автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение содержания оксида азота на основе неравновесных расчетов горения при дизельном впрыске топлива в ДВС с искровым зажиганием

На правах рукописи

ТИШИН Сергеи Александрович

СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДА АЗОТА НА ОСНОВЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ РАСЧЕТОВ ГОРЕНИЯ ПРИ ДИЗЕЛЬНОМ ВПРЫСКЕ ТОПЛИВА В две С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ДЕК 2009

Тула - 2009

003486137

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Г'ОУ ВПО «Тульский государственный университет

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Чесноков Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поляков Евгений Павлович

кандидат технических наук Демидов Максим Игоревич

Ведущая организация:

ОАО «АК «Туламашзавод»

Защита состоится гг декабря 2009 года в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.271.12 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, Тульская область, г. Тула, проспект Ленина, 92, ауд. ~

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

-4?

Елагин М.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время состояние окружающей среды - одна из наиболее остро стоящих перед человечеством проблем. Для крупных городов и промышленных регионов наибольшую экологическую опасность представляют промышленные и выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу. Одним из источников загрязнения атмосферы токсичными веществами является автотранспорт. Для условий двигателей внутреннего сгорания (ДВС) известны работы, посвященные расчетам процессов тепломассообмена и образования токсичных веществ В.А. Звонова, H.A. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе, A.B. Козлова, М.П. Гириновича и др.

В современных ДВС самым экономичным является, так называемый, "дизельный" впрыск топлива непосредственно в цилиндры ДВС с искровым зажиганием. В этом случае впрыск производится в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием горючей смеси. Ниже показано, что это приводит к появлению сильно неоднородных полей в камере сгорания: полей коэффициента избытка воздуха, температуры горения и, тем самым, состава продуктов сгорания. Все это требует решения задач турбулентного тепломассообмена в нелинейной постановке. Поэтому постановка и решение такой задачи является актуальной.

Объектом исследования является ДВС типа Mitsubischi 4G93-DOHC-GDI (далее GDI) с непосредственным впрыском топлива в цилиндры.

Предмет исследования - процесс горения топлива, сопровождающийся образованием оксида азота.

Расчет наиболее выгодных полей КИВ и полей содержания оксида NO в ПС требует применения современных методов турбулентного тепломассообмена и химической кинетики горения топлива. Уровень содержания оксида NO в отработавших газах (ОГ) определяется, в основном, процессом догорания перемешивающихся масс ПС с избытком кислорода или с избытком горючих компонентов, происходящим за фронтом пламени. В связи с изложенным процесс догорания рассматривается как химический турбулентный тепломассообмен (ХТТ), понятие и метод которого введены в России С.А. Чесноковым. Метод ХТТ реализуется при последовательном решении задач турбулентной газодинамики, впрыска топлива, образования неоднородной горючей смеси, горения в турбулентном фронте и, наконец, трехмерного догорания за фронтом пламени (и в течение такта расширения), при допущениях, позволяющих получить надежные результаты при не слишком больших затратах машинного времени.

Ярко выраженные неоднородные поля при "дизельном" впрыске требуют постановки и решения нелинейных задач ХТТ, что является характерной особенностью и подчеркивает актуальность данной научной работы.

Целью работы является повышение эффективности снижение содержания оксида азота в отработавших газах для режима "дизельного" впрыска топлива двигателя GDI на основе метода химического турбулентного тепломассообмена.

Научная задача работы заключается в разработке и апробации нового варианта метода химического турбулентного тепломассообмена, позволяющего решать задачи смесеобразования и горения в нелинейной постановке, что позволит применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Цель и задача работы определили необходимость решения следующих промежуточных задач:

1) провести анализ литературных данных с целью выбора для условий ДВС модели турбулентности и кинетических механизмов горения и догорания;

2) произвести многовариантные расчеты задач впрыска и турбулентной газодинамики (программа GAS-2 проф. В.А. Дунаева), а также испарения топлива и конвективно-диффузионного образования горючей смеси в нелинейной постановке; обобщить полученные результаты в виде зависимости неоднородности поля КИВ перед зажиганием от параметров впрыска;

3) рассчитать движение и геометрию турбулентного фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси;

4) определить температуру горения и конечный состав продуктов сгорания (включая оксид N0) в рамках одномерной модели химической кинетики горения для микроламинарного фронта пламени при различных локальных значениях коэффициента избытка воздуха в КС;

5) решить основную задачу ХТТ в зоне догорания за фронтом пламени, и в течение такта расширения, в нелинейной постановке при различной степени рециркуляции ОГ; обобщить полученные результаты в виде графических зависимостей, позволяющих определить содержание оксида азота в ОГ по итоговым данным впрыска; произвести оценку изменений среднего индикаторного давления ДВС при варьировании параметрами впрыска; провести измерения содержания оксида азота в ОГ двигателя GDI для сравнения с расчетными данными.

Задачи 3 и 4 решались с применением программ, разработанных проф. СЛ. Чесноковым [*].

Методы исследования базируются:

- теоретические: на основных положениях химической кинетики, турбулентной газодинамики и механики газовых смесей; в работе используются Приемы математического анализа, а также математическое моделирование на

' основе численных решений систем дифференциальных уравнений;

- экспериментальные: на применении спектрометрии при определении турбулентной скорости горения, а также серийного газоанализатора для замеров содержания оксида азота в ОГ.

Научная новизна заключается в разработке метода химического турбулентного тепломассообмена, отличающегося от известных математическим описанием неоднородных полей избытка воздуха и содержания компонентов продуктов сгорания. В результате:

- установлены закономерности формирования горючей смеси и особенности процессов догорания в нелинейной постановке;

- определена зависимость химической кинетики догорания от турбулентных пульсаций температуры и содержания радикалов;

- установлена динамика снижения содержания оксида азота в ОГ при изменениях неоднородности поля КИВ и степени рециркуляции ОГ.

Научная значимость работы определяется применением современных методов тепломассообмена в многомерных задачах турбулентного горения в

две.

Практическая значимость работы:

- методика прогноза содержания оксида азота в ОГ по итоговым графическим зависимостям без выполнения сложных расчетов;

- методика оценки среднего индикаторного давления в ДВС и опасности чрезмерного снижения энергетических характеристик двигателя.

Реализация результатов работы. Результаты работы и методики использованы в ОАО "АК Туламашзавод". Материалы исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО "Тульский государственный университет" в рамках учебных дисциплин "Основы научных исследований и испытания двигателей" и "Теплотехника". Издано учебное пособие «Программирование и численное моделирование химического турбулентного тепломассообмена при горении в ДВС».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной конференции Двигатель - 2007, посвященной 100 - летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана - г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007; всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология» - г. Киров, ГОУ ВПО «ВятГУ», 2008; международной научно - производственной конференции, посвященной 50 - летию ПГУАС и 10 - летию кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» - г. Пенза, ГОУ ВПО «ПГУАС», 2008; VI всероссийской научно - технической конференции «Политранспортные системы» - г. Новосибирск, ГОУ ВПО «СГУПС», 2009; международной научно — технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» - г.Тула, ГОУ ВПО «ТулГУ», 2009.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

установлена закономерность турбулентного конвективно-диффузионного образования горючей смеси и догорания за фронтом пламени в нелинейной постановке;

- определена турбулентная кинетика догорания с учетом пульсаций температуры и содержания радикалов;

- установлена динамика снижения содержания оксида азота; методика использования итоговых графических зависимостей для определения содержания оксида азота в ОГ по параметрам впрыска и сравнение с экспериментальными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 143 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 13 таблиц и состоит из введения, пяти

глав, заключения и списка литературы, включающего 51 русских и 24 иностранных источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено общее описание рассматриваемой проблемы и объекта исследования, обоснована актуальность, а так же сформулирована цель и определены задачи работы.

В первой главе проведен обзор литературных данных по двум направлениям: турбулентное горение и химическая кинетика горения.

Обзор научной литературы показал, что на сегодняшний день для расчета турбулентных течений создано большое количество разнообразных моделей. Все они отличаются друг от друга сложностью решения и точностью описания течения. Основная идея всех моделей турбулентности сводится к предположению о существовании средней скорости потока и среднего отклонения от него. Наряду с традиционными исследованиями, направленными на усовершенствование существующих и разработку новых моделей турбулентности, в последнее время большое внимание уделяется проблеме их тестирования и определения границ применимости.

Использование различных моделей турбулентности исследуется, как правило, к наиболее простым задачам, имеющим упрощенную геометрию поля решения, но сохраняющим ключевые моменты постановки актуальных задач. Основным критерием точности и приемлемости различных моделей является согласование результатов, полученных на основе той или иной модели, с данными физического эксперимента или результатами применения более общего подхода к моделированию турбулентности.

В настоящее время наиболее популярной моделью турбулентности является к-е модель - она включена во многие коммерческие пакеты, предназначенные для решения широкого круга задач прикладной газодинамики и теплообмена.

Для химической кинетики горения характерно наличие большого количества публикаций по реакциям легких частиц, которые позволяют определить основные тепловые эффекты и образование токсичных компонентов, оксидов углерода и азота, при горении топлива. Данные по кинетике тяжелых частиц, образующихся при распаде фракций бензина в начале горения, в условиях низких температур, малочисленны - детальный кинетический механизм распада основных фракций неизвестен.

Большинство работ отечественных ученых, таких как С.М. Фролова, В.Я. Басевича, В.А. Звонова и других по изучению процессов самовоспламенения и горения углеводородных топлив в двигателях внутреннего сгорания основываются на методах химической кинетики.

В работах зарубежных ученых, таких, как Ю. Варнац, Ф. Драер, А. Марчезе, Т. Хелд ставятся задачи по разработке детальных кинетических

механизмов горения углеводородов, которые в свою очередь можно применить для моделирования процессов, происходящих в ДВС.

В работе С.А. Потапова достаточно обширный механизм горения н-гептана Т. Хелда сокращен применительно к условиям в ДВС. Он описывает кинетику как тяжелых, так и легких частиц. Этот механизм выбран в качестве базового.

Во второй главе решена задача впрыска в цилиндры двигателя. При решении задачи турбулентной газодинамики получены поля скорости, турбулентности, а так же поля коэффициента избытка воздуха в камере сгорания ДВС, которые будут использованы в дальнейшем для решения основной задачи химического турбулентного тепломассообмена.

Движение частиц в воздушной среде в соответствии с теорией взаимопроникающих континуумов Р.И. Нигматулина можно описать уравнением движения газовой динамики для гетерогенной смеси при отсутствии взаимодействия между частицами.

Для узкой и короткой струи (<1,5 см), ограниченной поверхностью поршня, основная часть частиц испаряется на его поверхности, что позволяет принять следующие допущения:

1. Геометрию факела распыла принимаем одномерной. Движение воздуха и процесс смесеобразования считаем двухмерными. Ось струи впрыска прямолинейная.

2. Воздух и пары бензина считаем идеальными газами. Температура и давление в цилиндре соответствуют политропному процессу сжатия и одинаковы во всех точках поля решения.

3. Впрыскиваемые частицы бензина имеют одинаковую сферическую форму и диаметр, при этом силы, воздействующие на них, равны, траектории движения не пересекаются и столкновения отсутствуют.

4. Впрыск частиц происходит в неподвижный воздух. Частицы движутся под действием сил инерции и аэродинамического сопротивления в образующемся при впрыске потоке воздуха. Влиянием силы тяжести пренебрегаем. Силы аэродинамического сопротивления введены законом Стокса, как для одиночных частиц.

5. Ускорение воздушной среды внутри факела распыла учитываем в рамках известной теории затопленной турбулентной струи газа в стационарной постановке.

6. Закон испарения частиц бензина в потоке задаем в эмпирическом виде, при попадании на поршень они мгновенно испаряются.

7. Уравнение диффузии паров бензина используем в нелинейной форме в связи с большими градиентами турбулентности при дизельном впрыске.

В результате получена система уравнений (1) - (4).

а) частицы:

Здесь и ниже: г - ось струи; сх - коэффициент аэродинамического сопротивления частиц; р - плотность» с1с - диаметр частиц; индексы: С -частица, В - бензин, 5 - воздух.

Масса частиц при испарении уменьшается, поэтому уравнение неразрывности для концентрации частиц пс, м'3 в пучке сечением Р(г), где 2 - ось пучка запишем:

дрс [ д(рсУс)^Рс дт РсК- аг дт дг ш дт Р дг ' ^ '

где пс = рс / ш(т), рс - распределенная плотность частиц, т - масса испаряющейся частицы. В правой части появились источники массы, моделирующие: испарение частиц ( дт/д % < 0) и расширение пучка (дГ/д~ >0). Скорость испарения частиц задавалась эмпирически (по Вырубову).

б) воздух (паровоздушная смесь) внутри пучка частиц:

Эй, ди* „.„.к! <• I 3

+ (и5-ис)\щ-ис\ — . (3)

в) пары бензина:

Здесь g/' и gc — массовые доли пара и частиц; и и те - проекции скорости воздуха; йг - турбулентный коэффициент диффузии паров бензина в воздухе.

Полученное математическое описание и результаты используются при последовательном решении следующих задач:

1. Уравнения (1) - (3) образуют систему уравнений впрыска -торможения испаряющихся частиц и ускорения воздуха в струе; решение задачи позволяет определить скорости воздуха в струе У&, скорость и плотность частиц Ус и ро

2. Задавая скорость воздуха в струе в качестве граничного условия для программы ОА8-2 можно получить поля проекции скорости воздуха в КС «и »V. Помимо этого программа рассчитывает поля турбулентности и, в частности, поле кратности коэффициента турбулентного обмена (КТО), как отношения турбулентной и ламинарной вязкости, которое в итоге определяет поле турбулентного коэффициента диффузии От-

3. Этих данных достаточно, чтобы решить задачу впрыска и турбулентного конвективно-диффузионного переноса паров бензина -уравнения (1), (2) и (4). Поле массовых долей бензина легко пересчитать в поле КИВ используя выражение:

\ /

а =

1--1

!Хо

где Хо - стехиометрическое соотношение компонентов бензовоздушной смеси.

Процесс переноса паров топлива в камере сгорания характеризуется уравнением сохранения (диффузии) пара типа (4). При значительных

градиентах массовой доли пара создаваемых "дизельным" впрыском, учитывается неоднородность поля турбулентного коэффициента диффузии 07. Последний определяется по известным полям кратности КТО Ь1т, полученым при расчетах полей скорости и турбулентности по программе ОА8-2:

Пт = Ытй,ш.

Для решения задачи химического турбулентного тепломассообмена в камере сгорания и цилиндре ДВС при горении и расширении необходимы следующие исходные поля: нестационарное турбулентное поле скорости; нестационарное поле коэффициента турбулентного обмена; поле коэффициента избытка воздуха в бензовоздушной смеси перед зажиганием.

В режиме "дизельного" впрыска форсунка открывается в конце сжатия воздуха. По данным решения газодинамической задачи с помощью программы ОА8-2 скорости в камере сгорания (КС) в конце сжатия достаточно малы (< 3 м/с) и ими можно пренебречь. Это позволяет считать, что поле скорости воздуха в КС после начала впрыска определяется только струей впрыска.

На рисунке 1, показана циркуляция воздуха в КС, образовавшаяся после впрыска. Здесь точка Б - свеча зажигания, И - форсунка. Впрыск производится в относительно спокойный воздух - за короткое время впрыска (~ 1мс) циркуляция воздуха не успевает замкнуться.

5 в 5

Рисунок 1 - Поля скорости в камере сгорания в начале впрыска (а), в середине впрыска (б) и в конце впрыска (в)

На рисунке 2 изображены поля кратности КТО в КС во время впрыска. Максимальный уровень турбулентности наблюдается в зонах больших градиентов скорости: на периферии струи впрыска, в центре циркуляции, а

Рисунок 2 - Поля кратности КТО в камере сгорания в начале впрыска (а), в середине впрыска (б) и в конце впрыска (в)

При скорости впрыска 100 м/с, его плотности 800 кг/м и продолжительности 1 мс получены поля а, имеющие вид, представленный на рисунке 3. Время т отсчитывается от начала впрыска.

К 8

а """"ч а

Аа 5

Рисунок 3 - Типичные поля коэффициента избытка воздуха в КС (R=0) при п=3000 об/мин и X = 1,5 мс (а), т = 2 мс (б), т = 2,5 мс (в), х = 3 мс (г)

Из полученных результатов видно, что конвекция и уровень турбулентности при "дизельном" впрыске практически однозначно определяются скоростью впрыска. Поэтому последнее оказывает преобладающее влияние на неоднородность Да поля коэффициента воздуха к моменту зажигания (Да = атах - атт). Влияние плотности впрыска в 3...5 раз слабее и ниже не рассматривается.

При циркуляции поля а мимо свечи зажигания проходят различные зоны горючей смеси. Включение зажигания нужно произвести в момент времени т„ когда свеча окажется в зоне богатой смеси, где а я 0,9.

Результаты многовариантных расчетов при различной скорости впрыска VBnP = 50... 150 м/с позволяют представить данные по значениям Да и времени зажигания г, (рисунок 4). Продолжительность впрыска ограничена скоротечностью процесса и может считаться заданной, тцпг ~ 1мс.

Значения атах и amin вычисляются программой для достаточно больших (и одинаковых) областей поля а. Значения

т3, мс

\ уЪа

*

/

4

50 100 150

VBnp. м/с

Рисунок 4 - Неоднородность поля

коэффициента избытка воздуха и время зажигания в зависимости от скорости впрыска (ami„= 0,9)

скорости впрыска обусловлены давлением топлива и конструктивными особенностями форсунки. Их можно найти по экспериментальным данным пролива форсунок. Неоднородность поля Да используется ниже для описания процессов горения и догорания.

В третьей главе описано решение задачи движения фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси. Показано, что в отличие от известных оценок влияния на скорость реакции турбулентных пульсаций температуры, необходимо учитывать так же и пульсации содержания радикалов в ПС.

Процесс горения топливовоздушной смеси можно условно разделить на два периода:

- начальный период горения и интенсивного расширения ПС, в котором сохраняется сферическая форма фронта горения;

- основной период выгорания смеси, в течение которого расширение играет меньшую роль, а геометрия фронта искажается за счет неоднородности поля коэффициента избытка воздуха (и скорости горения), а также конвективного переноса.

Фронт горения считаем граничной поверхностью, на которой должны соблюдаться законы сохранения массы, импульса и энергии.

Средняя температура продуктов сгорания определяющая расширение зоны ПС вычисляется для начального и основного периодов горения различным образом, соответственно: для сферически симметричного поля температуры с учетом искры зажигания, а для основного периода горения по приращению температуры смеси проходящей через фронт.

Для описания динамики фронта горения в начальном периоде, когда велико влияние искры зажигания, поставлена простая задача расчета сферически симметричного поля температур в зоне продуктов сгорания. Принято, что передача теплоты внутри зоны происходит посредством турбулентной теплопроводности и конвекции. Поле скорости в зоне продуктов сгорания сферически симметричное, то есть скорости изменяются пропорционально квадрату радиус-вектора - от абсолютной скорости оттока продуктов сгорания от фронта горения до нулевой скорости в центре координат (искра зажигания).

В середине периода горения непрерывно изменяющееся поле коэффициента избытка воздуха а "замораживается", поскольку зона продуктов сгорания заполняет наиболее значительную часть объема камеры сгорания. Учтено сжатие поля а расширяющейся зоной продуктов сгорания.

Таким образом, температуры искры зажигания _ГПЛ и фронта горения То можно использовать в качестве граничных условий для решения уравнения энергии в случае сферически симметричного температурного поля:

дТ „ дТ — + УГ— = д г дг

Начальное условие: при т=0 Т = Тс(а) для а~ I. Граничные условия:

при /- = rjp Т = Тп,(т); при г = г/"(т) Т = Т0(а).

Здесь: ат - турбулентный коэффициент температуропроводности продуктов сгорания; г/р - средний по поверхности радиус фронта горения.

Средняя по объему зоны продуктов сгорания температура определяет процесс расширения продуктов сгорания и влияет на итоговую скорость фронта Wf. Последняя определяет радиус фронта г/р(т) по длине которого проводится решение уравнения энергии (5). Скорость фронта wp рассчитывается по общей методике [*] в сферической системе координат.

Поля турбулентности в начальном периоде горения считаем однородными. Постоянное значение турбулентного коэффициента температуропроводности ат подбирается из условия соответствия расчетного и экспериментального профилей температуры полученного в работе Т.У. Асмуса для стехиометрической смеси (а ~ 0,9 в начале горения, то есть вблизи электросвечи). Отметим, что турбулентная величина температуропроводности ат - 0,02 м2/с, в тысячу раз больше ее ламинарного значения (вш„= 19Т0"6 м2/с при р = 40-Ю5 Па, Т = 2500 К).

Во второй половине процесса горения поверхность фронта заметно искажается. Причиной является область обедненной смеси (пунктир) (рисунок 5) в центре циркуляции (а ~ 5) с низкой скоростью горения, которая постепенно смещается при сжатии горючей смеси. Кроме того, существенно влияние самой циркуляции. Отметим так же, что при достаточно большом радиусе поверхности фронта, его сферическую поверхность можно заменить цилиндрической, что позволяет решать задачу движения фронта в плоской (полярной) системе координат.

В качестве исходных данных использованы параметры модельного двигателя GDI: диаметр цилиндра 0,081 м, рабочий объем 0,4585-Ю'3 м3, степень сжатия 12, опережение зажигания 18 °пкв (при 3000 об/мин) и поля коэффициента избытка воздуха в камере сгорания. Рассмотрен рабочий режим (со средней нагрузкой), обеспечивающий максимальное давление при горении 6 МПа и варианты этого режима: без рециркуляции отработавших газов из выпускной магистрали (R = 0) и с рециркуляцией, учитывающей и остаточные

газы в цилиндре (R =0,1 и 0,2). Программа расчетов формирует выходной файл с массивом значений коэффициента избытка воздуха а вдоль поверхности выгорания во времени процесса т. Массив значений будет использован как граничное условие при решении задачи химического турбулентного тепломассообмена.

Будем считать, что поле скорости в зоне догорания обусловлено геометрией развивающегося фронта горения и скоростью оттока продуктов от него, которая, определяется местной нормальной скоростью горения (т.е.

Рисунок 5 - Профили скорости оггока продуктов от фронта

местным значением КИВ) и конвективным переносом. На рисунке 5 для текущей геометрии фронта горения F показаны профили скорости оттока Vor-

Для второй половины горения ярко выражено изменение скорости Vor вдоль фронта. В центральной зоне бедной смеси, где скорость горения мала, значения Vor минимальные. Это определяет образование двух пристеночных струй оттока инициирующих, по результатам решения задачи турбулентной газодинамики с помощью программы GAS-2, зарождение двух циркуляционных зон. На рисунках 6 и 7 показана схема циркуляции и поле турбулентности к концу горения; F - фронт горения.

Рисунок 6 - Схема циркуляции в КС (т = 1 мс)

Рисунок 7 - Поле кратности КТО в КС (х = 1 мс)

Наиболее развитая турбулентность наблюдается к концу горения, когда V'л ~ 60 м/с; кг = 50 м3/'с2; £р= 12500 м'/с3. Время г отсчитывается от начала зажигания.

Во многих работах указывается на необходимость дополнительного учета флуктуационных моментов высоких порядков, связывающих параметры турбулентного течения между собой. Подчеркнуто, что турбулентное смешение не должно немедленно приводить к химической реакции, так как последнее требует перемешивания реагирующих компонентов на молекулярном уровне.

Скорость химических реакций лимитируется, таким образом, молекулярной диссипацией турбулентности, определяемой пульсациями всех параметров течения и газовой смеси. Пульсациями давления и плотности смеси пренебрегаем.

Баланс скалярных моментов пульсационных полей концентраций компонентов и температуры интерпретируется составляющими конвекции и диффузии (а также генерацией и диссипацией) за счет градиентов осредненного состава, соответствующего смешению до молекулярного уровня. Наиболее простым является построение уравнения баланса для некоторого пассивного (не влияющего на основные параметры к, £, ц-) скаляра Су . Роль Сг может выполнять температура Т, массовые доли компонентов а или их произведения (функции). Вводя рабочую переменную Р = Сг, транспортное уравнение для пульсаций скаляра можно записать в виде:

d(pF) дт

+ div ( pVF) - div(pDTgrad F) = c3p О,

'dF y_c

ду) 4 v,

Fkp

(6)

где: с3 и с4 - экспериментальные коэффициенты, принятые в первом приближении равными единице.

Граничные условия на стенке: Рцг = 0. На фронте горения граничные условия заданы следующим образом. Пульсации температуры фронта в фиксированной точке определяются рельефом поля температур, то есть, перепадом температур в ядре потока и на холодной границе поля решения. Эта величина составляет 10-15% и принята для расчетов ~300 К. Аналогичным образом, на фронте задан уровень пульсаций массовых долей компонентов. Для ■ самых активных компонентов - радикалов - величина пульсаций их концентрации достигает порядка величины из-за сильной зависимости их содержания от температуры. Поэтому для крайних участков фронта горения (в турбулентных пограничных слоях у стенки) уровень пульсаций задан примерно 80%, для среднего участка - 3 0%.

Для любой бимолекулярной реакции 5 = кт gl g2, где: кт- константа скорости реакции по закону Аррениуса, кт=АТ" ехр(-ЕУЯТ); и Яг - массовые доли участвующих в реакции компонентов. Влияние нелинейности уравнения Аррениуса на повышение средней по времени скорости реакций из-за пульсаций температуры описано в литературе.

Важно отметить, что пульсации массовых долей радикалов и температуры совпадают по фазе колебаний. Действительно, если фиксированную. точку камеры сгорания пересекает горячая струя из ядра потока, то концентрации всех радикалов резко возрастают. В период обтекания холодной струей из пограничного слоя все указанные параметры сильно уменьшаются. Особенно значительных колебаний скорости реакций следует ожидать для бирадикальных реакций, в то время как для реакций радикала и молекулярной компоненты (пульсации для которой малы) произведение gl g2 является практически линейным и влияние пульсаций отсутствует. Несмотря на то, что концентрация некоторых радикалов весьма мала, их относительные пульсации остаются значительными и оказывают сильное влияние на колебания скорости реакций радикалов.

Примем, что длительные хаотические колебания можно аппроксимировать симметрично-прямоугольными, тогда коэффициент турбулентности, корректирующий скорость реакций:

_ _ -1 I 8J I

krg,g2 g, g3 MrRg, gj' (7)

Здесь: - знак осреднения; ' - пульсации. В работе приведены поля температуры Г и массовых долей двух характерных радикалов ОН и СНО, а также поля их пульсаций, полученные при решении уравнения (6).

Расчеты проводились для двигателяй GDI в рабочем режиме (п=3000 об/мин). Задача ХТТ решалась в двухмерной постановке. Учитывалась "холодная" рециркуляция отработавших газов совместно с остаточными газами в цилиндре. В качестве исходных данных были использованы турбулентные поля скорости в КС для нереагирующей смеси, полученные с помощью программы GAS-2, и поля коэффициента избытка воздуха горючей смеси перед

зажиганием. Значения коэффициента турбулентности максимальны вблизи фронта, ст ~ 2...3; по мере удаления от него пульсации постепенно затухают.

В четвертой главе проведено определение температуры горения и конечного состава продуктов сгорания на выходе фронта пламени для различных коэффициентов избытка воздуха в КС. Описан алгоритм и проведено решение задачи ХТТ для двигателя Mitsubishi 4G93-GDI в режиме дизельного впрыска топлива в цилиндры. Решение данной задачи позволило произвести расчет полей температуры и массовых долей компонентов, участвующих в процессе догорания и расширения.

В качестве модельного топлива выбран н-гептан. В диссертации используется сокращенный в работе С.А. Потапова кинетический механизм горения н-гептана Т. Хелда.

Система уравнений кинетической модели ламинарного горения включает в себя стационарное уравнение энергии для потока, пересекающего поверхность горения и выражение для нормальной скорости горения (уравнения Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого). Тепловыделение определяется химической кинетикой горения (257 реакций). Решение системы

уравнений проведено для различных коэффициентов избытка воздуха а = 0,8 - 3 при постоянном давлении 4 МПа. Кинетический механизм надежно работал при начальной температуре горючей смеси не ниже Тн =960 К.

На рисунке 8 при различных значениях коэффициента избытка воздуха а, представлены максимальная температура фронта горения -температура горения TG) итоговое тепловыделение Q и нормальная скорость горения и„. Значения всех параметров при ос = 0,8 - 1,5 близки к полученным в [*] с погрешностью <5%. Для очень бедных смесей решение одномерной задачи становится неустойчивым и для а>3 использованы данные нульмерной кинетики, полученные в диссертации С.А. Потапова (пунктир), поскольку результаты одномерной и нульмерной задач близки с точностью 10-15% к результатам работы [*]. Для скорости нормального горения данные при а>3 получены путем экстраполяции (кривая —х—х—). Кривая -о—о—о — результаты пересчета результатов экспериментов из работы С.И. Будаева.

В результате решения этой задачи при различных КИВ были получены температура и ламинарная скорость горения, а так же мольные доли продуктов сгорания на выходе фронта горения.

На рисунке 9 представлены профили мольных долей основных компонентов смеси. В конце процесса горения при высоких температурах

а

Рисунок 8 - Температура горения, тепловыделение и нормальная скорость ламинарного горения при различном избытке воздуха (Я=0)

быстро возрастает содержание гидроксила ОН, образующегося совместно с радикалом О из кислорода 02 и, соответственно, ускоряется выгорание СО. В конце горения наблюдается период диссоциации СОо, в течение которого доля СО возрастает. Содержание атомарного азота N и оксида азота N0 на выходе фронта горения только-только начинает увеличиваться.

Рисунок 9 - Профили мольных долей основных компонентов по толщине ламинарного фронта горения (а = 1, р = 4 МПа, Я=0)

Для решения задачи ХТТ при дизельном впрыске были приняты следующие допущения:

1. Для быстрого дизельного впрыска характерна значительная неоднородность полей турбулентности, поэтому поля турбулентных коэффициентов температуропроводности и диффузии считаем неоднородными. В то же время поле плотности смеси принимаем однородным.

2. Остальные допущения являются традиционными для метода ХТТ:

- в условиях высоких давлений (приблизительно 50 атм) температуры компонентов продуктов сгорания непрерывно выравниваются за счет эффективного обмена энергией при многочисленных соударениях молекул и внутри смеси устанавливаются общие для всех компонентов поля температур. Тем самым считаем, что, несмотря на химические реакции, равновесное распределение молекул по энергиям не нарушается;

- в связи с небольшой скоростью течения (менее 60 м/с) в зоне продуктов сгорания пренебрегается кинетической энергией газа по сравнению с внутренней. Кроме того, учитывая сравнительно небольшие различия температур в пределах поля решения (камеры сгорания), теплоемкость смеси считается постоянной. Это позволяет использовать в уравнении энергии непосредственно температуру смеси;

- эффекты термо - и бародиффузии, а также диффузионную теплопроводность и перенос энергии диффузионным потоком не учитываются. Пренебрегается работой диссипативных сил для продуктов сгорания.

Обратимая работа сил давления учитывается только в период интенсивного расширения продуктов сгорания;

- поля турбулентных коэффициентов переноса уточняются по данным решения транспортных уравнений к-е модели турбулентности на основе полей скорости, полученных с помощью программы ОА5-2. Считается, что изменение турбулентного коэффициента температуропроводности смеси ат определяется только турбулентной теплопроводностью Яг, поскольку объемная теплоемкость срр, по сравнению с кг, меняется незначительно;

- догорание горючих компонентов смеси за фронтом пламени характеризуется 31 ведущей обратимой реакцией с участием 15 компонентов;

- в отличие от горения во фронте пламени, в процессе догорания компонентов смеси молекулярная масса продуктов сгорания меняется незначительно, поэтому в трехмерных задачах считаем ее постоянной;

- сферическая поверхность, средняя для фронта горения, для простоты алгоритма решения считается ограниченно-цилиндрической;

- компоненты и смесь продуктов сгорания в целом являются идеальными газами.

При указанных допущениях уравнение энергии продуктов сгорания и уравнения сохранения массы компонентов запишутся следующим образом:

дТ дТ дТ дТ — + к — + и>— + у— = дт дх ду дг

дт дх ду дг

д_ дх

дТ\ д ат— + — дх) ду

¿т^ дх

дТ_ ду

дг

е.

(8)

ду{ ду

¿гГ1 дг

Источники теплоты (Рд) и массы компонентов (¥м)'-

(Ю)

определяются полем

. 1-1 н J /

Поля турбулентных характеристик переноса кратности КТО:

Ыг(х.у.г.т) = ит ат = Ыт-а„

Начальные условия в небольшой зоне вокруг точки зажигания задаются

как:

Т = Т„ = Ь(а), (П)

Граничные условия:

— на границе поля решения у стенки

Г=Г„,, д&/дп = 0. (12)

- на выходе фронта горения, для местного значения а

Т = Тр(а), & = Ыа). (13)

Здесь: и, и', у - проекции скорости движения смеси; а? и От -турбулентные коэффициенты температуропроводности ПС и диффузии компонентов; gi - массовые доли компонентов продуктов сгорания; р -плотность смеси; ср - теплоемкость продуктов сгорания; //, — тепловой эффект реакции; ц - молярная масса компонента; п - нормаль к границе; а - местный

коэффициент избытка воздуха в горючей смеси. Индексы: г - номер компонента О' < ¡У); ] - номер реакции (/ < М); Е — фронт горения; м> — граница поля решения вблизи стенки; н — начальные значения; р — прямая реакция; о -обратная реакция. В выражениях (10) скорость и константа скорости реакции вычисляются следующим образом:

*Г=сгЛГехр(-£/ЛГ), (14) где сг - коэффициент, учитывающий влияние турбулентных пульсаций температуры и концентрации радикалов; у и Р различные значения /'.

Поставленная таким образом задача ХТТ позволяет получить трехмерные поля температуры и мольных долей компонентов в течение горения и расширения вплоть до открытия выпускного клапана.

Полученные результаты дают возможность построить для ат1Г1=0,9 общий, итоговый график содержания оксида азота N0 в отработавших газах (рисунок 10).

Рисунок 10 - Итоговая зависимость Рисунок 11 — Итоговая зависимость

мольной доли N0 в ОГ от неоднородности индикаторного давления р, от неоднородности поля Да и степени рециркуляции Я (ат[1= 0,9 ) поля Да и степени рециркуляции Я (а1ШП= 0,9)

Применение графика позволяет без проведения сложных расчетов определить содержание оксида азота в отработавших газах гцо при заданной рециркуляции отработавших газов.

В то же время стремление увеличить Да и Я ведет к снижению энергетических показателей двигателя, что требует оценки этого снижения. Поэтому по алгоритму описанному в [*], проведены термодинамические расчеты рабочего процесса. Кривая давления при горении и расширении позволяет, как это предложено в работе С.М. Фролова, найти среднее индикаторное давление р|. Результаты расчетов pi для различных Да и II

представлены в виде общей зависимости на рисунке 11. Ее применение делает возможным выбор значений Да и R, при которых Pi остается достаточно высоким.

По результатам проведенных расчетов можно определить оптимальный режим работы двигателя GDI, для которого токсичность отработавших газов достаточно мала, а уровень энергетики двигателя будет являться вполне приемлемым.

В пятой главе для проверки адекватности математической модели процесса сгорания и образования токсичных компонентов в отработавших газах, были проведены опытные исследования на поршневых двигателях с впрыском

В лаборатории теплофизики кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» исследования проводились на лабораторно-измерительном комплексе, позволяющем регистрировать давления, температуры и спектры излучения рабочего тела в ДВС [*]. Для измерений использовался инжекторный двигатель Renault F3R. На основе спектроскопических измерений удалось оценить продолжительность горения и его среднюю турбулентную скорость. Это позволило определить значения турбулентной скорости горения для различных коэффициентов избытка воздуха.

Измерения содержания оксида азота в отработавших газах ДВС с непосредственным впрыском топлива Mitsubishi 4G93-GDI проводились при помощи газоанализатора Автотест 02.03 П1 фирмы МЕТА. Данный 5-и компонентный газоанализатор позволяет проводить измерения содержания оксида азота (N0), ряда углеводородов и отношения количества топлива к воздуху в ОГ. Содержание N0 измеряется электрохимическим способом по плотности электронов. Измерения на ДВС проводились в соответствии с ГОСТ Р 52033 - 2003 г., положения которого распространяются на находящиеся в эксплуатации автомобили с бензиновыми двигателями, вне зависимости от того, оснащены они или не оснащены системами нейтрализации отработавших газов. Измерения проведены при отборе ОГ из выпускной магистрали до нейтрализатора, при отсутствии рециркуляции и среднем коэффициенте избытка воздуха аср=2. Результаты измерений содержания оксида азота N0 в отработавших газах при различных средних значениях КИВ (R=0) представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты измерений и расчетов содержания оксида азота N0 в ОГ при различных средних значениях КИВ (Я=0)

Экспе римент Расчет

Otcp 1 1,5 2 2,5 1 1,5 2 2,5

rNo.lO"2 0,110 0,161 0,108 - 0,102 0,145 0,113 0,098

Е, % ±4,0 ±15,0

* - неустойчивая работа двигателя.

Там же приведены результаты расчетов содержания N0 в ОГ с указанием погрешностей результатов, обусловленной неточностью задания исходных данных, например: констант скорости ведущих химических реакций (с учетом разнонаправленности их погрешностей), кратности коэффициента турбулентного обмена, ламинарных характеристик переноса в смеси и т.п.

Соответствие экспериментальных и расчетных данных является удовлетворительным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертации, на примере двигателя Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI, проведено теоретическое изучение динамики снижения содержания оксида азота в отработавших газах для режима "дизельного" впрыска топлива (аср = 1,5...2,5) за счет неоднородности поля коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и степени рециркуляции ОГ.

Для этого потребовалось развитие и уточнение метода химического турбулентного тепломассообмена [*], позволившего создать эффективные, но достаточно простые модели смесеобразования и горения, учитывающие сильную нелинейность турбулентных коэффициентов переноса и применить их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

При решении перечисленных выше промежуточных задач получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Анализ литературных данных и пробное тестирование позволили обосновать для условий ДВС широко используемую к-Е модель турбулентности и кинетические механизмы горения и догорания бензина в ДВС (257 и 31 реакции), полученные на основе полуэмпирического механизма горения н-гептана Т. Хелда для легких и тяжелых частиц.

2. Произведены расчеты процессов впрыска и образования горючей смеси при варьировании основной характеристики форсунки - скорости впрыска ¿W =50...100 м/с.

3. Получены поля скорости, турбулентности и коэффициента избытка воздуха (КИВ) при использовании нелинейного уравнения диффузии паров топлива. Где учет нелинейности этого уравнения изменяет локальные значения КИВ на 5... 15%, что влияет (до 20...80%) на содержание основных компонентов продуктов сгорания. Скорость впрыска определяет циркуляцию воздуха, а затем и горючей смеси в камере сгорания (КС). Это влияет на неоднородность поля КИВ Да и период (время зажигания тз), в течение которого богатая зона смеси (а«0,9) перемещается к свече зажигания. Установлена многофункциональная связь параметров впрыска и представлена итоговая зависимость Да и г? от Увпр-

4. Определено влияния турбулентных пульсаций температуры и содержания радикалов на средние значения констант скорости бирадикальных реакций. Показано, что поправочный коэффициент вблизи фронта горения достигает значений 2...3, что уточняет, в частности, содержание оксида азота NO в ОГ на 20...30%.

5. Получены максимальные значения температуры горения То ~ 2904К и нормальной скорости горения un = 0,34 м/с, а также состав продуктов сгорания при решении задачи одномерной химической кинетики для микроламинарного фронта пламени, при варьировании значением КИВ (а=0,9...4) и степени рециркуляции (R=0...0,2), доля остаточных газов принималась 0,05. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному (кроме N0) с погрешностью ~ 10% для а~1 и < 2% для а~3...4.

6. Показано, что при расчетах движения и геометрии фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси эффективно условное выделение начального и основного периода горения. В начале горения (до ~ 0,3 мс) движение фронта определяется, в основном, температурным расширением продуктов сгорания, а геометрия фронта остается сферической, что позволяет решить задачу движения фронта в сферически симметричной пространственной системе координат с учетом выделения тепла искрой зажигания. В основном периоде (> 0,3 мс) преобладает выгорание смеси, а геометрия фронта сильно искажается в неоднородном поле КИВ. При больших радиусах фронта, в границах КС, его поверхность считается двухмерной. Результаты расчетов показывают, что подобный подход позволяет наиболее просто, но с достаточной точностью описать динамику движения фронта горения.

7. Получены трехмерные поля температуры и поля содержания компонентов в результате решения задачи химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ) для догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения.

Применение рециркуляции отработавших газов (до R=0,2) снижает температуру горения на ~ 200 К и для сильно неоднородного поля КИВ (Да=4 при ат;„ = 0,9) мольная доля оксида NO в отработавших газах уменьшается до г so =0,8-10"4, то есть, практически, до уровня требований EURO-4. Содержанием оксида СО при высоких а можно пренебречь.

8. Установлена обобщенная графическая зависимость гт = /(Л,Да), которая совместно с итоговыми графиками впрыска Да (VBm.) и ц (Уцпг) позволяет без проведения сложных расчетов по заданной скорости VBne определить неоднородность поля Да, время зажигания г3 и содержание оксида азота гцо в отработавших газах при заданной их рециркуляции R.

9. Получена общая зависимость среднего индикаторного давления р, как функция Да и R, ее применение делает возможным ограничение значений Да и R, при которых р^ остается достаточно высоким. Определен1 оптимальный режим работы двигателя GDI, для которого токсичность отработавших газов достаточно мала гт =0,8-Ю"4, а уровень энергетики двигателя является вполне приемлимым р,=0,72 МПа.

10. В диссертации разработан и реализован метод химического турбулентного тепломассообмена, позволяющий с точностью ±15% прогнозировать содержание оксида азота в отработавших газах двигателя типа GDI для режима дизельного впрыска. Метод может применяться для

однотипных двигателей с целью повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.

Данные расчетов процесса ХТТ в двигателе GDI, удовлетворительно соответствуют результатам эксперимента по измерению содержания оксида N0 в ОГ (при аср=2 и R=0 гда=(0,113±0,015)%, Гт =(0,108+0,004)%). Соответствие этих данных достаточно удовлетворительное.

Основные результаты диссертации отражены в публикациях:

1. Тишин, С.А. Поля турбулентности в двигателе внутреннего сгорания / С.А. Тишин, С.А. Потапов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1, -Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 142-146.

2. Потапов, С.А. Анализ механизмов химической кинетики горения в двигателе внутреннего сгорания / С.А. Потапов, С.А. Тишин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 135-141.

3. Тишин, С.А. Применение к-е модели турбулентности для изучения горения в ДВС / С.А. Тишин, С.А. Потапов // Сборник научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана ; под редакцией H.A. Иващенко, В.Н. Костюкова, А.П. Науменко, Л.В. Грехова. - М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 473^77.

4. Чесноков, С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС / С.А. Чесноков, С.А. Потапов, С.А. Тишин // Сборник научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана; под редакцией H.A. Иващенко, В.Н. Костюкова, А.П. Науменко, Л.В. Грехова. - М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 428^33.

5. Чесноков, С.А. Турбулентность при горении в ДВС / С.А. Чесноков, H.H. Фролов, С.А. Потапов, С.А. Тишин // Двигателестроение. - 2008. - № 1. -С. 13-16.

6. Тишин, С.А. Применение к-г модели турбулентности для условий в камере сгорания поршневых двигателей / С.А. Тишин // Всероссийская научно-техническая конференция «Наука-производство-технологии-экология» : сборник материалов. В 7 т. Т. 3. ЭТФ. - Киров : Изд-во ВятГУ, 2008. - С. 194 -196.

7. Потапов, С.А. Прогнозирование токсичности двигателей внутреннего сгорания на основе уравнений химического тепломассообмена / С.А. Потапов, С.А. Тишин // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса : сборник статей Международной научно-производственной конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 105-109.

8. Тишин, С.А. Ламинарные и турбулентные характеристики продуктов сгорания поршневых двигателей / С.А. Тишин, С.А. Потапов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - С. 170-174.

9. Потапов, С.А. Зонная модель химической кинетики для ДВС с непосредственным впрыском топлива / С.А. Потапов, С.А. Тишин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - С. 175-179.

10. Чесноков, С.А. Моделирование дизельного впрыска и образования горючей смеси в поршневом двигателе внутреннего сгорания / С.А. Чесноков, С.А. Тишин, С.А. Потапов // Политранспортные системы: Материалы VI Всероссийской научно - технической конференции (Новосибирск, 21-23 апреля, 2009) : в 2-х ч. Ч. 2. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2009. - С. 341 -344.

11. Потапов, С.А. Применение метода химического турбулентного тепломассообмена с целью прогнозирования токсичности двигателей внутреннего сгорания / С.А. Потапов, С.А. Тишин // Политранспортные системы: Материалы VI Всероссийской научно - технической конференции (Новосибирск, 21-23 апреля, 2009) : в 2-х ч. Ч. 2. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2009.-С. 136-140.

12. Чесноков, С.А. Программирование и численное моделирование химического турбулентного тепломассообмена при горении в ДВС : учеб. пособие / С.А. Чесноков, С.А. Тишин. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - 184с.

ТИШИН Сергей Александрович

Автореферат

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 18.11.09 Формат бумаги 60\84 Бумага офсетная Усл. печ л 1,4. Уч -из л. 1,2. Тираж 100 1кз. Заказ 034.

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

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, просп. Ленина,95

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ.

1.1 Турбулентность при горении.

1.2 Химическая кинетика горения.

1.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 2 ТУРБУЛЕНТНЫЙ МАССООБМЕН ПРИ ВПРЫСКЕ.

2.1 Ламинарные и турбулентные характеристики переноса.

2.2 Тестирование моделей турбулентности.

2.3 k-s модель турбулентности.

2.4 Общее описание процесса турбулентного массообмена при впрыске.

2.4.1 Уравнения движения и неразрывности потока частиц.

2.4.2 Уравнение движения воздуха внутри факела распыла.

2.4.3 Уравнение неразрывности паров бензина.

2.4.4. Допущения и описание процесса впрыска.

2.5 Впрыск, поля скорости, турбулентности и коэффициента избытка воздуха до зажигания.

2.5.1 Поля скорости и турбулентности.

2.5.2 Поля коэффициента избытка воздуха.

2.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 3 ТУРБУЛЕНТНЫЙ МАССООБМЕН ПРИ ГОРЕНИИ.

3.1 Зажигание и движение фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси.

3.1.1 Начальный период горения.

3.1.2 Основной период горения.

3.2 Поля скорости и турбулентности после зажигания в зоне догорания.

3.3 Турбулентная кинетика.

3.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 4 ХИМИЧЕСКИЙ ТУРБУЛЕНТНЬШ ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ДОГОРАНИИ.

4.1 Подготовка исходных данных.

4.1.1 Начальные данные.

4.1.2 Расчет равновесного состава и теплоемкости продуктов сгорания.

4.1.3 Одномерная химическая кинетика во фронте горения.

4.1.4 Химическая кинетика догорания продуктов за фронтом и в течение такта расширения.

4.2 Общий вид уравнений ХТТ. Граничные и начальные условия.

4.3 Допущения и математическое описание задачи ХТТ для дизельного впрыска.

4.4 Теоретические результаты и их анализ.

4.5 Общие графические зависимости задачи ХТТ.

4.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ДВС.

5.1 Измерение турбулентной скорости горения с помощью спектрометрии ДВС.

5.1.1 Спектрограф ИСП^ЗО. Модернизация и градуировка.

5.2 Измерение содержания оксида азота в отработавших газах ДВС при помощи газоанализатора Автотест 02.03 П1.

5.3 Выводы по главе.

В настоящее время состояние окружающей среды - одна из наиболее остро стоящих перед человечеством проблем. Для крупных городов и промышленных регионов наибольшую экологическую опасность представляют промышленные и выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу. Главным источником загрязнения атмосферы токсичными веществами является автотранспорт.

Сейчас только в России насчитывается около 30 млн. единиц транспортных средств, в том числе более 12 млн. легковых автомобилей. В глобальном масштабе доля атмосферных загрязнителей, вносимых автомобильным транспортом, в настоящее время составляет 50-60%. В крупных городах эта величина возрастает до 70-80% и продолжает увеличиваться. Ежегодно автотранспорт выбрасывает в атмосферу более 80 тыс. тонн загрязняющих веществ.

Отработавшие газы (ОГ) автомобильных двигателей представляют собой сложную многокомпонетную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Они содержат около 300 компонентов среди которых можно выделить: продукты полного сгорания топлива (диоксид углерода С02 и водяной пар Н2О), вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха (оксиды азота 1ЧОх), продукты неполного сгорания топлива (монооксид углерода СО, углеводороды СНХ, дисперсные твердые частицы - сажа), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации. В незначительных количествах (1 - 2 %) отработавшие газы содержат водород Н2 и инертные газы — аргон Аг и др. Но благодаря своим технико-экономическим показателям двигатели внутреннего сгорания (ДВС) еще долго будут оставаться основными силовыми агрегатами для автомобильного транспорта. Поэтому работы по улучшению их экологических характеристик являются актуальными.

Общепринятое математическое описание рабочего процесса и горения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) предполагает наличие однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха (КИВ) и, тем самым, концентрации компонентов продуктов сгорания (ПС).

Принято, что процесс горения топлива в КС определяется совокупностью следующих основных процессов: химическими реакциями, развитием турбулентности и тепломассообменом между компонентами смеси и стенкой КС. В соответствии с этим горение топлива можно рассматривать как химический турбулентный тепломассообмен (ХТТ). Понятие и метод которого введены С.А. Чесноковым в монографии [1].

Именно процесс ХТТ, начинающийся за фронтом пламени, как догорание перемешивающихся масс продуктов сгорания с избытком кислорода или горючих компонентов и продолжающийся вплоть до выпуска ОГ, определяет уровень их токсичности.

Метод ХТТ реализуется при последовательном решении задач: впрыска и испарения топлива, турбулентного горения в неоднородной горючей смеси, догорания продуктов за фронтом пламени и в течение такта расширения.

Объектом исследования является ДВС типа Mitsubischi 4G93-DOHC-GDI (далее GDI) с непосредственным впрыском топлива в цилиндры.

Этот двигатель напоминает по конструкции и обычный бензиновый, и дизель. В каждом цилиндре присутствует свеча зажигания, форсунка, а топливо подается насосом под давлением 5 МПа. У данного двигателя есть ряд особенностей.

Поршень сверху имеет выемку сферической формы. Такая форма поршня* обеспечивает три важные функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно, при работе.на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта" пламени.

Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке. Такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальной концентрации топлива непосредственно около свечи. По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количество воздуха входит в цилиндр по инерции.

В работе этого двигателя различают три возможных режима в зависимости от характера движения:

- режим работы на стехиометрической топливо-воздушной смеси мощностной режим);

- режим работы на сверхбедненной топливо-воздушной смеси;

- двухступенчатый впрыск топлива.

При интенсивной городской езде, высокоскоростном движении и обгонах в двигателе реализуется так называемый стехиометрический впрыск топлива в цилиндр, создающий в среднем стехиометрическую (но неоднородную) горючую смесь. Впрыск топлива осуществляется во время такта впуска, при котором достигается стехиометрическое воздушно-топливное соотношение 14,7:1. Степень неоднородности поля КИВ и его ориентация должны обеспечивать надежное зажигание вблизи электросвечи (а~0,8) и отсутствие детонации вдали от нее (а~1,2). Топливо впрыскивается в процессе такта впуска коническим факелом. Оно распыляется по всему цилиндру и, испаряясь, охлаждает при этом воздух в нем, что улучшает его наполнение, а также снижает вероятность возникновения детонации и калильного зажигания. Этот благоприятный эффект позволяет достичь высокой степени сжатия, а значит и высокой мощности.

Режим работы на сверхбедной смеси (дизельный впрыск) реализуется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скоростях до 120 км/ч. В этом случае топливо подается в цилиндр практически как в дизеле - в конце такта сжатия, впрыскиваясь компактным факелом и, смешиваясь с воздухом, направляется сферической выемкой поршня к свече зажигания. Таким образом наиболее обогащенное топливом облако оказывается непосредственно около свечи зажигания и благополучно воспламеняется, поджигая затем бедную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива 40:1.

Двух ступенчатый режим смесеобразования реализуется в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Впрыск топлива происходит дважды — во время тактов впуска и сжатия, что позволяет повысить момент двигателя. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще возрастает. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом он заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива до «богатого» 12:1.

В работе рассматривается дизельный впрыск топлива в цилиндры ДВС, обеспечивающий экономичный режим работы двигателя GDI.

Предметом исследования - процесс горения топлива, сопровождающийся образованием оксида азота.

Особенностью быстрого дизельного впрыска являются существенно неоднородные поля скорости, турбулентности, избытка воздуха и, как следствие, содержания компонентов продуктов сгорания (ПС). Значение коэффициента.избытка воздуха (КИВ) в камере сгорания (КС) изменяется от а«0,9 вблизи, свечи зажигания, что обеспечивает надежное воспламенение, до а~3.4 вдали от нее. Среднее по объему КС значение КИВ достигает аср~2.2,5 при полном сгорании топлива, что обеспечивает двухкратное снижение его расхода.

Расчет наиболее выгодных полей КИВ и полей содержания оксида N0 в ПС требует применения современных методов турбулентного тепломассообмена и химической кинетики горения топлива. Уровень содержания оксида N0 в отработавших газах (ОГ) определяется, в основном, процессом догорания перемешивающихся масс ПС с избытком кислорода или с избытком горючих компонентов, происходящим за фронтом пламени. В связи с изложенным процесс догорания рассматривается как химический турбулентный тепломассообмен (ХТТ). Метод ХТТ реализуется при последовательном решении задач турбулентной газодинамики, впрыска топлива, образования неоднородной горючей смеси, горения в турбулентном фронте и, наконец, трехмерного догорания за фронтом пламени (и в течение такта расширения), при допущениях, позволяющих получить надежные результаты при не слишком больших затратах машинного времени.

Ярко выраженные неоднородные поля при "дизельном" впрыске требуют постановки и решения нелинейных задач ХТТ, что является характерной особенностью данной работы.

Целью работы является повышение эффективности снижение содержания оксида азота в отработавших газах для режима "дизельного" впрыска топлива двигателя на основе метода химического турбулентного тепломассообмена.

Научная задача работы заключается в разработке и апробации нового варианта метода химического турбулентного тепломассообмена, позволяющего решать задачи смесеобразования и горения в нелинейной постановке, что позволит применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Цель и задача работы определили необходимость решения следующих промежуточных задач:

1) провести анализ литературных данных с целью выбора для условий ДВС модели турбулентности и кинетических механизмов горения и догорания;

2) произвести многовариантные расчеты задач впрыска и турбулентной газодинамики (программа GAS-2 проф. В.А. Дунаева), испарения топлива и конвективно-диффузионного образования горючей смеси в нелинейной постановке; обобщить полученные результаты в виде зависимости неоднородности поля КИВ перед зажиганием от параметров впрыска; |

3) рассчитать движение и геометрию турбулентного фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси;

4) определить температуру горения и конечный состав продуктов сгорания (включая оксид N0) в рамках одномерной модели химической кинетики горения для микроламинарного фронта пламени при различных локальных значениях коэффициента избытка воздуха в КС;

5) решить основную задачу ХТТ в зоне догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения в нелинейной постановке при различной степени рециркуляции ОГ; обобщить полученные результаты в виде графических зависимостей, позволяющих определить содержание оксида азота в ОГ по итоговым данным впрыска; произвести оценку изменений среднего индикаторного давления ДВС при варьировании параметрами впрыска; провести измерения содержания оксида азота в ОГ двигателя GDI для сравнения с расчетными данными.

Задачи 3 и 4 решались с применением программ, разработанных проф. С.А. Чесноковым [1].

Методы исследования базируются:

7. теоретические: на основных положениях химической кинетики, турбулентной газодинамики и механики газовых смесей; в работе используются приемы математического анализа, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений; . .

- экспериментальные: на применении спектрометрии при определении турбулентной скорости горения, а также серийного газоанализатора для замеров содержания оксида азота в ОГ.

Научная новизна заключается в разработке метода химического турбулентного тепломассообмена, отличающегося от известных математическим описанием неоднородных полей избытка воздуха и содержания компонентов продуктов сгорания. В результате:

- установлены закономерности формирования горючей смеси и особенности процессов догорания в нелинейной постановке;

- определена зависимость химической кинетики догорания от турбулентных пульсаций температуры и содержания радикалов;

- установлена динамика снижения содержания оксида азота в ОГ при изменениях неоднородности поля КИВ и степени рециркуляции ОГ.

Научная значимость работы определяется применением современных методов тепломассообмена в многомерных задачах турбулентного горения в ДВС.

Практическая значимость работы заключается в предложенной:

- методике прогноза содержания оксида азота в ОГ по итоговым графическим зависимостям без выполнения сложных расчетов;

- методике оценки среднего индикаторного давления в ДВС и опасности чрезмерного снижения энергетических характеристик двигателя.

Реализация результатов работы. Результаты работы и методики переданы в ОАО "АК Туламашзавод" для их использования. Материалы исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО "Тульский государственный университет" в рамках учебных дисциплин "Основы научных исследований и испытания- двигателей"' и "Теплотехника". Издано учебное пособие «Программирование и численное моделирование химического турбулентного тепломассообмена при горении в ДВС».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной конференции Двигатель - 2007, посвященной 100 - летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана - г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007; всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука - производство - технологии -экология» - г. Киров, ГОУ ВПО «ВятГУ», 2008; международной научно -производственной конференции, посвященной 50 - летию ПГУАС и 10 -летию кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» - г. Пенза, ГОУ ВПО «ПГУАС», 2008; VI всероссийской научно - технической конференции «Политранспортные системы» - г. Новосибирск, ГОУ ВПО «СГУПС», 2009; международной научно - технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» - г.Тула, ГОУ ВПО «ТулГУ», 2009.

5.3 Выводы по главе

Для проверки адекватности математической модели процесса сгорания и образования токсичных компонентов в отработавших газах, сравнивались результаты опытных исследований, проведенных на двигателе, которые позволили:

1. На основе спектроскопических измерений удалось оценить продолжительность горения и его среднюю турбулентную скорость. Это позволило вычислить значения турбулентной скорости горения для различных коэффициентов избытка воздуха и степени рециркуляции отработавших газов.

2. При использовании комбинированного 5-и компонентного газоанализатора АВТОТЕСТ 02.03 П1 измерено содержание оксида азота N0 в отработавших газах для рабочего режима двигателя Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI: гно= (0,108 ± 0,004) %. Измерения проведены при отборе ОГ до нейтрализатора при отсутствии рециркуляции и среднем коэффициенте избытка воздуха аср-2.

132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на примере двигателя Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI, проведено теоретическое изучение динамики снижения содержания оксида азота в отработавших газах для режима "дизельного" впрыска топлива (аср = 1,5.2,5) за счет неоднородности поля коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и степени рециркуляции ОГ.

Для этого потребовалось развитие и уточнение метода химического турбулентного тепломассообмена [1], позволившего создать эффективные, но достаточно простые модели смесеобразования и горения, учитывающие сильную нелинейность турбулентных коэффициентов переноса и применить их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

При решении перечисленных выше промежуточных задач получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Анализ литературных данных и пробное тестирование позволили обосновать для условий ДВС широко используемую к-е модель турбулентности и кинетические механизмы горения и догорания бензина в ДВС (257 и 31 реакции), полученные на основе полуэмпирического механизма горения н-гептана Т. Хелда для легких и тяжелых частиц.

2. Произведены расчеты процессов впрыска и образования горючей смеси при варьировании основной характеристики форсунки — скорости впрыска Увпр -50. 100 м/с.

3. Получены поля скорости, турбулентности и коэффициента избытка воздуха (КИВ) при использовании нелинейного уравнения диффузии паров топлива. Где учет нелинейности этого уравнения изменяет локальные значения КИВ на 5. 15%, что влияет (до 20.80%) на содержание основных компонентов продуктов сгорания. Скорость впрыска определяет циркуляцию воздуха, а затем и горючей смеси в камере сгорания (КС). Это влияет на неоднородность поля КИВ Да и период (время зажигания гз), в течение которого богатая зона смеси (а«0,9) перемещается к свече зажигания.

Установлена многофункциональная связь параметров впрыска и представлена итоговая зависимость Да и тз от УВПР.

4. Определено влияния турбулентных пульсаций температуры и содержания радикалов на средние значения констант скорости бирадикальных реакций. Показано, что поправочный коэффициент вблизи фронта горения достигает значений 2.3, что уточняет, в частности, содержание оксида азота N0 в ОГ на 20. .30%.

5. Получены максимальные значения температуры горения Тс = 2904К и нормальной скорости горения ип = 0,34 м/с, а также состав продуктов сгорания при решении задачи одномерной химической кинетики для микроламинарного фронта пламени, при варьировании значением КИВ (а=0,9.4) и степени рециркуляции (Я=0.0,2), доля остаточных газов принималась 0,05. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному (кроме N0) с погрешностью ~ 10% для а~1 и < 2% для а~3.4.

6. Показано, что при расчетах движения и геометрии фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси эффективно условное выделение начального и основного периода горения. В начале горения (до ~ 0,3 мс) движение фронта определяется, в основном, температурным расширением продуктов сгорания, а геометрия фронта остается сферической, что позволяет решить задачу движения фронта в сферически симметричной пространственной системе координат с учетом выделения тепла искрой зажигания. В основном периоде (> 0,3 мс) преобладает выгорание смеси, а геометрия фронта сильно искажается в неоднородном поле КИВ. При больших радиусах фронта, в границах КС, его поверхность считается двухмерной. Результаты расчетов показывают, что подобный подход позволяет наиболее просто, но с достаточной точностью описать динамику движения фронта горения.

7. Получены трехмерные поля температуры и поля содержания компонентов в результате решения задачи химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ) для догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения.

Применение рециркуляции отработавших газов (до R=0,2) снижает температуру горения на ~ 200 К и для сильно неоднородного поля КИВ (Да=4 при amj„ = 0,9) мольная доля оксида NO в отработавших газах уменьшается до г^о = 0,8-Ю-4, то есть, практически, до уровня требований EURO-4. Содержанием оксида СО при высоких а можно пренебречь.

8. Установлена обобщенная графическая зависимость rN0 =/(Я,Ла), которая совместно с итоговыми графиками впрыска Да (I,/гвпр) и тз (vbnp) позволяет без проведения сложных расчетов по заданной скорости УВПр определить неоднородность поля Да, время зажигания т3 и содержание оксида азота rNO в отработавших газах при заданной их рециркуляции R.

9. Получена общая зависимость среднего индикаторного давления pi как функция Да и R, ее применение делает возможным ограничение значений Да и R, при которых р; остается достаточно высоким. Определен оптимальный режим работы двигателя GDI, для которого токсичность отработавших газов достаточно мала rNO =0,8-Ю-4, а уровень энергетики двигателя является вполне приемлимым р;=0,72 МПа.

10. В диссертации разработан и реализован метод химического турбулентного тепломассообмена, позволяющий с точностью ±15% прогнозировать содержание оксида азота в отработавших газах двигателя типа GDI для режима дизельного впрыска. Метод может применяться для однотипных двигателей с целью повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.

Данные расчетов процесса ХТТ в двигателе GDI, удовлетворительно соответствуют результатам эксперимента по измерению содержания оксида NO в ОГ (при аср=2 и R=0 rNO =(0,113±0,015)%, rN0 =(0,108+0,004)%). Соответствие этих данных достаточно удовлетворительное.

135

1. Чесноков, С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания / С.А. Чесноков; ТулГУ. — Тула : Изд-во ТулГУ, 2005.-466 с.

2. Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях / Р.З. Кавтарадзе. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 590 с.

3. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл ; пер. с англ. Г. JI. Агафонова ; под ред. П. А. Власова. -М. : Физматлит, 2003. 352 с.

4. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А. Звонов. 2-е изд., перераб. - М. : Машиностроение, 1981. - 160 с.

5. Талантов, А.В. Горение в потоке / А.В. Талантов. М. : Машиностроение, 1978. — 160 с.

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

7. Karlovitc, В. Investigation of Turbulent Flames / В. Karlovitc, D. Denniston, F. Wells // The Journal of chemical Physics. 1951, V.19. - №5. - P. 541-547.

8. Borghi, R.B. Recent advances in aeronautical science / R.B. Borghi. -London : Pergamon, 1984. 129 p.

9. Moss, J.B. Simultaneous Measurements of Concentration and Velocity in an Open Premixed Turbulent Flame / J.B. Moss // Combustion Science and Technology. 1980. - V.22. -№3-4. - P. 119-129.

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

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

12. Волков, К.Н. Сравнение низкорейнольдсовых моделей турбулентности с данными прямого численного моделирования течения в канале / К.Н. Волков // Теплофизика и аэромеханика. 2005. - Т. 12. - № 3. -С. 365-378.

13. Волков, К.Н. Граничные условия на стенке и сеточная зависимость решения в расчетах турбулентных течений на неструктурированных сетках / К.Н. Волков // Вычислительные методы и программирование. 2006. - Т. 7. -С. 211-223.

14. Булгаков, В.К. Метод расчета и численные исследования турбулентных двумерных отрывных течений в двигателях внутреннего сгорания / В.К. Булгаков, Н.В. Булгаков, A.A. Галат. Хабаровск : Вычислительный центр ДВО РАН, 2004. - 48 с.

15. Булгаков, В.К. Математические модели тепломассопереноса турбулентных слаборасширяющихся отрывных течений в ДВС / В.К. Булгаков, Н.В. Булгаков. Хабаровск : Вычислительный центр ДВО РАН, 2003.-44 с.

16. Белов, И.А. Моделирование турбулентных течений : учеб. пособие / И.А. Белов, С.А. Исаев. СПб.: Изд-во Балт. гос. тех. ун-та, 2001. - 108 с.

17. Гавин, Л.Б. Турбулентные течения газа с горящими частицами : учеб. пособие / Л.Б. Гавин. Новосибирск : Изд-во Новосиб. ун-та, 1993. - 60 с.

18. Кузьминов, A.B. Метод расчета турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной k-s модели / A.B. Кузьминов, В.Н. Лапин, С.Г. Черный // Вычислительные технологии. 2001. - Т. 6. - № 5.-С. 73-86.

19. Волчков, Э.П. Структура течения, тепло— и массоперенос в пограничных слоях со вдувом химически реагирующих веществ / Э.П. Волчков, В.И. Терехов, В.В. Терехов // ФГВ. 2004. - №1. - С. 3-20.

20. Riegler, U. G. Berechnung der Verbrennung und der Schadstoffbildung in Ottomotoren unter Verwendung detaillierter Reaktionsmechanismen :

21. Dissertation / U. G. Riegler. Fakultät Energietechnik der Universität Stuttgart, Deutschland, 1999.

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

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

24. Bui-Pham, M. Comparison between experimental measurements and numerical calculations of the structure of heptane-air diffusion flames / M. Bui-Pham, K. Seshadri // Combust. Sei. and Techn. 1991. - V. 79. - P. 293-310.

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

26. Muller, U.S. Global kinetic for n-heptane ignition at high pressures / U.S. Muller, N. Peters, A. Linan // Proc. 24th Symp. (Int.) on Combustion. -Pitsburg, Pensylvania. 1992. - P. 777.

27. Basevich, V.Ya. Chemical kinetics in the combustion process / V.Ya. Basevich ; Ed. by N.P. Cheremisinoff. Houston : GulfPubl. Co., 1990. - P. 769.

28. Trevino, C. Reduced kinetic mechanism for methane ignition / C. Trevino, F. Mendez // Proc. 24th Symp. (Int.) on combustion. Pitsburg, Pensylvania. - 1992. - P. 121-127.

29. Maas, U. Ignition process in carbon monoxidehydrogen oxygen mixture / U. Maas, J. Warnatz // Proc. 22th Symp.(Int.) on Combustion. - Pitsburg, Pensylvania. - 1988. - P. 1695-1704.

30. Карасевич, Ю.К. Прямые и обратные задачи в химической кинетике / Ю.К. Карасевич, М.Г. Нейгауз ; ред. В.И. Быков. Новосибирск : Наука, 1993.-248 с.

31. Held, T.J. A Semi-Empirical Reaction Mechanism for n-Heptane Oxidation and Pyrolysis / T.J. Held, A.J. Marchese, F.L. Dryer // Combust. Sci. and Tech. 1997,-V. 123.-№1-6. - P. 107-146.

32. Warnatz, J. Chemistry of High Temperature Combustion of Alkanes up to Octane / J. Warnatz // Proc. Comb. Inst. 1985. - V. 20. - P. 845-856.

33. Card, J.M. Asymptotic analysis of the structure and extinction of spherically symmetrical n-heptane diffusion flames / J. M. Card, F.A. Williams // Combust. Sci. and Tech. 1992. - V.84. -№1-6. - P. 91-119.

34. Card, J.M. Asymptotic analysis for the burning of я-heptane droplets using a four-step reduced mechanism / J.M. Card // Combustion and flame. 1993. - V.93. -№4 - P. 375-390.

35. Axelsson, E.I. Chemical Kinetic Modelling of Large Alkane Fuels: n-Octane and Iso-Octane / E.I. Axelsson, K. Brezinsky, F.L. Dryer, W.J. Pitz, C.K. Westbrook // 21st Symp.(Int) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh. - 1986. - P. 783-793.

36. Звонов, B.A. Анализ механизмов образования оксидов азота при сгорании углеводородных топлив в камере сгорания ДВС / В.А. Звонов, М.П. Гиринович // Приводная техника. — 2004. -№ 5. С. 27-34.

37. Гиринович, М.П. Исследование процессов образования оксидов азота при сгорании топлив в перспективных дизелях : дис. . канд. техн. наук : 05.04.02 / Гиринович Михаил Петрович. М., 2006. - 123 с.

38. Fenimore, С.Р. Formation of nitric oxide from fuel nitrogen in ethylene flames / C.P. Fenimore // Combustion and Flames. 1972. - V.19. - № 2. - P. 289-296.

39. Harris, R.J. The Formation of Oxides of Nitrogen in High Temperature CH4-02-N2 Flames / R.J. Harris; M. Nasralla; A. Williams // Combustion Science and Technology. 1976. - V. 14. - №1-3. - P. 85-94.

40. Malte, J. Hydroxyl radical and atomic oxygen concentrations in highintensiv turbulent combustion / J. Malte, S.С. Schidt, D.T. Pratt // 16-th Symposium of Combustion. Pitssburgh, Pensylvania. - 1967. - P. 145-155.

41. Потапов, С.А. Снижение токсичности отработавших газов на основе неравновесных расчетов горения при стехиометрическом впрыске топлива в цилиндры ДВС : дис. . канд. техн. наук: 05.04.02 / Потапов Сергей Александрович. Тула, 2008. - 142 с.

42. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид, Т. Шервуд. J1. : Химия, 1971.-704 с.

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

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

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

46. Петриченко, P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС : учебное пособие / P.M. Петриченко. Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1983.-244 с.

47. Кузьминов, A.B. Метод расчета турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной k-s модели / A.B. Кузьминов, В.Н. Лапин, С.Г. Черный // Вычислительные технологии. 2001. - Т. 6. - № 5. - С. 73-86.

48. Moss, J.B. Simultaneous Measurements of Concentration and Velocity in an Open Premixed Turbulent Flame / J.B. Moss // Combustion Science and Technology. 1980. - V.22. - №3^1. - P. 119-129.

49. Чесноков,. С.А. Модели смесеобразования и горения в ДВС с непосредственным впрыском / С.А. Чесноков, H.H. Фролов, В.А. Дунаев, И.В. Кузьмина // Двигателестроение. 2005. - № 1. — С. 3-5.

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

51. Пажи, Д.Г. Основы техники распыливания жидкостей / Д.Г. Пажи, B.C. Галустов. М. : Химия, 1984. - 250 с.

52. Гуреев, A.A. Испаряемость топлив для поршневых двигателей / A.A. Гуреев, Г.М. Камфер. -М. : Химия, 1982. 264 с.

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

54. Асмус, Т.У. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др. ; пер. с англ. A.M. Васильева ; под ред. A.B. Кострова. М. : Машиностроение, 1988. - 504 с.

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

56. Чесноков, С.А. Турбулентность при горении в ДВС / С.А. Чесноков, H.H. Фролов, С.А. Потапов, С.А. Тишин // Двигателестроение. 2008. - № 1. -С. 13-16.

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

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

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

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

61. Ciezki, H. Shock-tube investigation of self-ignition of «-heptane-air mixtures under engine relevant conditions / H. Ciezki, G. Adomeit // Combustion and flame. 1993. - V. 93. - №4. - P. 421-433.

62. Gear, C.W. Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations / C.W. Gear. Englewood Cliffs, N.J. : Prentice - Hall, 1971. - 253 p.

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

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

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

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

67. Фролов, С.М. Моделирование горения и образования токсичных веществ в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия / С.М. Фролов, В.Я. Басевич, A.A. Беляев, А.Н. Гоц // Химическая физика. -2004.-№8. -С. 50-57.

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

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