при новых параметрах системы впрыскивания степень рециркуляции ОГ увеличена с 10% до 20%. Это приводит к снижению максимальных температур сгорания и возращению эмиссии оксидов азота практически на прежний уровень.

7) Для дальнейшей минимизации эмиссии N0* рекомендуется снижение степени сжатия двигателя с 19.5:1 (для базового двигателя) до значения 16:1. За счет снижения максимальных температур сгорания это позволяет снизить р\ГОх] примерно на 25%. При этом, благодаря более равномерному распределения топлива по объему КС и сокращению диффузионной стадии сгорания из-за роста задержки воспламенения, удается также уменьшить эмиссию сажи на 40%.

8) Повышение интенсивности закрутки впускного воздуха, за счет отключения тангенциального канала, способствует снижению выхода сажи почти в два раза, при практически неизменном уровне' эмиссии оксидов азота. При значении доли ЕОЯ 22.5% и интенсивности закрутки Д,=2 эмиссия оксидов азота составляет 3.31 г/кг.т, а сажи - 0.33* г/кг.т, что удовлетворяет требованиям экологического стандарта Евро-4.

9) Для* снижения- уровня шума рекомендуется < применение трехкратного- впрыскивания топлива за цикл,, характеризующегося* предварительной (пилотной), основной- и дополнительной, порциями. Реализация такотхарактеристики впрыскиванияшозволилаеснизить уровень-шума (на 5дБ) без увеличения выхода сажи и оксидов азота, и без ухудшения эффективных показателей дизеля.

10) Установлена возможность одновременного снижения содержания оксидов» азота и сажи в выпускных газах быстроходного дизеля--, за счет организации частично-гомогенного процесса сгорания. Переход от классического дизельного процесса на частично-гомогенное сгорание позволил практически полностью (до 0.005 г/кг.т ) блокировать образование оксидов азота. Выравнивание полей локальных параметров топливовоздушной смеси и минимизация диффузионной стадии сгорания позволили значительно снизить выход сажи (до 0.15 г/кг.т). Гарантированного доведения, по необходимости, уровня эмиссии сажи до соответствия стандарту Евро-5 можно достичь путем дополнительной очистки ОГ с помощью фильтра твердых частиц, но при значительно меньших затратах, чем при классическом дизельном процессе.

1. Аэродинамика / А.Г. Голубев и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 687 с.

2. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель / А.И. Леонтьев и др. // Известия РАН. Энергетика. 2009. №2. С.49-63.

3. Голосов A.C. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета концентраций оксидов азота в дизелях на. основе многозонной модели рабочего процесса: Дис. .канд. техн. наук. М1., 2002. 126 с.

4. Горбунов В.В., Патрахальцев. H.H. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во РУДН, 1998. 214 с.

5. Грехов Л.В., Иващенко H.A., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. М.: Изд-во Легион-Автодата, 2005. 344 с.

6. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление1 азота при горении. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1947. 147 с.

7. Иващенко H.A. Перспективы развития дизелестроения; // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе:* Тезисы докладов' научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения. М., 2011.221 с.

8. Кавтарадзе З.Р. Снижение концентрации- оксидов азота в продуктах сгорания быстроходного дизеля путем усовершенствования рабочего процесса: Дис. .канд. техн. наук. М., 2006. 175 с.

9. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 720 с.

10. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Моделирование сгорания^и образования вредных веществ в цилиндре быстроходного дизеля,

11. Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН'А.И. Леонтьева. СПб., 2007. С. 152-155.

12. Кульчицкий А.Р; Токсичность автомобильных и. тракторных двигателей. М.: Академический проект, 2004. 400 с.

13. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М-.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. 683 с.

14. Марков В.А., Девянин. С.Н., Мальчук В.И. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2007. 360 с.

15. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им.Баумана, 2002. 376 с.

16. Мозер Ф. Тенденции и решения-в разработке коммерческих дизельных двигателей // Турбонаддув автомобильных и тракторных двигателей: Международная научно-техническая конференция. Протвино; 2009. 18 с:

17. Оценка и контроль выбросов дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей / В'.А. Звонов и др. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 312 с.

18. Патанкар С. Численные методы решения' задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

19. Сергеев С.С. Моделирование дизельного* процесса с частично-гомогенным сгоранием // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения. М., 2011. 221 с.

20. Шибанов А. В. Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированном на природный газ: Дис. .канд. техн. наук. М., 2007. 145 с.

21. Хачиян А. С., Синявский В.В. Дизели современных легковых автомобилей. Особенности рабочих процессов и систем. М.: Изд-во Техполиграфцентр, 2009. 128 с.

22. Adomeit P., Lang О., Schmidt A. CAE-gestiitzte Kanalentwicklung fur moderne Ottomotoren // MTZ. 2006. № 1. S.48-54.

23. Akihama K., Takatori Y., Inagaki K. Mechanism of the Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing Temperature // SAE Paper. 2001». № 2001-010655. 20 p.

24. Alkidas A.C. Relationship between Smoke Measurements and Particulate Measurements // SAE Paper. 1984. № 840412. 9 p.

25. Bach M., Bauder R., Frohlich A. The Audi 6.0 1 V12 TDI. Part 1 Design and Mechanics // MTZ. 2008. № 10. P. 4-12.

26. Bauder R., Hatz W., Kahrstedt J. The Audi 6.0 1 V12 TDI. Part 2 -Thermodynamics, Application and Exhaust Treatment // MTZ. 2008. № 11. P.32-38.

27. Baulch D.L., Cobos C.I., Cox A.M. Compilation of rate data for combustion modeling. Supplement I // J. Phys. Chem. 1994. Vol.23. P. 847.

28. Baumgarten C. Mixture Formation in Internal Combustion Engines. Berlin -Heidelberg New-York: Springer-Verlag, 2006. 294 s.

29. Basara B. A nonlinear eddy-viscosity model based on an elliptic relaxation approach//Fluid Dyn. Res. 2009: № 41. 21 p.

30. Basshuesen R., Schäfer F. Handbuch. Verbrennungsmotor. 4. Aufgabe. Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlag, 2007:1032 s. .

31. Buergier L., Gill D: Fuel System Parameters for DI Diesel Engines // AVL Symposium. Yaroslavl, 2001. 31 p.

32. Bockhorn H. Soot Formation in Combustion — Mechanism and Models. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. 596 s.

33. Bouiouchous K., Kirchen) P: A Phenomenological Mean Value Soot Model for:TKmsientEngih<^ P:.'58-65^: ■

34. Brüne H-J., Honeder J., Räschl P; Emission» Technologies from BMW for Future Emission EegislätibniWörldwide // MTZ. 2009; № 3; P:10-17.

35. Cartellieri W., Gill D., Chmela F. Potential of Internal Engine Measures to Reach Eow Emission Levels for Medium and Heavy-Duty Diesel'Engines // AVE International Commercial Pbwertrain Conference.- Budapest; 2001?. 14 pi

36. Diwakar R, Singh S. NOx and; soot reduction; in diesel engine: premixed charge compression ignition combustion: a computational investigation // Int. J. Engine Res. 2008. Vol. 9; P. 195-214.

37. Dukowicz J. Quasi-Steady Droplet Phase Change in the Presence* of Convection // Informal Report-Eos Alamos Scientific Laboratory. EA 7997-MS, 1979:

38. Dukowicz J. A Particle-Fluid: Numerical Model for Liquid Sprays // J. of Comput. Phys. 1980; Vol. 35: P. 229-2531

39. Gatellier В., Gessier В., Genoist J. Neue Technologien zur Erfüllung der Abgasnorm Euro 5 // MTZ. 2005. № 6. S. 434-442.

40. Golovitchev V., Montorsi L., Denbratt I. Numerical evaluation of a new strategy of emissions reduction by urea direct injection for heavy duty diesel engines // Engineering applications of computational fluid mechanics. 2007. Vol. l.P. 189-206.

41. Hadler J., Rudolph F., Dorenkamp R. Der neue 2.0-1-TDI-Motor von Volkswagen für niedrigste Abgasgrenzwerte Teil 1 // MTZ. 2008. № 5. S. 386395.

42. Hadler J., Rudolph F., Dorenkamp R. Der neue 2.0-1-TDI-Motor von Volkswagen für niedrigste Abgasgrenzwerte Teil 2 // MTZ. 2008. № 6. S. 54-59.

43. Han Z., Uludogan A., Hampson G. Mechanism of Soot and NOx Emission Reduction Using Multiple-Injectionan< a Diesel Engine // SAE Paper. 1996. № 960633.19 p.

44. Hanjalic K., Popovac M., Hadziabdic M. A Robust near-wall elliptic-relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD // Int. J. Heat Fluid Flow. 2004. №25. P. 897-901.

45. Henle A. Entkopplung von Gemischbildung und Verbrennung bei einem Dieselmotor: Dissertation. München, 2006. 193 s.

46. Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Sergeev S.S. The influence of rotational charge motion intensity on nitric oxide formation in gas-engine cylinder // International Journal of Heat and'Mass Transfer. 2009. Vol. 52. P.4308-4316.

47. Kirchen P. Steady-State and Transient Diesel Soot Emissions: Development of a Mean Value Soot Model and Exhaust-Stream and In-Cylinder Measurements: PhD thesis. Zurich, 2008. 180 p.

48. Kopp C. Variable Ventilsteuerung für PKW-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung: Dissertation. Magdeburg, 2004. 158 s.

49. Kozuch P. Ein phänomenologisches Modell zur kombinierten Stickoxid- und Russberechnung bei direkteinspritzenden Dieselmotoren: Dissertation. Stuttgart, 1999: 197 s.

50. Krestinin A.V. Polyyne model of soot formation process // 27th Symp. (int) on Combustion. Pitsburg, 1998. P. 1557-1563.

51. Kunz J., Tanimura K., Yamauchi M. The New 2.2 1 Diesel Engine from Mazda // MTZ. 2009. № 6. P. 22-28.

52. Lee D., Rutland C. Multidimensional Modeling of a Six-Mode Diesel Test Cycle using a-PDF Combustion Model // SAE Paper. 2000. № 2000-01-0585. 18 p.

53. Lee E., Kwak S., Kim M. The New 2.0 1 and 2.2 1 Four-Cylinder Diesel Engine Family of Hyundai-Kia// MTZ. 2008. № 10: P. 14-19.

54. Liu, A., Reitz R. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on-Fuel Sprays // SAE Paper. 1993. № 930072.

55. Merker G., Schwarz C., Stiesch G. Verbrennungsmotoren. Simulation der Verbrennubg und Schadstoffbilung. 3. Auflage. Wiesbaden: Teubner Verlag, 2006. 411 s.

56. Merker G., Schwarz C. (Hrsg). Grundlagen Verbrennungsmotoren. Simulation der Gemischbildung, Verbrennung, Schadstoffbildung und Aufladung. Praxis. 4. Auflage. Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2009. 607 s.

57. Meyer-Salfeld S. Piezogesteuertes Forschungs-Einspritzsystem für direkteinspritzende PKW-Dieselmotoren Dissertation. Hannover, 2004. 107 s.

58. Montgomery D., Reitz R. Six-Mode Cycle Evaluation of the Effect of EGR and Multiple Injections on Particulate and NO Emissions from a D.I. Diesel Engine // SAE Paper. 1996. №960316. 20 p.

59. Muntean G.G. A Theoretical Model for the Correlation'of Smoke Number to Dry Particulate Concentration in Diesel Exhaust // SAE Paper. 1999: № 1999-010515. 9p.

60. Pischinger R., Klell" M., Sams T. Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Der Fahrzeugantrieb. 2. Auflage: Wien:* SpringerVerlag, 2002. 475 s.

61. Popovac M., Hanjalic K. Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flow // Proc. 3rd M.I.T. Conference. Boston, 2005. 28 p.

62. Priesching P., Ramusch G., Ruetz J. 3D-CFD Modeling of Conventional and Alternative Diesel Combustion and Pollutant Formation A Validation Study

63. SAE Paper. 2007. № 2007-01-1907. 11 p.

64. Reitz R., Bracco F. Mechanisms of Breakup of Round Liquid Jets // Encyclopedia of Fluid Mechanics. 1986. Vol.3. P. 233-249.

65. Robert Bosch GmbH. Dieselmotor-Management. 3. Aufgabe. Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2002. 478 s.

66. Riegler U. Berechnung der Verbrennung und der Schadstoffbildung in Ottomotoren unter Verwendung detaillierter Reaktionsmechanismen: Dissertation. Stuttgart,1999. 174 s.

67. Schiller L., Naumann A. A drag coefficient correlation // VDI Zeits. 1933. №77. P. 318-320.80.- Schommers J., Zygan A., Binz R. Bluetec — Das Konzept für Dieselmotoren mit niedrigsten Emissionen // MTZ. 2008. № 5. S.376-384.

68. Schommers J., Leweux J., Betz T. The New Mercedes-Benz Four-Cylinder Diesel Engine for Passenger Cars // MTZ. 2009. № 12. P. 4-10.

69. Schubiger R.A., Boulouchos K., Eberle M.K. Russbildung und Oxidation bei der dieselmotorische Verbrennung // MTZ. 2002. № 5.

70. Stiesch G. Modeling Engine Spray and Combustion- Processes. Berlin — Heidelberg: Springer-Verlag, 2003. 270 p.

71. Suzzi D. Diesel Nozzle Flow and Spray Formation: Coupled, Simulations with Real Engine Validation: Dissertation. Stuttgart, 2009! 148 s.

72. Tatsehl R., Schneider J., Basara B. Fortschritte in der 3D-CFD Berechnung des gas- und wasserseitigen Wärmeübergangs in Motoren // Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors: 10. Tagung. Graz, 2005. 18 s.

73. Vanhaelst R. Optische und thermodynamische Methoden zur Untersuchung der teilhomogenen Dieselverbrennung: Dissertation. Magdeburg, 2003. 135 s.

74. Vlasek K., Macek J., Boulouchos K. Phenomenological Model of Soot Formation on Platform of KIVA 3 // EAEC European Automotive Congress. Bratislava, 2001. 13 p.

75. Vlasov P.A., Warnatz J. Detailed Kinetic Modeling of Soot Formation in Hydrocarbon Pyrolysis behind Shock Waves // Proc. Combust. Instit. 2002. Vol.29. P. 2335-2341.

76. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Verbrennung: Physikalisch-Chemische Grundlagen, Modellierung und Simulation, Experimente, Schadstoffentstehung. 3. Auflage. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. 2001, 326 s.

77. Wenzel S. Modellierung der Russ- und NOx-Emissionen des Dieselmotors: Dissertation.Magdeburg, 2006. 171 s.