CC BY
31Анализ механизмов образования и методов расчета концентрации оксидов азота в поршневых
двигателях (часть 2)
Окончание. Начало в № 5 (23) 2011 г.
З.Р. Кавтарадзе,
научный сотрудник НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н., Р.З. Кавтарадзе,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
В статье приведен критический анализ механизмов образования оксидов азота, а также методов расчета их концентрации в камерах сгорания современных поршневых двигателей, работающих на традиционных и альтернативных топливах.
Ключевые слова: механизм образования, оксиды азота, традиционные топлива, альтернативные топлива, методы расчета.
The analysis of NO-formation and methods of calculation of NO-concentration in the piston engines working on traditional and alternative fuel
The end. The beginning in № 5 (23) 2011 Z.R. Kavtaradze, R.Z. Kavtaradze
The paper presents a critical analysis of the NO-formation mechanisms, as well as methods of calculation of NO-concentration in the combustion chambers of modern piston engines operating on conventional and alternative fuels.
Keywords: mechanism of formation, nitrogen oxides, traditional fuels, alternative fuels, the methods of calculation.
Методы расчета концентрации NOx в камере сгорания поршневого двигателя
Одной из первых попыток расчета NOx в поршневых двигателях является работа A.Schröer [33]. В расчетах учитывалось изменение средней по объему цилиндра температуры, полученной на основе однозонной модели, в которой нет разделения объема на зоны сгоревшей и несгоревшей смесей. Кроме того, модель не учитывает кинетику химической реакции. В результате была получена полуэмпирическая формула для определения концентрации NOx в зависимости от средней по объему температуры газа. Аналогичный подход используют K.J. Wu и R.C. Peterson [34], которые простую экспоненциальную формулу для расчета концентрации NOx, полученную на основе опытов, включили в общую программу расчета рабочего процесса.
Ограниченность таких подходов очевидна. W.Wachter и др. [35] сделали попытку расширения и модификации однозонной модели для расчета температуры в зоне горения путем введения граничных условий, согласно которым коэффициент избытка воздуха в зоне горения ав =1. Температура в таких стехиометрических зонах превышает среднюю по объему цилиндра температуру и используется для расчета концентрации NOx. Состав смеси в цилиндре определяется на основе гипотезы мгновенного перемешивания сгоревшей и несгоревшей частей заряда, что соответствует однозонной модели. Учитывалась также диссоциация продуктов полного сгорания CO2 и H2O, а теплофизические свойства газов определялись по данным [20].
Подробное описание одно-, двух- и многозонных моделей рабочего процесса поршневых двигателей с внутренним и внешним смесеобразованием изложено в [1]. Подчеркивается, что однозонную модель следует использовать только для расчета эффективных показателей рабочего цикла. Для химических реакций образования NOx необходимо знание максимальных локальных температур рабочего тела, которые могут отличаться в 2-2,5 раза от средней по объему температуры, рассчитанной с помощью однозонной модели.
Двухзонные модели не позволяют определить локальную температуру газа в объеме цилиндра, но дают возможность вычислить температуру продуктов сгорания и более точно, чем однозонные модели, определить концентрацию NOx .
Одной из первых двухзонных моделей является модель, предложенная G.Krassing [36] и использованная позже в [20]. Для каждой зоны применяются уравнения сохранения энергии (первый закон термодинамики), массы и состояния. В результате решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений получают изменение температуры по времени для двух условных зон: зоны с
еще несгоревшей топливовоздушной смесью (ТВС) и зоны с продуктами сгорания. Последняя предназначена для расчета концентрации NOx. Масса заряда в обеих зонах определяется с учетом количества сгоревшего топлива и изменения мгновенного коэффициента избытка воздуха ав=/(т) в зоне сгорания. При задании ав=/(т) принимается, что в этой зоне сгорание начинается при обогащенной смеси (ав=0,7). В результате этого предположения кривая тепловыделения в зоне со сгоревшей смесью двухзонной модели может расходиться с кривой тепловыделения од-нозонной модели, что при правильно заданных условиях не должно быть.
Эти предположения используются и в других двухзон-ных моделях, в частности, в работе [1], в которой учитывается теплообмен не только между газом и стенками цилиндра, но и между зонами. Учет теплообмена усложняет задачу, так как возникает необходимость определения площади поверхности соприкосновения зон (площадь теплообмена), которая в течение сгорания меняется, принимая нулевое значение в начале и в конце процесса. В [1, 20, 23, 37] допускается, что отношение площадей обеих зон соответствует отношению их же объемов. Если рассматривается гетерогенное горение традиционного дизельного топлива, возникает необходимость расчета площадей поверхностей взаимообмена излучением (угловые коэффициенты), значения которых меняются в зависимости от перемещения поршня [37]. Учет конвективных и радиационных тепловых потоков между зонами [1, 23, 37] повышает достоверность определения температуры продуктов сгорания в зоне со сгоревшей смесью и, как результат, достоверность расчета концентрации NOx .
В этом смысле двухзонная модель, предложенная M.Ishida и др. [38], заметно уступает моделям G.Krassing [20, 36] и МГТУ им. Н.Э. Баумана [1, 24], так как теплообмен между зонами, а также со стенками не учитывается, и изменение состояния в обеих зонах рассматривается как адиабатическое. Разделение камеры сгорания на две зоны происходит по зональным массам. Масса в зоне со сгоревшей смесью, в отличие от [20, 36], определяется с помощью постоянного для данного режима коэффициента избытка воздуха a^const и доли сгоревшего топлива, полученной из функции тепловыделения для однозонной модели. Величина a^const в зоне горения для каждого режима устанавливается путем итераций, исходя при этом из измеренных концентраций NOx . Модели M.Ishida и др. [38], а также G.Krassing [20, 36] основаны на расширенном механизме Зельдовича. Отсутствие реальной закономерности в виде функции ав=/(т) снижает надежность этих моделей, особенно при прогнозировании концентрации NOx для новых, проектируемых двигателей. Модель [38], которая исходит из измеренных концентраций NOx , больше подходит для определения температуры в зоне
горения, то есть для решения обратной задачи, позволяющей определить не концентрацию NOx , как функию температуры, а наоборот температуру как функцию концентрации NOx .
Дальнейшее развитие двухзонные модели нашли в работах G.Heider [6, 39], выполненных в институте двигателей Мюнхенского технического университета. При принятии для данного рабочего цикла в зоне горения a^const и определении массы топлива в этой зоне по закону тепловыделения, массы в ней, а также в зоне с несгоревшей смесью определяются однозначно. Разница между температурами зон с несгоревшей Т ' и сгоревшей Т" смесями максимальна в начале сгорания вследствие большой разницы между температурами пламени и воздуха в зоне с несгоревшей смесью. Дальше эта разность зависит от доли теплоты, передаваемой из зоны со сгоревшей смесью в зону с несгоревшей. Обмен энергиями между зонами учитывается эмпирическими коэффициентами, а разность зональных температур вычисляется для каждого угла поворота коленчатого вала (ПКВ) ф с помощью формулы
7'(ф)-7'(ф)=А*Л(ф), (15)
где А =А —!^-,в(ф) = 1_.i
|[Р(Ф)-Р0(Ф)]'Я^Ф
2,2а (
Здесь A - постоянный коэффициент для данного двигателя; фе[фнс, фо вып] - текущий угол поворота коленчатого вала; фнс - угол ПКВ, соответствующий моменту начала сгорания; фо вып - угол ПКВ, соответствующий моменту открытия выпускного клапана; авЕ - суммарный коэффициент избытка воздуха; ав0 - коэффициент избытка воздуха в зоне горения; р(ф) и р0(ф) - текущие давления в цилиндре при сгорании и без сгорания (режим прокрутки) соответственно; m" - масса в зоне сгоревшей смеси.
Коэффициент А вычисляется с помощью итераций при известных из опыта тепловыделении и концентрации NOx (см. табл. 2). Для дизелей малых и средних размеров с закруткой заряда следует принимать ав0=1. Кроме того, С = 0,15 - для дизелей с четырьмя клапанами на цилиндр и центральным расположением форсунки, С = 0,07 - для дизелей с двумя клапанами на цилиндр и боковым расположением форсунки. Для дизелей больших размеров без закрутки ав0=1,03, а в случае рециркуляции отработавших газов ав0 =1,03-0,24— , A"=A=const, где z - степень
ВО 1()0 , М
рециркуляции (отношение количества рециркулируе-мых газов к количеству свежего заряда в процентах). Для бензиновых двигателей G.Heider рекомендует принять ав0 = а/ и A" = const [6]. С помощью этих эмпирических коэффициентов учитывается турбулентное перемешивание зон в зависимости от развития процесса сгорания, а также
Таблица 2
Эмпирические коэффициенты из (15) в зависимости от исследуемого дизеля и используемого топлива [6]
ДВС о, в, п, Е Число Тактность Закрутка Топливо А, К
мм мм мин-1 цилиндров
1 80 96 4000 20 4 4 + 1,0 ДТ 1650
2 128 142 2100 16 1 4 + 1,0 ДТ 1740
3 160 180 1500 14 1 4 + 1,0 ДТ 1580
4 240 300 900 14 6 4 + 1,0 ДТ 1530
5 400 540 514 14 6 4 - 1,03 ДТ ТЛТ 1540 1610
6* 480 600 450 14 6 4 - 1,03 ТДТ 1615
6** 480 600 450 14 6 4 - 1,03 ТДТ 1650
7 580 1700 127 17 7 2 - 1,03 ТДТ 1655
Примечание. ДТ - дизельное топливо; ТДТ - тяжелое дизельное топливо; расходом топлива.
конвективный и лучистый теплообмен между ними. Для расчета концентрации NOx G.Heider использует расширенный механизм Зельдовича (5)-(7) [Формулы (1)-(14) см. часть 1 // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 5 (23). - С. 65-71].
Двухзонная модель В.НоЫЬаыт [40], в которую включены подмодели распыливания топлива и перемешивания зон, представляет собой дальнейшее развитие двухзонной модели W.Kleinschmidt [19]. Как и в других рассмотренных выше моделях, здесь для обеих зон применяется первый закон термодинамики, а изменение коэффициента избытка воздуха ав=А(г) в зоне сгоревшей смеси принимается таким же, как и в модели G.Krassing [20, 36], и определяется распределением масс по зонам. Модель В.НоЫЬаит [40] учитывает разделение теплоты, передаваемой стенкам камеры, на две части: зону реакции (зона сгоревшей смеси) и зону несгоревшей смеси. При этом предполагается, что доля теплового потока от сгоревшей смеси в суммарном тепловом потоке меняется соответственно массе смеси, и в начале сгорания, когда эта масса мала, сгорание получается почти адиабатическое. Таким же образом доля теплового потока несгоревшей смеси в суммарном тепловом потоке к концу сгорания стремится к нулю в результате уменьшения массы смеси до нулевого значения.
Концентрация NOx оценивается на основе рассчитанных зональных температур, при этом процессы сгорания и образования N0 в зоне горения описываются 20 реакциями, предложенными W.Kleinschmidt [19]. Из них 9 реакций (см. табл. 1, часть 1) относятся к механизму образования N0. Примечательно, что В.НоЫЬаит сделал попытку расширить возможности двухзонной модели и учесть в расчетах процесс распыливания топлива [40].
Двухзонные модели по своей сущности больше подходят двигателям с искровым зажиганием, в которых фронт
- ДВС с оптимальными вредными выбросами; ** - ДВС с оптимальным
пламени действительно делит камеру сгорания на две части - со свежим зарядом и продуктами сгорания. Поэтому необходимость расширения двухзонных моделей особенно важна для дизелей, в которых деление камеры сгорания на две зоны носит чисто условный характер и его следует рассматривать, прежде всего, как концептуальный подход. Сущности дизельного процесса больше отвечает концепция многозонной квазимерной модели, которая по сравнению с нульмерными (одно- и двухзон-ными) моделями относится к более высокому иерархическому уровню.
Многозонные квазимерные модели стали развиваться в последние 15-20 лет [24, 41-45]. К первым следует отнести работу H.Hiroyasu и T.Kadota [46], которая нашла дальнейшее развитие в более поздних работах H.Hiroyasu [42-44], известных как пакетные модели. В этих моделях топливная струя делится на множество отдельных зон, называемых пакетами, каждый из которых рассматривается как контрольный объем, для которого соблюдаются законы сохранения энергии и массы. Внутри каждого пакета происходят процессы испарения капель, сгорания и образования N0. Однако в отдельных пакетах, которые рассматриваются как адиабатические, не учтены теплообмен и горение топлива. Видимо этим объясняется то, что модель H.Hiroyasu [42-44] дает высокую температуру в зоне сгорания ~ 3800 К, однако она предлагает правильную тенденцию влияния различных параметров на образование N0, но точность полученных результатов оставляет желать лучшего. Аналогично можно сказать и о более поздней модели G.Weisser и K.Boulouchos [41]. Пакетная модель H.Hiroyasu практически без особых изменений применяется и в более поздних работах G.Stiesch [45].
Активные исследования вредных выбросов поршневыми двигателями начались в СССР в 70-е гг. прошлого века и развиваются в настоящее время в России.
Следует назвать основополагающую работу В.А. Звонова [47], а также боле поздние работы его сотрудников [48-50]. Критический анализ работ этой группы позволяет сделать следующие замечания.
1. В работе [47] применяется не расширенный, а классический механизм Зельдовича (5), (6) без учета реакции (7), в частности, роли радикала OH в образовании NO. При этом подчеркивается, что реакция между атомарным азотом N и радикалом OH вносит некоторый дополнительный вклад в образование NO только в двигателях с электрическим зажиганием, в дизелях оказывает незначительное влияние. В качестве аргумента приводится работа I.M. Khan и др. [51]. Более поздние исследования [16, 52] не подтверждают этот факт и не считают тип двигателя признаком для выбора механизма образования NO, поэтому в любом случае предполагают применение расширенного механизма Зельдовича или более развитого механизма (см. табл. 1, часть 1) с последующей оценкой роли каждой из реакций.
2. Одновременно с классическим механизмом Зельдовича в [47] рассматривается бимолекулярный механизм образования оксида азота по реакции (1). Сравнивая между собой эти два подхода, можно сделать вывод, что для расчета процесса образования NO в поршневых двигателях следует учитывать либо две реакции (5) и (6) классического механизма Зельдовича, либо три реакции: две реакции (5) и (6) классического механизма Зельдовича и бимолекулярную реакцию (1) [47]. Однако, как отмечалось выше, еще Я.Б. Зельдовичем [2] было указано, что эти два механизма несовместимы. Более того, именно несостоятельность бимолекулярного механизма обусловила применение Я.Б. Зельдовичем реакций (5) и (6) цепного механизма. Вполне возможно, что пренебрежение реакцией (7) с участием радикала OH приводит к погрешностям, компенсируемым введением бимолекулярной реакции, применение которой в любом случае неоправданно. Заметим также, что в одной из работ [53] для исследования образования оксидов азота в бензиновом двигателе используется только бимолекулярная реакция (1), что принципиально неверно с точки зрения теории Семенова-Зельдовича.
3. Для бензинового двигателя с внешним смесеобразованием разработана многозонная модель (50 зон в камере сгорания), учитывающая неоднородное распределение топлива по зонам в соответствии с нормальным законом распределения (закон Гаусса), а для дизелей предложена двухзонная модель [47]. Такой же подход используется и в более поздних работах [48, 50]. В связи с этим возникает ряд вопросов. Не обоснована сильная гетерогенность смеси в бензиновых двигателях (еще и в карбюраторных) к моменту зажигания. В этих двигателях смесеобразование начинается во впускной системе (карбюратор, впускные
трубопровод и коллектор) и продолжается в цилиндре на тактах впуска и сжатия, то есть времени для гомогенизации смеси более чем достаточно. Поэтому такое неравномерное распределение топлива в цилиндре двигателя ВАЗ 2106, когда для отдельных зон коэффициент избытка воздуха, как это следует из [48], изменяется по закону Гаусса в пределах аве[0,6-1,4], необъяснимо. Действительно, трудно согласиться со следующей аргументацией [47, 48]: то, что в карбюраторных двигателях на некоторых режимах часть топлива поступает в виде жидкой пленки или неиспарившихся капель, является доказательством гетерогенности бензино-воздушной смеси к моменту зажигания. Заметим, что для испарения этих капель времени более чем достаточно - это продолжительность процессов впуска (полностью) и сжатия (почти полностью), то есть почти половина рабочего цикла. Кроме того, жидкая пленка во впускной системе - явление аномальное, тем более что для его устранения существуют различные способы. Малоубедительно также утверждение о том, что экспериментально установленное наличие свободного кислорода в отработавших газах на режиме ав<1 является доказательством гетерогенности смеси. Следует иметь в виду, что гомогенная смесь - понятие феноменологическое, и его не следует понимать на молекулярном уровне. Для описания гетерогенности смеси на молекулярном уровне количество зон будет исчисляться миллионами (в работах [47, 48] число зон 50). При сгорании в условиях недостатка кислорода (ав<1) оксид углерода СО образуется не только из-за неполного сгорания, но и из-за диссоциации продукта полного сгорания 2СО2о2СО+О2, которая происходит при высоких температурах. Выделенный при этом О2 может быть тем самым свободным кислородом в отработавших газах, о котором идет речь в [47]. В бензиновых двигателях при ав<1 в выпускных газах все равно присутствует определенное количество кислорода. На этом и основан принцип работы ^-зонда, который при ав<1, реагируя на концентрацию О2 в отработавших газах, с помощью электронной системы управления делает смесь стехиометрической (ав=1) и тем самым создает благоприятное условие для работы катализатора.
4. В работах [47, 48] нет обоснования распределения коэффициента избытка воздуха по объему камеры сгорания в соответствии с законом нормального распределения (Гаусса), а не с другими законами. Пример распределения капель топлива по закону Розина-Рамлера [1] показывает, что не все процессы в поршневых двигателях соответствуют нормальному закону распределения. Кроме того, приводит к неправильным выводам утверждение о том, что расчеты по пяти вариантам случайного распределения зон показали, что характер их распределения практически не влияет на результаты [48].
5. Многозонная модель [47, 48] не приспособлена для расчета рабочего цикла с гомогенной смесью, так как требует задания распределения коэффициента избытка воздуха в объеме камеры сгорания по закону Гаусса (или по другому закону).
6. В работах [47, 48, 50] не учтен теплообмен между отдельными зонами, и процессы в них рассматриваются как адиабатические, что вносит погрешности при расчете зональных температур и, как следствие, концентрации N0. Учет теплообмена со стенками камеры, осуществляемый по известной формуле Вошни, что в [28] преподносится как усовершенствование многозонной модели [47], практически не влияет на величину концентрации N0. Формула Вошни, как и другие известные формулы коэффициента теплоотдачи, не приспособлена для многозонной модели [37], кроме того, она содержит среднюю объемную температуру газа в цилиндре, которая для расчета концентрации N0 непригодна.
7. В работах [47, 48] для расчета концентрации N0 в продуктах сгорания бензинового двигателя используется многозонная модель, а в [48, 50] для дизелей применяется двухзонная. Конечно, для дизелей можно успешно использовать и двухзонную модель [6, 39], однако применение многозонной модели в бензиновых двигателях целесообразно при непосредственном впрыске, но такие двигатели в [47, 48] не исследуются.
Несмотря на эти замечания, сделанные с точки зрения современного состояния теории поршневых двигателей, следует сказать о тех заслугах, которые принадлежат автору книги [47] и самой книге. В СССР эта книга (первое издание вышло в 1973 г.) была по существу первым исследованием, положившим начало изучению экологических проблем поршневых двигателей. К сожалению, последователи В.А. Звонова в этом направлении [48, 50], особенно в области исследования оксидов азота на основе двух- и многозонных моделей, существенного прогресса не добились и остались на уровне теории, изложенной в книге [47].
Цикл интересных работ по исследованию концентрации N0 в дизелях с учетом неоднородности температурных и концентрационных полей в цилиндре был проведен В.И. Смайлисом [54]. Эти поля были получены по результатам экспериментальных исследований на специальной установке «Призма». Оптическое индицирование с применением газового лазера ЛГ-56 проводилось на дизеле с «цилиндром» призматической формы с сечением 5,5x10 см и соответствующим поршнем (ход поршня 5=10 см). Призматический «цилиндр» имел два окна широкого обзора из кварцевого стекла для визуализации всего объема камеры сгорания. За один пуск двигателя (п=1500 мин-1, р^3-4 МПа, рг=5-6 МПА, ре=0,5-0,6 МПа) осуществлялись 500-800 рабочих циклов, после чего кварцевые
окна очищались. Скоростная киносъемка (частота кадров 5000 с-1) с использованием метода цветовой температуры позволила автору определить температуру в отдельных локальных зонах камеры сгорания, которая потом была использована для расчета концентрации N0. Было установлено, что основная масса (до 80-96 %) N0 образуется в небольших по объему высокотемпературных зонах (слои), охватывающих не более 25 % массы заряда. Однако модель В.И. Смайлиса [54] основана на двух реакциях (5) и (6) классического механизма Зельдовича и на реакции диссоциации 2N0oN2+02, в результате которой, по мнению автора, происходит снижение концентрации N0 от 5...10 % до 2..3 раз. Однако такое снижение концентрации N0 вероятно при устранении процесса «закалки» или при «мягкой закалке» N0, что возможно только за счет сильного уменьшения скорости отвода теплоты из высокотемпературных зон в процессе расширения. Осуществить это на реальном двигателе довольно сложно. Не учитывается также роль радикала ОН в образовании N0. Рассматривая известный «конфликт» между концентрацией оксида азота и удельным расходом топлива де , В.И. Смайлис исходит из термодинамической закономерности [N0]
-> const.
Л,
(16)
где п,. - индикаторный КПД двигателя.
Термодинамический принцип организации рабочего цикла дизеля предусматривает получение максимальной среднемассовой температуры Тт в цилиндре при минимальной неравномерности локальных температур Т, . Математическая формулировка этого принципа основана на том, что в силу термической природы скорость реакции образования N0 подчиняется закону Аррениуса, где доминирует экспоненциальная зависимость от температуры
т__%
|е щс1т-те *Тш ->ПШ1. (17)
о
Разность этих двух величин в реальных условиях всегда существует и может достигнуть нескольких порядков (Т >Тт). Очевидно, что N0 всегда образуется больше в неравномерном поле температур, чем в равномерном с температурой Тт по всей массе т. Практика подтверждает также эффективность снижения концентрации N0 путем снижения среднемассовой температуры Тт . Для практической реализации условия (17) предлагается оптимизация смесеобразования в разные периоды сгорания за счет направленного (вытеснение, вращение) или беспорядочного (турбулизация) движения заряда, изменения параметров сопла и закона топливоподачи. Видно, что основная идея снижения концентрации N0, предложенная в [54], довольно близка к основному принципу НСС1-процесса.
В работе В.М. Фомина [55] в целях поиска оптимального соотношения концентрации NO и ge или п , используется возможность воздействия на кинетический механизм реакции горения путем введения малой дозы водорода в дизельное топливо. Было установлено, что малое содержание водорода в топливе (не более 0,1 %) не приводит к заметному увеличению тепловыделения и не дает чрезмерного возрастания максимальной температуры цикла. Зато сокращается период задержки воспламенения, соответственно тепловыделение в кинетической фазе сгорания снижается, а в диффузионной фазе увеличивается. Это приводит к снижению температурной неоднородности смеси вследствие расширения пределов ее воспламенения. Несмотря на более однородное распределение локальных температур при добавке водорода, снижению концентрации NO препятствует рост максимальной температуры цикла, однако наличие водорода может инициировать выгорание твердых частиц сажи на завершающей стадии цикла.
Отдельно следует выделить ряд известных монографий и учебников по фундаментальным вопросам горения и тепловыделения в поршневых двигателях, в которых наличие NO в продуктах сгорания рассматривается как нежелательный факт, однако, методы для его прогнозирования и расчета концентрации NO не рассматриваются [56-59]. Для известной книги А.Н. Воинова [56] это может быть объяснено относительной неактуальностью проблемы для того периода. В первом издании [57] своей работы Н.Ф. Разлейцев ограничивается только кратким рассмотрением классического механизма Зельдовича, а в последующих переработанных изданиях [58, 59] и того не приводит, рассматривая при этом оптимизацию сгорания только с точки зрения тепловыделения (КПД двигателя). К таким исследованиям можно отнести и работу В.М. Махова [60], разработавшего оригинальную макро-кинетическую модель сгорания в дизеле на основе фундаментальной теории Я.Б. Зельдовича, в частности, путем введения понятия изостехиометрической поверхности. Принимается, что безразмерная концентрация топливного факела плавно меняется от единицы в ядре факела (чистое топливо без примесей воздуха) до нуля у стенки камеры сгорания (чистый воздух без примесей топлива). При этом пренебрегают разрывами в изменении концентрации на поверхности капель топлива, имеющими место в реальном процессе, в особенности при отсутствии испарения капель. Из этого следует, что локальный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания тоже меняется плавно от ав = 0 до ав^да. В промежутке этих значений существуют непрерывные замкнутые поверхности с постоянными коэффициентами избытка воздуха 0 < ав = const < да, в том числе и изостехиометричес-кая поверхность а = 1. При применении константы
интегральной скорости реакции сгорания задачи моделирования процесса сгорания, в частности, тепловыделения, практически сводятся к отысканию положения и величины этой поверхности [60]. К сожалению, вопрос о включении в данную модель механизма образования N0 в [60] не затрагивается.
Большая группа работ, посвященных вопросам снижения концентрации N0, относится либо к конкретным двигателям, например, КАМАЗ [61], ЯМЗ [62], либо к конкретным методам, например, рециркуляции отработавших газов [63]. Последний, как известно, в современных поршневых двигателях находит широкое применение. Заметим, что при рециркуляции уменьшается теплота, введенная за цикл, и как следствие снижается его максимальная температура. Следует подчеркнуть, что аналогичное обеднение смеси добавкой воздуха приводит к такому же снижению температуры, однако, при этом растет количество кислорода в продуктах сгорания, что способствует образованию N0, а при рециркуляции концентрация 02 в продуктах сгорания не меняется. Таким образом, интенсивное подавление образования N0 при рециркуляции отработавших газов связано со снижением температуры газов в процессе сгорания при неизменной концентрации кислорода в продуктах сгорания. Это является преимуществом рециркуляции перед обеднением смеси, приводящим к росту концентрации N0.
Анализ методов воздействия на рабочий процесс поршневых двигателей, работающих на традиционных или альтернативных топливах, в целях снижения концентрации N0 в выпускных газах является отдельной темой. Эти методы подробно изложены в работах В.А. Звонова и др. [66], К.А. Морозова [67], В.А. Маркова и др. [68], А.Р. Кульчицкого [69], А.И. Гайворонского и др. [70], Н.Н. Патрахаль-цева [71], а также в [64, 65]. В них приведены и обобщены результаты исследования образований N0, полученные за последние годы. Они характеризируются большой информативностью и ясным изложением прикладных вопросов по применению известных моделей рабочего процесса, механизмов образования оксидов азота, способов снижения концентрации N0, устройств и принципов работы ряда приборов для измерения концентрации N0^ Из зарубежных работ данного направления следует также отметить исследования G.Zitzler [72] и М.Ргадег [73], в которых проанализировано образование N0x в двухтопливных двигателях, когда в качестве основного топлива используются метан или различные синтез-газы, а воспламенение происходит с помощью запальной дозы дизельного топлива.
В ряде случаев для расчета концентрации оксидов азота в продуктах сгорания используются экспоненциальные соотношения типа уравнении Аррениуса (3), где используется максимальная, усредненная по объему цилиндра,
температура Т2 . Эмпирические коэффициенты в этих уравнениях получены для определенных конкретных случаев и не обобщены для других типов двигателей. Очевидно, что их достоверность невысока, и они могут быть использованы только для приближенной оценки образования N0 в поршневых двигателях. Примеры таких эмпирических выражений рассмотрены в [64, 65].
Анализ научно-технической литературы по образованию оксидов азота, а также по методам расчета их концентрации в продуктах сгорания поршневых двигателей, работающих на традиционных и альтернативных топливах, позволяет сделать следующие выводы:
1. При сжигании традиционных и альтернативных топлив, когда окислителем является воздух, из-за высоких температур сгорания практически неизбежно образование различных соединений азота с кислородом.
2. Экологические характеристики поршневых двигателей решающим образом зависят от содержания в продуктах сгорания оксидов азота N0^ которые своим вредным воздействием на человека, флору и фауну существенно превосходят другие возможные вредные компоненты. Поэтому снижение концентрации N0x в выпускных газах является одной из самых актуальных задач, стоящих перед разработчиками современных поршневых двигателей, в том числе и работающих на альтернативных топливах.
3. Концентрация оксидов азота в продуктах сгорания зависит, прежде всего, от качества рабочего процесса. Большое число факторов (конструкционные, регулировочные, эксплуатационные), влияние которых сложно, а зачастую противоречиво, обусловливает необходимость проведения исследовательских работ, связанных с большими расходами и длительными сроками. В связи с этим актуальными являются создание и развитие методов расчета концентрации N0x , внедрение которых существенно снизит объем финансирования и сроки исполнения при создании новых и при доводке существующих двигателей.
4. Математические модели для исследования снижения концентрации N0x должны основываться на надежной модели расчета температур цикла, определяющих количество N0, использовании хорошо проверенного механизма образования N0 и возможности исследовать влияние различных параметров рабочего цикла на величину концентрации N0x .
5. Наибольшее распространение при исследовании концентрации N0x в поршневых двигателях, работающих на традиционных и альтернативных топливах, как за рубежом, так и в России находят нульмерные (двухзонные и многозонные) и многомерные (в основном трехмерные) модели.
6. Относительная простота двухзонных моделей является их основным преимуществом. Несмотря на то, что по своей сущности эти модели больше подходят к физическим процессам в двигателях с внешним
смесеобразованием и искровым зажиганием, концептуальный подход на их основе успешно используется для расчета образований оксидов азота и в двигателях с внутренним смесеобразованием.
7. Для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива более целесообразно использование многозонных моделей, составленных из подмоделей впрыскивания, испарения и сгорания топлива и относящихся к квазимерным моделям. Однако большинство используемых в настоящее время многозонных моделей обычно основано на идеализированных допущениях, таких, как, например, адиабатическое изменение параметров в зонах, отсутствие обмена энергии между ними, теплообмена со стенками камеры сгорания и т.п. Это, конечно, снижает достоверность полученных значений локальных температур и, как следствие, рассчитанных концентраций N0x .
8. Наиболее точные результаты при расчетах концентрации N0x дают трехмерные модели рабочего процесса, основанные на современных CFD-кодах с применением детальных или глобальных механизмов образования оксидов азота. При этом требуется тщательный анализ различных вариантов для выбора модели турбулентности, а также модели турбулентного горения с учетом специфических условий камеры сгорания исследуемого двигателя.
9. Анализ механизмов образования оксида азота показывает, что численные значения скоростей реакций, рассчитанные по кинетическим уравнениям, составленным на основе бимолекулярной реакции соединения азота с кислородом, не согласуются с экспериментальными данными. В связи с этим следует использовать цепной механизм образования оксидов азота. Из существующих схем, основанных на цепном механизме образования N0 и проанализированных в данной статье, наиболее распространенной для поршневых двигателей является схема, соответствующая расширенному термическому механизму Зельдовича. Образованное по этому механизму количество так называемого термического N0 существенно превышает количество «быстрых» и топливных N0. Константы скорости реакции должны быть выбраны с учетом тех реальных условий, которые имеют место при сгорании в дизелях. Следует подчеркнуть, что термический механизм Зельдовича успешно используется как в случае традиционных, так и в случае альтернативных топлив.
10. Детальные кинетические механизмы независимо от числа промежуточных реакций практически всегда содержат реакции образования N0 Семенова-Зельдовича. Эти механизмы наиболее подробно исследованы для газообразных топлив, в частности, водорода и метана. Для традиционных жидких топлив (бензин, дизельное топливо) строго установленных и общепринятых механизмов в настоящее время пока нет, поэтому находят применения механизмы, разработанные для модельных топлив.
Литература
33. Schröer A. Vorschlag eine Methode zur Berechnung der Stickoxid-Emission von Dieselmotoren: Dissertation. TU - Braunschweig, 1975. - 136 s.
34. Wu K.J., Peterson R.C. Correlation of Nitric Oxide Emission from a Diesel Engine With Measured Temperature and Burning Rate // SAE Paper. - 1986. - № 861566. - 16 p.
35. Wachter W., Fessler H., Gstrein W. Wege zum verbrauchs-gunstige «Low-NOx» Dieselmotor für Nutzfahrzeuge // MTZ. - 1992.
- № 5. - S. 232-239.X
36. Krassing G. Die Berechnung der Stickoxidbildung im Dieselmotor. Habilitationsschrift. TU - Graz, 1976. - 220 s.
37. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. Второе издание. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 472 с.
38. Ishida M., Ueki H., Yoshimura Y., Matsumura N. Studies on Combustion and Exhaust Emission in a High Speed DI Diesel Engine // SAE Paper. - 1990. - № 901614. - 18 p.
39. Heider G. Rechenmodel zur Vorausrechnung der NO-Emission von Dieselmotoren: Dissertation.TU - München, 1996. - 146 s.
40. Hohlbaum B. Beitrag zur rechnerischen untersuchung der Stickstoffoxid - bildung schnelllaufender Hochleistungsdieselmotoren: Dissertation. TU - Karlsruhe, 1992. - 118 s.
41. Weisser G., Boulouchos K. NOEMI-Ein Werkzeug zur Vorabschätzung der Stickoxidemissionen direkteinspritzender Dieselmotoren // Der Arbeitsprozess des Verbrenungsmotors. 5. Tagung: Mitteilungen des Institutes für Verbrennungkraftmaschinen und Thermodinamik (Graz). - 1995. - Heft 67. - 18 s.
42. Hiroyаsu H. Diesel Engine Combustion and its Modelling // Proc. Inter. Symposium on Diagnostics and Modelling of Combustion in Reciprocating Engines. - Tokyo, 1985. - 16 p.
43. Nishida K., Hiroyasu H. Simplified Three-Dimensionale Modelling of Mixture Formation and Combustion in a DI Diesel Engine // SAE Paper. - 1989. - № 890269. - 24 p.
44. Hiroyasu H., Kadota T., Arai M. Development and Use of a Spray Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polutant Emission // Bulletin of the JSME. - 1983. - Vol.26. Part 1: Combustion Modeling. - P. 569-575. - Part 2: Computational Procedure and Parametric Study. - P. 576-583.
45. Stiesch G. Modeling Engine Spray and Combustion Processes. - Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2003. - 270 p.
46. Hiroyasu H., Kadota T. Models for Combustion and Formation of Nitric Oxide and Soot in Direct Injection Diesel Engine // SAE Paper. - 1976. - № 760129. - 26 p.
47. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1981. - 159 с.
48. Козлов А.В. Теоретические оценки показателей силовых установок автомобилей в полном жизненном цикле: Дис. докт. техн. наук. - Москва, 2004. - 332 с.
49. Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1998. - 126 с.
50. Теренченко А.С. Экологическая безопасность автомобильных дизелей в полном жизненном цикле: Дис. канд. техн. наук. - Москва, 2003. - 146 с.
51. Khan I.M., Greeves G., Wang C.H. Factors Affecting Smoke and Gaseous Emissions From Direct Injection Engines and a Method of Calculation. // SAE Paper. - 1973. - № 730169. - 23 p.
52. Baulch D.L., Cobos C.I., Cox A.M. et all. Compilation of rate data for combustion modeling // Supplement I.J. Phys. Chem. - 1991.
- Ref. Data 22, № 847. - P. 226.
53. Малахов В.Н. Исследования образования окислов азота в цилиндре карбюраторного двигателя: Дис. канд. техн. наук.
- Киев, 1974. - 156 с.
54. Смайлис В.И. Теоретические и экспериментальные основы создания малотоксичных дизелей: Дис. докт. техн. наук.
- Ленинград, 1988. - 346 с.
55. Фомин В.М. Водородная энергетика автомобильного транспорта. Москва, изд-во РУДН, 2006. - 334 с.
56. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.
57. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.
58. Абрамчук Ф.И., Марченко А.П., Разлейцев Н.Ф., Ше-ховцов А.Ф. и др. Современные дизели: Повышение топливной экономичности и длительной прочности. - Киев: изд-во, Тэхника, 1992. - 272 с.
59. Абрамчук Ф.И., Крутов В.И., Шеховцов А.Ф., Разлейцев Н.Ф. и др. Процессы в перспективных дизелях. - Харьков: изд-во «Основа» при Харьковском университете, 1992. - 352 с.
60. Махов В.З. Процессы сгорания в двигателях (с воспламенением от сжатия). - М.: Изд-во МАДИ, 1980. - 76 с.
61. Хамидулин И.Ю. Проблемы и обеспечение экологичнос-ти дизельных двигателей КамАЗ на уровне мировых стандартов (Евро-1 и Евро-2): Дис. канд. техн. наук. - Казань, 2001. - 50 с.
62. Желтяков В.Т., Субботин Ю.Г., Григорьев М.А. Новые дизели ЯМЗ // Автомобильная промышленность. - 1999. - № 9. - С. 10-13.
63. Schneider W., Stöckli M., Lutz T., Eberle M. Hochdruckeinspritzung und Abgasrezirkulation im kleinen, schnellaufenden Dieselmotor mit direkter Einspritzung. MTZ. N 11, 1993. - S. 588-599.
64. Кавтарадзе З.Р. Снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания быстроходного дизеля путем усовершенствования рабочего процесса. Дис. канд. техн. наук. - Москва, 2006. - 189 с.
65. Кавтарадзе Р.З. Влияние вида газообразного топлива на экологические показатели дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2011. - № 1 (19). - С. 57-62.
66. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенев В.Ф. Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. - М.: НАМИ, 2001. - 248 с.
67. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей.
- М.: Легион-Автодата, 2001. - 80 с.
68. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. - 376 с.
69. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Академический проект, 2004. - 400 с.
70. Гайворонский А.И.,Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.
71. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив. - М.: Изд-во РУДН, 2008. - 267 с.
72. Zitzler G. Analyse und Vorausberechnung der Brennverläufe von Gasmotoren bei Einsatz verschiedener Gasarten. Dissertation. TU - München. Biblion Verlag, 2004. - 182 s.
73. Prager M. Analytische Modellierung des Betriebsverhaltens eines Gasmotors mit neuem Gaszündstrahlverfahren für hohe Leistungsdichte. Dissertation. TU - München. Verlag Dr. Huf, 2010. - 116 s.
