CC BY
59
УДК 621.43.06
ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЁМА СГОРАНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© 2011 П. В. Коломиец Тольяттинский государственный университет
Для сходимости расчётной модели образования и разложения оксидов азота в отработавших газах с экспериментальными данными следует принимать во внимание изменение объёма сгорания, поскольку это изменение является параметром, который определяет время протекания процесса сгорания.
Поршневой двигатель, внутрицилиндровый объём, сгорание, оксиды азота.
Введение
Для уменьшения воздействия на человека и окружающую среду вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) ДВС, необходимо постоянное совершенствование его конструкции. Современные исследования в этой области направлены на поиски способов эффективной работы ДВС на обеднённых и бедных топливно-воздушных смесях (ТВС), благодаря чему достигается снижение токсичности ОГ и повышается топливная экономичность двигателя. Однако при этом встречается ряд трудностей, в числе которых невозможность количественного прогнозирования выбросов вредных веществ, в частности оксидов азота (КОх) на определенном режиме работы ДВС.
Общепринятой теорией образования КОх считается «термическая» теория, предложенная Я.Б. Зельдовичем [1]. Известно, что причинами образования КОх в поршневых ДВС являются высокая температура процесса сгорания, наличие свободного кислорода и время продолжительности протекания процесса сгорания. При сгорании углеводородно-воздушных смесей КОх, в основном образуются по «термическому» механизму, однако имеет место наличие так называемых «быстрых» КОх, образующихся во фронте пламени за меньший промежуток времени, чем «термические» [2].
Одним из направлений уменьшения токсичных веществ в ОГ бензиновых ДВС является применение альтернативных топлив [3]. Анализ исследований [3,4] показал, что эффективным методом воздействия на выбросы КОх является организация рабочего процесса на бедных ТВС. Это возможно достичь или расслоением ТВС, или путём изме-
нения физико-химических свойств ТВС за счёт использования водородного топлива в качестве добавки к основному. К настоящему времени известны отдельные исследования в этом направлении.
Расчётные модели определения выброса вредных веществ для ДВС, работающих на альтернативных топливах, неадекватно описывают концентрацию КОх в ОГ. По экспериментальным данным [5], при использовании в качестве топлива синтез-газа выброс КОх в ОГ возрос примерно в три раза по сравнению с использованием бензовоздуш-ной смеси, а его расчёт по многозонной модели 1818 показал превышение над измеренным в шесть раз (рис. 1). Причем пик сместился в область бедной смеси а = 1,4. Методика расчета образования КОх В.А. Звонова [6] вообще не включает в себя расчёты для водорода.
Шх,ррт 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
0,8 1 1,2 1,4 1,6
----синтез-газ---бензин-----природаый газ
Рис. 1. Расчётная и экспериментальная оценки выделений ЫОх в ОГ при работе ДВС на различных видах топлива. Линии - расчетные данные, столбцы - эксперимент
Экспериментальные исследования при работе ДВС на водородовоздушных смесях и с добавками водорода в бензовоздушную смесь [7,8,9] показали, что добавка газообразного водорода значительно расширяет пределы устойчивого горения, увеличивает скорость распространения пламени в основной и заключительной фазах сгорания, уменьшает задержку воспламенения. Однако в исследованиях нет как единого понимания, так и раскрытия механизма влияния физикохимических свойств ТВС на процесс сгорания и выделения КОх двигателем. Так, по данным [7] наибольший выброс КОх наблюдается при а - 1,2, а другие работы [10] указывают на состав смеси а - 1,5. Между тем в работах говорится о принципиальной возможности влияния объёма завершения сгорания на выделения КОх.
Основным процессом в ДВС, влияющим на энергетические и экологические показатели, является процесс сгорания. В современных поршневых бензиновых ДВС сгорание протекает в течение нескольких миллисекунд при существенно меняющихся скоростях и турбулентности рабочего тела, варьировании температуры и давления. В течение процесса сгорания из-за перемещения поршня объём внутрицилиндрового пространства существенно меняется. Поэтому сгорание фактически протекает в суммарном объёме, включающем в себя постоянный (заданный конструктивно) объём камеры сгорания (КС) и переменный объём цилиндра, зависящий от текущего положения поршня. Т.к. величина объёма внутрицилиндрового пространства при сгорании термодинамически связана с температурой и давлением рабочего тела, то своевременной является задача оценки влияния объёма завершения процесса сгорания, объёма расширения и их изменений на выделения КОх при воздействии на физико-химические свойства ТВС добавкой водорода, что актуально в свете необходимости снижения токсичности воздействием на рабочий процесс.
Целью исследования является определение влияния объёма, при котором завершается процесс сгорания, на концентрацию КОх в ОГ поршневых бензиновых двигателей при добавке водорода в ТВС.
Методика проведения исследований
При выполнении работы применялся экспериментальный метод, включающий регистрацию времени перемещения фронта пламени ионизационным методом и токсичность ОГ.
Углубленное изучение процесса сгорания удобнее проводить на специальных установках, где рабочий процесс воспроизводится в виде одиночных циклов.
Для изучения взаимосвязи объёма завершения процесса сгорания и объёма последующего расширения с токсичностью ОГ по КОх использовалась модельная исследовательская установка для измерения октановых чисел топлив (рис. 2).
Рис. 2. Расположение ИД в КС УИТ-85: 1 — цилиндр; 2 — поршень;
3 — свеча зажигания; 4 — ИД
УИГ-85 - одноцилиндровая четырехтактная карбюраторная установка с изменяемой степенью сжатия, диаметр цилиндра D = 85 мм, отношение S/D = 1,35 с приводом от электромотора. Обороты поддерживаются постоянными: 600 и 900 мин-1. Особенности конструкции позволяют снизить неоднородность состава TВC от цикла к циклу. Постоянная частота вращения коленчатого вала способствует уменьшению межцикловой нестабильности работы установки, позволяет достаточно точно контролировать режимные параметры работы ДВC (частота вращения коленчатого вала, состав TВC, угол опережения зажигания УОЗ) и варьировать ими независимо друг от друга, что позволяет определить влияние на процесс сгорания и токсичность ОГ отдельных параметров. В KC модельной установки имеется штатное место
под магнитострикционныи датчик для измерения детонации, что даёт возможность замены этого датчика ионизационным датчиком (ИД) без изменений в конструкции установки. На рис. 2 показано место установки ИД. ИД находится на максимальном удалении от свечи зажигания. Такая конструктивная схема головки блока цилиндра позволяет получить более полную картину протекания процесса сгорания и факторов, влияющих на исследуемый процесс.
Для регистрации времени перемещения фронта пламени был спроектирован и изготовлен пятиэлектродный ИД (рис. 3).
Рис. 3. Ионизационный датчик
Фронт пламени, омывая электроды и корпус ИД, замыкает электрическую цепь, в которой возникает импульс напряжения ионного тока, обусловленный электропроводностью пламени. Продолжительность сигнала определяется временем замыкания цепи, т.е. временем от первого касания центрального электрода и корпуса датчика
фронтом пламени до погасания при соприкосновении с внутренней полостью ИД.
Схема экспериментального комплекса и электрической схемы подключения показана на рис.4. Электрическая схема подключения ИД и измерения напряжения ионного тока включала в себя: ИД, элементы питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ПЭВМ на базе процессора ІПеІ Реп-tium II, экранированные соединительные кабели. Разность потенциалов (напряжение) создаётся источником питания. Ионный ток при замыкании пламенем электрода и корпуса ИД течёт по замкнутому контуру «УИТ-85 - ИД - Блок питания - АЦП - Общий провод - УИТ-85 - земля». Замеряется напряжение между электродами ИД последовательно включенным в цепь источником питания и заземленным общим проводом установки УИТ-85. На параллельный канал аналогового ввода АЦП подаётся сигнал с катушки зажигания 8 и электромагнитного датчика 9, установленного на проводе высокого напряжения свечи зажигания. В момент искрового разряда на ИД 7 возникает импульс напряжения ионного тока, который фиксируется АЦП и используется для синхронизации осциллограмм. Т.е. начало сгорания соответствует моменту подачи искры на свечу зажигания, который фиксируется ИД 7 и записывается в память АЦП.
Рис. 4. Схема экспериментального комплекса и электрической схемы подключения: 1 - баллон; 2 - газовый редуктор первой ступени; 3 - газовый редуктор второй ступени; 4 - манометр;5 - газовый счетчик барабанный ГСБ - 400; 6 - установка УИТ - 85; 7 - ИД; 8-катушка зажигания; 9 - электромагнитный датчик
Запись показаний с ИД осуществлялась через АЦП Е-440 фирмы «Ь-Сагё» (Россия). Для определения выделений КОх в ОГ применялся микропроцессорный газо-анализатор «АВТОТЕСТ-02 СО-СО2-СН-О2-КОх-^-Т» фирмы «МЕТА» (Россия).
Методика проведения экспериментов заключалась в одновременной записи осциллограмм напряжения ионного тока и измерении выделений КОх в ОГ после вывода установки на соответствующий режим работы.
Испытания проводились при степени сжатия е = 7, частоте вращения коленчатого вала п = 600, 900 мин-1, составах ТВС от а = 1,0 до предела бедного срыва. УОЗ был подобран и поддерживался постоянным для п = 600 тт-1 0з = 13°пкв, для п = 900 тт-1 0з = 13°, 19° и 22°пкв.
Изменение физико-химических
свойств ТВС осуществлялось добавками во -дорода в ТВС в малых количествах, от 1% до 6% массы от общего расхода бензина. Необходимо отметить, что увеличение доли добавляемого водорода более 6-7 % массы от общего расхода бензина снижает его эффективное влияние на процесс сгорания. При этом происходит элементарное замещение одного вида топлива другим.
Для подтверждения достоверности полученных результатов проведена оценка погрешностей измерений в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Определены следующие значения относительных погрешностей: для выделений КОх, 5мОх = ± 5 %, для времени начала сигнала 1 51 = ± 3.71 %, для времени продолжительности сигнала т, 5т = ± 3.11 %, для расхода водорода Н2, 5Н2 = ± 3.2 %, ко -эффициента избытка воздуха а, 5а = ± 2.3 %.
Результаты исследований
Характерный вид сигнала (импульса) напряжения ионного тока представлен на рис. 5. Осциллограммы импульсов, записанных в 40 отдельных циклах на одном режиме, усреднялись и оценивались по их сум -марной продолжительности 21 (мс). Этот параметр включает в себя время от момента зажигания до начала появления сигнала на электродах ИД 1 (мс) и время продолжительности существования сигнала т (мс).
По результатам измерений отрезка времени ^ от искрового разряда до окончания импульса напряжения ионного тока и с помо -щью построения кривой изменения объёма цилиндра определён объём завершения сгорания.
На рис. 6 представлено изменение суммарной продолжительности процесса сгорания IX в зависимости от состава ТВС, частоты вращения коленчатого вала и доли добавляемого водорода. Промежуток времени ^ включает развитие начального очага пламени и распространение фронта турбулентного пламени по объёму КС. Частота вращения коленчатого вала оказывает значительное влияние на суммарную продолжительность процесса сгорания При увеличении частоты вращения коленчатого вала, ^ уменьшается. Добавка газообразно -го водорода в количестве 5 % по массе (Н2 = 0.05) дополнительно сокращает время ^ в среднем на 23 %, при а > 1,3 данное со -кращение достигает 35 % по сравнению с аналогичными показателями при работе установки без добавки водорода в ТВС.
* 900-13-0 ♦ 900-13-5 □ 900-22-0 - 900-22-5
=>600-13-0 * 600-13-5 д 900-19-0 * 900-19-5
Рис. 6. Зависимость суммарной продолжительности сгорания ? от состава ТВС и доли добавляемого водорода
На рис. б и в дальнейшем приняты следующие сокращения: XXX-XX-X - 1-я
группа цифр обозначает частоту вращения коленчатого вала модельной установки, 2-я группа обозначает УОЗ, 3-я группа обозначает процентное содержание добавляемого газообразного водорода в ТВС.
Одновременно оценено влияние варьируемых факторов на выделения NOx в ОГ как при работе установки с добавкой водорода, так и без добавки (рис. 7). Выявлены определяющее влияние состава ТВС и добавок водорода. С увеличением доли добавляемого в бензовоздушную смесь водорода
NOx, ppml
0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4
« 900-13-0 * 900-13-5 □ 900-22-0 « 900-22-5 о 600-13-0
• 600-13-5 а 900-19-0 * 900-19-5
получено смещение максимальных выделений КОх в область более бедной смеси. КОхшах бензовоздушной смеси соответствует а = 1,097 (п = 600, 900 мин-1, УОЗ = 13опкв), КОхшах для п = 900 мин-1 и УОЗ = 22 опкв -а = 1,12. При добавке Н2 = 0,05 массовой доли водорода КОх шахсоответствует а = 1,2 для всех исследуемых режимов. При увеличении доли водорода в бензовоздушной смеси, в области бедных ТВС происходит возрастание выделений КОх в ОГ примерно на 20 %. Увеличение выделений КОх при добавке водорода при одинаковых составах ТВС объясняется возрастанием средней скорости распространения фронта пламени, что приводит к увеличению температуры сгорания и, как будет показано далее, к уменьшению объёма, при котором завершается процесс сгорания.
Обсуждение результатов
Для исследования зависимости температуры процесса сгорания от состава ТВС как с добавкой, так и без добавки газообразного водорода с целью последующего опре-
деления влияния температуры на выделения N0 использовалась расчётная методика И.И. Вибе [11]. Расчёт действительного рабочего цикла осуществлялся по углу поворота коленчатого вала с учётом УОЗ и показателя характера сгорания. Данный метод позволяет определить с наибольшей точностью изменение температуры рабочего тела в процессе сгорания.
Оценено влияние температур на выделения N0 в ОГ при различных составах ТВС и добавках водорода (рис. 8). Видно, что увеличение средней температуры процесса сгорания на 6 % приводит к росту выбросов N0 на 23 % (а = 1,1). На составах ТВС а = 1,25 при сохранении частоты вращения коленчатого вала и регулировочных параметров средние расчётные температуры
NOx, ppii 5000
4000
3000
2000
1000
0
1600 1800 2000 2200 2400 2600 Т,К
о 900-13-0 * 900-13-5 - 900-22-5 о 600-13-0 • 600-13-5
д 900-19-0 1 900-19-5 □ 900-22-0
процесса сгорания различаются на 20 %, а выделения NOx на 28 % в сторону увеличения.
Определено влияние на изменения объёма завершения сгорания физикохимических свойств ТВС при различных составах ТВС и введении добавки водорода. Показано уменьшение объёма завершения сгорания при работе установки с добавками водорода в ТВС в изученном диапазоне (рис. 9).
Экспериментально полученные данные выделения NOx в ОГ и значения объёма завершения сгорания позволили определить их взаимосвязь (рис. 10). В известных работах показано, что с увеличением доли добавляемого водорода в бензовоздушную смесь, расширяются пределы стабильного воспламенения и сгорания.
* У00-13-0 * 900-13-5 п 900-22-0 " 900-22-5 о 600-13-0
. 600-13-5 л 900-19-0 1 900-19-5
Рис. 9. Изменение объёма КС, соответствующее завершению процесса сгорания в зависимости от состава ТВС и доли добавляемого водорода
Добавка водорода в ТВС расширяя пределы стабильного воспламенения и сгорания, позволяет осуществлять работу ДВС на обед-
нённых и бедных ТВС без потери интенсивности сгорания, но уже с меньшими температурами процесса протекания химических реакций и последующего расширения продуктов сгорания. Другими словами, при достаточно высоких скоростях протекания химических реакций сгорание осуществляется в меньшем объёме и с меньшими температурами, но уже в области обеднённых ТВС, а снижение средней температуры процесса сгорания приводит к уменьшению выделений КОх в ОГ.
В одной из последних работ [12] показано, что для сходимости расчётных моделей с экспериментальными данными следует учитывать изменение объёма завершения сгорания, т.к. это изменение является параметром, определяющим располагаемое время процесса сгорания. Показано, что с увеличением доли водорода в смеси процесс сгорания заканчивается в меньшем объёме, по сравнению с работой установки на бензо-воздушной смеси. Выделения КОх в ОГ снижаются за счёт уменьшения объёма расширения. Сокращается время пребывания азота и количества кислорода в зоне высоких температур. Увеличение объёма завершения сгорания приводит к снижению выделений КОх в ОГ.
На рис. 11 представлен график, отражающий изменение объёма процесса расширения и выделений КОх в ОГ. Уменьшение объёма расширения продуктов сгорания приводит к снижению рассматриваемого токсичного компонента ОГ из-за ограниченности времени на его образование и разложение. Следует отметить то, что меньшие значения выделений соответствуют работе установки на обеднённых и бедных составах ТВС. Стабильное воспламенение и сгорание
* ’л ♦ ♦ * * 1 / /‘ ♦
* ♦ 4 у ■♦ ♦ / » f*
♦ ♦ / / ♦ ♦ 4
* у ♦ *4
* ♦ ♦
460 480 500 520 540 560 УрасшсмЗ
Рис. 11. Экспериментальная оценка зависимости выделений ЫОх в ОГ и объёмов расширения продуктов сгорания во всем изученном диапазоне составов ТВС, скоростных и регулировочных параметров при различных добавках газообразного водорода
бедных ТВС обеспечивается вводом в смесь газообразного водорода. С обогащением ТВС и введением в смесь водорода времени, отводимого на процесс расширения, в ходе которого происходит образование и разложение КОх, становится больше.
V*
•N ?! * 4 4 \ 4* 4
♦ ♦4 4 Ч 4 ♦ 4
4 ' 4 4 \, * »
4* \ • ♦ ♦ х 4
♦ ! - 4 ♦
100 120 140 160 180 200 220Vrop,ai3
Рис. 10. Зависимость выделений NOx в ОГ от объёма завершения сгорания во всем изученном диапазоне составов ТВС, скоростных и регулировочных параметров при различных добавках газообразного водорода
Заключение
Выделения NOx в ОГ определяются максимальной температурой рабочего цикла, наличием свободного кислорода и временем нахождения азота и кислорода в зоне высоких температур. При создании расчётных моделей образования NOx и прогнозировании их выделения кроме указанных факторов также должно учитываться влияние объёма завершения процесса сгорания и объёма последующего расширения рабочего тела, т.к. эти объёмы влияют на выделения NOx поршневыми двигателями.
Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г. (ГК № П 1557).
Библиографический список
1. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении [Текст] / Я.Б. Зельдович, П.Я. Садовников, Д. А. Франк-Каменецкий. - АН СССР, 1947.-144 с.
2. Fenimore, C.P. Studies of Fuel-Nitrogen in Rich Flame Gases [Text]/ 17 Th Symposium of Combustion - Pittsburg, 1979. - P.166.
3. Кавтарадзе, З.Р. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах [Текст] / З.Р. Кавтарадзе, Р.З Кавтарадзе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - N 1(13). -С.74-80.
4. Кульчицкий, А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей [Текст]: учеб. Пособие / А.Р. Кульчицкий - М: ООО ’’Академический проект”, 2004. - 400 с.
5. Mustafi, N.N. Spark-ignition engine per-fomans with «Powergas» fuel (mixture of CO/H2): A comparison with gasoline and natural gas. / N.N. Mustafi, Y.C. Miraglia, Full 85, 2006. - 1605-1612.
6. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. А. Звонов -М.: Машиностроение, 1981. - 158с.
7. Мищенко, А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей [Текст] / А.И.Мищенко. - Киев, Наукова думка, 1984.167с.
8. Коломиец, П.В. Влияние скорости распространения пламени на выделение оксида азота при добавке водорода в бензиновые двигатели [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02 : защищена 26.06.07 : утв. 14.12.07 / П.В. Коломиец - Тольятти, 2007.- 125 с.
9. Ивашин, П.В. Зависимость концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах бензиновых ДВС от скорости распространения пламени и ионного тока [Текст]: дисс. ... канд. техн. наук: 05.04.02 : защищена 20.05.04 : утв. 24.12.04 / П.В. Ивашин.- Тольятти, 2004.- 125 с.
10. Хмыров, В.И. Водородный двигатель [Текст] / В.И. Хмыров, Б.Е. Лавров - Алма-Ата, Наука КазССР, 1981.- 170с.
11. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя [Текст] / И.И. Вибе - Свердловск, Машгиз, 1962.- 270с.
12. Andersson, I. Cylinder Pressure and Ionization Current Modeling for Spark Ignited Engines [Text]/ Linkopings Universitet, SAE 581 83 Linkoping, Sweden, 2002.
HANGES IN VOLUME COMBUSTION AND CONCENTRATION OF NITROGEN OXIDES IN THE EXHAUST GASES GASOLINE ENGINE
© 2011 P. V. Kolomiets
Togliatti State University
For the convergence of the computational model the formation and decomposition of nitrogen oxides in exhaust gases from the experimental data should take into account changes the volume of combustion. Since this change is the parameter that determines the flow of the combustion process.
The piston engine, the volume, combustion, nitrogen oxides.
Информация об авторах Коломиец Павел Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Тепловые двигатели» Тольяттинского государственного университета. Тел.: (8482) 54-64-58. Email.: kolomietspv@yandex.ru. Область научных интересов: контроль, управление и организация процессов сжигания топлива в тепловых двигателях.
Kolomiets Pavel Valerievich, candidate of technical sciences, associated professor of the chair «Heat engine» of Togliatti State University. Phone: (8482) 54-64-58. E-mail: kolo-mietspv@yandex.ru. Area of research: control, management and organization of fuel combustion in heat engines.
